太赫茲波是指頻率在0.1THz~10THz內(nèi)的電磁波，它的波長(zhǎng)介于30~3000μm，在頻譜中的位置處于微波和可見(jiàn)光之間，長(zhǎng)波段部分與毫米波重合，短波段部分與紅外線重合，在電磁波頻譜中占據(jù)非常特殊的位置，具有很多特殊的性質(zhì)：寬帶性、互補(bǔ)性、瞬態(tài)性、相干性、低能性、投射性。相對(duì)于毫米波而言，太赫茲波的頻率更高、波長(zhǎng)更短，因此具有更高的分辨率、更強(qiáng)的方向性和更大的信息容量，同時(shí)器件可以更小；相對(duì)于光波而言，太赫茲波具有更強(qiáng)的穿透性，適合于云霧、硝煙等極.端惡劣環(huán)境。太赫茲頻率源是太赫茲技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵，其性能指標(biāo)影響著整個(gè)太赫茲系統(tǒng)的性能，所以太赫茲頻率源的獲得至關(guān)重要。通過(guò)倍頻的方式獲得的信號(hào)源具有高頻穩(wěn)定性好、設(shè)備的主振動(dòng)頻率低、工作頻段寬的優(yōu)點(diǎn)，是目前獲取太赫茲頻率源廣泛采取的方案。

基于GaAs肖特基二極管的太赫茲倍頻器因其高效率、低能量消耗和室溫下可適用性，已廣泛用于外差接收器中局部振蕩器(LO)的可靠信號(hào)源。太赫茲倍頻器具有廣泛的實(shí)際應(yīng)用，包括大氣遙感、醫(yī)學(xué)成像甚至高速通信。目前，用于封裝太赫茲倍頻器的波導(dǎo)腔體通常采用計(jì)算機(jī)數(shù)控(CNC)加工制造，該工藝成熟，可實(shí)現(xiàn)高精確度、高精密度和良好表面光潔度，能滿足電子元件與波導(dǎo)腔體間嚴(yán)格的尺寸公差要求。近年來(lái)，3D打印憑借其小批量快速加工的能力，逐漸被用于加工被動(dòng)微波器件。但是，兼具大的打印幅面以及高公差控制的打印設(shè)備較少，因此鮮少有3D打印制備超過(guò)100GHz頻段的器件報(bào)道。3D打印的倍頻器更是未見(jiàn)報(bào)道。

圖1. 125GHz倍頻器的剖面圖:(a)波導(dǎo)腔體的布局;(b)MMIC的特寫

圖2. 微納3D打印的波導(dǎo)腔體(左)和放置MMIC的波導(dǎo)通道(右)

近日，英國(guó)伯明翰大學(xué)的Talal Skaik和Yi Wang等首.次采用面投影微立體光刻(PμSL)3D打印工藝制備太赫茲倍頻器的波導(dǎo)腔體。研究團(tuán)隊(duì)使用摩方精密科技有限公司(BMF)的nanoArch® S140系統(tǒng)3D打印了波導(dǎo)腔體，打印材料為耐高溫樹(shù)脂(HTL)，如圖2所示，外形尺寸為30.4 mm×25.5 mm×19.1 mm，打印層厚為20μm以及光學(xué)精度為10μm。打印后在異丙醇中清洗，并進(jìn)行30分鐘的紫外線固化，最后在60°C下進(jìn)行30分鐘的熱固化。制備的波導(dǎo)腔體通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)檢測(cè)并未發(fā)現(xiàn)缺陷，與MMIC（單片微波集成電路）配合的波導(dǎo)通道測(cè)量值為609μm，優(yōu)于設(shè)計(jì)的630μm；同時(shí)超高光學(xué)精度打印保證了嚴(yán)格的尺寸公差，確保波導(dǎo)腔體的兩部分能精確配合，避免MMIC電路的損壞。

圖3. 電鍍后波導(dǎo)腔體的表面光潔度

圖4. 裝配后的太赫茲倍頻器

為促進(jìn)信號(hào)的傳遞以及減小外界干擾，在波導(dǎo)腔體表面鍍上4μm厚的銅和0.1μm厚的金，平均表面光潔度約為1.4μm，如圖3和圖4所示，電磁仿真結(jié)果表明該粗糙度對(duì)變頻損耗的影響可以忽略不計(jì)。

圖5.  3D打印與傳統(tǒng)CNC加工的太赫茲倍頻器的性能參數(shù)對(duì)比

實(shí)驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，3D打印制備的太赫茲倍頻器與傳統(tǒng)CNC制備的倍頻器性能非常接近，相關(guān)性能參數(shù)如圖5所示。3D打印的太赫茲倍頻器在輸出頻率為126GHz下達(dá)到33mW的最大輸出功率，在80mW~110mW的輸入功率下轉(zhuǎn)換效率約為32%，與傳統(tǒng)CNC加工的倍頻器具有相近的最大輸出功率和轉(zhuǎn)換功率。

此研究成果以題為“125 GHz Frequency Doubler using a Waveguide Cavity Produced by Stereolithography"發(fā)表在會(huì)議期刊《IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology 》上。