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作者与发表信息

本研究由P. Ourednik、T. Hackl、C. Spudat、D. Tuan Nguyen和M. Feiginov共同完成，他们均来自奥地利维也纳理工大学（TU Wien）的电气工程与信息技术系。该研究于2021年12月29日发表在《Applied Physics Letters》期刊上，文章标题为“Double-Resonant-Tunneling-Diode Patch-Antenna Oscillators”，DOI为10.¹⁰⁶³⁄₅.0068114。

学术背景

研究的主要科学领域是太赫兹（THz）电子学与光子学。太赫兹技术在过去几十年中逐渐成熟，但其设备仍然复杂、庞大且昂贵，限制了其在实际应用中的普及。因此，开发一种紧凑、简单且能在室温下工作的太赫兹源成为当前研究的重点。其中，亚太赫兹和太赫兹共振隧穿二极管（Resonant-Tunneling-Diode, RTD）振荡器被认为是最有潜力的候选者之一。然而，现有的RTD振荡器在输出功率和频率范围上仍有待提升。本研究旨在通过设计一种基于双RTD的贴片天线振荡器，解决现有RTD振荡器在紧凑性和输出功率方面的不足。

研究流程

研究主要分为以下几个步骤：

1. 设计与建模
   研究团队提出了一种双RTD贴片天线振荡器的设计。该设计利用贴片天线同时作为谐振器和辐射器，避免了传统RTD振荡器中需要使用硅透镜的复杂性。通过仿真，团队优化了贴片天线的尺寸与RTD面积的关系，并设计了非对称工作模式，以确保振荡器在基频下与外部电路完全解耦。

2. 器件制备
   研究团队采用光学光刻技术制备了RTD振荡器。RTD采用InGaAs/AlAs材料，生长在InP衬底上，其结构包括1.6 nm厚的AlAs势垒层和复合InGaAs/InAs/InGaAs量子阱。制备过程中，团队还制作了金属-绝缘体-金属（MIM）电容和分流电阻，以抑制低频寄生振荡。

3. 性能测试
   研究团队使用扫描电子显微镜（SEM）对制备的振荡器进行了表征，并通过傅里叶变换干涉仪测量了振荡器的频谱。输出功率通过校准的热释电探测器进行测量，并校正了天线辐射模式与探测器窗口的重叠效应。

4. 数据分析
   研究团队对测试数据进行了详细分析，包括振荡频率、输出功率、辐射模式和极化特性。通过仿真与实验结果的对比，验证了设计的有效性，并进一步优化了振荡器的性能。

主要结果

1. 输出功率与频率
   研究团队成功实现了双RTD贴片天线振荡器在基频下的高功率输出。在525 GHz频率下，输出功率达到10 µW；在330 GHz频率下，输出功率高达70 µW。这些结果相比之前报道的贴片天线RTD振荡器有了一个数量级的提升。

2. 辐射模式与极化
   测量结果表明，所有振荡器均在最低阶非对称模式下工作，辐射模式为单瓣对称，极化方向与双RTD的轴线一致。对称模式的振荡被有效抑制，确保了振荡器与外部电路的解耦。

3. 优化潜力
   研究团队通过仿真预测，通过使用更薄的势垒层和更高电流密度的RTD，以及减少寄生参数，振荡器的输出功率和频率可以进一步提升。例如，使用1 nm势垒层的RTD，预计可以在1 THz频率下实现10 µW的输出功率。

结论与意义

本研究提出了一种新型的双RTD贴片天线振荡器设计，具有紧凑、简单和高输出功率的特点。相比传统RTD振荡器，该设计不需要硅透镜，且贴片天线同时作为谐振器和辐射器，简化了结构。研究结果表明，该振荡器在太赫兹频率范围内具有显著的性能优势，为太赫兹源的实际应用提供了新的可能性。

研究亮点

1. 高输出功率
   在525 GHz和330 GHz频率下，分别实现了10 µW和70 µW的输出功率，相比之前的研究有了显著提升。

2. 紧凑设计
   通过双RTD和非对称工作模式的设计，避免了硅透镜的使用，实现了振荡器的紧凑化。

3. 光学光刻技术
   整个制备过程仅使用光学光刻技术，降低了制造成本和复杂性。

4. 优化潜力
   研究结果表明，通过进一步优化RTD和贴片天线的参数，振荡器的性能可以进一步提升，为未来研究提供了方向。

其他有价值的内容

研究团队还详细讨论了振荡器的损耗机制，包括金属损耗和介质损耗的贡献，并提出了减少寄生参数的优化策略。此外，研究团队还感谢了奥地利科学基金（FWF）和维也纳理工大学图书馆的支持。

以上内容全面介绍了该研究的背景、方法、结果和意义，为相关领域的研究者提供了有价值的参考。