Принцип работы терагерцовых устройств

Измерения S-параметров в ТГЧ-диапазоне частот проводят, как правило, при помощи векторных анализаторов цепей миллиметрового диапазона. Ряд зарубежных фирм, которые специализируются на производстве векторных анализаторов цепей, активно продвигают свою продукцию от 110 ГГц вверх по диапазону [2]. Среди них компании Agilent Technologies, Inc., Rohde&Schwarz, OML, Inc., Virginia Diodes, Inc. и др.
В работе [17] описана схема для проведения измерений фазовых шумов ТГЧ-сигналов с верхней границей частотного диапазона 670 ГГц. Новая методика бесконтактного измерения показателей матрицы рассеяния произвольного ТГЧ-многополюсника описана в [12].
Большой интерес для исследования процессов взаимодействия Т-волн с разными средами представляют сведения о диэлектрических и магнитных характеристиках данных сред. Для проведения экспериментальных исследований разных веществ при помощи метода дисперсионной Фурье-спектроскопии были разработаны комплект квазиоптических узлов с пьезоэлектрическим управлением и измерительная схема для диапазона частот 0,1…3 ТГц. Методом терагерцовой спектроскопии во временной области были изучены величины коэффициентов поглощения и преломления образцов мальтозы.
Вода играет самую важную роль в процессах взаимодействия. Была разработана математическая модель для расчета комплексной диэлектрической проницаемости воды для разных значений ее солености (s, ‰). Для s = 0 ‰ модель справедлива в широком диапазоне частот вплоть до 500 ГГц и температур –20…+40 ºС. Данная модель хорошо согласуется с экспериментальными данными, которые установлены для субмиллиметрового диапазона.
Экспериментальные исследования, которые были проведены для диапазона частот 0,1…0,6 ТГц и трех образцов древесины различных сортов, показали наличие эффекта двулучепреломления, который вызывает разница показателей преломления волокон древесины в направлениях, перпендикулярном и параллельном вектору напряженности электрического поля.

ОСОБЕННОСТИ МЕТОДИК ИЗМЕРЕНИЯ РАБОТЫ ТЕРАГЕРЦОВЫХ УСТРОЙСТВ

Разработка конструкции плазмонного детектора с решеточным затвором
Обычные одиночные полевые транзисторы не являются хорошими детекторами, так как они имеют низкую чувствительность [7] (ниже 70 мВ/Вт даже при приложении тока смещения), которая обусловлена слабой связью транзисторной структуры с терагерцовым излучением. Это обусловлено тем, что длина активной части типичного транзистора (порядка микрона) на два порядка менее, чем длина волны терагерцового излучения (300 мкм для частоты 1 ТГц). Поэтому нужен антенный элемент, который эффективно связывает терагерцовое излучение с транзисторной структурой, нужен для того, чтобы получить хорошую чувствительность детектора, которая пригодна для практических применений.
На сегодняшний день существуют два направления в исследуемых конструкциях детекторов на базе полевых транзисторов, для достижения требуемой чувствительности детекторов, а именно:
полевой транзистор со специализированной антенной терагерцового диапазона;
использование транзисторных структур с решеточным затвором, которые имеют активную площадь, которую можно сравнить с площадью поперечного сечения пучка падающего терагерцового излучения
Итоги исследований детекторов с антенными элементами показывают, что данное решение имеет определенные перспективы и право на жизнь. Встречаются различные виды антенн и самыми популярными являются диполь, спираль, антенна типа «бабочка», логопериодическая спираль, патч-антенна, аппертурная антенна.
Отдельным решением является применение решеток в качестве связующего элемента между плазмонными модами и внешним излучением в канале транзисторной структуры. Транзисторная структура с решеточным затвором может обладать чувствительностью около 10 кВ/Вт. Элементом связи может стать также сама структура, которая сконструирована должным образом, или с помощью решеточного затвора или плотная цепочка транзисторов [13].
В плазмонных детекторах на базе полевого транзистора с решеточным затвором, решеточный затвор большой площади (которую можно сравнить с типичной площадью поперечного сечения сфокусированного терагерцового пучка излучения) действует как эффективная антенна. Тем не менее, чувствительность плазмонного детектора на базе полевого транзистора с решеточным затвором остается сравнительно невысокой, потому что технологически сложно внести нужную асимметрию в каждую элементарную ячейку периодической структуры большой площади, которая нужна для получения высокой чувствительности. Необходимая асимметрия может быть создана посредством приложения постоянного тока смещения на стоке в канале полевого транзистора. Тем не менее, сильный ток стока вызывает большое снижение напряжение через длинный канал транзисторной структуры с решеточным затвором большой площади и, соответственно, оказывается, что разные элементарные ячейки транзисторной структуры с решеточным затвором находятся под разными эффективными затворными напряжениями. В итоге суммарная чувствительность полевой транзисторной структуры с решеточным затвором снижается при сильных токах стока. Другим методом повысить чувствительность транзисторной структуры с решеточным затвором является снижение ширины щелей.
Чем уже щели, тем сильнее связь плазмонов и внешнего падающего излучения (см. рис. 3).


Рисунок 3 – Ширина линии затухании плазмонов, Γ Rn, первой, n=1, и второй моды, n=2, в зависимости от соотношения длины металлической полоски, w, и периода решетки, L, при отношении толщины барьерного слоя, d, к периоду решетки 0.05

Из рисунка 3 следует, что наибольшая связь достигается, когда щелей нет, потому что не учитывались эффекты близости при стремлении зазора к нулю. Были выполнены исследования, в которых соотношение металлизации к периоду было 0,5 и огромной площадью решеточного затвора 2×2 мм2 . Поэтому с целью проверки и сравнения необходимо выполнить такую же структуру и как можно с более узкой щелью. На длине 2 мм имеющаяся на сегодняшний день технология позволяет выполнить щель 0.3 мкм. Соотношение металлизации и периода можно принять равным 0.9, потому что последующее снижение щелей не приводит к значительному повышению связи (см. рис. 3).
Разработка конструкции детекторов на базе массивов транзисторов
Другим способом, кроме использования антенных элементов, является изготовление пространственно развитой транзисторной структуры, которая состоит из множества или нескольких элементарных транзисторных ячеек.
Дополнительная антенна не нужна, если идентичные HEMT расположены в плотный массив, с апертурой, которую можно сравнить с длиной ТГц волны. Данный массив сам по себе служит в качестве эффективной ТГц антенны в силу сильной электромагнитной связи между разными HEMT в массиве, при этом получаемый ТГц отклик является пропорциональным количеству транзисторов в массиве, т.е. чувствительность всего массива зависит от чувствительности одного элемента в данном массиве. Соответственно, чем более эффективно будет работать один элемент, чем более чувствительным будет массив в целом.
В работе [13] асимметрия в структуре вводится посредством подачи тока смещения через структуру, что ухудшает шумовые свойства прибора, потому что к тепловому шуму добавляется дробовой шум. Для достижения требуемой чувствительности ТГц детектора на базе массива транзисторов нужно тем или другим путем обеспечить асимметрию в каждой элементарной ячейке массива транзисторов, поэтому было принято решение сделать асимметричный затвор. Поскольку соединять элементы в массиве можно двумя методами: последовательно или параллельно, то были изготовлены и разработаны две конструкции детекторов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, можно подвести следующие итоги.
Очевидными преимуществаами ТГЧ-диапазона являются: большая информационная емкость, отсутствие ионизирующего воздействия, способность проникать через непрозрачные объекты, возможность высоконаправленного излучения и некоторые другие – обусловили быстрое развитие терагерцовой техники во всем мире. Данные преимущества определяют привлекательность практического применения Т-волн для создания высокоточных РЛС, высокоскоростных линий связи, которые способны работать в сложной электромагнитной обстановке, систем получения изображений с очень высоким разрешением, устройств дистанционной идентификации химических веществ и другой гражданской и военной техники.
Приведенный обзор свидетельствует о значительных успехах, которые были достигнуты в настоящее время в сфере разработки терагерцовых технологий, и быстром развитии электронной компонентной базы ТГЧ-диапазона. Последующее усовершенствование радиоэлектронных приборов и компонент ТГЧ-диапазона требует развития метрологической базы, включая разработку стандартов, нормативно-технической документации, методик и методов измерения характеристик терагерцовой ЭКБ, необходимого контрольно-измерительного оборудования. При этом процессы производства и изготовления терагерцовых компонентов остаются зачастую трудоёмкими и сложными, вследствие чего их стоимость остаётся достаточно высокой.
Итоги исследований детектирующих характеристик массивов транзисторов, полученные в курсовой работе, могут использоваться для будущего совершенствования плазмонных ТГц детекторов на базе ПТ с высокой подвижностью электронов. Разное (параллельное или последовательное) соединение ПТ в массиве позволяет суммировать фототок или фотоЭДС в массиве ПТ. Одним из наиболее важных практических преимуществ ТГц детекторов на базе массивов ПТ является то, что их можно изготавливать в едином технологическом цикле по сравнительно дешевой и хорошо отработанной технологии изготовления транзисторных интегральных схем, так как процедура их изготовления совместима с изготовлением полевого транзистора.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

Азаров И.А. Контроллер поляризации терагерцового диапазона / Азаров И.А., Чопорова Ю.Ю., Князев Б.А., Швец В.А. // Материалы Международной научно-технической конференции, 21-25 ноября 2016 г. – М., INTERMATIC – 2016, ч. 4. – С. 81-83.
Многоканальная радиометрическая система для регистрации субмиллиметрового излучения при пучково-плазменном взаимодействии / С.А. Кузнецов, А.В. Аржанников, А.В. Гельфанд, А.В. Зоренко, Б.П. Горшунов // Вестник Новосибирского государственного университета. – 2010. – T. 5, вып. 3. – C. 5–19.
Терагерцовый диапазон частот: электронная компонентная база, вопросы метрологического обеспечения / C.А. Алавердян, С.И. Боков, В.О. Булгаков, Н.А. Зайцев, В.М. Исаев, И.Н. Кабанов, Ю.Ю. Катушкин, В.В. Комаров, А.П. Креницкий, В.П. Мещанов, С.А. Савушкин, А.В. Сыромятников, А.С. Якунин // Обзоры по электронной технике. Сер. 1. Электроника СВЧ. – М.: ЦНИИ «Электроника», 2012. – 74 с.
Терагерцовая техника и ее применение в биомедицинских технология / Ю.В. Гуляев, А.П. Креницкий, О.В. Бецкий, А.В. Майбородин, В.Ф. Киричук // Успехи современной радиоэлектроники. – 2008. – № 9. – C. 30–35.
Устройства поляризации радиоволн в терагерцовом диапазоне частот / под ред. А.С. Яку- нина. – М.: Радиотехника, 2012. – 256 с.
Царев М.В. Генерация и регистрация терагерцового излучения ультракороткими лазерными импульсами: учеб. пособие. – Нижний Новгород: НГУ, – 2011. – 75 с.
A 0.423 THz second harmonic gyrotron oscillator / Y. Yan, X. Li, X. Yuan, W. Fu, D. Liu // Chinese Journal of Electronics. – 2013. – Vol. 22, No 2. – P. 415–418.
Ajito K. THz chemical imaging for biological applications / K. Ajito, Y. Ueno // IEEE Transactions of Terahertz Science and Technology. – 2011. – Vol. 1, No 1. – P. 293–300.
Armstrong C.M. The truth about terahertz // IEEE Spectrum. – 2012. – No 9. – P. 36–41.
Chattopadhyay G. Technology, capability, and performance of low power terahertz sources // IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology. – 2011. – Vol. 1, No 1. – P. 33–53.
Federici J. Review of terahertz and subterahertz wireless communications / J. Federici, L. Moeller // Journal of Applied Physics. – 2010. – Vol. 107, No 11. – Article ID 111101. – 22 p.
Generation of scalable terahertz radiation from cylindrically focused two-color laser pulses in air / D. Kuk, Y. J. Yoo, E. W. Rosenthal et al. // Appl. Phys. Lett. — 2016. — Vol. 108. — P. 121106.
Handbook of terahertz technology for imaging, sensing and communications / Edited by Daryoosh Saeedkia. – Cambridge: Woodhead Publishing, 2013. – 688 p.
Kochkurov L. A., Melnikov L. A. Generation of THz radiation in two-color fiber laser with frequency selection // Proc. SPIE. — 2016. — Vol. 9917. — Pp. 99173H–99173H–5.
Mineo M. Double-corrugated rectangular waveguide slow-wave structure for terahertz vacuum devices / M. Mineo, C. Paoloni // IEEE Transactions on Electronic Devices. – 2010. – Vol. 57, No 11. – P. 3169–3175.
Multistability and complex dynamics in coupled semiconductor lasers with timedelayed feedback / M. Balakin, L. Kochkurov, L. Melnikov, V. Astakhov // Proc. SPIE. — 2016. — Vol. 9917. — Pp. 99172W–99172W–8.
. Quantum cascade lasers operating from 1.2 to 1.6 THz / C. Walther, M. Fischer, G. Scalari, R. Terazzi, N. Hoyler, J. Faist // Applied Physics Letters. – 2007. – Vol. 91, No 13. – P. 1–3.
Reducing transmission losses in hollow THz waveguides / O. Mitrofano, R. James, F.A. Fernandez, T.K. Mavrogordatos, J.A. Harrington // IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology. – 2011 – Vol. 1, No 1. – P. 124–132.
Rogalski A., Sizov F. Terahertz detectors and focal plane arrays // Opto-electronics review 19(3), 2011. p. 346-404.
Song H.-J. Present and future of terahertz communications / H.-J. Song, T. Nagatsuma // IEEE Transactions of Terahertz Science and Technology. – 2011. – Vol. 1, No 1. – P. 256–263.
Terahertz two-layer frequency selective surfaces with improved transmission characteristics / S. Vegesna, Y. Zhu, A. Bernussi, M. Saed // IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology. – 2012. – Vol. 2, No 4. – P. 441–448.
Terahertz wireless communications based on photonics technologies / T. Nagatsuma, S. Horiguchi, Y. Minamikata, Y. Yoshimizu, S. Hisatake, S. Kuwano, N. Yoshimoto, J. Terada, H. Takahashi // Optics Express. – 2013. – Vol. 21, No 21. – P. 23736–23747.
The Terahertz Wave eBook. / Technical Overview. Zomega Terahertz Corporation. – 2012. – 84 p.
THz medical imaging: in vivo hydration sensing / Z.D. Taylor, R.S. Singh, D.B. Bennett, et al. // IEEE Transactions of Terahertz Science and Technology. – 2011. – Vol. 1, No 1. – P. 201–219.















30

28