Aanten dò sóng Terahertz trong hệ quang phổ miền thời gian dùng xung laser femto giây

Bài viết đề xuất ba cấu trúc anten quang dẫn có thể sử dụng như những thiết bị dò sóng THz trong hệ quang phổ miền thời gian dùng xung laser femto giây. Đặc tính dò sóng THz của từng cấu trúc anten được mô phỏng và kiểm chứng thực nghiệm. Độ nhạy hồi đáp theo tần số của từng anten cho các dạng phổ khác nhau, và kết quả thực nghiệm khá phù hợp với kết quả lý thuyết và mô phỏng được dự đoán. Mời các bạn cùng tham khảo!

HộiHội Thảo Quốc Gia 2015 Điện Tử, Truyền Thông Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015) Thảo Quốc Gia 2015 Điện Tử, Truyền Thông Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015) Anten Dị Sóng Terahertz Trong Hệ Quang Phổ Miền Thời Gian Dùng Xung Laser Femto Giây Nguyễn Trương Khang(1,2,*), Nguyễn Thanh Tú(3), Đặng Lê Khoa(3), Hứa Thị Hoàng Yến(4), Huỳnh Văn Tuấn(4) Viện Khoa học Tính tốn, Trường Đại học Tơn Đức Thắng Khoa Điện-Điện tử, Trường Đại học Tôn Đức Thắng Khoa Điện tử viễn thông, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên TP HCM Khoa Vật lý - Vật lý Kỹ thuật, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên TP HCM * nguyentruongkhang@tdt.edu.vn Tóm tắt— Trong báo này, chúng tơi đề xuất ba cấu trúc anten quang dẫn sử dụng thiết bị dị sóng THz hệ quang phổ miền thời gian dùng xung laser femto giây Đặc tính dị sóng THz cấu trúc anten mô kiểm chứng thực nghiệm Độ nhạy hồi đáp theo tần số anten cho dạng phổ khác nhau, kết thực nghiệm phù hợp với kết lý thuyết mơ dự đốn II Nhằm đạt khả dị sóng THz với độ nhạy cao dải tần số rộng mong muốn, đề xuất cấu trúc anten quang dẫn khác nhau, anten hình chữ H (Grischkowsky), anten hình chữ I (stripline), anten hình nơ bướm (bowtie), hình 1(a) Vì xung THz dị nhờ vào q trình thay đổi dịng quang điện tức thời (transient photocurrent) xảy vật liệu bán dẫn, mơ hình DrudeLorentz sử dụng để tính dịng quang điện Từ khóa- anten quang dẫn, laser femto giây, quang phổ miền thời gian, Terahertz I MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM GIỚI THIỆU Trong năm gần đây, sóng Terahertz (THz) sử dụng rộng rãi công nghệ xử lý ảnh y học, truyền thông, quang phổ học, cảm biến nhờ vào đặc tính độc đáo tính truyền qua vật liệu phi kim loại, lượng photon thấp tương ứng với mode dao động nhiều loại phân tử Trong ứng dụng cụ thể, khả dị sóng THz với độ nhạy cao dải tần số rộng thường quan tâm đặc biệt Vì thế, kỹ thuật dị sóng THz lĩnh vực nghiên cứu quan trọng công nghệ THz Cho đến nay, nhiều loại kỹ thuật dị sóng THz khác liên tục nghiên cứu phát triển, ví dụ kỹ thuật cảm biến điện/nhiệt hồng ngoại, tinh thể điện-quang, hay anten quang dẫn [1,2] (a) Trong số nhiều phương pháp dị sóng THz khác nhau, phương pháp sử dụng anten quang dẫn hoạt động dựa chế dao động kích thích hệ laser femto giây ưa chuộng nhờ vào tỉ số tín hiệu cực đại nhiễu tốt Bên cạnh đó, ta dễ dàng cải thiện thay đổi tính chất dị sóng THz phương pháp việc tối ưu hóa nhiều thơng số hệ, ví dụ cấu trúc hình học anten, chất lượng vật liệu bán dẫn, đặc tính nguồn laser femto giây [3-5] Vì vậy, phân tích lý thuyết thực nghiệm cấu trúc anten quang dẫn dùng việc dị sóng THz cần thiết Trong bài này, đề xuất ba cấu trúc anten quang dẫn khác cho việc dị sóng THz dùng hệ THz quang phổ miền thời gian Đặc tính dị sóng THz anten khảo sát mơ hình lý thuyết mơ thực nghiệm Kết cho thấy, anten hình chữ I hình nơ bướm cho khả dị sóng THz với độ nhạy cao so với anten hình chữ H truyền thống, đặc biệt vùng tần số thấp (~300 GHz), thích hợp cho ứng dụng quang phổ truyền thông không dây vùng tần số THz thấp ISBN: 978-604-67-0635-9 (b) Hình (a) Các cấu trúc anten khảo sát (b) kết mô phổ tín hiệu THz dị anten 175 175 Thảo Quốc Gia 2015vềvềĐiện ĐiệnTử, Tử,Truyền TruyềnThông Thông TinTin (ECIT 2015) HộiHội Thảo Quốc Gia 2015 Công CôngNghệ NghệThông Thông (ECIT 2015) I  (t) pc V s e  n(t)  μ  c e g (1) đó, e điện tích điện tử, µe độ linh động điện tử, g khoảng cách hai điện cực anten, n(t) mật độ hạt mang tạo ra, Vc(t) điện áp phụ thuộc thời gian hai điện cực anten, s diện tích vùng kích thích Tiếp theo đó, dịng THz dị phía anten thu (Rx) suy từ kỹ thuật tích phân hữu hạn (FIT-Finite Integration Technique) sử dụng chương trình mơ tồn sóng (full-wave EM simulator) [6-8] Cách tiếp cận mô cho phép việc đánh giá phổ thu anten dị sóng THz xác Bên cạnh đó, nhóm chúng tơi thực mơ với cấu trúc thấu kính (lens), chiếm nhiều thời gian tài ngun tính tốn, kết mô cho thấy tương đồng tốt với kết thực nghiệm Hình 1(b) biểu diễn kết lý thuyết mô cấu trúc anten khảo sát Theo đó, cấu trúc anten hình chữ I hình nơ buớm cho đỉnh cộng hưởng tần số thấp hơn, với biên độ lớn hơn, so với anten hình chữ H, độ rộng băng thơng sóng THz dị cấu trúc hình chữ H rộng so với anten (a) Để kiểm chứng kết lý thuyết mô phỏng, chế tạo cấu trúc anten dựa số liệu tính tốn Các cấu trúc anten đặt lớp vật liệu bán dẫn gallium-arsenide (GaAs) với chiều dày 1,2 μm mọc điều kiện nhiệt độ thấp Khoảng cách hai điện cực anten μm, gọi vùng kích thích anten dựa chế chuyển đổi từ cặp điện tử-lỗ trống thành dòng quang điện Nguồn kích thích laser femto giây nguồn laser rắn Ti:sapphire dựa chế khóa mode (mode-locked) với độ rộng xung khoảng 65 fs bước sóng trung tâm gần 800 nm Khi chiếu nguồn laser vào vùng kích thích (gap) anten quang dẫn, cặp điện tử-lỗ trống kích thích dịng quang điện chuyển tiếp (thời gian ~ ps) hình thành nhờ vào điện áp đặt vào hai đầu điện cực anten phát (Tx) Trong mơ hình thực nghiệm, anten phát sử dụng anten quang dẫn có cấu trúc hai dây dẫy đồng phẳng (coplanar stripline), bề rộng dây 10 μm khoảng cách hai dây 80 μm Anten phát quang khắc lớp đế bán cách điện GaAs (semiinsulating GaAs) (b) Hình Tín hiệu thực nghiệm trường điện từ THz dò cấu trúc anten khảo sát, đó, (a) kết miền thời gian (b) kết miền tần số anten hình chữ H, hình chữ I, hình nơ bướm lớn biên độ tín hiệu THz dò anten tham chiếu tương ứng 1,9, 1,2 1,6 lần Hình 2(b) biểu diễn kết thực nghiệm miền tần số cách thực phép biến đổi Fourier nhanh (FFT: fast-Fourier-transform) tín hiệu hình 2(a) Theo đó, anten hình chữ I hình nơ bướm cho độ nhạy cao việc dị sóng THz vùng tần số 0,6 THz, so với anten hình chữ H Trong trình dị sóng THz, xung lấy mẫu đồng với xung THz tạo phía anten phát, xung mẫu tạo ta cặp điện tử-lỗ trống vật liệu bán dẫn phía anten thu Tiếp theo, trường điện từ THz gây dòng quang điện Theo đó, xung THz truyền từ anten phát đến anten thu dò (đo) qua việc phát thay đổi dòng quang điện hàm trễ xung lấy mẫu xung THz Thêm nữa, kỹ thuật đo này, anten phát thu thường gắn thấu kính silicon nhằm làm tăng độ hội tụ tín hiệu, đồng thời bù vào độ lượng qua trình truyền gây khác biệt lớn chiết suất lớp đế GaAs khơng khí [9,10] Kết so sánh độ rộng phổ nửa biên độ cực đại (Fullwidth at half maximum) cho thấy, anten hình chữ I cho phổ rộng anten tham chiếu, anten hình chữ H, anten hình nơ bướm Cụ thể, độ rộng phổ nửa biên độ cực đại anten hình chữ I vào khoảng 311% (Δf / fpeak ~ 0.56 / 0.18) độ rộng phổ nửa biên độ cực đại anten tham chiếu vào khoảng 148% (Δf / fpeak ~ 1.29 / 0.87), anten hình chữ H khoảng 139% (Δf / fpeak ~ 1.17 / 0.84), anten nơ bướm khoảng 138% (Δf / fpeak ~ 0.25 / 0.18) Hình biểu diễn kết thực nghiệm miền thời gian tần số sóng THz dị ba cấu trúc anten khảo sát Ta thấy, kết thực nghiệm tương đồng với kết lý thuyết mô dạng phổ độ lớn Hình 2(a) cho thấy, biên độ tín hiệu miền thời gian xung THz dị Những kết rằng, anten hình chữ I anten hình nơ bướm dị sóng THz cách hiệu (độ nhạy cao) cho vùng tần số thấp khoảng từ 0.1 THz đến 1.0 THz Thú vị hơn, theo dạng hình học anten hình chữ I anten hình nơ bướm, nói giới hạn 176 176 Thảo Quốc Gia 2015vềvềĐiện ĐiệnTử, Tử,Truyền TruyềnThông Thông TinTin (ECIT 2015) HộiHội Thảo Quốc Gia 2015 Công CôngNghệ NghệThông Thông (ECIT 2015) biên vùng tần số THz dị kỹ thuật dùng anten quang dẫn vào khoảng tần số 0,2 THz Nói cách khác, cho dù độ dài anten tăng liên tục tần số đỉnh phổ dị sóng THz gặp giới hạn định [11] III TÀI LIỆU THAM KHẢO B Ferguson and X -C Zhang, “Materials for terahertz science and technology,” Nat Mater., vol 1, pp 26-33, September 2002 [2] G Chattopadhyay, “Technology, capabilities, and performance of lowpower terahertz sources,” IEEE Trans THz Sci Technol., vol 1, pp 33–53, September 2011 [3] P Smith, D Auston, and M Nuss, “Subpicosecond photoconducting dipole antennas,” IEEE J Quantum Electron., vol 24, pp 255-260, February 1988 [4] T K Nguyen and I Park, “Effects of antenna design parameters on the characteristics of a terahertz photoconductive dipole antenna”, Prog in Electromag Research M, vol 28, pp 129–143, 2013 [5] G Ducournau, Y Yoshimizu, S Hisatake, F Pavanello, E Peytavit, M.Zaknoune, T Nagatsuma, J.-F Lampin, “Coherent THz communication at 200 GHz using a frequency comb, UTC-PD and electronic detection”, IEEE J Electron Lett., vol 50, pp 386 – 388, February 2014 [6] D H Auston, “Impulse response of photoconductors in transmission lines,” IEEE J Quantum Electron., vol 19, pp 639–648, April 1983 [7] J F Holzman, F E Vermeulen, and A Y Elezzabi, “Ultrafast photoconductive self-switching of subpicosecond electrical pulses,” IEEE J Quantum Electron., vol 36, pp 130–136, February 2000 [8] CST Microwave Studio, CST GmbH, 2015 http://www.cst.com [9] M V Exter, C Fattinger, and D Grischkowsky, “High-brightness terahertz beams characterized with an ultrafast detector,” Appl Phys Lett., vol 55, pp 337-339, July 1989 [10] J T Darrow, X -C Zhang, D H Auston, and J D Morse, “Saturation properties of large aperture photoconducting antennas,” IEEE J Quantum Electron., vol 28, pp 1607-1616, June 1992 [11] F Miyamaru, Y Saito, K Yamamoto, T Furuya, S Nishizawa, and M Tani, “Dependence of emission of terahertz radiation on geometrical parameters of dipole photoconductive antennas,” Appl Phys Lett., vol 96, pp 211104.1-211104.3, 2010 [1] KẾT LUẬN Chúng tơi đề xuất tính tốn lý thuyết mô tiến hành làm thực nghiệm đặc tính dị sóng THz loại anten quang dẫn khác Kết cho thấy, anten hình chữ I hình nơ bướm cho khả dị sóng THz với độ nhạy cao so với anten hình chữ H, đặc biệt vùng tần số thấp Theo đó, hai anten thích hợp cho ứng dụng quang phổ truyền thông không dây vùng tần số THz thấp Qua nghiên cứu này, tin rằng, độ nhạy băng thông hồi đáp anten quang dẫn hệ xung THz miền thời gian hồn tồn cải thiện việc thay đổi tối ưu hóa cấu trúc hình học anten LỜI CẢM ƠN Nghiên cứu tài trợ Quỹ phát triển khoa học công nghệ quốc gia (NAFOSTED) đề tài mã số “103.052013.75” 177 177 ... nghiệm miền thời gian tần số sóng THz dò ba cấu trúc anten khảo sát Ta thấy, kết thực nghiệm tương đồng với kết lý thuyết mô dạng phổ độ lớn Hình 2(a) cho thấy, biên độ tín hiệu miền thời gian xung. .. thành dòng quang điện Nguồn kích thích laser femto giây nguồn laser rắn Ti:sapphire dựa chế khóa mode (mode-locked) với độ rộng xung khoảng 65 fs bước sóng trung tâm gần 800 nm Khi chiếu nguồn laser. .. thích hợp cho ứng dụng quang phổ truyền thông không dây vùng tần số THz thấp Qua nghiên cứu này, tin rằng, độ nhạy băng thông hồi đáp anten quang dẫn hệ xung THz miền thời gian hồn tồn cải thiện