Giải pháp nâng cao hiệu suất phát của ăng-ten quang dẫn trong hệ xung tần số terahertz

Bài viết trình bày khảo sát các yếu tố đầu vào có ảnh hưởng đến hiệu suất chuyển đổi năng lượng quang sang năng lượng THz của ăng-ten quang dẫn. Các tính toán dựa trên mạch điện tương đương của ăng-ten quang dẫn có vai trò là bộ phát bức xạ THz.

TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC SÀI GÒN Số 11 (36) - Thaùng 1/2016 Giải pháp nâng cao hiệu suất phát ăng-ten quang dẫn hệ xung tần số terahertz Solution to improve the emission efficiency of photoconductive antenna in a terahertz pulsed system CN Lê Thị Thanh Thùy Mai, ThS Nguyễn Thanh Tú, ThS Đặng Lê Khoa, TS Huỳnh Văn Tuấn TS Nguyễn Trương Khang 1234 1234 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – ĐHQG TP.HCM Trường ĐH Tôn Đức Thắng B.A Le Thi Thanh Thuy Mai, M.Sc Nguyen Thanh Tu, M.Sc Dang Le Khoa, Ph.D Huynh Van Tuan Ph.D Nguyen Truong Khang The University of Science – National University Ho Chi Minh City Ton Duc Thang University Tóm tắt Ăng-ten quang dẫn thiết bị thu phát sóng Terahertz (THz) phổ biến hệ xung tần số THz Tuy nhiên, vấn đề ăng-ten quang dẫn hiệu suất hoạt động thấp Trong báo này, khảo sát yếu tố đầu vào có ảnh hưởng đến hiệu suất chuyển đổi lượng quang sang lượng THz ăng-ten quang dẫn Các tính tốn dựa mạch điện tương đương ăng-ten quang dẫn có vai trị phát xạ THz Kết mơ hồn tồn tương đồng với kết thực nghiệm công bố Do đó, kết khảo sát mà chúng tơi đạt báo cung cấp giải pháp để lựa chọn nguồn laser, thông số vật liệu, cấu trúc ăng-ten phù hợp nhằm cải thiện hiệu suất phát THz ăng-ten quang dẫn Từ khóa: ăng-ten quang dẫn, xạ THz, chuyển đổi quang điện, laser femto giây… Abstract At present photoconductive antennas are the most common device for THz generation and detection in a THz pulsed system However, one of the major problems of the photoconductive antennas is that the antenna efficiency is low In this paper, we study the input parameters that influence the optical-to-THz power conversion efficiency of the antenna The calculations are based on the equivalent circuit of photoconductive antenna when it is employed as an emitter The simulated results agree well with published experimental results Therefore, the study results that we presented in this paper will provide the useful guidelines in optimizing the laser source, photoconductive material, as well as the antenna geometry for improving the radiation performance of THz photoconductive antenna Keywords: photoconductive antenna, THz radiation, optical-to-THz conversion, femtosecond laser 30 Arsenide viết tắt LT_GaAs) Ngoài ra, hệ thống thu phát THz sử dụng ăng-ten quang dẫn có tỉ lệ tín hiệu nhiễu (signal noise ratio - SNR) tốt băng thơng tín hiệu xạ THz tương đối rộng (xấp xỉ 4THz)[6] Tuy nhiên, vấn đề lớn ăngten quang dẫn hiệu suất ăng-ten thấp Theo [13] chứng minh hiệu suất ăng-ten quang dẫn xem tổ hợp ba hiệu suất thành phần Đầu tiên hiệu suất liên quan đến việc phát dòng quang THz vật liệu quang dẫn từ lượng quang tức hiệu suất chuyển đổi quang sang điện (hay gọi hiệu suất chuyển đổi lượng quang sang lượng THz, từ gọi tắt hiệu suất phát THz), định nghĩa tỉ số công suất phát THz công suất xung quang kích thích Hiệu suất thứ hai hiệu suất phối hợp trở kháng ăng-ten, liên quan đến việc phối hợp cơng suất THz từ vùng kích thích đến điện cực ăng-ten Cuối hiệu suất xạ THz không gian Từ dễ dàng thấy việc cải thiện hiệu suất ăngten quang dẫn cải thiện hiệu suất thành phần Đối với hiệu suất xạ THz không gian ăng-ten quang dẫn, thời gian gần nghiên cứu tăng cường đáng kể lên đến 80% cách sử dụng đế thấu kính hội tụ [13], [12],[2], [9] Khác với loại ăng-ten RF/MW (Radio Frequency/ Microwave) thông thường, hiệu suất phối hợp trở kháng ăng-ten quang dẫn thấp khó đưa giải pháp tối ưu trở kháng khơng phải số mà phụ thuộc nhiều vào lượng quang kích thích, tính chất vật liệu cấu trúc ăng-ten Tuy nhiên, ba loại hiệu suất kể hiệu suất chuyển đổi quang sang điện thấp nhất, khó tính tốn Giới thiệu Sóng Terahertz (THz) nằm khoảng vùng sóng vi ba vùng sóng hồng ngoại, với nhiều tên gọi tia T, sóng T, ánh sáng T… Băng tần THz nằm khoảng từ 100GHz 10THz [14] So với vùng phổ điện từ phát triển lân cận, trước vùng phổ điện từ khảo sát đến thiếu nguồn thu phát hiệu quả, nhỏ gọn, rẻ tiền nhà khoa học gọi "khe Terahertz" Mặc dù vậy, sóng THz lại có đặc tính hấp dẫn xạ khơng ion hóa (khơng gây hại thể người), có độ phân giải tốt so với sóng vi ba có độ xuyên sâu cao so với sóng hồng ngoại [7] Với đặc điểm này, sóng THz có lợi lớn ứng dụng an ninh, kiểm tra sản phẩm đóng gói, đặc biệt ứng dụng xử lý ảnh y khoa Ăng-ten quang dẫn nguồn phát, thu sóng THz thơng dụng Khi nguồn laser quang cực nhanh (độ rộng xung cỡ 100 femto giây, bước sóng khoảng 800nm) chiếu vào vùng kích thích ăng-ten quang dẫn, với hỗ trợ lớp vật liệu bán dẫn tạo cặp electron - lỗ trống (gọi chung hạt mang quang, photocarrier) Áp điện bên vào hai điện cực ăng-ten, hạt mang quang gia tốc hai phía điện cực mật độ hạt mang quang phát thay đổi theo thời gian tạo thành dịng quang điện (photocurrent) có hướng biến thiên theo hàm thời gian, làm xạ xung THz vào không gian tự Ăng-ten quang dẫn trở thành nguồn thu phát THz phổ biến nhờ phát triển công nghệ laser xung cực nhanh [10] công nghệ bán dẫn, đặc biệt kỹ thuật cấy ghép Galium Arsenide (GaAs) nhiệt độ thấp [15] (Low Temperature Galium 31 xác [3] phụ thuộc vào yếu tố tương tự trở kháng ăngten việc nghiên cứu nâng cao hiệu suất góp phần cải thiện đáng kể hiệu suất chung ăng-ten quang dẫn Trong báo này, khảo sát thông số đầu vào ảnh hưởng đến hiệu suất chuyển đổi lượng quang sang lượng THz ăng-ten quang dẫn Các thông số xung laser quang kích thích khảo sát bao gồm: độ rộng xung (τl), tốc độ lặp lại xung laser (frep) cơng suất quang trung bình (Pav) Các thơng số vật liệu quang dẫn khảo sát là: hệ số hấp thụ quang (α), hệ số phản xạ giao diện khơng khí - lớp tích cực gọi tắt hệ số phản xạ (R), độ dày lớp tích cực (TLT_GaAs), độ linh động hạt mang quang (µe), thời gian sống hạt mang quang (τc) thời gian tái kết hợp hạt mang quang (τr) Ngồi ra, thơng số ăng-ten kích thước vùng kích thích (chiều dài L chiều rộng W), điện áp phân cực áp vào hai điện cực (Vbias) trở kháng ăng-ten (Za) khảo sát Kết khảo sát tính tốn mô phần mềm Matlab [16] Dựa kết này, chúng tơi đưa mơ hình lý thuyết phân tích thơng số có ảnh hưởng cải thiện hiệu suất phát THz ăng-ten quang dẫn Kết sử dụng cho việc thiết kế ăng-ten quang dẫn điều chỉnh hệ thống nhằm đạt hiệu suất tối ưu Cơ sở lý thuyết Hình mơ tả cấu trúc hình học ăng-ten quang dẫn lưỡng cực sử dụng mô Độ rộng độ dài vùng kích thích có ký hiệu tương ứng là: W = 10µm L = 10µm Độ sâu lớp tích cực LT_GaAs TLT_GaAs = 1µm Hình sơ đồ mạch tương đương ăng-ten quang dẫn sử dụng làm nguồn phát THz [8], bao gồm thành phần: - Điện áp Vbias tương ứng với điện áp phân cực áp vào hai điện cực ăng-ten - Điện dẫn nguồn biến thiên theo thời gian , mô tả khả dẫn điện vùng kích thích ăng-ten - Điện dung biến thiên theo thời gian C(t): hình thành dựa tượng chồng chất hạt mang quang gần điện cực ăng-ten Chùm laser y Vbias x x TLT-GaAs LT-GaAs SI-GaAs Vùng tích cực ăng-ten L Vùng kích thích ăng-ten Sóng THz xạ z (a) w Vbias (b) Hình Cấu trúc hình học ăng-ten quang dẫn khảo sát (a) nhìn mặt bên (b) nhìn từ xuống 32 1,6.10-19C, n(t) mật độ hạt mang quang sinh vùng kích thích, µe độ linh động hạt mang quang, Vc(t) điện áp biến thiên theo thời gian vùng kích thích ăng-ten, S diện tích vùng tích cực L độ dài vùng kích thích ăng-ten.iện tích vùng tích cực (hình 1a) ăng-ten tính sau: - Một nguồn điện áp biến thiên theo thời gian bị điều khiển điện áp hai đầu tụ điện β(t)Vc(t) (với β(t) hệ số điện áp phụ thuộc) Chùm laser I(t) + Rs(t) - - C(t) (6) β(t)Vc(t) Vc(t) Vbias + - Vrad(t) Với W độ rộng vùng kích thích độ rộng điện cực kim loại, α hệ số hấp thụ quang, TLT_GaAs độ dày lớp tích cực Mật độ hạt mang quang sinh vùng kích thích ăng-ten, n(t),trong phương trình (5) tính theo cơng thức: Za Sóng THz xạ Hình Mạch tương đương ăng-ten quang dẫn có vai trị phát xạ THz - Trở kháng ăng-ten Za tương ứng với thành phần điện trở độc lập với tần số, gọi điện trở xạ Hiệu suất phát THz, ηt, định nghĩa: (1) Trong đó, Popt_peak công suất quang cực đại PTHz_peak công suất phát THz cực đại Công suất quang cực đại có từ: (2) (7) Với: Trong đó, Il cường độ cực đại xung laser, R hệ số phản xạ, h số Planck, fl tần số xung laser, τc thời gian sống hạt mang quang Cường độ cực đại xung laser là: Với Pav cơng suất quang trung bình, τl độ rộng xung laser frep tốc độ lặp lại xung laser Công suất phát THz cực đại tính theo cơng thức: (8) Trong đó, Slaser diện tích chùm laser tiếp xúc với vùng kích thích ăng-ten, Điện áp vùng kích thích phụ thuộc thời gian Vc(t) là: (3) Với PTHz(t) cơng suất phát THz suy từ việc phân tích mạch tương đương hình 1: 9) (4) Trong đó, Vrad điện áp hai đầu điện trở xạ Za Vrad cho bởi: (5) Với: (10) (11) Trong đó, τr thời gian tái kết hợp Trong đó, e điện tích nguyên tố 33 hạt mang quang, ς hệ số sàng lọc (screening factor) ε số điện môi Điện dẫn nguồn Gs(t) phương trình (9) tính là: Tác động thông số đến hiệu suất phát THz ăng-ten mô cách thay đổi giá trị khảo sát, liệt kê bảng 1, thông số khác giữ nguyên giá trị ban đầu Các thông số xung laser quang kích thích 4.1 Độ rộng xung laser (τl) Như thể hình 3, mức cơng suất quang thấp, tăng công suất quang hiệu suất phát THz tăng đạt giá trị bão hòa mức công suất quang 86,85 mW Ngược lại, vượt qua giá trị bão hòa hiệu suất lại giảm dần tăng công suất quang (12) Kết khảo sát thảo luận Để thực mô phỏng, giá trị ban đầu thông số khảo sát lựa chọn dựa thông số tham khảo [8] thể bảng Các kết mơ chúng tơi hồn tồn tương đồng với kết thu từ [8] Bảng 1: Bảng giá trị thông số xung laser, vật liệu quang dẫn ăng-ten quang dẫn Các thông số đầu vào Ký hiệu f Giá trị ban đầu (bộ thông số tham khảo) Các giá trị khảo sát λlaser 375 THz 800 nm ς 900 tlaser (τl) 100 fs Tốc độ lặp lại xung laser (hình 4) frep 80 MHz Hệ số hấp thụ quang (hình 5) α 8.000 cm-1 2.000; 6.000; 10.000; 12.000 (cm-1) Hệ số phản xạ (hình 6) R 0,1 0,17; 0,36; 0,73; 0,82 Độ sâu vùng kích thích ăng-ten (hình 7) TLT-GaAs µm 0.5; 2; 5; (µm) Độ linh động hạt mang quang (hình 8) µe 200 cm V-1.s-1 100; 800; 1.000;2.000 (cm2.V-1.s-1) Thời gian sống hạt mang quang (hình 9) tcarier (τc) ps 0.2; 0.5; 1.5; (ps) Tần số laser Bước sóng laser Hệ số sàng lọc Độ rộng xung laser (hình 3) l 34 30; 50; 150; 200 (fs) Các thông số đầu vào Ký hiệu Giá trị ban đầu (bộ thông số tham khảo) Thời gian tái kết hợp hạt mang quang (hình 10) tre (τr) 100 ps 50; 150; 200; 250 (ps) Chiều dài vùng kích thích ăng-ten (hình 10) L 10 µm 3; 5; 15; 20 (µm) Chiều rộng vùng kích thích ăng-ten (hình 11) W 10 µm 3; 5; 15; 20 (µm) Điện áp phân cực (hình 12) Vbias 30 V 10; 20; 50; 90 (V) Trở kháng ăng-ten (hình 13) Za 65 Ω 5; 200; 800; 1.200 (Ω) Tăng độ rộng xung laser hiệu suất phát THz tăng nhẹ cơng suất ăng-ten tăng, lúc dịng quang điện sinh vùng kích thích ăng-ten tồn lâu dẫn đến thời gian sống hạt mang quang dài Hậu dẫn đến việc cản trở hạt mang quang kết hợp lại để tạo nguồn electron-lỗ trống mới, điều khơng mong muốn Tóm lại, việc cần thiết sử dụng xung laser cực ngắn để có dịng quang tức thời mạnh mà thông số cần lựa chọn cân nhắc để hiệu suất ăngten tốt Trong trường hợp khảo sát, giá trị τl = 200fs cho hiệu suất ăng-ten 0,0492%, tăng xấp xỉ 1,3 lần, xem giá trị hiệu suất tối ưu tăng τl = 200fs hiệu suất ăng-ten tăng 1,2 lần 4.2 Tốc độ lặp lại xung laser (frep) Hình mơ tả ảnh hưởng tốc độ lặp lại xung laser đến hiệu suất phát THz ăng-ten quang dẫn Ở vùng công suất quang thấp, hiệu suất phát tăng công suất quang tăng đạt giá trị bão hòa 0,0269% cho tất giá trị frep Nói cách khác, giá trị hiệu suất cực đại không phụ thuộc tốc độ lặp lại xung laser Các giá trị hiệu suất 10 -1 10 -2 10 -3 t (mW) 10 -4 10 tl=30fs -5 10 tl=50fs tl=100fs -6 10 tl=150fs -7 10 tl=200fs -8 10 -4 10 -3 10 -2 10 -1 10 10 10 10 10 Các giá trị khảo sát 10 Pav (W) Hình Khảo sát thông số τl ảnh hưởng lên hiệu suất phát ăng-ten quang dẫn Khi tăng độ rộng xung laser từ 50fs đến 100fs, hiệu suất cực đại tăng từ 0,141% đến 0,0269% (tăng khoảng 1,9 lần) Tiếp tục tăng đến giá trị τl = 150fs, τl = 200fs τl = 250fs hiệu suất đạt 0,0384% (tăng 1,4 lần), 0,0492% (tăng xấp xỉ 1,3 lần) 0,0595% (tăng khoảng 1,2 lần) Độ tăng hiệu suất giảm dần τl tăng Mặc dù, tăng độ rộng xung laser, 35 cực đại xuất mức công suất công suất quang khác ứng với giá trị frep khác Đối với cơng suất quang thấp hệ thống có tốc độ lặp lại xung laser nhỏ đạt hiệu suất tốt hơn, công suất quang lớn hệ thống có tốc độ lặp lại xung laser lớn cho hiệu suất cao Tóm lại, tốc độ lặp lại xung laser không ảnh hưởng đến hiệu suất cực đại ăng-ten, thơng số có ý nghĩa hệ thống cố định có cơng suất quang cho trước chọn giá trị frep phù hợp để hệ thống đạt hiệu suất tốt Các thông số vật liệu quang dẫn 5.1 Hệ số hấp thụ quang (α) cho kết giá trị hiệu suất cực đại cao Tuy nhiên, hệ số α lên đến giá trị định hiệu suất ăng-ten đạt giá trị bão hòa, ta thấy rõ α = 12.000cm-1 α = 16.000cm-1 đạt hiệu suất ηt = 0,0391% 10 -1 10 -2 10 -3 t (mW) 10 -4 10 -1 = 2.000cm -5 10 -1 = 4.000cm -1 = 6.000cm -6 10 -1 = 8.000cm -7 10 10 -1 =10.000cm -8 10 -1 10 -4 10 -3 10 -2 10 10 10 10 10 Hình Khảo sát thơng số α ảnh hưởng lên hiệu suất phát THz ăng-ten quang dẫn -3 10 t (mW) 10 Pav (W) -2 10 -4 10 frep=40MHz -5 10 -6 10 frep=60MHz 10 frep=80MHz 10 -1 frep=100MHz -7 10 -2 10 frep=120MHz -3 10 -8 -4 10 -3 10 -2 10 -1 10 10 10 10 10 10 t (mW) 10 -1 10 Pav(W) Hình Khảo sát thơng số frep ảnh hưởng lên hiệu suất phát THz ăng-ten quang dẫn Kết mơ hình cho thấy công suất quang thấp, tăng công suất quang hiệu suất phát tăng đạt giá trị bão hịa Vượt qua giá trị này, cơng suất quang tăng hiệu suất ăng-ten giảm đường biểu diễn độ suy hao gần độc lập với α, tức với tất giá trị α Các ăngten có hệ số α lớn đạt hiệu suất cực đại ứng với mức công suất quang thấp -4 10 R=0,1 R=0,17 R=0,36 R=0,733 R=0,819 -5 10 -6 10 -7 10 -8 10 -4 10 -3 10 -2 10 -1 10 10 10 10 10 Pav (W) Hình Khảo sát thông số R ảnh hưởng lên hiệu suất phát THz ăng-ten quang dẫn Từ rút kết luận hệ số hấp thụ quang có ý nghĩa lớn việc góp 36 10 phần nâng cao hiệu suất ăng-ten quang dẫn Hệ số α lớn cho hiệu suất ăng-ten cao hệ thống cho trước hồn tồn tìm hệ số α để đạt hiệu suất tối ưu Điều hiểu hệ số α cao có nghĩa hầu hết lượng laser hấp thụ lớp tích cực vật liệu đế, có nhiều hạt mang quang tạo kết cường độ dòng quang điện sinh vùng kích thích ăng-ten lớn dẫn đến xạ THz mạnh Tuy nhiên, mật độ hạt mang quang phát vùng kích thích lớn xuất hiệu ứng sàng lọc (screening effect) ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất phát Ngoài ra, α hệ số vật liệu quang dẫn phụ thuộc nhiều vào bước sóng quang xung laser Đối với trường hợp thơng thường bước sóng laser khoảng 800nm vật liệu quang dẫn GaAs, hệ số α nằm khoảng 1.000cm-1 đến 10.000cm-1 [11] Vì vậy, hiệu suất cực đại cấu trúc ăng-ten khảo sát đạt tương đương với hệ số α =10.000cm-1 0,0311% tăng gần 1,2 lần so với hiệu suất thông số tham chiếu 5.2 Hệ số phản xạ (R) Ở hình cho thấy thơng số R ảnh hưởng đến hiệu suất ăng-ten hoàn toàn trái ngược với thông số α Càng giảm phản xạ từ giao diện khơng khí - lớp tích cực ăng-ten nghĩa công suất quang hấp thụ tốt lớp đế (hệ số hấp thụ quang α cao) nên hiệu suất phát THz cải thiện Do đó, tương tự thơng số α, thơng số R có vai trị quan trọng việc góp phần cải thiện hiệu suất cho ăng-ten Có nhiều phương pháp khác nhằm giảm phản xạ từ vùng kích thích ăng-ten quang dẫn sử dụng lớp phủ chống phản xạ[5], sử dụng ăng-ten nano vật liệu kim loại plasmon khoảng cách vùng kích thích ăng-ten [4] 10 -1 10 -2 10 -3 t (mW) 10 -4 10 TLT_GaAs = 0.1m -5 TLT_GaAs = 0.5m 10 TLT_GaAs = 1m -6 10 TLT_GaAs = 3m -7 10 TLT_GaAs = 5m -8 10 -4 10 -3 10 -2 10 -1 10 10 10 10 10 10 Pav (W) Hình Khảo sát thông số TLT_GaAs ảnh hưởng lên hiệu suất phát THz ăngten quang dẫn 5.3 Độ dày lớp tích cực (TLT_GaAs) Hình cho thấy ăng-ten có TLT_GaAs dày cho hiệu suất phát THz lớn so với ăng-ten có TLT_GaAs mỏng Khi cơng suất quang tăng, hiệu suất phát tăng đạt giá trị bão hịa Các ăng-ten có TLT_GaAs dày đạt giá trị hiệu suất cực đại mức cơng suất quang thấp ăng-ten có TLT_GaAs mỏng Vượt qua giá trị bão hòa tăng công suất quang hiệu suất ăng-ten giảm đường biểu diễn độ suy hao độc lập với TLT_GaAs, tức với tất giá trị TLT_GaAs Dễ dàng thấy TLT_GaAs = 3µm TLT_GaAs = 5µm ăng-ten đạt hiệu suất cực đại khoảng 0,0494% Tóm lại thơng số độ dày lớp tích cực ăng-ten ảnh hưởng lớn đến hiệu suất phát THz TLT_GaAs dày đạt giá trị hiệu 37 suất cực đại lớn Khi tăng độ sâu lớp tích cực đến giá trị định, hiệu suất cực đại đạt giá trị bão hịa hồn tồn tìm giá trị TLT_GaAs tốt để ăng-ten đạt hiệu suất tối ưu Điều hiểu lớp tích cực sâu có nhiếu cặp eletron - lỗ trống tạo Tuy nhiên, hấp thụ quang lớp tích cực khơng đồng theo phương trục z (giảm dần theo hàm số mũ) nên số lượng hạt mang quang phát bão hòa Với phân tích ăng-ten mơ đạt hiệu suất tối ưu TLT_GaAs ~ µm 5.4 Độ linh động hạt mang quang (µe) giá trị hiệu suất cực đại cao Khi µe tăng, hiệu suất cực đại ăng-ten tăng đáng kể Khi tăng µe đến giá trị định ta tìm thấy giá trị hiệu suất phát THz bão hòa giá trị µe thường cao cỡ vài nghìn cm2.V-1.s-1 Tóm lại, độ linh động hạt mang quang có ý nghĩa lớn việc góp phần nâng cao hiệu suất ăng-ten quang dẫn Hệ số µe lớn cho hiệu suất ăng-ten cao Điều dễ hiểu µe lớn, hạt mang quang phía hai điện cực ăng-ten nhanh tạo nên cường độ dòng quang điện lớn xạ THz mạnh Tuy nhiên, vật liệu có độ linh động hạt mang quang cao cho thời gian sống hạt mang quang dài hình thành nên hiệu ứng sàng lọc, điều khơng mong muốn Do đó, thơng số cần lưu ý lựa chọn thích hợp tương ứng với loại vật liệu đế để đạt hiệu suất tốt 5.5 Thời gian sống hạt mang quang (τc) Hình minh họa cho ảnh hưởng thời gian sống hạt mang quang đến hiệu suất ăng-ten Khi thời gian sống hạt mang quang kéo dài từ 0,2 ps đến 0,5 ps hiệu suất cực đại ăng-ten tăng từ 0,0193% đến 0,0244% (tăng gần 1,3 lần), tiếp tục kéo dài từ 0,5ps đến 1ps hiệu suất tăng đến 0.0269% (tăng xấp xỉ 1,1 lần) Trong tăng giá trị τc từ 1ps đến 1,5ps tiếp tục kéo dài đến 2ps hiệu suất phát THz cực đại tăng khơng đáng kể khoảng 1,04 1,06 lần Công suất quang cung cấp trường hợp đạt hiệu suất đỉnh với giá trị τc khác chênh lệch không nhiều 10 -1 10 -2 10 -3 t (mW) 10 -4 10 e= -1 -1 100cm V s -5 e= -1 -1 200cm V s -6 e= -1 -1 800cm V s 10 10 -1 -1 e= 1.400cm V s -7 10 -1 -1 e= 2.000cm V s -8 10 -4 10 -3 10 -2 10 -1 10 10 10 10 10 10 Pav (W) Hình Khảo sát thơng số µe ảnh hưởng lên hiệu suất phát THz ăng-ten quang dẫn Hình cho thấy ảnh hưởng độ linh động hạt mang quang đến hiệu suất phát THz ăng-ten hoàn toàn tương tự thơng số α Theo đó, ăng-ten có µe lớn đạt hiệu suất cực đại mức công suất quang thấp cho kết 38 sử dụng vật liệu có thời gian sống hạt mang quang kéo dài τc = ps xem giá trị tốt để ăng-ten đạt hiệu suất tối ưu 5.6 Thời gian tái kết hợp hạt mang quang (tr) 10 -1 10 -2 10 -3 t (mW) 10 c=0,2ps -4 10 -5 10 -6 10 c=0,5ps 10 c=1 ps 10 -1 c=1,5ps -7 -2 10 c=2 ps 10 -3 10 -4 10 -3 10 -2 10 -1 10 10 10 10 10 t (mW) -8 10 10 Pav (W) -4 10 re= 50ps -5 re=100ps 10 -6 re=150ps -7 re=200ps 10 Hình Khảo sát thơng số τc ảnh hưởng lên hiệu suất phát THz ăng-ten quang dẫn Tương tự thơng số α µe, thơng số τc lớn cho hiệu suất phát THz cực đại lớn tương ứng với giá trị công suất quang cần cung cấp nhỏ Thời gian sống hạt mang quang lâu dẫn đến giá trị dòng quang cao khoảng thời gian dài hạt mang quang sống lâu vùng kích thích ăng-ten Đây lại hạn chế ăng-ten quang dẫn ngăn chặn việc tạo cặp electron-lỗ trống làm giảm biến thiên mật độ hạt mang quang dẫn đến hạn chế việc phát sinh dòng quang Giá trị cực đại hiệu suất phát THz lại chênh lệch τc thay đổi Do đó, tác động tích cực nhỏ so với ảnh hưởng khủng khiếp vào việc hạn chế phát sinh dịng quang làm tỏa nhiệt ăng-ten [7] Chính vậy, thơng số này, cần có lựa chọn thích hợp độ lợi hiệu suất ăng-ten Trong trường hợp mơ hình ăng-ten mơ phỏng, so sánh độ chênh lệch giá trị hiệu suất thu 10 re=250ps -8 10 -4 10 -3 10 -2 10 -1 10 10 10 10 10 10 Pav (W) Hình 10 Khảo sát thông số τre ảnh hưởng lên hiệu suất phát THz ăngten quang dẫn 10 -1 10 -2 10 -3 t (mW) 10 -4 10 -5 10 L = W = 3m L = W = 5m L = W = 10m L = W = 15m L = W = 20m -6 10 -7 10 -8 10 -4 10 -3 10 -2 10 -1 10 10 10 10 10 10 Pav (W) Hình 11 Khảo sát thông số L ảnh hưởng lên hiệu suất phát THz ăng-ten quang dẫn 39 hiệu suất cực đại đạt L= 5µm hiệu suất tối ưu 6.2 Điện áp phân cực ngồi (Vbias) Hình 10 cho thấy công suất quang đến giá trị 86,85 mW, hiệu suất ăng-ten tăng dần đến đạt giá trị cực đại 0,0269% Vượt qua giá trị hiệu suất giảm dần tiếp tục tăng cơng suất quang Hiệu suất hệ thống hồn tồn độc lập với thông số τr Điều khẳng định thông số τr không ảnh hưởng đến công suất ăng-ten Thông số ăng-ten 6.1 Chiều dài vùng kích thích (L) Để đảm bảo cấu trúc hình học ăngten cụ thể vùng kích thích có dạng hình vng, thay đổi giá trị chiều dài L thay đổi đồng thời chiều rộng W ăng-ten cho L=W Như mơ tả hình 11, thu hẹp chiều dài L từ 15µm xuống 10µm giá trị hiệu suất phát THz tăng từ 0,0076% đến 0,0269% (tăng 3,5 lần) Tiếp tục thu hẹp L từ 10µm cịn 5µm lúc hiệu suất ăng-ten lên đến 0,219% (tức tăng gần 29 lần) Khi giảm L xuống cịn µm hiệu suất cực đại đạt 1,014% (tăng gần 38 lần so với trường hợp L= 5µm) Thơng số chiều dài vùng kích thích ăng-ten có ý nghĩa lớn việc góp phần nâng cao hiệu suất ăng-ten quang dẫn Khi L nhỏ, hiệu suất cực đại ăng-ten cao đạt mức công suất quang thấp Lý với giá trị công suất quang cung cấp, diện tích vùng kích thích ăng-ten nhỏ, lượng quang tập trung cao cho kết hạt mang quang tạo tăng, dòng quang sinh lớn cho hiệu suất phát THz cao Vượt qua giá trị cực đại, tăng công suất quang hiệu suất ăng-ten giảm phân rã hoàn toàn độc lập với L Ngồi ra, thơng số L lại phụ thuộc cơng nghệ chế tạo nên khó đạt kích thước L q nhỏ Trong trường hợp này, xem 10 -1 10 -2 10 -3 t (mW) 10 -4 10 Vbias = 10V -5 10 V bias = 20V Vbias = 30V Vbias = 50V -6 10 -7 10 Vbias = 90V -8 10 -4 10 -3 10 -2 10 -1 10 10 10 10 10 10 Pav (W) Hình 12 Khảo sát thông số Vbias ảnh hưởng lên hiệu suất phát THz ăngten quang dẫn Hình 12 biểu diễn ảnh hưởng thơng số điện áp phân cực ngồi đến hiệu suất phát THz ăng-ten Công suất quang tăng hiệu suất phát THz tăng đạt giá trị cực đại tương ứng với giá trị công suất quang xấp xỉ 86,85mW tất giá trị điện áp phân cực cho ăng-ten Vượt qua 86,85mW tăng công suất quang, hiệu suất ăng-ten giảm Mặt khác, điện áp phân cực cho ăng-ten tăng hiệu suất phát xạ THz tăng Dễ dàng thấy rõ tăng điện áp phân cực từ 10V lên 20V, hiệu suất ăngten tăng từ 0,0026% lên 0,112% (tăng xấp xỉ 4,5 lần) Tiếp tục tăng Vbias lên 30V hiệu suất tăng lên 0,0269 (tăng gần 2,3 lần) Tuy nhiên, độ tăng giảm dần tăng không đáng kể giá trị Vbias lớn 90V Xung laser femto giây chiếu vào vùng kích thích ăng-ten quang dẫn làm xuất 40 hạt mang quang tự Dưới tác dụng điện áp phân cực hạt mang quang gia tốc hai điện cực ăng-ten Do điện áp phân cực lớn gia tốc tăng dẫn đến dòng quang sinh lớn xạ THz mạnh cho kết hiệu suất ăng-ten cao Vì vậy, thơng số điện áp phân cực có ý nghĩa quan trọng việc góp phần nâng cao hiệu suất ăng-ten quang dẫn Ngồi ra, hiệu suất cực đại hệ thống đạt mức công suất quang nghĩa dễ dàng lựa chọn giá trị công suất quang để hệ thống đạt hiệu suất tối ưu với giá trị Vbias.Tuy nhiên, điện áp phân cực áp dụng lại phụ thuộc vào điện áp đánh thủng vật liệu quang dẫn kích thước vùng kích thích ăng-ten Kích thước vùng kích thích lớn điện áp phân cực áp dụng cao Với vật liệu LT_GaAs điện áp phân cực đạt đến giá trị khoảng 50V [1] Áp dụng vào mơ hình ăng-ten mơ đạt hiệu suất tối ưu cho hệ thống 0,0753% (tăng xấp xỉ 2,8 lần so với thông số tham khảo) 6.3 Trở kháng ăng-ten (Za) Hình 13 mơ tả ảnh hưởng giá trị trở kháng đến hiệu suất ăng-ten quang dẫn Ăng-ten đạt giá trị hiệu suất cực đại 0,0269% với trở kháng khác Nói cách khác, giá trị hiệu suất cực đại không phụ thuộc trở kháng ăng-ten Các giá trị hiệu suất cực đại xuất mức công suất quang khác ứng với giá trị trở kháng khác Đối với cơng suất quang thấp ăng-ten có trở kháng lớn đạt hiệu suất tốt hơn, công suất quang lớn trở kháng thấp cho ăng-ten có hiệu suất cao Nói tóm lại, thơng số trở kháng ăng-ten quang dẫn khơng đóng góp cho việc nâng cao hiệu suất phát THz Thông số có ý nghĩa hệ thống cho trước với cơng suất quang cố định tìm trở kháng tối ưu để hiệu suất ăng-ten tốt Thảo luận kết luận Bảng trình bày tóm tắt đánh giá ảnh hưởng thơng số khảo sát đến hiệu suất phát THz theo thứ tự giảm dần có ba mức độ: đáng kể, không đáng kể không ảnh hưởng Các thông số có ảnh hưởng nhiều đến việc cải thiện hiệu suất ăng-ten quang dẫn phải kể đến độ dài vùng kích thích L, điện áp phân cực ngồi Vbias, độ linh động hạt mang quang µe, độ dày lớp tích cực TLT_GaAs, hệ số hấp thụ quang α, hệ số phản xạ R Các thông số độ rộng xung laser τl thời gian sống hạt mang quang τc lại có ảnh hưởng việc nâng cao hiệu suất ăng-ten Có ba dạng phổ thu khảo sát ảnh hưởng thông số đầu vào đến hiệu suất ăng-ten quang dẫn biểu diễn theo giá trị cơng suất quang trung bình Pav: 10 -1 10 -2 10 -3 t (mW) 10 -4 10 Za=5 Za=65 -5 10 Za=200 Za=800 -6 10 -7 10 Za=1.200 -8 10 -4 10 -3 10 -2 10 -1 10 10 10 10 10 10 Pav (W) Hình 13 Khảo sát thơng số Za ảnh hưởng lên hiệu suất phát THz ăngten quang dẫn 41 thay đổi Dạng phổ có ý nghĩa quan trọng việc cải thiện hiệu suất ăng-ten cho thông số: hệ số hấp thụ quang (α), hệ số phản xạ (R), độ dày lớp tích cực (TLT_GaAs), độ linh động hạt mang quang (µe), thời gian sống hạt mang quang (τc) độ dài vùng kích thích (L) iii) Cuối dạng phổ tương tự thay đổi tuyến tính theo giá trị thơng số khảo sát Dạng phổ có ý nghĩa lớn việc cải thiện hiệu suất ăng-ten gồm thông số: độ rộng xung (τl) điện áp phân cực áp vào hai điện cực (Vbias) i) Các dạng phổ giống hoàn toàn dịch chuyển dọc theo trục x (cơng suất quang trung bình) Có hai thơng số có dạng phổ kiểu tốc độ lặp lại xung laser (frep) trở kháng ăng-ten (Za) Dạng phổ khơng có ý nghĩa việc cải thiện hiệu suất ăng-ten mà giúp tìm giá trị tối ưu thông số cho hệ thống đạt hiệu suất tốt ii) Dạng phổ có hiệu suất ηt tăng tuyến tính đạt giá trị cực đại, sau giảm dần cơng suất quang tiếp tục tăng đường suy hao không phụ thuộc giá trị thông số khảo sát nghĩa hồn tồn giống giá trị thơng số khảo sát Bảng Bảng tóm tắt ảnh hưởng thông số đến hiệu suất ăng-ten quang dẫn Thơng số Độ dài vùng kích thích (L) Nhận xét L giảm, hiệu suất ɳt cực đại tăng Mức độ cải thiện hiệu suất Đáng kể Điện áp phân cực (Vbias) Vbias tăng, hiệu suất ɳt cực đại tăng Đáng kể Độ linh động hạt µe tăng, hiệu suất ɳt cực đại tăng mang quang (µe) Đáng kể Độ dày lớp tích cực TLT_GaAs tăng, hiệu suất ɳt cực đại TLT_GaAs tăng Đáng kể Hệ số hập thụ quang (α) α tăng, hiệu suất ɳt cực đại tăng Đáng kể Hệ số phản xạ R R giảm, hiệu suất ɳt cực đại tăng Đáng kể Thời gian sống hạt τc tăng, hiệu suất ɳt cực đại tăng mang (τc) Không đáng kể τl tăng, hiệu suất ɳt cực đại tăng Không đáng kể Độ rộng xung laser (τl) Thời gian tái kết hợp τre thay đổi, hiệu suất ɳt không thay Không ảnh hưởng hạt mang quang (τre) đổi Tốc độ lặp lại xung laser frep thay đổi, hiệu suất ɳt cực đại Không ảnh hưởng (frep) không thay đổi Trở kháng ăng-ten (Za) Za thay đổi, hiệu suất ɳt cực đại Khơng ảnh hưởng khơng thay đổi 42 Ngồi ra, cịn thơng số chúng tơi khảo sát hồn tồn khơng ảnh hưởng đến hiệu suất ăng-ten hay nói khác thơng số hồn tồn khơng tham gia vào việc góp phần nâng cao hiệu suất hệ thống thơng số thời gian tái kết hợp hạt mang quang (tre) Trong báo này, tất thông số đầu vào độc lập có liên kết với xem xét phân tích dựa kết mô đạt Từ đây, chúng tơi đưa phân tích lý thuyết ảnh hưởng tham số đầu vào lên hiệu suất ăng-ten quang dẫn Với quy trình lý thuyết phân tích hữu cho việc lựa chọn thông số để đạt hiệu suất tối ưu trước thiết lập hệ thống thực nghiệm Lời cảm ơn: Nghiên cứu tài trợ Quỹ Phát triển Khoa học Công nghệ quốc gia (NAFOSTED) đề tài mã số “103.05-2013.75” J Y Suen, W Li, Z D Taylor, and E R Brown (2010), “Characterization and modeling of a terahertz photoconductive switch”, Appl Phys Lett, vol 96, p 141103 M Tani, S Matsuura, K Sakai, and S Nakashima (1997), “Emission characteristics of photoconductive antennas based on lowtemperature-grown GaAs and semi-insulating GaAs”, Appl Opt., vol 30, no 30, p 7853– 7859 N Khiabani (2013), “Modelling, Design and Characterisation of Terahertz Photoconductive Antennas”, Doctoral thesis, University of Liverpool N Khiabani, Y Huang, Y Shen, and S Boyes (2013), “Theoretical Modeling of a Photoconductive Antenna in a Terahertz Pulsed System”, IEEE Trans Antennas and Propagat., vol 61, pp 1538-1546 P U Jepsen and S R Keiding (1995), “Radiation patterns from lens-coupled terahertz antennas”, Opt Lett, vol 20, pp 807-809 10 P U Jepsen, D G Cooke, and M Koch (2011), “Terahertz spectroscopy and imaging – Modern techniques and applications”, Laser Photon Rev., vol 5, no 1, p 124–166 11 S M Sze and K K Ng (2007), Physics of semiconductor devices, 3rd ed., Hoboken, N J.: Wiley-Interscience 12 T K Nguyen, T A Ho, H Han, and I Park (2012), “Numerical study of selfcomplementary antenna characteristics on substrate lenses at terahertz frequency”, J Infrared Milli Terahz Waves, vol 33, no 11, pp 1123-1137 13 Y Huang, N Khiabani, S Shen, and L Di (2011), “Terahertz photoconductive antenna efficiency”, Int Workshop on Antenna Tech (iWAT), Hong Kong 14 Y Lee (2008), Principles of terahertz science and technology, 1st ed., New York: NY: Springer 15 Z D Taylor, E R Brown, and J E Bjarnason (2006), “Resonant-optical-cavity”, Opt Lett., vol 31, no 11, p 1729–1731 16 The Mathworks Inc (2014), Matlab Notebook User’s Guide TÀI LIỆU THAM KHẢO A A Gorbatsevich, V I Egorkin, I P Kazakov, O A Klimenko, A Yu Klokov, Yu A Mityagin, V N Murzin, S A Savinov, and V A Tsvetkov (2015), “Dynamic Characteristics of “LowTemperature” Gallium Arsenide for Terahertz-Range Generators and Detectors”, Bulletin of the Lebedev Physics Institute, vol 42, no 5, p 121–126 A Dreyhaupt, S Winnerl, T Dekorsy, and M Helm (2005), “High-intensity terahertz radiation from a microstructured large-area photoconductor”, Appl Phys Lett., vol 86, p 121114 B Ferguson and X Zhang (2002), “Materials for terahertz science and technology”, Nat Mat., vol 1, pp 26-33 C W Berry and M Jarrahi (2011), “Ultrafast photoconductors based on plasmonics gratings”, in presented at the Int Conf on Infrared Millimeter, and Terahertz Waves Ngày nhận bài: 01/12/2015 Biên tập xong: 15/01/2016 43 Duyệt đăng: 20/01/2016 ... số R ảnh hưởng lên hiệu suất phát THz ăng-ten quang dẫn Từ rút kết luận hệ số hấp thụ quang có ý nghĩa lớn việc góp 36 10 phần nâng cao hiệu suất ăng-ten quang dẫn Hệ số α lớn cho hiệu suất ăng-ten. .. quang dẫn hiệu suất ăng-ten thấp Theo [13] chứng minh hiệu suất ăng-ten quang dẫn xem tổ hợp ba hiệu suất thành phần Đầu tiên hiệu suất liên quan đến việc phát dòng quang THz vật liệu quang dẫn. .. phù hợp để hệ thống đạt hiệu suất tốt Các thông số vật liệu quang dẫn 5.1 Hệ số hấp thụ quang (α) cho kết giá trị hiệu suất cực đại cao Tuy nhiên, hệ số α lên đến giá trị định hiệu suất ăng-ten