ГЕНЕРАТОР СУБТЕРАГЕРЦОВОГО И ТЕРАГЕРЦОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ ОПТИЧЕСКОГО ТРАНЗИСТОРА
GENERATOR OF SUBTERAHERZ AND TERAHERZ EMISSION BASED ON OPTIC TRANSISTOR

Настоящее изобретение относится к области генераторов электромагнитного излучения, работающих в субтерагерцовом и терагерцовом диапазонах частот (50-2000 ГГц). Изобретение представляет собой генератор, основанный на оптическом преобразовании импульсов фемтосекундного лазера или суммы полей излучения двух лазеров, работающих в непрерывном режиме, с последующей высокочастотной модуляцией электрического тока, протекающего внутри устройства. Генератор может быть исполнен в твердотельном варианте, при этом электрический ток протекает по проводящему каналу полевого транзистора. Изобретение может использоваться в разнообразных областях науки и техники: молекулярной и твердотельной спектроскопии, системах высокочастотной беспроводной связи, космических исследованиях, биологии, медицинской томографии.
Известен генератор субтерагерцового и терагерцового излучения, использующий принцип оптического преобразования коротких импульсов фемтосекундного лазера, осуществляемого на оптически активном элементе-фотосмесителе (time domain terahertz generation). Устройство также содержит сам источник лазерного излучения и электрическую цепь с источником напряжения и индуктивной нагрузкой, выступающей в качестве антенны для эффективного излучения генерируемой электромагнитной волны в субтерагерцовом и терагерцовом диапазоне частот. В качестве оптически активного элемента используется материал, характеризуемый ультракоротким временем жизни (менее 1 пс) фотовозбужденных носителей заряда. Таким материалом является, например, полупроводник, обладающий большим количеством структурных дефектов, на которых эффективно осуществляется захват носителей заряда. Наиболее часто для приложений используется нелегированный арсенид галлия, выращенный при низкой температуре (LT-GaAs), либо легированный редкими землями (GaAs:Er) или ионно-облученный. Принцип действия генератора заключается в фотовозбуждении носителей заряда при поглощении полупроводником импульса лазерного излучения, что приводит к короткому импульсу электрического тока длительностью порядка 1 пс в облучаемом материале при приложении к нему внешнего электрического смещения.
Переходная характеристика импульса электрического тока, который протекает через полупроводник и внешнюю электрическую цепь, определяет частотную характеристику электромагнитного излучения, генерируемого данной системой. Спектр излучения оказывается существенно немонохроматическим и преимущественно находится в диапазоне 100 ГГц - 2 ТГц, средняя во времени и интегральная по всем частотам мощность излучения не превышает несколько десятков милливатт («TERAHERTZ RADIATION EMISSION AND DETECTION», европейский патент № EP 0606776 A2, опубл. 20.07.1994).
Известен генератор субтерагерцового и терагерцового излучения, содержащий источник лазерного излучения, электрическую цепь с источниками напряжения и импедансной нагрузкой, и оптически активный элемент, использующий принцип оптического преобразования на полупроводниковом фотосмесителе суммы полей излучения двух лазеров, работающих в непрерывном режиме (frequency domain terahertz generation). Физический принцип действия и устройство генератора аналогичны ранее описанным, с тем существенным изменением, что при работе используются два непрерывных лазера, и частотная характеристика протекающего фототока определяется разностью между частотами генерации двух лазеров. Спектр выходного излучения является монохроматическим с шириной линии, определяемой ширинами линий генерации лазеров. Однако выходная мощность таких генераторов оказывается крайне малой и составляет десятки микроватт на частотах порядка 100 ГГц и сотни нановатт на частотах порядка 2 ТГц («LIGHT MIXER FOR GENERATING TERAHERTZ RADIATION», патент США № US 20120261577 A1 опубл. 18.10.2012).
2
Существенно, что выходные мощности описанных генераторов принципиально ограничиваются величиной фототока, который генерируется при поглощении лазерного излучения. Максимальная величина фототока составляет несколько десятков миллиампер и определяется главным образом предельной плотностью мощности падающего света, которую способен выдержать материал полупроводника (порядка 1 мВт/мкм).
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в увеличении выходной мощности генераторов субтерагерцового и терагерцового излучения, основанных на принципе оптического выпрямления импульсов фемтосекундного лазера или суммы полей излучения двух лазеров, работающих в непрерывном режиме.
0.3
0.7
0.3
0.7
Настоящее изобретение поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата. Для достижения заявленного технического результата оптически активный элемент дополняется полевым транзистором. При этом реализуется такой режим работы генератора субтерагерцового и терагерцового излучения, когда воздействие попадающего на оптически активный элемент излучения лазера приводит к уменьшению электрического тока, стационарно протекающего через канал полевого транзистора при постоянном электрическом смещении. Так как мощность генерируемого субтерагерцового и терагерцового излучения задается скоростью изменения (первой производной по времени) величины электрического тока в цепи генератора, такой режим работы физически эквивалентен указанному ранее, когда электрический ток возникал в результате фотовозбуждения носителей электрического заряда. Однако амплитуда переменной составляющей электрического тока в описываемом устройстве определяется не существенно ограниченной величиной фототока, а гораздо большей величиной постоянного тока, протекающего через канал полевого транзистора, и глубиной его модуляции под воздействием оптического излучения, которая может достигать единицы. Ключевым отличием режима работы предлагаемого генератора от описанных ранее устройств является инверсия результата воздействия лазерного излучения: в предлагаемом устройстве оно приводит к уменьшению электрического тока, протекающего через цепь, внешнюю по отношению к оптически активному элементу. Для реализации такого режима работы генератора на основе полевого транзистора, в полупроводниковую структуру, содержащую слой оптический активного полупроводника (например, LT-GaAs), в процессе роста добавляются полупроводниковые слои, образующие наноструктуру с двумерным заряженным слоем, которая отделена изолирующей прослойкой (например, барьером из материала AlGaAs) от слоя LT-GaAs. Двумерный заряженный слой затем используется в качестве проводящего канала полевого транзистора, а прозрачный или полупрозрачный затвор транзистора формируется прямо на поверхности слоя LT-GaAs. Постоянное отрицательное смещение, подаваемое на затвор транзистора, приводит к уменьшению проводимости канала, степень которого определяется полной толщиной прослойки изолятора между двумерным каналом и затвором. При отсутствии оптической подсветки данная толщина изолятора равна сумме толщин слоя LT-GaAs и изолирующей прослойки до проводящего канала. При освещении лазерным светом с энергией кванта, большей ширины запрещенной зоны материала GaAs и меньшей ширины запрещенной зоны материала AlGaAs, слой LT-GaAs становится хорошо проводящим, и полная толщина изолятора уменьшается, что приводит к усилению эффекта поля и уменьшению тока через канал полевого транзистора.
На фиг.1 приведена принципиальная схема описываемого генератора субтерагерцового и терагерцового излучения, содержащего источник лазерного излучения 1, электрическую цепь с источниками напряжения 2, 3 и импедансной нагрузкой 4, а также оптически активный элемент 5, оснащенный полевым транзистором, данную связку в дальнейшем называем оптическим транзистором.
Оптический транзистор (фиг.2) содержит слой LT-GaAs 6, под которым расположена изолирующая прослойка 7 и проводящий канал полевого транзистора 8. К каналу полевого транзистора сделаны как минимум два омических контакта 9, служащих стоком и истоком транзистора. Над слоем LT-GaAs сформирован прозрачный или полупрозрачный затвор полевого транзистора 10.
1
2
<mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><msub><mi>f</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>f</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow>
На затвор подается небольшое отрицательное напряжение от источника 2 (фиг.1) относительно стока или истока, которое слабо запирает транзистор при отсутствии света. Между стоком и истоком транзистора 9 при отсутствии света протекает электрический ток благодаря включению источника напряжения 3 во внешнюю цепь прибора, содержающую в себе также нагрузку 4 с импедансом Z, обеспечивающим эффективную генерацию субтерагерцового и терагерцового излучения 11. Для работы описываемого генератора на затвор полевого транзистора 10 направляется лазерное излучение 1 от двух непрерывных лазеров с частотами генерации f и f либо от импульсного лазера. Согласно описанному выше механизму, это приводит соответственно к модуляции электрического тока в канале полевого транзистора на разностной частоте
, либо к сверхкоротким провалам в величине тока («импульсам выключения тока»), что вызывает генерацию субтерагерцового или терагерцового излучения на нагрузке 4.