Терагерцовый диапазон - плазмонные устройства
 Схема разработанного источника терагерцовых колебаний. |
|
||||||||
Настраиваемые когерентные источники сигнала, работающие в терагерцовом диапазоне частот, на сегодняшний день являются одной из наиболее «горячих» тем современной электроники. Ранее терагерцы (ТГц) были интересны лишь астрономам и аналитической науке. Теперь же подобные технологии могут найти применение во множестве отраслей, от биологии и медицины до коммуникаций и систем обеспечения безопасности. Кроме того, расположенный между микроволновой и инфракрасной областью электромагнитного спектра, терагерцовый диапазон на данный момент можно считать совершенно не освоенным, т.к. в нем не работают никакие коммерческие устройства. Ведь терагерцовый диапазон, в отличие от окружающих его микроволновой и инфракрасной областей, достаточно тяжело достижим на практике. С одной стороны, когда кремниевые электронные устройства повышают частоту своей работы (приближаясь к терагерцовому диапазону со стороны микроволн), их размеры уменьшаются, и непропорционально растет стоимость единицы мощности выходного сигнала. С другой стороны, фотонные устройства (такие как полупроводниковые лазеры), снижая частоту работу (т.е. приближаясь к терагерцу со стороны инфракрасного диапазона), вынуждены уменьшать энергию излучаемого фотона чуть ли не до уровня тепловых колебаний, что нарушает когерентность излучения.
Однако, последние исследования показали, что кремниевые устройства могут обеспечить достижение терагерцового диапазона, если отталкиваться от принципиально другой технологии. Канал в полевых транзисторах может служить хорошим резонатором для возникновения так называемых плазмонных волн.
Известно, что свободный электронный газ может совершать коллективные колебания; плазмоны – это квазичастицы, введенные для упрощения расчетов, связанных с этими колебаниями. Исследования плазмонов в ракурсе использования их в электронных устройствах началось еще в середине 1990-х годов. Однако, существенной проблемой тогда было взаимодействие плазмонных колебаний, возникающих в канале полевого транзистора, с электромагнитными волнами. Для того чтобы обойти эту проблему, группа ученых из Research Institute of Electrical Communication (RIEC) в Tohoku University (Япония) использовала две пары электродов: пара источник-приемник и дополнительная пара, позволяющая локализовать двумерные плазмоны, возникающие на поверхности, в периодических областях размерами порядка 100 нм с интервалом в 1 мкм. При наличии внешнего напряжения между источником и приемником, специфическое распределение электронов и плазмонов в данной области порождает так называемую стоячую волну.
Ученые не только спроектировали, но и реализовали несколько единиц подобных плазмонно-резонансных источников колебаний (plasmon-resonant emitters, PREs) для последующих исследований. В ходе экспериментов, эти устройства показали способность излучать в широком диапазоне частот от 0,5 до 6,5 Терагерц при комнатной температуре. Мощность излучения при этом составила 1 мкВт. По сравнению с другим доступным на сегодняшний день источником терагерцовых колебаний, например, ртутной лампой высокого давления (high-pressure mercury lamp, HP-Hg), разработанные устройства позволяют на 2 порядка более эффективно преобразовывать энергию в колебания, не смотря на то, что полученная на выходе мощность в данном случае на порядок меньше.
Также по теме:
Источники: