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!
Trang 1Anten Dò 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), và Huỳnh Văn Tuấn(4)
1Viện Khoa học Tính toán, Trường Đại học Tôn Đức Thắng
2 Khoa Điện-Điện tử, Trường Đại học Tôn Đức Thắng
3Khoa Điện tử viễn thông, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên TP HCM
4 Khoa Vật lý - Vật lý Kỹ thuật, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên TP HCM
*nguyentruongkhang@tdt.edu.vn
Tóm tắt— Trong bài báo này, chúng tôi 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.
Từ khóa- anten quang dẫn, laser femto giây, quang phổ miền
thời gian, Terahertz
I GIỚI THIỆU Trong những năm gần đây, sóng Terahertz (THz) được sử
dụng rộng rãi trong công nghệ xử lý ảnh y học, truyền thông,
quang phổ học, và cảm biến nhờ vào những đặc tính độc đáo
của nó như tính truyền qua các vật liệu phi kim loại, năng
lượng photon thấp tương ứng với các mode dao động cơ bản
của nhiều loại phân tử Trong những ứng dụng cụ thể, khả năng
dò sóng THz với độ nhạy cao trong một dải tần số rộng thường
được quan tâm đặc biệt Vì thế, kỹ thuật dò sóng THz là một
trong những lĩnh vực nghiên cứu quan trọng của công nghệ
THz Cho đến nay, nhiều loại kỹ thuật dò sóng THz khác nhau
đã và đang liên tục được nghiên cứu và phát triển, ví dụ như kỹ
thuật cảm biến điện/nhiệt hồng ngoại, tinh thể điện-quang, hay
anten quang dẫn [1,2]
Trong số nhiều phương pháp dò sóng THz khác nhau,
phương pháp sử dụng anten quang dẫn hoạt động dựa trên cơ
chế dao động kích thích của hệ laser femto giây thì được ưa
chuộng nhờ vào tỉ số tín hiệu cực đại trên nhiễu khá tốt Bên
cạnh đó, ta có thể dễ dàng cải thiện và thay đổi tính chất dò
sóng THz trong phương pháp này bằng việc tối ưu hóa nhiều
thông số trong hệ, ví dụ như cấu trúc hình học của anten, chất
lượng vật liệu bán dẫn, và đặc tính của nguồn laser femto giây
[3-5] Vì vậy, phân tích lý thuyết và thực nghiệm các cấu trúc
anten quang dẫn dùng trong việc dò sóng THz là rất cần thiết
Trong bài bài này, chúng tôi đề xuất ba cấu trúc anten quang
dẫn khác nhau cho việc dò sóng THz dùng trong hệ THz quang
phổ miền thời gian Đặc tính dò sóng THz của từng anten được
khảo sát cả trong mô hình lý thuyết mô phỏng và thực nghiệm
Kết quả cho thấy, anten hình chữ I và hình nơ bướm cho khả
năng dò sóng THz với độ nhạy khá cao so với anten hình chữ
H truyền thống, đặc biệt là ở vùng tần số thấp (~300 GHz), khá
thích hợp cho các ứng dụng quang phổ và truyền thông không
dây ở vùng tần số THz thấp này
II MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM Nhằm đạt được khả năng dò sóng THz với độ nhạy cao và trong một dải tần số rộng như mong muốn, chúng tôi đề xuất 3 cấu trúc anten quang dẫn khác nhau, đó là anten hình chữ H (Grischkowsky), anten hình chữ I (stripline), và anten hình nơ bướm (bowtie), hình 1(a) Vì xung THz có thể được dò nhờ vào quá trình thay đổi của dòng quang điện tức thời (transient photocurrent) xảy ra trong vật liệu bán dẫn, mô hình Drude-Lorentz được sử dụng để tính dòng quang điện này
(a)
(b)
Hình 1 (a) Các cấu trúc anten khảo sát và (b) kết quả mô phỏng phổ tín hiệu THz dò được bằng các anten này
Trang 2s c
V e μ n(t) e (t) pc
(1)
trong đó, e là điện tích của điện tử, µ elà độ linh động của điện
tử, g là khoảng cách giữa hai điện cực của anten, n(t) là mật độ
hạt mang được tạo ra, V c (t) là điện áp phụ thuộc thời gian giữa
hai điện cực anten, và s là diện tích vùng kích thích Tiếp theo
đó, dòng THz dò được ở phía anten thu (Rx) sẽ được suy ra từ
kỹ thuật tích phân hữu hạn (FIT-Finite Integration Technique)
sử dụng một chương trình mô phỏng toàn sóng (full-wave EM
simulator) [6-8] Cách tiếp cận mô phỏng này cho phép việc
đánh giá phổ thu được tại anten dò sóng THz được chính xác
hơn Bên cạnh đó, nhóm chúng tôi thực hiện mô phỏng với cấu
trúc thấu kính (lens), mặc dù chiếm rất nhiều thời gian và tài
nguyên tính toán, kết quả mô phỏng cho thấy sự tương đồng
khá tốt với kết quả thực nghiệm Hình 1(b) biểu diễn kết quả lý
thuyết mô phỏng của 3 cấu trúc anten đang khảo sát Theo đó,
cấu trúc anten hình chữ I và hình nơ buớm cho đỉnh cộng
hưởng ở tần số thấp hơn, nhưng với biên độ lớn hơn, so với
anten hình chữ H, trong khi độ rộng băng thông của sóng THz
dò bằng cấu trúc hình chữ H thì rộng hơn so với 2 anten kia
Để kiểm chứng kết quả lý thuyết mô phỏng, chúng tôi chế
tạo 3 cấu trúc anten dựa trên các số liệu tính toán Các cấu trúc
anten được đặt trên một lớp vật liệu bán dẫn gallium-arsenide
(GaAs) với chiều dày 1,2 μm và được mọc trong điều kiện
nhiệt độ thấp Khoảng cách giữa hai điện cực của các anten đều
là 5 μm, đây cũng gọi là vùng kích thích anten dựa trên cơ chế
chuyển đổi từ các cặp điện tử-lỗ trống thành dòng quang điện
Nguồn kích thích laser femto giây là một nguồn laser rắn
Ti:sapphire dựa trên cơ chế khóa mode (mode-locked) với độ
rộng xung khoảng 65 fs và bước sóng trung tâm gần 800 nm
Khi chiếu nguồn laser này vào vùng kích thích (gap) của anten
quang dẫn, các cặp điện tử-lỗ trống sẽ được kích thích và dòng
quang điện chuyển tiếp (thời gian ~ ps) được hình thành nhờ
vào một điện áp ngoài đặt vào hai đầu điện cực của anten phát
(Tx) Trong mô hình thực nghiệm, anten phát được sử dụng là
một anten quang dẫn có cấu trúc hai dây dẫy đồng phẳng
(coplanar stripline), trong đó bề rộng mỗi dây là 10 μm và
khoảng cách giữa hai dây là 80 μm Anten phát này được
quang khắc trên một lớp đế bán cách điện GaAs
(semi-insulating GaAs)
Trong quá trình dò sóng THz, các xung được lấy mẫu sẽ lần
lượt được đồng bộ với xung THz được tạo ra ở phía anten phát,
và các xung mẫu này cũng sẽ tạo ta các cặp điện tử-lỗ trống
trên vật liệu bán dẫn ở phía anten thu Tiếp theo, trường điện từ
THz sẽ gây ra một dòng quang điện Theo đó, xung THz truyền
từ anten phát đến anten thu sẽ được dò (đo) qua việc phát hiện
sự thay đổi của dòng quang điện như một hàm trễ giữa xung
lấy mẫu và xung THz chính Thêm nữa, trong kỹ thuật đo này,
anten phát và thu thường được gắn trên một thấu kính silicon
nhằm làm tăng độ hội tụ của tín hiệu, và đồng thời bù vào độ
mất năng lượng trong qua trình truyền gây ra do sự khác biệt
lớn về chiết suất giữa lớp đế GaAs và không khí [9,10]
Hình 2 biểu diễn kết quả thực nghiệm trong miền thời gian
và tần số của sóng THz được dò bằng ba cấu trúc anten đang
khảo sát Ta thấy, kết quả thực nghiệm khá tương đồng với kết
quả lý thuyết mô phỏng cả về dạng phổ và độ lớn Hình 2(a)
cho thấy, biên độ tín hiệu miền thời gian của xung THz dò
(a)
(b)
Hình 2 Tín hiệu thực nghiệm trường điện từ THz dò bằng các cấu trúc anten khảo sát, trong đó, (a) kết quả trong miền thời gian và (b) kết quả trong miền tần số
được bằng anten hình chữ H, hình chữ I, và hình nơ bướm lớn hơn biên độ tín hiệu THz dò được bằng anten tham chiếu tương ứng là 1,9, 1,2 và 1,6 lần Hình 2(b) biểu diễn kết quả thực nghiệm này trong miền tần số bằng cách thực hiện phép biến đổi Fourier nhanh (FFT: fast-Fourier-transform) các tín hiệu ở hình 2(a) Theo đó, anten hình chữ I và hình nơ bướm cho độ nhạy cao trong việc dò sóng THz ở vùng tần số dưới 0,6 THz,
so với anten hình chữ H
Kết quả so sánh về độ rộng phổ nửa biên độ cực đại (Full-width at half maximum) cho thấy, anten hình chữ I cho phổ rộng hơn anten tham chiếu, anten hình chữ H, và anten hình nơ bướm Cụ thể, độ rộng phổ nửa biên độ cực đại của anten hình
chữ I vào khoảng 311% (Δf / f peak~ 0.56 / 0.18) trong khi đó độ rộng phổ nửa biên độ cực đại của anten tham chiếu vào khoảng
148% (Δf / f peak ~ 1.29 / 0.87), của anten hình chữ H khoảng
139% (Δf / f peak ~ 1.17 / 0.84), và của anten nơ bướm khoảng
138% (Δf / f peak ~ 0.25 / 0.18)
Những kết quả này chỉ ra rằng, anten hình chữ I và anten hình nơ bướm có thể dò sóng THz một cách khá hiệu quả (độ nhạy cao) cho vùng tần số thấp khoảng từ 0.1 THz đến 1.0 THz Thú vị hơn, căn cứ theo dạng hình học của anten hình chữ I và anten hình nơ bướm, chúng ta có thể nói rằng giới hạn
Trang 3biên dưới của vùng tần số THz có thể dò được bằng kỹ thuật
dùng anten quang dẫn là vào khoảng tần số 0,2 THz Nói cách
khác, cho dù độ dài của anten được tăng liên tục thì tần số đỉnh
của phổ dò sóng THz sẽ gặp một giới hạn nhất định [11]
III KẾT LUẬN Chúng tôi đề xuất và tính toán lý thuyết mô phỏng cũng
như tiến hành làm thực nghiệm đặc tính dò sóng THz của các
loại anten quang dẫn khác nhau Kết quả cho thấy, anten hình
chữ I và hình nơ bướm cho khả năng dò sóng THz với độ nhạy
khá cao so với anten hình chữ H, đặc biệt là ở vùng tần số thấp
Theo đó, hai anten này khá thích hợp cho các ứng dụng quang
phổ và truyền thông không dây ở vùng tần số THz thấp này
Qua nghiên cứu này, chúng tôi tin rằng, độ nhạy và băng thông
hồi đáp của anten quang dẫn trong hệ xung THz miền thời gian
hoàn toàn có thể được cải thiện bằng việc thay đổi và tối ưu
hóa cấu trúc hình học của anten
LỜI CẢM ƠN
Nghiên cứu này được tài trợ bởi Quỹ phát triển khoa học và
công nghệ quốc gia (NAFOSTED) trong đề tài mã số
“103.05-2013.75”
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] 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
