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