умножитель частоты на плазмонном механизме нелинейности

Формула изобретения

Умножитель частоты на плазмонном механизме нелинейности, включающий генератор опорной частоты, систему охлаждения, нелинейный рабочий элемент, отличающийся наличием источника магнитного поля и тем, что нелинейным рабочим элементом является полупроводниковая наноструктура с антенной системой на поверхности кристалла и с двумерным заряженным слоем, включающим дефект/дефекты, представляющие собой любую неоднородность в топологии или параметрах двумерного заряженного слоя или его диэлектрического окружения.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к области твердотельных умножителей частоты электромагнитного излучения, работающих в гигагерцовом-терагерцовом диапазонах частот. Изобретение представляет собой умножитель частоты, работающий по принципу умножения частоты опорного генератора на нелинейности магнитоплазменого отклика двумерных заряженных систем. Изобретение может использоваться в разнообразных областях науки и техники: молекулярной спектроскопии, космических исследованиях, биологии, медицинской томографии, системах высокочастотной беспроводной связи.

Известен умножитель частоты, в котором в качестве нелинейного рабочего элемента используется двумерная углеродная пленка - графен. Принцип действия умножителя основан на сильно нелинейном спектре электронов в двумерных углеродных пленках. Апробация прибора выявила эффективность преобразования опорного сигнала во вторую гармонику 90% (20 кГц). Однако из-за малой подвижности электронов в графене частотный диапазон работы умножителей частоты на графене пока ограничивается радиоволнами (Н.Wang, D.Nezich, J.Kong, T.Palacios. "Graphene Frequency Multipliers", IEEE Electron Device Letters, vol.30, p.547 (2009)).

Известен умножитель частоты, в котором в качестве нелинейного рабочего элемента используется квантово-ямный диод. Принцип работы изобретения основан на сильно нелинейных вольт-амперной (I-V) и фарад-вольтной (C-V) характеристиках прибора. Нелинейность этих характеристик вызвана резонансным туннелированием носителей заряда через потенциальный барьер, образованный квантовой ямой. Работа квантово-ямного диода была опробована для генерации третьей гармоники опорного сигнала (191 ГГц). Эффективность преобразования составила 8% (Т.Sollner, W.Goodhue, P.Tannenwald, С.Parker, D.Peck. "Resonant Tunneling Through Quantum Wells at Frequencies up to 2.5 GHz", Applied Physics Letters, vol.43, p.588 (1983)).

Известны умножители частоты, в которых в качестве нелинейного рабочего элемента используется диод Шоттки (в особенности эффективным оказывается разновидность диода - варактор). В таких устройствах генератором опорной частоты чаще всего выступает мощный индий-фосфорный (InP) генератор Ганна (50-100 мВт) на частоте 100 ГГц. Пиковые мощности для таких устройств составляют 20 мкВт (700 ГГц), 0.5 мВт (500 ГГц), 5 мВт (300 ГГц). Рекордные показатели эффективности преобразования опорного сигнала во вторую гармонику равняются 45% (80-100 ГГц), в третью 28% (100-115 ГГц), в четвертую 11% (140-155 ГГц), в пятую 4.2% (165-170 ГГц). Однако характерный размер диода Шоттки составляет 100 мкм, что делает затруднительным его производство в стандартном планарном полупроводниковом цикле. Для эффективной работы умножителя частоты на базе диода Шоттки может применяться его охлаждение (Antti V. Raisanen, "Frequency Multipliers for Millimeter and Submillimeter Wavelengths", Proceedings of the IEEE, vol.80, p.1842 (1992)).

Данное устройство наиболее близко по конструкции к заявляемому гетеродинному спектрометру, поэтому взято в качестве прототипа.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в увеличении эффективности преобразования умножителя частоты, а также уменьшении его габаритных размеров.

Для достижения данного технического результата заявляемый умножитель частоты включает генератор опорной частоты, систему охлаждения, нелинейный рабочий элемент, представляющий собой полупроводниковую наноструктуру с двумерным заряженным слоем, в который добавляются дефект/дефекты. Дефектом является любая неоднородность в топологии или параметрах двумерной электронной системы или ее диэлектрического окружения. Кроме этого, нелинейный рабочий элемент включает в себя антенную систему для согласования излучения опорной частоты с плазменными волнами в двумерном заряженном слое и для эффективной генерации излучения на кратных гармониках в свободное пространство. Для достижения оптимальных рабочих характеристик прибор может помещаться в магнитное поле, перпендикулярное плоскости двумерного заряженного слоя. За счет использования в качестве нелинейного рабочего элемента полупроводниковой наноструктуры характерные размеры элемента уменьшаются с 100-10 мкм (прототип) до 1-0.1 мкм.

Признаки, отличающие предлагаемый умножитель частоты от прототип, - наличие особого нелинейного элемента, состоящего из полупроводниковой наноструктуры с дефектом/дефектами различного типа. Дефектом является любая неоднородность в топологии или параметрах двумерной электронной системы или ее диэлектрического окружения (неоднородность концентрации в заряженном слое, поверхностные дефекты наноструктуры, изменение геометрических размеров двумерного заряженного слоя и т.д.). Неоднородность концентрации в заряженном слое можно создавать, например, путем выборочного жидкого травления части поверхности полупроводникового кристалла, приводящему к удалению части доноров, поставляющих носителей заряда в двумерный слой. Также отличительным признаком изобретения является возможное функционирование прибора в магнитном поле, перпендикулярном плоскости двумерного заряженного слоя и его миниатюрность. Миниатюрность рабочего элемента обеспечивается использованием полупроводниковой наноструктуры, имеющей небольшие размеры. Для эффективной работы прибора необходима система охлаждения (например, азотное или Пельтье-охлаждение).

На фиг.1 приведена принципиальная схема предлагаемого умножителя частоты.

Умножитель частоты содержит нелинейный рабочий элемент 1, представляющий полупроводниковую наноструктуру как минимум с одним дефектом 2 к двумерному заряженному слою 3. В данном случае дефект 2 представляет собой резкое сужение двумерного заряженного слоя. Также умножитель частоты содержит генератор 4 опорной частоты f₀. Для согласования излучения опорной частоты f₀ с плазменными волнами в двумерном заряженном слое 3 и для эффективной генерации излучения 8 на кратных гармониках в свободное пространство. Также нелинейный рабочий элемент включает в себя антенную систему 5. Поскольку заявляемый умножитель частоты работает при пониженных температурах, то прибор включает в себя систему охлаждения 6 (например, азотное или Пельтье-охлаждение). Прибор включает в себя источник магнитного поля 7.

Принцип действия заявляемого умножителя частоты основан на плазменном механизме нелинейности. Излучение с частотой f₀ от опорного генератора 4 посредством антенн 5 возбуждает плазменные волны, распространяющиеся в двумерном заряженном слое 3. В присутствии магнитного поля в системе возбуждаются магнитоплазменные волны. Плазменные волны, возбужденные в области между антенной 5 и дефектом 2 образуют сложное распределение электрических полей внутри нелинейного рабочего элемента 1. Амплитуда этих полей зависит от отношения L (линейный размер между антенной 5 и дефектом 2) к длине волны плазмона, которая зависит от частоты падающего излучения, магнитного поля и концентрации носителей заряда в слое. В рабочем режиме магнитное поле от источника 7 подбирается таким образом, что амплитуда электрических полей внутри прибора на частоте опорного генератора 4 максимальна. Переменные плазменные электрические поля выпрямляются за счет нелинейного поведения рабочего элемента, которое вызвано нелинейностью, связанной с наличием в системе дефекта/дефектов различного типа. Выпрямление переменного потенциала плазменной волны приводит к генерации излучения в свободное пространство на кратных частотах 2f₀, 3f₀, 4f₀

В тестовых экспериментах использовалась структура в форме полоски с размером области для интерференции магнитоплазмонов L=0.2 мм (расстояние от одной из антенн 5 до дефекта 2). Концентрация (n_S) и подвижность носителей заряда (электронов - µ) в двумерном слое при гелиевой температуре (4.2 К) составляли n_S=1.4×10¹¹ см ^-2 и µ=10⁶ см²/В с. Частота опорного генератора составляла f₀=7.5 ГГц. Излучение на кратных гармониках опорного сигнала по волноводному тракту подавалось на вход прибора для измерения спектров. На фиг.2 представлены спектры генерируемого нелинейным элементом 1 излучения на гармониках 2f₀, 3f₀, 4f₀, 5f₀ . Эффективность преобразования мощности излучения от опорного генератора 4 в излучение второй гармоники (2f₀) составила 10%, что является сравнимой величиной с существующими аналогами. Мощность излучения на третьей гармонике (3f₀) примерно в два раза меньше чем на второй (2f₀), а на четвертой (4f₀) примерно в десять раз меньше чем на второй (2f ₀). Следует заметить, что в отсутствие дефекта 2 в двумерном заряженном слое 3 не наблюдалось излучение на кратных гармониках, что подтверждает доминирующее значение дефекта/дефектов в формировании нелинейного отклика заявляемого устройства. Эксперименты были проведены при температуре на рабочем нелинейном элементе 4.2 К и магнитном поле 0.5 Т. На вставке к фиг.2 показана температурная зависимость генерируемой на второй гармонике (2f₀) мощности излучения. При выбранных тестовых параметрах двумерного заряженного слоя максимальная рабочая температура устройства составила 180 К. На фиг.3 представлена зависимость величины сигнала на второй гармонике (2f₀) от типа дефекта 2. Дефекты изменялись путем увеличения величины сужения двумерного заряженного слоя 3.