Giải pháp nâng cao hiệu suất phát của ăng-ten quang dẫn trong hệ xung tần số terahertz

TAÏP CHÍ KHOA HOÏC ÑAÏI HOÏC SAØI GOØN Soá 11 (36) - Thaùng 1/2016<br /> <br /> <br /> <br /> Giải pháp nâng cao hiệu suất phát của ăng-ten<br /> quang dẫn trong hệ xung tần số terahertz<br /> <br /> Solution to improve the emission efficiency of photoconductive antenna<br /> in a terahertz pulsed system<br /> <br /> 1<br /> CN. Lê Thị Thanh Thùy Mai, 2 ThS. Nguyễn Thanh Tú,<br /> 3<br /> ThS. Đặng Lê Khoa, 4 TS. Huỳnh Văn Tuấn<br /> 5<br /> TS. Nguyễn Trương Khang<br /> 1234<br /> Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – ĐHQG TP.HCM<br /> 5<br /> Trường ĐH Tôn Đức Thắng<br /> 1<br /> B.A. Le Thi Thanh Thuy Mai, 2 M.Sc. Nguyen Thanh Tu,<br /> 3<br /> M.Sc. Dang Le Khoa, 4 Ph.D. Huynh Van Tuan<br /> 5<br /> Ph.D. Nguyen Truong Khang<br /> 1234<br /> The University of Science – National University Ho Chi Minh City<br /> 5<br /> Ton Duc Thang University<br /> <br /> <br /> Tóm tắt<br /> Ăng-ten quang dẫn là một thiết bị thu phát sóng Terahertz (THz) phổ biến nhất hiện nay trong hệ xung<br /> tần số THz. Tuy nhiên, một trong những vấn đề chính của ăng-ten quang dẫn là hiệu suất hoạt động còn<br /> khá thấp. Trong bài báo này, chúng tôi khảo sát các yếu tố đầu vào có ảnh hưởng đến hiệu suất chuyển<br /> đổi năng lượng quang sang năng lượng THz của ăng-ten quang dẫn. Các tính toán dựa trên mạch điện<br /> tương đương của ăng-ten quang dẫn có vai trò là bộ phát bức xạ THz. Kết quả mô phỏng hoàn toàn<br /> tương đồng với kết quả thực nghiệm đã được công bố. Do đó, các kết quả khảo sát mà chúng tôi đạt<br /> được ở bài báo này sẽ cung cấp giải pháp để lựa chọn nguồn laser, thông số vật liệu, cũng như cấu trúc<br /> ăng-ten phù hợp nhằm cải thiện hiệu suất phát THz của ăng-ten quang dẫn.<br /> Từ khóa: ăng-ten quang dẫn, bức xạ THz, chuyển đổi quang điện, laser femto giây…<br /> Abstract<br /> At present photoconductive antennas are the most common device for THz generation and detection in a<br /> THz pulsed system. However, one of the major problems of the photoconductive antennas is that the<br /> antenna efficiency is low. In this paper, we study the input parameters that influence the optical-to-THz<br /> power conversion efficiency of the antenna. The calculations are based on the equivalent circuit of<br /> photoconductive antenna when it is employed as an emitter. The simulated results agree well with<br /> published experimental results. Therefore, the study results that we presented in this paper will provide<br /> the useful guidelines in optimizing the laser source, photoconductive material, as well as the antenna<br /> geometry for improving the radiation performance of THz photoconductive antenna.<br /> Keywords: photoconductive antenna, THz radiation, optical-to-THz conversion, femtosecond laser...<br /> <br /> <br /> <br /> 30<br />  1. Giới thiệu Arsenide viết tắt là LT_GaAs). Ngoài ra,<br /> Sóng Terahertz (THz) nằm trong hệ thống thu phát THz sử dụng ăng-ten<br /> khoảng giữa vùng sóng vi ba và vùng sóng quang dẫn có tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu<br /> hồng ngoại, với nhiều tên gọi các nhau như (signal noise ratio - SNR) tốt và băng<br /> tia T, sóng T, ánh sáng T…. Băng tần THz thông tín hiệu bức xạ THz tương đối rộng<br /> nằm trong khoảng từ 100GHz cho đến (xấp xỉ 4THz)[6].<br /> 10THz [14]. So với các vùng phổ điện từ Tuy nhiên, một vấn đề lớn đối với ăng-<br /> phát triển lân cận, trước đây vùng phổ điện ten quang dẫn là hiệu suất của ăng-ten còn<br /> từ này ít được khảo sát đến do thiếu các khá thấp. Theo [13] đã chứng minh hiệu<br /> nguồn thu phát hiệu quả, nhỏ gọn, rẻ tiền suất của một ăng-ten quang dẫn có thể<br /> và vì thế được các nhà khoa học gọi đó là được xem là tổ hợp của ba hiệu suất thành<br /> "khe Terahertz". Mặc dù vậy, sóng THz lại phần. Đầu tiên là hiệu suất liên quan đến<br /> có những đặc tính hấp dẫn là bức xạ không việc phát dòng quang THz trong vật liệu<br /> ion hóa (không gây hại đối với cơ thể quang dẫn từ năng lượng quang tức là hiệu<br /> người), có độ phân giải tốt hơn so với sóng suất chuyển đổi quang sang điện (hay còn<br /> vi ba và có độ xuyên sâu cao hơn so với gọi là hiệu suất chuyển đổi năng lượng<br /> sóng hồng ngoại [7]. Với những đặc điểm quang sang năng lượng THz, từ đây gọi tắt<br /> này, sóng THz có lợi thế rất lớn đối với các là hiệu suất phát THz), có thể được định<br /> ứng dụng về an ninh, kiểm tra sản phẩm nghĩa là tỉ số giữa công suất phát THz và<br /> đóng gói, đặc biệt là các ứng dụng trong xử công suất xung quang kích thích. Hiệu suất<br /> lý ảnh và y khoa. thứ hai là hiệu suất phối hợp trở kháng của<br /> Ăng-ten quang dẫn là một trong các ăng-ten, liên quan đến việc phối hợp công<br /> nguồn phát, thu sóng THz thông dụng nhất suất THz từ vùng kích thích đến các điện<br /> hiện nay. Khi nguồn laser quang cực nhanh cực của ăng-ten. Cuối cùng là hiệu suất<br /> (độ rộng xung cỡ 100 femto giây, bước bức xạ THz ra không gian. Từ đây dễ dàng<br /> sóng khoảng 800nm) chiếu vào vùng kích thấy rằng việc cải thiện hiệu suất của ăng-<br /> thích của ăng-ten quang dẫn, với sự hỗ trợ ten quang dẫn cũng chính là cải thiện các<br /> của lớp vật liệu bán dẫn tạo ra cặp electron hiệu suất thành phần này. Đối với hiệu suất<br /> - lỗ trống (gọi chung là hạt mang quang, bức xạ THz ra không gian của ăng-ten<br /> photocarrier). Áp một điện thế bên ngoài quang dẫn, thời gian gần đây đã được<br /> vào hai điện cực của ăng-ten, các hạt mang nghiên cứu tăng cường đáng kể có thể lên<br /> quang này sẽ được gia tốc về hai phía điện đến 80% bằng cách sử dụng một đế thấu<br /> cực và do mật độ hạt mang quang phát ra kính hội tụ [13], [12],[2], [9]. Khác với các<br /> thay đổi theo thời gian tạo thành dòng loại ăng-ten RF/MW (Radio Frequency/<br /> quang điện (photocurrent) có hướng và Microwave) thông thường, hiệu suất phối<br /> biến thiên theo hàm thời gian, làm bức xạ hợp trở kháng của ăng-ten quang dẫn thấp<br /> xung THz vào không gian tự do. Ăng-ten và khó có thể đưa ra giải pháp tối ưu vì trở<br /> quang dẫn trở thành nguồn thu phát THz kháng này không phải là hằng số mà phụ<br /> phổ biến như hiện nay là nhờ sự phát triển thuộc rất nhiều vào năng lượng quang kích<br /> của công nghệ laser xung cực nhanh [10] thích, tính chất vật liệu và cấu trúc của<br /> và công nghệ bán dẫn, đặc biệt là kỹ thuật ăng-ten. Tuy nhiên, trong ba loại hiệu suất<br /> cấy ghép Galium Arsenide (GaAs) ở nhiệt kể trên thì hiệu suất chuyển đổi quang sang<br /> độ thấp [15] (Low Temperature Galium điện là thấp nhất, khó có thể tính toán<br /> <br /> 31<br /> chính xác nhất [3] và cũng phụ thuộc vào [16]. Dựa trên kết quả này, chúng tôi đưa<br /> các yếu tố tương tự như trở kháng của ăng- ra một mô hình lý thuyết phân tích các<br /> ten vì vậy việc nghiên cứu nâng cao hiệu thông số có ảnh hưởng và cải thiện được<br /> suất này sẽ góp phần cải thiện đáng kể hiệu hiệu suất phát THz của ăng-ten quang dẫn.<br /> suất chung của ăng-ten quang dẫn. Kết quả này được sử dụng cho việc thiết kế<br /> Trong bài báo này, chúng tôi khảo sát ăng-ten quang dẫn và điều chỉnh hệ thống<br /> các thông số đầu vào ảnh hưởng đến hiệu nhằm đạt được hiệu suất tối ưu.<br /> suất chuyển đổi năng lượng quang sang 2. Cơ sở lý thuyết<br /> năng lượng THz của ăng-ten quang dẫn. Hình 1 mô tả cấu trúc hình học của<br /> Các thông số của xung laser quang kích ăng-ten quang dẫn lưỡng cực sử dụng trong<br /> thích được khảo sát bao gồm: độ rộng xung mô phỏng. Độ rộng và độ dài của vùng<br /> (τl), tốc độ lặp lại của xung laser (frep) và kích thích có ký hiệu tương ứng là: W =<br /> công suất quang trung bình (Pav). Các 10µm và L = 10µm. Độ sâu của lớp tích<br /> thông số của vật liệu quang dẫn được khảo cực LT_GaAs là TLT_GaAs = 1µm.<br /> sát là: hệ số hấp thụ quang (α), hệ số phản Hình 2 là sơ đồ mạch tương đương của<br /> xạ tại giao diện không khí - lớp tích cực ăng-ten quang dẫn sử dụng làm nguồn phát<br /> gọi tắt là hệ số phản xạ (R), độ dày lớp tích THz [8], bao gồm các thành phần:<br /> cực (TLT_GaAs), độ linh động của các hạt - Điện áp Vbias tương ứng với điện áp<br /> mang quang (µe), thời gian sống của các phân cực áp vào hai điện cực của ăng-ten.<br /> hạt mang quang (τc) và thời gian tái kết hợp - Điện dẫn nguồn biến thiên theo thời<br /> của các hạt mang quang (τr). Ngoài ra, các gian , mô tả khả năng dẫn<br /> thông số của ăng-ten như kích thước vùng điện tại vùng kích thích của ăng-ten.<br /> kích thích (chiều dài L và chiều rộng W), - Điện dung biến thiên theo thời gian<br /> điện áp phân cực ngoài áp vào hai điện cực C(t): hình thành dựa trên hiện tượng chồng<br /> (Vbias) và trở kháng của ăng-ten (Za) cũng chất của các hạt mang quang ở gần các<br /> được khảo sát. Kết quả khảo sát được tính điện cực của ăng-ten.<br /> toán và mô phỏng bằng phần mềm Matlab<br /> <br /> Chùm laser<br /> y<br /> Vbias<br /> x<br /> x<br /> TLT-GaAs LT-GaAs w<br /> SI-GaAs<br /> Vùng tích cực L<br /> của ăng-ten<br /> <br /> Vùng kích<br /> thích của Vbias<br /> Sóng THz bức xạ<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> ăng-ten<br /> z<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> (a) (b)<br /> <br /> Hình 1. Cấu trúc hình học của ăng-ten quang dẫn được khảo sát<br /> (a) nhìn mặt bên (b) nhìn từ trên xuống<br /> <br /> 32<br />  - Một nguồn điện áp biến thiên theo bằng 1,6.10-19C, n(t) là mật độ hạt mang<br /> thời gian bị điều khiển bởi điện áp hai đầu quang được sinh ra trong vùng kích thích,<br /> tụ điện β(t)Vc(t) (với β(t) là hệ số điện áp µe là độ linh động của các hạt mang quang,<br /> phụ thuộc). Vc(t) là điện áp biến thiên theo thời gian tại<br /> Chùm laser vùng kích thích của ăng-ten, S là diện tích<br /> vùng tích cực và L là độ dài vùng kích<br /> thích của ăng-ten.iện tích vùng tích cực<br /> I(t)<br /> + - (hình 1a) của ăng-ten được tính như sau:<br /> Rs(t)<br /> Vc(t) β(t)Vc(t) (6)<br /> Vbias + -<br /> <br /> - Vrad(t)<br /> Za<br /> Với W là độ rộng vùng kích thích cũng<br /> C(t)<br /> Sóng THz là độ rộng của điện cực kim loại, α là hệ số<br /> bức xạ hấp thụ quang, TLT_GaAs là độ dày lớp tích<br /> cực.<br /> Hình 2. Mạch tương đương ăng-ten quang<br /> Mật độ các hạt mang quang được sinh<br /> dẫn có vai trò là bộ phát bức xạ THz<br /> ra trong vùng kích thích của ăng-ten,<br /> - Trở kháng của ăng-ten Za tương ứng<br /> n(t),trong phương trình (5) được tính theo<br /> với thành phần điện trở độc lập với tần số,<br /> công thức:<br /> do đó có thể gọi là điện trở bức xạ.<br /> Hiệu suất phát THz, ηt, được định nghĩa:<br /> (1)<br /> Trong đó, Popt_peak là công suất quang (7)<br /> cực đại và PTHz_peak là công suất phát THz<br /> Với:<br /> cực đại.<br /> Công suất quang cực đại có được từ: Trong đó, Il là cường độ cực đại của<br /> xung laser, R là hệ số phản xạ, h là hằng số<br /> (2)<br /> Planck, fl tần số xung laser, τc là thời gian<br /> Với Pav là công suất quang trung bình, sống của các hạt mang quang.<br /> τl là độ rộng xung laser và frep là tốc độ lặp Cường độ cực đại của xung laser là:<br /> lại của xung laser. (8)<br /> Công suất phát THz cực đại được tính<br /> theo công thức: Trong đó, Slaser là diện tích chùm laser<br /> tiếp xúc với vùng kích thích của ăng-ten,<br /> (3)<br /> Điện áp tại vùng kích thích phụ<br /> Với PTHz(t) là công suất phát THz suy<br /> thuộc thời gian Vc(t) sẽ là:<br /> ra từ việc phân tích mạch tương đương ở<br /> hình 1:<br /> (4) 9)<br /> Trong đó, Vrad là điện áp hai đầu điện Với: (10)<br /> trở bức xạ Za. Vrad được cho bởi:<br /> (5) (11)<br /> Trong đó, e là điện tích nguyên tố Trong đó, τr là thời gian tái kết hợp<br /> <br /> 33<br /> của các hạt mang quang, ς là hệ số sàng lọc Tác động của từng thông số đến hiệu<br /> (screening factor) và ε là hằng số điện môi. suất phát THz của ăng-ten được mô phỏng<br /> Điện dẫn nguồn Gs(t) trong phương trình bằng cách thay đổi các giá trị khảo sát,<br /> (9) được tính là: cũng được liệt kê trong bảng 1, trong khi<br /> các thông số khác được giữ nguyên giá trị<br /> ban đầu.<br /> 4. Các thông số của xung laser<br /> quang kích thích<br /> 4.1. Độ rộng xung laser (τl)<br /> (12)<br /> Như thể hiện trong hình 3, ở mức công<br /> 3. Kết quả khảo sát và thảo luận suất quang thấp, càng tăng công suất quang<br /> Để thực hiện mô phỏng, giá trị ban đầu hiệu suất phát THz càng tăng cho đến khi<br /> của các thông số khảo sát được lựa chọn đạt giá trị bão hòa tại mức công suất quang<br /> dựa trên bộ thông số tham khảo của [8] thể là 86,85 mW. Ngược lại, vượt qua giá trị<br /> hiện trong bảng 1. Các kết quả mô phỏng bão hòa hiệu suất này lại giảm dần khi tăng<br /> của chúng tôi hoàn toàn tương đồng với kết công suất quang.<br /> quả thu được từ [8].<br /> <br /> Bảng 1: Bảng giá trị các thông số của xung laser, vật liệu quang dẫn và ăng-ten quang dẫn<br /> <br /> Giá trị ban đầu<br /> Các thông số đầu vào Ký hiệu (bộ thông số Các giá trị khảo sát<br /> tham khảo)<br /> f<br /> Tần số laser l 375 THz<br /> Bước sóng laser λlaser 800 nm<br /> Hệ số sàng lọc ς 900<br /> Độ rộng xung laser (hình 3) tlaser (τl) 100 fs 30; 50; 150; 200 (fs)<br /> Tốc độ lặp lại xung laser frep 80 MHz<br /> (hình 4)<br /> Hệ số hấp thụ quang (hình 5) α 8.000 cm-1 2.000; 6.000; 10.000;<br /> 12.000 (cm-1)<br /> Hệ số phản xạ (hình 6) R 0,1 0,17; 0,36; 0,73; 0,82<br /> Độ sâu của vùng kích thích TLT-GaAs 1 µm 0.5; 2; 5; 7 (µm)<br /> ăng-ten (hình 7)<br /> Độ linh động của hạt mang µe 200 100; 800; 1.000;2.000<br /> quang (hình 8) cm .V-1.s-1<br /> 2<br /> (cm2.V-1.s-1)<br /> Thời gian sống hạt mang tcarier (τc) 1 ps 0.2; 0.5; 1.5; 2 (ps)<br /> quang (hình 9)<br /> <br /> <br /> 34<br />  Giá trị ban đầu<br /> Các thông số đầu vào Ký hiệu (bộ thông số Các giá trị khảo sát<br /> tham khảo)<br /> Thời gian tái kết hợp của hạt tre (τr) 100 ps 50; 150; 200; 250 (ps)<br /> mang quang (hình 10)<br /> Chiều dài vùng kích thích của L 10 µm 3; 5; 15; 20 (µm)<br /> ăng-ten (hình 10)<br /> Chiều rộng vùng kích thích W 10 µm 3; 5; 15; 20 (µm)<br /> của ăng-ten (hình 11)<br /> Điện áp phân cực (hình 12) Vbias 30 V 10; 20; 50; 90 (V)<br /> Trở kháng ăng-ten (hình 13) Za 65 Ω 5; 200; 800; 1.200 (Ω)<br /> <br /> Tăng độ rộng xung laser hiệu suất phát công suất ăng-ten cũng tăng, nhưng lúc này<br /> THz cũng tăng nhẹ. dòng quang điện sinh ra trong vùng kích<br /> 10<br /> 0 thích của ăng-ten sẽ tồn tại lâu hơn dẫn đến<br /> -1<br /> thời gian sống của các hạt mang quang dài<br /> 10<br /> hơn. Hậu quả dẫn đến việc cản trở các hạt<br /> -2<br /> 10 mang quang kết hợp lại để tạo ra nguồn<br /> -3<br /> 10 electron-lỗ trống mới, đây là điều không<br /> t (mW)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> -4<br /> 10 mong muốn. Tóm lại, do việc cần thiết sử<br /> tl=30fs<br /> -5<br /> dụng xung laser cực ngắn để có một dòng<br /> 10 tl=50fs<br /> quang tức thời mạnh mà thông số này cần<br /> -6 tl=100fs<br /> 10 được lựa chọn cân nhắc để hiệu suất ăng-<br /> tl=150fs<br /> -7<br /> 10 tl=200fs ten tốt nhất. Trong trường hợp khảo sát, giá<br /> -8<br /> 10 trị τl = 200fs cho hiệu suất ăng-ten là<br /> -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4<br /> 10 10 10 10 10 10 10 10 10<br /> 0,0492%, tăng xấp xỉ 1,3 lần, có thể xem là<br /> Pav (W)<br /> giá trị hiệu suất tối ưu vì khi tăng τl = 200fs<br /> Hình 3. Khảo sát thông số τl ảnh hưởng lên hiệu suất ăng-ten cũng chỉ tăng 1,2 lần.<br /> hiệu suất phát của ăng-ten quang dẫn 4.2. Tốc độ lặp lại của xung laser<br /> Khi tăng độ rộng xung laser từ 50fs (frep)<br /> đến 100fs, hiệu suất cực đại cũng tăng từ Hình 4 mô tả ảnh hưởng của tốc độ lặp<br /> 0,141% đến 0,0269% (tăng khoảng 1,9 lại của xung laser đến hiệu suất phát THz<br /> lần). Tiếp tục tăng đến các giá trị τl = của ăng-ten quang dẫn. Ở vùng công suất<br /> 150fs, τl = 200fs và τl = 250fs hiệu suất lần quang thấp, hiệu suất phát cũng tăng khi<br /> lượt đạt 0,0384% (tăng hơn 1,4 lần), công suất quang tăng cho đến khi đạt giá trị<br /> 0,0492% (tăng xấp xỉ 1,3 lần) và 0,0595% bão hòa là 0,0269% như nhau cho tất cả<br /> (tăng khoảng 1,2 lần). Độ tăng hiệu suất các giá trị của frep. Nói cách khác, giá trị<br /> này giảm dần khi τl tăng. hiệu suất cực đại không phụ thuộc tốc độ<br /> Mặc dù, khi tăng độ rộng xung laser, lặp lại của xung laser. Các giá trị hiệu suất<br /> <br /> <br /> 35<br /> cực đại xuất hiện tại các mức công suất và cho kết quả giá trị hiệu suất cực đại cao<br /> công suất quang khác nhau ứng với các giá hơn. Tuy nhiên, khi hệ số α lên đến một giá<br /> trị frep khác nhau. Đối với công suất quang trị nhất định hiệu suất ăng-ten sẽ đạt giá trị<br /> thấp hệ thống có tốc độ lặp lại của xung bão hòa, ta thấy rõ α = 12.000cm-1 và α =<br /> laser nhỏ hơn sẽ đạt hiệu suất tốt hơn, đối 16.000cm-1 cùng đạt hiệu suất ηt =<br /> với công suất quang lớn hệ thống có tốc độ 0,0391%.<br /> lặp lại của xung laser lớn hơn sẽ cho hiệu 10<br /> 0<br /> <br /> <br /> suất cao hơn. -1<br /> 10<br /> Tóm lại, tốc độ lặp lại của xung laser<br /> -2<br /> không ảnh hưởng đến hiệu suất cực đại của 10<br /> ăng-ten, thông số này chỉ có ý nghĩa đối -3<br /> 10<br /> với một hệ thống cố định có công suất<br /> <br /> <br /> <br /> t (mW)<br /> -4<br /> 10<br /> quang cho trước có thể chọn giá trị frep phù = 2.000cm<br /> -1<br /> -5<br /> hợp để hệ thống đạt hiệu suất tốt nhất. 10 = 4.000cm<br /> -1<br /> <br /> <br /> 5. Các thông số của vật liệu quang dẫn<br /> -1<br /> -6<br /> 10 = 6.000cm<br /> -1<br /> 5.1. Hệ số hấp thụ quang (α) -7<br /> = 8.000cm<br /> 10 -1<br /> 0 =10.000cm<br /> 10<br /> -8<br /> 10 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4<br /> -1<br /> 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10<br /> -2<br /> Pav (W)<br /> 10<br /> -3<br /> Hình 5. Khảo sát thông số α ảnh hưởng<br /> 10<br /> lên hiệu suất phát THz của ăng-ten<br /> t (mW)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> -4<br /> 10 frep=40MHz quang dẫn<br /> 0<br /> -5<br /> 10 frep=60MHz 10<br /> frep=80MHz -1<br /> -6<br /> 10 10<br /> frep=100MHz<br /> -2<br /> -7<br /> 10 frep=120MHz 10<br /> -3<br /> -8<br /> 10 10<br /> -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4<br /> 10 10 10 10 10 10 10 10 10<br /> t (mW)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> -4<br /> 10<br /> Pav(W)<br /> 10<br /> -5 R=0,1<br /> Hình 4. Khảo sát thông số frep ảnh hưởng R=0,17<br /> -6<br /> lên hiệu suất phát THz ăng-ten quang dẫn 10 R=0,36<br /> Kết quả mô phỏng trong hình 5 cho -7<br /> R=0,733<br /> 10 R=0,819<br /> thấy khi công suất quang thấp, càng tăng -8<br /> 10<br /> công suất quang hiệu suất phát càng tăng 10<br /> -4<br /> 10<br /> -3 -2<br /> 10<br /> -1<br /> 10<br /> 0<br /> 10<br /> 1<br /> 10<br /> 2<br /> 10<br /> 3<br /> 10<br /> 4<br /> 10<br /> cho đến khi đạt giá trị bão hòa. Vượt qua Pav (W)<br /> giá trị này, công suất quang tăng thì hiệu<br /> Hình 6. Khảo sát thông số R ảnh hưởng<br /> suất ăng-ten sẽ giảm và đường biểu diễn độ<br /> lên hiệu suất phát THz của ăng-ten<br /> suy hao này gần như độc lập với α, tức là<br /> quang dẫn<br /> như nhau với tất cả giá trị của α. Các ăng-<br /> ten có hệ số α lớn hơn sẽ đạt hiệu suất cực Từ đây có thể rút ra kết luận hệ số hấp<br /> đại ứng với mức công suất quang thấp hơn thụ quang có ý nghĩa rất lớn trong việc góp<br /> <br /> 36<br /> phần nâng cao hiệu suất của ăng-ten quang ăng-ten nano bằng vật liệu kim loại<br /> dẫn. Hệ số α lớn sẽ cho hiệu suất ăng-ten plasmon trong khoảng cách vùng kích<br /> cao và đối với một hệ thống cho trước hoàn thích của ăng-ten [4] ....<br /> toàn có thể tìm được hệ số α để đạt hiệu 10<br /> 0<br /> <br /> suất tối ưu. Điều này có thể hiểu là do hệ<br /> -1<br /> số α cao có nghĩa là hầu hết năng lượng 10<br /> laser được hấp thụ trong lớp tích cực của -2<br /> 10<br /> vật liệu đế, do đó sẽ có nhiều hạt mang<br /> -3<br /> quang được tạo ra hơn kết quả là cường độ 10<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> t (mW)<br /> dòng quang điện sinh ra trong vùng kích -4<br /> 10<br /> TLT_GaAs = 0.1m<br /> thích của ăng-ten sẽ lớn dẫn đến bức xạ<br /> -5<br /> 10 TLT_GaAs = 0.5m<br /> THz mạnh hơn. Tuy nhiên, khi mật độ các<br /> hạt mang quang được phát ra trong vùng -6<br /> TLT_GaAs = 1m<br /> 10<br /> kích thích quá lớn sẽ xuất hiện hiệu ứng TLT_GaAs = 3m<br /> -7<br /> sàng lọc (screening effect) ảnh hưởng đáng 10 TLT_GaAs = 5m<br /> kể đến hiệu suất phát. -8<br /> 10 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4<br /> Ngoài ra, α là một hệ số vật liệu quang 10 10 10 10 10 10 10 10 10<br /> dẫn phụ thuộc rất nhiều vào bước sóng Pav (W)<br /> quang của xung laser. Đối với trường hợp<br /> Hình 7. Khảo sát thông số TLT_GaAs ảnh<br /> thông thường bước sóng laser là khoảng<br /> hưởng lên hiệu suất phát THz của ăng-<br /> 800nm và vật liệu quang dẫn là GaAs, hệ<br /> ten quang dẫn<br /> số α nằm trong khoảng giữa 1.000cm-1 đến<br /> 10.000cm-1 [11]. Vì vậy, hiệu suất cực đại 5.3. Độ dày lớp tích cực (TLT_GaAs)<br /> của cấu trúc ăng-ten đang được khảo sát có Hình 7 cho thấy các ăng-ten có<br /> thể đạt được tương đương với hệ số α TLT_GaAs dày hơn sẽ cho hiệu suất phát THz<br /> =10.000cm-1 là 0,0311% tăng gần 1,2 lần lớn hơn so với các ăng-ten có TLT_GaAs<br /> so với hiệu suất bộ thông số tham chiếu. mỏng. Khi công suất quang tăng, hiệu suất<br /> 5.2. Hệ số phản xạ (R) phát cũng tăng cho đến khi đạt giá trị bão<br /> Ở hình 6 cho thấy thông số R ảnh hòa.<br /> hưởng đến hiệu suất của ăng-ten hoàn toàn Các ăng-ten có TLT_GaAs dày sẽ đạt giá<br /> trái ngược với thông số α. Càng giảm sự trị hiệu suất cực đại ở mức công suất quang<br /> phản xạ từ giao diện không khí - lớp tích thấp hơn các ăng-ten có TLT_GaAs mỏng hơn.<br /> cực của ăng-ten nghĩa là công suất quang Vượt qua giá trị bão hòa càng tăng công<br /> được hấp thụ tốt ở lớp đế (hệ số hấp thụ suất quang hiệu suất ăng-ten càng giảm và<br /> quang α cao) nên hiệu suất phát THz càng đường biểu diễn độ suy hao này độc lập<br /> được cải thiện. Do đó, cũng tương tự như với TLT_GaAs, tức là như nhau với tất cả giá<br /> thông số α, thông số R cũng có vai trò quan trị của TLT_GaAs. Dễ dàng thấy được TLT_GaAs<br /> trọng trong việc góp phần cải thiện hiệu = 3µm và TLT_GaAs = 5µm ăng-ten cùng đạt<br /> suất cho ăng-ten. Có nhiều phương pháp hiệu suất cực đại là khoảng 0,0494%.<br /> khác nhau nhằm giảm sự phản xạ từ vùng Tóm lại thông số độ dày lớp tích cực<br /> kích thích của ăng-ten quang dẫn như sử của ăng-ten ảnh hưởng lớn đến hiệu suất<br /> dụng lớp phủ chống phản xạ[5], sử dụng phát THz. TLT_GaAs dày sẽ đạt giá trị hiệu<br /> <br /> 37<br /> suất cực đại lớn hơn. Khi tăng độ sâu lớp quả giá trị hiệu suất cực đại cao hơn. Khi<br /> tích cực đến một giá trị nhất định, hiệu suất µe tăng, hiệu suất cực đại của ăng-ten tăng<br /> cực đại sẽ đạt giá trị bão hòa do đó hoàn đáng kể. Khi tăng µe đến giá trị nhất định<br /> toàn có thể tìm được giá trị TLT_GaAs tốt ta sẽ tìm thấy giá trị hiệu suất phát THz<br /> nhất để ăng-ten đạt hiệu suất tối ưu. Điều bão hòa nhưng giá trị này của µe thường rất<br /> này có thể hiểu được vì lớp tích cực càng cao cỡ vài nghìn cm2.V-1.s-1<br /> sâu thì càng có nhiếu cặp eletron - lỗ trống Tóm lại, độ linh động của các hạt<br /> được tạo ra. Tuy nhiên, do sự hấp thụ mang quang cũng có ý nghĩa rất lớn trong<br /> quang ở lớp tích cực không đồng nhất theo việc góp phần nâng cao hiệu suất của<br /> phương trục z (giảm dần theo hàm số mũ) ăng-ten quang dẫn. Hệ số µe lớn sẽ cho<br /> nên số lượng các hạt mang quang phát ra hiệu suất ăng-ten cao. Điều này cũng rất<br /> cũng sẽ bão hòa. Với phân tích này ăng-ten dễ hiểu bởi khi µe lớn, các hạt mang<br /> mô phỏng đạt hiệu suất tối ưu khi TLT_GaAs quang đi về phía hai điện cực của ăng-ten<br /> ~ 5 µm. nhanh hơn tạo nên cường độ dòng quang<br /> 5.4. Độ linh động của các hạt điện lớn hơn và bức xạ THz mạnh hơn.<br /> mang quang (µe) Tuy nhiên, vật liệu có độ linh động các<br /> 0<br /> 10 hạt mang quang cao sẽ cho thời gian sống<br /> -1<br /> của các hạt mang quang dài và cũng hình<br /> 10 thành nên hiệu ứng sàng lọc, đây sẽ là<br /> -2<br /> 10 điều không mong muốn. Do đó, thông số<br /> này cần được lưu ý lựa chọn thích hợp<br /> -3<br /> 10 tương ứng với từng loại vật liệu đế để đạt<br /> t (mW)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> -4<br /> 10 2 -1 -1<br /> được hiệu suất tốt nhất.<br /> e= 100cm .V .s<br /> 5.5. Thời gian sống của các hạt<br /> -5 2 -1 -1<br /> 10 e= 200cm .V .s mang quang (τc)<br /> -6 e=<br /> 2 -1 -1<br /> 800cm .V .s Hình 9 minh họa cho ảnh hưởng thời<br /> 10<br /> 2 -1 -1<br /> e= 1.400cm .V .s gian sống của các hạt mang quang đến hiệu<br /> -7<br /> 10 2 -1 -1<br /> e= 2.000cm .V .s<br /> suất của ăng-ten. Khi thời gian sống hạt<br /> -8 mang quang được kéo dài từ 0,2 ps đến 0,5<br /> 10<br /> 10<br /> -4 -3<br /> 10<br /> -2<br /> 10 10<br /> -1 0<br /> 10 10<br /> 1 2<br /> 10<br /> 3<br /> 10<br /> 4<br /> 10 ps thì hiệu suất cực đại của ăng-ten tăng từ<br /> Pav (W) 0,0193% đến 0,0244% (tăng gần 1,3 lần),<br /> tiếp tục kéo dài từ 0,5ps đến 1ps hiệu suất<br /> Hình 8. Khảo sát thông số µe ảnh hưởng tăng đến 0.0269% (tăng xấp xỉ 1,1 lần).<br /> lên hiệu suất phát THz của ăng-ten Trong khi tăng giá trị τc từ 1ps đến 1,5ps và<br /> quang dẫn tiếp tục kéo dài đến 2ps thì hiệu suất phát<br /> Hình 8 cho thấy ảnh hưởng của độ linh THz cực đại tăng không đáng kể chỉ<br /> động của các hạt mang quang đến hiệu suất khoảng 1,04 và 1,06 lần. Công suất quang<br /> phát THz của ăng-ten hoàn toàn tương tự cung cấp trong các trường hợp đạt hiệu<br /> như của thông số α. Theo đó, các ăng-ten suất đỉnh với các giá trị τc khác nhau cũng<br /> có µe lớn hơn cũng sẽ đạt hiệu suất cực đại chênh lệch không nhiều.<br /> ở mức công suất quang thấp hơn và cho kết<br /> <br /> <br /> 38<br />  0<br /> 10 được khi sử dụng vật liệu có thời gian sống<br /> -1<br /> 10 hạt mang quang kéo dài hơn thì τc = 1 ps<br /> -2<br /> được xem như là giá trị tốt nhất để ăng-ten<br /> 10<br /> đạt hiệu suất tối ưu.<br /> -3<br /> 10 5.6. Thời gian tái kết hợp của các hạt<br /> t (mW)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> -4<br /> 10 c=0,2ps mang quang (tr)<br /> -5<br /> c=0,5ps 10<br /> 0<br /> <br /> 10<br /> c=1 ps 10<br /> -1<br /> -6<br /> 10 c=1,5ps -2<br /> -7 10<br /> 10 c=2 ps<br /> -3<br /> -8 10<br /> 10<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> t (mW)<br /> -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4<br /> 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10<br /> -4<br /> re= 50ps<br /> -5<br /> Pav (W) 10 re=100ps<br /> -6 re=150ps<br /> 10<br /> re=200ps<br /> Hình 9. Khảo sát thông số τc ảnh hưởng 10<br /> -7<br /> re=250ps<br /> lên hiệu suất phát THz của ăng-ten -8<br /> quang dẫn 10 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4<br /> 10 10 10 10 10 10 10 10 10<br /> Tương tự như thông số α và µe, thông<br /> Pav (W)<br /> số τc lớn sẽ cho hiệu suất phát THz cực đại<br /> lớn hơn tương ứng với giá trị công suất<br /> quang cần cung cấp nhỏ hơn. Thời gian Hình 10. Khảo sát thông số τre ảnh<br /> sống của các hạt mang quang càng lâu dẫn hưởng lên hiệu suất phát THz của ăng-<br /> đến giá trị dòng quang cao trong khoảng ten quang dẫn<br /> 0<br /> thời gian dài vì các hạt mang quang sống 10<br /> lâu hơn trong vùng kích thích của ăng-ten. -1<br /> 10<br /> Đây lại là một trong những hạn chế chính<br /> -2<br /> của ăng-ten quang dẫn vì nó ngăn chặn 10<br /> việc tạo ra các cặp electron-lỗ trống mới -3<br /> 10<br /> làm giảm sự biến thiên của mật độ hạt<br /> t (mW)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> -4<br /> mang quang và dẫn đến hạn chế việc phát 10<br /> sinh dòng quang. Giá trị cực đại của hiệu -5<br /> 10 L = W = 3m<br /> suất phát THz lại chênh lệch rất ít khi τc -6 L = W = 5m<br /> 10<br /> thay đổi. Do đó, đây là một tác động tích L = W = 10m<br /> cực rất nhỏ so với ảnh hưởng khủng khiếp -7<br /> 10 L = W = 15m<br /> L = W = 20m<br /> của nó vào việc hạn chế phát sinh dòng -8<br /> 10<br /> quang và làm tỏa nhiệt ăng-ten [7]. Chính 10<br /> -4 -3<br /> 10<br /> -2<br /> 10<br /> -1<br /> 10<br /> 0<br /> 10<br /> 1<br /> 10<br /> 2<br /> 10 10<br /> 3<br /> 10<br /> 4<br /> <br /> <br /> vì vậy, đối với thông số này, cũng cần có<br /> Pav (W)<br /> lựa chọn thích hợp căn cứ trên độ lợi về<br /> hiệu suất của ăng-ten. Trong trường hợp Hình 11. Khảo sát thông số L ảnh hưởng<br /> mô hình ăng-ten mô phỏng, so sánh về độ lên hiệu suất phát THz của ăng-ten<br /> chênh lệch giữa các giá trị hiệu suất thu quang dẫn<br /> <br /> 39<br />  Hình 10 cho thấy khi công suất quang hiệu suất cực đại đạt được khi L= 5µm là<br /> đến giá trị 86,85 mW, hiệu suất ăng-ten hiệu suất tối ưu.<br /> cũng tăng dần đến khi đạt giá trị cực đại là 6.2. Điện áp phân cực ngoài (Vbias)<br /> 0,0269%. Vượt qua giá trị này hiệu suất 0<br /> 10<br /> giảm dần khi tiếp tục tăng công suất quang.<br /> Hiệu suất của hệ thống hoàn toàn độc lập -1<br /> 10<br /> với thông số τr. Điều này khẳng định thông -2<br /> 10<br /> số τr không ảnh hưởng đến công suất của<br /> ăng-ten. -3<br /> 10<br /> 6. Thông số của ăng-ten<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> t (mW)<br /> -4<br /> 10<br /> 6.1. Chiều dài vùng kích thích (L) Vbias = 10V<br /> Để đảm bảo cấu trúc hình học của ăng- -5<br /> 10 V<br /> bias = 20V<br /> ten cụ thể là vùng kích thích có dạng hình -6 Vbias = 30V<br /> 10<br /> vuông, khi thay đổi giá trị chiều dài L Vbias = 50V<br /> chúng tôi thay đổi đồng thời chiều rộng W -7<br /> 10<br /> Vbias = 90V<br /> của ăng-ten sao cho L=W. Như mô tả -8<br /> 10<br /> trong hình 11, khi thu hẹp chiều dài L từ 10<br /> -4 -3<br /> 10<br /> -2<br /> 10 10<br /> -1<br /> 10<br /> 0 1<br /> 10<br /> 2<br /> 10<br /> 3<br /> 10<br /> 4<br /> 10<br /> 15µm xuống 10µm giá trị hiệu suất phát Pav (W)<br /> THz tăng từ 0,0076% đến 0,0269% (tăng<br /> 3,5 lần). Tiếp tục thu hẹp L từ 10µm chỉ Hình 12. Khảo sát thông số Vbias ảnh<br /> còn 5µm lúc này hiệu suất ăng-ten lên đến hưởng lên hiệu suất phát THz của ăng-<br /> 0,219% (tức tăng gần 29 lần). Khi giảm L ten quang dẫn<br /> xuống chỉ còn 3 µm hiệu suất cực đại đạt Hình 12 biểu diễn ảnh hưởng của<br /> được là 1,014% (tăng gần 38 lần so với thông số điện áp phân cực ngoài đến hiệu<br /> trường hợp L= 5µm). suất phát THz của ăng-ten. Công suất<br /> Thông số chiều dài vùng kích thích quang tăng thì hiệu suất phát THz cũng<br /> của ăng-ten có ý nghĩa rất lớn trong việc tăng và đạt giá trị cực đại tương ứng với<br /> góp phần nâng cao hiệu suất của ăng-ten giá trị công suất quang xấp xỉ 86,85mW<br /> quang dẫn. Khi L càng nhỏ, hiệu suất cực đối với tất cả các giá trị điện áp phân cực<br /> đại của ăng-ten càng cao và đạt được tại cho ăng-ten. Vượt qua 86,85mW càng tăng<br /> mức công suất quang thấp hơn. Lý do là công suất quang, hiệu suất của ăng-ten<br /> với cùng giá trị công suất quang cung cấp, càng giảm. Mặt khác, khi điện áp phân cực<br /> diện tích vùng kích thích của ăng-ten càng cho ăng-ten tăng hiệu suất phát xạ THz<br /> nhỏ, năng lượng quang sẽ tập trung cao cũng tăng. Dễ dàng thấy rõ khi tăng điện<br /> hơn và cho kết quả các hạt mang quang áp phân cực từ 10V lên 20V, hiệu suất ăng-<br /> được tạo ra tăng, dòng quang sinh ra lớn ten cũng tăng từ 0,0026% lên 0,112% (tăng<br /> hơn và cho hiệu suất phát THz cao. Vượt xấp xỉ 4,5 lần). Tiếp tục tăng Vbias lên 30V<br /> qua giá trị cực đại, càng tăng công suất hiệu suất cũng tăng lên 0,0269 (tăng gần<br /> quang hiệu suất ăng-ten càng giảm và sự 2,3 lần). Tuy nhiên, độ tăng này giảm dần<br /> phân rã này hoàn toàn độc lập với L. Ngoài và tăng không đáng kể đối với các giá trị<br /> ra, thông số L lại phụ thuộc công nghệ chế Vbias lớn hơn 90V.<br /> tạo nên khó có thể đạt được kích thước L Xung laser femto giây chiếu vào vùng<br /> quá nhỏ. Trong trường hợp này, có thể xem kích thích của ăng-ten quang dẫn làm xuất<br /> <br /> <br />