ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН English Войти Подать статью
Журнал радиоэлектроники Электронный научный журнал · eISSN 1684-1719
2016, № 1 · РАДИОТЕХНИКА

ТГц спектрометр высокого разрешения на основе наноструктурированных полупроводниковых и сверхпроводниковых устройств

В.Л. Вакс1,2, В.А. Анфертьев1,2, Г.Н. Гольцман3, И.В. Пентин3, И.В. Третьяков2,3

1 Нижегородский государственный университет им. Н.И.Лобачевского, Россия
2 Институт физики микроструктур РАН, Россия
3 Московский педагогический государственный университет (МПГУ), Россия
Полный текст УДК 535.343.4, 543.421/.422 EDN VOWRCX

Аннотация

В работе рассмотрена возможность создания спектрометра высокого разрешения терагерцового (ТГц) диапазона, предназначенного для решения широкого круга задач. В предлагаемом варианте спектрометра в качестве источника излучения использованы синтезатор на базе генератора Ганна и умножитель частоты на основе полупроводниковой сверхрешетки (СР), а также NbN HEB-смеситель (Hot Electron Bolometer) в режиме прямого детектирования в качестве приемника ТГц излучения. Представлены экспериментально полученные результаты работы спектрометра: зарегистрированы линии поглощения Н2О (1.92 ТГц, 17я гармоника синтезатора) и НDО (1.49 ТГц 13я гармоника синтезатора). В работе проанализированы полученные результаты и рассмотрены перспективы улучшения параметров спектрометра и дальнейших спектроскопических исследований.

  • ерагерцовый диапазон частот
  • спектрометр высокого разрешения
  • полупроводниковая сверхрешетка
  • источник излучения
  • смеситель
Abstract (in English)

The possibility of developing the high resolution terahertz (THz) spectrometer which is intended for solving of wide range of problems was considered. Gas spectrometer with using of the synthesizer based on Gunn generator and frequency multiplier with semiconductor superlattice (SL) as a radiation source and NbN hot electron bolometer (HEB) mixer in the mode of radiation detector as a receiver system was proposed. Experimental results of spectrometer operation were presented: the H2O (1.92 THz, 17th harmonic) and HDO (1.49 THz, 13th harmonic) absorption lines were registered. The results performed were analyzed and further possibilities of improving the spectrometer characteristics as well as spectroscopy investigations were considered.

Для цитирования

Вакс В.Л., Анфертьев В.А., Гольцман Г.Н., Пентин И.В., Третьяков И.В. ТГц спектрометр высокого разрешения на основе наноструктурированных полупроводниковых и сверхпроводниковых устройств // Журнал радиоэлектроники. – 2016. – № 1.

Литература

  1. Vaks V. High-Precise Spectrometry of the Terahertz Frequency Range: The Methods, Approaches and Applications // J. of IR, MM and THz Waves, vol.33 (1), p. 43-53, 2012.
  2. Chamberlain J.M., Miles R.E., Collins C.E. and Steenson D.P. New Directions in Terahertz Technology / ed. J.M.Chamberlain and R.E.Miles (NATO ASI Series, Kluwer), 1997.
  3. Williams B. Terahertz quantum-cascade lasers // Nature photonics. vol.1, P.517-525, 2007
  4. F. Lewen, R. Gendriesh, I. Pak, et al. Phase locked backward wave oscillator pulsed beam spectrometer in the submillimeter wave range // Rev. Sci. Instrum., vol. 69, p.32, 1998.
  5. F. Maiwald, F. Lewen, V. Ahrens, et al. Pure Rotational Spectrum of HCN in the Terahertz Region: Use of a New Planar Schottky Diode Multiplier // J. Mol. Spectrosc., vol. 202 (1), p. 166, 2000.
  6. C.-I. Lin, A. Vogt, M. Rodriguez-Gironéz, et al. Annual Report // Technische Universitaet Darmstadt, 1998, p. 33.
  7. Д.Г. Павельев, Н.В. Демарина, Ю.И. Кошуринов и др. Характеристики планарных диодов терагерцового диапазона частот на основе сильно легированных GaAs/AlAs - сверхрешеток // ФТП, т. 38, вып. 9, с. 1141-1146, 2004.
  8. E. Schomburg, K. Hofbeck, R. Scheuerer, et al. Control of the dipole domain propagation in a GaAs/AlAs superlattice with a high-frequency field // Phys. Rev. B, vol. 65 (15), 155320, 2002.
  9. L. Esaki, R. Tsu. Superlattice and Negative Differential Conductivity in Semiconductors // IBM J. Res. and Dev., vol. 14, p. 61, 1970.
  10. Романов Ю.А., Романова Ю.Ю. Блоховские колебания в сверхрешетках. Проблема терагерцового генератора // ФТП, т. 39. вып. 1. с. 162-170, 2005.
  11. Павельев Д.Г., Кошуринов Ю.И., Иванов А.С. и др. Экспериментальное исследование умножителей частоты на полупроводниковых сверхрешетках в терагерцовом диапазоне частот // ФТП, т. 46, вып. 1, с. 125-129, 2012.
  12. Пентин И.В., Смирнов А.В., Рябчун С.А. и др. Полупроводниковая сверхрешетка - твердотельный терагерцовый гетеродинный источник для электронно-разогревного NbN-смесителя // ЖТФ, т. 82, вып. 7, с. 75-78, 2012.
  13. Вакс В.Л., Панин А.Н., Басов С.А. и др. Нестационарная спектроскопия диапазона частот 1-2,5 ТГц на твердотельных устройствах // Изв. Вузов. Радиофизика, т. 52, №7, с. 569-575, 2009.
  14. Tretyakov I., Ryabchun S., Finkel M. et. al. Low noise and wide bandwidth of NbN hot-electron bolometer mixers // Appl. Phys. Lett., vol. 98, p. 033507, 2011.
  15. JPL Catalog. // [Электронный ресурс]. URL: http://spec.jpl.nasa.gov/ftp/pub/catalog/catform.html
  16. Vaks V. High-Precise Spectrometry of the Terahertz Frequency Range: The Methods, Approaches and Applications // J. of IR, MM and THz Waves, vol.33 (1), p. 43-53, 2012.
  17. Chamberlain J.M., Miles R.E., Collins C.E. and Steenson D.P. New Directions in Terahertz Technology / ed. J.M.Chamberlain and R.E.Miles (NATO ASI Series, Kluwer), 1997.
  18. Williams B. Terahertz quantum-cascade lasers // Nature photonics. vol.1, P.517-525, 2007
  19. F. Lewen, R. Gendriesh, I. Pak, et al. Phase locked backward wave oscillator pulsed beam spectrometer in the submillimeter wave range // Rev. Sci. Instrum., vol. 69, p.32, 1998.
  20. F. Maiwald, F. Lewen, V. Ahrens, et al. Pure Rotational Spectrum of HCN in the Terahertz Region: Use of a New Planar Schottky Diode Multiplier // J. Mol. Spectrosc., vol. 202 (1), p. 166, 2000.
  21. C.-I. Lin, A. Vogt, M. Rodriguez-Gironéz, et al. Annual Report // Technische Universitaet Darmstadt, 1998, p. 33.
  22. Д.Г. Павельев, Н.В. Демарина, Ю.И. Кошуринов и др. Характеристики планарных диодов терагерцового диапазона частот на основе сильно легированных GaAs/AlAs - сверхрешеток // ФТП, т. 38, вып. 9, с. 1141-1146, 2004.
  23. E. Schomburg, K. Hofbeck, R. Scheuerer, et al. Control of the dipole domain propagation in a GaAs/AlAs superlattice with a high-frequency field // Phys. Rev. B, vol. 65 (15), 155320, 2002.
  24. L. Esaki, R. Tsu. Superlattice and Negative Differential Conductivity in Semiconductors // IBM J. Res. and Dev., vol. 14, p. 61, 1970.
  25. Романов Ю.А., Романова Ю.Ю. Блоховские колебания в сверхрешетках. Проблема терагерцового генератора // ФТП, т. 39. вып. 1. с. 162-170, 2005.
  26. Павельев Д.Г., Кошуринов Ю.И., Иванов А.С. и др. Экспериментальное исследование умножителей частоты на полупроводниковых сверхрешетках в терагерцовом диапазоне частот // ФТП, т. 46, вып. 1, с. 125-129, 2012.
  27. Пентин И.В., Смирнов А.В., Рябчун С.А. и др. Полупроводниковая сверхрешетка - твердотельный терагерцовый гетеродинный источник для электронно-разогревного NbN-смесителя // ЖТФ, т. 82, вып. 7, с. 75-78, 2012.
  28. Вакс В.Л., Панин А.Н., Басов С.А. и др. Нестационарная спектроскопия диапазона частот 1-2,5 ТГц на твердотельных устройствах // Изв. Вузов. Радиофизика, т. 52, №7, с. 569-575, 2009.
  29. Tretyakov I., Ryabchun S., Finkel M. et. al. Low noise and wide bandwidth of NbN hot-electron bolometer mixers // Appl. Phys. Lett., vol. 98, p. 033507, 2011.
  30. JPL Catalog. // [Электронный ресурс]. URL: http://spec.jpl.nasa.gov/ftp/pub/catalog/catform.html