Kotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics of RAS Русский Sign in Submit a paper
Journal of Radio Electronics Online scientific journal · eISSN 1684-1719
2016, № 1 · RADIO ENGINEERING

ТГц спектрометр высокого разрешения на основе наноструктурированных полупроводниковых и сверхпроводниковых устройств

V.L. Vaks1,2, V.A. Anfertev1,2, G.N. Goltsman3, I.V. Pentin3, I.V. Tretiakov2,3

1 Нижегородский государственный университет им. Н.И.Лобачевского, Russia
2 Институт физики микроструктур РАН, Russia
3 Московский педагогический государственный университет (МПГУ), Russia
Full text UDC 535.343.4, 543.421/.422 EDN VOWRCX

Abstract

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.

  • terahertz frequency range
  • high precise spectrometer
  • semiconductor superlattice
  • radiation source
  • mixer
Аннотация (на русском)

ТГц спектрометр высокого разрешения на основе наноструктурированных полупроводниковых и сверхпроводниковых устройств

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.

For citation

Vaks V.L., Anfertev V.A., Goltsman G.N., Pentin I.V., Tretiakov I.V. ТГц спектрометр высокого разрешения на основе наноструктурированных полупроводниковых и сверхпроводниковых устройств // Journal of Radio Electronics. – 2016. – No. 1.

References

  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