Наносекундный волноводный полупроводниковый переключатель терагерцового излучения, управляемый оптическим импульсом Российский патент 2025 года по МПК G02F1/01 

Устройство относится к СВЧ-технике, к переключателям излучения, модуляторам, резонаторам и частотным фильтрам. Переключатель предназначен для модуляции терагерцового излучения заданной частоты по времени, посредством управления оптическими импульсами от внешнего источника. Может использоваться в терагерцовых ускорителях, генераторах, радарах, спектроскопии молекул органических веществ на основе эффекта динамической поляризации ядер при ядерном магнитном резонансе (ДПЯ-ЯМР).

В настоящее время известно значительное количество переключателей излучения с различными способами переключения.

Так, например, существующие механические переключатели СВЧ-излучения (затворы, заслонки), имеют быстродействие порядка сотен миллисекунд. Существующие сверхразмерные СВЧ-переключатели на основе арсенида галия уступают по коэффициенту прохождения мощности в открытом состоянии и по пиковой плотности мощности, хотя по безопасности, стоимости, простоте и надёжности конструкции являются, несомненно, привлекательными. Существующие малоразмерные СВЧ-переключатели способны переключать лишь фазу излучения, тогда как существует необходимость переключать амплитуду и мощность. Существующие СВЧ-диоды и транзисторы, способные достичь тех же частот и близкого к наносекундам быстродействия, уступают в мощности (так как p-n переходы имеют малые размеры) и частоте. [1].

Существующие методы пассивной модуляции источников СВЧ-излучения (гиротронов и ЛОВ) [2] на основе контура положительной обратной связи, отражений, имеют недостаточную для решения многих задач ширину спектра т.е. когерентности фаз, волновых пакетов выходного излучения.

Переключатели СВЧ на основе плазмы - газового разряда в трубках - являются заведомо более мощными, чем предлагаемый полупроводниковый переключатель терагерцового излучения. На сегодняшний день известны плазменные устройства, коммутирующие мощность в несколько десятков мегаватт [3]. Характерная частота коммутируемого излучения составляет порядка 10 ГГц. Однако, быстродействие плазменных переключателей, помимо собственного времени рекомбинации плазмы (обычно порядка микросекунд), ограничено способностями высоковольтных установок к формированию коротких импульсов. Таким образом, недостатком плазменных СВЧ-переключателей является недостаточное быстродействие и плотность мощности коммутируемого излучения.

Близким по конструкции к предлагаемому в изобретении устройству является известный из патента [4] терагерцовый полосно-запирающий волноводный фильтр. Перестраиваемый полосно-запирающий волноводный фильтр, состоит из металлического корпуса, включающего отрезок прямоугольного волновода с фланцами, и резонатор, выполненный как полость в металлическом корпусе и имеющий электродинамическую связь с отрезком прямоугольного волновода через элемент связи в виде щели, расположенной на широкой стенке отрезка прямоугольного волновода перпендикулярно его ребрам, а также включает в себя подстроечный поршень, вводимый в фильтр посредством втулки со стороны широкой стенки отрезка прямоугольного волновода и сопряженный с втулкой с помощью резьбового соединения. Резонатор имеет форму эллиптического цилиндра, основания которого расположены в плоскостях узких стенок отрезка прямоугольного волновода, при этом соотношение полуосей эллипса выбрано для возбуждения моды с двумя вариациями поля вдоль направления большой полуоси эллипса, а подстроечный поршень, осуществляющий подстройку резонансной частоты путем изменения рабочего объема резонатора, выполнен без возможности изменения объема эллиптической части резонатора. Однако известное устройство, хотя и представляет собой коммерчески доступный волноводный компонент, является неуправляемым и не изменяет своих характеристик во времени, не способен переключать или модулировать излучение.

В статье [5] описано устройство, представляющее собой полупроводниковый переключатель с лазерным управлением (LDSS), в котором используются пластины кремния (Si) и арсенида галлия (GaAs). Известное устройство может быть использовано в исследованиях мощных миллиметровых волн, включая испытания структур высокоградиентных ускорителей. В качестве входного источника питания используется мегаваттный гиротрон, который генерирует импульсы длительностью 3 нс. с плоской вершиной мощностью до 1,5 МВт на частоте 110 ГГц. Импульс от гиротрона падает на первичную пластину, которая изначально прозрачна на частоте 110 ГГц. При освещении первичным лазерным лучом пластина отражает падающий импульс. Ширина выходного импульса определяется параметрами лазерного импульса (длительность, интенсивность), а также скоростью рекомбинации заряда первичной пластины. Если используется вторая пластина (необязательно), отраженный импульс падает на вторую пластину, которая освещается вторичным лазерным лучом. Коэффициент отражения пластин зависит от плотности падающей лазерной энергии и без лазерной энергии стремится к нулю. Таким образом, устройство представляет собой модулятор импульсов наносекундной длительности на частоте 110 ГГц. Важной особенностью полупроводникового переключателя с лазерным управлением является способность генерировать чрезвычайно короткие импульсы переменной ширины, вплоть до 3 нс для импульса мощностью 300 кВт. Недостатком известного устройства является высокая себестоимость и сложность конструкции из-за необходимости прецизионной обработки и механической стабилизации пластин полупроводника большой площади; низкая плотность мощности, не позволяющая в полной мере достичь и использовать нелинейные эффекты поля; низкая электропрочность конструкции, низкая радиационная безопасность - излучение светит во все стороны; как результат - низкая практическая глубина модуляции.

В качество прототипа выбрано устройство, известное из публикации [6], близкое по конструкции и назначению к предлагаемому в изобретении устройству. Известное устройство представляет собой переключатель сверхвысокочастотного (СВЧ) излучения диапазонов 70 и 260 ГГц, управляемое импульсами оптического лазерного излучения. Волноводный полупроводниковый переключатель СВЧ излучения предназначен для модуляции и коммутации потока энергии когерентного СВЧ излучения с сохранением взаимной когерентности волновых пакетов на выходе. Активным компонентом переключателя является полупроводниковая пластина. В исходном состоянии, при комнатной температуре и отсутствии внешних полей входной поток излучения из источника СВЧ электромагнитного поля проходит через полупроводниковую пластину на выход переключателя практически без изменений, управление переключением осуществляется с помощью импульсов оптического излучения, индуцирующего фотопроводимость в тонком слое на границе полупроводника. Конструкция оптимального переключателя, полученная в результате расчетов методом FDTD представлена на фиг.1. На входе и выходе используется стандартный прямоугольный одномодовый волновод 1, под углом 90 градусов к нему расположен закритический волновод 2. Полупроводниковая пластина из арсенида галлия 3 установлена на некотором расстоянии от пересечения одномодового волновода 1 и верхнего канала закритического волновода 2. Излучение лазера 4 через противоположный, нижний канал закритического волновода 2, падает на нижнюю грань пластинки 3, проходя сквозь резонатор, образованный пересечением одномодового волновода 1 и закритического волновода 2. Оптимальная толщина пластины составляет около 200 мкм. Над полупроводниковой пластиной расположен винт механической перестройки частоты 5. В эксперименте на выходе переключателя для частоты 70 ГГц были получены импульсы-отклики на управляющее лазерное излучение со следующими параметрами: длительность фронта около 1 нс, длительность спада 2 нс, период повторения 13,6 нс (соответствует 75,4 МГц) и частота заполнения 70,3 ГГц. При подаче на вход переключателя когерентного излучения все волновые пакеты на выходе практически когерентны между собой, т. е. фазы высокочастотного заполнения во всех пакетах связаны. Таким образом, существенных фазовых искажений в коммутируемое излучение переключатель не вносит. Это особенно важно для когерентной неразрушающей спектроскопии. Однако известное из публикации устройство обладает рядом недостатков:

Известное устройство не позволяет достичь значительной добротности резонатора и, как следствие, высокой глубины модуляции из-за удаленности пластины 3 от верхней границы одномодового волновода 1. Удалённость снижает связь полей между одномодовым волноводом 1 и пластиной 3, тем самым понижая её роль в образовании добротного резонатора. Кроме того, известное устройство требует изготовления и обработки пластины полупроводника большой площади, большая часть которой не используется, так как полупроводниковая пластина 3, как видно из фиг. 1 крепится способом врезки в закритический канал волновода, и площадь ее сечения превышает поперечное сечение закритического волновода. Это удорожает устройство, так как повышаются требования к технологиям обработки полупроводников, повышается вероятность сломать пластину в процессе обработки.

В известном устройстве крепление пластины полупроводника осуществляется на «скользящей посадке», т.е. на трении между пластиной и пазом в металлическом корпусе изделия. Наличие паза означает наличие металлической площадки под пластиной, следовательно, пластину невозможно разместить вплотную к одномодовому волноводу, так как металлическую площадку невозможно сделать бесконечно тонкой. Как сказано выше, это влияет на добротность, и, как следствие, на глубину модуляции.

Предлагаемое устройство лишено недостатков прототипа и приведенных выше аналогов и позволяет получить быстродействующую модуляцию, вплоть до наносекунд, большую добротность и, следовательно, значительную глубину модуляции, вплоть до десятков децибел на частотах порядка терагерц, узкую рабочую полосу частот, высокое прохождение мощности в открытом состоянии и/или вне рабочей полосы частот, высокую пиковую плотность мощности.

Известные аналоги значительно уступают предлагаемому устройству в комбинации быстродействия, глубины модуляции, частоты, мощности, пиковой плотности мощности.

Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, является возможность получения модулятора с высокой добротностью и, как следствие, получения высокой глубины модуляции, высокой плотности мощности, низкой себестоимости, меньшей чувствительности к погрешностям изготовления.

Предлагаемое устройство представляет собой наносекундный волноводный полупроводниковый переключатель терагерцового излучения.

Переключатель основан на эффекте обратимого разрушения объемного резонатора электромагнитного излучения терагерцового (субтерагерцового, микроволнового, СВЧ) диапазона длин волн с последующим быстрым восстановлением резонатора.

Устройство поясняется фиг.2.

Резонатор образован пересечением одномодового волновода 6 с закритическим волноводом 7, с полупроводниковой пластиной 8, закрепленной на границе области пересечения двух волноводов с помощью клеевых вставок 9. Полупроводниковая пластина 8 может быть изготовлена из нелигированного GaAs. Это дает быстродействие в 1нс. Клеевые вставки 9 выполняют с помощью радиопрозрачного клея микроскопическими каплями по торцевой стороне полупроводниковой пластины.

Терагерцовое излучение подают на вход 10 одномодового волновода 6, выходной сигнал снимают с выхода 11. Над полупроводниковой пластиной расположен винт механической перестройки частоты 12.

В исходном состоянии «закрыто», в отсутствии оптического импульса, подаваемое на вход 10 излучение образует резонанс, вследствие которого отражается обратно на вход 10. Подача управляющего импульса оптического излучения 13 производится через дальний от пластины вход закритического для терагерцового излучения волновода 7, под прямым углом к поверхности пластины. Оптический импульс 13 формирует слой фотопроводимости в полупроводниковой пластине 8, пластина начинает проводить электрический ток, резонанс терагерцового излучения разрушается, переключатель переходит в состояние «открыто», и всё терагерцовое излучение со входа 10 поступает на выход 11 практически без потерь. По окончании оптического импульса слой фотопроводимости разрушается в течение определенного времени релаксации, определяемого выбранным полупроводником и источником оптического излучения (например, для арсенида галлия и видимого излучения зелёного цвета время релаксации составляет примерно одну наносекунду). Переключатель плавно переходит из состояния «открыто» в состояние «закрыто», и цикл работы может быть повторён сколько угодно раз.

Клеевые вставки позволяют приблизить полупроводник к одномодовому волноводу, исключая необходимость формирования металлической «полки» конечной толщины, которая должна удерживать полупроводниковую пластину. Они помогают удешевить и упростить устройство, так как мы экономим и на полупроводнике, который становится меньшего размера, и на фрезерных работах по формированию «полки». Чем ближе пластина к волноводу, тем больше связь поля волновода с ней, больше возмущение поля по сравнению с регулярным волноводом, больше добротность резонатора.

Волноводный полупроводниковый переключатель терагерцового излучения предназначен для модуляции и коммутации потока энергии терагерцового (субтерагерцового, микроволнового, СВЧ диапазона длин волн) излучения. Собственная частота резонатора подобрана таким образом, что в исходном состоянии в отсутствии управляющего оптического излучения, входной сигнал на выход не проходит, а почти полностью отражается обратно на вход. При появлении управляющего оптического/лазерного импульса, в приграничном слое полупроводника возникает слой фотопроводимости, который вызывает дополнительный электрический ток, отражение поля, не пуская его в закритический волновод. Характеристика переключателя становится максимально близка к одномодовому волноводу, резонатор разрушается, и всё излучение со входа проходит на выход без существенных потерь. По окончании лазерного импульса, фотопроводимость релаксирует в течение примерно 1 нс для GaAs, что и определяет наименьшую длительность импульса модуляции. Резонатор восстанавливается, переключатель отражает всё входное излучение обратно. Цикл модуляции завершён. Количество циклов модуляции не ограничено.

Описание фигур:

Фиг 1. Конструкция оптимального переключателя, полученная в результате расчетов методом FDTD, известная из прототипа.

Обозначения на фиг.1:

1 - одномодовый волновод;

2 - закритический волновод;

3 - полупроводниковая пластина из GaAs;

4 -лазерное излучение;

5 - винт механической перестройки частоты

Фиг. 2. Конструкция наносекундного волноводного полупроводникового переключателя

Обозначения на фиг.2:

6 - одномодовый волновод переключателя;

7 - закритический волновод переключателя;

8 - полупроводниковая пластина;

9 - клеевые вставки;

10 - вход одномодового волновода;

11 - выход одномодового волновода;

12 - винт механической перестройки частоты переключателя;

13 - импульс оптического излучения.

Фиг. 3. Экспериментальная кривая зависимости сигнала терагерцового детектора от времени.

Обозначения на фиг.3:

14 - сигнал лазера;

15 - сигнал с выхода терегерцового детектора.

Пример применения.

Был проведен эксперимент с волноводным полупроводниковым переключателем, в котором использовался лазер с оптическим импульсом длиной волны 532 нм и длительностью импульса 100 пс. Энергия в одном лазерном импульсе 100 нДж.

В качестве полупроводника использовался нелигированный GaAs.

На фиг. 3 изображен график зависимости напряжения терагерцового детектора, пропорционального мощности терагерцового сигнала от времени, полученный в результате эксперимента.

Эпюра сигнала от лазера - сплошная кривая 14 на фиг. 3. Прерывистая кривая 15 - эпюра сигнала терагерцового детектора на выходе переключателя. Переключатель, вслед за каждым импульсом оптического лазера, выдает импульс терагерцового излучения с характерной длительностью одна наносекунда. Частота повторения управляющих лазерных импульсов может быть произвольной. Быстродействие переключателя ограничено характерным временем релаксации нелегированного арсенида галлия - одной наносекундой.

Список источников:

1. R. Tsai, M. Lange, L. J. Lee, P. Nam, C. Namba, P. H. Liu, R. Sandhu, R. Grundbacher, W. Deal, A. Gutierrez. 260 GHz FT, 280 GHz fMAX AlSb/InAs HEMT technology. 01/2005; DOI: 10.1109/DRC.2005.1553146.

2. A. V. Gaponov-Grekhov and V. L. Granatstein. Novel Application of High Power Microwaves. Artech House: Boston and London, 1994.

3. O. A. Ivanov, M. A. Lobaev, A. L. Vikharev, A. M. Gorbachev, V. A. Isaev, J. L. Hirshfield, S. H. Gold, A. K. Kinkead. Active Microwave Pulse Compressor Using an Electron-Beam Triggered Switch // Physical Review Letters 03/2013; 110(11). DOI: 10.1103.

4. Патент РФ № RU2814853, МПК H01P 1/20, Терагерцовый полосно-запирающий волноводный фильтр, Заславский Владислав Юрьевич, Палицин Алексей Валентинович, Родин Юрий Валентинович, публ. 05.03.2024

5. Julian F. Picard, Samuel C. Schaub, Guy Rosenzweig, Jacob C. Stephens, Michael A. Shapiro, Richard J. Temkin. Laser-driven semiconductor switch for generating nanosecond pulses from amegawatt gyrotron. //Applied Physics Letters 114, 164102 (2019), 24.04.2019. doi: 10.1063/1.5093639

6. М.Л. Кулыгин, В.И. Белоусов, Г. Г. Денисов, А.А. Вихарев, В.В. Корчагин, А.В. Кузин, Е.А. Новиков М.А., Хозин. Разработка волноводных полупроводниковых переключателей сверхвысокочастотного излучения диапазонов 70 и 260 ггц//Известия вузов. Радиофизика, Том LVII, № 7, 2014.

Устройство относится к СВЧ-технике, к переключателям излучения, модуляторам, резонаторам и частотным фильтрам для терагерцового излучения. Наносекундный волноводный полупроводниковый переключатель терагерцового излучения образован пересечением одномодового волновода с закритическим волноводом, включающим полупроводниковую пластину и винт механической перестройки частоты, управляемый оптическим импульсом, подаваемым через противоположный от места прикрепления пластины конец закритического волновода, при этом полупроводниковая пластина закреплена на границе области пересечения двух волноводов с помощью клеевых вставок, выполненных из радиопрозрачного клея микроскопическими каплями. Технический результат - повышение добротности, глубины модуляции, плотности мощности и уменьшение чувствительности к погрешностям изготовления. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Наносекундный волноводный полупроводниковый переключатель терагерцового излучения, образованный пересечением одномодового волновода с закритическим волноводом, включающим полупроводниковую пластину и винт механической перестройки частоты, управляемый оптическим импульсом, подаваемым через противоположный от места прикрепления пластины конец закритического волновода, отличающийся тем, что полупроводниковая пластина закреплена на границе области пересечения двух волноводов с помощью клеевых вставок, выполненных из радиопрозрачного клея микроскопическими каплями.

2. Наносекундный волноводный полупроводниковый переключатель по п.1, отличающийся тем, что в качестве полупроводниковой пластины используют пластину, изготовленную из нелегированного GaAs.