Формирование квазидискретного терагерцового спектрального суперконтинуума для беспроводных телекоммуникаций тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.05, кандидат наук Грачев, Ярослав Владимирович

• Грачев, Ярослав Владимирович
• кандидат наук
• 2016

Оглавление диссертации кандидат наук Грачев, Ярослав Владимирович

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

ГЛАВА 1. ШИРОКОПОЛОСНЫЙ ТГЦ КВАЗИДИСКРЕТНЫЙ

СУПЕРКОНТИНУУМ

§1.1. Метод формирования широкополосного ТГц квазидискретного суперконтинуума с помощью двух импульсов

§1.2. Формирование широкополосного ТГц квазидискретного суперконтинуума при генерации излучения с помощью эффекта Дембера и детектировании фотопроводящей антенной

§1.3. Формирование широкополосного ТГц квазидискретного суперконтинуума оптическим выпрямлением фемтосекундного излучения с наклонным фронтом

ГЛАВА 2.СИСТЕМА ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

КВАЗИДИСКРЕТНЫМ ТЕРАГЕРЦОВЫМ СУПЕРКОНТИНУУМОМ

§2.1. Схема эксперимента по передаче информации, закодированной в частотной гребенке импульсного ТГц излучения

§2.2. Результаты эксперимента по передаче информации, закодированной в квазидискретном ТГц суперконтинууме

Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ФАЗОВОЙ МОДУЛЯЦИИ ТЕРАГЕРЦОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В СУЛЬФОСЕЛЕНИДЕ КАДМИЯ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ

ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО НАПРЯЖЕНИЯ И СВЕТА

§3.1. Обзор исследований оптических свойств кристаллов сульфоселенида кадмия в терагерцовом диапазоне ЭМ волн

§3.2. Экспериментальные исследования фазового модулятора на основе СёБьхЗех

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

БЛАГОДАРНОСТИ

СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЯ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Формирование квазидискретного терагерцового спектрального суперконтинуума для беспроводных телекоммуникаций»

Введение

Актуальность темы

Согласно закона Эдхольма [1] поток передаваемой информации возрастает экспоненциально, к 2018 году ожидается возрастание интернет-трафика до величины 130 экзабайт/месяц [2]. Наиболее быстрорастущая часть этого трафика - это беспроводные каналы передачи информации, так как пользователи мобильных устройств стали активнее обращаться к сети интернет. Со времен создания первых радиоволновых беспроводных линий передачи информации несущие частоты возрастали [3] для удовлетворения требований к пропускной способности вплоть до широких полос пропускания на частотах миллиметровых волн, таких как 60 ГГц и 70-95 ГГц [4]. Однако полная выделенная полоса частот не превышает 7-9 ГГц, что ограничивает полное пропускание канала до несущественного уровня при возрастающих требованиях.

Использование более высоких несущих частот в ТГц диапазоне (0,1 -10 ТГц) перспективно при достижении полосы частот ширины в десятки ГГц. Первые демонстрации экспериментов по ТГц беспроводной коммуникации были проведены как с импульсным, так и с непрерывном ТГц излучением [5]-[7]. Беспроводная телекоммуникационная линия непрерывного излучения с выделенной полосой 10 ГГц (между 116-134 ГГц) осуществила передачу информации на 5 км со скоростью 10 Гбит/с при амплитудной модуляции и 20 Гбит/с при квадратурной фазовой модуляции [8], [9]. Однако, в связи с развитием эффективных источников импульсного ТГц излучения [10], [11] открываются новые возможности по их использованию в беспроводных телекоммуникациях. Исходя из формулы Шеннона, скорость передачи информации С определяется шириной полосы W и соотношением сигнал/шум S/N [12]:

С(бит/ с) = W * 1о&(1 + S/N) (1.1)

Импульсное ТГц излучение обладает шириной полосы от сотен ГГц до сотен ТГц [13], [14], что делает его использование в телекоммуникационных системах очень перспективным. Однако, стоит также учитывать особенности распространения ТГц излучения в атмосфере, вызванные в основном сильным поглощением молекулами воды. В зависимости от ослабления сигнала можно выделить частотные диапазоны предпочтительные для различных применений: 100-150 ГГц для дальней связи (1-10 км), менее 350 ГГц для средних расстояний (100 м - 1 км), менее 500 ГГц и диапазоны 625-725 и 780-910 ГГц - для связи внутри зданий и частоты ниже 1 ТГц для коммуникации между устройствами на расстоянии не более 1 м [2] (см. рис. 1). Применение всех вышеперечисленных диапазонов, а также частот выше 1 ТГц перспективно для систем связи в космосе, где ослабление ТГц излучения не происходит [15].

Рисунок.1. Спектр ослабления ТГц излучения при распространении в атмосфере [2].

При распространении в пространстве ТГц излучение испытывает сильное дифракционное расхождение, что затрудняет прием излучения всего спектра без использования широкоапертурной оптики. Таким образом, разделение сверхширокополосного ТГц излучения на спектральные каналы является актуальной задачей.

Для использования ТГц излучения в системах визуализации скрытых и/или опасных объектов и системах беспроводной передачи информации необходимы устройства управляющие ТГц излучением, модулирующие его спектральную амплитуду и фазу. Оптическое управление свойствами материала позволяет достигать наибольшего быстродействия и поэтому разработка устройств на основе широко используемого в оптике сульфоселенида кадмия CdSxSe1-x является перспективной задачей.

Кристаллы сульфоселенида кадмия CdSxSe1-x привлекательны как в фундаментальных исследованиях так и в прикладных задачах ввиду возможности регулирования запрещенной зоны и управления физико-химических свойств [16], [17].

В настоящее время активно происходит исследование свойств наноразмерных кристаллов сульфоселенида кадмия в ТГц диапазоне ЭМ длин волн [18]-[20]. В работе Lucas T. Kunneman и соавторов [21] исследована мобильность и распределение электронов на нано-стержнях CdS, выращенных на квантовых точках CdSe. Отмечен фазовый сдвиг ТГц импульса прошедшего через фотовозбужденный образец, так же как и поглощение в нем, вызванное носителями заряда. Фазовый сдвиг ТГц импульса, проходящего фотовозбужденные образцы с квантовыми точками CdSe, демонстрировался и ранее в работах [22], [23] при использовании систем оптической накачки-терагерцового сканирования. Однако в данных работах квантовые точки находились в жидкости, что делает неудобным их использование в устройствах модуляции ТГц излучения.

Объекты исследования - системы импульсной ТГц спектроскопии с разрешением во времени и тонкоплёночные структуры полупроводниковых кристаллов CdS/CdSe, нанесенные на сапфировые подложки методом трафаретной печати.

Предметом исследования в данной работе являются изменение спектральной структуры импульсного ТГц излучения для возможности передачи информации и управление оптическими свойствами ТГц излучения с помощью тонких плёнок полупроводниковых кристаллов CdS/CdSe.

Цель работы - разработка беспроводных систем передачи информации с использованием широкополосного терагерцового излучения и разработка методов управления его спектром.

При выполнении диссертационной работы решались следующие задачи:

1. Разработка метода формирования широкополосного ТГц квазидискретного суперконтинуума для разделения на спектральные каналы.

2. Экспериментальная апробация метода формирования широкополосного ТГц квазидискретного суперконтинуума.

3. Экспериментально продемонстрировать беспроводную передачу информации квазидискретным ТГц суперконтинуумом.

4. Экспериментально исследовать изменение характеристик импульса ТГц излучения при прохождении материала сульфоселенида кадмия CdSxSe(1.X), находящегося под воздействием электрического напряжения и оптического излучения.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Предложен метод формирования широкополосного ТГц квазидискретного суперконтинуума с помощью двух фемтосекундных световых импульсов, воздействующих на генератор ТГц излучения, причем ширина спектра отдельных квазидискретных каналов и их количество зависят от временной задержки между импульсами.

2. Экспериментально апробирован метод формирования широкополосного ТГц квазидискретного суперконтинуума с помощью генераторов, основанных на оптическом выпрямлении фемтосекундного излучения в нелинейных квадратичных средах и с использованием ТГц генерации поверхностью полупроводника,

причем в последнем случае получен суперконтинуум, состоящий из 31 отдельных каналов с шириной спектра отдельного канала 25 ГГц, что может обеспечить в сумме скорость передачи информации до 3,1 Тбит/с.

3. Экспериментально продемонстрирована передача 31 бита информации, закодированной в одном квазидискретном ТГц суперконтинууме, на расстояние 2 метра с последующей обработкой сигнала.

4. Экспериментально показано, что при прохождении слоя материала из микрогранул CdS0;65Se0;35 толщиной 20 мкм, при совместном

Л

воздействии актиничного излучения интенсивностью 10 мкВт/см и приложенного электрического поля напряжением 300 В терагерцовый импульс испытывает фазовую задержку 0,5 рад (сдвиг 100 фс во временной области), которая зависит от фототока в слое CdS0;65Se0;35 линейно.

Научная новизна работы:

1. Предложен и экспериментально апробирован метод формирования широкополосного ТГц квазидискретного суперконтинуума с помощью двух фемтосекундных световых импульсов, воздействующих на генератор ТГц излучения.

2. Предложен способ сверхбыстрой беспроводной передачи информации квазидискретным ТГц суперконтинуумом, сформированным на типичном ТГц спектрометре с разрешением во времени. Экспериментально продемонстрирована передача 31 бита информации, закодированной в одном квазидискретном ТГц суперконтинууме, на расстояние 2 метра с последующей обработкой сигнала с теоретическим пределом суммарной скорости передачи

информации по 31 каналу 3,1 Тбит/с в последовательности из двух ТГц импульсов.

3. Экспериментально показано, что приложение электрического напряжения к образцу материала из микрогранул CdS0;65Se0;35 толщиной 20 мкм позволило достигнуть задержки ТГц импульса на 100 фс, что сопоставимо мировым результатам управления ТГц излучения с помощью сульфоселенида кадмия при значительном уменьшении толщины слоя образца и использовании простой технологии трафаретной печати для изготовления образца.

Достоверность результатов подтверждена экспериментально многократными независимыми измерениями на импульсных ТГц спектрометрах различной конструкции.

Практическая ценность результатов работы

1. Предложенные способ формирования каналов в ТГц суперконтинууме и способ сверхбыстрой беспроводной передачи информации парой ТГц импульсов, образующих квазидискретный суперконтинуум могут быть использованы в разрабатываемых системах передачи информации широкополосным ТГц излучением.

2. Показана возможность создания эффективного и компактного фазового модулятора на основе сульфоселенида кадмия.

Практическая реализация результатов работы

Результаты работы использовались при выполнении проектов в рамках государственного контракта №16.513.11.3070 Министерства образования и науки РФ от 19 апреля 2011 г. и государственного задания № 3.1675.2014/К Министерства образования и науки РФ от 18.07.2014 г. Апробация работы

Результаты диссертационной работы апробировались на 5-х международных конференциях:

1. VIII Международная конференция молодых ученых и специалистов «Оптика — 2013» 14-18.10.2013, Санкт-Петербург, РФ.

2. Asia Communications and Photonics Conference ACP 2014 - 2014, 1114.11.14, Шанхай, КНР.

3. EMN Optoelectronics Meeting (Energy, Material, Nanotechnology), 1929.04.2015, Пекин, КНР.

4. The 8th International Photonics and OptoElectronics Meetings (POEM 2015), 15-25.06.2015, Ухань, КНР.

5. 40th International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves, 20-29.08.2015, Гонконг, КНР.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 13 научных работ, в том числе 10 в изданиях списка ВАК и международных баз цитирования Scopus и Web of Science, а также получено 2 свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Краткое содержание работы

Во введении обосновывается актуальность работы, сформулированы ее цель, задачи, перечислены научные положения, выносимые на защиту, определена структура работы.

Первая глава посвящена способу формирования широкополосного ТГц квазидискретного суперконтинуума.

В §1.1. предлагается метод формирования широкополосного ТГц квазидискретного суперконтинуума с помощью двух импульсов.

В §1.2. экспериментально демонстрируется формирование широкополосного ТГц квазидискретного суперконтинуума при генерации излучения с помощью эффекта Дембера и детектировании фотопроводящей антенной.

В §1.3. экспериментально демонстрируется формирование широкополосного ТГц квазидискретного суперконтинуума оптическим выпрямлением фемтосекундного излучения с наклонным фронтом.

Вторая глава содержит описание системы передачи информации квазидискретным терагерцовым суперконтинуумом и результаты ее работы.

В §2.1. приведена схема эксперимента по передаче информации, закодированной в частотной гребенке импульсного ТГц излучения и описание ее работы.

В §2.2. приведены результаты эксперимента по передаче информации, закодированной в квазидискретном ТГц суперконтинууме.

Третья глава посвящена исследованию фазовой модуляции терагерцового излучения в сульфоселениде кадмия при воздействии электрического напряжения и света.

В §3.1. приведен обзор исследований оптических свойств кристаллов сульфоселенида кадмия в терагерцовом диапазоне ЭМ волн

В §3.2. приведены методы исследования и экспериментальные результаты управления ТГц излучением с помощью поликристаллических образцов CdS1-XSeX.

В заключении сформулированы основные результаты работы.

ГЛАВА 1. ШИРОКОПОЛОСНЫЙ ТГЦ КВАЗИДИСКРЕТНЫЙ СУПЕРКОНТИНУУМ

§1.1. Метод формирования широкополосного ТГц квазидискретного суперконтинуума с помощью двух импульсов

В оптическом диапазоне ЭМ излучения большое количество спектральных компонент может быть выделено в суперконтинууме с помощью интерференции двух импульсов со сверхшироким спектром. Альфано и Зеликовичем было предложено использование множества формируемых таким образом спектральных линий суперконтинуума как отдельных информационных каналов в системах, использующих спектральное уплотнение [24]. Также в работах [25], [26] была продемонстрирована передача информации с амплитудной модуляцией каждой спектральной компоненты оптического квазидискретного суперконтинуума. Таким образом скорость передачи определялась шириной полосы, количеством спектральных компонент в квазидискретном суперконтинууме, частотой повторения импульсов и частотой кодирующего устройства. Такой же подход может быть применен для передачи информации в ТГц диапазоне ЭМ излучения с применением широкополосных импульсных источников излучения.

Рассмотрим метод формирования ТГц квазидискретного суперконтинуума. Импульсы ТГц излучения формируются при процессах с участием фемтосекундных лазерных импульсов, таких как оптическое выпрямление, движение электронов в случае использования фото-эффекта Дембера или фотопроводящей ТГц антенны. В итоге импульсы ТГц излучения в теоретических исследованиях и моделировании можно представить как однопериодное ЭМ колебание пикосекундной длительности с широким спектром (см. рис. 1.1), описываемое уравнением [27]:

(1.2)

Рисунок 1.1. Последовательность ТГц импульсов при временной задержке между импульсами 0 и 7 пс.

Нетрудно смоделировать последовательность двух таких импульсов, имеющих между собой временную задержку. При временной задержке равной нулю импульсы, согласно принципу суперпозиции образуют один ТГц импульс с двукратной амплитудой. Техника разрешения во времени позволяет экспериментально регистрировать временную эволюцию колебаний ТГц электромагнитного излучения, в отличие от квадратичных приемников. В дальнейшем, в зарегистрированном сигнале возможно

выбирать временную область для проведения спектрального анализа. Для сравнения спектральных плотностей импульсов при различной временной задержкой между ними верно выбрать постоянный размер окна, куда помещаются оба импульса. Таким образом, максимальная регистрируемая частота одинакова в рассматриваемых случаях. Применив преобразование Фурье к ТГц импульсу образованному при нулевой задержке между исходными двумя импульсами можно наблюдать колоколообразную (гауссову) форму спектральной плотности мощности. При анализе же двух ТГц импульсов с ненулевым сдвигом в спектральной области образуется квазидискретная спектральная плотность мощности - квазидискретный ТГц суперконтинуум (см. рис. 1.2).

0 12 3 4

Частота, ТГц

Рисунок 1.2. Спектральная плотность мощности последовательности ТГц импульсов с задержкой 0 и 7 пс.

В зависимости от временной задержки между двумя импульсами наблюдается различное количество спектральных компонент. При увеличении временной задержки в два раза количество спектральных

компонент в квазидискретной ТГц суперконтинууме также увеличивается в два раза (см. рис. 1.3).

0 1 2 3 4 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1.4 1.6 1,6

Частота, ТГц Частота, ТГц

а б

Рисунок 1.3. Спектральная плотность мощности последовательности ТГц импульсов с задержкой 0, 7 и 14 пс.

На рисунке 1.3 представлена спектральная плотность мощности в зависимости от временной задержки между импульсами. Распределение спектральной плотности мощности симметрично относительно частот, кратных частоте максимума спектральной плотности импульса.

Рисунок 1.4. Спектральная плотность мощности квазидискретного суперконтинуума (обозначена цветовым градиентом) в зависимости от задержки между двумя ТГц импульсами и частотой колебаний.

§1.2. Формирование широкополосного ТГц квазидискретного суперконтинуума при генерации излучения с помощью эффекта Дембера и детектировании фотопроводящей антенной

Эффект Дембера - возникновение ЭДС при неравномерном освещении полупроводника, связанной с разницей подвижности электронов и дырок. Характерно для узкозонных полупроводников с высокой подвижностью носителей заряда, таких как ЛпАб, 1п8Ь. В случае освещения поверхности полупроводника коротким оптическим импульсом с энергией превышающей ширину запрещенной зоны полупроводника возникает эффективное создание электрон-дырочных пар. Если проводник

обладает электронной проводимостью, то электроны будут диффундировать в области без свободного заряда. В случае освещения полупроводника излучением фемтосекундных импульсов при прекращении воздействия такого импульса сверхкороткой длительноси на полупроводник электроны возвращаются в обедненную электронами зону, рекомбинируя с дырками. Таким образом формируется колебательное движение диполя, который создает ТГц излучение [28], [29].

В эксперименте луч фемтосекундного титан-сапфирового лазера TiF-15 (ООО «Авеста») FL, направлялся с помощью светоделителя BS1 в плечо возбуждения ТГц излучения (плечо «накачки») и плечо зондирования ТГц излучения. Интерферометр Майкельсона, состоящий из светоделителя BS2 зеркала M2 и зеркала M1 на моторизированном линейном трансляторе DL1, использовался для формирования последовательности двух фемтосекундных импульсов с регулируемой с помощью транслятора DL1 временной задержкой между ними. Луч с излучением последовательности двух фемтосекундных импульсов проходил линию оптической задержки, состоящей из зеркал M3 и M4 и моторизированного линейного транслятора DL2, с помощью которой происходило сканирование измеряемого ТГц сигнала во временной области. Линзой L1 луч фемтосекундного излучения фокусировался в круглое пятно диаметром 1 мм на полупроводниковом кристалле InAs, помещенном для увеличения эффективности [30], [31] в поле постоянного магнита с индукцией 2,4 Тл, составляющих вместе генератор ТГц излучения G. Последовательность двух фемтосекундных импульсов формировала на выходе генератора последовательность двух ТГц импульсов с такой же временной задержкой как между фемтосекундными. Ввиду малого размера области генерации ТГц излучения на кристалле по сравнению с длиной волны самого излучения производилась коллимация расходящегося ТГц излучения линзой L1 из полиметилпентена. Фильтр F из фторопласта и черной бумаги

использовался для отрезания фемтосекундного излучения видимого диапазона. ТГц излучение фокусировалось линзой L3 из полиметилпентена на приемник A, представляющий собой фотопроводящую антенну iPCA-21-05-1000-800-h (BATOP GmbH, Германия) (см. рис. 1.5).

Lz F L3 А Ц

DL2

м5\ /м

Рисунок 1.5. Экспериментальная схема формирования широкополосного ТГц квазидискретного суперконтинуума при генерации излучения с помощью эффекта Дембера и детектировании фотопроводящей антенной. FL - фемтосекундный лазер, BS1-2 - лучеделители, Ch - оптико-механический модулятор, DL1-2 - моторизированные линейные позиционеры, L1-3 - линзы, G - генератор ТГц излучения, F - ТГц фильтр, A -детектор (фотопроводящая антенна), M1-7 - зеркала, LA - синхронный усилитель, ADC - аналого-цифровой преобразователь, PC - компьютер.

Фотопроводящая антенна состоит из полупроводниковой подложки, с нанесенными на нее металлическими токопроводящими контактами с одной стороны и кремниевой линзы с другой. Фемтосекундное излучение пробного пучка фокусируется линзой L4 поверхность полупроводника между двух токопроводящих контактов, поглощается полупроводником с образованием фотоэлектронов. ТГц излучение фокусируется кремниевой линзой фотопроводящей антенны в область подложки с нанесенными контактами. ТГц импульс более длительный по сравнению с пробным фемтосекундным импульсом, поэтому его действие на выбитые в

полупроводниковой подложке фотоэлектроны можно рассматривать как действие постоянного электрического поля, которое вызывает их направленное движение между токопроводящими контактами. Ток пропорционален величине напряженности ТГц импульса, таким образом, измеряя ток фотопроводящей антенны в различном положении оптической линии задержки DL2, можно зарегистрировать временную форму ТГц импульса (см. рис. 1.6 а). Для увеличения соотношения «сигнал/шум» использовался метод синхронного усиления: излучение накачки модулировалось оптико-механическим прерывателем Ch и синхронный усилитель LA усиливал узкую полосу сигнала на частоте модуляции. Далее усиленный измеряемый ток дискретизировался и квантовался аналого-цифровым преобразователем ADC и записывался в память компьютера PC. Путем преобразования Фурье над временной формой ТГц сигнала можно перейти к спектральной плотности мощности (см. рис. 1.6 б). Характеристики экспериментальной установки представлены в таблице.

а

б

Рисунок 1.6. Временная форма (а) и спектр (б) генерируемого терагерцового импульса с помощью фото-эффекта Дембера.

ТАБЛИЦА 1. Параметры экспериментальной схемы формирования широкополосного тгц квазидискретного суперконтинуума при генерации

излучения с помощью эффекта дембера и детектировании фотопроводящей антенной_

Параметры лазерной системы

Длительность импульса <50 фс

Ширина спектра на 800 нм 45 нм

Средняя выходная мощность на 800 нм >410 мВт

Частота следования импульсов 70 МГц

Поперечная мода TEMoo

Поляризация линейная, горизонтальная

Стабильность <1% rms

Параметры ТГц системы

Полупроводниковый кристалл InAs, n-типа

Индукция в центре магнитной системы 2,4Тл

Средняя мощность ТГц излучения 4 мкВт

Центральная частота 0,19 ТГц

Ширина спектральной плотности мощности по уровню 0,1 0,7 ТГц

В случае формирования с помощью интерферометра Майкельсона последовательности двух импульсов временное представление выглядит как на рисунке 1.7.

а

б

Рисунок 1.7. Последовательность двух импульсов, формирующих квазидискретный ТГц суперконтинуум (а), и их спектральная плотность мощности (б).

О |, отн.ед.

1,00 0,88 0,81 0,75 0,69 0,63 0,56 0,50

10,44 0,38 0,31 0,25 0,19 0,13 0,06 0,00

Интервал между импульсами, пс

Рисунок 1.8. Спектральная плотность мощности квазидискретного суперконтинуума полученного с помощью фотоэффекта Дембера в зависимости от задержки между двумя ТГц импульсами и частотой колебаний.

§1.3. Формирование широкополосного ТГц квазидискретного суперконтинуума оптическим выпрямлением фемтосекундного излучения с наклонным фронтом

В качестве источника фемтосекундного излучения использовалась титан-сапфировая лазерная система с регенеративным усилителем Regulus 35F1K (ООО «Авеста-Проект», Россия), создающая лазерные импульсы с центральной длиной волны 829 нм, длительностью менее 35 фс, энергией 2 мДж, с частотой повторения 1 кГц. Излучение направлялось зеркалами M1 и в оптическую схему установки. Светоделитель BS1 50/50 разделял луч на пробный, используемый в дальнейшем для регистрации ТГц излучения, и луч накачки, создающий ТГц излучение. Устройство формирования квазидискретного ТГц суперконтинуума представляло собой

интерферометр Майкельсона, состоящий из светоделителя BS2, зеркала M3 и зеркала Ы4, установленного на моторизированном линейном трансляторе DL1. Регулировкой длины одного из плеч с помощью моторизированного транслятора DL1 добивались необходимой задержки между фемтосекундными импульсами, используемых для создания ТГц импульсов (см. рис. 1.9).

Рисунок 1.9. Оптическая схема формирования и регистрации квазидискретного ТГц суперконтинуума.

Излучение накачки зеркалами M6 и M7 направлялось генератор терагерцового излучения TERA-AX (ООО «Авеста-Проект», Россия) [14], работающий по методу оптического выпрямления фемтосекундных импульсов в кристалле MgO:LiNЮ3 с использованием наклонного волнового фронта для обеспечения фазового синхронизма [32], [33]. На выходе генератора располагался тефлоновый фильтр для отсечения излучения накачки. ТГц излучение проходило систему параболических зеркал, зеркала и параболическим зеркалом направлялось на электрооптический кристалл ZnTe , где пересекалось с лучом пробного

излучения. До прихода к кристаллу 7пТе пробный луч прошел систему зеркал , линию оптической задержки, полуволновую пластинку и призму Глана поворачивающих поляризацию для большей эффективности детектирования ТГц волны и фокусирующую линзу. В итоге оптические пути и пробного пучка, и пучка накачки от светоделителя ББ1 до кристалла 7пТе были равны.

В качестве системы детектирования использовалась распространенная техника электрооптического стробирования. Терагерцовое поле наводило в 0,5 мм электрооптическом кристалле 7пТе двулучепреломление для оптического излучения пробного пучка. Поляризация пробного пучка изменялась линейно пропорционально напряженности терагерцового поля, что регистрировалось с помощью системы из четвертьволновой фазовой пластинки, призмы Волластона и балансного детектора с двумя фотоприемниками. Сигнал наведенного двулучепреломления проходил через синхронный усилитель и оцифровывался для записи и дальнейшей обработки [34]. Характеристики ТЕЯЛ-ЛХ приведены в таблице 2. Использование такой системы позволило эффективно генерировать мощные терагерцовые импульсы с широким спектром (см. рис. 1.10).

1,0 -|

',0

О 5 10 15 20 30 35 40 45 50

0.0 0.4

0,8

1,2 1.6 2.0 2,4 1, ТНг

а

б

Рисунок 1.10. Временная форма (а) и спектр (б) генерируемого терагерцового

импульса методом оптического выпрямления фемтосекундных импульсов излучения наклонного фронта.

ТАБЛИЦА 2. Параметры экспериментальной схемы формирования широкополосного тгц квазидискретного суперконтинуума при генерации излучения с помощью оптического выпрямления и электро-оптического детектирования.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Грачев, Ярослав Владимирович, 2016 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ

[1] S. Cherry, "Edholm's law of bandwidth," IEEE Spectr., vol. 41, no. 7, 2004.

[2] T. Nagatsuma, G. Ducournau, and C. C. Renaud, "Advances in terahertz communications accelerated by photonics," Nat. Photonics, vol. 10, no. 6, pp. 371-379, 2016.

[3] G. Fettweis, F. Guderian, and S. Krone, "Entering The Path Towards Terabit / s Wireless Links," 2012.

[4] Y. Niu, Y. Li, D. Jin, L. Su, and A. V. Vasilakos, "A survey of millimeter wave communications (mmWave) for 5G: opportunities and challenges," Wirel. Networks, vol. 21, no. 8, pp. 2657-2676, 2015.

[5] A. Hirata, H. Ishii, and T. Nagatsuma, "Design and characterization of a 120-GHz millimeter-wave antenna for integrated photonic transmitters," IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 49, no. 11, pp. 2157-2162, 2001.

[6] T. Kleine-Ostmann, K. Pierz, G. Hein, P. Dawson, and M. Koch, "Audio signal transmission over THz communication channel using semiconductor modulator," Electron. Lett., vol. 40, no. 2, pp. 124-126, 2004.

[7] T.-A. Liu, G.-R. Lin, Y.-C. Chang, and C.-L. Pan, "Wireless audio and burst communication link with directly modulated THz photoconductive antenna," Opt. Express, vol. 13, no. 25, p. 10416, 2005.

[8] A. Hirata et al., "120-GHz-band millimeter-wave photonic wireless link for 10-Gb/s data transmission," IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 54, no. 5, pp. 1937-1942, 2006.

[9] H. Takahashi, A. Hirata, J. Takeuchi, N. Kukutsu, T. Kosugi, and K. Murata, "120-GHz-band 20-Gbit / s Transmitter and Receiver MMICs using quadrature phase shift keying," Microw. Integr. Circuits Conf. (EuMIC), 2012 7th Eur., pp. 313-316, 2012.

[10] S. H. Yang, M. R. Hashemi, C. W. Berry, and M. Jarrahi, "7.5% Optical-

to-terahertz conversion efficiency offered by photoconductive emitters with three-dimensional plasmonic contact electrodes," IEEE Trans. Terahertz Sci. Technol., vol. 4, no. 5, pp. 575-581, 2014.

[11] C. W. Berry, M. R. Hashemi, and M. Jarrahi, "Generation of high power pulsed terahertz radiation using a plasmonic photoconductive emitter array with logarithmic spiral antennas," Appl. Phys. Lett., vol. 104, no. 8, 2014.

[12] C. E. Shannon, "Communication in the Presence of Noise," Proc. IRE, vol. 37, no. 1, pp. 10-21, 1949.

[13] S. L. Dexheimer, Terahertz Spectroscopy: Principles and Applications. 2007.

[14] E. Matsubara, M. Nagai, and M. Ashida, "Ultrabroadband coherent electric field from far infrared to 200 THz using air plasma induced by 10 fs pulses," Appl. Phys. Lett., vol. 101, no. 1, 2012.

[15] B. Zhu, Y. Chen, K. Deng, W. Hu, and Z. S. Yao, "Terahertz Science and Technology and Applications," PIERS Proc., pp. 1166-1170, 2009.

[16] K. L. Chopra and S. R. Das, "Thin film solar cells," Plenum Press, New York, 1983.

[17] R. S. Feigelson, A. Ndiaye, S. Yin, x, Yih, and R. H. Bube, " II-VI solid-solution films by spray pyrolysis," J. Appl. Phys., vol. 48, no. 7, pp. 31623164, 1977.

[18] J. Liu, H. Qiao, and X. Li, "Electron Transport in CdSe Nanoribbons Measured by Terahertz Spectroscopy," Int. J. Nanosci., vol. 13, no. 3, p. 1450017, 2014.

[19] H. Liu, J. Lu, S. H. Tang, C. H. Sow, and X. Zhang, "Composition-dependent electron transport in CdS x Se 1 - x nanobelts : a THz spectroscopy study," vol. 39, no. 3, pp. 567-570, 2014.

[20] J. Lu, H. Liu, S. X. Lim, S. H. Tang, C. H. Sow, and X. Zhang, "Transient photoconductivity of ternary CDSSE nanobelts as measured by time-resolved terahertz spectroscopy," J. Phys. Chem. C, vol. 117, no. 23, pp.

12379-12384, 2013.

[21] L. T. Kunneman, M. Zanella, L. Manna, L. D. A. Siebbeles, and J. M. Schins, "Mobility and spatial distribution of photoexcited electrons in CdSe/CdS nanorods," J. Phys. Chem. C, vol. 117, no. 6, pp. 3146-3151, 2013.

[22] F. Wang, J. Shan, M. a Islam, I. P. Herman, M. Bonn, and T. F. Heinz, "Exciton polarizability in semiconductor nanocrystals.," Nat. Mater., vol. 5, no. 11, pp. 861-864, 2006.

[23] G. L. Dakovski, S. Lan, C. Xia, and J. Shan, "Terahertz electric polarizability of excitons in PbSe and CdSe quantum dots," J. Phys. Chem. C, vol. 111, no. 16, pp. 5904-5908, 2007.

[24] R. R. Alfano, The supercontinuum laser source (Second Edition): Fundamentals with updated references. 2006.

[25] H. Shams, M. J. Fice, K. Balakier, C. C. Renaud, F. van Dijk, and A. J. Seeds, "Photonic generation for multichannel THz wireless communication.," Opt. Express, vol. 22, no. 19, pp. 23465-72, 2014.

[26] A. N. Tsypkin, A. V Okishev, and S. A. Kozlov, "Ultrafast information transfer through optical fiber by means of quasidiscrete spectral supercontinuums," 2015.

[27] A. A. Drozdov, S. A. Kozlov, A. A. Sukhorukov, and Y. S. Kivshar, "Self-phase modulation and frequency generation with few-cycle optical pulses in nonlinear dispersive media," Phys. Rev. A, vol. 86, no. 5, p. 53822, 2012.

[28] P. Gu, M. Tani, S. Kono, K. Sakai, and X. C. Zhang, "Study of terahertz radiation from InAs and InSb," J. Appl. Phys., vol. 91, no. 9, pp. 55335537, 2002.

[29] V. Apostolopoulos and M. E. Barnes, "THz emitters based on the photo-Dember effect," J. Phys. D. Appl. Phys., vol. 47, no. 37, p. 374002, 2014.

[30] V. G. Bespalov, V. N. Krylov, S. E. Putilin, and D. I. Stasel'ko, "Lasing in

the far IR spectral range under femtosecond optical excitation of the InAs semiconductor in a magnetic field," Opt. Spectrosc., vol. 93, no. 1, pp. 148-152, 2002.

[31] V. G. Bespalov et al., "Methods of generating superbroadband terahertz pulses with femtosecond lasers," J. Opt. Technol., vol. 75, no. 10, p. 636, 2008.

[32] J. Hebling, A. G. Stepanov, G. Almasi, B. Bartal, and J. Kuhl, "Tunable THz pulse generation by optical rectification of ultrashort laser pulses with tilted pulse fronts," Appl. Phys. B Lasers Opt., vol. 78, no. 5, pp. 593-599, 2004.

[33] K. L. Yeh, M. C. Hoffmann, J. Hebling, and K. A. Nelson, "Generation of 10 uJ ultrashort terahertz pulses by optical rectification," Appl. Phys. Lett., vol. 90, no. 17, 2007.

[34] Q. Wu and X. C. Zhang, "Free-space electro-optic sampling of terahertz beams," Appl. Phys. Lett., vol. 67, p. 3523, 1995.

[35] Y. Yang, M. Mandehgar, and D. Grischkowsky, "Determination of the water vapor continuum absorption by THz-TDS and Molecular Response Theory.," Opt. Express, vol. 22, no. 4, pp. 4388-403, 2014.

[36] M.-G. Di Benedetto, UWB communication systems: a comprehensive overview, no. v 5. 2006.

[37] N. Smith, "Classical generalization of the Drude formula for the optical conductivity," Phys. Rev. B, vol. 64, no. 15, pp. 1-6, 2001.

[38] I. A. Ryzhikov, A. L. Rakhmanov, and Y. V. Trofimov, "Charge transport mechanisms and photoconductivity of nanoporous granular CdS-CdSe," Microelectron. Eng., vol. 69, no. 2-4, pp. 265-269, 2003.

[39] A. S. Meshkov, E. F. Ostretsov, W. V. Pogosov, I. A. Ryzhikov, and Y. V. Trofimov, "Photoconductivity of CdS-CdSe granular films: influence of microstructure," Semicond. Sci. Technol., vol. 25, no. 6, p. 65013, 2010.

[40] V. Trofimov, N. Survilo, F. Ostretsov, and S. Tivanov, "Physicochemical

features of dielectrical nano- barrier layers in CdSe x Si.x films formed by screen printing method," Lith. J. Phys., vol. 52, no. 3, pp. 219-223, 2012.