КОГЕРЕНТНОЕ ОПТОЭЛЕКТРОННОЕ ВОЗБУЖДЕНИЕ СВЧ И КВЧ КОЛЕБАНИЙ СО СВЕРХШИРОКОПОЛОСНОЙ ПЕРЕСТРОЙКОЙ ЧАСТОТЫ
advertisement
КОГЕРЕНТНОЕ ОПТОЭЛЕКТРОННОЕ ВОЗБУЖДЕНИЕ СВЧ И КВЧ КОЛЕБАНИЙ СО СВЕРХШИРОКОПОЛОСНОЙ ПЕРЕСТРОЙКОЙ ЧАСТОТЫ Г.Г.Акчурин, Ге.Г.Акчурин Саратовский государственный университет имени Н.Г.Чернышевского E-mail: akchuringg@mail.ru Предложен и апробирован нелинейный оптоэлектронный способ возбуждения и сверхширокополосной частотной перестройки электромагнитных колебаний от сотен МГц до сотен ГГц при детектировании излучения инжекционного квантово-размерного полупроводникового лазерного диода с изменяющейся длиной внешнего оптического резонатора. Известен способ получения СВЧ колебаний на основе полупроводникового арсенид-галлиевого диода Ганна [1]. В основе генератора Ганна лежит доменная неустойчивость, которая появляется в арсенид-галлиевом кристалле, если на вольт-амперной характеристике образца появляется участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением N–типа. Перестройка частоты в генераторе Ганна может осуществляться изменением длины СВЧ резонатора, изменением электрического или магнитного поля. С помощью генератора на основе диода Ганна возможно получение как СВЧ, так и КВЧ электромагнитных колебаний. Однако диапазон частотной перестройки таких генераторов ограничен диапазоном не более октавы [2]. Для расширения диапазона генерируемых частот электромагнитных колебаний в дециметровом, сантиметровом и миллиметровом диапазоне при сверхширокополосной перестройке частоты генерации предлагается способ нелинейного-оптоэлектронного преобразования излучения инжекционного лазерного диода с перестраиваемой межмодовой частотой при детектировании когерентного оптического излучения СВЧ арсенид-галиевым полевым транзистором с барьером Шоттки (ПТШ) или сверхскоростными фотодиодами. Перестройку частоты осуществляют изменением длины внешнего резонатора лазера при условии оптического просветления внутренней грани кристалла лазерного диода. Выходное излучение лазерного диода фокусируется в затворную область СВЧ или КВЧ полевого транзистора с барьером Шоттки, а усиленные электромагнитные колебания, возникающие на стоковом выходе ПТШ имеют частоту электромагнитных колебаний, определяемую из соотношения ν = q∙ c/[2(L(z) + Li∙ n)] (1), где: L(z) - длина внешнего перестраиваемого резонатора, Li – длина активного кристалла полупроводникового инжекционного лазерного диода, n- показатель преломления активной области лазера, q=1,2,3…целые числа, с – скорость света в вакууме. Типичный диапазон частотной перестройки при изменении длины внешнего резонатора представлен на Рис.1. 100 80 60 ГГц S… 40 20 0 0 50 мм 100 Рис.1. Верхний диапазон возбуждаемых частот может достигать терагерцового диапазона и ограничен в настоящее время быстродействием полупроводниковых pin или лавинных фотодиодов, СВЧ полевых ПТШ на арсениде галлия или графене, а также вакуумных туннельных микрофотодиодов с наноструктурированными углеродными эмиттерами в сильных электростатических полях [3]. В результате фотоэффекта при гетеродинировании продольных мод лазерного диода с внешним резонатором происходит динамическая инжекция электронной плотности в обедненной затворной области ПТШ, изменяющаяся во времени обратно пропорционально частоте частоте межмодовых биений лазерных мод [4,5]. Экспериментальная установка по оптоэлектронному возбуждению СВЧ колебаний представлена на Рис.2. Рис.2. Блок-схема экспериментальной установки:1,2,3- стоковый, истоковый и затворный микроэлектроды арсенид-галлиевого полевого СВЧ транзистора с барьером Шоттки; 4-цилиндрическая микролинза; 5- арсенид-галлиевый инжекционный лазерный диод, одна из двух излучающих граней кристалла просветлена с помощью вакуумного напыления соответствующего диэлектрического покрытия с остаточным коэффициентом отражения менее 0.5%; 6-стабилизированный источник питания лазерного диода; 7-микрообъектив или микролинза; 8-высоко-отражающее плоское зеркало, укрепленное на однокоординатном сканере;9- устройство управления сканером; 10,11- стабилизированные источники напряжения для создания рабочего напряжения на затворе и стоке ПТШ. В проводимых нами экспериментах при гетеродинировании использовались арсенид-галиевые СВЧ полевые транзисторы с барьером Шоттки с шириной запрещенной зоны 1.45 эВ и инжекционные GaAlAS гетеролазеры с длиной волны 820 нм с энергией фотона E(эВ)=1240/λ(нм), равной 1.55-1.46 эВ. Проведенные эксперименты позволили получить перестраиваемые СВЧ колебания от 150 МГц (L=1м) до 37.5 ГГц (L=3 мм) при перестройке длины внешнего резонатора в инжекционном лазерном диоде с просветленной гранью кристалла длиной 250 микрон при детектировании лазерных полей с помощью СВЧ арсенид-галлиевых ПТШ. При этом частота и мощность СВЧ сигнала с согласованного стокового выхода ПТШ анализировалось с помощью спектроанализатора С 4-60. Проведенные эксперименты по исследованию частотной стабильности полученных спектральных характеристик полученных СВЧ колебаний показали, что стабильность частоты электромагнитных колебаний в сантиметровой области составляет Δν/ν =10-5-6 . Исследование энергетических характеристик предлагаемого генератора, показали, что в настоящее время существуют лазерные диоды с оптической мощностью 50 мВт и при типичной эффективности нелинейного преобразования S=0.5 А/Вт на 50 Ом нагрузке должна выделятся СВЧ мощность в 25 мВт, что соизмеримо с выходной мощностью стандартных СВЧ генераторов., но не обладающих таким сверхширокополосным диапазоном перестройки частоты. Библиографический список 1.Gunn J.B. //Solid State Commun.1963.1(4).P.88-91. 2.Шур М. Современные галлия.М.:Мир1991.C.632. приборы на основе арсенида- 3. Zhang Y., et al. Broadband high photoresponse from pure monolayer graphene photodetector //Nature Communications. 2013.V.4. 4. Акчурин Г.Г., Сучков С.Г. Возбуждение СВЧ сигнала в ПТШ с помощью лазерного излучения // Известия ВУЗ.Электроника.1996. № 1-2. С. 99-105. 5. Акчурин Г.Г. Патент RU 2494526. опубл.10.10.2011.Бюл.№28.
