Приёмопередатчики терагерцового диапазона частот

Для создания интегральных схем нужно укротить электромагнитный спектр. Если вы хотите создать или захватить фотоны видимого излучения, на выбор есть много компактных устройств, включающие миниатюрные фотодиоды и лазеры на светодиоды и тонкие приборы с зарядовой связью. И если вы хотите усилить или послать радиосигнал, есть огромное число приёмников, передатчиков и антенн в соответствии с вашими потребностями.

Но ИМС не работают во всём спектре. Одна полоса не освоена. Это границы терагерцевого диапазона, который простирается от высоких радиочастот до самых низких частот инфракрасного света. За прошедшие десятилетия инженеры сделали много попыток для создания компактных твердотельных устройств, которые могут использовать эту полосу, но терагерцовое излучение оказалось особенно сложным в использовании.

Почему это важно? Дело в том, что терагерцовое излучение обещает много неинвазивной визуализации в промышленности, медицине и безопасности. В отличие от рентгеновских лучей, волны терагерцового диапазона несут слишком мало энергии, чтобы выбить электроны из атомов, которые могут повредить живые ткани. И в связи с их более короткой длиной волны они могут давать снимки, которые гораздо контрастнее, чем те, что сделаны на СВЧ, нынешней безопасной альтернативой получения изображений.

Терагерцовые волны также занимают уникальное окно электромагнитного спектра, где большое количество молекул испускает и поглощает излучение. Произведённые сигналы, когда молекула подскакивает среди вращающихся, формируют уникальный и очень отличительный химический отпечаток пальца. Если мы можем разработать компактные, лёгкие в изготовлении спектрометры на терагерцах, которые могут обнаружить эти отпечатки пальца, мы могли бы, например, использовать их, чтобы опознать элементы в дыхании пациента или сигнализировать о потенциально опасном веществе.

В течение долгого времени эти виды применений были вне досягаемости. До недавнего времени единственные источники, способные к созданию существенной мощности в терагерцовом диапазоне были изготовлены на заказ. Они не менее тяжёлые, чем все оптические столы, трудны для транспортировки и калибровки и могут стоить сотни тысяч долларов.

Но последние исследования показали, что миниатюрные источники могут быть столь же мощными.И мы использовали эти источники, чтобы сделать первые интегрированные устройства, которые могут одновременно излучают и принимают терагерцовое излучение. Эти устройства являются доказательством того, что терагерцового сигналы могут быть обработаны в маленьком, портативном и лёгком девайсе. Впервые мы можем представить себе светлое будущее для терагерцовой технологии, переполненной инновациями.

Интегральная схема существует более 50 лет, но конструкция, которая может работать на частотах терагерцового диапазона, не является тривиальной.Может быть не сразу понятно, почему это так. В конце концов, электромагнитное излучение, будь то движение электронов через канал транзистора или вытекающих из далекого квазара, сводится к одному процессу: распространение электрических и магнитных полей.

Но материалы чувствительны к частоте. Даже дестикратное увеличение может иметь большое влияние на производительность устройства. В результате на протяжении многих лет существует по сути дела два типа ИМС.Низкочастотные волны доминируют в области твердотельной электроники, где полупроводниковые транзисторы управляют всем, от тока с ленивыми колебаниями 60 герц до радиолокационной и спутниковой связи около сотни гигагерц. Тысячекратное увеличение частоты за радиосферу требует твердотельной фотоники, где полупроводниковые светодиоды, лазеры и волноводы используются для создания и управления в ближнем инфракрасном, видимом и ультрафиолетовом свете.

Эти две сферы – миры электроники и фотоники, привели, казалось бы, к бесконечному множеству продуктов, которые вплели себя в ткань современной жизни. Но терагерцовый диапазон между несколькими сотнями гигагерц до 30 терагерц доказал, что его не так легко эксплуатировать.

Чтобы сделать что-то подобное терагерцовому приёмопередатчику, устройству, которое способно излучать и обнаруживать терагерцовое излучение, можно подумать, что нужно сделать несколько корректировок в обычных электронных или фотонных трансиверах. Но ни одна технология не подходит для этой задачи.

Например, если вы попытаетесь настроить радиопередатчик на фиксированную частоту терагерцового диапазона, вы быстро столкнётесь с фундаментальными физическими ограничениями. Быстроменяющееся напряжение высокой частоты переменного тока может оказывать сильное электромагнитное влияние на транзисторы трансивера, что приводит к паразитным сопротивлениям и ёмкостям, которые снижают мощность устройства. Ещё более важно ограничение в скорости быстрых электронов. Через несколько десятых терагерц частота колебаний становится настолько высокой, что электрон не может пересечь канал транзистора от истока к стоку без изменения полярности своего напряжения, вызывая поток электронов в обратном направлении и закрывая транзистор.

Достижение терагерцовой границы с фотонной стороны – тоже не подарок. Для получения света от светодиодов или полупроводникового лазера вам нужен способ для возбуждения электронов, чтобы они могли тормозиться, переходить в более низкое энергетическое состояние и излучать фотоны. Этот механизм используется для видимого и инфракрасного света. Продуцирование нижних частот излучения в терагерцовом диапазоне должно быть ещё проще. Вам нужно только поставлять электроны с крошечной ударной энергией в 0,004 электрон-вольт, что менее одного процента, нужного для создания видимого света.

Но, оказывается, существует ряд проблем, связанных с этим подходом. Первая – недостаток практических материалов с такой небольшой шириной запрещенной зоны. Ещё одной проблемой является то, что небольшой скачок энергии, на самом деле, слишком мал: электрон при средней комнатной температуре получает тепловой удар от окружающей среды, который в шесть раз больше, чем нужно для терагерц. Эти тепловые электроны легко прыгают с одного энергетического уровня на другой, и очень трудно нагнать достаточно электронов в нужное энергетическое состояние, чтобы использовать свет. Уменьшить проблему тепловой энергии можно, если снизить температуру, но она не уходит навсегда. Даже когда светодиод охлаждается, вы обнаружите, что питание устройства быстро падает, когда частота опускается за несколько десятков ТГц.

Фото: Национальные лаборатории Sandia

Приёмопередатчик терагерцового диапазона (справа) использует горизонтальный лазер, чтобы накачать диод в его центре. Волноводы (в центре) выводят СВЧ сигналы приемопередатчика. Всё устройство (слева) установлено на медной пластине, таким образом оно может быть охлаждаться. Коаксиальный разъём нужен для вывода сигнала от микросхемы.

Ясно, что создание приемопередатчика, который может работать на терагерцовых частотах, требует различного подхода. И в 2005 году, в Национальных лабораториях Сандия в Альбукерке мы приступили к выяснению, каким мог бы быть этот подход. Наша цель состояла в том, чтобы создать терагерцовый аналог широкораспространённого радиоустройства: гетеродинного приемопередатчика. Чтобы работать, устройство нуждается в двух компонентах: местный, стабильный источник электромагнитных волн с точной частотой и смеситель, который может объединить поступающее излучение со светом, произведённым этим местным источником. Смеситель в гетеродинном приёмопередатчике создаёт новый сигнал с частотой, равной разности частот между двумя источниками излучения. Эта свойство идеально для обнаружения сигналов терагерцовых частот: гетеродин выдаёт СВЧ сигналы, которые, в отличие от терагерцового излучения, могут быть легко обработаны существующими высокоэффективными электронными устройствами обработки сигнала.

Удобные компактные смесители, которые работают в терагерцовом диапазоне, много лет делались в виде диодов Шоттки, простых устройств из металла и полупроводника. Эти диоды превосходно показали себя как радио-датчики телескопов и в поднимаемых на аэростатах и спутниковых мониторах верхней атмосферы Земли.

Но практических источников терагерцовых сигналов, способных включать эти диодные смесители, почти нет. В течение многих десятилетий излучение выше 1 THz создавлось в трубе газа или вакуума с лазером или лучом электронов. У этих источников большие внеполосные излучения, и свет, который они дают, должен управлять системой тщательно юстированных зеркал и линз. Мобильность - трудный и дорогой выбор.

К счастью, на подходе альтернативный источник терагерцовых сигналов. Тот, который может выпускаться серийно и требует только нескольких миллиметров чипа. Технология получила свое начало в начале 1990-ых, когда два физика Белл лабораторий, Federico Capasso и Jérôme Faist нашли способ обойти естественные ограничения полупроводниковых материалов. Они обнаружили, что можно создать сильный и настраиваемый источник инфракрасного излучения переменными слоями полупроводников с большими и маленькими энергиями запрещённой зоны. Электроны ограничены маленькими слоями запрещенной зоны, и когда приложено напряжение, они могут сбросить энергию и испустить фотон. Можно сделать сотни идентичных переходов снижения энергии как электронные туннели в многослойном устройстве. Создавая каскад, который производит дополнительный свет с каждым сбросом. Команда назвала устройство квантовым каскадным лазером (quantum cascade laser, QCL).

Оригинальные QCLы не были истинными терагерцовыми устройствами; они работали в средне-инфранизких частотах от 30 до 80 THz. Но в 2002 году, команда исследователей в Университете Пизы и Университете Кембриджа представила QCL, который хорошо работал ниже 4.4 THz. Это новое устройство было способно генерировать милливаттную мощность, что сравнимо с выходной мощностью неуклюжих настольных источников.

Новый QCL был проявлением торжества точной инженерии. Устройство имело электронные энергетические уровни, которые отличались одной десятой от энергии предыдущих лазеров. Создание этих уровней потребовало почти атомарного уровня контроля над толщинами слоёв полупроводника – и способность обеспечить этот контроль, выращивая много сотен слоёв в процессе, который мог продлиться более 20 часов.

Иллюстрация: Эмилия Купер; Изображение: Национальные лаборатории Sandia

Прямая связь
Часть диода приёмопередатчика, который действует как датчик терагерцового сигнала, встроена в отверстие в главном слое квантового каскадного лазера. Используется терагерцовое излучение лазера, чтобы непосредственно накачать диод, избавляясь от необходимости зеркал и линзы.

С появлением этого компактного источника терагерцовых волн у нас теперь были оба из компонентов. Мы должны были построить миниатюрные приёмопередатчики терагерцовых волн. Но когда мы начали работать с такими устройствами в 2005 г., мы скоро поняли, что самое очевидное расположение QCL и диодного смесителя Шоттки рядом на одном чипе не только неэлегантно, но также и чревато проблемами.

Ключевой вопрос – как направить излучение от QCL в диодный смеситель. QCLы испускают терагерцовое излучение в довольно широком угле 30 градусов, или больше, в зависимости от типа используемого волновода. Только маленькая фракция этого света может быть излучена в диод.

Поэтому вместо того, чтобы поставить QCL и диод Шоттки в отдельных областях на чипе, мы попытались сложить их. Верхний слой электрического контакта QCL и катод высокочастотного диода Шоттки сделаны из того же самого материала: тяжело легированный слой полупроводникового арсенида галлия (GaAs). В принципе, эти два устройства можно разместить на общем монолитном слое GaAs.

Объединение этих двух устройств позволяет нам подводить мощность из местного источника к смесителю без любых зеркал, линз или волноводов. Стратегия эффективного помещения диода во внутреннее излучение самого QCL позволила нам использовать в своих интересах малоиспользуемое свойство лазеров. Большая часть произведенного света отражается назад, таким образом излучение в лазерном пятне значительно более сильное, чем появляющееся. Для QCLей внутренняя мощность до 20 раз больше выходной. Слияние диода с QCL позволяет нам получать доступ к этой интенсивной внутренней области. Тогда вся выходная мощность QCL могла быть посвящена передаче терагерцового излучения.

Чтобы объединить устройства, мы должны были создать отверстие сверху QCL для анода диода. Вначале мы волновались, что отверстие разрушит процесс излучения когерентного света. К счастью, делая дыру как можно меньше, мы были в состоянии минимизировать влияние любых воздействий на устройство.

Но в создании этого монолитного проекта были другие препятствия. Хотя и QCL и диод Шоттки использовали слой GaAs, у устройств весьма различные требования к легированию. В конце концов мы разработали двойной слой, содержащий две различных легированных области, хотя немного косяков в работе было неизбежно.

Теперь у нас был рабочий приёмопередатчик, который требовал три базовых проверки. Первая должна была показать, что QCL соединился с диодом. Для этого мы сделали наш QCL так, чтобы он излучал на многих кратных частотах с центром примерно 2.8 THz и с шагом 13 гигагерц. Когда мы искали сигнал от диода, мы нашли сигнал 13 ГГц, доказав, что диод был непосредственно сцеплён с внутренней электромагнитной областью QCL.

Чтобы доказать, что устройство могло обнаружить внешние сигналы, мы посветили на приёмопередатчик излучением в 2.841143 THz от стандартного стационарного молекулярного газового лазера. Измеряя, как изменяется напряжение на аноде диода, мы нашли несколько сигналов, все с частотами, которые соответствовали разнице между частотой внешнего света и модами QCL.

Наконец, чтобы считать устройство истинным приёмопередатчиком, мы должны были показать, что оно могло одновременно излучить в терагерцовом диапазоне, осветить и обнаружить то, что возвратилось. Мы сделали это, помещая зеркало в вибрирующую поверхность стерео громкоговорителя. Когда свет от QCL подпрыгнул от этого движущегося зеркала, его частота сдвинулась. Мы нашли, что различие частот между светом QCL и отраженным светом немедленно появилось в выходном сигнале от диода.

Всё говорило о том, что наша первая рабочая схема, включая монтажную плату с необходимыми электрическими соединителями, но без криостата для QCL была размером два квадратных сантиметра и весила 14 граммов. Это не наименьшая интегральная схема, но это довольно далеко от систем, основанных на электронной лампе, которые могут легко занять квадратный метр места и весить дюжины килограммов.

Но есть всё ещё несколько практических проблем, которые должны будут быть преодолены прежде, чем эти приёмопередатчики могут быть изготовлены оптом и помещены в блоки формирования изображений и датчики. Одно ключевое ограничение – то, что терагерцовый QCL должен быть охлаждён до криогенных температур, чтобы выдать существенное количество мощности. Но сообщество QCL очень улучшило требования к охлаждению. Первые устройства должны были быть охлаждены к в пределах нескольких степеней абсолютного нуля. В последние несколько лет базовые терагерцовые QCLы, разработанные в Массачуссетском технологическом институте и Sandia, достигли 186 Кельвинов. Это всё ещё весьма низкая температура, почти 100° C, более холодная, чем точка замерзания воды. Но это рядом к точке, где могут использоваться термоэлектрические холодильники, чтобы охладить устройства. И мы ожидаем, что рабочие температуры продолжат повышаться.

Другое препятствие – чувствительность. Современные настольные датчики в несколько тысяч раз более чувствительны, чем эти первые интегрированные приёмопередатчики терагерцовых волн. Но мы ещё не попытались оптимизировать концепцию работы этих устройств, и мы ожидаем, что есть способы улучшить их чувствительность. Добавление антенны на диод, например, может помочь повысить силу поступающих сигналов. Включение диода более глубоко в вершине QCL может также улучшить чувствительность, давая более высокую мощность устройству, которое должно облегчить смешивать свет QCL с внешними сигналами.

Конечно, у терагерцовых датчиков будут свои пределы. Например, одно и то же свойство, которое делает идеальным терагерцовую химическую идентификацию, мешает обнаруживать вещества даже на довольно коротких расстояниях. Много молекул, включая водяной пар, хорошо поглощают свет. Даже самый чувствительный терагерцовый датчик вероятно не будет в состоянии принять низкочастотные терагерцовые волны, которые приходят более чем на расстоянии в несколько сотен метров.

Таким образом, действительно ли интегральные схемы, основанные на QCL, это путь к заполнению дыры в полосе терагерцовых волн? Как и с любой областью активного исследования, нет никакого общего согласия по лучшему пути вперёд.

QCL, как теперь показано, испускает свет ниже 1.2 THz. И выходная мощность QCL теперь наравне с мощностью традиционных источников на лампах. Миниатюрные лазеры, как было показано, были эффективными источниками для устройств отображения, давая качественные видео сканы до 30 фреймов в секунду.

Даже в этом случае, исследователи настойчиво исследуют другие способы генерировать и обнаруживать терагерцовое излучение. Как QCL, эти альтернативные источники также используют методы, которые подходят без прямых экстраполяций к транзисторам или светодиодным технологиям. Некоторые группы используют инфракрасные лазеры, чтобы сделать устройства, которые могут излучить импульс длиной в пикосекунду, который испускает широкий диапазон терагерцового излучения. Другие экспериментируют с более экзотическими технологиями, включая цепи на сверхпроводимости и способы преобразовать инфракрасный свет, испускаемый диодными лазерами ниже терагерцовых частот.

В будущем у этих методов могут быть преимущества перед подходом на основе QCL. Поскольку это устройство испускает свет на единственной определённой частоте, нетеродинный приемопередатчик на основе QCL будет работать лучше всего, когда вы будете знать определённую частоту, которую вы надеетесь обнаружить. Это не удовлетворят широкому спектру приложений, таких как идентификация неизвестного материала, где пики и впадины в его спектре будут на неизвестных частотах. Другие методы предлагают очень широкий диапазон частот, хотя они делают это за счёт мощности и яркости. Но мы можем видеть, что много технологий постепенно стирают границы терагерцовых волн.