19.11.2019 
  

В Лаборатории неравновесных электронных процессов ИФТТ РАН был разработан твёрдотельный спектрометр, представляющий собой массив широкополосных плазмонных детекторов, каждый из которых располагается в микрорезонаторе фотонного кристалла. Микрорезонатор фотонного кристалла обеспечивает селективность по частоте, тогда как плазмонный детектор преобразование излучения на выделенной частоте в измеряемый сигнал фотонапряжения или фототока. Данное устройство может использоваться в разнообразных областях науки и техники: молекулярной спектроскопии, космических исследованиях, биологии, медицинской томографии, системах высокочастотной беспроводной связи.

Рис. 1. Микрофотография микрорезонатора фотонного кристалла со встроенным детектором. Постоянная треугольной решетки равна а = 292 мкм, толщина полупроводниковой пластины h = 200 мкм. (b) Микрофотография поперечного сечения фотонного кристалла. (c) Держатель образца с установленным фотонным кристаллом. Под всем кристаллом в держателе расположено квадратное отверстие. (d) Схема поперечного сечения держателя с установленным образцом.

В последние годы наблюдается всплеск исследовательской активности в области субтерагерцового и терагерцового излучения (от 100 ГГц до 3 ТГц). Такой интерес вызван уникальными свойствами терагерцового диапазона, благодаря которым он имеет множество потенциальных применений. Однако его спектральное расположение между оптическими и микроволновыми частотами препятствует развитию компактных систем генерации и спектроскопии терагерцового диапазона. Это приводит к увеличению потребности в компонентах, которые могут использоваться для управления TГц-излучением на чипе. Вместе с тем, ограничивать свет и контролировать его скорость труднее, чем управлять электронами в среде. Ожидается, что фотонные кристаллы могут решить данную проблему, позволяя манипулировать поведением света в средах за пределами обычных ограничений. Однако в настоящее время фотоника недостаточно универсальна, и многие стандартные электронные функции, такие как память и логика, не могут быть достигнуты только с помощью ТГц фотоники. По этой причине исследование гибридных фотонно-кристаллических электронных структур имеет столь большое значение.

Ранние эксперименты на ТГц фотонных кристаллах в основном были сосредоточены на структурах, свободных от дефектов. Их основная задача заключалась в исследовании свойств периодических сред. Выбор ТГц частотного диапазона был продиктован простотой изготовления экспериментальных образцов. Однако ясно, что, как и для оптических частот, основная польза ТГц фотонных кристаллов основана на включении дефектов для нарушения их периодичности и возбуждения локализованных резонаторных фотонных мод. Первые терагерцовые эксперименты на фотонных кристаллах со встроенными дефектами продемонстрировали существование высокодобротных фотонных резонаторных мод. Исследования гибридных электронных устройств со встроенными фотонными кристаллами были начаты в работах по терагерцовым квантово-каскадным лазерам с электрической накачкой на базе фотонных кристаллов. Применение фотонно-кристаллической технологии позволило одновременно управлять спектральными и пространственными характеристиками лазерных мод.

Рис. 2. Принципиальная схема спектрометра микроволнового-терагерцового излучения на основе фотонных кристаллов. Цифрами обозначены: фотонные кристаллы (1), микрорезонаторы (2), плазмонные детекторы (3), металлические межсоединения (4), пластина фотонных кристаллов (5), блок преобразования сигналов (6), компьютер (7), электромагнитное излучение (8).

Для тестовых экспериментов пластина фотонных кристаллов и плазмонные детекторы изготавливались в едином литографическом процессе из пластины арсенида галлия GaAs с двумерным электронным слоем в GaAs/AlGaAs гетеропереходе. Двумерный электронный слой был необходим для изготовления плазмонного детектора. Электронная плотность двумерных электронов при комнатной температуре составляла 6×1011 см-2 при соответствующей подвижности электронов 6000 см/В∙с. Толщина пластины фотонных кристаллов составляла 200 микрон. В пластине методом глубокого плазменного травления были изготовлены периодически расположенные сквозные отверстия, образующие фотонные кристаллы. Исследовались фотонные кристаллы с периодами треугольной решётки a = 247, 292, 343, 374, 411, 544, и 816 микрон. Диаметр сквозных отверстий составлял d = 0.6a, общий размер образца 6х6 мм2 (Рис. 1). Микрорезонатор представлял собой ряд из трёх отсутствующих отверстий в центре фотонного кристалла (Рис. 1). Широкополосный детектор располагался в центре микрорезонатора.

На рисунке (2) приведена принципиальная схема спектрометра микроволнового и терагерцового излучения на основе фотонных кристаллов. Спектрометр содержит массив фотонных кристаллов (1), в которых сформированы микрорезонаторы (2). В каждый из микрорезонаторов (2) вставлен один или несколько широкополосных плазмонных детекторов (3), которые при помощи металлических межсоединений (4) соединены с периферией кристалла спектрометра (5). Сигнал фотонапряжения/фототока с детекторов (3) по линиям (4) поступает в блок преобразования сигналов (6), где усиливается, оцифровывается и мультиплицируется. Тем самым сигнал преобразуется в совместимый с компьютерными интерфейсами формат, после чего поступает на компьютер (7).

Принцип действия прибора основан на частотной селективности микрорезонаторов. Электромагнитное излучение (8), спектр которого надо измерить, направляется на кристалл спектрометра (5). Каждый из фотонных кристаллов (1) с микрорезонатором (2) обеспечивают селективность на определенной частоте f. Таким образом, в микрорезонаторе (2) резонансно усиливается лишь спектральная компонента f исследуемого излучения (8). Её мощность и измеряется плазмонным детектором (3), расположенным в микрорезонаторе (2). Матрица из N детекторов, помещенных в микрорезонаторы фотонных кристаллов, каждый из которых настроен на свою собственную частоту fi (i=1,2 … N), детектирует мощности спектральных компонент fi исследуемого излучения. Эта процедура и представляет собой спектроскопию электромагнитного излучения (8).

На рисунке 3 представлены экспериментальные кривые сигнала фотонапряжения на плазмонных детекторах, расположенных в микрорезонаторах фотонных кристаллов с периодами a = 411, 374 и 343 микрон, измеренные в зависимости от частоты падающего монохроматического электромагнитного излучения. На всех трёх кривых присутствуют острые резонансы в фотоотклике плазмонного детектора (отмечены на рисунке стрелками), положение которых сдвигается с изменением периода решетки фотонного кристалла a. На левой вставке к рисунку представлена зависимость частоты резонансов от обратной величины периода решётки фотонного кристалла. Точками показаны экспериментальные данные, сплошной линией – теоретически рассчитанная зависимость. Теория и эксперимент хорошо согласуются между собой, и показывают, что период фотонного кристалла определяет спектральную компоненту fi исследуемого излучения, которую детектирует приемник. На правой вставке к рисунку 3 изображен резонансный контур фотоотклика, измеренный с детектора, расположенного в микрорезонаторе фотонного кристалла с периодом решётки a = 374 мкм и диаметром отверстий d = 0.4 a, что меньше, чем на основном рисунке Эксперимент показывает, что резонансная частота испытывает красное смещение по сравнению с фотонным кристаллом с параметрами d = 0.6a. Уменьшение диаметра отверстий приводит к увеличению размера микрорезонатора, и, в свою очередь, к уменьшению резонансной частоты с f = 231 ГГц до f = 209 ГГц. На этой же вставке показана подгонка резонансного контура по формуле Лоренца (пунктирная кривая), исходя из которой определялась добротность резонанса. Для данного фотонного кристалла была получена рекордная селективность Δf = 1.0 ГГц (добротность Q = 210).

Рис. 3. Зависимость отклика от частоты излучения для детекторов, встроенных в фотонные кристаллы с периодами a = 411 мкм, 374 мкм и 343 мкм, толщиной h = 200 мкм и диаметром отверстий d = 0.6a. Стрелочками отмечено положение резонансной частоты для соответствующего фотонного кристалла. Кривые сдвинуты по вертикали для наглядности. Левая вставка: зависимость частоты резонансов от обратной величины периода решётки фотонного кристалла. Правая вставка: резонансный контур фотоотклика детектора в микрорезонаторе фотонного кристалла с периодом решетки a = 374 мкм и диаметром отверстий d = 0.4a (Q = 210).
Контакты

Контакты

Телефон:
8(496) 52 219-82
+7 906 095 4402

Факс:
+7(496) 522 8160
8(496) 522 8160

Почтовый адрес:
ИФТТ РАН, Черноголовка, Московская обл., ул.Академика Осипьяна д.2, 142432, Россия

E-mail:
Вебмастер
Ученый секретарь

WWW:
www.issp.ac.ru