mireabulletinRussian Technological JournalRussian Technological Journal2782-32102500-316XRTU MIREA10.32362/2500-316X-2023-11-2-50-57mireabulletin-654Research ArticleМИКРО- И НАНОЭЛЕКТРОНИКА. ФИЗИКА КОНДЕНСИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯMICRO- AND NANOELECTRONICS. CONDENSED MATTER PHYSICSПовышение эффективности оптико-терагерцового преобразователя за счет профилированных сапфировых волоконImproving the efficiency of an optical-to-terahertz converter using sapphire fibershttps://orcid.org/0000-0002-7932-1821ЗенченкоН. В.ZenchenkoN. V.

Зенченко Николай Владимирович, научный сотрудник, Институт сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники им. В.Г. Мокерова Российской академии наук; научный сотрудник, Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук ; старший преподаватель кафедры наноэлектроники Института перспективных технологий и индустриального программирования ФГБОУ ВО «МИРЭА – Российский технологический университет»

Scopus Author ID 56891470400,  ResearcherID K-2233-2015

117105, Москва, Нагорный проезд, д. 7, стр. 5; 119991, Москва, ул. Вавилова, д. 38; 119454, Москва, пр-т Вернадского, д. 78

 

 

Nikolay V. Zenchenko, Researcher, V.G. Mokerov Institute of Ultra High Frequency Semiconductor Electronics, Russian Academy of Sciences ; Researcher, Prokhorov General Physics Institute, Russian Academy of Sciences ; Senior Lecturer, Department of Nanoelectronics, Institute for Advanced Technologies and Industrial Programming, MIREA – Russian Technological University

Scopus Author ID 56891470400, ResearcherID K-2233-2015

7/5, Nagorny pr., Moscow, 117105 Russia; 38, Vavilova ul., Moscow, 119991 Russia;  (8, Vernadskogo pr., Moscow, 119454 Russia

zenchenko.nikolay@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-8594-7855ЛаврухинД. В.LavrukhinD. V.

Лаврухин Денис Владимирович, научный сотрудник, Институт сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники им. В.Г. Мокерова Российской академии наук; научный сотрудник, Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук

Author ID 55794617500, ResearcherID K-2107-2014 

117105, Москва, Нагорный проезд, д. 7, стр. 5; 119991, Москва, ул. Вавилова, д. 38

Denis V. Lavrukhin, Researcher, V.G. Mokerov Institute of Ultra High Frequency Semiconductor Electronics, Russian Academy of Sciences; Researcher, Prokhorov General Physics Institute, Russian Academy of Sciences

Scopus Author ID 55794617500, ResearcherID K-2107-2014

7/5, Nagorny pr., Moscow, 117105 Russia; 38, Vavilova ul., Moscow, 119991 Russia

denis_lavruhin@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-0477-608XГлинскийИ. А.GlinskiyI. A.

Глинский Игорь Андреевич, научный сотрудник, Институт сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники им. В.Г. Мокерова Российской академии наук); научный сотрудник, Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук; старший преподаватель кафедры наноэлектроники Института перспективных технологий и индустриального программирования ФГБОУ ВО «МИРЭА – Российский технологический университет»

Scopus Author ID 57190616854, ResearcherID I-4334-2015

117105, Москва, Нагорный проезд, д. 7, стр. 5; 119991, Москва, ул. Вавилова, д. 38; 119454, Москва, пр-т Вернадского, д. 78

Igor A. Glinskiy, Researcher, V.G. Mokerov Institute of Ultra High Frequency Semiconductor Electronics, Russian Academy of Sciences); Researcher, Prokhorov General Physics Institute, Russian Academy of Sciences; Senior Lecturer, Department of Nanoelectronics, Institute for Advanced Technologies and Industrial Programming, MIREA – Russian Technological University

Scopus Author ID 57190616854, ResearcherID I-4334-2015

7/5, Nagorny pr., Moscow, 117105 Russia; 38, Vavilova ul., Moscow, 119991 Russia;  8, Vernadskogo pr., Moscow, 119454 Russia

glinskiy.igor@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9567-8927ПономаревД. С.PonomarevD. S.

Пономарев Дмитрий Сергеевич, кандидат физико-математических науку, доцент, заместитель директора по научной работе, ведущий научный сотрудник, Институт сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники им. В.Г. Мокерова Российской академии наук ; ведущий научный сотрудник, Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук

Scopus Author ID 37124831400, ResearcherID K-1632-2014

117105, Москва, Нагорный проезд, д. 7, стр. 5; 119991, Москва, ул. Вавилова, д. 38

 

Dmitry S. Ponomarev, Cand. Sci. (Phys.-Math.), Deputy Director, Leading Researcher, V.G. Mokerov Institute of Ultra High Frequency Semiconductor Electronics, Russian Academy of Sciences; Leading Researcher, Prokhorov General Physics Institute, Russian Academy of Sciences

Scopus Author ID 37124831400, ResearcherID K-1632-2014

7/5, Nagorny pr., Moscow, 117105 Russia; 38, Vavilova ul., Moscow, 119991 Russia; 

ponomarev_dmitr@mail.ruИнститут сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники им. В.Г. Мокерова Российской академии наук; Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук; МИРЭА – Российский технологический университетРоссияV.G. Mokerov Institute of Ultra High Frequency Semiconductor Electronics, Russian Academy of Sciences; Prokhorov General Physics Institute, Russian Academy of Sciences; MIREA – Russian Technological UniversityRussian FederationИнститут сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники им. В.Г. Мокерова Российской академии наук; Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наукРоссияV.G. Mokerov Institute of Ultra High Frequency Semiconductor Electronics, Russian Academy of Sciences; Prokhorov General Physics Institute, Russian Academy of SciencesRussian Federation2023080420231125057Copyright © Зенченко Н.В., Лаврухин Д.В., Глинский И.А., Пономарев Д.С., 20232023Зенченко Н.В., Лаврухин Д.В., Глинский И.А., Пономарев Д.С.Zenchenko N.V., Lavrukhin D.V., Glinskiy I.A., Ponomarev D.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.rtj-mirea.ru/jour/article/view/654Цели

Цели. Цель работы – повышение эффективности фотопроводящего ТГц-излучателя большой площади на основе оптико-терагерцового преобразователя (ОТП) (излучающая область составляет 0.3 × 0.3 мм2) для генерации мощного ТГц-излучения с помощью применения в качестве фокусирующей оптики массива плотноупакованных профилированных сапфировых волокон диаметром в диапазоне 100–300 мкм.

Методы

Методы. В качестве фотопроводящей подложки использовался полубесконечный слой LT-GaAs (LT, lowtemperature grown GaAs – слой GaAs, выращиваемый методом молекулярно-лучевой эпитаксии при пониженной температуре роста). Далее следуют слои Si3N4 и Al2O3 для снижения токов утечки в ОТП и уменьшения отражения импульса лазерной накачки от границы «воздух/полупроводник» (френелевские потери) соответственно. Ширина зазора составляет 10 мкм, система металлов Ti/Au используется для формирования электродов антенны и подводящих полосков. Моделирование проводилось методом конечных элементов в среде COMSOL Multiphysics.

Результаты

Результаты. Продемонстрирована способность профилированного сапфирового волокна после оптимизации диаметра относительно параметров зазора значительно увеличить концентрацию носителей заряда в непосредственной близости к электродам ОТП. Определена интегральная эффективность фотопроводящего ТГц-излучателя большой площади с учетом микрополосковой топологии массива с характерным размером подводящих полосков, пропорциональным ширине зазора в ОТП, и с верхним (маскирующим) металлическим слоем. Максимальная локализация электромагнитного поля в непосредственной близости к краям электродов на интерфейсе «волокно/полупроводник» достигается при диаметре профилированного сапфирового волокна, равном 220 мкм.

Выводы

Выводы. Путем оптимизации диаметра сапфирового волокна продемонстрирована возможность увеличения в ~40 раз локализации падающих электромагнитных волн в непосредственной близости к краям электродов ОТП по сравнению со случаем без волокна, а также повышение до ~7–10 раз общей эффективности излучателя большой площади.

Objectives

Objectives. The study aims to improve the efficiency of a large-area photoconductive terahertz (THz) emitter based on an optical-to-terahertz converter (OTC) having a radiating area of 0.3 × 0.3 mm2 for generating high-power THz radiation by using an array of close-packed profiled sapphire fibers having a diameter in the range of 100–300 μm as focusing optics.

Methods

Methods. As a photoconductive substrate, we used a semi-infinite LT-GaAs layer (low-temperature grown GaAs; GaAs layer grown by molecular beam epitaxy at a low growth temperature). Additional Si3N4 and Al2O3 layers are intended for reducing leakage currents in the OTC and reducing the reflection of the laser pump pulse from the air/semiconductor interface (Fresnel losses), respectively, at a gap width of 10 μm. For forming the antenna electrodes and feed strips, the Ti/Au metal system was used. The simulation was carried out by the finite element method in the COMSOL Multiphysics environment.

Results

Results. The use of a profiled sapphire fiber whose diameter has been optimized with respect to the gap parameters to significantly increase the concentration of charge carriers in the immediate vicinity of the electrodes of an OTC is demonstrated. The integrated efficiency of a large-area photoconductive THz emitter was determined taking into account the microstrip topology of the array with a characteristic size of feed strips proportional to the gap width in the OTC and with the upper (masking) metal layer. The maximum localization of the electromagnetic field in close proximity to the edges of electrodes at the “fiber–semiconductor” interface is achieved with a profiled sapphire fiber diameter of 220 μm.

Conclusions

Conclusions. By optimizing the diameter of the sapphire fiber, the possibility of improving the localization of incident electromagnetic waves in close proximity to the edges of the OTC electrodes by ~40 times compared to the case without fiber, as well as increasing the overall efficiency of a large-area emitter by up to ~7–10 times, was demonstrated.

терагерцовая импульсная спектроскопияисточники и детекторы ТГц-излучениясубволновая фокусировка излучениятерагерцовые оптические элементы и системыоптико-терагерцовая конверсияметалинзаpulsed terahertz spectroscopyemitters and detectors of THz radiationsubwavelength radiationterahertz optical elements and systemsoptical-to-terahertz conversionmetalensРабота выполнена при финансовой поддержке гранта РТУ МИРЭА «Инновации в реализации приоритетных направлений развития науки и технологий». Модель образца ОТП была предложена в рамках гранта Российского научного фонда № 18-79-10195, а работы по численному моделированию проводились при поддержке гранта Фонда содействия инновациям № 16298ГУ/2021.The work was supported by the RTU MIREA grant (Innovations in the Implementation of Priority Areas for the Development of Science and Technology). The design on an OTC was developed within the Russian Scientific Foundation grant No. 18-79-10195 while the simulations were supported by the Fund for Assistance to Small Innovative Enterprises, grant No. 16298GU/2021.ReferencesYachmenev A.E., Pushkarev S.S., Reznik R.R., Khabibullin R.A., Ponomarev D.S. Arsenides-and related III-V materials-based multilayered structures for terahertz applications: Various designs and growth technology. Prog. Cryst. Growth Charact. Mater. 2020;66(2):100485. https://doi.org/10.1016/j.pcrysgrow.2020.100485Yachmenev A.E., Pushkarev S.S., Reznik R.R., Khabibullin R.A., Ponomarev D.S. Arsenides-and related III-V materials-based multilayered structures for terahertz applications: Various designs and growth technology. Prog. Cryst. Growth Charact. Mater. 2020;66(2):100485. https://doi.org/10.1016/j.pcrysgrow.2020.100485Gueroboukha H., Nallappan K., Skorobogatiy M. Toward real-time terahertz imaging. Adv. Opt. Photonics. 2018;10(4):843–938. https://doi.org/10.1364/AOP.10.000843Gueroboukha H., Nallappan K., Skorobogatiy M. Toward real-time terahertz imaging. Adv. Opt. Photonics. 2018;10(4):843–938. https://doi.org/10.1364/AOP.10.000843Henri R., Nallappan K., Ponomarev D.S., Guerboukha H., Lavrukhin D.V., Yachmenev A.E., Khabibullin R.A., Skorobogatiy M. Fabrication and characterization of an 8 × 8 terahertz photoconductive antenna array for spatially resolved time domain spectroscopy and imaging applications. IEEE Access. 2021;9:117691–117702. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2021.3106227Henri R., Nallappan K., Ponomarev D.S., Guerboukha H., Lavrukhin D.V., Yachmenev A.E., Khabibullin R.A., Skorobogatiy M. Fabrication and characterization of an 8 × 8 terahertz photoconductive antenna array for spatially resolved time domain spectroscopy and imaging applications. IEEE Access. 2021;9:117691–117702. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2021.3106227Yachmenev A.E., Lavrukhin D.V., Glinskiy I.A., Zenchenko N.V., Goncharov Y.G., Spektor I.E., Khabibullin R.A., Otsuji T., Ponomarev D.S. Metallic and dielectric metasurfaces in photoconductive terahertz devices: a review. Optical Engineering. 2019;59(6):061608 (19 p.). https://doi.org/10.1117/1.OE.59.6.061608Yachmenev A.E., Lavrukhin D.V., Glinskiy I.A., Zenchenko N.V., Goncharov Y.G., Spektor I.E., Khabibullin R.A., Otsuji T., Ponomarev D.S. Metallic and dielectric metasurfaces in photoconductive terahertz devices: a review. Optical Engineering. 2019;59(6):061608 (19 p.). https://doi.org/10.1117/1.OE.59.6.061608Yardimci N.T., Jarrahi M. Nanostructure-enhanced photoconductive terahertz emission and detection. Small. 2018;14(44):1802437. https://doi.org/10.1002/smll.201802437Yardimci N.T., Jarrahi M. Nanostructure-enhanced photoconductive terahertz emission and detection. Small. 2018;14(44):1802437. https://doi.org/10.1002/smll.201802437Lepeshov S., Gorodetsky A., Krasnok A., Rafailov E., Belov P. Enhancement of terahertz photoconductive antenna operation by optical nanoantennas. Laser & Photonics Reviews. 2017;11(1):1600199. https://doi.org/10.1002/lpor.201600199Lepeshov S., Gorodetsky A., Krasnok A., Rafailov E., Belov P. Enhancement of terahertz photoconductive antenna operation by optical nanoantennas. Laser & Photonics Reviews. 2017;11(1):1600199. https://doi.org/10.1002/lpor.201600199Castro-Camus E., Alfaro M. Photoconductive devices for terahertz pulsed spectroscopy: a review. Photon. Res. 2016;4(3):A36–А42. https://doi.org/10.1364/PRJ.4.000A36Castro-Camus E., Alfaro M. Photoconductive devices for terahertz pulsed spectroscopy: a review. Photon. Res. 2016;4(3):A36–А42. https://doi.org/10.1364/PRJ.4.000A36Glinskiy I.A., Zenchenko N.V., Ponomarev D.S. All-dielectric metalens based on a single colloidal particle for photoconductive optical-to-terahertz switches. Russ. Technol. J. 2020;8(6):78–86 (in Russ.). https://doi.org/10.32362/2500-316X-2020-8-6-78-86Glinskiy I.A., Zenchenko N.V., Ponomarev D.S. All-dielectric metalens based on a single colloidal particle for photoconductive optical-to-terahertz switches. Russ. Technol. J. 2020;8(6):78–86 (in Russ.). https://doi.org/10.32362/2500-316X-2020-8-6-78-86Зенченко Н.В., Лаврухин Д.В., Гончаров Ю.Г., Яковлев Е.В., Зайцев К.И., Пономарев Д.С. Субдифракционные локальные каустики в ТГц антеннах с металлоповерхностями. В сб.: XI Международная научно-практическая конференция по физике и технологии наногетероструктурной СВЧ-электроники. М.: НИЯУ МИФИ; 2020. С. 107–108. URL: http://www.mokerov.ru/сборник-трудов-2-2020/Zenchenko N.V., Lavrukhin D.V., Goncharov Yu.G., YakovlevE.V.,ZaytsevK.I.,PonomarevD.S.Subdiff local caustics in THz antennas with metasurfaces. In: The 10th International Scientific and Practical Conference on the physics and technology of nanoheterostructural microwave electronics, MOKEROV READINGS. Moscow: NIYaU MIFI; 2020. Р. 107–108 (in Russ.). Available from URL: http://www.mokerov.ru/сборник-трудов-2-2020/Зенченко Н.В., Лаврухин Д.В., Гончаров Ю.Г., Фролов Т.В., Катыба Г.М., Хабибуллин Р.А., Зайцев К.И., Пономарев Д.С. Фикусирующие элементы на основе профилированного сапфира для усиления генерации терагерцевого излучения. В сб.: XII Международная научно-практическая конференция по физике и технологии наногетероструктурной СВЧ-электроники. М.: НИЯУ МИФИ; 2021. С. 101–102. URL: http://www.mokerov.ru/сборник-трудов-4/Zenchenko N.V., Lavrukhin D.V., Goncharov Yu.G., Frolov T.V., Katyba G.M., Khabibullin R.A., Zaytsev K.I., Ponomarev D.S. Focusing elements based on sapphire fibers aimed at the enhancement of terahertz radiation generation. In: The 12th International Scientific and Practical Conference on the physics and technology of nanoheterostructural microwave electronics, MOKEROV READINGS. Moscow: NIYaU MIFI; 2021. Р. 101–102 (in Russ.). Available from URL: http://www.mokerov.ru/сборник-трудов-4/Katyba G., Zaytsev K., Dolganova I., Shikunova I., Chernomyrdin N., Yurchenko S., Komandin G., Reshetov I., Nesvizhevsky V., Kurlov V. Sapphire shaped crystals for waveguiding, sensing and exposure applications. Prog. Cryst. Growth Charact. Mater. 2018;64(4): 133–151. https://doi.org/10.1016/j.pcrysgrow.2018.10.002Katyba G., Zaytsev K., Dolganova I., Shikunova I., Chernomyrdin N., Yurchenko S., Komandin G., Reshetov I., Nesvizhevsky V., Kurlov V. Sapphire shaped crystals for waveguiding, sensing and exposure applications. Prog. Cryst. Growth Charact. Mater. 2018;64(4): 133–151. https://doi.org/10.1016/j.pcrysgrow.2018.10.002Lai W., Abdulmunem O.M., Pino P., Pelaz B., Parak W.J., Zhang Q., Zhang H. Enhanced terahertz radiation generation of photoconductive antennas based on manganese ferrite nanoparticles. Sci. Rep. 2017;7:46261. https://doi.org/10.1038/srep46261Lai W., Abdulmunem O.M., Pino P., Pelaz B., Parak W.J., Zhang Q., Zhang H. Enhanced terahertz radiation generation of photoconductive antennas based on manganese ferrite nanoparticles. Sci. Rep. 2017;7:46261. https://doi.org/10.1038/srep46261Roux J.-F., Coutaz J.-L., Krotkus A. Time-resolved reflectivity characterization of polycrystalline low-temperature-grown GaAs. Appl. Phys. Lett. 1999;74(17):2462. https://doi.org/10.1063/1.123881Roux J.-F., Coutaz J.-L., Krotkus A. Time-resolved reflectivity characterization of polycrystalline low-temperature-grown GaAs. Appl. Phys. Lett. 1999;74(17):2462. https://doi.org/10.1063/1.123881Liliental-Weber Z., Cheng H.J., Gupta S., Whitaker J., Nichols K., Smith F.W. Structure and carrier lifetime in LT-GaAs. J. Electron. Mater. 1993;22(12):1465–1469. https://doi.org/10.1007/BF02650000Liliental-Weber Z., Cheng H.J., Gupta S., Whitaker J., Nichols K., Smith F.W. Structure and carrier lifetime in LT-GaAs. J. Electron. Mater. 1993;22(12):1465–1469. https://doi.org/10.1007/BF0265000

The authors declare that there are no conflicts of interest present.