Повышение эффективности оптико-терагерцового преобразователя за счет профилированных сапфировых волокон

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. 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. 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. 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.

1. Yachmenev 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.2020.100485

2. Gueroboukha H., Nallappan K., Skorobogatiy M. Toward real-time terahertz imaging. Adv. Opt. Photonics. 2018;10(4):843–938. https://doi.org/10.1364/AOP.10.000843

3. Henri 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.2021.3106227

4. Yachmenev 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.59.6.061608

5. Yardimci N.T., Jarrahi M. Nanostructure-enhanced photoconductive terahertz emission and detection. Small. 2018;14(44):1802437. https://doi.org/10.1002/smll.201802437

6. Lepeshov 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.201600199

7. Castro-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.4.000A36

8. Glinskiy 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-2020-8-6-78-86

9. Зенченко 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/

10. 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/

11. 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.2018.10.002

12. Lai 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/srep46261

13. Roux 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/10.1063/1.123881

14. Liliental-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/BF02650000