لیزرهای تراهرتز کوانتومی ۴

لیزرهای تراهرتز و آمپلی فایرهای پهن باند گین آبشاری کوانتومی – فصل ۴

لیزرهای تراهرتز و آمپلی فایرهای پهن باند گین آبشاری کوانتومی – فصل ۴  – ایران ترجمه – Irantarjomeh

مقالات ترجمه شده آماده گروه برق – الکترونیک

مقالات ترجمه شده آماده کل گروه های دانشگاهی

مقالات

لیزرهای تراهرتز و آمپلی فایرهای پهن باند کارآمد بر مبنای محیط گین آبشاری کوانتومی

فصل ۴

طراحی آمپلی فایرهای آبشار کوانتومی تراهرتزی موج سیار

۴ـ۱٫ آمپلی فایر موج سیار

بهره آمپلی فایر برای یک کاواک Fabry-Perot (FP) را می توان به شرح مرجع [۴۸] بیان نمود:

برای یک طول کاواک مشخص، به هنگامی که بازتاب آینه ای آن قدر اندک باشد که آستانه بهره فراتر از بهره ماده گردد، آمپلی فایر را می توان با توجه به بهره ماده پیک آن بایاس نموده و بر این مبنا حداکثر تقویت را حاصل آورد. به هنگامی که آستانه بهره کمتر از بهره ماده باشد، این ویژگی بر حسب آستانه بهره مشخص می گردد، به عبارت دیگر اتلاف آینه ای رخ خواهد داد. این ارتباط را می توان در فرمول بهره تک گذر بکار گرفت و یا آنکه آن را بر حسب معادله ۴ـ۲ به شرح ذیل خلاصه ساخت

لیزرهای تراهرتز کوانتومی ۴

۴ـ۲٫ آمپلی فایر آبشاری کوانتومی بر مبنای موجبر پلاسمون سطحی نیمه عایق

آمپلی فایر آبشاری کوانتومی بر مبنای موجبرهای SISP با توجه به ناحیه فعال فونون رزونانت FL183R-2 و استفاده از یک ناحیه فعال مشابه که در مرجع [۴۹] توصیف شده است طراحی گردیده است. ساختار آبشاری کوانتومی بر روی لایه فوقانی کاملاً دوپه / ناخالصی با ضخامت ۴/۰ میکرومتر و سطح دوپه n = 5 x 10¹⁸ cm^-3، بر روی یک سوبسترای نیمه عایق، رشد داده شده است. ولتاژ بایاس طراحی برابر با تقریباً ۱۳ V و چگالی جریان نیز تقریباً برابر با ۸۵۰ A/cm² می باشد.

اتلاف موجبر و ضریب تحدید مد با استفاده از حل کننده جزء محدود دو بعدی برای پهناهای موجبر مختلف، همانگونه که در فصل ۲ تشریح شده است، محاسبه گردیده است.

۴ـ۲ـ۱٫ بازتاب سطوح

در موجبرهای پلاسمون ـ سطحی نیمه عایق (SISP)، پروفایل مد دو بعدی و الگوی پرتوی میدان دور در شکل ۴ـ۲ نشان داده شده اند. این مد دارای پیوند بین لایه فلزی فوقانی و لایه کاملاً دوپه / ناخالصی n⁺ زیر ناحیه فعال و بالای سوبسترای نیمه عایق می باشد. از آنجایی که لایه n⁺ نازک تر از عمق پوسته می باشد، این مد به صورت اساسی در سوبسترا گسترش می یابد. این مد گسترش یافته فضایی منجر به یک تقریب انتقال موج ـ تخت  می گردد، همراه با یک الگوی پرتوی باریک (پهنای کامل با نصف بیشینه تقریباً ۲۰ درجه) و بازتاب آینه ای نزدیک به ضریب بازتاب فرسنل (Fresnel) به میزان R ~ 0.3، که علت آن را می توان به سادگی به واسطه عدم تطابق کنتراست بین GaAs-AlGaAs دی الکتریک و هوا (n ~ 3.6) در نظر گرفت.

۴ـ۲ـ۲٫ محدودیت ها

یک موجبر باریک (< 40 mm) برای حذف کارآمد حرارت در کاربرد موج پیوسته (c.w.) مورد نیاز می باشد، اما چنین ابزاری قابلیت فراهم آوردن هیچگونه راهکار تقویتی را نداشته که علت آن را می توان افت بیشتر موجبر در مقایسه با بهره حاصله (g_m – a_w/G < 0) به واسطه ضریب تحدید (G < 0.1) دانست.

به هنگامی که موجبر از پهنای کافی برخوردار باشد، به گونه ای که یک بهره مودی منطقی جهت فراهم آوردن ویژگی های تقویتی میسر باشد، بهره تک گذر با توجه به طول ابزاره همانگونه که در بخش قبلی نشان داده شده است به حداکثر می رسد، آن هم با توجه به آنکه ویژگی حداقلی بازتابی آینه ای از نقطه نظر تئوریکی قابل (R<1%)، از طریق اتصال یک لنز سیلیکونی ابر نیم کروی دارای پوشش AR در انتهای سطوح، قابل حصول باشد. یک موجبر SISP با درازای ۵/۲ میلیمتر و پهنای ۱۰۰ میکرومتر بر مبنای FL183-R2 سبب اتلاف توان الکتریکی نزدیک به ۲۸ W با توجه به بایاس طراحی آن می شود. با توجه به این میزان از اتلاف توان، دمای دستگاه افزایش یافته و بهره مواد به طور قابل توجهی کاهش می یابد. طرح های طراحی مرتبط و محیط بهره صرفاً در صورتی مناسب هستند که آمپلی فایر در مود ضربانی عمل نماید.

جهت آسان سازی مشکل اتلاف حرارت موجبرها با توجه به پهنا و درازای آنها می توان از طراحی ناحیه فعال BTC استفاده نمود که در این رابطه لازم است تا از ویژگی ولتاژ بایاس و چگالی جریان اندک بهره گرفت. علیرغم این حقیقت که چنین موردی ممکن است دارای عملکرد دمایی بدتری در مقایسه با طرح های فونون رزونانت باشد، این ویژگی فراهم آورنده یک بهره منطقی در دمای پایین خواهد بود [۵۲].

۴ـ۳٫ آمپلی فایر آبشاری کوانتومی بر مبنای موجبرهای فلز ـ فلز

در موجبرهای فلز ـ فلز (MM) علاوه بر عدم انطباق شاخص بین هوا و نیمه هادی، مد زیر طول موج تحدید نیز همچنین سبب ایجاد یک عدم انطباق مودی فیمابین مد محدود شده بین استریپ های فلزی با فاصله ۱۰ میکرومتری و مد میدان نزدیک در روزنه ( با قابلیت ۳/۴ تراهرتز) و افزایش بازتاب آینه ای تا تقریباً ۷/۰ می شود.

دو چالش اصلی برای موجبر MM به عنوان یک مؤلفه مناسب برای یک آمپلی فایر موج سیار مدنظر می باشد. اولین چالش، بازتاب قوی آینه ای سبب القای فیدبک قدرتمندی داخل کاواک شده، که خود سبب می شود تا موجبرهای MM به عنوان آمپلی فایرهای موج ایستاده با پهنای باند باریک مناسب باشند. در صورتی که چنین موردی به عنوان آمپلی فایر موج سیار بکار گرفته شود، بهره گذر ـ واحد آن ( ) به واسطه بازتاب آینه ای قوی این مؤلفه اندک خواهد بود. مؤلفه هایی نظیر سطوح زاویه دار بر روی بخش آمپلی فایر در یک طرح نوسان ساز اصلی ـ تقویت کننده توان (MOPA) جهت کاهش فیدبک کاواک و افزایش اتلاف آینه ای بکار گرفته شده است [۵۳]. دوماً، کوپلینگ نور در داخل و خارج از روزنه های زیر طول موج کاملاً ناکارآمد می باشد.

۴ـ۳ـ۱٫ بازتاب سطوح

بازتاب پایین سطوح برای تقویت بالای توان مورد نیاز می باشد، چرا که چنین موردی سبب اتلاف آینه ای بزرگ و در نتیجه آستانه بهره بالا خواهد شد. جهت آنالیز بازتاب پذیری سطوح، مد اصلی در مرکز خط الرأس ۱۰ میکرومتری تحریک گردیده و پارامتر ـ S برای موج انعکاسی S₁₁ با شبیه سازی ۲D FEM محاسبه می شود. برای یک موجبر Fabry-Perot ساده، بازتاب پذیری سطوح به واسطه تحدید مد زیر طول موج در سطوح تقریباً برابر با ۷/۰ می باشد و بنابراین همانگونه که در شکل ۴ـ۴ (ج) نشان داده شده است یک موج ایستاده در کاواک به واسطه فیدبک قوی شکل می گیرد. با توجه به ساختارهای شاخکی یکنواخت و لنزهای سیلیکونی، بازتاب پذیری سطوح را می توان به طور مؤثری به میزان تقریباً ۰٫۱% ± ۰٫۵% کاهش داد و مود مرزی را در امتداد کاواک در یک حالت موج سیار، همانگونه که در شکل ۴ـ۴ (الف) و (ب) نشان داده شده است انتشار داد. به واسطه گسسته سازی عددی ممکن است شاهد عدم قطعیت ± ۰٫۵% در محاسبه بازتاب پذیری سطوح باشیم.

لیزرهای تراهرتز کوانتومی ۴

۴ـ۳ـ۲٫ تحلیل فرکانس ویژه

به منظور حاصل آوردن بهره تک ـ گذر محتمل حداکثری، لازم است تا قابلیت بایاس آمپلی فایر تا نقطه بهره ماده حداکثری، بدون خود لیزینگ آمپلی فایر و در نتیجه مقید سازی بهره به طور مناسب را داشته باشیم. با این وجود، برای هم ترازی، لازم است تا از این موضوع اطمینان داشته باشیم که آستانه لیزینگ به میزان اندکی زیر بهره موجود حداکثری باشد.

۴ـ۳ـ۳٫ شبیه سازی رویه تقویتی

از شبیه سازی های قبلی الگوی پرتوی تابشی به عنوان موردی کاملاً مشابه با ویژگی گاوسی نشان داده شده است و بر حسب اندازه لنز از نوعی وابستگی با ویژگی افست برخوردار می باشد. به طور معکوس، الگوی مشابه پرتو، به صورت کاملاً کارآمدی در آمپلی فایر کوپل می شود.

جهت شبیه سازی عملکرد این آمپلی فایر، یک موج با میدان الکتریکی E_b پروفایل عرضی گاوسی FWHM ~ 500 mm، و آفست عمودی ۱۵۰ mm به صورت نسبی با مرکز سطح و مجموع انرژی میدان الکتریکی نرمال شده برای تحریک موجبر بکار گرفته شده است. میدان ـ E آن در مسیر  قطبیده شده و در مسیر +x انتشار می یابد، همانگونه که در شکل ۴ـ۱۰ (الف) نشان داده شده است. میدان الکتریکی خود در کاواک آمپلی فایر کوپل و تقویت می شود، همانگونه که در شکل ۴ـ۱۰ (ب) و (ج) نشان داده شده است. بهره توان آمپلی فایر را می توان به صورت  بیان داشت، چرا که  به صورت تکین نرمالیده گردیده است.

با فرض آنکه بازتاب سطوح به صورت مکفی اندک باشد، توان بخش خروجی غالباً پس از یک گذر واحد در امتداد موجبر  به عنوان ورودی تشدید شده تلقی گردیده و انتهای ورودی نیز غالباً به عنوان ورودی تقویت شده پس از عبور در امتداد موجبر  مشخص می شود. ضریب توان در این زمینه در مقایسه با خروجی مرتبط تقریباً  در نظر گرفته شده که همچنین مشخص کننده شرایط لیزینگ کاواک می باشد. در بهره نسبتاً اندک بایاس / مواد، آمپلی فایر به خودی خود قابلیت لیزینگ را نداشته و بخش خروجی از بهره توان بیشتری در مقایسه با بخش ورودی برخوردار است . به هنگامی که این بهره افزایش می یابد، بهره توان آمپلی فایر نیز به صورت نمایی افزایش خواهد یافت، ، و ضریب توان به ۱ می رسد. به هنگامی که بهره توان بزرگتر از بهره گذر واحد باشد (خط قرمز بالای خط آبی در شکل ۴ـ۱۱)، این موضوع معرف آن خواهد بود که سیگنال ورودی در داخل کاواک آمپلی فایر برای بیش از یک گذر واحد قبل از ترک آن کاواک نوسان می یابد. میزان بیشتر بهره توان را می توان به بهای پهنای باند باریکتر حاصل آورد. با توجه به بایاس کافی، این بهره می تواند بر اتلاف آینه ای فایق آید و بنابراین  بدست می آید. از نقطه نظر فیزیکی، آمپلی فایر فرآیند لیزینگ را آغاز نموده و بهره نیز در سطح  حاصل می شود. از آنجایی که شبیه سازی FEM قابلیت تعامل با این تأثیر غیرخطی را نخواهد داشت، فرآیند تابشی همچنان نوسان خود در کاواک را ادامه داده و این فرایند تقویت می گردد. بنابراین دیگر یک حالت ثابت، بعنوان یک فرض در تحلیل حوزه فرکانس، وجود نخواهد داشت. به طور عددی، بهره توان شروع به افت می نماید، همانگونه که در شکل ۴ـ۱۱ نشان داده شده است، که البته این مورد در آزمایشات حقیقی رخ نمی دهد. با توجه به ارتباط تئوریکی بین بهره توان آمپلی فایر در برابر بهره مد خالص ، یک کارایی کوپلینگ ۱۷% به عنوان یک برازندگی مناسب بین داده ها از شبیه سازی و محاسبه تئوریکی مشخص می شود. با این وجود، از آنجایی که شبیه سازی دو بعدی، بعد عرضی نامحدود را در نظر می گیرد، بعد عرضی محدود حقیقی نیز جهت کاهش متعاقب کارایی کوپلینگ و بهره توان مورد نظر خواهد بود.

شبیه سازی ۲D FEM مشخص کننده آن می باشد که بهره مد خالص  حاصل گردیده و آمپلی فایر طراحی شده نیز می تواند به بهره توان تقریباً ۲۰۰ نایل شود. با این وجود، بهره پیک gm برای THz QCL با یک طراحی عمودی صرفاً در حدود ۷۰ cm^-1 می باشد. با مستثنی سازی اتلاف موجبر و اتلاف فلز و در نظرگیری ضریب تحدید واحد، ناحیه فعال قابلیت فراهم آوردن یک بهره مد خالص  را خواهد داشت.

لیزرهای تراهرتز کوانتومی ۴