Министерство образования и науки Российской Федерации
-
УДК
ГРНТИ
Инв. №
|
УТВЕРЖДЕНО:
|
|
Исполнитель:
Учреждение Российской академии наук Институт физики микроструктур РАН
|
|
От имени Руководителя организации
______________/Красильник З.Ф./
М.П.
|
|
НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ
ОТЧЕТ
о выполнении 2 этапа Государственного контракта
№ 14.740.11.1134 от 30 мая 2011 г.
-
Исполнитель: Учреждение Российской академии наук Институт физики микроструктур РАН
|
Программа (мероприятие): Федеральная целевая программа «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг., в рамках реализации мероприятия № 1.2.2 Проведение научных исследований научными группами под руководством кандидатов наук.
|
Проект: Развитие новых методов и средств прецизионной спектроскопии ТГц частотного диапазона с использованием квантовых каскадных лазеров
|
Руководитель проекта:
______________/Вакс Владимир Лейбович
(подпись)
|
Нижний Новгород
2011 г.
СПИСОК ОСНОВНЫХ ИСПОЛНИТЕЛЕЙ
по Государственному контракту 14.740.11.1134 от 30 мая 2011 на выполнение поисковых научно-исследовательских работ для государственных нужд
Организация-Исполнитель: Учреждение Российской академии наук Институт физики микроструктур РАН
Руководитель темы:
|
|
|
|
кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник
|
|
______________________
подпись, дата
|
Вакс В. Л.
|
Исполнители темы:
|
|
|
|
кандидат химических наук, без ученого звания
|
|
______________________
подпись, дата
|
Домрачева Е. Г.
|
кандидат физико-математических наук, без ученого звания
|
|
______________________
подпись, дата
|
Иконников А. В.
|
без ученой степени, без ученого звания
|
|
______________________
подпись, дата
|
Ластовкин А. А.
|
кандидат физико-математических наук, без ученого звания
|
|
______________________
подпись, дата
|
Черняева М. Б.
|
без ученой степени, без ученого звания
|
|
______________________
подпись, дата
|
Собакинская Е. А.
|
доктор физико-математических наук, без ученого звания
|
|
______________________
подпись, дата
|
Панкратов А. Л.
|
без ученой степени, без ученого звания
|
|
______________________
подпись, дата
|
Ревин Л. С.
|
без ученой степени, без ученого звания
|
|
______________________
подпись, дата
|
Приползин С. И.
|
без ученой степени, без ученого звания
|
|
______________________
подпись, дата
|
Балакирев В. Ю.
|
без ученой степени, без ученого звания
|
|
______________________
подпись, дата
|
Анфертьев В. А.
|
без ученой степени, без ученого звания
|
|
______________________
подпись, дата
|
Шатрова Ю. С.
|
без ученой степени, без ученого звания
|
|
______________________
подпись, дата
|
Иванов А. Б.
|
Реферат
Отчет 17 с., 1 ч., 5 рис., 0 табл., 3 источн., 0 прил.
система фазовой автоподстройки частоты , терагерцовый частотный диапазон , квантово-каскадный лазер , спектроскопия , полупроводниковая сверхрешетка , амплитудные и фазовые шумы
В отчете представлены результаты исследований, выполненных по 2 этапу Государственного контракта № 14.740.11.1134 "Развитие новых методов и средств прецизионной спектроскопии ТГц частотного диапазона с использованием квантовых каскадных лазеров" (шифр "2011-1.2.2-404-017") от 30 мая 2011 по направлению "Проведение научных исследований научными группами под руководством кандидатов наук в следующих областях:- микроэлектроника; - приборостроение, основанное на новых физических принципах; - лазерные, плазменные и пучковые технологии для атомной техники" в рамках мероприятия 1.2.2 "Проведение научных исследований научными группами под руководством кандидатов наук.", мероприятия 1.2 "Проведение научных исследований научными группами под руководством докторов наук и кандидатов наук" , направления 1 "Стимулирование закрепления молодежи в сфере науки, образования и высоких технологий." федеральной целевой программы "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009-2013 годы.
Цель работы - Целью ПНИР является разработка физических принципов построения и реализация прецизионного источника излучения ТГц диапазона на основе квантово-каскадного лазера (ККЛ), создание на основе разработанного источника спектрометра ТГц диапазона с высокой чувствительность и спектральным разрешением, работающего на нестационарных эффектах. Целью второго этапа являлась разработка стенда для измерения спектральных, мощностных и модуляционных характеристик ККЛ и его последующее тестирование.
Измерение шумовых характеристик ККЛ в терагерцовом диапазоне частот рациональнее поводить гетеродинным методом. Такой метод предусматривает перенос спектра свободно генерирующего ККЛ из терагерцового диапазона частот в низкочастотный диапазон.
Для измерения ВАХ ККЛ используется LI - метод синхронного детектирования.
Спектроанализатор Agilent E4402B, малошумящий усилитель М42136
Цифровой осциллограф LeCroy 7100А, Стробоскопический интегратор SR280, Цифровой синхронный детектор SR830 DSP, гелиевый криостат замкнутого цикла, Калибратор-мультиметр Keithley 2400, Генератор импульсов Г5-56, Компьютер C2.66/865PE/512 Mb/GFFX5500/80Gb/DVDRW
Разработаны и реализованы конфигурации стенда для измерения характеристик амплитудных и частотных шумов квантово-каскадных лазеров, а также для измерения вольт-амперных характеристик (ВАХ) и токовых зависимостей интенсивности излучения ККЛ. Проведена калибровка разработанного стенда, показавшая, что предложенная схема не вносит дополнительных искажений в измеряемый сигнал, а также проведены тестовые измерения.
Введение
Ключевой проблемой в развитии спектроскопии высокого и сверхвысокого разрешения ТГц частотного диапазона является отсутствие источников когерентного излучения с предельно узким спектром, точным управлением частотой излучения и высокой долговременной стабильностью частоты. Для решения этих задач в рамках данного проекта будут разработаны методы и принципы системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) для квантово каскадных лазеров (ККЛ) с использованием гармонического смесителя на квантовых полупроводниковых сверхрешетках, позволяющих осуществить режим фазовой синхронизации до 55 гармоники частоты опорного генератора. Долговременная стабильность позволит повысить чувствительность измерений за счет когерентного накопления сигнала. Для создания системы ФАПЧ необходимо исследование шумовых характеристик источника – ККЛ.
Особенностью существующих к настоящему времени ККЛ ТГц диапазона является относительно высокий уровень пороговой плотности тока (несколько кА на см2). Из-за этого накачка излучателя производится в импульсном (квазинепрерывном) режиме, кроме того, необходимо криогенное охлаждение образцов излучателей. Высокие значения токов накачки вызывают заметный разогрев образцов, чему способствует также весьма высокое значение импеданса излучателей при низких температурах. Диссипативный разогрев лазерного чипа является источником нестабильности как амплитудных (мощностных) характеристик излучения, так и спектрального состава лазера. [1]
В случае присутствия сильных флуктуаций амплитуды в сигнале ККЛ на интенсивность амплитудных шумов оказывают сильное влияние флуктуации тока во внешней цепи ККЛ и величины сопротивления внешней цепи. Фактически, оба этих механизма могут конкурировать между собой, так как большие величины импеданса входной цепи, с одной стороны, подавляют флуктуации тока, вызванные, например, источником питания, а, с другой, вносят существенные тепловые шумы во внешнюю цепь. Поэтому представляется необходимым изучить совместное действие указанных механизмов (в зависимости от статистических характеристик шумов тока), что пока в литературе сделано не было.
Для создания спектрально чистого источника излучения ТГц частотного диапазона необходимо проведение исследований влияние конструкционных особенностей ККЛ на шумовые характеристики излучения ККЛ.
Для исследования особенностей генерации ККЛ (вольтамперные характеристики, спектры, излучательные и временные характеристики) с целью создания источника излучения спектрометра ТГц частотного диапазона был разработан стенд для прецизионных измерений спектральных, мощностных и модуляционных характеристик ККЛ ТГц диапазона.
Разработка метрологического обеспечения для изучения спектральных, мощностных и модуляционных характеристик ККЛ.
Стенд для измерения спектральных, мощностных и модуляционных характеристик ККЛ.
Для измерений спектральных и модуляционных характеристик квантово-каскадных лазеров (ККЛ) был разработан и создан специализированный стенд.
Измерения шумовых характеристик ККЛ проводятся при низких температурах Т = 7-150 К. При этом ККЛ размещается на медном хладопроводе в гелиевом криостате замкнутого цикла DISPLEX DE-202S. Блок управления температуры криостата замкнутого цикла позволяет выставлять и поддерживать автоматически заданную температуру и контролировать ее с помощью термодатчика, расположенного на медном хладопроводе.
Измерение шумовых характеристик ККЛ в терагерцовом диапазоне частот рациональнее поводить гетеродинным методом. Такой метод предусматривает перенос спектра свободно генерирующего ККЛ из терагерцового диапазона частот в низкочастотный диапазон. В диапазоне частот до 26 ГГц серийно выпускаются анализаторы спектра, обладающие большим динамическим диапазоном, малым уровнем собственных шумов и хорошим частотным разрешением. Анализатор спектра Agilent Technologies E4402B, работающий в диапазоне от 9 кГц до 3 ГГц, имеет динамический диапазон 90,5 дБ, уровень собственных шумов – -151 дБм/Гц, с полосой анализа от 10 Гц до 5 МГц. Спектроанализатор с такими параметрами позволяет измерять ожидаемые амплитудные и фазовые шумовые характеристики ККЛ с большой точностью. При проведении измерений необходимо обеспечить перенос спектра в низкочастотную часть диапазона без фазовых и амплитудных искажений. Для этих целей в качестве опорного был выбран генератор на основе лампы обратной волны (ЛОВ) диапазона 118-178 ГГц с фазовой автоподстройкой частоты (ФАПЧ). Высокие спектральные характеристики опорного генератора (ОГ) (такие, как долговременная стабильность частоты – лучше, чем 10-8, спектральная плотность мощности фазовых шумов при отстройке от несущей на 10 МГц – менее, чем -100 дБ/Гц) позволяют не учитывать его фазовые и амплитудные шумы в измеряемом результирующем спектре в низкочастотном диапазоне.
Гармонический смеситель (ГС), применяемый в измерительной схеме, всегда должен находиться в линейном режиме преобразования сигнала из ТГц диапазона в низкочастотный. В качестве ГС используется смеситель на основе полупроводниковых наноструктур – квантовых полупроводниковых сверхрешеток (КПСР), рабочий частотный диапазон которого доходит до 8,1 ТГц [2].
Традиционно в качестве нелинейного элемента в гармонических смесителях субтерагерцового диапазона частот широко применяются планарные полупроводниковые диоды с барьером Шоттки. Однако применение диодов с барьером Шоттки в терагерцовом диапазоне требует увеличения предельной частоты работы диода, fp (верхней границы рабочего диапазона диода), что затруднено по причине ряда существующих ограничений: с одной стороны, предельная частота для диодов с барьером Шоттки определяется инерционностью электронов при пролете активной области (время пролета для лучших диодов составляет порядка 1 пс); с другой стороны, предельная частота в значительной степени обусловлена влиянием паразитных емкости C и последовательного сопротивления Rs диода:  . Сопротивление диода включает сопротивление толщи полупроводника, контактных соединений и выводов диода. Емкость диода с барьером Шоттки с площадью активной области несколько квадратных микрон в настоящее время составляет не менее 3 фФ, а уменьшение последовательного сопротивления диода путем увеличения легирования полупроводника ограничено концентрацией примеси 51017 см-3. [3]
Диоды на КПСР являются наиболее эффективными для преобразования частоты, так как в данном случае по сравнению с диодами Шоттки, инертность пролета электронов активной области и паразитные емкости становятся меньше, что позволяет увеличить граничную частоту работы диода [3]. Кроме того, КПСР обладают вольтамперной характеристикой с отрицательной дифференциальной проводимостью, которая сохраняется вплоть до частот выше 1 TГц.
Рис.1. Блок-схема стенда для измерения характеристик частотных шумов ККЛ. ККЛ – квантово-каскадный лазер, ГС – гармонический смеситель на полупроводниковых сверхрешетках, ОГ – опорный генератор, МШУ - линейный малошумящий усилитель, ОГР – ограничитель уровня сигнала, : N – делитель частоты на N, АС – анализатор спектра.
Шумы свободно генерирующего ККЛ содержат фазовые и амплитудные составляющие. Как правило, фазовые шумы преобладают над амплитудными. Для измерения характеристик фазовых шумов ККЛ была разработана установка, блок-схема которой приведена на рис.1.
В тракте промежуточной частоты (ПЧ) fПЧ =500 МГц после ГС установлен линейный малошумящий усилитель М42136 с равномерной амплитудно-частотной характеристикой, который также, как и ГС, не вносит искажений в спектр измеряемого сигнала. Собственные шумы усилителя практически не влияют на спектр измеряемого сигнала. Для отделения амплитудных шумов от фазовых шумов ККЛ в тракте ПЧ был установлен ограничитель уровня сигнала (ОГР). За ОГР в тракте ПЧ для измерения спектра на спектроанализаторе установлен делитель частоты (N=10).
Перед началом измерения измерительный стенд был прокалиброван. Для этого частота ОГ модулировалась сигналом с заранее известными частотами модуляции и девиации. По известным модуляционной характеристике ОГ, номеру гармоники ГС, коэффициенту деления частоты в тракте ПЧ рассчитывался спектр выходного сигнала, который сравнивался с сигналом, измеряемым анализатором спектра E4402B. В результате калибровки расчетный и измеренный спектроанализатором спектры совпали с точностью, соответствующей точности измерений. Это свидетельствует об отсутствии нелинейных искажений в разработанной измерительной установке, изображенной на рис.1.
Измерения амплитудных шумов ККЛ проводятся двумя методами. В первом случае измеряется спектр амплитудных и фазовых шумов на измерительной установке, аналогичной изображенной на рис.1, в которой отсутствовали ограничитель ОГР и делитель частоты (рис.2). Измеренный спектр на промежуточной частоте fПЧ =500 МГц содержал как амплитудные шумы, так и фазовые. Для вычисления спектральной мощности амплитудных шумов необходимо из измеренного спектра шумов вычесть спектр мощности фазовых шумов, измеренный на установке (рис.1.). При этом измеренную мощность фазовых шумов необходимо увеличить на величину 20 lg N, где N – коэффициента деления в тракте ПЧ (N=10).
Рис.2. Блок-схема стенда для измерения характеристик амплитудных шумов ККЛ. ККЛ – квантово-каскадный лазер, ГС – гармонический смеситель на полупроводниковых сверхрешетках, ОГ – опорный генератор, МШУ - линейный малошумящий усилитель, АС – анализатор спектра.
Во втором варианте измерения амплитудных шумов в тракте ПЧ после малошумящего усилителя (МШУ) установлен амплитудный детектор, низкочастотный фильтр (ФНЧ) и усилитель постоянного тока (УПТ), сигнал с которого поступает на анализатор спектра. Блок-схема измерительной установки приведена на рис.3. ФНЧ имеет частоту среза 10 МГц и пропускает низкочастотный сигнал амплитудной модуляции. Для измерения низкочастотной части спектра сигнала необходимо использовать АС СК4-56 с диапазоном частот 0,01-60 кГц, для измерений высокочастотной части спектра – АС E4402B.
Рис.3. Блок-схема стенда для измерения характеристик амплитудных шумов ККЛ. ККЛ – квантово-каскадный лазер, ГС – гармонический смеситель на полупроводниковых сверхрешетках, ОГ – опорный генератор, МШУ - линейный малошумящий усилитель, АД – амплитудный детектор, ФНЧ – фильтр низких частот, УПТ – усилитель постоянного тока, АС – анализатор спектра.
Перед проведением измерений измерительная установка (рис.3) была прокалибрована. Для этого в тракт ПЧ сразу после ГС подавался сигнал с известной амплитудной модуляцией. По известным коэффициенту усиления линейного МШУ, вольт-ваттной чувствительности детектора, коэффициенту усиления УПТ можно рассчитать величину амплитуды выходного сигнала для сравнения с измеренным на АС. В нашем случае амплитуды расчетного и измеренного сигнала совпадают с точностью, соответствующей точности измерений, что свидетельствует о том, что предложенная схема не вносит дополнительных искажений в измеряемый сигнал.
Установки для измерения характеристик ККЛ
В рамках разработки стенда были разработаны и реализованы конфигурации экспериментальных установок для измерения вольт-амперных характеристик (ВАХ) и токовых зависимостей интенсивности излучения ККЛ.
Конфигурация экспериментальной установки для измерения ВАХ.
Блок-схема экспериментальной установки для измерения ВАХ приведена на Рис.4.
Рис.4. Блок-схема установки для измерения ВАХ ККЛ.
Измерения ВАХ проводятся при низких температурах Т = 7-150 К, лазер размещается на медном хладопроводе в гелиевом криостате замкнутого цикла DISPLEX DE-202S. Блок управления температуры криостата замкнутого цикла позволяет выставлять и поддерживать автоматически заданную температуру и контролировать ее с помощью термодатчика, расположенного на медном хладопроводе. Измерения ВАХ проводятся в импульсном режиме. С задающего генератора импульсов Г5-56 прямоугольные импульсы напряжения 11 В длительностью до 20 мкс и частотой повторения до 300 Гц подаются на специально изготовленный электронный ключ, собранный на полевом транзисторе. Питание ключа осуществляется от источника питания KEITHLEY SOURSE METER 2400, позволяющего осуществлять пошаговую развертку выходного напряжения, что используется для автоматической записи ВАХ. С выхода ключа импульсы напряжения амплитудой до 25 В по 50-омному кабелю подаются на исследуемый ККЛ. Сигналы, пропорциональные приложенному напряжению и току через лазер, подаются на два канала цифрового осциллографа Le Croy “Wave pro 7100A” и на двухканальный строб-интегратор SRS.SR250. Строб-интегратор, синхронизуемый по задающему импульсу генератора Г5-56, осуществляет «выборку» амплитуды исследуемых импульсов в заданном временном окне (обычно длительностью 3 мкс) и проводит усреднение сигнала по нескольким реализациям. Постоянное напряжение с выхода каждого из каналов строб-интегратора оцифровывается с помощью АЦП и записывается с помощью ЭВМ.
Конфигурация экспериментальной установки для измерения токовых зависимостей интенсивности излучения ККЛ
Для измерения интегральной интенсивности излучения ККЛ в зависимости от тока разработана и реализована экспериментальная установка. Блок-схема установки для измерения токовых зависимостей интенсивности излучения ККЛ приведена на рис.5.
Рис. 5. Блок-схема установки для измерения токовых зависимостей интегральной интенсивности излучения ККЛ.
Питание ККЛ осуществляется аналогично той же схеме, что и при измерениях ВАХ. ТГц излучение ККЛ через полиэтиленовое окно криостата замкнутого цикла с помощью световода из полированной трубки из нержавеющей стали заводится в транспортный гелиевый сосуд Дьюара СТГ-40 (используется фильтр-окно из черного полиэтилена), где с помощью латунного конуса собирается на приемник - примесное фотосопротивление Ge:Ga, которое находится непосредственно в жидком гелии при температуре 4,2 К. Смещение на приемник подается с предусилителя прибора UNIPAN 232B. Усиленный сигнал с приемника вместе с импульсом, пропорциональным току через лазер, подается на два канала строб-интегратора. Сигналы с выхода строб-интегратора оцифровываются и записываются с помощью ЭВМ. На экране осциллографа осуществляется контроль импульсов напряжения, тока и интенсивности излучения ККЛ. Запись зависимости интенсивности излучения от тока при заданной температуре 7 – 90 К проводится при автоматической развертке источника питания KEITHLEY SOURSE METER 2400.
Заключение
Разработаны и реализованы конфигурации стенда для измерения характеристик амплитудных и фазовых шумов квантово-каскадных лазеров, а также для измерения вольт-амперных характеристик (ВАХ) и токовых зависимостей интенсивности излучения ККЛ. Проведена калибровка разработанного стенда, показавшая, что предложенная схема не вносит дополнительных искажений в измеряемый сигнал, а также проведены тестовые измерения.
Список использованных источников
А.А.Андронов. Новые источники и приемники ИК и терагерцового диапазона. [Текст] / А.А.Андронов, Н.Г.Захаров, А.В.Маругин, А.П.Савикин // Учебно-методический материал по программе повышения квалификации «Новые подходы к проблемам генерации, обработки, передачи, хранения, защиты информации и их применения». Нижний Новгород – 2007 - 95с.
В.Л.Вакс. Нестационарная спектроскопия диапазона частот 1-2,5 ТГц на твердотельных устройствах. [Текст] /В.Л.Вакс, А.Н.Панин, С.А.Басов, А.В.Иллюк, С.И.Приползин, Д.Г.Павельев, Ю.И.Кошуринов. // Известия Вузов. Радиофизика – 2009 - Т.52 - № 7 - с. 569-575.
В.Л.Вакс. Разработка и создание системы фазовой синхронизации в субтерагерцовом и терагерцовом частотных диапазонах по гармонике сигнала синтезатора сантиметрового диапазона. [Текст] /В.Л.Вакс, Ю.И.Кошуринов, Д.Г.Павельев, А.Н.Панин. // Изв. ВУЗов. Радиофизика. – 2005. – Т.48. - № 10-11. – С.933-938.
|
