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双谐振隧穿二极管振荡器实现更高功率的紧凑型太赫兹辐射源

2022-01-26 15:38     来源:MEMS     辐射源
新型双谐振隧穿二极管(resonant-tunneling-diode,RTD)振荡器的性能明显优于同类器件。

维也纳技术大学Petr Ouředník认为,新型双谐振隧穿二极管的潜在应用多种多样

太赫兹辐射的波长通常不到1mm,该波段是技术上比较难以产生的范围。通常情况下,普通的电子元件(如晶体管)和天线可以产生比太赫兹波更长的电磁波;而使用激光器、LED等普通光源,可以获得比太赫兹波更短的光波。

据麦姆斯咨询报道,奥地利维也纳技术大学(TU Wien)目前已成功地开发出一种非常简单且紧凑的太赫兹辐射源——双谐振隧穿二极管振荡器。该器件的辐射功率明显优于同类器件。这项新技术已发表于Applied Physics Letters,论文链接为:https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0068114。

双谐振隧穿二极管振荡器的设计图

芯片级尺寸的太赫兹辐射源

“如今,可以产生太赫兹波的方法多种多样。”维也纳技术大学电动力学、微波和电路工程研究所的Michael Feiginov教授评论道,“例如,可以使用量子级联激光器产生太赫兹波。有了量子级联激光器就可能获得太赫兹波所需的高强度,但这些器件必须制冷到非常低的温度才能正常工作。”

此外,还可以使用大型、复杂的光子系统来产生太赫兹波,这种系统是将多种光学激光器的辐射混合在一起,以产生更长的波长。这种方法让以灵活方式产生所需波长成为可能。“然而,我们的目标是开发出一种简单且非常紧凑的太赫兹辐射源。”Feiginov教授表示,“如果我们希望未来将一项技术应用于日常设备中,那么这种太赫兹辐射源必须尺寸很小,并且能在正常室温下工作。”

为了实现这些需求,该团队既没有使用光学级联激光器,也没有使用量子级联激光器,而是采用了简单的振荡器。“振荡器在电气工程中很常见。”该研究第一作者Petr Ouředník表示。如果某些线圈、电容等电子元器件是耦合的,那么能量就能在它们之间来回流动,从而产生电磁辐射。“但问题在于通常有大量损耗,可以将它想象成电阻。”Ouředník补充道,“这通常可以确保这些谐振电路中的振荡器在短时内停止工作。”

双谐振隧穿二极管振荡器的扫描电镜图


量子力学技巧重塑普通振荡器

然而,这种情况可以利用量子物理技巧来改变。“我们使用了谐振隧穿二极管,使电流通过隧穿在两势垒间流动。”Ouředník解释道,“在我们的结构中,势垒之间的量子阱特别窄,因此只有非常特定且极少量的电子态存在。”再通过施加电压,这些电子态及其能量就可以发生改变。

正常情况下,电流会随电压的升高而增加,电阻则限定了其范围。然而,在谐振隧穿二极管中,则可能产生相反的效果:如果电压升高,量子阱中的电子态可能不再与结构中其他部分的电子态匹配。

这意味着电子不能再从一个区域跃迁至另一个区域,这会导致电流减少而非增加。因此电阻变成了负值。“然而,在振荡电路中有负电阻就意味着振荡电路并不会失去能量,而是获得了能量。电磁振荡会自行持续,同时外部直流电会被转换为太赫兹辐射,”Feiginov教授详细解释道。

应用领域多种多样:从智能手机到射电天文学

这项技术的显著特点不仅在于其产生的太赫兹辐射强度相当高,还在于其小尺寸:整个结构比1mm小得多。因此,该器件有望嵌入智能手机等紧凑型设备中。

“目前已有太多的应用领域,我们甚至无法判定哪种是最现实的。”Michael Feiginov教授感叹道,“太赫兹辐射已经应用于射电天文学,人们还可以用它来透视光学不透明的物体,例如可用于机场的安全检查,以及材料测试。”

“另一种令人兴奋的应用是化学传感器:不同的分子可以通过其吸收太赫兹波谱中特定波长的特征来识别。而这些所有技术和应用都将受益于这款简单且紧凑的太赫兹辐射源,这也正是我们团队一直期望做出的重要贡献。”

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