RU2478243C1

RU2478243C1 - Frequency-tuned far-infrared and terahertz coherent source on semiconductor nanoheterostructure

Info

Publication number: RU2478243C1
Application number: RU2011146035/28A
Authority: RU
Inventors: Владимир Алексеевич Кукушкин
Original assignee: Учреждение Российской академии наук Институт прикладной физики РАН
Priority date: 2011-11-11
Filing date: 2011-11-11
Publication date: 2013-03-27

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: frequency-tuned terahertz and far-infrared coherent source is based on a semiconductor nanoheterostructure and is excited by middle infrared band pulses. Between the source of exciting pulses and the semiconductor nanoheterostructure there is a filter in form of a plate with periodically alternating transparent and opaque strips to achieve spatial periodicity of polarisation, which is excited in the active region of the semiconductor nanoheterostructure.

EFFECT: high radiation power.

3 dwg

Description

Изобретение относится к технике генераторов когерентного электромагнитного излучения терагерцового и дальнего инфракрасного диапазона, основанных на внутризонных переходах электронов между уровнями размерного квантования в полупроводниковых наногетероструктурах, возбуждаемых внешним когерентным электромагнитным полем. Изобретение может быть использовано для создания частотно-перестраиваемых и способных работать в непрерывном режиме генераторов излучения данной области частот, которые могут найти применение в медицине, в телекоммуникационных технологиях, в неразрушающей диагностике различных материалов и природных сред (например атмосферы), молекулярной спектроскопии, системах безопасности и др.The invention relates to techniques for terahertz and far infrared coherent electromagnetic radiation generators based on intraband transitions of electrons between dimensional quantization levels in semiconductor nanoheterostructures excited by an external coherent electromagnetic field. The invention can be used to create frequency-tunable and capable of continuous operation radiation generators of this frequency range, which can be used in medicine, telecommunication technologies, non-destructive diagnostics of various materials and natural environments (for example, the atmosphere), molecular spectroscopy, security systems and etc.

Изобретение направлено на разработку мощного и легко перестраиваемого в широком диапазоне частот источника когерентного терагерцового и дальнего инфракрасного излучения, способного работать в непрерывном режиме. Такое устройство до сих пор не создано, хотя оно и является весьма востребованным как для фундаментальных исследований в областях биологии, молекулярной динамики, физики полупроводников и сверхпроводников, так и для практических приложений в сфере диагностики и лечения различных заболеваний, технологий связи, мониторинга окружающей среды, системах контроля качества продукции и противодействия терроризму и пр.The invention is directed to the development of a powerful and easily tunable in a wide frequency range source of coherent terahertz and far infrared radiation, capable of continuous operation. Such a device has not yet been created, although it is very popular both for basic research in the fields of biology, molecular dynamics, physics of semiconductors and superconductors, and for practical applications in the field of diagnosis and treatment of various diseases, communication technologies, environmental monitoring, product quality control and counter-terrorism systems, etc.

Одно из направлений работ по созданию источника терагерцового и дальнего инфракрасного излучения заключается в попытках увеличения выходной частоты традиционных генераторов сверхвысоких частот или снижения выходной частоты обычных полупроводниковых диодных лазеров. Однако первый из этих путей связан как с принципиальными, так и техническими трудностями. Так, частота выходного излучения таких приборов вакуумной электроники, как лампы обратной волны, не превышает величины порядка 1,4 ТГц вследствие инерционности электронных процессов, а рабочие частоты гиротронов, как правило, ограничены значениями порядка 1,5 ТГц и достигаются лишь в пульсирующем режиме с малой частотой повторения импульсов: один импульс с длительностью порядка 50 мкс за минуту (В.Л.Братман, А.Г.Литвак, Е.В.Суворов. Освоение терагерцового диапазона: источники и приложения, Успехи физических наук, т.181, №8, 2010, с.867; M.Yu.Glyavin, A.G.Luchinin and G.Yu.Golubiatnikov, Generation of 1.5-kW, 1-THz Coherent Radiation from a Gyrotron with a Pulsed Magnetic Field, Phys. Rev. Lett., v.100, №1, 2008, 015101). Лазеры на свободных электронах хотя и перекрывают весь терагерцовый и инфракрасный диапазон и обеспечивают достаточно высокую выходную мощность, но являются громоздкими и дорогими установками, способными работать лишь в лабораторных условиях и потому фактически недоступными для использования в практических целях (Т.Маршалл. Лазеры на свободных электронах, пер. с англ., - М., 1987). Выходная частота приборов сверхвысоких частот, основанных на развитии различных электрических неустойчивостей в полупроводниках, также ограничена инерционностью используемых в них процессов и не превышает величины порядка сотни ГГц (диоды Ганна: М.Е.Левинштейн, Ю.К.Пожела, М.С.Шур, Эффект Гана, - М., 1975) или, в лучшем случае, нескольких сотен ГГц (лавинно-пролетные диоды: С.Зи, Физика полупроводниковых приборов, пер. с англ., кн.2, - М., 1984).One of the directions in creating a source of terahertz and far infrared radiation is to try to increase the output frequency of traditional microwave generators or reduce the output frequency of conventional semiconductor diode lasers. However, the first of these paths is associated with both fundamental and technical difficulties. Thus, the frequency of the output radiation of such vacuum electronics devices as backward wave lamps does not exceed a value of the order of 1.4 THz due to the inertia of electronic processes, and the operating frequencies of gyrotrons are usually limited to values of the order of 1.5 THz and are achieved only in a pulsating mode with low pulse repetition rate: one pulse with a duration of the order of 50 μs per minute (V.L. Bratman, A.G. Litvak, E.V. Suvorov. Mastering the terahertz range: sources and applications, Uspekhi Fizicheskikh Nauk, vol. 181, no. 8, 2010, p. 867; M.Yu. Glyavin, AG Luchinin and G. Yu. Golubiatnikov, Generation of 1.5-kW, 1-THz Coherent Radiation from a Gyrotron with a Pulsed Magnetic Field, Phys. Rev. Lett., v. 100, No. 1, 2008, 015101). Although free electron lasers cover the entire terahertz and infrared range and provide a rather high output power, they are cumbersome and expensive installations that can work only in laboratory conditions and therefore practically unavailable for practical use (T. Marshall. Free electron lasers , transl. from English. - M., 1987). The output frequency of microwave devices based on the development of various electrical instabilities in semiconductors is also limited by the inertia of the processes used in them and does not exceed a value of the order of a hundred GHz (Gunn diodes: M.E. Levinshtein, Yu.K. Pozhela, M.S. Shur , Ghana effect, - M., 1975) or, at best, several hundred GHz (avalanche-span diodes: S. Zi, Physics of semiconductor devices, trans. From English, book 2, - M., 1984).

С другой стороны, снижение выходной частоты традиционных полупроводниковых диодных лазеров не позволило продвинуться в терагерцовую и дальнюю инфракрасную область и оказалось ограничено величинами, лежащими в среднем инфракрасном диапазоне. Для более низких частот в этих устройствах быстро увеличивается вероятность ожерекомбинации электронов и дырок и создание достаточно большой инверсии населенностей на лазерном переходе становится невозможным (П.Г.Елисеев. Введение в физику инжекционных лазеров. - М., 1983).On the other hand, a decrease in the output frequency of traditional semiconductor diode lasers did not allow advancement into the terahertz and far infrared regions and was limited by values lying in the mid-infrared range. For lower frequencies in these devices, the probability of electron and hole co-recombination rapidly increases and the creation of a sufficiently large population inversion at the laser transition becomes impossible (P.G. Eliseev. Introduction to the physics of injection lasers. - M., 1983).

Известно устройство, позволяющее частично решить задачу создания источника когерентного терагерцового и дальнего инфракрасного излучения - так называемый терагерцовый квантовый каскадный лазер (R.Kohler, A.Tredicucci, F.Beltram, H.E.Beere, Е.Н.Linfield, A.G.Davies, D.A.Ritchie, R.C.Iotti and F.Rossi, Terahertz semiconductor-heterostructure laser, Nature, v.417, 2002, pp.156-159, патент US №7548566, МПК⁸ H01S 3/30, опубл. 2009 г.). Основным его компонентом является определенным образом n-допированная сложная сверхрешетка (обычно выполненная на основе AlGaAs гетеросистемы), каждый период которой состоит из последовательности квантовых ям и разделяющих их барьеров различных химического состава и толщины. В результате подбора параметров такой структуры и наложения на нее внешнего постоянного электрического поля определенной величины удается добиться инверсии населенностей между возникающими в ее зоне проводимости подзонами размерного квантования, характеризующимися частотой перехода, лежащей в терагерцовом или дальнем инфракрасном диапазоне. При этом опустошение нижней лазерной подзоны осуществляется различными способами, например за счет быстрого туннелирования находящихся в ней электронов в подзону в соседней квантовой яме и их дальнейшего быстрого перехода в нижележащую подзону вследствие резонансного излучения продольного оптического фонона.A device is known that partially solves the problem of creating a source of coherent terahertz and far infrared radiation - the so-called terahertz quantum cascade laser (R.Kohler, A.Tredicucci, F. Beltram, HEBeere, E.N. Linfield, AGDavies, DARitchie, RCIotti and F Rossi, Terahertz semiconductor-heterostructure laser, Nature, v.417, 2002, pp. 156-159, US patent No. 7548566, IPC ⁸ H01S 3/30, publ. 2009). Its main component is in a certain way an n-doped complex superlattice (usually made on the basis of an AlGaAs heterosystem), each period of which consists of a sequence of quantum wells and barriers of different chemical composition and thickness separating them. As a result of selecting the parameters of such a structure and applying an external constant electric field of a certain magnitude to it, it is possible to achieve population inversion between the size quantization subbands arising in its conduction band, characterized by a transition frequency lying in the terahertz or far infrared range. In this case, the emptying of the lower laser subband is carried out in various ways, for example, by quickly tunneling the electrons in it into a subband in an adjacent quantum well and their further rapid transition to the underlying subband due to the resonant radiation of the longitudinal optical phonon.

Недостатком данного устройства является тот факт, что в конкретной его реализации выходная частота является заданной величиной и для ее сколько-нибудь значительного изменения необходимо менять параметры сверхрешетки, образующей его активную область, т.е. выращивать новую гетероструктуру. Кроме того, генерируемое в таком устройстве терагерцовое и дальнее инфракрасное излучение испытывает сильное поглощение на электронах, населяющих мини-зоны, которые формируются в нем для обеспечения протекания электрического тока в поперечном к плоскости роста свехрешетки направлении. Следует также отметить, что в терагерцовом квантовом каскадном лазере не удается создать большую инверсию населенностей между близкими по энергии подзонами размерного квантования, образующими рабочий переход с частотой, соответствующей терагерцовому или дальнему инфракрасному диапазону. Два последних факта обуславливают малую выходную мощность (и низкий КПД) такого устройства, которая в импульсном режиме не превышает 200-300 мВт в пике, а в непрерывном - 130 мВт (B.S.Williams, Terahertz quantum-cascade lasers, Nature Photonics, v.1, 2007, pp.517-525).The disadvantage of this device is the fact that in its specific implementation the output frequency is a given value and for its any significant change it is necessary to change the parameters of the superlattice forming its active region, i.e. to grow a new heterostructure. In addition, the terahertz and far infrared radiation generated in such a device experiences strong absorption on the electrons that inhabit the mini-zones that are formed in it to ensure the flow of electric current in the direction transverse to the growth plane of the superlattice. It should also be noted that in a terahertz quantum cascade laser, it is not possible to create a large population inversion between close-energy dimensional quantization subbands that form a working transition with a frequency corresponding to the terahertz or far infrared range. The last two facts determine the low output power (and low efficiency) of such a device, which in the pulsed mode does not exceed 200-300 mW at the peak, and in the continuous mode - 130 mW (BSWilliams, Terahertz quantum-cascade lasers, Nature Photonics, v.1 2007, pp. 517-525).

Известно также другое устройство, позволяющее частично решить задачу создания источника когерентного терагерцового и дальнего инфракрасного излучения квантовый каскадный лазер среднего инфракрасного диапазона, генерирующий одновременно электромагнитные поля на двух близких частотах ω₁ и ω₂. В результате их смешения в активной области такого лазера за счет присутствия в ее диэлектрической проницаемости квадратичного нелинейного слагаемого, обусловленного переходами между подзонами размерного квантования в образующих ее квантовых ямах и имеющего резонансный характер, происходит генерация излучения на разностной частоте ω₃=ω₁-ω₂, которая лежит в терагерцовом или дальнем инфракрасном диапазоне (M.A.Belkin, F.Capasso, A.Belyanin, D.L.Sivco, A.Y.Cho, D.C.Oakley, C.J.Vineis and G.W.Turner. Terahertz quantum-cascade-laser source based on intracavity difference-frequency generation, Nature Photonics, v.1. 2007, pp.288-292, патент US №7974325, МПК⁸ H01S 5/00 (20060101), опубл. 2011 г.). В конкретной реализации устройство было изготовлено на основе InGaAs/AlInAs гетероструктуры, выращенной с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии и согласованной по постоянной решетки с подложкой InP. В качестве верхнего обкладочного слоя волновода был использован слой InP с толщиной 10 мкм, выращенный с помощью металоорганического химического осаждения.Another device is also known that partially solves the problem of creating a source of coherent terahertz and far infrared radiation, a mid-infrared quantum cascade laser that simultaneously generates electromagnetic fields at two close frequencies ω ₁ and ω ₂ . As a result of their mixing in the active region of such a laser due to the presence of a quadratic nonlinear term in its dielectric constant, due to transitions between the size quantization subbands in the quantum wells forming it and having a resonant character, radiation is generated at the difference frequency ω ₃ = ω ₁ -ω ₂ which lies in the terahertz or far infrared range (MABelkin, F. Capasso, A. Belyanin, DLSivco, AYCho, DCOakley, CJVineis and GW Turner. Terahertz quantum-cascade-laser source based on intracavity difference-frequency generation, Nature Photonics, v. 1. 2007, pp. 288-292, US patent No. 7 974325, IPC ⁸ H01S 5/00 (20060101), publ. 2011). In a specific implementation, the device was fabricated on the basis of an InGaAs / AlInAs heterostructure grown using molecular beam epitaxy and matched in constant lattice to an InP substrate. An InP layer with a thickness of 10 μm grown using metalorganic chemical deposition was used as the upper cladding layer of the waveguide.

Недостатком этого устройства является то, что хотя резонансная квадратичная нелинейность диэлектрической проницаемости в активной области квантового каскадного лазера и значительно превышает аналогичную нерезонансную величину в обычных нелинейных кристаллах (например GaAs, LiNbO₃), обычно используемых для генерации разностной частоты, она остается достаточно малой. В результате выходная мощность такого устройства также оказывается довольно низкой и составляет в пике (в импульсном режиме с длительностями импульсов 60 нс и частотой их повторения 250 кГц) 7 мкВт при 80 К, снижаясь до 300 нВт при комнатной температуре. Другим недостатком данного устройства является то, что, хотя его выходная частота ω₃ и может сдвигаться с помощью изменения ω₁ и ω₂ путем вариации параметров активной области, в уже готовом образце перестройка ω₁ и ω₂, а следовательно, и ω₃, возможна (например за счет изменения температуры структуры) лишь в интервалах, ширины которых много меньше их центральных частот.The disadvantage of this device is that although the resonant quadratic nonlinearity of the dielectric constant in the active region of a quantum cascade laser significantly exceeds the similar nonresonance value in ordinary nonlinear crystals (e.g. GaAs, LiNbO ₃ ), usually used to generate the difference frequency, it remains quite small. As a result, the output power of such a device also turns out to be rather low and amounts to 7 μW at 80 K at a peak (in a pulsed mode with pulse durations of 60 ns and a pulse repetition rate of 250 kHz), decreasing to 300 nW at room temperature. Another disadvantage of this device is that, although its output frequency ω ₃ can be shifted by changing ω ₁ and ω ₂ by varying the parameters of the active region, in the finished sample, the rearrangement of ω ₁ and ω ₂ , and therefore ω ₃ , is possible (for example, due to a change in the temperature of the structure) only in intervals whose widths are much smaller than their central frequencies.

В качестве прототипа выбрано устройство, работающее по тому же принципу, что и заявляемое устройство (O.V.Kibis, G.Ya.Slepyan, S.A.Maksimenko and A.Hoffmann, Matter Coupling to Strong Electromagnetic Fields in Two-Level Quantum Systems with Broken Inversion Symmetry, Phys. Rev. Lett., v.102, №2, 2009, 023601). Оно основано на использовании несимметричной квантовой системы, квантовые состояния которой обладают ненулевыми и различными для разных состояний средними дипольными моментами. При помещении такой системы в достаточное сильное внешнее электрическое поле резонансное с переходом между какими-либо ее двумя состояниями, на этом переходе наблюдаются осцилляции Раби (или, что то же, оптические нутации), заключающиеся в периодическом переходе системы из одного из этих состояний в другое и обратно. Вследствие различия средних дипольных моментов этих состояний такие переходы приводят к возникновению поляризации и возбуждаемого ей электромагнитного поля, в спектрах которых имеются гармоники с частотой этих осцилляции, называемой частотой Раби. В указанной выше работе рассмотрена конкретная реализация такой квантовой системы в наногетероструктуре с квантовыми точками AlN/GaN или InN/GaN, в которой вследствие пьезоэлектрического эффекта возникает сильное внутреннее электрическое поле, приводящее к нарушению симметрии системы. Показано, что для характерных параметров таких квантовых точек и экспериментально достижимой амплитуды внешнего электрического поля, которая предполагаются одинаковой во всех точках структуры, частота Раби может лежать в терагерцовом и дальнем инфракрасном диапазоне. Таким образом, данное устройство может служить источником когерентного излучения в этой частотной области. Более того, так как частота Раби зависит от амплитуды внешнего электрического поля (пропорциональна ей), то, изменяя величину последней, можно легко и в широких пределах перестраивать выходную частоту такого устройства. Хотя данный источник когерентного терагерцового и дальнего инфракрасного излучения, насколько известно автору заявки, и не был реализован, экспериментальное наблюдение осцилляции Раби в наногетероструктурах (C.W.Luo, K.Reimann, M.Woerner, Т.Elsaesser, R.Hey and K.H.Ploog, Phase-Resolved Nonlinear Response of a Two-Dimensional Electron Gas under Femtosecond Intersnbband Excitation, Phys. Rev. Lett., v.92, №4, 2004, 047402) поддерживает уверенность в возможности его создания.As a prototype, a device working on the same principle as the claimed device (OVKibis, G.Ya.Slepyan, SAMaksimenko and A.Hoffmann, Matter Coupling to Strong Electromagnetic Fields in Two-Level Quantum Systems with Broken Inversion Symmetry, Phys. Rev. Lett., V. 102, No. 2, 2009, 023601). It is based on the use of an asymmetric quantum system, the quantum states of which have non-zero and different average dipole moments for different states. When such a system is placed in a sufficiently strong external electric field that is resonant with a transition between any of its two states, Rabi oscillations (or, equivalently, optical nutations) are observed at this transition, consisting in a periodic transition of the system from one of these states to another and back. Due to the difference in the average dipole moments of these states, such transitions lead to the appearance of polarization and the electromagnetic field excited by it, the spectra of which have harmonics with the frequency of these oscillations, called the Rabi frequency. In the above work, a concrete implementation of such a quantum system in a nanoheterostructure with AlN / GaN or InN / GaN quantum dots is considered, in which a strong internal electric field arises due to the piezoelectric effect, leading to a violation of the symmetry of the system. It is shown that for the characteristic parameters of such quantum dots and the experimentally achievable amplitude of the external electric field, which are assumed to be the same at all points of the structure, the Rabi frequency can lie in the terahertz and far infrared ranges. Thus, this device can serve as a source of coherent radiation in this frequency domain. Moreover, since the Rabi frequency depends on the amplitude of the external electric field (is proportional to it), by changing the magnitude of the latter, it is possible to easily and broadly tune the output frequency of such a device. Although this source of coherent terahertz and far infrared radiation, as far as the author of the application is not known, has not been realized, experimental observation of Rabi oscillations in nanoheterostructures (CWLuo, K.Reimann, M.Woerner, T. Elsaesser, R.Hey and KHPloog, Phase -Resolved Nonlinear Response of a Two-Dimensional Electron Gas under Femtosecond Intersnbband Excitation, Phys. Rev. Lett., V.92, No. 4, 2004, 047402) maintains confidence in the possibility of its creation.

Недостатком данного устройства является то, что осцилляции Раби могут существовать только в течение времени, не превышающего времени релаксации поляризации T₂, по прошествии которого они затухают. Поэтому увеличение длительности импульса внешнего электрического поля сверх величины T₂ не приводит к росту длительности импульса генерируемого поля и потому нецелесообразно. С другой стороны, минимальный интервал между импульсами внешнего электрического поля должен быть порядка времени релаксации населенностей подзон T₁, что необходимо для того, чтобы система успела прийти в свое первоначальное состояние перед приходом следующего возбуждающего импульса. Для наногетеросистем с квантовыми ямами, технология изготовления которых на сегодняшней день наиболее разработана, T₂≲0,3 пс и T₁~1 пс. Таким образом, предложенное устройство может функционировать лишь как импульсный источник терагерцового или дальнего инфракрасного излучения с большой скважностью (T₁+T₂)/T₂≳4, что для многих приложений является неприемлемым. Другим его недостатком является то, что ограничение максимальной длительности импульса величиной T₂ приводит к тому, что с его помощью возможна лишь генерация излучения с несущей частотой (равной частоте Раби), превышающей величину 1/T₂. В то же время генерация им излучения с несущей частой, значительно превышающей 1/T₂, также является проблематичной, т.к. для этого необходимо увеличивать амплитуду внешнего электрического поля, что может быть трудно выполнимым по техническим причинам или вообще невозможным вследствие разрушения структуры.The disadvantage of this device is that the Rabi oscillations can exist only for a time not exceeding the relaxation time of the polarization T ₂ , after which they decay. Therefore, an increase in the pulse duration of an external electric field in excess of the value of T ₂ does not lead to an increase in the pulse duration of the generated field and is therefore inappropriate. On the other hand, the minimum interval between pulses of an external electric field should be of the order of the relaxation time of the populations of the subbands T ₁ , which is necessary for the system to manage to return to its original state before the arrival of the next exciting pulse. For nanoheterosystems with quantum wells, the manufacturing technology of which is most developed to date, T ₂ ≲ 0.3 ps and T ₁ ~ 1 ps. Thus, the proposed device can only function as a pulsed source of terahertz or far infrared radiation with a high duty cycle (T ₁ + T ₂ ) / T ₂ ≳ 4, which is unacceptable for many applications. Another disadvantage is that limiting the maximum pulse duration to T ₂ leads to the fact that it can only generate radiation with a carrier frequency (equal to the Rabi frequency) exceeding 1 / T ₂ . At the same time, its generation of radiation with a carrier frequency significantly exceeding 1 / T ₂ is also problematic, because for this, it is necessary to increase the amplitude of the external electric field, which can be difficult for technical reasons or even impossible due to the destruction of the structure.

Задачей данного изобретения является создание достаточно мощного источника когерентного терагерцового и дальнего инфракрасного излучения на полупроводниковой наногетероструктуре, способного работать в непрерывном режиме и позволяющего менять его частоту в широких пределах.The objective of the invention is to provide a sufficiently powerful source of coherent terahertz and far infrared radiation on a semiconductor nanoheterostructure, capable of continuous operation and allowing its frequency to be changed over a wide range.

Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом источнике когерентного терагерцового и дальнего инфракрасного излучения между источником возбуждающих импульсов и полупроводниковой наногетороструктурой расположен фильтр в виде пластинки с периодически чередующимися прозрачными и непрозрачными полосками для достижения пространственной периодичности поляризации, возбуждаемой в активной области полупроводниковой наногетероструктуры.The indicated technical result is achieved by the fact that in the proposed source of coherent terahertz and far infrared radiation between the source of exciting pulses and the semiconductor nanoheterostructure there is a filter in the form of a plate with periodically alternating transparent and opaque strips to achieve spatial periodicity of polarization excited in the active region of the semiconductor nanoheterostructure.

Сущность изобретения заключается в том, что из-за пространственной периодичности возбуждаемой в активной области полупроводниковой наногетероструктуры поляризации она не будет генерировать электромагнитные волны со всеми имеющимися в ее спектре вследствие ее импульсного характера частотами, а будет излучать лишь одну электромагнитную волну с частотой, определяемой условием согласования волнового вектора этой волны с пространственно периодической структурой поляризации. В результате, несмотря на импульсный характер поляризации, предлагаемое устройство будет генерировать непрерывное когерентное излучение, частота которого может перестраиваться в широких пределах путем изменения характеристик пространственно периодической поляризационной структуры с помощью использования фильтров с различными параметрами.The essence of the invention lies in the fact that due to the spatial periodicity of the polarization excited in the active region of a semiconductor nanoheterostructure, it will not generate electromagnetic waves with all frequencies available in its spectrum due to its pulsed nature, but will emit only one electromagnetic wave with a frequency determined by the matching condition wave vector of this wave with a spatially periodic polarization structure. As a result, despite the pulsed nature of polarization, the proposed device will generate continuous coherent radiation, the frequency of which can be tuned over a wide range by changing the characteristics of a spatially periodic polarization structure using filters with different parameters.

Изобретение поясняется следующими чертежами. На фиг.1 изображена схема предлагаемого устройства, а также используемая в тексте система координат. Фиг.1(а) представляет собой поперечное сечение устройства плоскостью, параллельной плоскости yz и пересекающей ось x в точке x=(x₁-x₂)/2, а фиг.1(б) является видом устройства сверху, на котором троеточие означает периодическое повторение показанного периода.The invention is illustrated by the following drawings. Figure 1 shows a diagram of the proposed device, as well as the coordinate system used in the text. Figure 1 (a) is a cross-section of the device with a plane parallel to the yz plane and intersecting the x axis at the point x = (x ₁ -x ₂ ) / 2, and Figure 1 (b) is a plan view of the device, in which the ellipsis means Periodic repetition of the period shown.

Таким образом, предлагаемое устройство содержит источник 1 возбуждающих импульсов среднего инфракрасного диапазона с длительностями порядка 100 фс, предназначенный для поляризации активной области 2.Thus, the proposed device contains a source 1 of exciting pulses of the middle infrared range with durations of the order of 100 fs, intended for polarization of the active region 2.

Активная область 2 выращена, например, методом молекулярно-лучевой эпитаксии и состоит из полупроводниковой гетероструктуры, образованной многократным повторением периода, т.е. некоторой последовательности слоев с определенными толщинами и химическими составами. Параметры этой структуры приведены ниже при описании конкретного варианта выполнения устройства. В такой структуре слои, характеризующиеся меньшим значением энергии запрещенной зоны, чем окружающие их слои, играют роль потенциальных (или, как принято их называть в специальной литературе, квантовых) ям для электронов зоны проводимости. Достаточно высокая концентрация последних при этом обеспечивается допированием определенной части каждого периода структуры донорной примесью. При этом область допирования отделяется промежуточным недопированным слоем, что необходимо для уменьшения дополнительного уширения межподзонного перехода вследствие рассеяния электронов на ионизованных донорах. В квантовых ямах формируются подзоны размерного квантования электронов, каждая из которых обладает определенной энергией и волновой функцией, описывающей движение электрона поперек квантовой ямы. Вследствие различия высот левого и правого потенциальных барьеров, окружающих квантовые ямы, и несимметричного расположения допированных областей между квантовыми ямами они являются несимметричными, вследствие чего подзоны размерного квантования в них характеризуются ненулевыми и различными для различных подзон средними дипольными моментами. Поэтому две такие подзоны могут играть роль необходимой для работы предлагаемого устройства несимметричной квантовой системы.The active region 2 is grown, for example, by the method of molecular beam epitaxy and consists of a semiconductor heterostructure formed by multiple repetition of the period, i.e. a certain sequence of layers with certain thicknesses and chemical compositions. The parameters of this structure are given below in the description of a specific embodiment of the device. In such a structure, layers characterized by a lower energy value of the band gap than the layers surrounding them play the role of potential (or, as they are called in the literature) quantum wells for conduction-band electrons. A sufficiently high concentration of the latter is ensured by doping a certain part of each period of the structure with a donor impurity. In this case, the doping region is separated by an intermediate undoped layer, which is necessary to reduce the additional broadening of the interband transition due to electron scattering by ionized donors. In quantum wells, subbands of dimensional quantization of electrons are formed, each of which has a certain energy and wave function that describes the motion of an electron across a quantum well. Due to the difference in the heights of the left and right potential barriers surrounding the quantum wells and the asymmetric arrangement of the doped regions between the quantum wells, they are asymmetric, as a result of which the dimensional quantization subbands in them are characterized by nonzero and different average dipole moments for different subbands. Therefore, two such subzones can play the role necessary for the operation of the proposed device asymmetric quantum system.

Активная область 2 заключена между верхним и нижним слоями металла 3, высокопроводящего и химически стойкого, например Au или Cu, которые играют роль планарного волновода для ограничения генерируемого терагерцового или дальнего инфракрасного излучения по оси z и для выполнения этой задачи должны иметь достаточно большие толщины, превышающие глубину скин-слоя при лежащих в терагерцовом или дальнем инфракрасном диапазоне частотах.The active region 2 is enclosed between the upper and lower layers of metal 3, highly conductive and chemically stable, such as Au or Cu, which play the role of a planar waveguide to limit the generated terahertz or far infrared radiation along the z axis and must have sufficiently large thicknesses that exceed this the depth of the skin layer at frequencies lying in the terahertz or far infrared range.

Нижний из слоев металла 3 напаян на подложку 4.The lower layer of metal 3 is soldered to the substrate 4.

Фильтр 5 служит для обеспечения пространственной периодичности возбуждения активной области 2 вдоль оси x и располагается как можно ближе к ее боковой грани в плоскости xz. Он представляет собой пластинку из материала, слабо поглощающего возбуждающее излучение с вакуумной длиной волны λ~10 мкм, на которой через промежутки x₂-x₁ в вертикальном направлении (ось z) нанесены металлические полосы с шириной 2(x₃-x₂) каждая, которые практически полностью отражают падающее на них возбуждающее излучение. Параметры устройства должны удовлетворять неравенствам λl_y/[n(x₂-x₁)²]<1 и

, где n - показатель преломления активной области 2 (усредненный по ее периоду), l_y - ширина активной области 2 в направлении оси y, а l_z - ее высота в направлении оси z (см. фиг.1). Их выполнение необходимо для обеспечения пространственной периодичности возбуждения на всем латеральном размере l_y активной области 2, т.е. отсутствия на нем существенного уширения формируемых фильтром 5 лучевых пучков.Filter 5 serves to ensure the spatial periodicity of excitation of the active region 2 along the x axis and is located as close as possible to its lateral face in the xz plane. It is a plate of a material that weakly absorbs exciting radiation with a vacuum wavelength of λ ~ 10 μm, on which metal strips with a width of 2 (x ₃ -x ₂ ) each are applied through the gaps x ₂ -x ₁ in the vertical direction (z axis) which almost completely reflect the exciting radiation incident on them. The device parameters must satisfy the inequalities λl _y / [n (x ₂ -x ₁ ) ² ] <1 and

where n is the refractive index of the active region 2 (averaged over its period), l _y is the width of the active region 2 in the direction of the y axis, and l _z is its height in the direction of the z axis (see Fig. 1). Their implementation is necessary to ensure the spatial periodicity of excitation on the entire lateral size l _{y of the} active region 2, i.e. the absence on it of a substantial broadening of the 5 beam beams formed by the filter.

В конкретном варианте выполнения устройства необходимые для поляризации активной области 2 возбуждающие импульсы генерируются в их источнике 1 (типа описанного в работе K.Reimann, R.P.Smith, A.M.Weiner, T.Elsaesser, and M.Woerner, Direct field-resolved detection of terahertz transients with amplitudes of megavolts per centimeter, Optics Letters, v.28, issue 6, 2003, p.471) с помощью нелинейного смешения в кристалле GaSe интенсивных ближних инфракрасных (несущая вакуумная длина волны примерно 800 нм) импульсов с длительностями около 25 фс от титан-сапфирового источника. В результате источник 1 излучает импульсы с несущей вакуумной длиной волны λ=12,4 мкм, длительностью 100 фс и амплитудой электрического поля E₀ до 1 МВ/см.In a particular embodiment of the device, excitation pulses necessary for polarizing the active region 2 are generated in their source 1 (of the type described by K. Reimann, RPSmith, AMWeiner, T. Elsaesser, and M. Woerner, Direct field-resolved detection of terahertz transients with amplitudes of megavolts per centimeter, Optics Letters, v.28, issue 6, 2003, p.471) using nonlinear mixing in the GaSe crystal of intense near-infrared (carrier wavelength of about 800 nm) pulses with a duration of about 25 fs from titanium-sapphire source. As a result, source 1 emits pulses with a vacuum carrier wavelength λ = 12.4 μm, a duration of 100 fs, and an electric field amplitude E _{0 of} up to 1 MV / cm.

Активная область 2 устройства имеет размеры l_y=l_z=10 мкм и изготовлена на основе AlGaAs гетеросистемы. На фиг.2 показана нижняя граница зоны проводимости Е_с на одном периоде активной области 2 как функция координаты z вдоль направления ее роста, а также энергии ε₁₀ и ε₂₀ подзон размерного квантования при нулевом значении квазиимпульса электрона в плоскости квантовой ямы p_|| и формы соответствующих им огибающих волновых функций; в качестве начала отсчета энергии выбран уровень химического потенциала. Толщина одного периода равна l_MQW=59,3 нм, и он состоит из квантовой ямы GaAs с толщиной l_QW=8,5 нм (30 монослоев), окруженной левым барьером из Al_0,35Ga_0,65As с толщиной 20,3 нм (72 монослоя) и правым барьером из Al_0,22Ga_0,78As с толщиной 31 нм (108 монослоев). Активная область 2 имеет полную толщину l_z=10 мкм, и она состоит из 168 повторений показанного на фиг.2 периода. Усредненный по периоду показатель преломления n активной области 2 равен 3,15. Разделяющие соседние квантовые ямы барьеры достаточно высоки и широки, так что каждая квантовая яма может рассматриваться отдельно от других, и формирования мини-зон не происходит. Левая часть левого барьера, имеющая толщину 10 нм (18 монослоев), допируется Si до концентрации 5×10¹⁷ см^-3 для обеспечения достаточного количества электронов в квантовой яме. Вычисление энергии подзон с учетом влияния самосогласованного кулоновского потенциала, возникающего вследствие пространственного разделения ионизованных доноров и электронов, т.е. одновременное решение уравнения Шредингера и Пуассона, с помощью стандартной программы Г.Снайдера (G.Snider) дает, что при температуре T=15K в каждой квантовой яме возникают только две подзоны размерного квантования с ε₁₀=-17,54 мэВ и ε₂₀=82,53 мэВ. При этом концентрация электронов в каждой квантовой яме на единицу ее площади примерно равняется 4,7×10¹¹ см^-2 и сосредоточена практически полностью в первой подзоне. В пренебрежении импульсами фотонов по сравнению с квазиимпульсом электронов и небольшой разницей эффективных масс электронов при их движении в плоскости квантовой ямы можно считать, что подзоны играют роль квантовых уровней с частотой перехода между ними ω₂₁=(ε₂₀-ε₁₀)/ħ, примерно соответствующей вакуумной длине волны λ=12,4 мкм, т.е. резонансной с частотой возбуждающих импульсов.The active region 2 of the device has dimensions l _y = l _z = 10 μm and is made on the basis of an AlGaAs heterosystem. Figure 2 shows the lower boundary of the conduction band E _c on one period of the active region 2 as a function of the z coordinate along the direction of its growth, as well as the energy ε ₁₀ and ε _{20 of the} dimensional quantization subbands at zero electron quasimomentum in the plane of the quantum well p _|| and the shapes of their corresponding envelope wave functions; as the reference point of energy, the level of chemical potential is selected. The thickness of one period is l _MQW = 59.3 nm, and it consists of a GaAs quantum well with a thickness of l _QW = 8.5 nm (30 monolayers) surrounded by a left barrier of Al _0.35 Ga _0.65 As with a thickness of 20, 3 nm (72 monolayers) and the right barrier of Al _0.22 Ga _0.78 As with a thickness of 31 nm (108 monolayers). The active region 2 has a total thickness l _z = 10 μm, and it consists of 168 repetitions of the period shown in FIG. 2. The period-averaged refractive index n of active region 2 is 3.15. The barriers separating neighboring quantum wells are quite high and wide, so that each quantum well can be considered separately from the others, and the formation of minibands does not occur. The left side of the left barrier, having a thickness of 10 nm (18 monolayers), is doped with Si to a concentration of 5 × 10 ¹⁷ cm ^-3 to ensure a sufficient number of electrons in the quantum well. The calculation of the energy of the subbands taking into account the influence of the self-consistent Coulomb potential arising from the spatial separation of ionized donors and electrons, i.e. the simultaneous solution of the Schrödinger and Poisson equations, using the G.Snider standard program, gives that at a temperature of T = 15 K in each quantum well there are only two dimensional quantization subbands with ε ₁₀ = -17.54 meV and ε ₂₀ = 82.53 meV. In this case, the electron concentration in each quantum well per unit area is approximately 4.7 × 10 ¹¹ cm ^-2 and is concentrated almost completely in the first subzone. Neglecting the photon momenta as compared to the electron quasimomentum and the small difference in the effective masses of the electrons when they move in the plane of the quantum well, we can assume that the subbands play the role of quantum levels with a transition frequency between them of ω ₂₁ = (ε ₂₀ -ε ₁₀ ) / ħ, approximately the corresponding vacuum wavelength λ = 12.4 μm, i.e. resonant with the frequency of the exciting pulses.

Дипольный момент перехода между подзонами d₁₂≡-ez₁₂z⁰, где e>0 - элементарный заряд; z₁₂≃2,18 нм - найденный с помощью компьютерных вычислений матричный элемент перехода; z⁰ - единичный вектор вдоль оси z. Разница средних дипольных моментов подзон d₁₁-d₂₂≡-e(z₁₁-z₂₂)z⁰, где разница диагональных матричных элементов z₁₁-z₂₂≃-3,1 нм.The dipole moment of the transition between subbands d ₁₂ ≡-ez ₁₂ z ⁰ , where e> 0 is the elementary charge; z ₁₂ ≃ 2.18 nm is the transition matrix element found by computer calculations; z ⁰ is the unit vector along the z axis. The difference in the average dipole moments of the subbands is d ₁₁ -d ₂₂ ≡-e (z ₁₁ -z ₂₂ ) z ⁰ , where the difference in the diagonal matrix elements is z ₁₁ -z ₂₂ ≃ -3.1 nm.

Толщины верхнего и нижнего слоев металла 3 (в данном случае Au) должны быть сделаны бóльшими 50 нм.The thicknesses of the upper and lower layers of metal 3 (in this case, Au) should be made larger than 50 nm.

Подложка 4 выполняется из GaAs.Substrate 4 is made of GaAs.

Фильтр 5 представляет собой пластинку из GaAs, на которой через промежутки x₂-x₁ в вертикальном направлении (ось z) нанесены полосы из Au шириной 2(x₃-x₂) каждая. Оптимальные значения x_1,2,3 для генерации терагерцового или дальнего инфракрасного излучения с различными частотами приведены ниже. Легко проверить, что для указанных l_y, l_z, n и всех используемых величин разности x₂-x₁ неравенства l_yλl_y/[n(x₂-x₁)²]<1 и

, согласно сказанному выше, обеспечивающие пространственную периодичность возбуждения поляризации на всем латеральном размере активной области 2, действительно выполняются.The filter 5 is a GaAs plate on which, through the gaps x ₂ -x ₁ in the vertical direction (z axis), strips of Au are applied with a width of 2 (x ₃ -x ₂ ) each. The optimal values of x _1,2,3 for the generation of terahertz or far infrared radiation with different frequencies are given below. It is easy to verify that for the indicated l _y , l _z , n and all used values of the difference x ₂ -x _{1 the} inequalities l _y λl _y / [n (x ₂ -x ₁ ) ² ] <1 and

According to the above, the spatial periodicity of the polarization excitation on the entire lateral size of the active region 2 is indeed satisfied.

Устройство работает следующим образом. При температуре образца T=15 K время релаксации поляризации T₂ примерно равно 100 фс, а время релаксации населенностей подзон T₁=550 фс, как было измерено в работе R.A.Kaindl, K.Reimann, M.Woerner, Т.Elsaesser, R.Hey and K.H.Ploog, Homogeneous broadening and excitation-induced dephasing of intersubband transitions in a quasi-two-dimensional electron gas, Phys. Rev. B, v.63, №16, 2001, 161308(R) для структуры, подобной рассматриваемой здесь. Расчеты показывают, что мощность предлагаемого устройства в терагерцовом и дальнем инфракрасном диапазоне максимальна, если длительности возбуждающих импульсов примерно равны T₂, а частота Раби ωR≡|d₁₂E₀|/ħ сама лежит в этой спектральной области и удовлетворяет соотношению T₂ω_R/(2π)~1. Последнее означает, что в течение возбуждающего импульса происходит примерно одна осцилляция Раби, т.е. электроны один раз переходят из нижней подзоны в верхнюю и возвращаются обратно. Вследствие различия средних дипольных моментов подзон это приводит к возникновению поляризации, содержащей низкочастотную компоненту. Последняя представляет собой последовательность импульсов с длительностями T₂, каждый из которых состоит из одного колебания. Низкочастотная компонента поляризации приводит к возникновению в активной области 2 соответствующей низкочастотной плотности тока, являющейся периодической функцией времени с периодом τ=T₂+τ₁, где τ₁ - длительность межимпульсного интервала. Разложим ее в ряд Фурье. В нем будут присутствовать гармоники с частотами 2 πq/τ, где q - целое число. Если бы возбуждаемая поляризация была однородна в пространстве, то все эти гармоники генерировали бы электромагнитные волны с соответствующими частотами (и определяемыми ими продольными волновыми числами k_q) практически с одинаковой эффективностью. Суммирование этих волн на выходе устройства привело бы к импульсному выходному сигналу с длительностями импульсов T₂, межимпульсным интервалом τ₁ и несущей частотой, равной частоте Раби.The device operates as follows. At a sample temperature T = 15 K, the polarization relaxation time T _{2 is} approximately 100 fs, and the subband population relaxation time T ₁ = 550 fs, as measured by RAKaindl, K. Reimann, M. Woerner, T. Elsaesser, R. Hey and KHPloog, Homogeneous broadening and excitation-induced dephasing of intersubband transitions in a quasi-two-dimensional electron gas, Phys. Rev. B, v. 63, No. 16, 2001, 161308 (R) for a structure similar to that contemplated herein. Calculations show that the power of the proposed device in the terahertz and far infrared ranges is maximum if the durations of the exciting pulses are approximately equal to T ₂ and the Rabi frequency ωR≡ | d ₁₂ E ₀ | / ħ itself lies in this spectral region and satisfies the relation T ₂ ω _R / (2π) ~ 1. The latter means that approximately one Rabi oscillation occurs during the exciting pulse, i.e. electrons once pass from the lower subband to the upper one and return back. Due to the difference in the average dipole moments of the subbands, this leads to the appearance of polarization containing the low-frequency component. The latter is a sequence of pulses with durations T ₂ , each of which consists of one oscillation. The low-frequency component of polarization leads to the appearance in the active region 2 of the corresponding low-frequency current density, which is a periodic function of time with a period of τ = T ₂ + τ ₁ , where τ ₁ is the duration of the interpulse interval. We expand it in a Fourier series. It will contain harmonics with frequencies 2 πq / τ, where q is an integer. If the excited polarization were uniform in space, then all these harmonics would generate electromagnetic waves with the corresponding frequencies (and the longitudinal wave numbers k _q determined by them) with almost the same efficiency. The summation of these waves at the output of the device would lead to a pulsed output signal with pulse durations T ₂ , inter-pulse interval τ ₁ and a carrier frequency equal to the Rabi frequency.

Однако, поскольку в предлагаемом устройстве между источником 1 возбуждающих импульсов и активной областью 2 установлен фильтр 5, возбуждаемая в активной области 2 поляризация является периодической в пространстве (фиг.1). Тогда излучение от активной области 2 будет во многом аналогично излучению от фазированной антенной решетки, и можно показать, что если x₂-x₁=π/Rek_g и x₃=2π/Rek_q, т.е. часть пространственного периода поляризации, на которой поляризация отлична от нуля, равна половине длины волны, а сам период - одной длине волны гармоники электромагнитного поля с некоторым q, то лишь эта гармоника и будет излучаться эффективно. В результате на выходе устройства не будут суммироваться волны с различными частотами, а будет лишь одна волна с частотой 2πq/τ, определяемой величинами x₂-x₁ и x₃, т.е. непрерывный выходной сигнал. Изменяя x₁, x₂ и x₃, можно добиться генерации гармоник с различными q, т.е. менять выходную частоту устройства в широких пределах. Таким образом, установка между источником возбуждающих импульсов 1 и активной областью 2 фильтра 5 с варьируемыми параметрами позволяет достичь требуемого технического результата, заключающегося в создании частотно-перестраиваемого непрерывного источника когерентного терагерцового или дальнего инфракрасного излучения на полупроводниковой наногетероструктуре.However, since in the proposed device between the source 1 of the exciting pulses and the active region 2 a filter 5 is installed, the polarization excited in the active region 2 is periodic in space (Fig. 1). Then the radiation from the active region 2 will be in many respects similar to the radiation from the phased array, and it can be shown that if x ₂ -x ₁ = π / Rek _g and x ₃ = 2π / Rek _q , i.e. Since the part of the spatial period of polarization, at which the polarization is nonzero, is equal to half the wavelength, and the period itself is one wavelength of the harmonic of the electromagnetic field with some q, then this harmonic will be emitted efficiently. As a result, waves with different frequencies will not be summed at the device output, but only one wave with a frequency of 2πq / τ, determined by the values x ₂ -x ₁ and x ₃ , i.e. continuous output. By changing x ₁ , x ₂ and x ₃ , one can achieve the generation of harmonics with different q, i.e. change the output frequency of the device over a wide range. Thus, the installation between the source of exciting pulses 1 and the active region 2 of the filter 5 with variable parameters allows to achieve the desired technical result, which consists in creating a frequency-tunable continuous source of coherent terahertz or far infrared radiation on a semiconductor nanoheterostructure.

Из указанного выше условия оптимальной работы прелагаемого источника T₂ω_R/(2π)~1 можно получить оценку на амплитуду электрического поля возбуждающих импульсов E₀~200 кВ/см. Согласно сказанному выше, источник 1 способен обеспечить генерацию возбуждающих импульсов с такими характеристиками.From the above conditions for the optimal operation of the proposed source T ₂ ω _R / (2π) ~ 1, one can obtain an estimate of the electric field amplitude of the exciting pulses E ₀ ~ 200 kV / cm. According to the above, the source 1 is able to provide the generation of exciting pulses with such characteristics.

Вследствие субволнового характера образованного слоями металла 3 двойного плазмонного волновода для терагерцового и дальнего инфракрасного излучения коэффициент отражения последнего на его торцевых гранях (по мощности) значительно превышает френелевское значение и лежит в пределах 0,54÷0,9 в зависимости от соотношения генерируемой длины волны и размеров волновода (S.Kohen, B.S.Williams and Q.Hu, Electromagnetic modelling of terahertz quantum cascade laser waveguides and resonators, J. Appl. Phys., v.97, №5, 2005, 053106). Для нижеследующих оценок выходной мощности рассматриваемого устройства будет предполагаться наихудший случай, когда указанный коэффициент равен 0.9 и, следовательно, доля выводимой из активной области 2 мощности минимальна.Due to the subwave nature of the double plasmon waveguide formed by the metal layers 3 for terahertz and far infrared radiation, the reflection coefficient of the latter at its end faces (in power) significantly exceeds the Fresnel value and lies in the range 0.54 ÷ 0.9 depending on the ratio of the generated wavelength and waveguide sizes (S. Kohen, BS Williams and Q. Hu, Electromagnetic modeling of terahertz quantum cascade laser waveguides and resonators, J. Appl. Phys., v. 97, No. 5, 2005, 053106). For the following estimates of the output power of the device under consideration, the worst case will be assumed when the indicated coefficient is 0.9 and, therefore, the fraction of power output from the active region 2 is minimal.

На фиг.3 изображены зависимости расчетной мощности устройства P_q от его продольной длины вдоль оси x для гармоник с различными q. При этом для каждого q величина x₁ выбрана равной 0,5π/Rek_q для обеспечения симметрии устройства относительно делящей его пополам плоскости yz, а величины x₂-x₁=π/Rek_q и x₃=2π/Rek_q, т.е. равны своим оптимальным значениям для данного q. На фиг.3(а) показаны величины P_q для τ₁=T₁ и q=1 (выходная вакуумная длина волны 195 мкм, x₁=26,4 мкм, x₂=79,1 мкм, x₃=105,4 мкм), q=2 (97,5 мкм, x₁=9,5 мкм, x₂=28,6 мкм, x₃=38,1 мкм), q=3 (65 мкм, x₁=5,6 мкм, x₂=16,7 мкм, x₃=22,3 мкм) и q=4 (48,75 мкм, x₁=3,9 мкм, x₂=11,8 мкм, x₃=15,7 мкм). На фиг.3(б) изображены те же величины, но при τ₁=2T₁ и q=1 (360 мкм, x₁=65,7 мкм, x₂=197 мкм, x₃=262,7 мкм), q=2 (180 мкм, x₁=23,3 мкм, x₂=70 мкм, x₃=93,3 мкм), q=3 (120 мкм, x₁=12,8 мкм, x₂=38,3 мкм, x₃=51,1 мкм), q=4 (90 мкм, x₁=8,5 мкм, x₂=25,6 мкм, x₃=34,2 мкм), q=5 (72 мкм, x₁=6,4 мкм, x₂=19,1 мкм, x₃=25,4 мкм) и q=6 (60 мкм, x₁=5,1 мкм, x₂=15,2 мкм, x₃=20,2 мкм).Figure 3 shows the dependence of the calculated power of the device P _q on its longitudinal length along the x axis for harmonics with different q. Moreover, for each q, the quantity x _{1 is} chosen equal to 0.5π / Rek _q to ensure the symmetry of the device relative to the yz plane bisecting it, and the values x ₂ -x ₁ = π / Rek _q and x ₃ = 2π / Rek _q , t. e. are equal to their optimal values for a given q. Figure 3 (a) shows the values of P _q for τ ₁ = T ₁ and q = 1 (output vacuum wavelength of 195 μm, x ₁ = 26.4 μm, x ₂ = 79.1 μm, x ₃ = 105, 4 μm), q = 2 (97.5 μm, x ₁ = 9.5 μm, x ₂ = 28.6 μm, x ₃ = 38.1 μm), q = 3 (65 μm, x ₁ = 5, 6 μm, x ₂ = 16.7 μm, x ₃ = 22.3 μm) and q = 4 (48.75 μm, x ₁ = 3.9 μm, x ₂ = 11.8 μm, x ₃ = 15, 7 μm). Figure 3 (b) shows the same values, but with τ ₁ = 2T ₁ and q = 1 (360 μm, x ₁ = 65.7 μm, x ₂ = 197 μm, x ₃ = 262.7 μm), q = 2 (180 μm, x ₁ = 23.3 μm, x ₂ = 70 μm, x ₃ = 93.3 μm), q = 3 (120 μm, x ₁ = 12.8 μm, x ₂ = 38, 3 μm, x ₃ = 51.1 μm), q = 4 (90 μm, x ₁ = 8.5 μm, x ₂ = 25.6 μm, x ₃ = 34.2 μm), q = 5 (72 μm , x ₁ = 6.4 microns, x ₂ = 19.1 microns, x ₃ = 25.4 microns) and q = 6 (60 microns, x ₁ = 5.1 microns, x ₂ = 15.2 microns, x ₃ = 20.2 μm).

Из фиг.3 следует, что оптимальная длина устройства l_x равна нескольким сантиметрам и определяется 1/Imk_g, т.е. длиной поглощения генерируемого излучения. Из него также видно, что для близких частот максимальные P_q в случае τ₁=T₁ больше, чем в случае τ₁=2T₁. Это является отражением того факта, что при τ₁=T₁ скважность возбуждения примерно в два раза меньше, чем в случае τ₁=2T₁. Таким образом, оптимальным для данного устройства является минимально возможный интервал между возбуждающими импульсами, равный времени релаксации населенностей T₁.From figure 3 it follows that the optimal length of the device l _x equal to several centimeters and is determined by 1 / Imk _g , i.e. the absorption length of the generated radiation. It also shows that for close frequencies the maximum P _q in the case of τ ₁ = T _{1 is} greater than in the case of τ ₁ = 2T ₁ . This is a reflection of the fact that at τ ₁ = T _{1 the} duty cycle of the excitation is approximately two times less than in the case of τ ₁ = 2T ₁ . Thus, the optimum for this device is the minimum possible interval between exciting pulses, equal to the relaxation time of the populations T ₁ .

Для демонстрации того, что предлагаемое устройство действительно обеспечивает непрерывное выходное излучение при его импульсном возбуждении, рассмотрим случай τ₁=T₁ и фильтр 5, для которого x₂-x₁=π/Rek₁ и x₃=2π/Rek₁, т.е. фильтр 5, оптимальный для генерации первой гармоники. Тогда вычисления дают, что P₂/P₁≃1,4×10^-5, P₃/P₁≃5,9×10^-6 и P₄/P₁≃2,4×10^-6. Таким образом, мощности на других гармониках пренебрежимо малы по сравнению с мощностью на первой гармонике, которая таким образом доминирует в выходном сигнале, приводя к его непрерывности во времени.To demonstrate that the proposed device does provide continuous output radiation upon pulsed excitation, we consider the case τ ₁ = T ₁ and filter 5, for which x ₂ -x ₁ = π / Rek ₁ and x ₃ = 2π / Rek ₁ , t .e. filter 5, optimal for generating the first harmonic. Then the calculations give that P ₂ / P ₁ ≃ 1.4 × 10 ^-5 , P ₃ / P ₁ ≃ 5.9 × 10 ^-6 and P ₄ / P ₁ ≃ 2.4 × 10 ^-6 . Thus, the powers at other harmonics are negligible compared to the powers at the first harmonic, which thus dominates the output signal, leading to its continuity in time.

Общая тенденция уменьшения максимальных P_q с ростом q объясняется увеличением потерь терагерцового или дальнего инфракрасного излучения |Imk_q| с ростом его частоты (т.е. q) в образованном слоями металла 3 планарном волноводе.The general tendency for maximum P _q to decrease with q is explained by an increase in the loss of terahertz or far infrared radiation | Imk _q | with an increase in its frequency (i.e., q) in a planar waveguide formed by metal layers 3.

Из фиг.3 видно, что, работая в непрерывном режиме, предлагаемое устройство может обеспечить выходную мощность ~0,8 Вт, которая в несколько раз больше, чем мощность терагерцового квантового каскадного лазера при работе в непрерывном режиме (0,1÷0,2 Вт) и даже в пике при работе в импульсном режиме (0,2÷0,3 Вт), см. B.S.Williams, Terahertz quantum-cascade lasers, Nature Photonics, v.1, 2007, pp.517-525. Предложенное устройство, кроме того, позволяет существенно перестраивать частоту генерации в терагерцовом и дальнем инфракрасном диапазоне, что для квантового каскадного терагерцового лазера является недостижимым. Предлагаемое устройство также обеспечивает значительно большую выходную мощность, чем двухчастотный квантовый каскадный лазер среднего инфракрасного диапазона, генерирующий излучение разностной частоты с мощностью, не превышающей даже в импульсном режиме 7 мкВт (М.А.Belkin, F.Capasso, A.Belyanin, D.L.Sivco, A.Y.Cho, D.C.Oakley, C.J.Vineis, and G.W.Turner, Terahertz quantum-cascade-laser source based on intracavity difference-frequency generation, Nature Photonics, v.1, 2007, pp.288-292, патент US №7974325, МПК⁸ H01S 5/00 (20060101), опубл. 2011 г.), и, в отличие от него, позволяет значительно перестраивать выходную частоту.Figure 3 shows that, working in continuous mode, the proposed device can provide an output power of ~ 0.8 W, which is several times greater than the power of a terahertz quantum cascade laser when operating in continuous mode (0.1 ÷ 0.2 W) and even at a peak when operating in a pulsed mode (0.2 ÷ 0.3 W), see BSWilliams, Terahertz quantum-cascade lasers, Nature Photonics, v.1, 2007, pp.517-525. The proposed device, in addition, allows you to significantly tune the generation frequency in the terahertz and far infrared range, which is unattainable for a quantum cascade terahertz laser. The proposed device also provides a significantly higher output power than a mid-infrared dual-frequency quantum cascade laser generating difference-frequency radiation with a power not exceeding even 7 μW in a pulsed mode (M.A. Belkin, F. Capasso, A. Belyanin, DLSivco, AYCho, DCOakley, CJVineis, and GW Turner, Terahertz quantum-cascade-laser source based on intracavity difference-frequency generation, Nature Photonics, v.1, 2007, pp. 288-292, US patent No. 7974325, IPC ⁸ H01S 5/00 (20060101), publ. 2011), and, unlike him, allows you to significantly tune the output frequency.

В отличие от устройства-прототипа, являющегося импульсным источником терагерцового и дальнего инфракрасного излучения, предлагаемое устройство является непрерывным источником в этом частотном диапазоне. Кроме того, устройство-прототип способно генерировать лишь импульсы, несущая частота которых превышает обратное время релаксации поляризации 1/T₂. Предлагаемое же устройство может излучать импульсы с несущей частотой как больше, так и меньше 1/T₂.Unlike the prototype device, which is a pulsed source of terahertz and far infrared radiation, the proposed device is a continuous source in this frequency range. In addition, the prototype device is capable of generating only pulses whose carrier frequency exceeds the inverse polarization relaxation time 1 / T ₂ . The proposed device can emit pulses with a carrier frequency of both more and less than 1 / T ₂ .

Достоинством предлагаемого устройства является также то, что, в отличие от квантовых каскадных лазеров, оно основано на сравнительно простой наногетероструктуре, изготовление которой не требует применения сверхсложного технологического оборудования.The advantage of the proposed device is that, unlike quantum cascade lasers, it is based on a relatively simple nanoheterostructure, the manufacture of which does not require the use of sophisticated technological equipment.

Claims

A frequency-tunable source of coherent terahertz and far infrared radiation based on a semiconductor nanoheterostructure, excited by pulses of the mid-infrared range, characterized in that a filter in the form of a plate in the form of a plate with periodically alternating transparent and opaque periodically reaching transparent layers is achieved in it in order to achieve a non-transparent nano-heterostructure polarization excited in the active region of a semiconductor nanog heterostructures.