что такое терагерцовая электроника
Терагерцовая электроника: уникальный опыт ученого ЛЭТИ – зарубежным специалистам
В англоязычной монографии профессора кафедры РТЭ А.Д. Григорьева впервые обобщены современные знания в области терагерцовых технологий.
Монография профессора кафедры радиотехнической электроники (РТЭ) СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Андрея Дмитриевича Григорьева посвящена источникам терагерцового электромагнитного излучения, на основе которого создаются современные радиолокационные средства, системы связи, мобильные системы пятого и шестого поколений.
Автор подробно описывает и дает сравнительный анализ всех типов источников – лазеров, фотопроводящих антенн, полупроводниковых диодов, транзисторных генераторов и усилителей, вакуумных устройств, а также детекторов волн.
В книге приведены отличительные особенности взаимодействия терагерцового излучения с различными материалами, включая атмосферу Земли, жидкости, диэлектрики, сверхпроводники, полупроводники, металлы и 2D-структуры. Подробно рассмотрены причины появления так называемого терагерцового провала – участка электромагнитного спектра с минимальной мощностью, а также способам повышения рабочей частоты и выходной мощности источников. Рассмотрены характеристики и технологии производства электромагнитных и электронно-оптических систем вакуумных терагерцовых устройств.
Монография Андрея Дмитриевича Григорьева Terahertz Electronics стала первой книгой, в которой обобщены современные знания в данной области. Основой уникального материала, изложенного в книге, стал многолетний опыт автора по разработке мощных вакуумных усилителей терагерцового излучения совместно с АО «Светлана-Электронприбор».
«Разработка терагерцовых приборов – очень трудная задача с точки зрения технологий. Все конструктивные решения нужно принимать с учетом того, могут ли они быть воплощены в «железо». В связи с уменьшением длины волны электромагнитного излучения от 3 мм до 33 мкм допуски на изготовление деталей должны быть на порядок меньше этой величины. Таким образом, предъявляются очень серьезные требования к качеству обработки поверхностей, производственному оборудованию и технологиям изготовления. В результате этого приборы получаются очень дорогими. Надеюсь, что решения, которые содержатся в этой книге, помогут облегчить и удешевить процесс конструирования аппаратуры».
Профессор кафедры радиотехнической электроники (РТЭ) Андрей Дмитриевич Григорьев
Книга предназначена для пользователей и разработчиков генераторов и приемников терагерцового излучения, а также для студентов, обучающихся по магистерской программе «Микроволновая и телекоммуникационная электроника» и смежным направлениям.
Профессор кафедры радиотехнической электроники (РТЭ) Андрей Дмитриевич Григорьев
Для справки
Профессор кафедры радиотехнической электроники Андрей Дмитриевич Григорьев – признанный в стране и за рубежом специалист в области электроники и электродинамики микроволн, а также вычислительной электродинамики. Окончил ЛЭТИ в 1960 году. Доктор технических наук (1987). Автор более 150 научных публикаций, в том числе монографий и учебников для вузов. Член редколлегий престижных отечественных и зарубежных научных журналов, организационных комитетов ряда российских и международных научно-технических конференций. Руководитель магистерской программы «Микроволновая и телекоммуникационная электроника». Награжден знаками «Почетный работник высшего профессионального образования» и «Почетный работник науки и техники РФ».
Физики создали источник терагерцовых волн с рекордно широким спектром
Физики из Германии разработали новый источник терагерцового излучения. Ширина спектра его импульсов превосходит аналогичный параметр самого популярного фотопроводящего излучателя из арсенида галлия на порядок. Кроме того, новый источник должен стать дешевле предыдущих — для его работы больше не требуется высокоинтенсивный дорогой лазер. Работа ученых опубликована в журнале Nature Light: Science & Applications.
Диапазон терагерцового электромагнитного излучения (3×10 11 —3×10 12 Гц) располагается в своего рода «темной» области между диапазонами хорошо изученных микроволновых и инфракрасных волн. В английском этот диапазон называют терагерцовым пробелом (terahertz gap), указывая на слабое развитие технологий излучения и манипуляции волн терагерцовых частот. В отличие от соседей по спектру, генерация терагерцового излучения и сегодня остается сложным и дорогим процессом.
Т-лучи (второе название терагерцовых волн) с легкостью проникают во многие материалы, и, в отличие от рентгеновских лучей, безвредны из-за отсутствия ионизирующих свойств. Поэтому, например, в медицине активно используются терагерцовые томографы, позволяющие исследовать верхние слои тела человека (кожу, сосуды и мышцы). Т-лучи используют для сканирования людей и багажа в аэропортах, а также для контроля качества различных материалов в промышленности.
Существуют и сугубо научные применения терагерцового излучения. Помимо терагерцовой спектроскопии с помощью Т-лучей также можно ускорять заряженные частицы. Теоретически, при помощи терагерцового ускорителя можно достигать энергий порядка гигаэлектронвольт на сантиметр, что значительно превышает энергии, получаемые на современных ускорителях.
Один из самых популярных методов генерации Т-лучей — облучение кристалла арсенида галлия короткими лазерными импульсами. При облучении кристалла, в нем появляются заряды, которые ускоряют приложенным к кристаллу потенциалом. Ускоренные заряды и производят терагерцовое излучение. Такой метод имеет два важных недостатка: для него подходят только специальные высокоинтенсивные дорогостоящие лазеры, а максимально возможная ширина спектра составляет всего 7 терагерц.
Группа исследователей во главе с Абхишеком Сингхом (Abhishek Singh) из Научного центра имени Гельмгольца Дрезден-Россендорф справилась с двумя проблемами сразу. Свой излучатель они изготовили из германия — этот материал позволяет получать на порядок более широкий спектр излучения (70 терагерц) и способен работать с дешевым волоконным лазером. Но чистый германий плохо выполняет свою работу — после облучения лазером должно пройти несколько микросекунд, прежде чем исчезнут индуцированные заряды, что слишком долго, следующий лазерный импульс придет гораздо быстрее.
Форма терагерцового импульса при облучении источника длиной волны в 1100 нм.
Терагерцовая электроника: уникальный опыт ученого ЛЭТИ – зарубежным специалистам
В англоязычной монографии профессора кафедры РТЭ А.Д. Григорьева впервые обобщены современные знания в области терагерцовых технологий.
Монография профессора кафедры радиотехнической электроники (РТЭ) СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Андрея Дмитриевича Григорьева посвящена источникам терагерцового электромагнитного излучения, на основе которого создаются современные радиолокационные средства, системы связи, мобильные системы пятого и шестого поколений.
Автор подробно описывает и дает сравнительный анализ всех типов источников – лазеров, фотопроводящих антенн, полупроводниковых диодов, транзисторных генераторов и усилителей, вакуумных устройств, а также детекторов волн.
В книге приведены отличительные особенности взаимодействия терагерцового излучения с различными материалами, включая атмосферу Земли, жидкости, диэлектрики, сверхпроводники, полупроводники, металлы и 2D-структуры. Подробно рассмотрены причины появления так называемого терагерцового провала – участка электромагнитного спектра с минимальной мощностью, а также способам повышения рабочей частоты и выходной мощности источников. Рассмотрены характеристики и технологии производства электромагнитных и электронно-оптических систем вакуумных терагерцовых устройств.
Монография Андрея Дмитриевича Григорьева Terahertz Electronics стала первой книгой, в которой обобщены современные знания в данной области. Основой уникального материала, изложенного в книге, стал многолетний опыт автора по разработке мощных вакуумных усилителей терагерцового излучения совместно с АО «Светлана-Электронприбор».
Профессор кафедры радиотехнической электроники (РТЭ) Андрей Дмитриевич Григорьев
Книга предназначена для пользователей и разработчиков генераторов и приемников терагерцового излучения, а также для студентов, обучающихся по магистерской программе «Микроволновая и телекоммуникационная электроника» и смежным направлениям.
Профессор кафедры радиотехнической электроники (РТЭ) Андрей Дмитриевич Григорьев
Профессор кафедры радиотехнической электроники Андрей Дмитриевич Григорьев – признанный в стране и за рубежом специалист в области электроники и электродинамики микроволн, а также вычислительной электродинамики. Окончил ЛЭТИ в 1960 году. Доктор технических наук (1987). Автор более 150 научных публикаций, в том числе монографий и учебников для вузов. Член редколлегий престижных отечественных и зарубежных научных журналов, организационных комитетов ряда российских и международных научно-технических конференций. Руководитель магистерской программы «Микроволновая и телекоммуникационная электроника». Награжден знаками «Почетный работник высшего профессионального образования» и «Почетный работник науки и техники РФ».
Что такое терагерцовая электроника
Правда о терагерцах
Но так и не была реализована цель по превращению таких лабораторных явлений в реальные приложения. Легионы исследователей боролись с этой проблемой десятилетиями.
В последние 10 лет велась наиболее интенсивная работа по «приручению» режима и рассмотрению возможностей его использования. В 2007 году в США состоялся обзор компактных источников терагерцового излучения. Главной целью которого было определение состояния технологии. Всего было заслушано около 30 команд исследователей и разработчиков. Кое-что в рамках обзора сделать не удалось сделать, хотя он дал четкое представление о многих проблемах эксплуатации терагерцового режима. Наибольший интерес представляли ответы на такие вопросы как: «Для чего лучше всего подходит использование терагерцовых частот?», «Насколько они прихотливы при производстве, контроле, применении, и других манипуляциях»?
В общем, я начал собственное расследование. Я изучал ключевые вопросы в развитии трех приложений, которые широко обсуждались в кругах защиты, безопасности и правоохраны. А именно, связи и радиолокации, идентификации вредных веществ на расстоянии, и взгляда через стену. Я также посмотрел на 20 или около того компактных терагерцовых источников, охваченных в обзоре 2007 года, чтобы увидеть, есть ли у них общие проблемы с производительностью, несмотря на различие их конструкций и особенности. Недавно я освежил свои заключения, хотя многое из того, к чему я пришел еще тогда, справедливо и сейчас.
Мои усилия не направлены на то, чтобы препятствовать погоне за этими потенциально ценными технологиями, вовсе нет. Но есть некоторые истины, с которыми неизбежно приходится сталкиваться тем, кто работает с этой технологией. И вот что я нашёл.
Немного истории терагерцовых технологий
Не смотря на то, что о терагерцах так много разговоров в последнее время, явление это на самом деле не ново. Оно просто расходилось под разными названиями – в прошлом как околомиллиметры, микроволны, крайне далекая инфракрасность. По крайней мере с 1950-х годов, исследователи стремились выявить его привлекательные свойства. Так, например, использование этой части электромагнитного спектра спектроскопистами в ранних молекулярных исследованиях, заложили основу для ее применения в наземных радиотелескопах. С годами появилось и несколько других ниш использования этих технологий. Прежде всего, это область космического базирования дистанционного зондирования. В 1970-х, «космические» ученые начали использовать дальний инфракрасный диапазон и микроволновые спектрометры для исследования химического состава межзвездной среды и планетных атмосфер. Вот одна из моих любимых статистик, которую я получил от астронома Дэвида Лейсавица из Годдардского Центра Космических Полетов НАСА: 98 % фотонов, выпущенных после большого взрыва, находятся в микроволновом и дальнем инфракрасном диапазонах, суть в том, что обсерватории, такие как Космическая обсерватория Хершела спроектированы так, чтобы использовать это как преимущество. В самом деле, можно с уверенностью сказать, что терагерцовые технологии нынешним своим развитием обязаны радиоастрономии и космической науке.
Выведенные на орбиту терагерцовые инструменты (приборы) имеют большое преимущество перед своими земными аналогами: они в космосе! В частности, они работают в форвакууме и нет необходимости бороться с плотной атмосферой, которая поглощает, преломляет и рассеивает терагерцовые сигналы. Они также не вынуждены работать в ненастную погоду. На Земле же нет простого способа обойти фундаментальную физику. Вы можете работать на больших высотах, где ниже плотность и меньше влаги, но многие из предусмотренных терагерцовых приложений предназначены для использования на местах. Вы можете увеличить амплитуду сигнала в надежде, что достаточно излучения будет получено приёмником, но в какой-то момент, как мы увидим, это окажется просто не практично.
Атмосферные эффекты:
Наземные сигналы, посылаемые на терагерцовых частотах могут столкнуться с огромным атмосферным поглощением, в основном благодаря водяному пару и кислороду. Для горизонтальной передачи на уровне моря и нормальной влажности, как показано на рисунке, ослабление сигнала имеет чёткие пики между 1 и 10 ТГц. (Источник: Марк Дж. Rosker и Х. Брюс Уоллес, «Изображение через атмосферу на терагерцовых частотах», IEEE MTT-S Международный симпозиум, июнь 2007 г.)
Для увеличения изображения нажмите на него. График откроется в новом окне.
Попробуйте отправить что-нибудь дальше этого расстояния, и вы ударитесь в, что я называю, «терагерцовую стену». Независимо от того, как сильно вы будете усиливать сигнал, по существу ничего не дойдет. Одноваттный сигнал с частотой 1 ТГц, например, будет сходить на нет по прохождении одного километра. Ну, не совсем на нет. Сигнал будет удерживается на уровне порядка 10–30 % от своего первоначального значения. Так что даже если бы вы увеличивали мощность сигнала до абсурдно высокого уровня, скажем, петаватта, а затем каким-то образом вам удалось бы передать его без ионизации атмосферы, он снизился бы аж до фемтоватт к моменту достижения своей цели. Само собой разумеется, нет терагерцовых источников, способных производить хотя бы приблизительно петаватт. Наиболее близок к этому лазер на свободных электронах, который на выходе выдает меньше 10 МВт, и уж точно не является устройством, пригодным для работы в полевых условиях. (Для сравнения, выходная мощность современных компактных источников охватывает область от 1 мкВт до 1 Вт, но подробнее об этом позже.) И все это при обычных атмосферных условиях. Дождь и туман будут ухудшать сигнал еще больше. Затухание происходит при любых крайностях, но все же терагерцовый диапазон можно использовать для наземной связи и радиолокации на больших расстояниях.
Терагерцовая стена:
Мощность, необходимая для передачи данных на терагерцовых частотах может быть непрактично высокой во многих случаях. Для прямой наземной связи использование фиксированной усилительной антенны, показанный здесь, при передаче на расстояние менее 100 метров является единственным способом избегания «терагерцовой стены»
Для увеличения изображения нажмите на него. График откроется в новом окне.
Определение опасных материалов на расстоянии
Другим потенциально бесценным и сильно расхваленным использованием для терагерцовых волн является определение опасных материалов на расстоянии. В их газовой фазе, много природных и техногенных молекул, в том числе аммиака, угарного газа, сероводорода, и метанола, поглощющих фотоны при возбуждении на терагерцовчх частотах, и эти полосы поглощения могут служить химическими отпечатками пальцев (химическими подписями). Тем не менее, за пределами тщательно откалиброванных лабораторных условий или условий редкой среды, возникают осложнения.
Допустим, вы работаете с опасными веществами и получили сообщение о возможном нападении газом зарин. Очевидно, вы хотите сохранить дистанцию, поэтому вытащите ваш надежный портативный инфракрасный спектрометр, который работает примерно так же, как трикодер в «Star Trek». Он посылает направленный поток терагерцового излучения в облако, газ поглощает излучение с характерным спектрально-частотными подписями. В отличие от узкополосного сигнала который, вероятно, используют канала связи или радара, ваш спектрометр посылает широкополосный сигнал, примерно от 300 ГГц до 3 ТГц. Конечно, для того, чтобы сигнал возвращается на ваш спектрометр, ему необходимо будет отражаться от чего-то большего, чем газовое облако, например здания, контейнера, или даже деревьев. Но, как и в предыдущем случае, атмосфера снижает амплитуду сигнала при прохождении облака, а затем возвращает обратно на детектор. Атмосфера также размывает спектральные характеристики облака из-за эффекта, известного как расширение под давлением. Даже на расстоянии всего в 10 метров, с такими эффектами было бы трудно, если не невозможно, получить точные показания. Еще одной шероховатостью является то, что химические подписи некоторых материалов – это столовый сахар, поэтому некоторые пластические взрывчатые вещества, например, оказываются такими замечательно невзрачными, что отличить их друг от друга становится невозможно.
Взгляд сквозь стену
К настоящему времени, вы не будете удивлены, узнав, что взгляд сквозь стену – еще одно широко обсуждаемое применение терагерцового излучения, также сталкивается с серьезными препятствиями. Идея достаточно проста: цель (объект) терагерцового излучения отображается на стене, когда объект, расположен за ней.
Иллюстрация: Бина Бутт
Терагерцевые волны могут проникать сквозь некоторые материалы, которые непрозрачны при видимом свете, но не через все. Поэтому в зависимости от того из чего сделана стена и какой она толщины, некоторые волны будут проходить и отражаться от объекта, а затем возвращаться обратно к источнику через стену, где они могут раскрыть образ скрытого объекта.
Претворение в жизнь простой идеи – совсем другое дело. Во-первых, давайте предположим, что сам объект не рассеивает, не поглощает или иным образом не ухудшает сигнал. Тем не менее, качество изображения, которое вы получите, будет зависеть в значительной степени от того, из чего сделана стена. Если стена сделана из металла или какого-либо другого хорошо проводящего материала, вы не будете получать изображение вовсе. Если же стена содержит любой из обычных (тепловых) изоляторов или строительных материалов, вы все еще можете получить серьезное ослабление сигнала, в зависимости от материала и толщины стены, а также от частоты, которую вы используете. Например, сигнал с частотой 1 ТГц при прохождении через кусок фанеры толщиной четверть дюйма, будет иметь 0.0015 % мощности сигнала с частотой 94 ГГц проделавшего тот же путь. И если материал сырой, то потери будут еще выше. (Такие факторы влияют не только на визуализацию через барьеры, но и на терагерцовые беспроводные сети, которые требуют, по крайней мере, прямой линии видимости между источником и приемником.) В общем, распространенная детская мечта об обладании парой «рентгеновских очков», вероятно, в ближайшее время реализована не будет.
Это правда, что некоторые исследователи успешно демонстрировали зрение через стены. В этих демонстрациях, источники излучения испускали импульсы излучения в широком диапазоне частот, в том числе терагерцовом. Учитывая то, что мы знаем о затухании на более высоких частотах, некоторые учёные, которые изучали результаты, все же считают, что весьма вероятно, что визуализация происходит не в терагерцовой области, а на низких частотах. И если это так, то почему бы для начала не использовать миллиметровые волны тепловизора?
Терагерцовые технологии в медицине
В каком-то смысле потенциал терагерцовых технологий, больше относимый, как я слышал, к творческому, реализуют для сканирования мозга, обнаружения опухолей, и сканирование всего тела. Результаты таких исследований человека дали бы гораздо более детальные снимки, чем с помощью любой существующей в настоящее время технологии, и в то же время это было бы полностью безопасно. Но реальность вновь отстает от мечты. Франк Де Люсия, физик из Университета штата Огайо в городе Колумбус, отметил, что мощность терагерцового сигнала снизится до 0.0000002 % от его первоначального значения после пути в 1 мм в солевом растворе, который является хорошим приближением к тканям тела. (Интересно, что диэлектрические свойства воды, это то, что заставляет воду поглощать терагерцовые частоты. В самом деле, ведь вы используете диэлектрический нагрев, когда вы разогреваете пищу в микроволновой печи, хоть и на более низких частотах.) На данный момент, по крайней мере, медицинские терагерцовые приборы будут полезны только для поверхностной визуализации таких вещей, как рак кожи и распад зубов, а так же для лабораторных испытаний на образцах тонких тканей.
Вот некоторые из основных проблем использования терагерцового режима. Физика действительно сложна, но, это не мешает разработчикам продолжать заниматься множеством различных терагерцовых устройств для различных приложений. Поэтому я обратил внимание на работу систем, способных генерировать излучение на терагерцовых частотах. Я решил сосредоточиться на источниках, потому что другие компоненты: детекторы, приемники, устройствах управления и другие, напрочь раскритикованы. Люди, знакомые с этой областью проблем, в значительной степени согласны, что удерживает прогресс отсутствие соответствующих источников.
Некоторые технические аспекты
Компактные терагерцовые источники действительно трудно сделать! Это очень хорошее обоснование их нехватки. Для многих приложений, источник должен быть достаточно мощным, чтобы преодолеть очень сильное затухание сигнала, иметь достаточно высокое КПД, чтобы рядом не потребовалась установка дополнительного генератора, и быть достаточно небольшим, чтобы располагаться на площади меньшей, чем бортовой грузовик. (Для некоторых приложений, чистота спектра исходного объекта, управляемость, или пропускная способность важнее, поэтому уменьшение энергии приемлемо.) Успешные космические инструменты, упоминавшиеся ранее лишь обнаруживают терагерцовое излучение, которое небесные тела и события, естественно, излучают, хотя некоторые из этих инструментов используют источник с низким энергопотреблением для повышения чувствительности, но они пока не используют передачу на терагерцовых частотах.
Обзор правительства в 2007 году небрежно определил компактный источник терагерцового излучения как имеющий диапазон средней или выходной мощности в пределах от 1 мВт до 1 Вт, работающий в диапазоне частот от 300 ГГц до 3 ТГц, и являющийся более или менее портативным. (Мы выбрали среднюю мощность, а не пиковую, потому что в конечном счете, это средняя мощность, которая рассчитывается практически всеми предусмотренными приложениями.) В дополнение мы попросили, чтобы источник имел КПД преобразования минимум 1 % на каждые 100 Вт входной мощности, когда источник будет выдавать сигнал мощностью 1 Вт и более. И даже такая скромная цель оказалась сложна в реализации.
Обзор 2007 года включал около 20 источников терагерцового излучения. У меня не хватит места здесь, чтобы описать, как каждое из этих устройств работает, но в целом они делятся на три основные категории:
Вакуумные устройства и лазеры показывают высокую среднюю мощность на нижних и верхних частотах соответственно. Далее следуют твердотельные устройства, а затем фотонные. Если быть честным, то назвать гиротрон компактным источником можно лишь с большой натяжкой, в то же время фотонные источники могут производить высокую пиковую мощность, начиная от сотен ватт до киловатт, они также требуют высокой мощности оптического дисковода.
Несмотря на их значительные различия в дизайне и некоторые изменения в производительности, эти три класса терагерцовых технологий имеют схожие проблемы. Один важный вопрос это их равномерно низкая эффективность преобразования, которая, как правило, гораздо меньше одного процента. Таким образом, чтобы получить сигнал мощностью 1 Вт, Вам будет необходимо работать с потребляемой мощностью порядка киловатта или больше. Другие бытовые электронные и оптические приборы, для сравнения, гораздо более эффективны. Усилитель мощности в типичном 2 ГГц смартфоне, например, работает с эффективностью порядка 50 %. Рекламный красный диодный лазер может конвертировать электроэнергию в свет с эффективностью более 30 %.
Компактные электрические и оптические устройства могут регулировать условия, но не следует действовать на рожон – если устройство не достаточно охлаждено, внутреннее рассеивание мощности сведено к минимуму, и даже используя правильные материалы, оно может быстро расплавиться или испаряться, или же иным образом испортиться. И, конечно же, в конце концов вы достигнете верхнего предела, за которым вы просто не сможете получить плотность мощности и плотность тока хоть сколько-нибудь выше.
Связь выходной мощности и частоты
Иллюстрация: Джордж Рецек
Источник образцов: Компактные терагерцовые источники показывают низкую мощность и эффективность преобразования, намного меньше, чем 1 %. И почти в каждом случае, когда частота поднимается до терагерцового диапазона, выходная мощность исходного объекта падает. Здесь Pf 2 = постоянная линия, спад промышленной частоты ожидалось увидеть в более зрелом радиочастотном устройстве, в то время как Pλ = постоянная линия, спад которой ожидается для некоторых коммерческих лазеров. Нажмите на картинку для увеличения.
Для увеличения изображения нажмите на него. График откроется в новом окне.
Как физик, я, конечно, заинтересован в связи между выходной мощностью источников и их частотой, тем, что называется промышленной частотой масштабирования. При построении графика средней мощности устройства от частоты вы хотите увидеть кривую настолько горизонтальной, насколько это возможно. Такое положение означает, что с ростом частоты, выходная мощность остается стабильной или, по крайней мере, не падает. В типичных радиочастотных устройствах, таких как транзисторы, твердотельные диоды и СВЧ вакуумные трубки, мощность имеет тенденцию к падению, как величина, обратная частоте в квадрате. Другими словами, при удвоении частоты, выходная мощность снижается в четыре раза.
Большинство электрических терагерцовых источников, рассмотренных в 2007 году, однако, имели более крутые кривые промышленной частоты, что по существу было не важно, раз уж они попали в терагерцовый диапазон. В общем, мощность масштабируется как величина, обратная частоте до ее четвертой степени или того хуже, что означает, что при удвоении частоты, выходная мощность упадет в 16 раз. Таким образом, устройство, которое может генерировать несколько ватт на частоте 100 ГГц способно выдавать лишь несколько сотен микроватт на частоте 1 ТГц. Лазеры, так же потеряют в мощности в терагерцовой области частот, причем быстрее, чем можно было ожидать.
Учитывая то, что я упоминал ранее о крайнем ослаблении сигнала в терагерцовом режиме и низкой эффективности преобразования источников, резкое падение мощности представляет собой еще один существенный барьер для коммерциализации технологии.
Основные тенденции в технологии устройств
Хорошо, скажете вы, но не нельзя же все эти проблемы отнести к тому факту, что источники по-прежнему технологически недоразвиты? Иными словами, не следует ли нам подождать лучшего исполнения устройств для улучшения ситуации? Конечно, технологии становятся все лучше. За несколько лет между моей первоначальным анализом и этой статьей, я рассмотрел несколько основных тенденций в технологии устройств, кратко описанных ниже.
Средняя мощность вакуумных устройств, создающих микроформы выросла на два порядка: от приблизительно 10 мкВт до более чем милливатта на частоте 650 ГГц, и исследователи сейчас работают над многолучёвыми устройствами и устройствами с ленточными пучками, способными к выдаче высокой мощности, по сравнению с единицей низковольтного кольцевого пучка.
Средняя мощность миллимитровых монолитных микроволновых интегральных схем и транзисторов увеличилась в 5-8 раз, до уровня 100 мВт при частоте 200 ГГц и 1 мВт при частоте 650 ГГц. Диапазон рабочих частот для милливатт-класса с криогенным охлаждением квантовых каскадных лазеров был опущен до 1,8 ТГц в 2012 году, по сравнению с 2,89 ТГц в 2007 году.
С прицелом на использование за пределами лаборатории, исследователи улучшают их источники и в других отношениях тоже, в том числе улучшается упаковка фотонных устройств и лазеров и повышается температура эксплуатации квантовых каскадных лазеров. Учитывая количество усилий и интерес к этой теме, здесь, безусловно, будет много прорывов и улучшений в будущем.
Существует еще много чего, что мы не знаем о работе на терагерцовоых частотах. Я думаю, что мы должны сохранить активность исследования фундаментальной науки и техники. Для начала, нам нужно развивать точные и надежные вычислительные модели для анализа разработки и работы устройств на терагерцовых частотах. Такие модели будут иметь ключевое значение для будущих достижений в этой области. Нам также необходимо более глубокое понимание свойств материала на терагерцовых частотах, а также вообще терагерцовой феноменологии.
В конечном счёте, мы, возможно, должны использовать нестандартное мышление для создания замыслов и подходов, которые соединят физику новых устройств с нетрадиционными методами. В других областях электроники мы преодолели огромные трудности и открыли невероятные возможности, с которыми и бесчисленные прошлые прогнозы разлетелись в дребезги. Конечно, как и со всем развивающимся, последнее слово скажет Выживший в дарвиновском отборе.
Картер М. Армстронг является вице-президентом по инжинирингу электронных устройств подразделения L-3 Связи, в Сан-Карлос, Калифорния. Ученый, специализирующийся на вакуумных устройствах. Он говорит, что одна из его любимых статей «IEEE Спектра» всех времён является статья Роберта С. Симонса «Лампы: И все-таки живы, после всех этих лет», вышедшая в апреле 1998 г. «Это было справедливо тогда, и остается верным по сей день», говорит Армстронг.
Марк Дж. Rosker и Х. Брюс Уоллес обсудили некоторые из проблем терагерцовой визуализации в своей статье «Изображений через атмосферу на терагерцовых частотах», IEEE MTT-S Международный симпозиум, июнь 2007. В документе, который является источником рисунка «Атмосферные эффекты» в этой статье детали сыграли важную роль, как влажность исполняет роль атмосферного затухания на терагерцовых частотах.
Многие исследования рассматривали различные аспекты работы в терагерцовом режиме. Например, «Исследования теоретической оценки наивысших применяемых частот» [PDF], Дж. Р. Норбери, C.Дж. Гиббинс и Д.Н. Мэтисон, исследуют верхние рабочие пределы для нескольких возможных систем связи и радиолокационных систем.
Данные о передаче и коэффициенте отражения материалов на терагерцовых частотах важно для анализа и разработки приложений. Полезная база данных значений терагерцовых ослаблений для многих распространённых материалов входит в доклад за май 2006 «Терагерцовое поведение оптических компонентов и распространенных материалов» [PDF], Эндрю Дж. Гейтсман и соавт.
Партийная литература [3]
1. Carter M. Armstrong. The Truth About Terahertz. IEEE Spectrum, 20 Aug 2012. // IEEE Spectrum, http://spectrum.ieee.org/aerospace/military/the-truth-about-terahertz
Любой, надеясь использовать эту многообещающую область электромагнитного спектра, вынужден противостоять его весьма сложной физике