Giải pháp nâng cao hiệu suất phát của ăng-Ten quang dẫn trong hệ xung tần số terahertz

nh Thuy Mai, 2 M.Sc. Nguyen Thanh Tu, 3 M.Sc. Dang Le Khoa, 4 Ph.D. Huynh Van Tuan 5 Ph.D. Nguyen Truong Khang 1234 The University of Science – National University Ho Chi Minh City 5 Ton Duc Thang University Tóm tắt Ăng-ten quang dẫn là một thiết bị thu phát sóng Terahertz (THz) phổ biến nhất hiện nay trong hệ xung tần số THz. Tuy nhiên, một trong những vấn đề chính của ăng-ten quang dẫn là hiệu suất hoạt động còn khá thấp. Trong bài báo này, chúng tôi khảo sát các yếu tố đầu vào có ảnh hưởng đến hiệu suất chuyển đổi năng lượng quang sang năng lượng THz của ăng-ten quang dẫn. Các tính toán dựa trên mạch điện tương đương của ăng-ten quang dẫn có vai trò là bộ phát bức xạ THz. Kết quả mô phỏng hoàn toàn tương đồng với kết quả thực nghiệm đã được công bố. Do đó, các kết quả khảo sát mà chúng tôi đạt được ở bài báo này sẽ cung cấp giải pháp để lựa chọn nguồn laser, thông số vật liệu, cũng như cấu trúc ăng-ten phù hợp nhằm cải thiện hiệu suất phát THz của ăng-ten quang dẫn. Từ khóa: ăng-ten quang dẫn, bức xạ THz, chuyển đổi quang điện, laser femto giây Abstract At present photoconductive antennas are the most common device for THz generation and detection in a THz pulsed system. However, one of the major problems of the photoconductive antennas is that the antenna efficiency is low. In this paper, we study the input parameters that influence the optical-to-THz power conversion efficiency of the antenna. The calculations are based on the equivalent circuit of photoconductive antenna when it is employed as an emitter. The simulated results agree well with published experimental results. Therefore, the study results that we presented in this paper will provide the useful guidelines in optimizing the laser source, photoconductive material, as well as the antenna geometry for improving the radiation performance of THz photoconductive antenna. Keywords: photoconductive antenna, THz radiation, optical-to-THz conversion, femtosecond laser... 31 1. Giới thiệu Sóng Terahertz (THz) nằm trong khoảng giữa vùng sóng vi ba và vùng sóng hồng ngoại, với nhiều tên gọi các nhau như tia T, sóng T, ánh sáng T. Băng tần THz nằm trong khoảng từ 100GHz cho đến 10THz [14]. So với các vùng phổ điện từ phát triển lân cận, trước đây vùng phổ điện từ này ít được khảo sát đến do thiếu các nguồn thu phát hiệu quả, nhỏ gọn, rẻ tiền và vì thế được các nhà khoa học gọi đó là "khe Terahertz". Mặc dù vậy, sóng THz lại có những đặc tính hấp dẫn là bức xạ không ion hóa (không gây hại đối với cơ thể người), có độ phân giải tốt hơn so với sóng vi ba và có độ xuyên sâu cao hơn so với sóng hồng ngoại [7]. Với những đặc điểm này, sóng THz có lợi thế rất lớn đối với các ứng dụng về an ninh, kiểm tra sản phẩm đóng gói, đặc biệt là các ứng dụng trong xử lý ảnh và y khoa. Ăng-ten quang dẫn là một trong các nguồn phát, thu sóng THz thông dụng nhất hiện nay. Khi nguồn laser quang cực nhanh (độ rộng xung cỡ 100 femto giây, bước sóng khoảng 800nm) chiếu vào vùng kích thích của ăng-ten quang dẫn, với sự hỗ trợ của lớp vật liệu bán dẫn tạo ra cặp electron - lỗ trống (gọi chung là hạt mang quang, photocarrier). Áp một điện thế bên ngoài vào hai điện cực của ăng-ten, các hạt mang quang này sẽ được gia tốc về hai phía điện cực và do mật độ hạt mang quang phát ra thay đổi theo thời gian tạo thành dòng quang điện (photocurrent) có hướng và biến thiên theo hàm thời gian, làm bức xạ xung THz vào không gian tự do. Ăng-ten quang dẫn trở thành nguồn thu phát THz phổ biến như hiện nay là nhờ sự phát triển của công nghệ laser xung cực nhanh [10] và công nghệ bán dẫn, đặc biệt là kỹ thuật cấy ghép Galium Arsenide (GaAs) ở nhiệt độ thấp [15] (Low Temperature Galium Arsenide viết tắt là LT_GaAs). Ngoài ra, hệ thống thu phát THz sử dụng ăng-ten quang dẫn có tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu (signal noise ratio - SNR) tốt và băng thông tín hiệu bức xạ THz tương đối rộng (xấp xỉ 4THz)[6]. Tuy nhiên, một vấn đề lớn đối với ăng- ten quang dẫn là hiệu suất của ăng-ten còn khá thấp. Theo [13] đã chứng minh hiệu suất của một ăng-ten quang dẫn có thể được xem là tổ hợp của ba hiệu suất thành phần. Đầu tiên là hiệu suất liên quan đến việc phát dòng quang THz trong vật liệu quang dẫn từ năng lượng quang tức là hiệu suất chuyển đổi quang sang điện (hay còn gọi là hiệu suất chuyển đổi năng lượng quang sang năng lượng THz, từ đây gọi tắt là hiệu suất phát THz), có thể được định nghĩa là tỉ số giữa công suất phát THz và công suất xung quang kích thích. Hiệu suất thứ hai là hiệu suất phối hợp trở kháng của ăng-ten, liên quan đến việc phối hợp công suất THz từ vùng kích thích đến các điện cực của ăng-ten. Cuối cùng là hiệu suất bức xạ THz ra không gian. Từ đây dễ dàng thấy rằng việc cải thiện hiệu suất của ăng- ten quang dẫn cũng chính là cải thiện các hiệu suất thành phần này. Đối với hiệu suất bức xạ THz ra không gian của ăng-ten quang dẫn, thời gian gần đây đã được nghiên cứu tăng cường đáng kể có thể lên đến 80% bằng cách sử dụng một đế thấu kính hội tụ [13], [12],[2], [9]. Khác với các loại ăng-ten RF/MW (Radio Frequency/ Microwave) thông thường, hiệu suất phối hợp trở kháng của ăng-ten quang dẫn thấp và khó có thể đưa ra giải pháp tối ưu vì trở kháng này không phải là hằng số mà phụ thuộc rất nhiều vào năng lượng quang kích thích, tính chất vật liệu và cấu trúc của ăng-ten. Tuy nhiên, trong ba loại hiệu suất kể trên thì hiệu suất chuyển đổi quang sang điện là thấp nhất, khó có thể tính toán 32 chính xác nhất [3] và cũng phụ thuộc vào các yếu tố tương tự như trở kháng của ăng- ten vì vậy việc nghiên cứu nâng cao hiệu suất này sẽ góp phần cải thiện đáng kể hiệu suất chung của ăng-ten quang dẫn. Trong bài báo này, chúng tôi khảo sát các thông số đầu vào ảnh hưởng đến hiệu suất chuyển đổi năng lượng quang sang năng lượng THz của ăng-ten quang dẫn. Các thông số của xung laser quang kích thích được khảo sát bao gồm: độ rộng xung (τl), tốc độ lặp lại của xung laser (frep) và công suất quang trung bình (Pav). Các thông số của vật liệu quang dẫn được khảo sát là: hệ số hấp thụ quang (α), hệ số phản xạ tại giao diện không khí - lớp tích cực gọi tắt là hệ số phản xạ (R), độ dày lớp tích cực (TLT_GaAs), độ linh động của các hạt mang quang (µe), thời gian sống của các hạt mang quang (τc) và thời gian tái kết hợp của các hạt mang quang (τr). Ngoài ra, các thông số của ăng-ten như kích thước vùng kích thích (chiều dài L và chiều rộng W), điện áp phân cực ngoài áp vào hai điện cực (Vbias) và trở kháng của ăng-ten (Za) cũng được khảo sát. Kết quả khảo sát được tính toán và mô phỏng bằng phần mềm Matlab [16]. Dựa trên kết quả này, chúng tôi đưa ra một mô hình lý thuyết phân tích các thông số có ảnh hưởng và cải thiện được hiệu suất phát THz của ăng-ten quang dẫn. Kết quả này được sử dụng cho việc thiết kế ăng-ten quang dẫn và điều chỉnh hệ thống nhằm đạt được hiệu suất tối ưu. 2. Cơ sở lý thuyết Hình 1 mô tả cấu trúc hình học của ăng-ten quang dẫn lưỡng cực sử dụng trong mô phỏng. Độ rộng và độ dài của vùng kích thích có ký hiệu tương ứng là: W = 10µm và L = 10µm. Độ sâu của lớp tích cực LT_GaAs là TLT_GaAs = 1µm. Hình 2 là sơ đồ mạch tương đương của ăng-ten quang dẫn sử dụng làm nguồn phát THz [8], bao gồm các thành phần: - Điện áp Vbias tương ứng với điện áp phân cực áp vào hai điện cực của ăng-ten. - Điện dẫn nguồn biến thiên theo thời gian , mô tả khả năng dẫn điện tại vùng kích thích của ăng-ten. - Điện dung biến thiên theo thời gian C(t): hình thành dựa trên hiện tượng chồng chất của các hạt mang quang ở gần các điện cực của ăng-ten. Chùm laser Sóng T H z bức xạ z x SI-GaAs Vbias x y w L TLT-GaAs LT-GaAs Vbias (a) (b) Vùng tích cực của ăng-ten Vùng kích thích của ăng-ten Hình 1. Cấu trúc hình học của ăng-ten quang dẫn được khảo sát (a) nhìn mặt bên (b) nhìn từ trên xuống 33 - Một nguồn điện áp biến thiên theo thời gian bị điều khiển bởi điện áp hai đầu tụ điện β(t)Vc(t) (với β(t) là hệ số điện áp phụ thuộc). β(t)Vc(t) C(t) Rs(t) Vrad(t) I(t) - Za Sóng THz bức xạ Chùm laser + - Vbias Vc(t) + - Hình 2. Mạch tương đương ăng-ten quang dẫn có vai trò là bộ phát bức xạ THz - Trở kháng của ăng-ten Za tương ứng với thành phần điện trở độc lập với tần số, do đó có thể gọi là điện trở bức xạ. Hiệu suất phát THz, ηt, được định nghĩa: (1) Trong đó, Popt_peak là công suất quang cực đại và PTHz_peak là công suất phát THz cực đại. Công suất quang cực đại có được từ: (2) Với Pav là công suất quang trung bình, τl là độ rộng xung laser và frep là tốc độ lặp lại của xung laser. Công suất phát THz cực đại được tính theo công thức: (3) Với PTHz(t) là công suất phát THz suy ra từ việc phân tích mạch tương đương ở hình 1: (4) Trong đó, Vrad là điện áp hai đầu điện trở bức xạ Za. Vrad được cho bởi: (5) Trong đó, e là điện tích nguyên tố bằng 1,6.10-19C, n(t) là mật độ hạt mang quang được sinh ra trong vùng kích thích, µe là độ linh động của các hạt mang quang, Vc(t) là điện áp biến thiên theo thời gian tại vùng kích thích của ăng-ten, S là diện tích vùng tích cực và L là độ dài vùng kích thích của ăng-ten.iện tích vùng tích cực (hình 1a) của ăng-ten được tính như sau: (6) Với W là độ rộng vùng kích thích cũng là độ rộng của điện cực kim loại, α là hệ số hấp thụ quang, TLT_GaAs là độ dày lớp tích cực. Mật độ các hạt mang quang được sinh ra trong vùng kích thích của ăng-ten, n(t),trong phương trình (5) được tính theo công thức: (7) Với: Trong đó, Il là cường độ cực đại của xung laser, R là hệ số phản xạ, h là hằng số Planck, fl tần số xung laser, τc là thời gian sống của các hạt mang quang. Cường độ cực đại của xung laser là: (8) Trong đó, Slaser là diện tích chùm laser tiếp xúc với vùng kích thích của ăng-ten, Điện áp tại vùng kích thích phụ thuộc thời gian Vc(t) sẽ là: 9) Với: (10) (11) Trong đó, τr là thời gian tái kết hợp 34 của các hạt mang quang, ς là hệ số sàng lọc (screening factor) và ε là hằng số điện môi. Điện dẫn nguồn Gs(t) trong phương trình (9) được tính là: (12) 3. Kết quả khảo sát và thảo luận Để thực hiện mô phỏng, giá trị ban đầu của các thông số khảo sát được lựa chọn dựa trên bộ thông số tham khảo của [8] thể hiện trong bảng 1. Các kết quả mô phỏng của chúng tôi hoàn toàn tương đồng với kết quả thu được từ [8]. Tác động của từng thông số đến hiệu suất phát THz của ăng-ten được mô phỏng bằng cách thay đổi các giá trị khảo sát, cũng được liệt kê trong bảng 1, trong khi các thông số khác được giữ nguyên giá trị ban đầu. 4. Các thông số của xung laser quang kích thích 4.1. Độ rộng xung laser (τl) Như thể hiện trong hình 3, ở mức công suất quang thấp, càng tăng công suất quang hiệu suất phát THz càng tăng cho đến khi đạt giá trị bão hòa tại mức công suất quang là 86,85 mW. Ngược lại, vượt qua giá trị bão hòa hiệu suất này lại giảm dần khi tăng công suất quang. Bảng 1: Bảng giá trị các thông số của xung laser, vật liệu quang dẫn và ăng-ten quang dẫn Các thông số đầu vào Ký hiệu Giá trị ban đầu (bộ thông số tham khảo) Các giá trị khảo sát Tần số laser Bước sóng laser f l λlaser 375 THz 800 nm Hệ số sàng lọc ς 900 Độ rộng xung laser (hình 3) tlaser (τl) 100 fs 30; 50; 150; 200 (fs) Tốc độ lặp lại xung laser (hình 4) frep 80 MHz Hệ số hấp thụ quang (hình 5) α 8.000 cm -1 2.000; 6.000; 10.000; 12.000 (cm -1 ) Hệ số phản xạ (hình 6) R 0,1 0,17; 0,36; 0,73; 0,82 Độ sâu của vùng kích thích ăng-ten (hình 7) TLT-GaAs 1 µm 0.5; 2; 5; 7 (µm) Độ linh động của hạt mang quang (hình 8) µe 200 cm 2 .V -1 .s -1 100; 800; 1.000;2.000 (cm 2 .V -1 .s -1 ) Thời gian sống hạt mang quang (hình 9) tcarier (τc) 1 ps 0.2; 0.5; 1.5; 2 (ps) 35 Các thông số đầu vào Ký hiệu Giá trị ban đầu (bộ thông số tham khảo) Các giá trị khảo sát Thời gian tái kết hợp của hạt mang quang (hình 10) tre (τr) 100 ps 50; 150; 200; 250 (ps) Chiều dài vùng kích thích của ăng-ten (hình 10) L 10 µm 3; 5; 15; 20 (µm) Chiều rộng vùng kích thích của ăng-ten (hình 11) W 10 µm 3; 5; 15; 20 (µm) Điện áp phân cực (hình 12) Vbias 30 V 10; 20; 50; 90 (V) Trở kháng ăng-ten (hình 13) Za 65 Ω 5; 200; 800; 1.200 (Ω) Tăng độ rộng xung laser hiệu suất phát THz cũng tăng nhẹ. 10 -4 10 -3 10 -2 10 -1 10 0 10 1 10 2 10 3 10 4 10 -8 10 -7 10 -6 10 -5 10 -4 10 -3 10 -2 10 -1 10 0 P av (W)  t (m W ) t l =30fs t l =50fs t l =100fs t l =150fs t l =200fs Hình 3. Khảo sát thông số τl ảnh hưởng lên hiệu suất phát của ăng-ten quang dẫn Khi tăng độ rộng xung laser từ 50fs đến 100fs, hiệu suất cực đại cũng tăng từ 0,141% đến 0,0269% (tăng khoảng 1,9 lần). Tiếp tục tăng đến các giá trị τl = 150fs, τl = 200fs và τl = 250fs hiệu suất lần lượt đạt 0,0384% (tăng hơn 1,4 lần), 0,0492% (tăng xấp xỉ 1,3 lần) và 0,0595% (tăng khoảng 1,2 lần). Độ tăng hiệu suất này giảm dần khi τl tăng. Mặc dù, khi tăng độ rộng xung laser, công suất ăng-ten cũng tăng, nhưng lúc này dòng quang điện sinh ra trong vùng kích thích của ăng-ten sẽ tồn tại lâu hơn dẫn đến thời gian sống của các hạt mang quang dài hơn. Hậu quả dẫn đến việc cản trở các hạt mang quang kết hợp lại để tạo ra nguồn electron-lỗ trống mới, đây là điều không mong muốn. Tóm lại, do việc cần thiết sử dụng xung laser cực ngắn để có một dòng quang tức thời mạnh mà thông số này cần được lựa chọn cân nhắc để hiệu suất ăng- ten tốt nhất. Trong trường hợp khảo sát, giá trị τl = 200fs cho hiệu suất ăng-ten là 0,0492%, tăng xấp xỉ 1,3 lần, có thể xem là giá trị hiệu suất tối ưu vì khi tăng τl = 200fs hiệu suất ăng-ten cũng chỉ tăng 1,2 lần. 4.2. Tốc độ lặp lại của xung laser (frep) Hình 4 mô tả ảnh hưởng của tốc độ lặp lại của xung laser đến hiệu suất phát THz của ăng-ten quang dẫn. Ở vùng công suất quang thấp, hiệu suất phát cũng tăng khi công suất quang tăng cho đến khi đạt giá trị bão hòa là 0,0269% như nhau cho tất cả các giá trị của frep. Nói cách khác, giá trị hiệu suất cực đại không phụ thuộc tốc độ lặp lại của xung laser. Các giá trị hiệu suất 36 cực đại xuất hiện tại các mức công suất công suất quang khác nhau ứng với các giá trị frep khác nhau. Đối với công suất quang thấp hệ thống có tốc độ lặp lại của xung laser nhỏ hơn sẽ đạt hiệu suất tốt hơn, đối với công suất quang lớn hệ thống có tốc độ lặp lại của xung laser lớn hơn sẽ cho hiệu suất cao hơn. Tóm lại, tốc độ lặp lại của xung laser không ảnh hưởng đến hiệu suất cực đại của ăng-ten, thông số này chỉ có ý nghĩa đối với một hệ thống cố định có công suất quang cho trước có thể chọn giá trị frep phù hợp để hệ thống đạt hiệu suất tốt nhất. 5. Các thông số của vật liệu quang dẫn 5.1. Hệ số hấp thụ quang (α) 10 -4 10 -3 10 -2 10 -1 10 0 10 1 10 2 10 3 10 4 10 -8 10 -7 10 -6 10 -5 10 -4 10 -3 10 -2 10 -1 10 0 P av (W)  t (m W ) f rep =40MHz f rep =60MHz f rep =80MHz f rep =100MHz f rep =120MHz Hình 4. Khảo sát thông số frep ảnh hưởng lên hiệu suất phát THz ăng-ten quang dẫn Kết quả mô phỏng trong hình 5 cho thấy khi công suất quang thấp, càng tăng công suất quang hiệu suất phát càng tăng cho đến khi đạt giá trị bão hòa. Vượt qua giá trị này, công suất quang tăng thì hiệu suất ăng-ten sẽ giảm và đường biểu diễn độ suy hao này gần như độc lập với α, tức là như nhau với tất cả giá trị của α. Các ăng- ten có hệ số α lớn hơn sẽ đạt hiệu suất cực đại ứng với mức công suất quang thấp hơn và cho kết quả giá trị hiệu suất cực đại cao hơn. Tuy nhiên, khi hệ số α lên đến một giá trị nhất định hiệu suất ăng-ten sẽ đạt giá trị bão hòa, ta thấy rõ α = 12.000cm-1 và α = 16.000cm -1 cùng đạt hiệu suất ηt = 0,0391%. 10 -4 10 -3 10 -2 10 -1 10 0 10 1 10 2 10 3 10 4 10 -8 10 -7 10 -6 10 -5 10 -4 10 -3 10 -2 10 -1 10 0 P av (W)  t (m W ) = 2.000cm -1 = 4.000cm -1 = 6.000cm -1 = 8.000cm -1 =10.000cm -1 Hình 5. Khảo sát thông số α ảnh hưởng lên hiệu suất phát THz của ăng-ten quang dẫn 10 -4 10 -3 10 -2 10 -1 10 0 10 1 10 2 10 3 10 4 10 -8 10 -7 10 -6 10 -5 10 -4 10 -3 10 -2 10 -1 10 0 P av (W) R=0,1 R=0,17 R=0,36 R=0,733 R=0,819  t (m W ) Hình 6. Khảo sát thông số R ảnh hưởng lên hiệu suất phát THz của ăng-ten quang dẫn Từ đây có thể rút ra kết luận hệ số hấp thụ quang có ý nghĩa rất lớn trong việc góp 37 phần nâng cao hiệu suất của ăng-ten quang dẫn. Hệ số α lớn sẽ cho hiệu suất ăng-ten cao và đối với một hệ thống cho trước hoàn toàn có thể tìm được hệ số α để đạt hiệu suất tối ưu. Điều này có thể hiểu là do hệ số α cao có nghĩa là hầu hết năng lượng laser được hấp thụ trong lớp tích cực của vật liệu đế, do đó sẽ có nhiều hạt mang quang được tạo ra hơn kết quả là cường độ dòng quang điện sinh ra trong vùng kích thích của ăng-ten sẽ lớn dẫn đến bức xạ THz mạnh hơn. Tuy nhiên, khi mật độ các hạt mang quang được phát ra trong vùng kích thích quá lớn sẽ xuất hiện hiệu ứng sàng lọc (screening effect) ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất phát. Ngoài ra, α là một hệ số vật liệu quang dẫn phụ thuộc rất nhiều vào bước sóng quang của xung laser. Đối với trường hợp thông thường bước sóng laser là khoảng 800nm và vật liệu quang dẫn là GaAs, hệ số α nằm trong khoảng giữa 1.000cm-1 đến 10.000cm -1 [11]. Vì vậy, hiệu suất cực đại của cấu trúc ăng-ten đang được khảo sát có thể đạt được tương đương với hệ số α =10.000cm -1 là 0,0311% tăng gần 1,2 lần so với hiệu suất bộ thông số tham chiếu. 5.2. Hệ số phản xạ (R) Ở hình 6 cho thấy thông số R ảnh hưởng đến hiệu suất của ăng-ten hoàn toàn trái ngược với thông số α. Càng giảm sự phản xạ từ giao diện không khí - lớp tích cực của ăng-ten nghĩa là công suất quang được hấp thụ tốt ở lớp đế (hệ số hấp thụ quang α cao) nên hiệu suất phát THz càng được cải thiện. Do đó, cũng tương tự như thông số α, thông số R cũng có vai trò quan trọng trong việc góp phần cải thiện hiệu suất cho ăng-ten. Có nhiều phương pháp khác nhau nhằm giảm sự phản xạ từ vùng kích thích của ăng-ten quang dẫn như sử dụng lớp phủ chống phản xạ[5], sử dụng ăng-ten nano bằng vật liệu kim loại plasmon trong khoảng cách vùng kích thích của ăng-ten [4] .... 10 -4 10 -3 10 -2 10 -1 10 0 10 1 10 2 10 3 10 4 10 -8 10 -7 10 -6 10 -5 10 -4 10 -3 10 -2 10 -1 10 0 P av (W)  t (m W ) T LT_GaAs = 0.1m T LT_GaAs = 0.5m T LT_GaAs = 1m T LT_GaAs = 3m T LT_GaAs = 5m Hình 7. Khảo sát thông số TLT_GaAs ảnh hưởng lên hiệu suất phát THz của ăng- ten quang dẫn 5.3. Độ dày lớp tích cực (TLT_GaAs) Hình 7 cho thấy các ăng-ten có TLT_GaAs dày hơn sẽ cho hiệu suất phát THz lớn hơn so với các ăng-ten có TLT_GaAs mỏng. Khi công suất quang tăng, hiệu suất phát cũng tăng cho đến khi đạt giá trị bão hòa. Các ăng-ten có TLT_GaAs dày sẽ đạt giá trị hiệu suất cực đại ở mức công suất quang thấp hơn các ăng-ten có TLT_GaAs mỏng hơn. Vượt qua giá trị bão hòa càng tăng công suất quang hiệu suất ăng-ten càng giảm và đường biểu diễn độ suy hao này độc lập với TLT_GaAs, tức là như nhau với tất cả giá trị của TLT_GaAs. Dễ dàng thấy được TLT_GaAs = 3µm và TLT_GaAs = 5µm ăng-ten cùng đạt hiệu suất cực đại là khoảng 0,0494%. Tóm lại thông số độ dày lớp tích cực của ăng-ten ảnh hưởng lớn đến hiệu suất phát THz. TLT_GaAs dày sẽ đạt giá trị hiệu 38 suất cực đại lớn hơn. Khi tăng độ sâu lớp tích cực đến một giá trị nhất định, hiệu suất cực đại sẽ đạt giá trị bão hòa do đó hoàn toàn có thể tìm được giá trị TLT_GaAs tốt nhất để ăng-ten đạt hiệu suất tối ưu. Điều này có thể hiểu được vì lớp tích cực càng sâu thì càng có nhiếu cặp eletron - lỗ trống được tạo ra. Tuy nhiên, do sự hấp thụ quang ở lớp tích cực không đồng nhất theo phương trục z (giảm dần theo hàm số mũ) nên số lượng các hạt mang quang phát ra cũng sẽ bão hòa. Với phân tích này ăng-ten mô phỏng đạt hiệu suất tối ưu khi TLT_GaAs ~ 5 µm. 5.4. Độ linh động của các hạt mang quang (µe) 10 -4 10 -3 10 -2 10 -1 10 0 10 1 10 2 10 3 10 4 10 -8 10 -7 10 -6 10 -5 10 -4 10 -3 10 -2 10 -1 10 0 P av (W)  t (m W ) e= 100cm 2 .V -1 .s -1 e= 200cm 2 .V -1 .s -1 e= 800cm 2 .V -1 .s -1 e= 1.400cm 2 .V -1 .s -1 e= 2.000cm 2 .V -1 .s -1 Hình 8. Khảo sát thông số µe ảnh hưởng lên hiệu suất phát THz của ăng-ten quang dẫn Hình 8 cho thấy ảnh hưởng của độ linh động của các hạt mang quang đến hiệu suất phát THz của ăng-ten hoàn toàn tương tự như của thông số α. Theo đó, các ăng-ten có µe lớn hơn cũng sẽ đạt hiệu suất cực đại ở mức công suất quang thấp hơn và cho kết quả giá trị hiệu suất cực đại cao hơn. Khi µe tăng, hiệu suất cực đại của ăng-ten tăng đáng kể. Khi tăng µe đến giá trị nhất định ta sẽ tìm thấy giá trị hiệu suất phát THz bão hòa nhưng giá trị này của µe thường rất cao cỡ vài nghìn cm2.V-1.s-1 Tóm lại, độ linh động của các hạt mang quang cũng có ý nghĩa rất lớn trong việc góp phần nâng cao hiệu suất của ăng-ten quang dẫn. Hệ số µe lớn sẽ cho hiệu suất ăng-ten cao. Điều này cũng rất dễ hiểu bởi khi µe lớn, các hạt mang quang đi về phía hai điện cực của ăng-ten nhanh hơn tạo nên cường độ dòng quang điện lớn hơn và bức xạ THz mạnh hơn. Tuy nhiên, vật liệu có độ linh động các hạt mang quang cao sẽ cho thời gian sống của các hạt mang quang dài và cũng hình thành nên hiệu ứng sàng lọc, đây sẽ là điều không mong muốn. Do đó, thông số này cần được lưu ý lựa chọn thích hợp tương ứng với từng loại vật liệu đế để đạt được hiệu suất tốt nhất. 5.5. Thời gian sống của các hạt mang quang (τc) Hình 9 minh họa cho ảnh hưởng thời gian sống của các hạt mang quang đến hiệu suất của ăng-ten. Khi thời gian sống hạt mang quang được kéo dài từ 0,2 ps đến 0,5 ps thì hiệu suất cực đại của ăng-ten tăng từ 0,0193% đến 0,0244% (tăng gần 1,3 lần), tiếp tục kéo dài từ 0,5ps đến 1ps hiệu suất tăng đến 0.0269% (tăng xấp xỉ 1,1 lần). Trong khi tăng giá trị τc từ 1ps đến 1,5ps và tiếp tục kéo dài đến 2ps thì hiệu suất phát THz cực đại tăng không đáng kể chỉ khoảng 1,04 và 1,06 lần. Công suất quang cung cấp trong các trường hợp đạt hiệu suất đỉnh với các giá trị τc khác nhau cũng chênh lệch không nhiều. 39 10 -4 10 -3 10 -2 10 -1 10 0 10 1 10 2 10 3 10 4 10 -8 10 -7 10 -6 10 -5 10 -4 10 -3 10 -2 10 -1 10 0 P av (W)  t (m W )  c =0,2ps  c =0,5ps  c =1 ps  c =1,5ps  c =2 ps Hình 9. Khảo sát thông số τc ảnh hưởng lên hiệu suất phát THz của ăng-ten quang dẫn Tương tự như thông số α và µe, thông số τc lớn sẽ cho hiệu suất phát THz cực đại lớn hơn tương ứng với giá trị công suất quang cần cung cấp nhỏ hơn. Thời gian sống của các hạt mang quang càng lâu dẫn đến giá trị dòng quang cao trong khoảng thời gian dài vì các hạt mang quang sống lâu hơn trong vùng kích thích của ăng-ten. Đây lại là một trong những hạn chế chính của ăng-ten quang dẫn vì nó ngăn chặn việc tạo ra các cặp electron-lỗ trống mới làm giảm sự biến thiên của mật độ hạt mang quang và dẫn đến hạn chế việc phát sinh dòng quang. Giá trị cực đại của hiệu suất phát THz lại chênh lệch rất ít khi τc thay đổi. Do đó, đây là một tác động tích cực rất nhỏ so với ảnh hưởng khủng khiếp của nó vào việc hạn chế phát sinh dòng quang và làm tỏa nhiệt ăng-ten [7]. Chính vì vậy, đối với thông số này, cũng cần có lựa chọn thích hợp căn cứ trên độ lợi về hiệu suất của ăng-ten. Trong trường hợp mô hình ăng-ten mô phỏng, so sánh về độ chênh lệch giữa các giá trị hiệu suất thu được khi sử dụng vật liệu có thời gian sống hạt mang quang kéo dài hơn thì τc = 1 ps được xem như là giá trị tốt nhất để ăng-ten đạt hiệu suất tối ưu. 5.6. Thời gian tái kết hợp của các hạt mang quang (tr) 10 -4 10 -3 10 -2 10 -1 10 0 10 1 10 2 10 3 10 4 10 -8 10 -7 10 -6 10 -5 10 -4 10 -3 10 -2 10 -1 10 0 P av (W)  t (m W )  re = 50ps  re =100ps  re =150ps  re =200ps  re =250ps Hình 10. Khảo sát thông số τre ảnh hưởng lên hiệu suất phát THz của ăng- ten quang dẫn 10 -4 10 -3 10 -2 10 -1 10 0 10 1 10 2 10 3 10 4 10 -8 10 -7 10 -6 10 -5 10 -4 10 -3 10 -2 10 -1 10 0 P av (W)  t (m W ) L = W = 3m L = W = 5m L = W = 10m L = W = 15m L = W = 20m Hình 11. Khảo sát thông số L ảnh hưởng lên hiệu suất phát THz của ăng-ten quang dẫn 40 Hình 10 cho thấy khi công suất quang đến giá trị 86,85 mW, hiệu suất ăng-ten cũng tăng dần đến khi đạt giá trị cực đại là 0,0269%. Vượt qua giá trị này hiệu suất giảm dần khi tiếp tục tăng công suất quang. Hiệu suất của hệ thống hoàn toàn độc lập với thông số τr. Điều này khẳng định thông số τr không ảnh hưởng đến công suất của ăng-ten. 6. Thông số của ăng-ten 6.1. Chiều dài vùng kích thích (L) Để đảm bảo cấu trúc hình học của ăng- ten cụ thể là vùng kích thích có dạng hình vuông, khi thay đổi giá trị chiều dài L chúng tôi thay đổi đồng thời chiều rộng W của ăng-ten sao cho L=W. Như mô tả trong hình 11, khi thu hẹp chiều dài L từ 15µm xuống 10µm giá trị hiệu suất phát THz tăng từ 0,0076% đến 0,0269% (tăng 3,5 lần). Tiếp tục thu hẹp L từ 10µm chỉ còn 5µm lúc này hiệu suất ăng-ten lên đến 0,219% (tức tăng gần 29 lần). Khi giảm L xuống chỉ còn 3 µm hiệu suất cực đại đạt được là 1,014% (tăng gần 38 lần so với trường hợp L= 5µm). Thông số chiều dài vùng kích thích của ăng-ten có ý nghĩa rất lớn trong việc góp phần nâng cao hiệu suất của ăng-ten quang dẫn. Khi L càng nhỏ, hiệu suất cực đại của ăng-ten càng cao và đạt được tại mức công suất quang thấp hơn. Lý do là với cùng giá trị công suất quang cung cấp, diện tích vùng kích thích của ăng-ten càng nhỏ, năng lượng quang sẽ tập trung cao hơn và cho kết quả các hạt mang quang được tạo ra tăng, dòng quang sinh ra lớn hơn và cho hiệu suất phát THz cao. Vượt qua giá trị cực đại, càng tăng công suất quang hiệu suất ăng-ten càng giảm và sự phân rã này hoàn toàn độc lập với L. Ngoài ra, thông số L lại phụ thuộc công nghệ chế tạo nên khó có thể đạt được kích thước L quá nhỏ. Trong trường hợp này, có thể xem hiệu suất cực đại đạt được khi L= 5µm là hiệu suất tối ưu. 6.2. Điện áp phân cực ngoài (Vbias) 10 -4 10 -3 10 -2 10 -1 10 0 10 1 10 2 10 3 10 4 10 -8 10 -7 10 -6 10 -5 10 -4 10 -3 10 -2 10 -1 10 0 P av (W)  t (m W ) V bias = 10V V bias = 20V V bias = 30V V bias = 50V V bias = 90V Hình 12. Khảo sát thông số Vbias ảnh hưởng lên hiệu suất phát THz của ăng- ten quang dẫn Hình 12 biểu diễn ảnh hưởng của thông số điện áp phân cực ngoài đến hiệu suất phát THz của ăng-ten. Công suất quang tăng thì hiệu suất phát THz cũng tăng và đạt giá trị cực đại tương ứng với giá trị công suất quang xấp xỉ 86,85mW đối với tất cả các giá trị điện áp phân cực cho ăng-ten. Vượt qua 86,85mW càng tăng công suất quang, hiệu suất của ăng-ten càng giảm. Mặt khác, khi điện áp phân cực cho ăng-ten tăng hiệu suất phát xạ THz cũng tăng. Dễ dàng thấy rõ khi tăng điện áp phân cực từ 10V lên 20V, hiệu suất ăng- ten cũng tăng từ 0,0026% lên 0,112% (tăng xấp xỉ 4,5 lần). Tiếp tục tăng Vbias lên 30V hiệu suất cũng tăng lên 0,0269 (tăng gần 2,3 lần). Tuy nhiên, độ tăng này giảm dần và tăng không đáng kể đối với các giá trị Vbias lớn hơn 90V. Xung laser femto giây chiếu vào vùng kích thích của ăng-ten quang dẫn làm xuất 41 hiện các hạt mang quang tự do. Dưới tác dụng của điện áp phân cực các hạt mang quang này được gia tốc về hai điện cực của ăng-ten. Do đó điện áp phân cực càng lớn sự gia tốc càng tăng dẫn đến dòng quang sinh ra lớn bức xạ THz càng mạnh cho kết quả hiệu suất ăng-ten càng cao. Vì vậy, thông số điện áp phân cực có ý nghĩa quan trọng trong việc góp phần nâng cao hiệu suất của ăng-ten quang dẫn. Ngoài ra, vì hiệu suất cực đại của hệ thống đạt được tại cùng một mức công suất quang nghĩa là dễ dàng lựa chọn giá trị công suất quang để hệ thống đạt hiệu suất tối ưu với mọi giá trị Vbias.Tuy nhiên, điện áp phân cực áp dụng lại phụ thuộc vào điện áp đánh thủng của vật liệu quang dẫn và kích thước vùng kích thích của ăng-ten. Kích thước vùng kích thích càng lớn điện áp phân cực áp dụng được càng cao. Với vật liệu LT_GaAs điện áp phân cực có thể đạt đến giá trị khoảng 50V [1]. Áp dụng vào mô hình ăng-ten mô phỏng chúng tôi đạt được hiệu suất tối ưu cho hệ thống là 0,0753% (tăng xấp xỉ 2,8 lần so với bộ thông số tham khảo). 6.3. Trở kháng của ăng-ten (Za) 10 -4 10 -3 10 -2 10 -1 10 0 10 1 10 2 10 3 10 4 10 -8 10 -7 10 -6 10 -5 10 -4 10 -3 10 -2 10 -1 10 0 P av (W)  t (m W ) Za=5 Za=65 Za=200 Za=800 Za=1.200 Hình 13. Khảo sát thông số Za ảnh hưởng lên hiệu suất phát THz của ăng- ten quang dẫn Hình 13 mô tả ảnh hưởng của các giá trị trở kháng đến hiệu suất của ăng-ten quang dẫn. Ăng-ten đạt giá trị hiệu suất cực đại như nhau là 0,0269% với các trở kháng khác nhau. Nói cách khác, giá trị hiệu suất cực đại không phụ thuộc trở kháng của ăng-ten. Các giá trị hiệu suất cực đại xuất hiện tại các mức công su