周波数可変機能を持つ半導体室温テラヘルツ発振素子の研究

具有变频功能的半导体室温太赫兹振荡器研究

基本信息

批准号：
26249045
负责人：
浅田雅洋
金额：
$ 26.12万
依托单位：
Tokyo Institute of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
财政年份：
2014
资助国家：
日本
起止时间：
2014-04-01 至 2017-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-26249045/
关键词：
テラヘルツ波テラヘルツ電子デバイス室温テラヘルツ光源共鳴トンネルダイオード周波数可変バラクタダイオードスロットアンテナテラヘルツ/赤外材料半導体超微細化マイクロナノデバイス電子デバイス・機器電子・電気材料

项目摘要

電子デバイスによる単体のテラヘルツ発振素子に対して、周波数可変機能を実現することを目的として行い、本年度は以下の成果を得た。スロットアンテナ内に共鳴トンネルダイオードとバラクタを集積した周波数可変テラヘルツ発振素子について、昨年度までに周波数可変動作の実現、可変幅の広帯域化、および、有機物の吸光度測定への応用を行ったが、今年度はこれに加えて、小さい印加電圧で周波数が大きく変化する新たな動作モードを見出した。通常の動作モードではバラクタに逆方向電圧を印加して周波数を変化させるが、作製したデバイスでは順方向でも周波数が大きく変化することが測定され、さらに、この原因がバラクタの微分抵抗の変化を通して素子全体のインダクタンス成分が変化することであり、これにより発振回路の共振周波数が変化することを、理論解析と実験の比較から明らかにした。この動作では１V以下の印加電圧で150～200GHzと、通常の動作に比べて小さな電圧で周波数変化が起こるため、種々の応用に有用である。理論解析を拡張して、周波数変化がさらに大きく取れるバラクタの層構造や配線のインダクタンスなどを理論的に明らかにした。また、この周波数可変素子に対してヘテロダイン受信系を構築し、バラクタのバイアス回路へ混入する雑音を低減して、発振線幅9MHzを得た。さらにこのヘテロダイン出力に対して、平衡変調器により基準信号との周波数混合を行って位相雑音を電圧信号に変換し、これをバラクタに負帰還することにより位相同期ループを構成し、周波数の安定化と線幅狭化を行った。この結果、周波数の揺らぎが抑圧され、安定化が達成できた。しかし、線幅狭化に関しては、5MHzとやや狭くなったものの、基準信号の線幅までの狭化には至らなかった。この原因は発振素子の出力が小さいことによるループ利得の不足であることがわかり、発振素子に対して高出力化構造を設計した。

该项目的目标是实现由电子器件制成的单个太赫兹振荡元件的可变频率功能，今年获得了以下成果。直到去年，我们已经实现了变频操作，拓宽了可变宽度，并使用在缝隙天线中集成了谐振隧道二极管和变容二极管的变频太赫兹振荡器将其应用于有机物的吸光度测量。发现了一种新的工作模式，其中频率随施加的小电压而显着变化。在正常工作模式下，向变容二极管施加反向电压以改变频率，但在制造的器件中，测量到即使在正向频率也显着变化。理论分析和实验的比较表明，这改变了频率。整体电感分量，它改变振荡电路的谐振频率。在此操作中，频率在 150 至 200 GHz 之间变化，所施加的电压为 1 V 或更小，这比正常操作时要小，因此可用于各种应用。通过扩展理论分析，我们从理论上阐明了变容二极管的层结构和布线的电感等，从而允许更大的频率变化。此外，为该变频元件构建了外差接收系统，以减少进入变容二极管偏置电路的噪声，并获得了9MHz的振荡线宽。此外，该外差输出使用平衡调制器与参考信号进行混频，将相位噪声转换为电压信号，然后将电压信号负反馈到变容二极管，形成锁相环并稳定频率。宽度变窄。结果，抑制了频率波动并实现了稳定性。然而，关于线宽窄化，虽然线宽略微窄化至5MHz，但并未达到参考信号的线宽。发现其原因是由于振荡元件的输出较小而导致环路增益不足，因此为振荡元件设计了高输出结构。