非線形線路を用いたテラヘルツ帯パルス光源の研究開発

利用非线性线的太赫兹波段脉冲光源的研发

基本信息

批准号：
18860015
负责人：
楢原浩一
金额：
$ 1.74万
依托单位：
Yamagata University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Young Scientists (Start-up)
财政年份：
2006
资助国家：
日本
起止时间：
2006 至 2007
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究は共鳴トンネルダイオード(Resonant Tunneling Diode, RTD)を周期装荷した伝送線路における非定常的波動伝播において、パルス幅が極端に圧縮される現象の発見に端を発している。この2年においては、研究成果は、J. Appl. Phys.をはじめとする学術誌に採録され、RTDの研究者から打診を受けるなど,研究活動の広がりを予感させる段階にまで至ってきた。この過程では、極短電気パルス生成に加えて、興味深い波動の往復伝播を新たに見出すに至った。RTD線路にステップ状電気パルスが入力されると、RTDのピーク電圧を境にして、指数関数および正弦関数モードの波動がそれぞれ誘起される。RTDのコンダクタンスと配線抵抗によって前進パルス・エッジは減衰し、パルス振幅に依存して定まる距離を伝播すると消失する。この点において、新たにすべての電圧領域で指数関数モードが誘起される。この新しく生じた伝播モードは電圧レベルの大きい領域に向かってしか伝播しないという性質をもつため、パルス・エッジは逆進をはじめる。すなわち、RTD線路にステップ状パルスが入力されると、線路途上でパルス・エッジが折り返して入力端に回帰するという現象が生ずる。入力端での反射制御を適正に行うと、この往復伝播は定常的に生ずることになり、従来類例のない発振機構を提供することができる。波動伝播によるため、動作帯域が広範にわたるという性質、そして発振周波数がパルス振幅に強く依存するという性質は、RTDの高速性とあいまって、ミリ波帯あるいはテラヘルツ帯にまでいたる超広帯域電圧制御発振器という無類の高機能回路の実現への道を新たに切り開くこととなった。研究期間内には、数理的検証の実際的応用を念頭において,具体的な線路構造を与えての検証を進めている。このためにFDTD法に能動・非線形素子を導入する新しい手法を考案した。通常、能動・非線形素子の表現にはニュートン法を代表とする求解ルーチンを時間発展させるごとに使用する必要があり、計算時間のボトルネックになっていた。区分的線形関数で素子の電流-電圧特性を近似する手法を開発し、精度よく短時間に解析が進むように改善された。これを用いて、RTD線路のFDTD解析によって極短パルス生成ならびに往復伝播のそれぞれを表現することに成功した。

这项研究源于发现了一种现象，即在周期性加载谐振隧道二极管（RTD）的传输线中，非稳态波传播时脉冲宽度被极度压缩。近两年来，我们的研究成果发表在J. Appl.等学术期刊上，并且RTD研究人员也与我们接洽，所以我们已经到了可以预见研究活动扩展的阶段。除了产生超短电脉冲之外，这个过程还导致了有趣的波往返传播的新发现。当阶跃电脉冲输入到 RTD 线路时，以 RTD 的峰值电压为边界，分别感应出指数模式和正弦模式的波。正向脉冲边沿因 RTD 的电导和接线电阻而衰减，并在传播由脉冲幅度确定的距离后消失。此时，在所有电压区域中新引入指数模式。由于这种新创建的传播模式仅向高电压电平区域传播，因此脉冲边缘开始向后传播。即，当将阶跃脉冲输入到RTD线路时，会发生脉冲边沿在线路中途转向并返回到输入端的现象。如果正确地执行输入端的反射控制，则这种往返传播将不断发生，从而可以提供过去前所未有的振荡机制。由于波传播，工作频带很宽，振荡频率强烈依赖于脉冲幅度，再加上RTD的高速度，它们被称为延伸到毫米波波段或太赫兹波段的超宽带压控振荡器。这为实现无与伦比的高性能电路开辟了一条新途径。在研究过程中，我们结合数学验证的实际应用，采用具体的线结构进行验证。为此，我们设计了一种将主动非线性元件引入FDTD方法的新方法。通常，为了表示活动/非线性元素，随着时间的推移，有必要使用求解例程，通常是牛顿法，从而造成计算时间的瓶颈。开发了一种使用分段线性函数来近似器件电流-电压特性的方法，并且分析得到了改进，变得更加准确和快速。利用这一点，我们成功地通过 RTD 线路的 FDTD 分析来表达超短脉冲的生成和往返传播。