[論文レビュー] Use of THz Photoconductive Sources to Characterize Tunable Graphene RF Plasmonic Antennas

Albert Cabellos‐Aparicio, Ignacio Llátser+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 27, 2014

Plasmonic and Surface Plasmon Research参考文献 18被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、光起電力的テラヘルツ源によって駆動されるグラフェンベースのRFプラズモニックデュアポール素子を提案し、ゲート電圧による電気的周波数可変性を有する1.3 µWまでの放射テラヘルツ出力を実証した。この構成は、光起電力的源およびグラフェンアンテナの両方が高インピーダンスを示すことに基づき、インピーダンス整合を向上させ、ナノスケールデバイスからの効率的テラヘルツ放射を可能にし、オンチップ無線ナノシステムに適している。

ABSTRACT

Graphene, owing to its ability to support plasmon polariton waves in the terahertz frequency range, enables the miniaturization of antennas to allow wireless communications among nanosystems. One of the main challenges in the demonstration of graphene antennas is finding suitable terahertz sources to feed the antenna. This paper estimates the performance of a graphene RF plasmonic micro-antenna fed with a photoconductive source. The terahertz source is modeled and, by means of a full-wave EM solver, the radiated power of the device is estimated with respect to material, laser illumination and antenna geometry parameters. The results show that the proposed device radiates terahertz pulses with an average power up to 1$μ$W, proving the feasibility of feeding miniaturized graphene antennas with photoconductive materials.

研究の動機と目的

• オンチップ無線ナノシステム向けに、効率的かつ互換性のあるテラヘルツ源でナノスケールグラフェンアンテナを駆動する課題に対処すること。
• 金属アンテナと比較して、グラフェンベースのテラヘルツアンテナに内在するインピーダンス不整合および低放射効率の問題を克服すること。
• 光起電力的源が、その高インピーダンスおよびパルス動作特性により、グラフェンプラズモニックアンテナに適した励起方法を提供することを実証すること。
• 材料パrameter、レーザー照射、幾何形状を関数として、グラフェンアンテナの放射出力および可変共振周波数を特徴付けること。
• 出力出力を最大化するための最適な構成を特定するために、異なるアンテナ形状（デュアポール対ボウタイ）の性能を比較すること。

提案手法

• フェムト秒レーザーパルスを用いて、低温度成長ガリウム砒素（LT-GaAs）を用いてピコ秒電流を生成する光起電力的テラヘルツ源をモデル化する。
• 光起電力的源をグラフェンデュアポールまたはボウタイアンテナと統合し、アンテナに電圧を印けてフェルミ準位を変更し、プラズモニック共鳴を調整する。
• 全波電磁界（EM）ソルバーを用いて、さまざまなパラメータにおける放射テラヘルツ出力および共振周波数をシミュレートする。
• グラフェン電子移動度（最大10,000 cm²/Vs）、化学ポテンシャル（0.2–1 eV）、レーザー光出力（最大100 mW）、バイアス電圧（10–50 V）、アンテナ幾何形状（長さ、幅、形状）などの主要パラメータを変化させる。
• 同じ面積および励起条件下で、平面デュアポールとボウタイ形状の性能を比較し、放射効率を評価する。
• 高インピーダンスの光起電力的源（約kΩ）とグラフェンアンテナとの間のインピーダンス整合を推定し、適合性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光起電力的テラヘルツ源は、実用的なナノスケール通信に十分な放射出力を有するグラフェンRFプラズモニックアンテナを効果的に励起できるか？
• RQ2 グラフェンアンテナの放射テラヘルツ出力は、入力光出力、バイアス電圧、およびグラフェン電子移動度にどのように依存するか？
• RQ3 外部ゲート電圧によるフェルミ準位の変更によって、グラフェンアンテナの共振周波数はどの程度電気的に可変可能であり、放射効率にどのように影響するか？
• RQ4 特にデュアポール対ボウタイという異なるアンテナ形状は、光起電力的励起方式において、放射出力および帯域にどのように影響するか？
• RQ5 光起電力的源の高インピーダンスは、金属アンテナと比較して、グラフェンアンテナとのインピーダンス整合において性能優位性を提供するか？

主な発見

• 化学ポテンシャルが1 eVの条件下で、30 µm × 5 µmのデュアポール形状のグラフェンアンテナは、最大1.3 µWの放射テラヘルツ出力を達成した。
• 入力光出力が約100 mWまで線形に増加するが、キャリアスクリーニングおよび熱的効果により、それ以上で飽和する。
• 光起電力的源のバイアス電圧を10 Vから50 Vに増加させることで、放射出力が向上し、より強い光キャリア加速の役割が確認された。
• 同様の面積を持つ場合、ボウタイ形状のグラフェンアンテナは平面デュアポールアンテナの約2倍の出力を放射し、広帯域応答による優れた放射効率を示した。
• 外部ゲート電圧によるフェルミ準位の変更により、グラフェンアンテナの共振周波数は1–10 THzの範囲で電気的に可変可能であり、動的再設定性を実現した。
• 金属と比較してグラフェンの導電度が低いにもかかわらず、光起電力的源の高インピーダンスがインピーダンス不整合を補償し、従来の金属光起電力的アンテナと同等の放射出力が得られた。