DE68923924T2

DE68923924T2 - Integriertes System für Terahertz-Elektromagnetwellen.

Info

Publication number: DE68923924T2
Application number: DE68923924T
Authority: DE
Inventors: Duling, Iii; Daniel R Grischkowsky; Jean-Marc Halbout; Mark B Ketchen
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1988-08-09
Filing date: 1989-05-22
Publication date: 1996-04-18
Anticipated expiration: 2009-05-23
Also published as: JPH0276347A; EP0354308A3; DE68923924D1; EP0354308A2; US5056111A; JPH0683146B2; EP0354308B1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf das Erzeugen von Signalen im Terahertz-Frequenzbereich und deren Erkennung.
Ein Aspekt der Rechnerzyklusgeschwindigkeit ist die Zeit, die zur Kommunikation zwischen logischem Schaltkreis und/oder Speicherschaltkreisen erforderlich ist. Mit wachsender Packungsdichte und abnehmendem physischen Abstand zwischen solchen Elementen können die Verarbeitungsgeschwindigkeiten durch die Verkürzung der Signalpfadlänge erhöht werden. Es gibt für die Packungsdichte Grenzwerte, bei denen Probleme mit dem Nebensprechen von Signalen, der Erwärmung und ähnlichem auftreten. Damit sind andere Technologien zur Steigerung der Systemgeschwindigkeit notwendig, wenn einmal die Option der Erhöhung der Packungsdichte von Bauelementen voll in Anspruch genommen worden ist. Ein entsprechendes Erfordernis zum Erreichen höherer Verarbeitungsgeschwindigkeiten ist die Notwendigkeit für Zeitgeberschaltungen, die bei sehr hohen Frequenzen arbeiten, jedoch stabile, gleichförmig über die Zeit verteilte Taktimpulse liefern.
Über frühe Versuche, Signale unterhalb des Picosekundenbereiches zu erzeugen, wird von Auston, "Subpicosecond Electro-Optical Shock Waves", Appl. Phys. Lett. 43 (8) Oktober 1983, s. 713 bis 715, und von Auston et al "Cherenkov Radiation from Femtosecond Optical Pulses in Electro-Optic Media", Phys. Rev. Lett. 53 1555, Oktober 1984, berichtet.
Es wird Bezug genommen auf M.B. Ketchen et al "Generation of Subpicosecond Electrical Pulses on Coplanar Transmission Lines", Appl. Phys. Lett. 48 (12) vom 24. März 1986, S. 751 bis 753. Diese Veröffentlichung beschreibt Techniken zum Erzeugen ultrakurzer elektrischer Impulse durch photoleitendes Kurzschließen geladener Übertragungsleitungen und enger Spalte. Wie in diesem Artikel berichtet, wurde eine Übertragungsleitung mit einer Entwurfsimpedanz von 100 Ω hergestellt, wobei drei parallele 5 um breite Aluminiumleitungen verwendet wurden, die voneinander jeweils durch 10 um getrennt waren. Diese Übertragungsleitung wurde zusammen mit ihren Kontaktflecken auf einem undotierten Silicium-auf-Saphir-(SOS)-Water erzeugt, das nachfolgend ionenimplantiert wurde, um die Ladungsträgerlebensdauer zu verkürzen. Die Übertragungsleitung wurde unter Verwendung von Laserimpulsen mit 80 fs photoleitend kurzgeschlossen. Der Anregungsstrahl hatte einen Fleckdurchmesser von 10 um, wodurch zwei der drei parallelen Übertragungsleitungen in einer "Gleitkontakt"-Anordnung überbrückt wurden. Durch die Verwendung eines mit einem Mehrkanal-Analysator gekoppelten Abtaststrahles wurden unterhalb von Picosekunden liegende elektrische Impulse gemessen, die eine tatsächliche Impulsbreite unter 0,6 ps hatten.
US-Patentschrift 4 251 130 definiert einen Impulsgenerator, der zur Erzeugung von Impulsen unterhalb des Picosekundenbereiches ein optisches Gate benutzt. Impulse werden dadurch erzeugt, daß zwischen den Seitenflächen eines Wellenleiters synchron mit einem Vorspannungssignal ein Lichtdurchgang hin und zurück erfolgt. Die Kopplungskennlinie wird über einen optischen Richtkoppler durch das Schmalband-Vorspannungssignal gesteuert, so daß eine Nullkopplung nur im Bereich über den Nullstellen des wandernden Vorspannungssignals auftritt.
US-Patentschrift 4 372 643 beschreibt ein ultraschnelles Gate, das eine Übertragungsleitung mit einer darauf errichteten stehenden Welle benutzt. Das '643er Patent benutzt eine Resonanzschaltung des elektrischen Signals, um Signale mit großer Amplitude zu erzeugen, obwohl nur relativ wenig Signalenergie dabei verbraucht wird.
DeFonzo et al. berichten in "Transient Response of Planar Integrated Opto-electronic Antennas", Appl. Phys. Lett. 50 (17), 27. April 1987, S. 1155 bis 1157, und "Optoelectric Transmission and Reception of Ultrashort Electrical Pulses", Appl. Phys. Lett., Juli 1987, S. 212 bis 214, über den Einsatz von planaren Antennenstrukturen, die auf einem durch Bestrahlen zerstörten Silicium-auf-Saphir-Substrat zur Erkennung von Picosekundenimpulsen erzeugt wurden.
Es wird auch Bezug genommen auf Smith et al "Subpicosecond Photoconducting Dipole Antennas", IEEE J Quantum Elect. 24, Februar 1988, Nr. 2, S. 255 bis 260, die die Erzeugung von elektrischen Impulsen unterhalb des Picosekundenbereiches, die Verwendung kleiner Dipole zur Übertragung und zur kohärenten Erkennung diskutieren.
Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, ein integriertes System elektrischer Terahertzwellen zu definieren, mit dem sich frei ausbreitende Terahertzwellen zum Einsatz in Übertragungssystemen erzeugt und erkannt werden.
Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, ein Übertragungs- System zur Verfügung zu stellen, das zum Senden und Empfangen von Terahertz-Signalen in der Lage ist.
Noch eine weitere Aufgabe dieser Erfindung besteht darin, einen Stehwellenoszillator zu definieren, der in der Lage ist, Impulse mit Terahertzfrequenzen zu erzeugen.
Diese und andere Aufgaben dieser Erfindung werden ausgeführt durch die Verwendung eines Impulsgeneratorsystems, das im ultrahohen Frequenzbereich arbeitet.
Der Einitter dieses Systems besteht aus einer Resonanzabstrahlungsanordnung, die mit einem ultraschnellen Schalter verbunden ist. Die Anforderungen an die Geschwindigkeit dieses Schalters bestehen darin, daß die seiner Einschaltzeit entsprechende Bandbreite größer als die Eigenfrequenz der Abstrahlungsanordnung ist, d.h. die Schaltgeschwindigkeit ist wesentlich größer als die Schwingungsperiode.
Der schnelle Schalter ist hier zusammengesetzt aus einem photoleitenden unterhalb des Picosekundenbereiches arbeitenden Schalter, der mit einer koplanaren Übertragungsleitung verbunden ist. Die Übertragungsleitung hat ein Paar 1 Mikrometer breite Aluminiumleitungen, die durch 2 Mikrometer voneinander getrennt sind. Die Leitungen werden auf ein ionenimplantiertes Silicium-auf- Saphir-(SOS)-Substrat aufgebracht, das für die Erzeugung von photoleitenden Schaltern ideal ist. Die Übertragungsleitung ist von der Spitze der Abstrahlanordnung durch den photoleitenden Spalt getrennt, der üblicherweise 5 Mikrometer breit ist.
Der photoleitende Schalter (Spalt) wird von einem Laserimpuls fit einer Dauer unterhalb von ps und mit einer Energie gesteuert, die zum Erzeugen einer großen transienten Besetzung von Ladungsträgern ausreichend ist.
Die Abstrahlungsanordnung selbst ist eine 1 Mikrometer breite Aluminiumleitung, die auf dem gleichen Substrat aufgebracht ist. Es ist einzusehen, daß diese Breite in Abhängigkeit von der Verwendung variiert werden kann. Ihre Länge wird an die gewünschte Schwingungsperiode angepaßt. Es ist gezeigt worden, daß eine 150 Mikrometer lange Leitung zur einer erwarteten Abstrahlung mit einer Schwingungsperiode von 5 ps geführt hat. Die Anordnung wird durch den oben beschriebenen photoleitenden Schalter endgezündet. Das andere Ende der Abstrahlungsanordnung ist über eine große hochfrequente Impedanzstoßstelle mit einem Vorspannungsnetz verbunden.
Unter Verwendung des Spaltanregungsprinzips und unter Benutzung einer Sendeantenne, die mit ihrer Eigenschwingungsperiode von 5 ps abstrahlt, kann ein sich frei ausbreitendes Signal beobachtet werden, indem man eine an einem entfernten Punkt befindliche identisch aufgebaute Empfangsantenne benutzt. So etwas ist nützlich für die Signalausbreitung auf dem Chip, ohne daß sich die Forderung nach Leiteinrichtungen erhebt. Dieses zueinander passende Paar gestattet dann die Übertragung innerhalb des Chips oder zwischen Chips (d.h. Übertragung von Chip zu Chip) sowohl in der Logik wie im Speicher.
Diese Erfindung wird ausführlicher unter Bezugnahme auf die schematische Zeichnung und die Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform wie folgt dargestellt.
In der Zeichnung ist
Fig. 1 eine schematische Ansicht der wesentlichen Anordnung, wie sie gemäß dieser Erfindung benutzt wird, und
Fig. 2 eine schematische Ansicht eines modifizierten Senders, wie er in der Ausführungsform der Fig. 1 benutzt wird.
Unter Bezugnahme auf Fig. 1 wird nun eine Sendeantenne und eine Empfangsantenne gemäß dieser Erfindung beschrieben. Die Sendeantenne umfaßt eine dünne Leitung 5, die etwa 1 Mikrometer breit und 0,5 Mikrometer dick ist und eine Länge gleich 1/4 der Wellenlänge der gewünschten Abstrahlfrequenz hat. Diese Leitung wird an dem einen Ende durch eine ultraschnelle Schalteinrichtung 6 und am anderen Ende durch die große Verbindungsstelle 8 abgeschlossen. Der elektrische Anschluß an diese Verbindungsstelle ist für Fachleute verständlich und wird damit hierin nicht ausführlich beschrieben.
Ein Beispiel der ultraschnellen Schalteinrichtung ist der ultraschnelle Photoleitungsschalter 6, der mit der coplanaren Übertragungsleitung 11 verbunden ist, die aus zwei parallelen Metalleitungen besteht, die auf einem isolierenden Substrat erzeugt wurden. Üblicherweise beträgt die Entwurfsimpedanz für die Leitung ungefähr 100 Ohm, was einem Leistungsabstand von doppelter Leitungsdicke entspricht. Geeignete Leitungen können aus 0,5 Mikrometer dickem Aluminium mit Leitungsbreiten von 1 Mikrometer bis 10 Mikrometer bestehen. Der metallische Kontaktfleck 8 ist mit der Vorspannungsquelle 9 zum Betrieb des ultraschnellen Schalters verbunden. Es wird zum wiederholten Male betont, daß die allgemeine Anforderung für den Schalter darin besteht, daß er schnell im Vergleich zu der Schwingungsperiode der Antenne sein sollte. Im Falle dieser Erfindung mit der 150 Mikrometer langen, auf Saphir erzeugten Antenne beträgt die Periode 5 ps. Ein betriebsfähiger Schalter, der verwendet wird, ist der photoleitende Spalt, wie er bei Auston (siehe oben) und Ketchen et al (siehe oben) beschrieben wird. Hier ist der Schalter ein einfacher Spalt von 5 Mikrometer zwischen der Antenne und der Übertragungsleitung. Zum Betrieb des Schalters muß die metallische Ablagerung auf einem ionenimplantierten SOS-Water aufgebracht werden, wie es bei Ketchen et al beschrieben ist.
Üblicherweise wird der Spalt bei etwa 5 Volt zum Betrieb vorgespannt, und er wird durch einen ultrakurzen Laserimpuls mit einer Dauer unterhalb von ps kurzgeschlossen. Diese transiente Erregung des Spaltes regt die abgestimmte Viertelwellenantennenanordnung an, und es tritt eine Schwingung bei dieser Wellenlänge auf. Die Antenne strahlt dadurch diese Strahlung 13 mit der charakteristischen Wellenlänge ab, die sich über den Chip hinaus zu anderen entfernten Stellen ausbreiten kann. Die Empfangsantenne 15 ist eine zum Sender 5 identische Anordnung, ausgenommen das Fehlen der Vorspannung. Über die ultraschnelle Schalteinrichtung 17 wird der Empfänger mit der Übertragungsleitung 19 verbunden. Diese Leitung mit großer Bandbreite führt beispielsweise zum Logik- und Speicherschaltkreis, die von der empfangenen Abstrahlung aktiviert und gesteuert werden. Die Übertragungsleitung 19 gleicht der Übertragungsleitung 11, muß aber nicht identisch sein. Wieder besteht die Anforderung an die ultraschnelle Schalteinrichtung 17 darin, daß sie schneller als die Periode der empfangenen Abstrahlung sein soll.
Bei der speziellen bevorzugten Ausführungsform wird der photoleitende Schalter benutzt, was ebenfalls erfordert, daß der Detektor ebenfalls auf einem ionenimplantierten SOS-Water erzeugt wird. Dieser Schalter besteht aus einem 5 Mikrometer breiten photoleitenden Spalt, der von einem zweiten synchronisierten fokussierten Laserimpuls im Bereich unterhalb von ps gesteuert wird. In Abhängigkeit von der Schalthäufigkeit können auf der Übertragungsleitung entsprechend der zeitabhängigen Spannung über dem Spalt, die von der empfangenen Abstrahlung verursacht wird, positive oder negative Impulse erzeugt werden.
In Fig. 2 ist ein alternativer Sender dargestellt. Dieser Sender kann im System der Fig. 1 verwendet werden. Dieser Entwurf erfordert einfach die Antenne 21, die nun eine Gesamtlänge von 1/2 der Wellenlänge hat, zusammengesetzt aus zwei Abschnitten mit 1/4 der Wellenlänge, die durch eine ultraschnelle Schalteinrichtung 23 getrennt ist. Wieder benutzen wir bei der vorgeschlagene Ausführungsform einen photoleitenden Spalt für den ultraschnellen Schalter. Dieser Schalter arbeitet auf die gleiche Weise wie oben beschrieben, und er wird mit einem Laserimpuls im Bereich unterhalb von ps gesteuert. Die Antenne strahlt ihre Eigenabstrahlung 27 ab.

Claims

1. Sender zum Erzeugen und Senden von Impulsen mit Terahertz- Frequenz, der umfaßt:

einen ultraschnellen Schalter (6), der ein erstes coplanares Übertragungsleitungssegment (11) einschließt;

eine Laserquelle, die Ausgangsimpulse erzeugt, die den ultraschnellen Schalter (6) steuern, der mit einer Resonanzabstrahlungs-Sendeantenne (5) verbunden ist, wobei die Sendeantenne (5) so positioniert ist und sich in Bezug auf die Übertragungsleitung (11) in einem solchen Abstand befindet, daß sich zwischen einem Ende der Sendeantenne (5) und der Übertragungsleitung (11) ein Anregungsspalt bildet, wobei Impulse aus den Laserimpulsen diesen Anregungsspalt dazu anregen, eine periodische Terahertz-Schwingung zu erzeugen, die durch die Sendeantenne (5) gesendet wird und bei der die der Einschaltzeit des ultraschnellen Schalters (6) entsprechende Bandbreite größer ist als die Eigenfrequenz der Sendeantenne (5)

2. Kommunikationssystem, umfassend:

(A) einen Sender gemäß Anspruch 1, umfassend:

(1) einen ultraschnellen Schalter (6) mit einem ersten Übertragungsleitungssegment (11), das aus einem Paar dünner Leiterdrähte auf einem isolierenden Substrat besteht;

(2) einer Laserquelle, die Ausgangsimpulse erzeugt, um den mit einer Antenne (5) verbundenen ultraschnellen Schalter (6) zu steuern, wobei die Antenne so positioniert ist und sich mit Bezug auf die erste Übertragungsleitung (11) in einem Abstand mit einem Anregungsspalt zwischen einem Ende der Antenne (5) und der ersten Übertragungsleitung (11) befindet, so daß Laserimpulse den Anregungsspalt dazu anregen, eine periodische Terahertz-Schwingung zu erzeugen, und

(B) einem Empfänger, umfassend:

(1) einen zweiten ultraschnellen Schalter (17), der ein Übertragungsleitungssegment (19) hat, das aus einem Paar dünner Leiterdrähte auf einem isolierenden Substrat besteht;

(2) eine zweite Antenne (15), die sich in einem Abstand von dem zweiten Übertragungsleitungssegment (19) befindet, damit ein Anregungsspalt zwischen einem Ende der Antenne (15) und dem zweiten Übertragungsleitungssegment (19) gebildet wird, auf einem Empfängerschaltkreis, der auf Eingangssignale von der zweiten Antenne (15 anspricht, um damit die gesendete periodische Terahertz- Schwingung abzutasten, wobei die Sendeantenne (5) und die Empfangsantenne (15) im Aufbau identisch sind.

3. System nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Antennen (5, 15) Resonanzsender und/oder -empfänger sind, die durch Veränderungen ihrer Länge abgestimmt werden.

4. System nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Antennen (5, 15) eine 1 um breite Leitung umfassen, deren Länge gleich ¼ der Wellenlänge der gewünschten Frequenz der gesendeten Schwingung beträgt.

5. System nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Sendeantenne (5) einen dünnen Leiterdraht auf einem isolierenden Substrat umfaßt, wobei der Draht eine Länge von ungefähr 150 um hat und der Anregungsspalt 6 um beträgt.

6. System nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Laserquelle einen kompensierten passiv phasenverriegelten Stoßimpulsfarblaser umfaßt.

7. System nach Anspruch 6, wobei die Laserquelle die Ausgangsimpulse bei 80 fs mit einer Wiederholgeschwindigkeit von 100 MHZ erzeugt.

8. System nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 7, wobei jedes der Übertragungsleitungssegmente (11, 19) auf unterschiedlichen Austauschteilen montiert ist.

9. System nach Anspruch 8, wobei jedes der Übertragungsleitungssegmente (11, 19) auf dem gleichen Substrat montiert ist.

10. System nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 9, wobei jedes der Übertragungsleitungssegmente (11, 19) ein Paar von 1um-Aluminiumleitungen umfaßt, die durch 2 um getrennt sind und wobei das Substrat ein ionenimplantiertes Silicium-auf- Saphirmaterial ist.

11. System nach der Ansprüche 1 oder 2, wobei ein Sender verwendet wird, der umfaßt:

eine Antenne (21), die als Gesamtlänge ½ der Wellenlänge hat, die aus zwei Abschnitten mit ¼ der Wellenlänge zusammengesetzt ist, getrennt durch den ultraschnellen Schalter (23), der von der Laserquelle gesteuert wird.