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ER­ZEU­GUNG VON THZ STRAH­LUNG MIT­TELS HALB­LEI­TER­LA­SERN

So pro­ble­ma­tisch die Er­zeu­gung von elek­tro­ma­gne­ti­scher Strah­lung im Be­reich von 100G­Hz bis 10THz auch ist, so viel­fäl­tig sind je­doch die An­sät­ze, Mess­sys­te­me in die­sem Fre­quenz­be­reich auf­zu­bau­en. Die Mo­ti­va­ti­on liegt hier­bei in den mög­li­chen An­wen­dun­gen im Be­reich der Qua­li­täts­kon­trol­le, der Si­cher­heits­tech­nik und Phar­ma­zie (siehe auch THz An­wen­dun­gen)

Bei der Er­zeu­gung von THz Strah­lung mit pho­to­ni­schen Kon­zep­ten kann man die Sys­te­me grob in ver­schie­de­ne Klas­sen auf­grund der Ei­gen­schaf­ten des ver­wen­de­ten La­ser­sys­tems ein­tei­len

  • Wel­len­län­ge: Die ge­nutz­ten La­ser­sys­te­me ba­sie­ren groß­teils auf Fest­kör­per­la­sern, Fa­ser­la­sern oder Halb­lei­ter­la­sern, die un­ter­schied­li­che Wel­len­län­gen­be­rei­che zur Ver­fü­gung stel­len kön­nen. In un­se­rer Grup­pe be­schäf­ti­gen wir uns zu­sam­men mit un­se­ren Part­nern u.a. mit der Ent­wick­lung von Halb­lei­ter­la­ser-ba­sier­ten THz Sys­te­men im Be­reich von 800nm und 1550nm.
  • Mo­den­kopp­lung: Mo­den­ge­kop­pel­te Kurz­puls-La­ser kön­nen für die Zeit­be­reichs­spek­tro­sko­pie ver­wen­det wer­den, wäh­rend mit Dau­er­strich­sys­te­men ty­pi­scher­wei­se di­rekt im Fre­quenz­be­reich ein­zel­ne THz Fre­quen­zen ge­mes­sen wird. Al­ler­dings ist auch ein so­ge­nann­ter QTDS (Quasi Time Do­main Spek­tro­sko­pie) Be­trieb mög­lich, bei dem eine große An­zahl un­kor­re­lier­ter Moden ge­mischt wird. Jede die­ser Kon­fi­gu­ra­tio­nen wird bei PTT mit un­ter­schied­li­chen Sys­te­men un­ter­sucht.
  • Re­so­nat­or­geo­me­trie: Im Be­reich der Halb­lei­ter­la­ser kann im we­sent­li­chen zwi­schen mo­no­li­thi­schen La­sern und Laser um ex­ter­nen Re­so­na­tor un­ter­schie­den wer­den. Auch wenn ein ex­ter­ner Re­so­na­tor deut­lich mehr Fle­xi­bi­li­tät er­mög­licht, so sind mo­no­li­thi­sche La­ser­sys­te­me für ex­trem kom­pak­te und kos­ten­güns­ti­ge Sys­te­me in vie­len Fäl­len das Ziel der Ent­wick­lung.

Im fol­gen­den eine kurze Über­sicht über ei­ni­ge der Kon­zep­te, die bei PTT be­ar­bei­tet wer­den:

AB­STIMM­BA­RE ZWEI­FAR­BEN­LA­SER FÜR DIE THZ ER­ZEU­GUNG

Wir ent­wi­ckeln maß­ge­schnei­der­te Zwei­far­ben-Di­oden­la­ser­sys­te­me als Quel­len für un­se­re op­to­elek­tro­ni­schen THz-Sys­te­me. An­ord­nun­gen mit ex­ter­nen Re­so­na­to­ren haben dabei die größ­te Fle­xi­bi­li­tät. Die Ab­bil­dung zeigt einen Zwei­far­ben Dop­pel-Lit­trow – Laser (links), der eine brei­te Ab­stim­mung der Dif­fe­renz­fre­quenz (rechts) er­mög­licht.

Für eine ex­em­pla­ri­sche An­wen­dung wurde das La­ser-Aus­gangs­si­gnal ver­stärkt und in ein ein­fa­ches THz-Trans­mis­si­ons­sys­tem mit Pho­to­di­ode (UDE) als THz-Sen­der und Schott­ky-Bar­rie-Di­ode (UDE) als THz-Emp­fän­ger ein­ge­kop­pelt. Die Eig­nung des Sys­tems für ein­fa­che THz-Trans­mis­si­ons­mes­sun­gen im Fre­quenz­be­reich um 0,3 THz wurde an­hand von Feuch­tig­keits­mes­sun­gen ve­ri­fi­ziert.

Re­fe­renz­aus­wahl

  • Y. Hu, B. Khani, C. Bren­ner, V. Ry­ma­nov, A. Stöhr, M. Hof­mann, Two-Co­lor Laser for THz Ge­ne­ra­ti­on with High-Speed Pho­to­di­odes, 2017 Ger­man THz Con­fe­rence, Bo­chum, Ger­ma­ny, March 29-31, 2017.
  • Y. Hu, B. Khani, C. Bren­ner, V. Ry­ma­nov, A. Stöhr, M.R. Hof­mann, Com­pact CW THz Spec­trosco­py Sys­tem and its Ap­p­li­ca­ti­on in Water Ab­sorp­ti­on Me­a­su­re­ments, Con­fe­rence on La­sers and Elec­tro Op­tics, CLEO/EU­RO­PE, Mu­nich, Ger­ma­ny, June 2018.

MUL­TI­F­RE­QUENZ­SYS­TE­ME MIT OP­TI­MA­LEM FRE­QUENZ­SPEK­TRUM

Bei der Ver­wen­dung von mehr als zwei op­ti­schen Moden zur THz Er­zeu­gung steigt die An­zahl der er­zeug­ten THz Fre­quen­zen qua­dra­tisch an. Das re­sul­tie­ren­de THz Spek­trum weist im All­ge­mei­nen je­doch deut­li­che Lü­cken und un­ter­schied­li­che Leis­tun­gen auf, wenn die ur­sprüng­li­chen La­ser­fre­quen­zen nicht mit Sorg­falt aus­ge­wählt wur­den. Eine op­ti­ma­le Ver­tei­lung der La­ser­fre­quen­zen für eine gleich­mä­ßi­ge Ver­tei­lung der THz Moden wird durch ein sog. Go­lomb Li­ne­al rea­li­siert.

Re­fe­renz­aus­wahl

  • A. Ger­ling, L. Becke, S. Ton­der, M.R. Hof­mann, J.C. Bal­zer, C. Bren­ner, “Go­lomb Ruler Based Dis­cre­te Fre­quen­cy Mul­ti­modal Con­ti­n­uous Wave THz Spec­trosco­py Sys­tem”, 2nd In­ter­na­tio­nal Work­shop on Mo­bi­le THz Sys­tems, Bad Neue­nahr, Ger­ma­ny, July 1-3 2019.

THZ SYS­TE­ME MIT AB­STIMM­BA­REN MO­NO­LI­THI­SCHEN Y-LA­SERN

Für zu­künf­ti­ge In­te­gra­ti­on sind ex­ter­ne Re­so­na­toran­ord­nun­gen auf­grund ihrer Kom­ple­xi­tät nicht ge­eig­net. Dafür ana­ly­sie­ren wir mo­no­lit­t­hi­sche Zwei­fabre­nen­la­ser ba­sie­rend auf DBR (di­stri­bu­ted Bragg re­flec­tor) und DFB (di­stri­bu­ted feed­back) La­ser­ar­chi­tek­tu­ren. Dabei wur­den zu­nächst Y-för­mi­ge Dop­pel-DBR Laser vom Fer­di­nand Braun In­sti­tu­te (FBH) im Spek­tral­be­reich um 0,8µm ana­ly­siert. Diese Laser zeig­ten ab­stimm­ba­ren Zwei­far­ben­be­trieb und wur­den er­folg­reich in ein Ho­mo­dyn-Tera­hertz­sys­tem in­te­griert, um An­wen­dun­gen für THz-Ab­sorp­ti­ons- und Bre­chungs­in­dex­mes­sun­gen zu de­mons­trie­ren.

Im nächs­ten Schritt wur­den Y-för­mi­ge Dop­pel-DFB Zwei­far­ben-La­ser­di­oden ba­sie­rend auf InP Tech­no­lo­gie, d.h mit Emis­si­on im 1.​55 µm Wel­len­län­gen­be­reich un­ter­sucht. Das ist von Vor­teil, da Kom­po­nen­ten der Tech­no­lo­gie für die fa­ser­ba­sier­te op­ti­sche Nach­rich­ten­tech­nik ver­wen­det wer­den kön­nen. Die Laser wur­den von Sa­cher La­ser­tech­nik be­reit­ge­stellt und lie­fer­ten Dif­fe­renz­fre­quen­zen von etwa 0,8 und 1 THz, die um etwa 50 GHz kon­ti­nu­ier­lich über die In­jek­ti­ons­strö­me ab­stimm­bar waren.. Die Laser wur­den in ein neues THz Ho­mo­dyn­sys­tem für den 1.​55mm Wel­len­län­gen­be­reich im­ple­men­tiert, das mit pho­to­lei­ten­den Di­oden der TU Darm­stadt be­stückt war. Auch hier konn­ten in er­folg­rei­chen Pro­of-of-prin­ci­ple Stu­di­en THz-Di­cken und Ab­sorp­ti­ons­mes­sun­gen de­mons­triert wer­den.

Re­fe­renz­aus­wahl

  • J. O. Gwaro, C. Bren­ner, L.S. Theu­rer, M. Mai­wals, B. Sumpf, and M.R. Hof­mann, “Con­ti­n­uous Wave THz Sys­tem Based on an Elec­tri­cal­ly Tunable Mo­no­li­thic Dual Wa­ve­length Y-Branch DBR Diode Laser, J. of In­fra­red, Mil­li­me­ter and Tera­hertz Waves, Feb. 2020.

THZ SYS­TEM MIT MO­DEN­GE­KOP­PEL­TE HALB­LEI­TER­LA­SERN

Zu­sätz­lich zu kon­ti­nu­ier­lich (con­ti­n­uous wave (CW)) ar­bei­ten­den THz Sys­te­men un­ter­su­chen wir auch mo­den­ge­kop­pel­te La­ser­di­oden­sys­te­me für Zeit­be­reichs­spek­tro­sko­pie (time do­main spec­trosco­py (TDS)). Wir haben ein THz TDS Sys­tem auf Basis asyn­chro­ner Ab­tas­tung (asyn­chro­nous op­ti­cal sam­pling (ASOPS) mit zwei mo­den­ge­kop­pel­ten La­sern im ex­ter­nen Re­so­na­tor ent­wor­fen, das in der Ab­bil­dung ge­zeigt ist. Das Sys­tem wurde er­folg­reich ein­ge­setzt und lie­fer­te eine Band­brei­te bis 0,3 THz, die durch elek­tro­ni­sche Pro­ble­me und den zeit­li­chen Jit­ter der La­ser­sys­te­me be­schränkt war. Zu­künf­tig un­ter­su­chen wir we­sent­lich kom­pak­te­re Sys­te­me ba­sie­rend auf mo­no­li­thisch mo­den­ge­kop­pel­ten La­ser­di­oden.

Eine wei­te­re Mög­lich­keit ist die Ver­wen­dung so­ge­nann­ter Col­li­dung-Pul­se-Mo­de­lo­cked Laser, wel­che zur THz Er­zeu­gung ge­nutzt wer­den kön­nen. Wie im Fall der mo­no­li­thi­schen Y-La­ser be­schränkt sich das La­ser­sys­tem auf einen ein­zi­gen Chip, des­sen op­ti­sches Si­gnal in das THz Sys­tem ein­ge­kop­pelt wird.

Re­fe­renz­aus­wahl

  • N. Sur­kamp, B. Döpke, A. Klehr, A. Knig­ge, G. Tränk­le, M.R. Hof­mann, “Diode laser based tera­hertz asyn­chro­nous op­ti­cal sam­pling spec­trosco­py”, Se­mi­con­duc­tor In­te­gra­ted Op­to­elec­tro­nics (SIOE) Con­fe­rence, Car­diff, Wales, UK, April 2017.
  • B. Döpke, N. Sur­kamp, Y. Hu, C. Bren­ner, A. Klehr, A. Knig­ge, G. Tränk­le, M.R. Hof­mann, "Asyn­chro­nous sam­pling tera­hertz ti­me-do­main spec­trosco­py using se­mi­con­duc­tor la­sers", Elec­tro­nics Let­ters, Apr 2018.
  • C. Bren­ner, Y. Hu, J. Gwaro, N. Sur­kamp, B. Döpke, M. Hof­mann, B. Kani, A. Stöhr, B. Sumpf, A. Klehr, and J. Fri­cke, "Near In­fra­red Diode Laser THz Sys­tems", Adv. Radio Sci. 16, 1–9, April 2018.

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