Asynchron optisch abtastendes gepulstes THz-TDS-Spektroskopiesystem auf Basis monolithisch modengekoppelter Laserdioden

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Martin Hofmann; Dr.-Ing. Andrea Knigge; Professor Dr.-Ing. Thomas Musch
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 236759088

Unser Ziel in diesem Fortsetzungsantrag bleibt die Realisierung eines extrem kompakten THz-Zeitbereichs-Prüfsystems. Wir verwenden monolithisch modengekoppelte Laserdioden und asynchrone optische Abtastung (Asynchronous Optical Sampling, ASOPS). Im ersten Ansatz fungiert eine Laserdiode dabei in Kombination mit einer photoleitenden Antenne als THz-Sender, eine zweite baugleiche Laserdiode wird mit der ersten synchronisiert, läuft aber auf einer leicht anderen Repetitionsfrequenz, um an der photoleitenden Empfangsantenne die empfangene THz-Transiente asynchron abzutasten. Für eine noch kompaktere Bauform sollen Sende- und Empfangslaser auf einem Chip integriert und die photoleitenden Antennen faserbasiert angesteuert werden. Im zweiten, neuen Ansatz soll nur eine monolithisch modengekoppelte Laserdiode verwendet werden, wobei die Repetitionsfrequenz der Laserdiode langsam variiert wird und der Empfänger mit einem gegenüber dem Sender verzögerten Signal abgetastet wird. Dieses Prinzip (Optical Sampling by Cavity Tuning, OSCAT) soll hier erstmals mit Diodenlasern umgesetzt werden. In unserer bisherigen Projektarbeiten haben wir das erste Diodenlaser-basierte THz-ASOPS-System demonstriert. Nach der Demonstration mit kompakten modengekoppelten Laserdioden mit externen Resonatoren wurde auch ein erstes System mit monolithischen Dioden und Synchronisationselektronik aufgebaut. Neben der prinzipiellen Machbarkeit zeigten sich die grundsätzlichen Herausforderungen des Konzeptes, die im Rahmen dieses Fortsetzungsantrags gelöst werden müssen. Diese betreffen insbesondere die Ausgangsleistung, die Pulsbreite der emittierten Pulse und die Stabilität der Repetitionsfrequenz der Laserdioden. Für die mittlere Ausgangsleistung planen wir eine weitere Steigerung auf > 50 mW, um ein besseres THZ-Signal-Rausch-Verhältnis zu erhalten. Zur Optimierung der Pulsbreite, die auf die THz-Antennen trifft, sind 2 wesentliche Schritte erforderlich: erstens muss das Verstärkungsmaterial der Laserdiode die Erzeugung von Pulsen mit einer großen spektralen Bandbreite ermöglichen und zweitens müssen die von den Dioden emittierten stark gechirpten Pulse komprimiert werden. Hierzu setzen wir optimiertes Laserdiodenmaterial mit gechirpten Quantenfilmen ein und komprimieren die Pulse mittels Fasern mit definierter Dispersion und Länge. Ziel sind Pulsbreiten von unter 500 fs bzw. Bandbreiten des THz-Systems über 1,5 THz. Wir planen zudem die Realisierung von stabilen Pulszügen mit zeitlichem Jitter unter 500 fs durch verschiedene Ansätze. Erstens wollen wir im bestehenden Ansatz den Jitter der monolithisch modengekoppelten Laser durch verbesserte Elektronik, optisches Feedback und der Integration beider Laser mit leicht unterschiedlicher Repetitionsfrequenz auf einem Chip reduzieren. Zweitens wollen wir als neuen Ansatz Optical Sampling by Cavity Tuning (OSCAT) mit nur einer, in der Repetitionsfrequenz zeitlich variierten modengekoppelten monolithischen Laserdiode untersuchen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen