Kohärente leistungsstarke THz-Emission von Arrays Resonanter Tunneldioden (RTDs) und ihre Anwendung in der Bildgebung

• Antragsteller: Professor Dr. Hartmut G. Roskos
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Kommunikationstechnik und -netze, Hochfrequenztechnik und photonische Systeme, Signalverarbeitung und maschinelles Lernen für die Informationstechnik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 469064321

Terahertz-(THz-)Strahlung, im Frequenzspektrum zwischen dem Infraroten und den Mikrowellen liegend, hat das Potential für viele Anwendungen beispielsweise in der zerstörungsfreien Materialprüfung, der medizinischen Bildgebung, der Sicherheitsinspektion und der Telekommunikation. Der Mangel an leistungsstarken, aber kostengünstigen und kompakten Emittern im Bereich 0.3-3 THz (die notorische „THz-Lücke“) hat jedoch bisher die breite Anwendung der THz-Strahlung verzögert. Dieses Vorhaben soll dazu beitragen, die „THz-Lücke“ durch innovative Ansätze der kohärenten Leistungskombination von Emittern, deren aktive Elemente Resonante Tunneldioden (RTDs) sind, zu schließen. Das Projekt ist ein Fortsetzungsprojekt in der zweiten Phase des Schwerpunktprogramms INTEREST. Es ist eine Kooperation der Forschungsgruppen von Prof. Hartmut Roskos, Goethe-Universität Frankfurt am Main, und der Gruppe von Prof. Safumi Suzuki vom Tokyo Institute of Technology in Japan. In der ersten Phase des INTEREST-Projekts erzielten wir kohärente Emission von linearen Arrays aus elf RTDs in Schlitzantennen, die Ausgangsleistung betrug fast 1 mW bei Frequenzen um 750 GHz. Diese Leistung konnte erreicht werden, weil wir einen neuen Weg zur phasengleichen Kopplung benachbarter Oszillatoren gefunden haben. Vor unserer Studie ging man davon aus, dass bei linearer Kopplung benachbarte Oszillatoren gegenphasig schwingen, so dass die Strahlung senkrecht ins Fernfeld destruktiv interferiert. Wir fanden jedoch heraus, dass asymmetrisch-gespeiste Schlitzantennen, die in einem linearen Array gekoppelt sind, auch einen phasengleichen Betrieb der Oszillatoren aufweisen können, wenn die Mesa-Fläche der RTDs reduziert wird: Bei großen Flächen dominiert der gegenphasige Modus, bei kleinen der gleichphasige. Bei ersterem ist die Oszillation niederfrequenter. Bei beiden Betriebsmodi erfolgt konstruktive Interferenz im Fernfeld, allerdings unter unterschiedlichen Abstrahlungswinkeln. Bei mittleren Mesa-Flächen kann das RTD- Array in beiden Moden betrieben werden und man kann zwischen beiden durch den Betriebsstrom der RTDs schalten (das Schaltverhalten weist eine Hysterese auf). Diese Erkenntnis eröffnet die Möglichkeit einer stromgesteuerten Frequenz- und Emissionsrichtungsumschaltung. In der zweiten Phase des Projekts werden wir aufbauend auf diesen Befunden zu zweidimensionalen Oszillatoranordnungen übergehen und praktisch nutzbare Strahlungsquellen mit Emission von schmalbandiger, einmodiger Strahlung in Normalrichtung bei einer Ausgangsleistung von 5 mW oder mehr entwickeln. Wir streben ein Strahlprofil mit radialsymmetrischer Leistungsverteilung an. Die Strahlungsfrequenzen werden im Bereich von 0.7-0.8 THz und bei oder über 1.0 THz liegen. Wir werden dann solche RTD-Array-Strahlungsquellen in THz-Bildgebungssysteme in Frankfurt integrieren und mit ihnen Anwendungstests in Transmission a) mit Leistungsdetektion und b) als holographische Bildgebung mit heterodyner Detektion vornehmen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2314: Integrierte Terahertz-Systeme mit neuartiger Funktionalität (INTEREST)
• Internationaler Bezug: Japan
• Kooperationspartner: Professor Dr. Safumi Suzuki