Kohärente THz-Emission periodisch angeordneter Resonanter Tunneldioden (RTDs) vermittelt durch starke Kopplung in einem Fabry-Perot-Resonator

• Antragsteller: Professor Dr. Hartmut G. Roskos
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 469064321

Terahertz-Strahlung, im Frequenzspektrum zwischen dem Infraroten und den Mikrowellen gelegen, hat das Potential für viele Anwendungen beispielsweise bei der zerstörungsfreien Materialprüfung, der medizinischen Bildgebung, der Sicherheitsinspektion und der hochbitratigen Telekommunikation. Die notorische „Terahertz-Lücke“ bei der verfügbaren Ausgangsleistung im Frequenzbereich 0.3-3 THz, einhergehend mit einem Mangel an kostengünstigen und kompakten Emittern, hat jedoch bisher die breite Anwendung verhindert. Im Zuge der Weiterentwicklung der Technologie zielt dieses Vorhaben darauf ab, mit einem neuen, aus zwei verschiedenen Richtungen der Terahertzforschung gespeisten Ansatz der kohärenten Leistungskombination dazu beizutragen, die „Terahertz-Lücke“ zu füllen. Kooperationspartner in diesem Vorhaben sind zwei Gruppen mit unterschiedlichem Forschungshintergrund: Die von Prof. Masahiro Asada vom Tokyo Institute of Technology in Japan und die von Prof. Hartmut Roskos von der Goethe-Universität Frankfurt am Main in Deutschland. Prof. Asadas Gruppe hat sich in den letzten zwanzig Jahren mit der Entwicklung und Optimierung von Resonanten Tunneldioden (RTDs) – kompakten, chip-basierenden, elektronischen Terahertzquellen – hervorgetan. Die RTDs arbeiten im Frequenzbereich von einige zehn GHz bis zu 1.94 THz und decken somit einen großen Teil der „Terahertz-Lücke“ ab. Leider reicht die Ausgangsleistung der RTDs, die auf einige zehn Mikrowatt beschränkt ist, für viele der angestrebten Anwendungen nicht aus. Eine gute Strategie, um dieses Problem zu überwinden, war nicht erkennbar. Aus einer anderen Richtung der Terahertz-Photonik kommend schlagen wir nun einen neuen, synergistischen Ansatz vor. In den letzten Jahren untersuchten wir Resonatoren aus eindimensionalen photonischen Kristalle mit hoher Güte im Terahertz-Frequenzbereich und wiesen mit ihnen starke Licht-Materie-Wechsel-wirkung bei der Kopplung mit Metamaterialien nach. Es entstand die Idee, durch die Integration von RTD-Arrays in solche Kavitäten eine substantielle Steigerung der Ausgangsleistung durch eine starke Wechselwirkung, die zu kohärenter Strahlungskopplung führt, zu erreichen. Finanziert durch Forschungsmittel der DFG zum Aufbau einer internationalen Kooperation konnten wir durch numerische Simulationen und gemeinsame experimentelle Vorarbeiten in Japan die Grundlagen für die Durchführung dieses ambitionierten Vorhabens legen. Auf dieser Basis wollen wir jetzt die Idee in die Tat umsetzen, einen leistungsfähigen und kompakten photonischen Terahertz-Emitter auf der Grundlage von RTDs, die zur starken Kopplung in einen Resonator eingebettet sind, zu realisieren.

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