[Beschreibung und Einleitung des allgemeinen Gebietes der Erfindung]
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine photoleitende Antenne zum Aussenden oder
Empfangen von Terahertz-Strahlung, die einen erhöhten Antennengewinn für ein oder
mehrere Frequenzbänder aufweist. Dieser erhöhte Antennengewinn wird erfindungsgemäß
durch in der Nähe des photoleitenden Anregungsort aufgebrachte Resonatoren realisiert.
THz-Systeme, die auf photoleitenden Antennen aufbauen, werden beispielsweise in der
zerstörungsfreien Prüftechnik und der Sicherheitstechnik genutzt. Im Vergleich zum
Stand der Technik können erfindungsgemäß ausgeführte Antennen die Leistungsfähigkeit
von THz-Systemen unter anderem in Bezug auf den Signal- zu Rauschabstand entscheidend
verbessern und somit neue Anwendungsgebiete für die THz-Technik erschließen in denen
der Dynamikumfang bestehender Systeme nicht ausreicht.
[Stand der Technik]
[0002] Die Erfindung betrifft eine photoleitende Antenne zum Aussenden oder Empfangen von
Terahertz-Strahlung.
[0003] Als Terahertz-Strahlung bezeichnet man elektromagnetische Strahlung mit einer Frequenz
von circa 0,1 THz bis circa 100 THz. Applikationen für Terahertz-
[0004] Systeme finden sich unter anderem im Sicherheitssektor (z.B. die Detektion versteckter
Gefahrengüter oder die Identifikation von Flüssigsprengstoffen) oder in der Qualitätskontrolle
von Lebensmitteln und Kunststoffprodukten. Weiterhin liegen Molekülschwingungen einiger
Substanzen im Terahertzfrequenzbereich, so dass neben dem technisch-kommerziellen
auch ein wissenschaftliches Interesse an leistungsstarken Terahertz-Emittern und -Detektoren
für spektroskopische Anwendungen besteht.
[0005] Gemäß dem Stand der Technik ist bekannt, dass photoleitende Antennen zur Emission
und Detektion von Terahertz-Strahlung verwendet werden können. Hierbei existieren
zwei verschiedene Ansätze:
Zum einen kann die photoleitende Antenne als Photomischer zur Dauerstrichemission
und -detektion verwendet werden. In diesem Fall erfolgt die optische Anregung durch
die Überlagerung von mindestens zwei Lasermoden unterschiedlicher Frequenz (vgl. Patentschrift
US 5 789 750 A). Die Differenzfrequenz zwischen den Lasermoden wird von der Antenne emittiert bzw.
detektiert.
[0006] Zum anderen kann die Antenne als photoleitender Schalter zur Generation und zum Nachweis
von Terahertzpulsen verwendet werden. Hierbei schaltet ein kurzer Laserpuls, dessen
Dauer im Bereich von Femtoekunden bis Pikosekundenliegt, die Photoleitfähigkeit, so
dass kurzzeitig Terahertz-Strahlung emittiert oder detektiert werden kann (vgl. Patentschrift
WO 2008/054 846 A2). Nach dem Stand der Technik besteht eine photoleitendeTerahertz-Antenne aus einer
hochohmigen, halbleitenden Schicht, welche eine möglichst kurze Ladungsträgerrekombinationszeit
im Femto- bis Pikosekundenbereich und eine möglichst hohe Ladungsträgermobilität aufweist.
Auf dieser Schicht ist eine Antennenstruktur aus einem elektrisch leitfähigen Material
aufgebracht. Gängige technische Ausführungsformen dieser Antenne umfassen beispielsweise
Spiral-Antennen (
KR 10 2005 0015364 A,
JP2001060821 A;
JP2008028872 A,
JP 58123203 A,
CA 2 292 635,
CA 2 575 130), Bowtie-Antennen (
US 2006/0152412 A1) und Dipolantennen (
US 5 729 017 A,
WO 02/060017 A1). Diese Strukturen weisen einen photoleitenden Anregungsort in Form einer Lücke in
der Metallisierung auf. Dessen Leitfähigkeit wird durch die einfallende Laserstrahlung
bestimmt wird, da die Photonenenergie des Lasers größer ist als die Bandlücke der
halbleitenden Schicht und somit bei Illumination freie Ladungsträger generiert werden
(vgl.
US 5 729 017 A;
WO 03/047036 A1). Zusätzlich zu der Antennenstruktur sind elektrische Kontakte und Zuleitungen auf
der halbleitenden Schicht aufgebracht.
[0007] Im Falle, dass die photoleitendeTerahertz-Antenne als Emitter Einsatz findet, wird
eine Vorspannung an die Antenne angelegt. Werden nun durch die in die photoleitende
Lücke einfallende Laserstrahlung Ladungsträger generiert, erfahren diese eine Beschleunigung
im von außen eingeprägten elektrischen Feld, welche die Emission der Terahertzstrahlung
bewirkt.
[0008] Wird die photoleitendeTerahertz-Antenne als Detektor genutzt, verbindet man statt
einer Spannungsquelle einen hochsensitiven Stromverstärker mit der Antenne. Die durch
den Laserstrahl generierten Ladungsträger werden vom einfallenden Terahertz-Feld beschleunigt.
Der messbare Photostrom ist somit ein Maß für die einfallende Terahertz-Feldstärke.
[0009] Nachteilig an Terahertz-Antennen gemäß dem Stand der Technik ist insbesondere die
ineffiziente Konversion von Laser- in Terahertz-Leistung. Diese resultiert aus dem
spektral relativ flachen jedoch sehr breitbandigen Antennengewinn. Die Antennen können
in Abhängigkeit von der Laserquelle THz-Wellen in einem Frequenzbereich von 0,1 THz
bis hin zu einigen 10 THz emittierten, ohne dass der Antennengewinn in einzelnen Frequenzbereichen
eine merkliche, durch die Metallisierungsstruktur verursachte Erhöhung erfährt.
[0010] Weiterhin nachteilig an Terahertzantennen gemäß dem Stand der Technik sind der statische,
nicht modulierbare Charakter des Antennengewinns und das statische, nicht modulierbare
räumliche Abstrahlprofil.
[Aufgabe]
[0011] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile gemäß dem Stand der Technik
zu überwinden.
[Lösung der Aufgabe]
[0012] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Antenne gemäß Anspruch 1.
[0013] Überraschenderweise wurde gefunden, dass eine solche Antenne, die neben den Merkmalen
einer photoleitenden Terahertz-Antenne gemäß dem Stand der Technik zusätzlich in der
Nähe des photoleitenden Anregungsorts mindestens einen angeordneten Resonator aufweist,
dazu geeignet ist den frequenzselektiven Antennengewinn und/oder die Abstrahlcharakteristik
zu verbessern. Dazu ist mindestens einer der Resonatoren, gemessen vom Anregungsort,
in einem Radius, welcher maximal dem zweifachen der Resonanzwellenlänge entspricht,
entfernt anzuordnen.
[0014] Die Resonatoren bestehen erfindungsgemäß aus leitfähigen Bereichen (Widerstandsbelag
unter 1 kΩ/cm), die zu einer elektrischen Schwingung bei einer oder mehreren Resonanzfrequenzen
angeregt werden können. Die laterale Dimension der im Wesentlichen planar ausgeführten
Resonatoren beträgt mindestens 1/50, jedoch höchstens eine, bevorzugt 1/2 und besonders
bevorzugt ein Drittel bis ein Viertel der Resonanzwellenlänge.
[0015] Bei einer Antenne für 300 GHz ergibt sich eine Resonanzwellenlänge von 1 mm und bei
einer Antenne für 1 THz ergibt sich eine Resonanzwellenlänge von 300 µm. Entsprechend
ergeben sich damit erfindungsgemäß die Abmessungen des mindestens einen Resonators
und die räumliche Nähe zum Abstrahlungsort. Es sind mehrere Resonator-Typen, auch
in Kombination, einsetzbar. Insbesondere können auch periodische Anordnungen von Resonatoren
(auch als Frequenzselektive-Oberflächen oder Elektronische-Bandlücken Strukturen bekannt)
erfindungsgemäß verwendet werden um die Konversionseffizienz von Laser- zu Terahertz-Leistung
bei der Resonanzfrequenz noch weiter zu erhöhen. Ausführungsformen der Resonatorelemente
umfassen unter anderem symmetrische und asymmetrische Einzel- und Doppel-Spalt-Ring-,
sowie Rechteck-Resonatoren.
[0016] Die Leitfähigkeit der Bereiche, welche die Resonator-Strukturen bilden, wird bevorzugt
durch Metallisierung (beispielsweise mit Gold, Titan, Kupfer, Platin, Silber, Aluminium,
Nickel, Eisen oder einer Kombination dieser Elemente) erreicht. Diese können unter
anderem nass-, elektrochemisch, durch Verdampfung (CVD, PVD, MOCVD), durch Dotierung
oder mittels Druckverfahren (Sieb-, Tiefdruck, Inkjet-Printing, Laserdruck) aufgebracht
werden.
[0017] Besonders bevorzugt liegen die Resonatoren in der gleichen räumlichen Ebene wie die
Zuleitungen, so dass kein zusätzlicher Aufwand in der Strukturierung der Antenne entsteht.
[0018] Mittels Dotierung sind schaltbare, elektrisch leitfähige Resonatoren direkt im Halbleiter
realisierbar. Die Schaltung wird elektrisch und oder photoelektrisch durchgeführt.
[0019] Als halbleitendes Material wird bevorzugt einzeln oder in Kombination Gallium-Arsenid,
Indium-Gallium-Arsenid, Indium-Aluminium-Arsenid, Indium-Antimonid oder auf Saphir
gewachsene Siliziumfilme verwendet. Andere III/V oder II/VI Halbeiter können ebenfalls
eingesetzt werden insofern sie über kurze Ladungsträgerlebensdauern verfügen und eine
Bandlückenenergie, die geringer als die Photonenenergie des verwendeten Lasers ist,
aufweisen. Die halbleitenden Materialien werden bevorzugt tieftemperaturgewachsen
(eng. lowtemperaturegrown) oder ionenimplantiert, um eine kurze Ladungsträgerlebensdauer
zu erzielen.
[0020] Die erfindungsgemäße Antenne ist zum Senden und zum Empfang von Terahertz-Strahlung
geeignet. Vorteilhaft beim Aussenden von Terahertz-Strahlung ist, dass durch den Einsatz
der Resonatoren die Sendeleistung der Antenne in einem oder mehreren schmalen Frequenzband/bändern
(Bandbreite von 1 bis 100 GHz) deutlich verstärkt wird. Hierdurch kann in diesen spektralen
Bereichen das Signal/Rausch-Verhältnis erhöht werden. Nutzt man eine erfindungsgemäße
Antenne zum Empfangen von Terahertz-Strahlung so weist diese in einem oder mehreren
schmalen Frequenzband/bändern (Bandbreite von 1 bis 100 GHz) eine erhöhte Empfangssensitivität
auf wodurch ebenfalls eine Verbesserung des Signal zu Rausch Verhältnisses erreicht
wird.
[0021] Wird die Antenne mit Dauerstrich-Laserstrahlung angeregt so ist es besonders vorteilhaft
wenn die Resonanzfrequenz der Resonatoren nahe der Differenzfrequenz der anregenden
Lasermoden liegt, da dann eine besonders effiziente Konversion von Laser- zu Terahertz-Leistung
möglich ist.
[0022] Günstig ist, wenn die resonante Struktur den Antennengewinn in denjenigen Bereichen
abschwächt, in denen ungewünschte Frequenzkomponenten entstehen würden, welche die
Signaldetektion und/oder Auswertung erschweren.
[0023] Besonders bevorzugt umfassen die resonanten Strukturen solche, welche in ihrer Güte
(ihrer spektralen Resonanzbreite) modulierbar sind, etwa über eine Veränderung der
Impedanz zwischen zwei Teilsegmenten des Resonators oder eine Veränderung der Impedanz
zwischen benachbarten Resonator-Elementen, und somit eine Modulation des resultierenden
Antennengewinns der photoleitenden Antenne ermöglichen.
[0024] Weiterhin vorteilhaft sind Ausführungen der erfindungsgemäßen Terahertz-Antenne,
welche die Hauptabstrahl- und Empfangsrichtung der Antenne um einen räumlichen Winkel
durchstimmen können. Diese Durchstimmbarkeit kann beispielsweise durch Einflußnahme
auf die Impedanz zwischen einzelnen Resonator-Segmenten oder zwischen einer Mehrzahl
von Resonatoren erreicht werden.
[0025] Diese Impedanzänderungen können durch eine optische Anregung eines photoleitenden
Anregungsortes innerhalb der Resonator-Struktur oder durch ein elektronisches Bauelement
erfolgen, welches sich in Hinblick auf seine Kapazität, seine Induktivität oder seinen
ohmschen Widerstand durch Anlegen eines Steuersignals verändern lässt.
[0026] Weiterhin vorteilhaft sind Ausführungen der erfindungsgemäßen Terahertz-Antenne mit
durchstimmbarer Resonanzfrequenz. Ein Durchstimmen der Resonanzfrequenz ist unter
anderem über elektrische oder optische Schaltbereiche möglich. Beispielsweise können
die Resonatoren aus mehreren Ringsegmenten bestehen, wobei über einen Schaltbereich
zwei Ringe zueinander kurzgeschlossen werden können um somit eine Änderung der Resonanzbedingung
zu ermöglichen. In diesem Ausführungsbeispiel würde die effektive Länge des Resonators
vergrößert, so dass die Resonanzfrequenz zu tieferen Frequenzen verschoben würde.
Durch mehrere zuschaltbare Resonatorelemente ist es somit möglich verschiedene Resonanzfrequenzen
einzustellen.
[0027] Ebenfalls möglich ist ein Durchstimmen der Resonanzfrequenz durch auf die Resonatoren
aufgebrachte Dielektrika wie Öle oder Polymere zu erreichen. Die aufgebrachten Dielektrika
weisen eine von Luft verschiedene Permittivität auf, so dass die Resonanzbedingung
der Resonatoren zu kleineren Frequenzen hin verschoben wird. Bei Verwendung eines
Ölgemisches aus wenigstens zwei Anteilen mit verschiedenen Permittivitäten ist ein
kontinuierliches Durchstimmen der Resonanzfrequenz möglich.
[0028] Weiterhin können Flüssigkristalle (engl. Liquid Crystals) auf die Resonatoren aufgebracht
werden. Diese verändern, bei Anlegen eines elektrischen Feldes, ihre dielektrischen
Eigenschaften. Hierdurch wird eine Änderung der Resonanzbedingung der Resonatoren
und somit eine Verschiebung der Resonanzfrequenz bewirkt.
[0029] Weiterhin können erfindungsgemäße Strukturen als Sensoren eingesetzt werden, die
durch die Veränderung der Resonanzeigenschaften bei Aufbringung einer Probe Rückschlüsse
auf das Probenmaterial ermöglichen. Insbesondere verändern sich die Resonanzfrequenz
und die Resonanzbreite gemäß der Materialeigenschaften der Probe je nach Probenmaterial
charakteristisch. Besonders bevorzugt weisen die Zuleitungen der Antennenstruktur
ferner Anpassglieder auf, welche die parasitären Resonanzen durch Rückreflexe von
den elektrischen Kontakten minimieren. Weiterhin können die Anpassglieder zusätzlich
mit Verlustelementen, wie absorbierende Beschichtungen und/oder niederohmigen Metallstrukturen,
versehen werden, um die Rückreflexionen weiter zu minimieren.
[0030] Die erfindungsgemäße Ausführung ist nachfolgend erläutert, wobei die Erfindung alle
nachfolgend aufgeführten bevorzugten Ausführungsformen einzeln und in Kombination
umfasst.
[Ausführungsbeispiele]
[0031] Es wird eine Anordnung aus Bauteilen (Sender und Empfänger) aufgebaut, die THz-Strahlung
emittiert und detektiert.
[0032] In Fig. 1 ist eine photoleitende Terahertzantenne skizziert. Diese besteht aus einem
halbleitenden Substrat (z.B. Gallium-Arsenid, Silizium auf Saphir oder Indium-Gallium-Arsenid)
101, auf dem eine oder mehrere elektrische Zuleitungen
102 aufgebracht sind. Um die Antenne zu betreiben, wird Laserstrahlung
104 auf einen photoleitenden Bereich
106 gerichtet. Die erfindungsgemäßen Antennenstrukturen beinhalten zusätzlich einen oder
mehrere leitfähige Resonatoren
105 (siehe Fig. 2).
[0033] Die Antenne kann als Empfänger oder als Sender geschaltet werden. Durch das Anlegen
einer Spannung 109 an die elektrischen Zuleitungen 102 emittiert die Antenne Terahertzstrahlung
und arbeitet als Sender. Alternativ kann ein Messgerät 103 an die Zuleitungen 102
angeschlossen werden, um Terahertzwellen zu detektieren.
[0034] Die Teilflächen der leitfähigen Resonatoren 105 können über Schaltbereich 107 verbunden
werden. Die Leitfähigkeit der Schaltbereiche ist modulierbar indem eine Spannung oder
ein Strom an diese angelegt wird. Ferner können die Schaltbereiche 107 in Form von
photoleitenden Bereichen realisiert werden, deren Leitfähigkeit optisch (z.B. durch
einen Laser) geschaltet werden kann. Durch eine Modulation der Schaltbereiche kann
die spektrale Charakteristik der Resonatoren verändert und damit der spektrale Antennengewinn
oder die Abstrahlcharakteristik der Antenne beeinflusst werden.
[0035] Besonders bevorzugt werden Spalt-Ring-Resonatoren (Figur 2 bis 5), eine periodischen
Anordnung von Rechteckleitern (Figur 6) oder einer periodische Anordnung von Spalt-Ring-Resonatoren
(frequenzselektive Oberfläche (engl. Frequency-Selective-Surface (FSS)) (Figur 7)
verwendet. Die Resonatoren können sowohl eckig als auch runde Formen aufweisen und
entweder seitlich zu den elektrischen Zuleitungen (Figur 2 bis 4) angeordnet oder
aber als Teil von diesen (Figur 5) ausgeführt werden.
[0036] Figur 9 zeigt die spektrale Intensität eines in einem THz-Zeitbereichsspektrometer
gemessenen Signales, wobei zum einen eine photoleitende Antenne mit resonanter Struktur
gemäß der Erfindung und zum anderen eine Referenzantenne gemäß dem Stand der Technik
als Emitter eingesetzt wurde. In dem Frequenzbereich um 500 GHz ist eine deutliche
Erhöhung der emittierten Strahlung, hervorgerufen durch die resonante Struktur, zu
erkennen.
[0037] Figur 10 zeigt schematisch die spektrale Intensität des Signals eines THz-Zeitbereichsspektrometers,
in dem eine photoleitende Antenne mit resonanter Struktur gemäß der Erfindung als
Sensor eingesetzt wird. Durch das Aufbringen einer Probe
108 kann die Resonanzfrequenz der Resonatorstruktur verändert werden. Anhand der Signalform
kann auf die dielektrischen Eigenschaften des Probenmaterials rückgeschlossen werden.
[Abbildungslegenden und Bezugszeichenliste]
[0038]
Fig. 1: seitliches Schema des Detektors (ohne 109) oder des Senders (ohne 103) ohne Resonatoren
Fig. 2: vordere Ansicht der Antenne - symmetrische Resonatoren mit Schaltbereichen:
seitlich angeordnet von der photoleitenden Lücke, rechteckige Resonator-Ausführung
Fig. 3: vordere Ansicht der Antenne - Spalt-Ring Resonatoren als Sensorkonfiguration
mit aufgebrachter Probe, seitlich angeordnet von der photoleitenden Lücke, runde Ausführung
Fig. 4: vordere Ansicht der Antenne - asymmetrische Resonatoren mit Schaltbereichen:
seitlich angeordnet von der photoleitenden Lücke, rechteckige Resonator-Ausführung
Fig. 5: seitliche Ansicht der Antenne -Sensorkonfiguration mit aufgebrachter Probe
auf die Resonatoren
Fig. 6: vordere Ansicht der Antenne - Resonatoren integriert in die elektrischen Zuleitungen,
rechteckige Ausführung
Fig. 7: vordere Ansicht der Antenne - Resonatoren integriert in die elektrischen Zuleitungen,
Streifenform
Fig. 8: vordere Ansicht der Antenne - Resonatoren seitlich angeordnet von der photoleitenden
Lücke. Mehrere Resonatoren in einer periodischen Anordnung (Frequenzselektive Oberfläche)
mit Schaltbereichen.
Fig. 9: Diagramm mit Messdaten der emittierten Strahlung als Funktion der Frequenz
einer erfindungsgemäßen Antenne im Vergleich zu der emittierten Strahlung von einer
Struktur gemäß dem Stand der Technik.
Fig. 10: Diagramm mit Simulationsdaten der emittierten Strahlung als Funktion der
Frequenz einer erfindungsgemäßen Antenne in Sensorkonfiguration. Durch aufbringen
der Probe verändern sich die Resonanzeigenschaften.
1. Photoleitende Antenne zum Senden und Empfangen von elektromagnetischer Strahlung im
Terahertz-Frequenzbereich, mindestens bestehend aus einem Substratmaterial, einer
darauf aufgebrachten, widerstandsarmen Struktur zur Spannungsversorgung bzw. Stromführung
und einem photoleitenden Anregungsort, die dadurch gekennzeichnet ist, dass neben der widerstandsarmen Struktur zur Spannungsversorgung bzw. Stromführung zusätzlich
ein Resonator oder mehrere Resonatoren in der Nähe des photoleitenden Anregungsorts
auf dem Substratmaterial aufgebracht sind, welche den frequenzselektiven Antennengewinn
und/oder die Abstrahlcharakteristik der Antenne verbessern.
2. Eine Antenne nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Resonatoren in Hinblick auf die Güte und/oder die Resonanzfrequenz
schaltbar sind.
3. Eine Antenne nach Ansprüchen 1 bis 2 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Resonatoren in der gleichen räumlichen Ebene wie die Zuleitungen
angeordnet ist.
4. Eine Antenne nach Ansprüchen 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung mindestens eines Resonators über Schaltbereiche erfolgt, die aus halbleitenden
Materialien bestehen, welche durch das Anlegen einer Spannung oder durch Bestrahlung
mittels Licht in einen elektrisch leitenden Zustand überführt werden.
5. Eine Antenne nach Ansprüchen 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung mindestens eines Resonators durch das Aufbringen einer dielektrischen
Substanz, beispielsweise einem Öl, einem Polymer oder einem Flüssigkristall, erfolgt.
6. Eine Antenne nach Ansprüchen 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung mindestens eines Resonators so ausgeführt ist, dass diese eine Modulation
des frequenzselektiven Antennengewinns der Antenne ermöglicht.
7. Eine Antenne nach Ansprüchen 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung mindestens eines Resonators so ausgeführt ist, dass diese eine Modulation
des räumlichen Abstrahlbereichs der Antenne ermöglicht.
8. Eine Antenne nach Ansprüchen 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass als Resonatoren symmetrische oder asymmetrische Einzel- oder Mehrfach-Spalt-Ring-
oder Rechteck-Resonatoren verwendet werden.
9. Eine Antenne nach Ansprüchen 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass eine periodische oder aperiodische Anordnung von mehreren gleichen oder unterschiedlichen
Resonatorelementen verwendet wird.
10. Eine Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung mindestens einen Resonator mit einer laterale Dimension aufweist, welche
maximal der Resonanzwellenlänge, bevorzugt maximal der halben Resonanzwellenlänge
und besonders bevorzugt maximal einem Drittel bis einem Viertel der Resonanzwellenlänge,
entspricht.
11. Verwendung einer Antenne gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 als Sensor für eine Probe,
wobei durch Aufbringen der Probe auf die Antenne die Resonanzeigenschaften und somit
sowohl die Sende- als auch die EmpfangsCharakteristik der Antenne verändert werden.