Karl-Scheel-Sitzung und Preis 2022

Die effiziente Erzeugung und Detektion von Terahertz- (THz-) Strahlung ist sowohl für die Grundlagenforschung als auch für Anwendungen in der Industrie von sehr großer Bedeutung. Zum einen haben elementare Anregungen in vielen Festkörpern und Gasen Resonanzen im Terahertz-Frequenzbereich. Zum anderen sind eine Vielzahl technologisch relevanter Materialien wie Keramik, Kunststoff, Papier und dielektrische Beschichtungen transparent für Terahertz-Photonen. Dies ermöglicht die zerstörungsfreie Überprüfung von Werkstoffen, die aus diesen Materialien bestehen, schon während des Produktionsprozesses. Weiterhin wird aktuell intensiv daran geforscht inwiefern Frequenzen im Bereich zwischen 0,2 und 1,0 THz für Mobilfunknetze der nächsten und übernächsten Generation eingesetzt werden können. Eine Grundvoraussetzung für die Realisierung dieser Anwendungen sind effiziente und kompakte Terahertz-Quellen und -Detektoren.

Im Zentrum dieses Vortrags stehen Methoden zur effizienten Erzeugung und Detektion von Strahlung im Terahertz-Frequenzbereich mithilfe photonischer Halbleitertechnologie. Im ersten Teil werden ultraschnelle optische Schalter vorgestellt, mit denen Terahertz-Strahlung sehr großer Bandbreite aus einem optischen Femtosekunden-Laserpuls erzeugt und auch wieder detektiert werden kann. Diese optischen Schalter sind Halbleiterbauelemente mit sehr speziellen Eigenschaften. Sie müssen insbesondere eine Ladungsträgerlebensdauer von weniger als einer Pikosekunde (ps) aufweisen bei gleichzeitig hoher Durchbruchfeldstärke und hoher Ladungsträgermobilität. Derartig kurze Lebensdauern werden durch das gezielte Einbringen von Rekombinationszentren in den Halbleiter erreicht. Im ternären Halbleiter Indiumgalliumarsenid (InGaAs) sind die Dotierstoffe Eisen (Fe) und Rhodium (Rh) besonders gut geeignet um ultrakurze Ladungsträgerlebensdauern bis hinunter zu 0,1 ps zu erzielen. Terahertz-Antennen, die InGaAs:Fe oder InGaAs:Rh basierte Absorber enthalten ermöglichen so Messsysteme mit sehr großer Bandbreite und kleiner Bauform, die in der Spektroskopie und Sensorik eingesetzt werden können. Der zweite Teil des Vortrags beleuchtet Möglichkeiten zur Miniaturisierung von Terahertz-Systemen mithilfe von photonischen Integrationstechnologien. Das Ziel ist ein „System-on-a-chip“, d.h. die Integration aller für ein photonisches Terahertz-System notwendigen Bauelemente wie Laser, Modulatoren und Terahertz-Antennen auf einem bzw. mehreren Halbleiterchips.