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Terahertz photonic spectrum analyser

Krause, Benedikt (2025)
Terahertz photonic spectrum analyser.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00028880
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

The volume of data transmitted via wireless communication will further increase in the upcoming years, eventually surpassing the bandwidth capabilities provided by existing technologies. Increasing the carrier frequency used for the data transmission also increases the available bandwidth and makes new, yet unused bands available. Current technologies use frequencies below 100 GHz but are said to expand into the terahertz (THz) frequencies (100 GHz - 10 THz) with 6G technologies and beyond. THz radiation is non-ionising and, therefore, interesting for medical applications on living organisms like cancer detection. THz fingerprinting detects materials based on their absorption which security applications use to identify substances like drugs or explosives. Most of the THz applications require a THz source in their measurement equipment. Current sources are still either bulky, expensive or low in output power requiring further research for improvements in all categories. For the spectral signal output characterisation, accurate and reliable spectrum analysers are required. The only currently commercially available spectrum analysers for the THz frequency range are electronic spectrum analysers with extender modules. Each of these covers a bandwidth of approximately 42 % of their centre frequency limited by the typically employed rectangular metallic hollow waveguides. Measuring harmonics of a signal already requires several extender modules. Covering the full frequency range from 100 GHz up to 1.5 THz, which is simultaneously the highest yet commercially reachable frequency, necessitates at least seven extender modules. The investment costs for the full frequency range easily exceed half a million Euros. An alternative to reaching the THz frequencies is photonic technology. Tuning a telecom-wavelength (1550 nm) laser by 1 THz equals a tuning by only 0.5 % and is easily accessible with commercial equipment. This thesis introduces several variants of a THz photonic spectrum analyser based on the difference frequency of two continuous-wave optical telecom-wavelength signals. A photoconductive mixer generates the optical difference frequency acting as a local oscillator and mixes it with the signal of a THz source. The mixing process transfers the spectral information of the source into the intermediate frequency, typically kHz or MHz, where an analog-digital converter acquires the data. The thesis introduces four measurement variants for the optical difference frequency generation and the data acquisition: 1.) The frequency sweep uses a continuously increasing difference frequency and measures all components falling within the bandwidth of a low-pass filter in the intermediate frequency chain. 2.) The offset frequency sweep employs a band-pass filter instead of the low-pass filter in order to reduce 1/f-noise. Each frequency component of the source is displayed twice. A deconvolution regains the original spectrum of the source. 3.) The Fourier transformation mode measures a time trace of the downconverted signal and transforms it to the frequency domain with a Fourier transformation. The resulting frequency information equals the spectrum surrounding the optical difference frequency. 4.) The final measurement mode is based on in-phase and quadrature demodulation. The signal is split into two paths and each downconverted within its respective photoconductive mixer. Both paths use the same optical difference frequency, yet with a relative phase difference of 90°. Experimentally, this thesis demonstrates three different implementations of the photonic THz spectrum analyser, each with its own way of generating the difference frequency. The first variant uses two free-running, temperature controlled distributed-feedback laser diodes and ErAs:InGaAs or low-temperature grown InGaAs:Be photoconductive mixers. We demonstrate operation between 100 GHz and 1.05 THz, yet may cover frequencies beyond 2.7 THz with a minimum resolution bandwidth of 1.2 MHz. The system reaches displayed average noise levels of -111.8 dBm/Hz at a frequency of 100 GHz and -98.0 dBm/Hz at a frequency of 1 THz. Using photoconductive mixers with planar, end-fire Vivaldi antennas, this photonic spectrum analyser variant extends to signals in dielectric waveguides and rectangular metallic hollow waveguides. The second photonic spectrum analyser implementation uses an electro-optical THz comb that generates the two required optical frequency components form a single laser with an electro-optical modulator. The electro-optical THz comb shows a phase noise of -108.6 dBc/Hz at an offset frequency of 1 MHz at a centre frequency of 40 GHz and a linewidth of 1.8 Hz at a frequency of 100 GHz. We used it for frequencies up to 110 GHz while frequencies up to 1 THz are currently possible. The third photonic spectrum analyser examined in this thesis utilises two continuous-wave lasers, both locked to the same frequency-comb and further to a global positioning system (GPS) signal, in combination with an InGaAs:Rh photoconductive mixer. This variant covers frequencies up to at least 6.5 THz with linewidths below 1 Hz at a frequency of 100 GHz and below 20 Hz at a frequency of 1 THz. Simultaneously, it offers a displayed average noise level of -145.6 dBm/Hz at a frequency of 100 GHz, -133.7 dBm/Hz at 1 THz and -111.5 dBm/Hz at a frequency of 4.5 THz.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2025
Autor(en): Krause, Benedikt
Art des Eintrags: Erstveröffentlichung
Titel: Terahertz photonic spectrum analyser
Sprache: Englisch
Referenten: Preu, Prof. Dr. Sascha ; Schmauß, Prof. Dr. Bernhard
Publikationsjahr: 7 Januar 2025
Ort: Darmstadt
Kollation: xii, 110 Seiten
Datum der mündlichen Prüfung: 5 November 2024
DOI: 10.26083/tuprints-00028880
URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/28880
Kurzbeschreibung (Abstract):

The volume of data transmitted via wireless communication will further increase in the upcoming years, eventually surpassing the bandwidth capabilities provided by existing technologies. Increasing the carrier frequency used for the data transmission also increases the available bandwidth and makes new, yet unused bands available. Current technologies use frequencies below 100 GHz but are said to expand into the terahertz (THz) frequencies (100 GHz - 10 THz) with 6G technologies and beyond. THz radiation is non-ionising and, therefore, interesting for medical applications on living organisms like cancer detection. THz fingerprinting detects materials based on their absorption which security applications use to identify substances like drugs or explosives. Most of the THz applications require a THz source in their measurement equipment. Current sources are still either bulky, expensive or low in output power requiring further research for improvements in all categories. For the spectral signal output characterisation, accurate and reliable spectrum analysers are required. The only currently commercially available spectrum analysers for the THz frequency range are electronic spectrum analysers with extender modules. Each of these covers a bandwidth of approximately 42 % of their centre frequency limited by the typically employed rectangular metallic hollow waveguides. Measuring harmonics of a signal already requires several extender modules. Covering the full frequency range from 100 GHz up to 1.5 THz, which is simultaneously the highest yet commercially reachable frequency, necessitates at least seven extender modules. The investment costs for the full frequency range easily exceed half a million Euros. An alternative to reaching the THz frequencies is photonic technology. Tuning a telecom-wavelength (1550 nm) laser by 1 THz equals a tuning by only 0.5 % and is easily accessible with commercial equipment. This thesis introduces several variants of a THz photonic spectrum analyser based on the difference frequency of two continuous-wave optical telecom-wavelength signals. A photoconductive mixer generates the optical difference frequency acting as a local oscillator and mixes it with the signal of a THz source. The mixing process transfers the spectral information of the source into the intermediate frequency, typically kHz or MHz, where an analog-digital converter acquires the data. The thesis introduces four measurement variants for the optical difference frequency generation and the data acquisition: 1.) The frequency sweep uses a continuously increasing difference frequency and measures all components falling within the bandwidth of a low-pass filter in the intermediate frequency chain. 2.) The offset frequency sweep employs a band-pass filter instead of the low-pass filter in order to reduce 1/f-noise. Each frequency component of the source is displayed twice. A deconvolution regains the original spectrum of the source. 3.) The Fourier transformation mode measures a time trace of the downconverted signal and transforms it to the frequency domain with a Fourier transformation. The resulting frequency information equals the spectrum surrounding the optical difference frequency. 4.) The final measurement mode is based on in-phase and quadrature demodulation. The signal is split into two paths and each downconverted within its respective photoconductive mixer. Both paths use the same optical difference frequency, yet with a relative phase difference of 90°. Experimentally, this thesis demonstrates three different implementations of the photonic THz spectrum analyser, each with its own way of generating the difference frequency. The first variant uses two free-running, temperature controlled distributed-feedback laser diodes and ErAs:InGaAs or low-temperature grown InGaAs:Be photoconductive mixers. We demonstrate operation between 100 GHz and 1.05 THz, yet may cover frequencies beyond 2.7 THz with a minimum resolution bandwidth of 1.2 MHz. The system reaches displayed average noise levels of -111.8 dBm/Hz at a frequency of 100 GHz and -98.0 dBm/Hz at a frequency of 1 THz. Using photoconductive mixers with planar, end-fire Vivaldi antennas, this photonic spectrum analyser variant extends to signals in dielectric waveguides and rectangular metallic hollow waveguides. The second photonic spectrum analyser implementation uses an electro-optical THz comb that generates the two required optical frequency components form a single laser with an electro-optical modulator. The electro-optical THz comb shows a phase noise of -108.6 dBc/Hz at an offset frequency of 1 MHz at a centre frequency of 40 GHz and a linewidth of 1.8 Hz at a frequency of 100 GHz. We used it for frequencies up to 110 GHz while frequencies up to 1 THz are currently possible. The third photonic spectrum analyser examined in this thesis utilises two continuous-wave lasers, both locked to the same frequency-comb and further to a global positioning system (GPS) signal, in combination with an InGaAs:Rh photoconductive mixer. This variant covers frequencies up to at least 6.5 THz with linewidths below 1 Hz at a frequency of 100 GHz and below 20 Hz at a frequency of 1 THz. Simultaneously, it offers a displayed average noise level of -145.6 dBm/Hz at a frequency of 100 GHz, -133.7 dBm/Hz at 1 THz and -111.5 dBm/Hz at a frequency of 4.5 THz.

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Die gegenwärtig drahlos übertragenen Datenmengen wachsen auch in den kommenden Jahren weiter und werden in absehbarer Zeit die Kapazität der aktuellen Übertragungsvarianten übersteigen. Zur Schaffung weiterer Kanalkapazitäten können höhere Trägerfrequenzen verwendet werden, da diese höhere Bandbreiten und damit auch höhere Datenraten ermöglichen. Zudem erlauben diese Zugriff auf derzeit noch unerschlossene Frequenzbänder. Hierfür ist insbesondere der Terahertz (THz) Frequenzbereich (100 GHz - 10 THz) interessant. Dieser Frequenzbereich bietet nicht nur deutlich höhere Trägerfrequenzen als der Mikrowellenbereich, sondern ist gleichzeitig auch nicht-ionisierend und eignet sich dadurch auch hervorragend für medizinische Anwendungen, z.B. der Erkennung von Krebs, da die Strahlung unschädlich für Lebewesen ist. Der THz Frequenzbereich ist auch für die Identifizierung von polarisierten Molekülen, wie Drogen, Sprengstoffe oder Eiweiße, interessant, da diese spezifische Absorptionslinien im THz Bereich besitzen. Derzeitige Anwendungen sind häufig durch unzureichende Ausgangsleistung der Quellen limitiert. Weitere Probleme umfassen ihre physikalische Größe und den Herstellungspreis. Bei jeder Verbesserung muss auch das Spektrum der Quellen, unter anderem auf Harmonische, untersucht werden. Für diese Charakterisierung werden genaue, verlässliche und bezahlbare Spektrumanalysatoren benötigt. Die einzigen momentan erhältlichen kommerziellen Spektrumanalysatoren für den THz Frequenzbereich sind elektronische Systeme mit Frequenzerweiterungsmodulen. Die Erweiterungsmodule sind an die Frequenzbereiche ihrer Rechteckhohlleiter gekoppelt, die jeweils ungefähr 42 % ihrer Mittenfrequenz abdecken. Um harmonische der Quellen zu untersuchen, werden mehrere Erweiterungsmodule benötigt, da diese in der Regel in den nächsten Frequenzbändern auftreten. Für den Frequenzbereich von 100 GHz bis zur maximal kommerziell erhältlichen Frequenz von 1.5 THz sind mindestens sieben Module erforderlich. Ein vollständiges System kostet mehr als eine halbe Million Euro. Alternativ können THz Frequenzen mit photonischen Technologien erzeugt und detektiert werden. Eine Änderung der Laserfrequenz eines Lasers bei Telekommunikationswellenlänge (1550 nm) um 1 THz entspricht einer Änderung um lediglich 0.5 % seiner Frequenz. Dies ist mit kommerziellen Lasern problemlos erreichbar. Die vorliegende Arbeit stellt einen photonischen Spektrumanalysator vor, der die lokale Oszillatorfrequenz mittels zweier optischer Dauerstrich Signale bei Wellenlängen um 1550 nm erzeugt. Ein Photomischer mischt die lokale Oszillatorfrequenz mit dem Signal einer Quelle in eine Zwischenfrequenz, welche von einem analog-digital Wandler aufgenommen wird. In der vorliegenden Arbeit werden vier Messmethoden vorgestellt: Die erste Methode, der Frequenzsweep, ändert kontinuierlich die Frequenz des lokalen Oszillators und bestimmt die Leistung sämtlicher Anteile, die in das Spektrum eines Tiefpassfilters in der Zwischenfrequenz fallen. Die zweite Methode, der Frequenzsweep bei einer Offsetfrequenz, nutzt quasi dasselbe Prinzip, nur anstatt dem Tiefpassfilter einen Bandpassfilter. Dadurch wird jeder Frequenzanteil der Quelle zweimal gemessen, wodurch eine Entfaltung benötigt wird, um das Originalsignal zurück zu erhalten. Die dritte Methode nutzt eine konstante Lokaloszillatorfrequenz und misst das Zwischenfrequenzsignal im Zeitbereich. Mittels einer Fouriertransformation wird das Signal in den Frequenzbereich umgewandelt. Das gemessene Spektrum entspricht dem Spektrum um die Lokaloszillatorfrequenz. Die vierte Methode nutzt In-Phase und Quadratur-Demodulation, bei der das Signal in zwei Pfade geteilt wird und jeder Anteil separat mit einem Frequenzsweep ausgewertet wird. Der einzige Unterschied in beiden Pfaden ist eine Phasendifferenz von 90° zwischen den beiden Lokaloszillatorfrequenzen. Experimentell demonstriert die vorliegende Arbeit die Möglichkeiten des photonischen Spektrumanalysators anhand von drei verschiedenen photonischen Lokaloszillatoren und drei unterschiedlichen Photomischern. Die erste Variante nutzt zwei temperaturgesteuerte, unabhängige DFB Laser und entweder ErAs:InGaAs oder LTG-InGaAs:Be Photomischer. Die gezeigte maximale Frequenz beträgt 1.05 THz, sollte aber ohne Probleme bis mindestens 2.7 THz nutzbar sein. Diese Variante besitzt eine frequenzunabhängige minimale Auflösung von 1.2 MHz. Der LTG-InGaAs:Be Photomischer erreicht Rauschgrenzen von -111.8 dBm/Hz bei einer Frequenz von 100 GHz und -98.0 dBm/Hz bei einer Frequenz von 1 THz. Die zweite Variante nutzt einen elektrooptischen THz Frequenzkamm, der von einem Laser mit einem elektrooptischen Phasenmodulator erzeugt wird. Dieser besitzt ein Phasenrauschen von -108.6 dBc/Hz bei einer Signalfrequenz von 40 GHz und einem Frequenzabstand von 1 MHz und erreicht eine minimale Auflösung von 1.8 Hz bei einer Frequenz von 100 GHz. Es werden Messungen bis zu einer Frequenz von 110 GHz gezeigt, jedoch sind Messungen bis 1 THz damit möglich. Die dritte Variante nutzt zwei Dauerstrich Laser, die phasenstarr mit einem gepulsten optischen Frequenzkamm verbunden sind. Damit werden Frequenzen bis 6.5 THz erreicht mit minimalen Frequenzauflösungen unter 1 Hz bei einer Frequenz von 100 GHz und unter 20 Hz bei einer Frequenz von 1 THz. Durch den Einsatz eines InGaAs:Rh Photomischers können Rauschgrenzen bis -145.6 dBm/Hz bei einer Frequenz von 100 GHz, -133.7 dBm/Hz bei einer Frequenz von 1 THz und -111.5 dBm/Hz bei einer Frequenz von 4.5 THz erreicht werden. Zudem wird gezeigt, dass nicht nur Freistrahlsignale gemessen werden können, sondern auch Signale in dielektrischen Wellenleitern oder Rechteckhohlleitern. Dafür werden Photomischer mit Vivaldi Antennen und Wellenleiterübergänge verwendet.

Deutsch
Freie Schlagworte: spectrum analyser, terahertz, photonic spectrum analyser, photoconductive mixer, photoconductor
Status: Verlagsversion
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-288808
Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC): 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 621.3 Elektrotechnik, Elektronik
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 18 Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
18 Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Mikrowellentechnik und Photonik (IMP)
18 Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Mikrowellentechnik und Photonik (IMP) > THz Bauelemente und THz Systeme
TU-Projekte: EC/H2020|713780|Pho-T-Lyze
Hinterlegungsdatum: 07 Jan 2025 13:07
Letzte Änderung: 15 Jan 2025 13:27
PPN:
Referenten: Preu, Prof. Dr. Sascha ; Schmauß, Prof. Dr. Bernhard
Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 5 November 2024
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