Verfahren und Vorrichtung zur Verarbeitung von Terahertz-Wellen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verarbeitung empfangener elektromagnetischer Strahlung, aufweisend mehrere Trägerwellen im Frequenzbereich zwischen 0.1 und 10 Terahertz und auf die Trägerwellen aufmodulierter Information einer Signalfrequenz von weniger als 50 GHz, insbesondere von weniger als 1 GHz. Die Erfindung betrifft auch eine Empfängervorrichtung zur Umsetzung des Verfahrens.

Seitdem vor etwa 100 Jahren erste Techniken zur drahtlose Datenübertragung eingesetzt wurden, stieg die für die übertragung zur Verfügung stehende Bandbreite kontinuierlich. Dabei ist die Breite des zur übertragung nutzbaren Frequenzbandes bekanntermaßen von der Trägerfrequenz abhängig, so dass gilt: Je höher die Trägerfrequenz, desto großer sind die zur Verfügung stehenden übertragungsbandbreiten. Heutzutage werden Trägerfrequenzen im Bereich zwischen einigen Kilohertz bis hin zu vielen Gigahertz eingesetzt. So arbeitet beispielsweise das sogenannte „Wireless HD" mit einer Trägerfrequenz von 60 GHz und Bandbreiten von 4 Gbit/s. Um Datenraten im Bereich 10 Gbit/s und höher erreichen zu können, werden zukünftig auch Wellen im Terahertzbereich als Träger genutzt.

Problematisch an der Datenübertragung mittels solcher Terahertzwellen ist, dass elektronische Schaltungen aufgrund der Lebensdauer freier Elektronen und Löcher auf Verarbeitungsgeschwindigkeiten unter 100 GHz = 0.1 THz begrenzt . sind und somit für die Verarbeitung derartig hoher Frequenzen im genannten Terahertzbereich kaum in Frage kommen. Statt dessen sind optische Verfahren

bekannt, die sich meist der Frequenzmischung bedienen, um vom Bereich des sichtbaren Lichtes in den fraglichen Terahertzbereich zu gelangen. Diese Verfahren sind verhältnismäßig aufwendig.

Aufgabe der Erfindung ist es nunmehr, ein Verfahren zu schaffen, mit dem empfangene elektromagnetischer Strahlung enthaltend eine Vielzahl von Terahertzwellen, respektive Kanälen, so aufbereitet werden kann, dass sich die Signalfrequenz von einem einfachen Detektor aufnehmen und verarbeiten lässt. Zudem ist es Aufgabe der Erfindung, eine Empfangsvorrichtung zur Umsetzung des Verfahrens zu schaffen.

Diese Aufgaben werden durch das Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 und die Empfangsvorrichtung nach Anspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen genannt.

Der wesentliche Grundgedanke der Erfindung liegt in dem im Frequenzbereich zwischen 0.1 und 10 Terahertz durchstimmbaren Filter, mit dem es möglich ist, aus sämtlichen im Raum vorhandenen und für die Datenübertragung zur

Verfügung stehenden Trägerwellen respektive Kanälen im Terahertzbereich genau eine Trägerwelle herauszufiltem, die dann mit einer nachfolgenden

Anordnung weiterverarbeitet werden kann. Das durchstimmbare Filter bietet somit zunächst die Möglichkeit, unter der eventuell vorhandenen Vielzahl von

übertragungskanälen einen gezielt auszuwählen. Dabei kann das durchstimmbare

Filter mittels zweier unterschiedlicher Konzepte realisiert werden:

In der einen ersten Ausführungsform wird im Filter eine Referenzwelle im Frequenzbereich zwischen 0.1 und 10 Terahertz erzeugt, die in ihrer Frequenz durchstimmbar ist. Diese wird auf die Frequenz der Trägerwelle respektive des zu empfangenden Kanals abgestimmt, wobei die Abstimmung dadurch erfolgt, dass durch Frequenzmischung, insbesondere durch Differenzfrequenzmischung, die Referenzwelle und die Trägerwellen in ihrer Frequenz demoduliert werden, so dass nach der Demodulation lediglich die aufmodulierte Signalfrequenz verbleibt. Diese kann anschließend in einer vergleichsweise einfachen Anordnung zur

Detektion derartiger Frequenzen, die sich insbesondere einer elektronischen Schaltung bedient, untersucht werden.

Die durchstimmbare Referenzwelle mit einer Frequenz ω _T Hz,Referenz kann selber durch Frequenzmischung aus zwei Wellen ω _S ) _C htbar,i und ω _S ichtbar,2 erzeugt werden. Mit dieser Referenzwelle wird die ankommende elektromagnetische Strahlung ωτHz _, sign _a i im Tβraherzbereich quasi durch Abtastung vorhandener Resonanzen untersucht. Dazu wird eine weitere Frequenzmischung mit den Frequenzen co- _T Hz. _R eferenz und coTHz.signai vorgenommen. In dem Moment, wo eine Resonanz entdeckt ist, wo also ωτHz,Refereπz und ωτHz,signai gleich sind, verbleibt als Differenzsignal nur noch die elektronisch verarbeitbare Signalfrequenz. Die Resonanzen bilden damit gewissermaßen die einzelnen übertragungskanäle mit den Trägerfrequenzen COTH _Z + Mxω-i, wobei ω-mz die Grundfrequenz der Terahertzwelle, ωi den Frequenzabstand von zwei Kanälen und M die Nummer eines Kanals bezeichnet, wobei M Werte zwischen 1 und N annimmt und N die Gesamtzahl der Kanäle ist.

Diese Vorgehensweise lässt sich mit dem Prinzip eines Radioempfängers vergleichen, der auf den Empfang einer Trägerfrequenz eingestimmt wird und dann das auf diese Trägerfrequenz modulierte Signal empfangen und für die Ausgabe umwandeln kann. Auf diese erfindungsgemäße Weise kann ein einfach aufgebauter und entsprechend kostengünstiger Empfänger für den selektiven Empfang von Terahertzwellen geschaffen werden.

Dabei kann in einer speziellen Ausführungsform die Referenzwelle mittels Frequenzmischung einer mit optischen Mitteln generierten Grundwelle im Frequenzbereich von größer 0,1 THz und einer mit elektronischen Mitteln generierten Ergänzungswelle im Frequenzbereich von weniger als 0,1 THz erzeugt werden. Grundwelle und Ergänzungswelle werden wiederum mit Mitteln der Frequenzmischung zur Referenzwelle vereint. Diese Ausführungsform kann vorteilhaft sein, weil die Erzeugung und die Kontrolle der Frequenz der Ergänzungswelle mit elektronischen Mitteln mitunter einfacher ist.

Es wird also die Grundwelle der Frequenz G>TH _Z erzeugt, während die Ergänzungswelle der Frequenz N ^χ ωi elektronisch eingestellt wird. Beispielsweise kann ein elektronischer Lokaloszillator ein elektrisches Ergänzungssignal der Frequenz M ^χ ωi generieren, welches zu der Frequenz der optisch generierten Grundwelle addiert wird und welches dann zur Differenzfrequenzbildung dient. Die verbleibende relative niederfrequente Amplitudenmodulation ist dann die Information des Kanals M. Auch wenn keine Amplitudenmodulation vorliegt: Bei anderen Modulationsverfahren, bei denen die Frequenz, die Phase und/oder die Polarisation moduliert ist, unterscheidet sich nur der letzte Schritt der Sigηalauswertung. Als typische Werte seien für ωi = 100 MHz und für N = 128 genannt.

In der anderen zweiten Ausführungsform wird ein optisches Filter für Terahertzlicht geschaffen, welches eine Terahertzwelle selektiert. Dazu wird als Filter ein durchstimmbarer Fabry-Perot-Resonator genutzt, der jeweils eine Trägerwelle aus dem vorhandenen Spektrum herausschneidet. Diese wird dann mit einem geeigneten Terahβrtz-Detektor nachgewiesen. Die Funktionsweise des Fabry- Perot-Resonators und des damit realisierten erfindungsgemäßen Filters wird im Ausführungsbeispiel näher erklärt.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand der Figuren 1 und 2 erläutert. Es zeigen

Figur 1 eine Vorrichtung mit durchstämmbarem Terahertz-Lokaloszillator und

Figur 2 ein Fabry-Perot-Interferometer.

In Figur 1 ist die erstgenannte Vorgehensweise zur Verarbeitung elektromagnetischer Strahlung dargestellt. Diese Strahlung umfasst mehrere Trägerwellen im Frequenzbereich zwischen 0,1 und 10 Terahertz sowie jeweils die auf die Trägerwellen aufmodulierte Information einer Signalfrequenz von weniger als 50 GHz. Unter all diesen Frequenzen findet sich auch die eine

Signalstrahlung 1 mit der Frequenz ωτHz,sigπai, auf die der Empfänger selektiv eingestellt werden soll.

Für diese selektive Einstellung bedient sich die erfindungsgemäße Verfahrensweise zunächst zweier Distributed-Feedback-Laser (DFB-Laser) 2 und 3, mit denen ein durchstimmbarer Terahertz-Lokaloszillator realisiert wird. Mit den DFB-Lasern werden die beiden Laserstrahlen der Frequenzen ω _S i _C htbar,i und ω _S i _chtba r, ₂ erzeugt, wobei diese Frequenzen durch Variation der Temperaturen der Laser verändert werden. Beide Laserstrahlen werden im Modul 4 einer ersten Differenzfrequenzmischung unterzogen, aus der eine Referenzwelle 5 der Frequenz COTH _Z ⁺ M*ωi hervorgeht. Die Frequenz der Referenzwelle 5 liegt im Frequenzbereich zwischen 0.1 und 10 Terahertz. Es ist auch möglich, die Referenzwelle aus einer Frequenzmischung einer beispielsweise mittels der DFB- Laser optisch erzeugten Grundwelle und einer elektronisch erzeugten Ergänzungswelle zu generieren.

Nachfolgend wird die Referenzwelle 5 zusammen mit der Signalstrahlung 1 einer zweiten Differenzfrequenzmischung 6 zugeführt, wobei die Mischstrahlung 7 mit einem nicht dargestellten Detektor aufgenommen wird. Wenn nun die Frequenz der Trägerweile ωτHz,signai gerade der Frequenz des Kanals M entspricht, also gleich ωγ _H z ⁺ M*ωi ist, dann bleibt nur noch die auf die Signalstrahlung 1 aufmodulierte Signalfrequenz übrig. Von der Signalstrahlung 1 wird also die Frequenz com. + der Referenzwelle abgezogen, um den Signalkanal 7 der Kanalnummer M zu erhalten. Dieser wird dann von dem für die Signalfrequenz sensiblen Detektionsverfahren als Signal wahrgenommen.

Alternativ können die DFB-Laser 2 und 3 in Kombination mit dem Mischer 4 auch eine Terahertzwelle der Frequenz CöTH _Z erzeugen. Nach dem Mischer 6 liegen dann im Signalkanal 7 die Frequenzen ω-i, 2 ^χ ω _{1 (} ... , N*ωi vor. Werden N und ω-i so gewählt, dass die Frequenz Nxωi noch elektronisch verarbeitet werden kann, so kann eine nicht gezeigte Detektionselektronik die Information der einzelnen M Kanäle auslesen.

Dabei ist die Kombination des Lichts von zwei Laserdioden, um Terahertzlicht zu erzeugen, aus der Literatur, beispielsweise aus J. Mangeney, A. Merigault, N. Zerounian, P. Crozat, K. Blary und J. F. Lampin, Applied Physics Letters 91, 241102 (2007) bekannt und wird beispielsweise in der Radioastronomie s eingesetzt, um Terahertzsignale aus dem All zu demodulieren. Dort liegt jedoch ein kontinuierliches Eingangsspektrum vor. Bei den erfindungsgemäßen Verfahren kommt es hingegen darauf an, die Frequenz COTH _Z ⁺ M*ωi genau zu treffen. Auch kann jeder einzelne der N Kanäle, die das Terahertz-Signal 1 überträgt, eine Information über seine Kanalnummer besitzen. Dies macht es dann überflüssig, dass der Empfänger durch eigenständige Messung die genaue Differenzfrequenz der Laser absolut ermittelt, was eine deutliche Vereinfachung darstellt.

Die in Figur 2 dargestellte zweite Vorrichtung zum Herausfiitem von Terahertzwelleή greift auf ein aus der Optik bekanntes ein Fabry-Perot- Interferometer zurück. Dieses hat zwei Spiegel 8 und 9, wovon einer 9 auf einem Translator (Doppelpfeil 10) montiert ist, so dass der Abstand zwischen den Spiegeln 8 und 9 verändert werden kann. Die vom Empfänger _. auszuwertende Terahertzwelle 11 kann jedoch nur dann durch die beiden Spiegel 8 und 9 treten, wenn der Abstand der Spiegel ein ganzzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge der Terahertzwelle 11 ist. Alle anderen Trägerfrequenzen werden von der Anordnung reflektiert. Diese Bedingung ist jeweils nur für einen Frequenzkanal

. erfüllt, sofern die Spiegel 8 und 9 eine so große Reflektivität aufweisen, dass die

Selektivität des Fabry-Perot-Resonators besser als der Frequenzabstand ωi zweier Terahertzkanäle ist. Das erhaltene Signal 12 des Kanals M kann dann auf einen Terahertzdetektor 13 gegeben werden. Dieser kann aus einer Lichtquelle, einer Summenfrequenzmischung und einem Halbleiterdetektor bestehen. Alternativ könnte als Detektor auch ein sogenannter Photomischer genutzt werden.

Im Gegensatz zur in Figur 1 gezeigten Anordnung wird die eigentliche Terahertz-

WeIIe hier ja nicht demoduliert, so dass ein Detektor nötig ist, der die Terahertz- Welle unmittelbar nachweisen kann. Detektoren, die auf thermischen Prinzipien basieren (Golay-Zellen, Bolometer) sind zu langsam, um Informationsübertragung

hoher Bandbreite zu ermöglichen. Die oben beschriebene Ausführungsform für den Terahertzdetektor löst dieses Problem, da am Ende ein Halbleiterdetektor eingesetzt wird. Solche Detektoren weisen bekanntermaßen hohe Detektionsbandreiten auf; bis zu 40 GHz lassen sich leicht erreichen.

Auch in diesem Fall kann es vorteilhaft sein, wenn jeder Kanal ein Identifikationssignal erhält, welches in den Datenstrom integriert ist, und welches die Nummer des Kanals bzw. dessen Frequenz angibt. Verfügt der Empfänger nicht über die nötige absolute Frequenzgenauigkeit, so kann mit Hilfe dieses Signals beim Durchfahreren der Frequenzen der gewünschte Kanal eindeutig identifiziert werden.

Eine entsprechende Empfangsvorrichtung für elektromagnetische Strahlung der genannten Art umfasst somit ein im Frequenzbereich zwischen 0.1 und 10 Terahertz durchstimmbares Filtermodul, insbesondere in der Art des durchstimmbaren Terahertz-Lokaloszillators oder des Fabry-Perot-Interferometers, und einen dahinter angeordneten und für die Signalfrequenz sensiblen Detektor.