電子・光電子ミキサによるヘテロダイン・テラヘルツ検出

Heterodyne terahertz detection through electronic and optoelectronic mixers.

• Yen-Ju Lin
• Mona Jarrahi

抄録

テラヘルツ波の高感度検出は、多くの化学センシング、バイオメディカルイメージング、セキュリティスクリーニング、非破壊品質管理、高データレート通信、大気、宇宙物理学などのセンシングアプリケーションにとって非常に重要である。様々なテラヘルツ検出技術の中でも、ヘテロダイン検出は、高いスペクトル分解能を必要とするアプリケーションで大きな関心を集めています。ヘテロダイン検出では、受信したテラヘルツ波を局部発振器から供給される基準テラヘルツ波信号と混合し、検出のために中間周波数にダウンコンバートします。中間周波数の信号の周波数は、通常、高周波領域にあるように選択され、増幅器、フィルタ、分光器などのよく発達した高周波電子機器で正確に分析し、さらに処理することができます。ヘテロダイン・テラヘルツ検出は、直接テラヘルツ検出に比べて２つの大きな利点があります。第１に、検出されたテラヘルツ放射は、混合プロセスを介して基準局部発振器信号によって効果的に増強され、それによって非常に弱いテラヘルツ信号の検出を可能にする。第二に、検出されるスペクトル帯域幅を中間周波数電子機器の帯域幅に制限することにより、検出されるノイズパワーを効果的に低減する。この記事では、受信したテラヘルツ信号を無線周波数信号にダウンコンバートするために異なる電子技術および光電子技術を利用する様々なタイプのヘテロダイン・テラヘルツ受信機の幅広い概要を提示する。我々は、ショットキーダイオード、超伝導体-絶縁体-超伝導体接合、ホットエレクトロンボロメータ、電界効果トランジスタの固有の非線形性を利用して、受信したテラヘルツ放射をガスレーザ、量子カスケードレーザ、フォトミキサ、ガンダイオード、IMPATTダイオード、周波数乗算器からの基準局部発振器信号と混合し、無線周波数信号にダウンコンバートする方法を説明します。ダウンコンバートされた無線周波数信号は、フィルターバンク、音響光学、自己相関器、高速フーリエ変換、チャープ変換などの様々なバックエンド分光器で検出、分析することができます。また、ヘテロダイニング光ビームで励起されたフォトミキサーを使用して、受信したテラヘルツ放射を従来の技術よりもはるかに少ない帯域幅の制約で無線周波数信号にダウンコンバートする方法についても説明します。ノイズ性能、動作周波数、動作帯域幅、動作温度の観点から、異なるヘテロダイン受信機の長所と短所を詳細に説明します。

The high sensitivity detection of terahertz radiation is crucial for many chemical sensing, biomedical imaging, security screening, nondestructive quality control, high-data-rate communication, atmospheric, and astrophysics sensing applications. Among various terahertz detection techniques, heterodyne detection is of great interest for applications that require high spectral resolution. Heterodyne detection involves mixing the received terahertz radiation with a reference terahertz signal provided by a local oscillator and then down-converting it to an intermediate frequency for detection. The frequency of the intermediate frequency signal is usually chosen to be in the radio frequency regime, so that it can be accurately analyzed by well-developed radio frequency electronics, including amplifiers, filters, and spectrometers, for further processing. Heterodyne terahertz detection offers two major advantages over direct terahertz detection. First, the detected terahertz radiation is effectively enhanced by the reference local oscillator signal through the mixing process, thereby enabling the detection of very weak terahertz signals. Second, the detected noise power is effectively reduced by limiting the detected spectral bandwidth to the bandwidth of the intermediate frequency electronics. In this article, we present a broad overview of various types of heterodyne terahertz receivers, which utilize different electronic and optoelectronic techniques to down-convert the received terahertz signal to a radio frequency signal. We describe how the inherent nonlinearity of a Schottky diode, superconductor-insulator-superconductor junction, hot electron bolometer, and field-effect transistor can be utilized to mix the received terahertz radiation with a reference local oscillator signal from a gas laser, quantum cascade laser, photomixer, Gunn diode, IMPATT diode, and frequency multiplier and then down-convert it to a radio frequency signal. The down-converted radio frequency signal can be subsequently detected and analyzed by various backend spectrometers, including filter bank, acousto-optical, autocorrelator, fast Fourier transform, and chirp transform spectrometers. We also discuss how a photomixer pumped by a heterodyning optical beam can be used to down-convert the received terahertz radiation to a radio frequency signal with far fewer bandwidth constraints than conventional techniques. The advantages and disadvantages of different heterodyne receivers in terms of their noise performance, operation frequency, operation bandwidth, and operation temperature are discussed in detail.