WO2009115065A1 - Verfahren zur erzeugung elektromagnetischer terahertz-trägerwellen - Google Patents

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WO2009115065A1
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mixing
wave
waves
laser
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Karsten Buse
Jens Kiessling
Bastian Knabe
Rosita Sowade
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Deutsche Telekom Ag
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Definitions

  • the invention relates to a method for generating an electromagnetic carrier wave suitable for the wireless transmission of data in the frequency range between 0.1 and 10 terahertz.
  • the invention also relates to a system for implementing the method.
  • Such terahertz waves are generated by means of ultrafast electronic circuits or by optical methods. Since the electronic methods are limited in their speed due to the lifetime of free electrons and holes, these methods work above frequencies of 100 GHz, if at all, only inefficiently.
  • the known optical methods for generating terahertz waves usually use high frequencies, which are then reduced by frequency mixing. It is almost indispensable for the data transmission with terahertz waves that the carrier frequency can be reproduced with great accuracy.
  • the receiver can generate a carrier wave of the same frequency, which is then used to demodulate the incident wave. Uncontrollable temporal fluctuations in the fundamental frequency of the carrier wave complicate the data transmission, since the receiver has to adjust dynamically to the respective emission frequency.
  • the object of the invention is to provide a method by which terahertz waves of high frequency stability and good reproducibility can be generated in a simple and cost-effective manner.
  • the basic idea of the invention is to provide a transmitter for terahertz waves, which provides one or more channels for the transmission of information as follows: Starting from a first electromagnetic optical wave, hereinafter referred to as "pump wave", by utilizing a physical effect or by means of a generated a special optical arrangement, a second optical wave, the physical effect or the experimental arrangement can be used with the pump wave generated frequencies and no externally specified "extraneous frequencies" in the terahertz range, so that the difference of the frequencies of the first and second optical wave is fixed , By remaining in the reference system of the one predetermined by the pump wave frequency, a particularly high reproducibility of the carrier frequency can be achieved because fluctuations in the frequency of the first optical wave are equally transmitted to the frequency of the second optical wave; the difference frequency remains stable.
  • the pump shaft itself can form one of the mixing waves.
  • the pump wave may also generate a plurality of optical waves at fixed frequency intervals, and subsequently these generated waves are mixed to produce a wave of the difference frequency. Because of the common origin, the pump wave, these two mixing waves are in fixed frequency relation to each other.
  • the two mixing shafts are combined with each other according to the invention, whereby a mixing frequency which can be used for the carrier wave is obtained by frequency mixing.
  • the process of frequency mixing is generally known.
  • mixed waves of corresponding output frequencies are thus initially to be generated.
  • the generation according to the invention of the mixing shafts ensures that the mixing frequency can be reproducibly generated and is subject to slight temporal fluctuations.
  • a coherent pump wave of the frequency ⁇ S i chtb a r, i is first generated.
  • This wave is then partially converted into a mixing wave of frequency ⁇ S , 2 by means of a conversion process, the employed transducer using a physical process or an experimental arrangement which, as stated above, has a fixed frequency shift pretend.
  • a physical process in particular Raman scattering can serve.
  • the particular advantages of the method according to the invention are that the absolute frequency ⁇ S i C htbar, i of the pump radiation and the fluctuations of this pump frequency are insignificant for the resulting frequency of the terahertz wave. Therefore, this method can be used to generate terahertz waves of the same frequency independently of one another in completely different devices, in particular in transmitters and receivers.
  • a further advantage is that the frequency of the generated terahertz carrier wave does not change significantly over time, as would be the case if it were generated by two independent laser light sources. This has the great advantage that the receiver can fix itself to a frequency and does not have to dynamically follow fluctuations in the frequency of the terahertz carrier wave.
  • the terahertz carrier waves generated according to the invention can be modulated by means of the known method information, which enables transmission of data. Examples are amplitude, frequency, phase and polarization modulation.
  • the invention makes it possible to carry out standardizations for the terahertz range, in which well-defined terahertz frequencies are given that are reproducibly attainable via physical processes or optical arrangements.
  • FIG. 1 measured Raman spectra
  • FIG. 2 shows an arrangement with a whisper-gate mode resonator
  • FIG. 3 shows two arrangements with lasers
  • Figure 1 shows measured Raman spectra of lithium niobate crystals, as they are also known in the literature similarly. The lighting of the
  • the frequency shift of the Raman effect is due to the fact that the photons of the pump shaft 1, the energy of
  • the difference frequency between the fundamental pumping shaft 1 and the first Raman line 3 is shown, which amounts to approximately 1.2 THz.
  • the spectrum shown was generated with a periodically poled lithium niobate crystal in an optical parametric oscillator.
  • the pump power of the optical parametric oscillator was increased, so that the power of the pump wave also increased. With increasing performance, more and more Raman lines 2 can be recognized.
  • the Raman lines 2 can be of similar intensity to those of the remaining pump wave 1.
  • the actual terahertz wave can be generated in a nonlinear optical element by forming the difference frequency of two such mixing waves. If the waves of the frequencies ⁇ are tangible, i and ⁇ S i C htbar, 2 in similar power, then this is possible with high efficiency.
  • the non-linear material showing the Raman effect is advantageously formed in a resonator placed to increase the intensity of the light.
  • This can be an optical parametric oscillator.
  • Other resonators without optical parametric processes are also suitable; wherein a high "finesse" of the resonator, which is a measure of the increase in the light intensity, is to be preferred, the whisper-gate mode resonators 4 shown in Fig. 2 being particularly advantageous.
  • a pumping wave 5a can be coupled into the whisperingergomode resonator 4 by means of a prism 6, in which case a Raman-shifted additional line 7 is produced in addition to the pumping shaft 5b due to the Raman process Pump wave 5b and the Raman-shifted line 7.
  • a separate non-linear element for example non-linear-optical crystals and photomixers can be used for this purpose.
  • Whisper gallery mode resonators can be realized compactly.
  • the high finesse of these resonators means that several watts of light can oscillate in the resonators even at a few milliwatts of pump power, which is sufficient to produce Raman effects.
  • laser diodes of one watt output power several kilowatts of light power can be achieved in the resonators.
  • laser diodes with single emitters producing light of wavelengths 808 nm, 880 nm and 976 nm are available in this performance class.
  • the element for difference frequency mixing can be integrated into the resonator, which then generates the actual terahertz carrier wave from the mixing shafts 7 and 5b.
  • the resonator z. B. run from a nonlinear optical crystal such as lithium niobate.
  • Figure 2 indeed shows some Raman lines of this material, which in addition shows a so-called ⁇ (2) nonlinearity, which could be used to mix in the resonator simultaneously the waves 7 and 5b to produce the desired terahertz wave.
  • ⁇ (2) nonlinearity which could be used to mix in the resonator simultaneously the waves 7 and 5b to produce the desired terahertz wave.
  • ⁇ (2) nonlinearity which could be used to mix in the resonator simultaneously the waves 7 and 5b to produce the desired terahertz wave.
  • phase adaptation This can be achieved here by periodic polarity of the crystal, which is referred to as quasi-phase matching.
  • optical arrangements are also suitable which generate well-defined two waves of the frequencies ⁇ S ⁇ cht b ar, i and ⁇ S ichtbar, 2 in the infrared, visible or ultraviolet spectral range whose difference frequency is then in the terahertz range.
  • FIG. 3 An example of such an arrangement is shown in FIG. 3: this is a laser process which has a broad emission spectrum (right-hand part of FIG. 3A).
  • Such a laser has a rear mirror 8, a laser-active medium 9 and a coupling-out mirror 10.
  • the one end of the laser-active medium 9 may represent the end mirror 8 due to the Fresnel reflectivity or an additional coating.
  • the spectral bandwidth of the laser beam 11 comprises more than one nanometer.
  • lines defined by the wide frequency spectrum are ⁇ S i C , i and ⁇ S visible, 2 cut out with stable frequency difference COTH Z , which are used according to the invention as mixing waves to generate a terahertz carrier frequency by frequency mixing.
  • the emission spectrum of the laser without resonator ( Figure 3A) is about twice as wide as the mode spacing ⁇ .
  • the thickness of the resonator which can be controlled with high accuracy and reproducibility, predetermines the difference frequency ⁇ .
  • Small changes in the temperature of the resonator due to the above-mentioned temperature dependence of L and n can additionally ensure that two modes which are symmetrical to the maximum of the amplification, as shown schematically in the spectrum in FIG. 3B.
  • the laser-active material is, for example, a semiconductor which emits light of wavelength 800 nm
  • more than 1500 waves fit into the resonator in the abovementioned numerical example.
  • a temperature-induced relative change in length of less than 0.001 is sufficient to optimally oscillate the two modes.
  • the terahertz difference frequency can be set with an accuracy of at least 0.1%.
  • the terahertz wave can subsequently be generated again with the aid of a non-linear optical element from the two generated waves.
  • pump light 13 is the frequency ⁇ S i ch TBAR, i generated, wherein in this case no special demands are made on the accuracy of the frequency, so that are suitable as sources and high-power laser diode
  • step b) with the aid of a transducer, which may be a physical process or an experimental arrangement, a part of the pump light 13 in the frequency well-defined changed, so that in addition to the mixed wave formed by the pumping light another mixing shaft 14 of the frequency ⁇ S i Ch t b ar, 2 arises.
  • the Raman effect can be a suitable process.
  • the mixing shafts 13 and 14 of a well-defined frequency can be generated with a laser emitting two waves of different frequencies, so that the step b) can be started.
  • the provided with a resonator laser serves as a converter.
  • step c the desired terahertz light 15 is used with a frequency mixer which in particular effects a difference-frequency mixing Frequency COTH Z generated, which can serve as a carrier wave.
  • step d the carrier wave is sent through a modulator which could produce sidebands 16 at frequency spacing ⁇ i, but above all serves to impart information to the carrier wave 15.

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Abstract

Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung einer für eine drahtlose Übertragung von Daten geeigneten elektromagnetischen Trägerwelle (15) im Frequenzbereich zwischen 0.1 und 10 Terahertz, wobei mittels einer elektromagnetischen Pumpwelle (1, 5, 13) in einem Erzeugungsprozess mindestens zwei Mischwellen (1, 2, 3, 5, 7, 13, 14) mit definierter Frequenzdifferenz erzeugt werden, wobei die Pumpwelle (1, 5,13) selber eine der Mischwellen (1, 2, 3, 5, 7, 13, 14) bilden kann, wobei die Trägerwelle (15) durch Frequenzmischung, insbesondere durch Differenzfrequenzmischung, aus den Mischwellen (1, 2, 3, 5, 7, 13, 14) erzeugt wird.

Description

Verfahren zur Erzeugung elektromagnetischer Terahertz-Trägerwellen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer für die drahtlose Übertragung von Daten geeigneten elektromagnetischen Trägerwelle im Frequenzbereich zwischen 0.1 und 10 Terahertz. Die Erfindung betrifft auch ein System 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 werden.
Solche Terahertzwellen werden mittels ultraschneller elektronischer Schaltungen oder mittels optischer Verfahren generiert. Da die elektronischen Verfahren aufgrund der Lebensdauer freier Elektronen und Löcher in ihrer Geschwindigkeit begrenzt sind, arbeiten diese Verfahren oberhalb Frequenzen von 100 GHz, wenn überhaupt, nur noch ineffizient. Die bekannten optischen Verfahren zur Erzeugung von Terahertzwellen bedienen sich hingegen meist zu hoher Frequenzen, die dann durch Frequenzmischung reduziert werden. Dabei ist es für die Datenübertragung mit Terahertzwellen nahezu unabdingbar, dass die Trägerfrequenz mit großer Genauigkeit reproduziert werden kann. Damit kann der Empfänger eine Trägerwelle gleicher Frequenz erzeugen, die dann zur Demodulation der einfallenden Welle verwendet wird. Unkontrollierbare zeitliche Schwankungen in der Grundfrequenz der Trägerwelle erschweren die Datenübertragung, da sich der Empfänger dynamisch auf die jeweilige Emissionsfrequenz einstellen muss.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, mit dem sich Terahertzwellen hoher Frequenzstabilität und guter Reproduzierbarkeit auf einfache und kostengünstige Weise erzeugen lassen. Zudem ist es Aufgabe der Erfindung, ein System zur Umsetzung des Verfahrens zu schaffen.
Diese Aufgaben werden durch das Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 und das System nach Anspruch 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen genannt.
Der wesentliche Grundgedanke der Erfindung liegt darin, einen Sender für Terahertzwellen zu schaffen, der einen oder mehrere Kanäle für die Informationsübertragung wie folgt bereitstellt: Ausgehend von einer ersten elektromagnetischen optischen Welle, nachfolgend „Pumpwelle" genannt, wird unter Ausnutzung eines physikalischen Effektes oder mittels einer speziellen experimentellen Anordnung eine zweite optische Welle generiert, wobei der physikalische Effekt oder die experimentelle Anordnung sich mit der Pumpwelle generierbarer Frequenzen bedienen und keiner extern vorzugebenden „Fremdfrequenzen" im Terahertzbereich bedürfen, so dass die Differenz der Frequenzen der ersten und zweiten optischen Welle fest vorgegeben ist. Durch den Verbleib im Bezugsystem der einen, von der Pumpwelle vorgegebenen Frequenz kann eine besonders hohe Reproduzierbarkeit der Trägerfrequenz erreicht werden, denn Schwankungen der Frequenz der ersten optischen Welle übertragen sich gleichermaßen auf die Frequenz der zweiten optischen Welle; die Differenzfrequenz bleibt aber stabil. Durch den physikalischen Prozess respektive durch die experimentelle Anordnung werden also mindestens zwei für eine spätere Frequenzmischung zu nutzende „Mischwellen" mit definierter Frequenzdifferenz erzeugt, wobei die Pumpwelle selber eine der Mischwellen bilden kann. Alternativ kann die Pumpwelle auch mehrere optische Wellen mit festen Frequenzabständen generieren, und nachfolgend werden diese generierten Wellen gemischt, um eine Welle der Differenzfrequenz zu erzeugen. Wegen des gemeinsamen Ursprungs, der Pumpwelle, stehen auch diese beiden Mischwellen in fester Frequenzbeziehung zueinander.
Im nachfolgenden Prozess werden die beiden Mischwellen erfindungsgemäß miteinander vereint, wobei sich durch Frequenzmischung eine für die Trägerwelle nutzbare Mischfrequenz ergibt. Dabei ist der Prozess der Frequenzmischung ganz allgemein bekannt. Damit aus diesem Prozess eine Trägerwelle im Frequenzbereich zwischen 0.1 und 10 Terahertz entsteht, sind somit zunächst Mischwellen entsprechender Ausgangsfrequenzen zu erzeugen. Durch die erfindungsgemäße Erzeugung der Mischwellen wird sichergestellt, dass die Mischfrequenz reproduzierbar generiert werden kann und geringen zeitlichen Schwankungen unterworfen ist.
Als Pumpwelle bietet sich sichtbares Licht einer Frequenz von etwa ωSichtbar » 6 x 1014 Hz = 600 THz an. Um eine Terahertzwelle wohl definierter Frequenz zu erzeugen, insbesondere mit Frequenzschwankungen, die sich innerhalb eines Kanalabstandes von etwa 10 MHz bewegen, müsste im Fall einer Differenzfrequenzmischung unabhängiger Wellen der Frequenzen ωSiChtbar,i und ωSichtbar,2 deren Frequenz mit einer absoluten Genauigkeit besser als 10 MHz/600 THz « 10"8 eingestellt werden. Das wäre ein nahezu unüberwindlicher Aufwand. Mit der erfindungsgemäßen Vorgehensweise, die sich zweier gewissermaßen „frequenzgekoppelter" Wellen bedient, lässt sich eine solche Genauigkeit bequem erreichen.
Erfindungsgemäß wird dabei zunächst eine kohärente Pumpwelle der Frequenz ωSichtbar,i generiert. Diese Welle wird dann mit Hilfe eines Wandlungsprozesses teilweise in eine Mischwelle der Frequenz ωSichtbar,2 umgewandelt, wobei der eingesetzte Wandler einen physikalischen Prozess oder eine experimentelle Anordnung nutzt, die, wie oben dargelegt, eine feste Frequenzverschiebung vorgeben. Als Beispiel für einen solchen physikalischen Prozess kann insbesondere die Raman-Streuung dienen.
Die besondere Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sind einerseits, dass die absolute Frequenz ωSiChtbar,i der Pumpstrahlung und die Schwankungen dieser Pumpfrequenz für die resultierende Frequenz der Terahertzwelle unwesentlich sind. Daher lassen sich mit diesem Verfahren in ganz verschiedenen Geräten, insbesondere in Sender und Empfänger, unabhängig voneinander Terahertzwellen gleicher Frequenz erzeugen. Ein weiterer Vorteil ist, dass sich die Frequenz der erzeugten Terahertz Trägerwelle zeitlich nicht signifikant ändert, wie es der Fall wäre, wenn diese durch zwei unabhängige Laserlichtquellen erzeugt würde. Das hat den großen Vorteil, dass der Empfänger sich fest auf eine Frequenz einstellen kann und nicht dynamisch Schwankungen der Frequenz der Terahertzträgerwelle folgen muss. Natürlich können auf die erfindungsgemäß erzeugten Terahertz-Trägerwellen mittels der bekannten Verfahreninformationen aufmoduliert werden, die eine Übertragung von Daten ermöglichen. Beispiele sind Amplituden-, Frequenz-, Phasen- und Polarisationsmodulation.
Abschließend sei noch erwähnt, dass die es Erfindung ermöglicht, für den Terahertzbereich Normungen durchzuführen, in dem solcherart wohldefinierte Terahertzfrequenzen vorgegeben werden, die über physikalische Prozesse oder optische Anordnungen reproduzierbar erreichbar sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand der Figuren 1 bis 4 erläutert. Die Figuren zeigen:
Figur 1 gemessene Raman-Spektren,
Figur 2 eine Anordnung mit Flüstergaleriemodenresonator,
Figur 3 zwei Anordnungen mit Lasern und
Figur 4 Verteilung von Spektrallinien. Figur 1 zeigt gemessene Raman-Spektren von Lithiumniobat-Kristallen, wie sie an sich auch ähnlich aus der Literatur bekannt sind. Dabei führt die Beleuchtung des
Kristalls mit einer Pumpwelle 1 der Frequenz ωSichtbar,i im sichtbaren Bereich zur teilweisen Umwandlung der Pumpwelle 1 in Wellen anderer Frequenzen, nämlich den Raman-Linien 2. Diese können zusammen mit der Pumpwelle als
Mischwellen genutzt werden. Die Frequenzverschiebung des Raman-Effektes rührt daher, dass die Photonen der Pumpwelle 1 die Energie von
Gitterschwingungen des Kristalls (Phononen) aufnehmen oder abgeben. Wie ein interner Oszillator haben diese Gitterschwingungen eine präzise Frequenz. Die in Figur 1 gezeigten Spektren liefern mehrere Möglichkeiten, geeignete Wellen mit
Frequenzen ωSjChtbar,2 zu erzeugen, so dass die Differenzfrequenz ωSjChtbar,i - ωSichtbar,2 im Terahertz-Bereich liegt. Dabei ist es generell unerheblich, ob wie hier die Stokes-Linie oder die Anti-Stokes-Unie der Raman-Streuung als Mischwelle genutzt wird.
Exemplarisch ist die Differenzfrequenz zwischen der fundamentalen Pumpwelle 1 und der ersten Raman-Linie 3 eingezeichnet, die ca. 1 ,2 THz beträgt. Das gezeigte Spektrum wurde mit einem periodisch gepolten Lithiumniobat-Kristall in einem optischen parametrischen Oszillator erzeugt. Die Kristalltemperatur betrug T = 65 0C und die Periodenlänge der Kristallstruktur Λ = 29.5 μm. Bei den Spektren a)-e) wurde die Pumpleistung des optischen parametrischen Oszillators erhöht, so dass auch die Leistung der Pumpwelle anstieg. Mit ansteigender Leistung sind immer mehr Raman-Linien 2 zu erkennen.
Bemerkenswert ist, dass die Raman-Linien 2 von ähnlicher Intensität wie die der verbleibenden Pumpwelle 1 sein können. Mit derart intensiven Raman-Linien kann in einem nichtlinear-optischen Element durch Differenzfrequenzbildung zweier solcher Mischwellen die eigentliche Terahertzwelle generiert werden. Liegen die Wellen der Frequenzen ωsichtbar,i und ωSiChtbar,2 in ähnlicher Leistung vor, so ist das mit hoher Effizienz möglich.
Da der Raman-Effekt nur bei großen Lichtleistungen auftritt, wird das nichtlineare Material, welches den Raman-Effekt zeigt, vorteilhafterweise in einem Resonator platziert, um die Intensität des Lichts zu erhöhen. Dies kann ein optisch parametrischer Oszillator sein. Andere Resonatoren ohne optische parametrische Prozesse sind ebenfalls geeignet; wobei eine hohe „Finesse" des Resonators, die ein Maß für die Überhöhung der Lichtintensität ist, zu bevorzugen ist. Besonders vorteilhaft sind die in Figur 2 gezeigten Flüstergaleriemodenresonatoren 4. Diese werden von runden Scheiben gebildet, in denen das Licht auf Grund der Totalreflexion gefangen gehalten wird. So kann eine Pumpwelle 5a mit Hilfe eines Prismas 6 in den Flüstergaleriemodenresonator 4 eingekoppelt werden, in dem dann aufgrund des Raman-Prozesses neben der Pumpwelle 5b eine Raman- verschobene zusätzliche Linie 7 entsteht. Mit dem Prisma 6 kann neben einem Teil der Pumpwelle 5b auch die Raman-verschobene Linie 7 ausgekoppelt werden. Nachfolgend erfolgt dann wie oben beschrieben mit einem separaten nichtlinearen Element die Generation der eigentlichen Terahertzstrahlung. Dafür können z. B. nichtlinear-optische Kristalle und Photomischer eingesetzt werden.
Flüstergaleriemodenresonatoren lassen sich kompakt realisieren. Die hohe Finesse dieser Resonatoren führt dazu, dass in den Resonatoren bereits bei wenigen Milliwatt Pumpleistung mehrere Watt an Licht oszillieren können, was zur Erzeugung von Raman-Effekten ausreicht. Somit können mit Laserdioden von einem Watt Ausgangsleistung mehrere Kilowatt Lichtleistung in den Resonatoren erzielt werden. Damit ist eine solche Anordnung besonders geeignet, um mit Laserdioden betrieben zu werden. So sind Laserdioden mit einzelnen Emittern, die Licht der Wellenlängen 808 nrn, 880 nm und 976 nm erzeugen, in dieser Leistungsklasse erhältlich.
In einer vorteilhaften Anordnung kann in den Resonator das Element zur Differenzfrequenzmischung integriert werden, das dann aus den Mischwellen 7 und 5b die eigentliche Terahertz-Trägerwelle generiert. Damit entfällt die Notwendigkeit, anderes Licht als die Terahertzwelle aus dem Resonator auszukoppeln. Dafür bietet es sich an, den Resonator z. B. aus einem nichtlinear- optischen Kristall wie Lithiumniobat auszuführen. Figur 2 zeigt ja einige Raman- Linien dieses Materials, welches zusätzlich eine sogenannte χ(2)-Nichtlinearität zeigt, die verwendet werden könnte, um simultan im Resonator durch Mischung der Wellen 7 und 5b die gewünschte Terahertzwelle zu erzeugen. Notwendig ist dafür eine Phasenanpassung. Diese kann hier durch periodische Polung des Kristalls erreicht werden, was als Quasi-Phasenanpassung bezeichnet wird.
Zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind auch optische Anordnungen geeignet, die wohldefiniert zwei Wellen der Frequenzen ωSιchtbar,i und ωSichtbar,2 im infraroten, sichtbaren oder ultravioletten Spektralbereich erzeugen, deren Differenzfrequenz dann im Terahertzbereich liegt. Ein Beispiel für eine solche Anordnung zeigt Figur 3: Dabei handelt es sich um einen Laserprozess, der ein breites Emissionsspektrum aufweist (rechter Teil von Figur 3A). Ein solcher Laser weist einem rückwärtigen Spiegel 8, ein laseraktives Medium 9 und einem Auskoppelspiegel 10 auf. Dabei kann auch das eine Ende des laseraktiven Mediums 9 den Endspiegel 8 aufgrund der Fresnel-Reflektivität oder einer zusätzlichen Beschichtung darstellen. Die spektrale Bandbreite des Laserstrahles 11 umfasst mehr als ein Nanometer.
Wird in diesen Laser ein zusätzlicher Resonator 12 der Länge L eingebracht (Figur 3B), so können nur die Lichtwellen anschwingen, die auch für diesen Resonator resonant sind. Weist das Material, aus dem der Resonator besteht, den Brechungsindex n auf, so beträgt der Frequenzabstand der Longitudinalmoden des kurzen Resonators Δω = πco/(Ln2), wobei C0 für die Vakuumgeschwindigkeit des Lichts steht. Um Δω/2π = 1 THz zu erreichen, ist bei n = 1.5 (Glas) ein L von ungefähr 0.42 mm nötig. Eine Feinabstimmung der Resonatorlänge kann beispielsweise bei Resonatoren aus Glas oder anderen dielektrischen Materialien über die Temperatur vorgenommen werden, da sowohl L als auch n von der Temperatur abhängen. Auf diese Weise werden aus dem breiten Frequenzspektrum definierte Linien ωSiChtbar,i und ωSichtbar,2 mit stabilem Frequenzunterschied COTHZ herausgeschnitten, die erfindungsgemäß als Mischwellen genutzt werden, um durch Frequenzmischung eine Teraherz- Trägerfrequenz zu erzeugen.
Vorteilhafterweise ist das Emissionsspektrum des Lasers ohne Resonator (Figur 3A) etwa doppelt so breit wie der Modenabstand Δω. Die Dicke des Resonators, die sich mit hoher Genauigkeit und Reproduzierbarkeit kontrollieren lässt, gibt die Differenzfrequenz Δω fest vor. Kleine Temperaturänderungen des Resonators können aufgrund der oben erwähnten Temperaturabhängigkeit von L und n zusätzlich dafür sorgen, dass zwei Moden anschwingen, die symmetrisch zum Maximum der Verstärkung liegen, so wie es das Spektrum in Figur 3B schematisch zeigt.
Ist das laseraktive Material beispielsweise ein Halbleiter, der Licht der Wellenlänge 800 nm emittiert, so passen im oben genannten Zahlenbeispiel mehr als 1500 Wellen in den Resonator. Das bedeutet, dass eine temperaturinduzierte relative Längenänderung von weniger als 0.001 ausreicht, um die beiden Moden optimal anschwingen zu lassen. Unbeschadet dessen kann die Terahertz- Differenzfrequenz mit einer Genauigkeit von mindestens 0.1 % eingestellt werden. Liegen schließlich die beiden gewünschten Wellen vor, so kann nachfolgend abermals mit Hilfe eines nichtlinear-optischen Elements aus den beiden generierten Wellen die Terahertzwelle erzeugt werden.
Figur 4 fasst die Prozesse noch einmal zusammen: Im ersten Schritt a) wird Pumplicht 13 der Frequenz ωSichtbar,i generiert, wobei hierbei keine besonderen Anforderungen an die Genauigkeit der Frequenz gestellt werden, so dass als Quellen auch Hochleistungslaserdioden in Frage kommen. In Schritt b) wird mit Hilfe eines Wandlers, der ein physikalischer Prozess oder eine experimentelle Anordnung sein kann, ein Teil des Pumplichts 13 in der Frequenz wohldefiniert geändert, so dass neben der vom Pumplicht gebildeten Mischwelle eine weitere Mischwelle 14 der Frequenz ωSiChtbar,2 entsteht. Dabei kann der Raman-Effekt ein geeigneter Prozess sein.
Alternativ können, wie oben beschriebenen, die Mischwellen 13 und 14 wohldefinierter Frequenz mit einem zwei Wellen unterschiedlicher Frequenzen emittierenden Laser erzeugt werden, so dass mit dem Schritt b) begonnen werden kann. Der mit einem Resonator versehene Laser dient hier als Wandler.
Im nächsten Schritt c) wird mit einem Frequenzmischer, der insbesondere eine Differenzfrequenzmischung bewirkt, das gewünschte Terahertzlicht 15 der Frequenz COTHZ generiert, das als Trägerwelle herhalten kann. Letztendlich wird die Trägerwelle in Schritt d) durch einen Modulator geschickt, der Seitenbänder 16 im Frequenzabstand ωi erzeugen könnte, jedoch vor allem dazu dient, Informationen auf die Trägerwelle 15, aufzuprägen.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Erzeugung einer für eine drahtlose Übertragung von Daten geeigneten elektromagnetischen Trägerwelle (15) im Frequenzbereich zwischen 0.1 und 10 Terahertz, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer elektromagnetischen Pumpwelle (1,5,13) in einem Erzeugungsprozess mindestens zwei Mischwellen (1,2,3,5,7,13,14) mit definierter Frequenzdifferenz erzeugt werden, wobei die Pumpwelle (1 ,5, 13) selber eine der Mischwellen (1 ,2,3,5,7, 13,14) bilden kann, dass die Trägerwelle (15) durch Frequenzmischung, insbesondere durch Differenzfrequenzmischung, aus den Mischwellen (1,2,3,5,7,13,14) erzeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der Pumpwelle (1,5,13) im oder nahe am Frequenzbereich des sichtbaren Lichtes liegt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Mischwellen (1,2,3,5,7,13,14) durch einen von der Pumpwelle (1,5,13) angeregten optisch nichtlinearen Erzeugungsprozess erzeugt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der optisch nichtlineare Erzeugungsprozess die innerhalb eines nichtlinearen Mediums (4) stattfindende Raman-Streuung ist, wobei eine der Ramanlinien (2,3,7,14) als eine reproduzierbar in der Frequenz verschobene zweite Mischwelle genutzt wird.
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Anordnung zur Erzeugung der Mischwellen ein Laserprozess genutzt wird, in den ein weiterer Resonator (12) eingebracht ist, wobei der Laser (11) zwei Lichtwellen mit einem Frequenzabstand zwischen 0.1 und 10 THz erzeugt.
6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Informationsübertragung mittels Amplituden- oder Frequenzoder Phasen- oder Polarisationsmodulation Information auf die Trägerwelle (15) moduliert wird.
7. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Laserquelle zur Erzeugung einer Pumpwelle (1,5,13), einen Wandler zur Erzeugung mindestens zweier Mischwellen
(1,2,3,5,7,13,14) definierter Frequenzdifferenz auf der Basis der
Pumpwelle (1,5,13), wobei die Pumpwelle (1,5,13) eine der Mischwellen
(1,2,3,5,7,13,14) bilden kann, einen Frequenzmischer zur Mischung der Mischwellen (1,2,3,5,7,13,14) zu einer im Frequenzbereich zwischen 0.1 und 10 Terahertz liegenden
Trägerwelle (15).
8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserquelie Laserlicht mit einer Frequenz im oder nahe am sichtbaren Bereich erzeugt.
9. Anordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass Laserquelle und Wandler in einem Laser vereint sind, in dessen Strahlengang sich ein Resonator (12) befindet.
10. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler einen optisch nichtlinearen Kristall aufweist, in dem die Pumpwelle Raman-Streuung erzeugt.
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