WO2021175810A1 - Balanced detector for broadband noise-suppressing detection - Google Patents

Balanced detector for broadband noise-suppressing detection Download PDF

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WO2021175810A1
WO2021175810A1 PCT/EP2021/055111 EP2021055111W WO2021175810A1 WO 2021175810 A1 WO2021175810 A1 WO 2021175810A1 EP 2021055111 W EP2021055111 W EP 2021055111W WO 2021175810 A1 WO2021175810 A1 WO 2021175810A1
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WO
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opto
antenna
laser beam
electronic
electromagnetic waves
Prior art date
Application number
PCT/EP2021/055111
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German (de)
French (fr)
Inventor
Sascha Preu
Anuar de Jesus FERNANDEZ OLVERA
Original Assignee
Technische Universität Darmstadt
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Filing date
Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03D—DEMODULATION OR TRANSFERENCE OF MODULATION FROM ONE CARRIER TO ANOTHER
    • H03D9/00—Demodulation or transference of modulation of modulated electromagnetic waves
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F2/00—Demodulating light; Transferring the modulation of modulated light; Frequency-changing of light
    • G02F2/004—Transferring the modulation of modulated light, i.e. transferring the information from one optical carrier of a first wavelength to a second optical carrier of a second wavelength, e.g. all-optical wavelength converter
    • G02F2/008—Opto-electronic wavelength conversion, i.e. involving photo-electric conversion of the first optical carrier

Definitions

  • the present invention relates to a balanced detector and a method for broadband noise-suppressing detection of electromagnetic waves and, in particular, to a balanced photomixer architecture for terahertz detection with improved noise efficiency.
  • opto-electronic mixers For the detection of electromagnetic waves with frequencies between about 50 gigahertz (GHz, io ⁇ Hz) and about 10 terahertz (THz, 10 12 Hz), semiconductor components called opto-electronic mixers or photomixers or photoconductors or other optically controlled components such as phototransistors can be used be used.
  • Non-semiconductor-based components such as graphene-based opto-electronic mixers can also be used.
  • two co-polarized continuous wave laser beams with a frequency difference in the range of the electromagnetic waves to be detected are used, which are spatially superimposed and impinge on such an opto-electronic mixer.
  • the laser light changes the conductivity of the semiconductor periodically with the frequency of the beat resulting from the superposition.
  • This conductivity oscillation is used as a local oscillation in order to be mixed, depending on the application, for the purpose of homodyne or heterodyne detection with the electromagnetic waves picked up by an antenna and leading to a current in the semiconductor component.
  • the resulting oscillating current represents the output signal of the detector.
  • Photomixers are highly sensitive THz detectors with noise limits in the range of a few femto watts per Hertz (fW / Hz) at room temperature.
  • the laser light also performs in the first place Line due to intensity fluctuations to an additional noise.
  • this noise caused by the laser light and by undesired stray fields has autocorrelated components which, in contrast to fundamental noise components, can in principle be eliminated.
  • One method of eliminating noise is through balanced (or symmetrical) detection.
  • the method is based on the basic idea of using two detectors to collect the same input signal, and using suitable measures to set up the two detectors' output signals containing an input or detection signal component and a noise component so that the difference between them amplifies the detection signal component and the correlated noise component occurring in the detectors is eliminated.
  • the detection signal components in the two output signals have to be phase-shifted relative to one another by 180 degrees or by half a wavelength at a given wavelength. So far, two approaches in particular have been used to achieve balanced detection in the THz range to eliminate noise.
  • the first approach generates the phase shift in the frequencies of the THz signal or a local oscillator of higher frequency used for detection.
  • the THz signal and a linearly polarized laser beam in an infrared frequency which here takes on the role of the local oscillator, strike a birefringent crystal together.
  • the crystal induces a change in laser beam polarization in a manner proportional to the THz signal.
  • the laser beam passes through a quarter-wave plate, which transforms it into an elliptical polarization.
  • the degree of ellipticity is proportional to the THz signal.
  • a Wollaston prism spatially splits the two orthogonal circular components of the elliptically polarized beam.
  • the two copies of the beam, which contain the THz signal with a relative phase shift of 180 degrees, are now measured with a photodiode each and the two resulting generating photocurrents are subtracted from each other.
  • the second approach generates the phase shift only after demodulation in an intermediate frequency that is well below the THz or infrared band in the range of frequencies of electronic circuits.
  • the problems of previously used detectors for THz radiation lie in particular in the narrow band nature of the detectors and / or in the need for a previous demodulation to lower intermediate frequencies.
  • the present invention relates to a balanced detector for broadband noise-suppressing detection of electromagnetic waves in an interval of frequencies which lies in a range between approximately 50 GHz and approximately 10 THz.
  • the detector initially comprises two antennas which are designed to receive the electromagnetic waves in the interval of frequencies (broadband).
  • the detector comprises a first and a second opto-electronic mixer and a device for providing at least one laser beam for the two opto-electronic mixers.
  • the first opto-electronic mixer is designed to generate a first output signal based on a mixture of the electromagnetic waves received by the first antenna with the at least one laser beam.
  • the second opto-electronic mixer is designed to generate a second output signal based on a mixture of the electromagnetic waves received by the second antenna with the at least one laser beam.
  • the first and the second output signal each include a copy of a detection signal originating from the electromagnetic waves in such a way that the two copies are each 180 ° phase-shifted in wavelengths of the detection signal can also be present as the DC signals (DC or DC voltage signal) in which case the phase shift of 180 0 degrees in the context of exemplary embodiments as a separate premature chen the present DC signals to be understood. copies of the detection signal.
  • the term “broadband” or “broadband detection” is intended to indicate that the detector can detect electromagnetic waves not only in the immediate vicinity of a single wavelength, but over an interval of frequencies.
  • the broadband detection is initially made possible here by the broadband receiving antennas.
  • the antennas convert the electromagnetic waves into electrical antenna signals that are fed into the opto-electronic mixers.
  • the electrical antenna signals produce output signals which, on the one hand, the detection signal with the information content of the received electromagnetic waves and
  • the detection signal is composed in a manner corresponding to the received electromagnetic waves from at least one, but generally from a superposition of several waves, the frequencies of which are within an interval.
  • the associated waves in a detection signal component of the output signal of the first opto-electronic mixer and in a detection signal component of the output signal of the second opto-electronic mixer are obtained phase-shifted by half a wavelength relative to one another.
  • waves of the output signals, which represent correlated noise do not have such a phase shift.
  • the detection signals therefore add up in the difference between the output signals, while the correlated noise is canceled out.
  • the broadband phase shift of the detection signals is made possible by a suitable geometry of the antennas or by a suitable phase shift in the light of the laser beams.
  • the opto-electronic mixers are designed as photoconductors or photodiodes, e.g. as ultra-fast components (can be operated in the THz frequency range).
  • the interval of frequencies comprises at least half an octave or one or two octaves or at least a range around a mean frequency which extends from half the value of the mean frequency to twice the value of the mean frequency.
  • the antennas are designed as butterfly antennas. Such butterfly antennas, in particular in an embodiment as a spreading dipole, enable broadband detection.
  • the antennas are each designed to receive a polarization component of the electromagnetic waves, the polarization component received by the first antenna being orthogonal to the polarization component received by the second antenna.
  • Separate reception of two orthogonal polarization components of the electromagnetic waves can be achieved in particular by arranging butterfly antennas at right angles, which each receive one of the two orthogonal linear polarizations.
  • the first antenna is designed to forward the received electromagnetic waves as a first antenna signal to the first opto-electronic mixer
  • the second antenna is designed to transmit the received electromagnetic waves as a second antenna signal to the second To pass on opto-electronic mixer, so that the antenna signals in each wavelength are phase-shifted relative to one another by half a wavelength when they are passed on.
  • an asymmetrical antenna structure can be used, for example, which is designed to generate two antenna signals from the received electromagnetic waves that are phase shifted by 180 degrees relative to one another.
  • the design of the antennas for broadband phase shifting requires a specially calibrated geometry.
  • this design can be achieved by a design as a spreading dipole with asymmetrical selection for the opening angle and length of antenna wings or resonant elements of the antenna, and / or with a choice of a permittivity of a transmission line, which a speed of propagation of one of The electromagnetic wave of a certain frequency received by the antenna is determined on its way to a feed point at which the antenna signal is passed on to one of the opto-electronic mixers.
  • the opto-electronic mixers are arranged spatially so close that only a single laser beam illuminates both opto-electronic mixers.
  • the laser light serves as a local oscillator in each of the opto-electronic mixers, which can easily be kept in phase oscillation by using only one laser beam.
  • the term “laser light” should not necessarily refer to the visible spectral range, but rather encompass all wavelengths - in particular also the infrared (IR) spectral range - that a laser can generate.
  • the antennas can also be designed to pass the electromagnetic waves on to the opto-electronic mixer as antenna signals without a relative phase shift.
  • the first opto-electronic mixer is illuminated by a first laser beam and the second opto-electronic mixer is illuminated by a second laser beam.
  • the device for providing the two laser beams is then designed to form the first laser beam by superimposing a first laser light of a first wavelength and a second laser light of a second wavelength.
  • the second laser beam is also formed by the device by superimposing the first and second laser light.
  • the first laser light strikes the two opto-electronic mixers with a first relative phase shift and the second laser light strikes the two opto-electronic mixers with a second relative phase shift, so that the difference between the first and second phase shifts is approximately 180 degrees or half a wavelength.
  • the balanced detector can comprise a phase shift device which is designed to adjust the relative phase shift by approximately 180 degrees for the first laser beam (or first laser light) at the first opto-electronic mixer relative to the second laser beam (or second laser light) to effect the second opto-electronic mixer.
  • the laser beams cause phase-shifted vibrations of the conductivity in the two opto-electronic mixers, which for an interval of frequencies occurring in the detector signal result in a phase shift of half a wavelength between a detection signal component in the output signal of the first opto-electronic Mixer and a detection signal component in the output signal of the second opto-electronic mixer leads.
  • the broadband capability with regard to the phase shift of the terahertz signal is achieved in that the phase shift already takes place in the laser signal first laser light is provided in the second laser beam. After superimposing the second laser light, the phase shift of around 180 ° is transferred to the beat, which serves as a local oscillator for the first opto-electronic mixer.
  • phase shift of about 180 ° in the detection components is in particular independent of frequency as long as the frequency of the second, phase-shifted laser light is not or only slightly detuned (eg less than 10% of the laser frequency). It is important to have a very good control of all path lengths.
  • An elegant implementation option is, for example, an optically or photonic integrated circuit (English photonic integrated circuit PIC).
  • the invention also relates to a method for broadband noise-suppressing detection of electromagnetic waves in an interval of frequencies from a range between 50 GHz and 10 THz.
  • the method comprises the following steps: providing at least one laser beam for two opto-electronic mixers;
  • the step of providing includes providing a first laser beam and providing a second laser beam
  • the method further includes the following step: forming a relative phase shift of approximately 180 degrees for the first laser beam at the first optoelectronic mixer relative to the second laser beam on the second opto-electronic mixer.
  • Broadband reception is optionally carried out using an asymmetrical antenna structure, the asymmetrical antenna structure being designed to generate two antenna signals from the received electromagnetic waves which are phase-shifted by 180 degrees relative to one another.
  • This method is carried out first by using antennas which are designed as described above and also in the figures to broadband the two antenna signals - in the interval of frequencies of the electromagnetic wave - with a relative phase shift of half a wavelength to the to pass on opto-electronic mixer.
  • antennas which are designed as described above and also in the figures to broadband the two antenna signals - in the interval of frequencies of the electromagnetic wave - with a relative phase shift of half a wavelength to the to pass on opto-electronic mixer.
  • Such a design is made possible in particular by a suitable geometry of the antennas.
  • the opto-electronic mixers can advantageously be arranged close enough to both of them being illuminated by a single laser beam.
  • an in-phase conductivity oscillation can be produced in the opto-electronic mixers, which as a local oscillation through heterodyne or homodyne mixing with the antenna signals leads to two output signals of the opto-electronic mixer, each of which executes a copy of one
  • the detection signals emanating from the antenna signals or the electromagnetic waves are then phase-shifted by half a wavelength at least within the interval of frequencies. pushed forward.
  • this does not apply to the noise components contained in the output signals.
  • correlated noise components - especially those which are caused by intensity fluctuations of the at least one laser beam - are present in phase in the two output signals within the scope of a measurement and / or execution accuracy. Difference between the output signals therefore leads to balanced detection.
  • the method can also be carried out if the first and second antenna signals are phase-correlated - in particular in phase - are transferred to the opto-electronic mixer (for example, by a symmetrical design of the antennas), and if two laser beams are used to each time one of the opto -Lighting the electronic mixer and providing the laser beams comprises the following steps:
  • - Providing a first laser light with a first wavelength and a second laser light with a second wavelength. - Splitting the first laser light into a first beam of the first wavelength and a second beam of the first wavelength, and splitting the second laser light into a first beam of the second wavelength and a second beam of the second wavelength. Such splits and merges can in particular take place by means of fiber couplers.
  • phase in the first ray of the first wavelength is to be understood as being relative to the phases of the other three beams, in particular the phase of the first wave length of the second beam; the other three rays are not shifted in this sense.
  • the shift advantageously comprises half a wavelength.
  • the phase can be controlled, for example, by a photonic integrated circuit (PIC).
  • the two laser beams are each used to irradiate an opto-electronic mixer and cause phase-shifted local conductivity oscillations there. Mixing with the phase-correlated antenna signals also produces two output signals from the optoelectronic mixer in which the copies of the detector signal are broadband out of phase by about 180 °, but the noise components are not.
  • the laser sources for generating the laser beams are not necessarily parts of the detector.
  • exemplary embodiments can also have one or two laser sources that generate the first and / or second laser beam.
  • Advantages of embodiments of the present invention consist in a balanced detection of terahertz waves over at least half an octave with a single receiving structure which is connected to two photoconductors or photodiodes.
  • detectors for photoconductive mixers according to the state of the art in improved sensitivity at the same cost and in the possibility of carrying out experiments with so-called “squeezed states” of a quantum mechanical nature in the terahertz range.
  • Detectors presented here can also be easily scaled for a detection of frequencies in the range of a few gigahertz up to a detection of frequencies in the range of a few terahertz, and are primarily used
  • Line is only determined by the required size of photoconductive elements for the absorption of laser power for the opto-electronic mixture.
  • the exemplary embodiment described above which includes an asymmetrical antenna structure for setting up a broadband phase shift in the antenna signals, can be implemented in a very compact manner, in particular due to the nearby opto-electronic mixer and the integration of the antennas, in combination with a relatively wide frequency coverage (at least half a linguistice).
  • the opto-electronic mixers can be arranged so close to one another that they can be illuminated by a single laser beam. This guarantees an identical one through intensity fluctuations Noise caused by the laser beam in the two optoelectronic mixers.
  • the two opto-electronic mixers can be operated, for example, by signals from laser diodes, which do not require any further amplification.
  • the exemplary embodiment also described above which is characterized by symmetrical antennas and a phase shift in a laser light used to form two laser beams, can be easily combined with PIC and can also be implemented in a compact manner.
  • the combination with PIC allows precise control of path lengths and phases of all laser signals involved.
  • the identical design of the antennas can guarantee their same function, which broadband leads to a very pure elimination of
  • the antennas and the opto-electronic mixers can be attached in or on a substrate together, for example with further electrical lines and electrodes and / or with optical waveguides or elements of integrated optics (for example as PIC).
  • FIG. 1 illustrates an exemplary embodiment of a balanced detector for broadband noise-suppressing detection in the THz range.
  • FIG. 2 shows an example of an asymmetrical design of the antennas of a balanced detector, by means of which a broadband phase shift is achieved in the output signals of the antennas.
  • FIG. 3 shows simulation data for a phase shift in the far field of two antennas according to the exemplary embodiment of FIG.
  • FIG. 4 shows a further example of an asymmetrical design of the antennas of a balanced detector, by means of which a broadband phase shift is achieved in output signals that result from orthogonally polarized components of a received electromagnetic wave.
  • FIG. 5 shows simulation data for a phase shift in the far field of two antennas according to the exemplary embodiment from FIG. 4.
  • FIG. 6A shows an exemplary embodiment for antennas of a balanced detector according to a basic idea of the antennas shown in FIG. 4, in which the antennas are arranged in different planes.
  • FIG. 6B shows an enlarged detail of the exemplary embodiment shown in FIG. 6A.
  • FIG. 7 illustrates an exemplary embodiment of a balanced detector for broadband noise-suppressing detection in the THz range by introducing a phase shift in a laser used for local oscillation.
  • FIG. 8 shows an exemplary embodiment for antennas of the balanced detector shown in FIG.
  • Fig. 9 shows a further embodiment for antennas of the shown in Figure 7 posed balanced detector.
  • FIG. 10 shows a method for a balanced, broadband, noise-suppressing detection in the THz range.
  • FIG. 1 shows a further method for a balanced, broadband, noise-suppressing detection in the THz range.
  • Fig. 1 illustrates an embodiment of the present invention.
  • a diagram of the detector is shown in cross section.
  • Electromagnetic waves 50 with frequencies from an interval of frequencies in a range from 50 GHz to 10 THz impinge on a first antenna 110 and a second antenna 120.
  • Antennas 110, 120 are designed for broadband detection, which is shown in the figure by Representation of three waveforms of different wavelengths should be clarified.
  • the first antenna 110 forwards the received electromagnetic waves 50 to a first opto-electronic mixer 210.
  • the second antenna 120 forwards the received electromagnetic waves 50 to a second opto-electronic mixer 220.
  • the antennas 110, 120 and the opto-electronic mixers 210, 220 are attached to and / or in a substrate 70.
  • the figure also shows two laser beams 310, 320, the first laser beam 310 impinging on the first opto-electronic mixer 210 and the second laser beam 320 impinging on the second opto-electronic mixer.
  • the laser beams 310, 320 are provided by a device 300.
  • the opto-electronic mixers 210, 220 are close to one another, the opto-electronic mixers 210, 220 are advantageously only illuminated by a single laser beam.
  • the laser beams 310, 320 then apply mutatis mutandis to these only one laser beam.
  • the advantages of the individual laser beam are a phase control and a correlation of one Noise caused by intensity fluctuations of the laser beam in the two opto-electronic mixers 210, 220.
  • the laser beams 310, 320 can in particular be superimpositions of two monochromatic laser beams with two different frequencies f 1 and f 2 , wherein the difference between the two frequencies can generate a beating of the intensity with a frequency in the terahertz range.
  • a conductivity in the opto-electronic mixers 210, 220 changes with the frequency of the Beat. This oscillation of conductivity can be used as a local oscillator.
  • the first optical mixer 210 produces an output signal 410 and the second opto-electronic mixer 220 produces an output signal 420.
  • Frequencies of the electromagnetic waves 50 are reduced to correspondingly lower frequencies in the output signals nals 410, 420 transmitted.
  • the output signals 410, 420 are shown schematically in the right-hand side of the figure by waveforms along an arrow symbolizing a time profile. Both output signals 410, 420 each contain the detection signal corresponding to electromagnetic waves 50, shown here in detection signal components 413 in output signal 410 and 423 in output signal 420 Wave shapes should be made clear. In addition to the detection signal components 413, 423, the output signals 410, 420 include a proportion of correlated noise, represented in the figure by which the individual waveform 415 in the output signal 410 and the waveform 425 in the output signal 420 include different frequencies.
  • the detection component 413 is phase-shifted by half a wavelength with respect to the detection component 423 in each frequency, during the Noise component 415 is present in phase with respect to noise component 425 in every frequency.
  • the detection signal is amplified, while the noise components 415 and 425 cancel each other out.
  • 2 shows an embodiment of an asymmetrical antenna structure with two antennas 110, 120 in proportions true to scale, a boundary area between the two antennas 110, 120 also being shown enlarged.
  • the geometry of the antennas 110, 120 results in a phase shift of half a wavelength between antenna signals.
  • the first antenna 110 is connected to the first opto-electronic mixer 210 via a connection 111 and the second antenna 120 is connected to the second opto-electronic mixer 220 via a connection 121; the opto-electronic mixers 210, 220 are located behind the antennas 110, 120 and are not shown here.
  • the opto-electronic mixers 210, 220 are embedded in a substrate 70, on which the two antennas 110, 120 are also applied. Together with the antennas 110, 120 and the opto-electronic mixers 210, 220, electrical lines, electrode structures and photoconductive structures for forwarding and forwarding antenna and output signals as well as laser light can also be embedded in the substrate 70, which here too are not shown.
  • a silicone lens 500 (not shown) for focusing electromagnetic waves 50 on the antennas 110, 120 can also be attached above the antennas 110, 120.
  • the opto-electronic mixers 210, 220 are advantageously attached so close to one another that they can be illuminated with a single laser beam 310 (which is not shown here and can in particular impinge on the substrate 70 from the opposite side). As a result, uncontrolled fluctuations occur in the intensity of the laser light, which oscillates, for example, with a THz frequency, in the two opto-electronic mixers 210, 220 at the same time and in particular in a correlated manner.
  • the antennas no, 120 are designed as broadband receiving dipole or butterfly-like antennas or spreading dipole-like.
  • Butterfly antennas receive essentially linearly polarized electromagnetic waves, which are passed on as antenna signals via the connections 111, 121 to the optoelectronic mixers 210, 220.
  • the antennas 110, 120 in the area of the opto-electronic mixers 210, 220 form contact fingers which are formed on the resonant elements 112, 113, 122, 123 and interlock. This is done, for example, in such a way that a contact finger of the element 113 grips between two contact fingers of the element 112.
  • a contact finger of the element 123 can grip between two contact fingers of the element 122.
  • Electromagnetic waves 50 are received by the two antennas 110, 120 in phase.
  • the asymmetrical design of the antennas 110, 120 results in a relative phase difference in the antenna signals at the connections 111, 121. 122, 123 of the second antenna 120 via the connections 111 and 121, respectively, to the opto-electronic mixers 210 and 220 and is part of the antenna structure.
  • the phase difference depends on the different distances that a received electromagnetic wave 50 has to cover via the transmission line 130 to the opto-electronic mixers 210, 220.
  • phase velocity v ph of a propagation in the transmission line 130 results from from the speed of light c in vacuo, and a relative permittivity ⁇ r of the material of the transmission line 130.
  • the phase velocity can Together with the resonant elements 112, 113, 122, 123 zuordenba- ren medium frequency f c for determining a first approximation of a the necessary length difference d of the transmission line 130 in the two antennas 110, 120 can be used for the phase difference:
  • the geometry of the antennas 110, 120 can be optimized and any interference with other line electronics embedded in the substrate 70 (not shown here) can be suppressed.
  • a relative permittivity c r 12.5
  • lengths h and l of 215 pm each and a transmission line width w of 10 pm an optimal value of 150 pm for the length difference d results.
  • 3 shows simulation data of a far field of the two antennas 110, 120 operated as emitters from the exemplary embodiment of FIG. 2 for an in-phase supply of the two antennas 110, 120 of the first antenna 110 and an amplitude 129 of a pulse of electromagnetic waves from the second antenna 120 in arbitrary units (aE) over time in pico-
  • the pulses include wavelengths with frequencies in an interval of approximately 107 GHz around a mean frequency of approximately 268 GHz.
  • the amplitudes 119, 129 show an almost constant phase shift of 180 degrees, or a shift by approximately half a wavelength for the interval of the wavelengths contained in the pulses.
  • the phase shift P (in degrees) as a function of the frequency / (in GHz) is shown in an embedded graph 10 for this purpose. As can be seen from the embedded graph 10, a maximum deviation of 53 0 from the phase shift of 180 0 occurs at the edges of the illustrated interval of frequencies.
  • this deviation compared with an exact shift of 180 0 , still allows a recovery of the pulse of 89.6%.
  • the deviation from the shift by 180 ° varies for different angles of the far field, but angles other than the maximum antenna alignment contribute less to the signal, so that when the antenna is operated as a receiver in the opposite direction, a phase shift of the antenna signals is sufficiently close at half a wavelength over at least half an octave
  • Frequency interval can be achieved.
  • FIG. 4 shows a further exemplary embodiment for two antennas 110, 120 in true-to-scale proportions, a boundary area between the two antennas 110, 120 also being shown enlarged.
  • a phase shift of half a wavelength between the antenna signals is also achieved here by a geometry of the antennas 110, 120.
  • the antennas 110, 120 are again attached to a substrate 70 as dipole-like or butterfly-like or spreading-dipole-like structures that receive broadband.
  • the two antennas 110, 120 are at right angles to one another, similar to a crossed dipole arrangement, so that the first antenna 110 absorbs a linear polarization component of the electromagnetic wave 50 that is orthogonal to the second antenna 120.
  • One advantage of this design is its rotational symmetry, which can be used to produce rotationally symmetrical patterns. As can be seen from the enlarged illustration, the antennas 110,
  • the opto-electronic mixers 210, 220 again contact fingers, which are formed on the resonant elements and mesh with one another.
  • the configuration is similar to the arrangement in FIG. 2. It differs, however, in that the two resonant elements 112, 122 (alternatively it could also be the elements 113, 123) of the first and second Antenna no, 120 are short-circuited (eg connected to ground or another potential). This is not mandatory, but it simplifies the arrangement of the exemplary contact fingers.
  • the contact can be made on one level, for example in that the short-circuited connection has two contact fingers, one of which extends between two contact fingers of the resonant element 123 and the other extends between two contact fingers of the resonant element 113.
  • the electromagnetic waves 50 are received, an alternating field is again formed between the contact fingers, which acts on a substrate 70 underneath, in which the opto-electronic mixers 210, 220 are formed, and is thus mixed with the laser light.
  • Photoconductive elements of the opto-electronic mixers 210, 220 connected to the antennas 110, 120 and not shown here are advantageously illuminated again with just a single laser beam, the laser beam including the conductivity of the opto-electronic mixers 210, 220 through a laser signal one frequency modulated.
  • An electromagnetic wave of frequency is received by the two antennas 110, 120 and passed on to the optical mixers 210, 220 as an antenna signal with a relative phase shift of half a wavelength.
  • Fig. 5 shows simulation data for a comparison of a time curve between see two pulses which occur from antennas 110, 120 according to the exemplary embodiment shown in FIG. 4 in the far field at a point of maximum intensity in the directional characteristic of the antennas.
  • the two pulses are linearly polarized and orthogonal to one another.
  • the time domain simulation corresponds to a frequency range from 400 to 500 GHz.
  • An amplitude 119 of the pulse from the first antenna 110 and an amplitude 129 of the pulse from the second antenna are plotted in arbitrary units against time in picoseconds (ps).
  • FIG. 6A shows an exemplary embodiment for antennas 110, 120 of a shape similar to that in FIG.
  • the resonant element 112 of the antenna 110 is highest and is separated from the other resonant element 113 of the antenna 110 and from the second antenna 120 by a dielectric layer 600 transparent to the electromagnetic waves 20 to be received (not shown here).
  • FIG. 6B shows an enlarged view of the connection area of the antennas 110, 120 to the underlying opto-electronic mixers 210, 220, not shown in the figure.
  • the resonant elements do not need to be short-circuited here to become.
  • the first and second antennas 110, 120 are arranged, for example, on different levels and isolated from one another by a dielectric layer 600.
  • a contact finger of the resonant element 112 of the first antenna 110 engages between the contact finger of the resonant element 113 of the first antenna 110, and a contact finger of the resonant element 122 of the second antenna 120 between the contact finger of the resonant element 123 of the second antenna 120 resonant element - for example the resonant element 112 of the first antenna 110 - lie above the dielectric layer 600, while the other elements are arranged below the dielectric layer 600, the resonant element 112 breaking through the dielectric layer in the area of the contact finger.
  • the first antenna 110 can be arranged above and the second antenna 120 below the dielectric layer 600.
  • a first antenna 110 and a second antenna 120 are applied to a substrate 70 under a dielectric lens 500.
  • the lens 500 is used to focus electromagnetic waves 50 (not shown here) onto the antennas 110, 120.
  • a first optoelectronic unit 210 connected to the first antenna 110 and a second opto-electronic unit 210 connected to the second antenna are embedded in the substrate 70 120 connected opto-electronic unit 220.
  • the first opto-electronic unit 110 is illuminated by a first laser beam 310 and the second opto-electronic unit 120 is illuminated by a second laser beam 320.
  • the laser beams 310, 320 are provided by a device 300. Both laser beams 310, 320 are created here by superimposing laser light 335 of a first frequency / 1 from a laser 330 and laser light 345 of a second frequency f 2 from a laser 340.
  • the laser light 335 and the laser light 345 are each split (for example by optical fiber couplers) and spatially superimposed.
  • a first component of the first laser light 335 is phase-shifted by half a wavelength with respect to the other components of the laser light 335, 345;
  • Such a phase shift can be achieved with a known phase shift device (for example an optical phase shifter) 350.
  • the optical lengths of the individual paths can, for example, be such that they are all the same length.
  • the first portion of the first laser light 335 is then superimposed with a first portion of the second laser light 345, so that the first laser beam 310 is produced. Likewise, a second portion of the first laser light 335 is superimposed with a second portion of the second laser light 345, and the second laser beam 320 is thus formed. Due to the different fre- In the two laser beams 310, 320, an intensity oscillation with one frequency is created in each case .
  • the impact of the laser beams 310 and 320, respectively, results in modulations of a conductivity or a charge carrier density due to the power modulation.
  • E 2 0 on the right-hand side of the equations is proportional to fluctuations in the intensity of the laser beams 310, 320 and contributes to the generation of noise in the opto-electronic mixers 210, 220.
  • the time-variable portion of the charge carrier densities n 1 (t) and n 2 (t) are now phase-shifted by p, i.e. 180 0.
  • Mixing with antenna signals of the amplitude results in a first output signal nal 410 of the first opto-electronic mixer 210 and as a second output signal 420 of the second opto-electronic mixer 220 (the output signals 410, 420 are not shown in the figure) with currents I 1 and / 2
  • FIGS. 8 and 9 show two examples of possible antenna shapes.
  • FIG. 8 shows an exemplary embodiment for antennas 110, 120 of a shape similar to the exemplary embodiment in FIG. 2, but with the same dimensions for both antennas 110, 120.
  • This antenna shape is suitable for use in an exemplary embodiment according to FIG.
  • the antennas do not lead to a relative phase shift between their output signals.
  • An advantageous shape is therefore a suitable opening angle for the resonant elements of the antennas 110, 120 in order to ensure that the antennas 110, 120 are used as frequency-independent as possible.
  • Advantageous compared to the embodiment according to FIG. 2 is a more broadband reception for the antennas 110 shown here, for example extending over at least a decade
  • the design of the lengths l and h has an influence on the possible bandwidth of the antenna reception.
  • the distance w between the resonant elements of the antennas 110, 120 should advantageously be small compared to the wavelengths to be received by the antennas 110, 120.
  • FIG. 9 shows an exemplary embodiment for antennas 110, 120 of a shape similar to the exemplary embodiment in FIG. 4, but with the same dimensions for both antennas 110, 120.
  • Detector shown in FIG. 7 is suitable.
  • One advantage of the embodiment shown here is the reception of two orthogonal linear polarizations by the two antennas 110, 120.
  • FIG. 10 shows steps of a method for broadband noise-suppressing detection of electromagnetic waves 50 in an interval of fre- sequences from a range between 50 GHz and 10 THz.
  • Reference numbers which do not directly serve to designate steps correspond to reference numbers from previous figures.
  • the method initially comprises providing S10 at least one laser beam 310, 320 for two opto-electronic mixers 210,
  • a single laser beam 310 can be used to operate two opto-electronic mixers 210, 220 arranged close to one another at the same time.
  • the method then includes broadband reception S20 of the electromagnetic waves 50 by a first antenna 110 and a second antenna 120, the electromagnetic waves 50 leading to a first antenna signal from the first antenna 110 and to a second antenna signal from the second antenna 120 .
  • an asymmetrical design of the antennas 110, 120 as shown in one of FIGS. 2, 4 or 6 can be used Forward opto-electronic mixer 210, 220.
  • the method then comprises a mixing S30 of the first antenna signal in the first opto-electronic mixer 210 and the second antenna signal in the second opto-electronic mixer 220 with the at least one laser beam 310, 320, so that a first output signal 410 of the first opto-electronic Mixer 210 and a second output signal 420 of the second opto-electronic mixer 220 each contain a copy 413, 423 of a detection signal which is phase-shifted by half a wavelength in the interval of frequencies.
  • the phase shift in copies 413, 423 of the detection signal results from the phase shift of the antenna signals.
  • FIG. 11 shows steps of a method for broadband noise-suppressing detection of electromagnetic waves 50 in an interval of frequencies from a range between 50 GHz and 10 THz, as can be carried out in particular with a detector according to FIG.
  • Reference numbers which do not directly serve to designate steps correspond including reference numbers from previous figures.
  • a first step comprises providing a first laser light 335 with a first wavelength and a second laser light 345 with a second wavelength.
  • a second step includes a control S200 of a phase of the laser light 335, 345. At least relative phases of the laser light 335, 345 are advantageously controlled until they strike opto-electronic mixers 210, 220. Such a control can be implemented, for example, by guiding the laser light 335, 345 via optically or photonically integrated circuits (PIC).
  • a further step comprises a splitting S300 of the first laser light 335 into a first beam of the first wavelength and a second beam of the first wavelength, and splitting of the second laser light 345 into a first beam of the second wavelength and a second beam of the second wavelength. Splitting and merging of laser light can be done, for example, by optical fiber couplers or in a PIC. In one of the rays - here specifically the first
  • Beam of the first wavelength - the phase is now shifted S400 so that the envelopes of the resulting mixed laser beams 310 and 320 are phase-shifted by 180 °. This can be done, for example, by a phase shift by a half-integer value of the wavelength of the beam. This shift is to be understood as relative to the phases of the other three rays; the other three rays are not shifted in this sense.
  • the first beam of the first wavelength and the first beam of the second wavelength are then superimposed S500 to form a first laser beam 310, and the second beam of the first wavelength and the second beam of the second wavelength to form a second laser beam 320.
  • the two laser beams 310, 320 are now used for an irradiation S600 of an opto-electronic mixer 210, 220 in each case.
  • the electromagnetic waves 50 are received S700 in two broadband antennas 110, 120.
  • the received electromagnetic waves 50 are converted into electrical antenna signals in the antennas 110, 120.
  • the first antenna 110 forwards its antenna signal to the first opto-electronic mixer 210 and the second antenna 120 forwards its antenna signal to the second opto-electronic mixer 220.
  • the Antenna signals relative to one another for wavelengths of the received electromagnetic waves 50 advantageously do not have a relative phase difference when they arrive in the opto-electronic mixers 210, 220.
  • the method then includes a balanced detection S800 of the electromagnetic waves 50 by forming a difference between a first output signal 410 of the first opto-electronic mixer 210 and a second output signal 420 of the second opto-electronic mixer 220.

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Abstract

A balanced detector for broadband noise-suppressing detection of electromagnetic waves (50) in an interval of frequencies from a range of between 50 GHz and 10 THz comprises: A first antenna (110) and a second antenna (120) configured to receive the electromagnetic waves (50) in the interval of frequencies; further a first optoelectronic mixer (210) and a second optoelectronic mixer (220) and also a device (300) for providing at least one laser beam (310, 320) for the first optoelectronic mixer (210) and for the second optoelectronic mixer (220). The first optoelectronic mixer (210) is configured to output a first output signal (410) on the basis of mixing the electromagnetic waves (50) received by the first antenna (110) and the at least one laser beam (310, 320), and the second optoelectronic mixer (220) is configured to output a second output signal (420) on the basis of mixing the electromagnetic waves (50) received by the second antenna (120) and the at least one laser beam (310, 320). The first output signal (410) and the second output signal (420) each comprise a copy (413, 423) of a detection signal, and the two copies (413, 423) in wavelengths of the detection signal are present in a manner phase-shifted respectively by 180 degrees.

Description

Balancierter Detektor für breitbandige rauschunterdrückende Detektion Balanced detector for broadband noise-suppressing detection
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen balancierten Detektor und ein Verfahren für eine breitbandige rauschunterdrückende Detektion elektromagne- tischer Wellen sowie insbesondere auf eine balancierte Photomischer- Architektur für eine Terahertz-Detektion mit verbesserter Rauscheffizienz. The present invention relates to a balanced detector and a method for broadband noise-suppressing detection of electromagnetic waves and, in particular, to a balanced photomixer architecture for terahertz detection with improved noise efficiency.
HINTERGRUND BACKGROUND
Zur Detektion von elektromagnetischen Wellen mit Frequenzen zwischen etwa 50 Gigahertz (GHz, io^ Hz) und etwa 10 Terahertz (THz, 1012 Hz) können als opto-elektronische Mischer oder Photomischer oder Photoleiter oder andere optisch gesteuerte Bauelemente wie Phototransistoren bezeichnete Halbleiter- bauelemente verwendet werden. Auch nicht-halbleiterbasierte Bauelemente wie z.B. Graphen-basierte opto-elektronische Mischer können verwendet werden. Dazu werden beispielsweise zwei gleichpolarisierte Dauerstrich-Laserstrahlen mit einem Frequenzunterschied im Bereich der zu detektierenden elektromag- netischen Wellen benutzt, die räumlich überlagert werden und auf einen solchen opto-elektronische Mischer auftreffen. Das Laserlicht verändert die Leitfähigkeit des Halbleiters periodisch mit der Frequenz der aus der Überlagerung resultie- renden Schwebung. Diese Leitfähigkeitsschwingung wird als lokale Oszillation genutzt, um je nach Anwendung zum Zweck einer homodynen oder heterodynen Detektion mit den durch eine Antenne aufgenommenen und zu einem Strom im Halbleiterbauelement führenden elektromagnetischen Wellen vermischt zu werden. Der daraus resultierende oszillierende Strom stellt das Ausgangssignal des Detektors dar. For the detection of electromagnetic waves with frequencies between about 50 gigahertz (GHz, io ^ Hz) and about 10 terahertz (THz, 10 12 Hz), semiconductor components called opto-electronic mixers or photomixers or photoconductors or other optically controlled components such as phototransistors can be used be used. Non-semiconductor-based components such as graphene-based opto-electronic mixers can also be used. For this purpose, for example, two co-polarized continuous wave laser beams with a frequency difference in the range of the electromagnetic waves to be detected are used, which are spatially superimposed and impinge on such an opto-electronic mixer. The laser light changes the conductivity of the semiconductor periodically with the frequency of the beat resulting from the superposition. This conductivity oscillation is used as a local oscillation in order to be mixed, depending on the application, for the purpose of homodyne or heterodyne detection with the electromagnetic waves picked up by an antenna and leading to a current in the semiconductor component. The resulting oscillating current represents the output signal of the detector.
Eine weitgehende Eliminierung von Rauschen als Störquelle ist ein wichtiger Qualitätsaspekt von Detektoren. Photomischer sind hochsensitive THz- Detektoren mit Rauschgrenzen im Bereich einiger femto-Watt pro Hertz (fW /Hz) bei Raumtemperatur. Das Laserlicht führt darüber hinaus in erster Linie durch Intensitätsschwankungen zu einem zusätzlichen Rauschen. Insbe- sondere dieses durch das Laserlicht sowie durch unerwünschte Streufelder ver- ursachtes Rauschen besitzt dabei autokorrelierte Anteile, welche im Unterschied zu fundamentalen Rauschanteilen im Prinzip eliminierbar sind. Ein Verfahren zur Eliminierung von Rauschen besteht in der balancierten (oder symmetrischen) Detektion. Das Verfahren basiert auf dem Grundgedanken, zwei Detektoren zum Auffangen desselben Eingangssignals zu verwenden, und durch geeignete Maßnahmen die beiden jeweils einen Eingangs- beziehungsweise De- tektionssignalanteil sowie einen Rauschanteil enthaltenden Ausgangssignale der Detektoren so einzurichten, dass sich in deren Differenz der Detektionssignalan- teil verstärkt und der in den Detektoren korreliert auftretende Rauschanteil eliminiert. Dazu müssen die Detektionssignalanteile in den beiden Ausgangssig- nalen in einer gegebenen Wellenlänge relativ zueinander um 180 Grad bzw. um eine halbe Wellenlänge phasenverschoben vorliegen. Bisher werden insbesondere zwei Ansätze verwendet, um eine balancierte De- tektion im THz-Bereich zur Beseitigung von Rauschen zu realisieren. Extensive elimination of noise as a source of interference is an important quality aspect of detectors. Photomixers are highly sensitive THz detectors with noise limits in the range of a few femto watts per Hertz (fW / Hz) at room temperature. The laser light also performs in the first place Line due to intensity fluctuations to an additional noise. In particular, this noise caused by the laser light and by undesired stray fields has autocorrelated components which, in contrast to fundamental noise components, can in principle be eliminated. One method of eliminating noise is through balanced (or symmetrical) detection. The method is based on the basic idea of using two detectors to collect the same input signal, and using suitable measures to set up the two detectors' output signals containing an input or detection signal component and a noise component so that the difference between them amplifies the detection signal component and the correlated noise component occurring in the detectors is eliminated. For this purpose, the detection signal components in the two output signals have to be phase-shifted relative to one another by 180 degrees or by half a wavelength at a given wavelength. So far, two approaches in particular have been used to achieve balanced detection in the THz range to eliminate noise.
Der erste Ansatz erzeugt die Phasenverschiebung in den Frequenzen des THz- Signals bzw. eines zur Detektion verwendeten lokalen Oszillators höherer Fre- quenz. In einem charakteristischen Beispiel für eine balancierte Detektion nach diesem Ansatz treffen das THz-Signal und ein linear polarisierter Laserstrahl in einer hier die Rolle des lokalen Oszillators übernehmenden Infrarotfrequenz gemeinsam auf einen doppelbrechenden Kristall. Der Kristall induziert eine Änderung der Laserstrahlpolarisation auf eine zum THz-Signal proportionale Weise. Der Laserstrahl passiert nach dem Kristall eine Viertelwellenplatte, durch welche er in eine elliptische Polarisation transformiert wird. Der Grad der Ellip- tizität ist dabei proportional zum THz-Signal. Nach der Viertelwellenplatte spal- tet ein Wollaston-Prisma die beiden orthogonalen zirkularen Komponenten des elliptisch polarisierten Strahls räumlich auf. Die beiden Kopien des Strahls, wel- che das THz-Signal mit einer relativen Phasenverschiebung von 180 Grad ent- halten, werden nun mit je einer Photodiode gemessen und die beiden resultie- renden Photoströme voneinander subtrahiert. The first approach generates the phase shift in the frequencies of the THz signal or a local oscillator of higher frequency used for detection. In a characteristic example of balanced detection according to this approach, the THz signal and a linearly polarized laser beam in an infrared frequency, which here takes on the role of the local oscillator, strike a birefringent crystal together. The crystal induces a change in laser beam polarization in a manner proportional to the THz signal. After the crystal, the laser beam passes through a quarter-wave plate, which transforms it into an elliptical polarization. The degree of ellipticity is proportional to the THz signal. After the quarter-wave plate, a Wollaston prism spatially splits the two orthogonal circular components of the elliptically polarized beam. The two copies of the beam, which contain the THz signal with a relative phase shift of 180 degrees, are now measured with a photodiode each and the two resulting generating photocurrents are subtracted from each other.
Dieses Verfahren kann nicht direkt auf eine Detektion durch Photomischer über- tragen werden. Es müsste eine THz-Viertelwellenplatte in den Weg des THz- Signals vor einem Photomischer angebracht werden, so dass insbesondere auf- grund einer notwendigerweise relativ engen Anpassung der Viertelwellenplatte an die Signalwellenlänge eine breitbandige Detektion ausgeschlossen wäre. Eine optische Viertelwellenplatte im für den Photomischer verwendeten Laserstrahl würde zu nichts führen, da der Photomischer, im Gegensatz zum doppelbre- chenden Kristall, nur intensitätssensitiv ist. Ein ähnliches Prinzip einer balancierten Detektion nach dem ersten Ansatz wird beispielsweise in US4491977A offenbart. Hierbei wird der Phasenunterschied durch geeignete Signallaufwege erreicht. Wiederum ergibt sich lediglich eine schmalbandige Detektionsmöglichkeit. This method cannot be transferred directly to detection by a photomixer. A THz quarter-wave plate would have to be placed in the path of the THz signal in front of a photomixer, so that broadband detection would be excluded, particularly because the quarter-wave plate had to be matched relatively closely to the signal wavelength. An optical quarter-wave plate in the laser beam used for the photomixer would lead to nothing, since the photomixer, in contrast to the birefringent crystal, is only sensitive to intensity. A similar principle of balanced detection according to the first approach is disclosed in US4491977A, for example. The phase difference is achieved by means of suitable signal paths. Again, there is only a narrow-band detection option.
Der zweite Ansatz erzeugt die Phasenverschiebung erst nach einer Demodulati- on in einer Zwischenfrequenz, die deutlich unterhalb des THz- oder Infrarot- bandes im Bereich von Frequenzen elektronischer Schaltkreise liegt. The second approach generates the phase shift only after demodulation in an intermediate frequency that is well below the THz or infrared band in the range of frequencies of electronic circuits.
Zusammengefasst liegen Probleme bisher verwendeter Detektoren für THz- Strahlung insbesondere in der Schmalbandigkeit der Detektoren und/oder in der Notwendigkeit einer vorangehenden Demodulation zu niedrigeren Zwi- schenfrequenzen. In summary, the problems of previously used detectors for THz radiation lie in particular in the narrow band nature of the detectors and / or in the need for a previous demodulation to lower intermediate frequencies.
Es besteht somit ein Bedarf nach einem Detektor für eine breitbandige balan- cierte Detektion von elektromagnetischen Wellen im Terahertzbereich durch zwei opto-elektronische Mischer, bei gleichzeitiger Unterdrückung des etwa durch Intensitätsschwankungen der als lokale Oszillatoren verwendeten Laser- strahlen, aber auch beispielsweise durch unkontrollierte Streufelder hervorgeru- fenen korrelierten Rauschens. KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG There is therefore a need for a detector for broadband balanced detection of electromagnetic waves in the terahertz range by two opto-electronic mixers, with simultaneous suppression of the laser beams used as local oscillators, for example, as well as uncontrolled stray fields - with no correlated noise. BRIEF DESCRIPTION OF THE INVENTION
Dieses Ziel wird zumindest teilweise durch einen balancierten Detektor nach Anspruch l und ein Verfahren nach Anspruch 9 erreicht. Die abhängigen An- sprüche beziehen sich auf vorteilhafte Weiterbildungen der genannten unabhän- gigen Ansprüche. This object is achieved at least in part by a balanced detector according to claim 1 and a method according to claim 9. The dependent claims relate to advantageous developments of the named independent claims.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen balancierten Detektor für eine breitbandige rauschunterdrückende Detektion elektromagnetischer Wellen in einem Intervall von Frequenzen, welches in einem Bereich zwischen etwa 50 GHz und etwa 10 THz liegt. Der Detektor umfasst zunächst zwei Antennen, die ausgebildet sind, die elektromagnetischen Wellen in dem Intervall von Fre- quenzen (breitbandig) zu empfangen. Weiterhin umfasst der Detektor einen ersten und einen zweiten opto-elektronischen Mischer sowie eine Einrichtung zum Bereitstellen mindestens eines Laserstrahls für die beiden opto- elektronischen Mischer. Der erste opto-elektronische Mischer ist dabei ausgebil- det, um basierend auf einer Mischung der durch die erste Antenne empfangenen elektromagnetischen Wellen mit dem mindestens einen Laserstrahl ein erstes Ausgangssignal zu erzeugen. Der zweite opto-elektronische Mischer ist ausgebil- det, um basierend auf einer Mischung der durch die zweite Antenne empfange- nen elektromagnetischen Wellen mit dem mindestens einen Laserstrahl ein zweites Ausgangssignal zu erzeugen. Dabei umfassen das erste und das zweite Ausgangssignal jeweils eine Kopie eines von den elektromagnetischen Wellen herrührenden Detektionssignals auf eine Weise, dass die beiden Kopien in Wel- lenlängen des Detektionssignals jeweils um 180º Gradphasenverschoben vorlie- gen. Das erste Ausgangssignal und/ oder das zweite Ausgangssignal bzw. die Kopien des Detektionssignals können auch als DC-Signale (Gleichstrom- bzw. Gleich- spannungssignal) vorliegen, wobei in diesem Fall die Phasenverschiebung von 1800 Grad im Rahmen von Ausführungsbeispielen als unterschiedliches Vorzei- chen der vorliegenden DC-Signale verstanden werden soll. Der Begriff „breitbandig“ bzw. „breitbandige Detektion“ soll hierbei darauf hin- weisen, dass der Detektor elektromagnetische Wellen nicht nur in einer unmit- telbaren Nähe einer einzelnen Wellenlänge, sondern über das Intervall von Fre- quenzen detektieren kann. Die breitbandige Detektion wird hier zunächst er- möglicht durch die breitbandig empfangenden Antennen. Die Antennen wan- deln die elektromagnetischen Wellen in elektrische Antennensignale um, die in den opto-elektronischen Mischern zugeführt werden. Durch Mischung mit dem Licht der Laserstrahlen als lokalem Oszillator bewirken die elektrischen Anten- nensignale Ausgangssignale, welche zum einen das Detektionssignal mit dem Informationsgehalt der empfangenen elektromagnetischen Wellen sowieThe present invention relates to a balanced detector for broadband noise-suppressing detection of electromagnetic waves in an interval of frequencies which lies in a range between approximately 50 GHz and approximately 10 THz. The detector initially comprises two antennas which are designed to receive the electromagnetic waves in the interval of frequencies (broadband). Furthermore, the detector comprises a first and a second opto-electronic mixer and a device for providing at least one laser beam for the two opto-electronic mixers. The first opto-electronic mixer is designed to generate a first output signal based on a mixture of the electromagnetic waves received by the first antenna with the at least one laser beam. The second opto-electronic mixer is designed to generate a second output signal based on a mixture of the electromagnetic waves received by the second antenna with the at least one laser beam. The first and the second output signal each include a copy of a detection signal originating from the electromagnetic waves in such a way that the two copies are each 180 ° phase-shifted in wavelengths of the detection signal can also be present as the DC signals (DC or DC voltage signal) in which case the phase shift of 180 0 degrees in the context of exemplary embodiments as a separate premature chen the present DC signals to be understood. copies of the detection signal. The term “broadband” or “broadband detection” is intended to indicate that the detector can detect electromagnetic waves not only in the immediate vicinity of a single wavelength, but over an interval of frequencies. The broadband detection is initially made possible here by the broadband receiving antennas. The antennas convert the electromagnetic waves into electrical antenna signals that are fed into the opto-electronic mixers. By mixing with the light of the laser beams as a local oscillator, the electrical antenna signals produce output signals which, on the one hand, the detection signal with the information content of the received electromagnetic waves and
Rauschanteile enthalten. Das Detektionssignal setzt sich in einer den empfange- nen elektromagnetischen Wellen entsprechenden Weise aus mindestens einer, im allgemeinen jedoch aus einer Überlagerung von mehreren Wellen zusammen, deren Frequenzen innerhalb eines Intervalls liegen. Für die im Detektionssignal auftretenden Frequenzen werden die zugehörigen Wellen in einem Detektions- signalanteil des Ausgangssignals des ersten opto-elektronischen Mischers und in einem Detektionssignalanteil des Ausgangssignals des zweiten opto- elektronischen Mischers relativ zueinander um eine halbe Wellenlänge phasen- verschoben gewonnen. Hingegen weisen Wellen der Ausgangssignale, welche korreliertes Rauschen darstellen, keine solche Phasenverschiebung auf. In der Differenz der Ausgangssignale addieren sich daher die Detektionssignale, wäh- rend sich das korrelierte Rauschen aufhebt. Contain noise components. The detection signal is composed in a manner corresponding to the received electromagnetic waves from at least one, but generally from a superposition of several waves, the frequencies of which are within an interval. For the frequencies occurring in the detection signal, the associated waves in a detection signal component of the output signal of the first opto-electronic mixer and in a detection signal component of the output signal of the second opto-electronic mixer are obtained phase-shifted by half a wavelength relative to one another. In contrast, waves of the output signals, which represent correlated noise, do not have such a phase shift. The detection signals therefore add up in the difference between the output signals, while the correlated noise is canceled out.
Die breitbandige Phasenverschiebung der Detektionssignale wird ermöglicht durch eine geeignete Geometrie der Antennen oder durch eine geeignete Pha- senverschiebung im Licht der Laserstrahlen. The broadband phase shift of the detection signals is made possible by a suitable geometry of the antennas or by a suitable phase shift in the light of the laser beams.
Optional sind die opto-elektronischen Mischer als Photoleiter oder Photodioden ausgeführt, z.B. als ultraschnelle Bauteile (betreibbar in dem THz- Frequenzbereich). Optionally, the opto-electronic mixers are designed as photoconductors or photodiodes, e.g. as ultra-fast components (can be operated in the THz frequency range).
Optional umfasst das Intervall von Frequenzen mindestens eine halbe Oktave oder eine oder zwei Oktaven oder mindestens einen Bereich um eine mittlere Frequenz, welcher von der Hälfte des Werts der mittleren Frequenz bis zum doppelten des Werts der mittleren Frequenz reicht. Optional sind die Antennen als Schmetterlingsantennen ausgeführt. Solche Schmetterlingsantennen, insbesondere in einer Ausführung als Spreizdipol, ermöglichen eine breitbandige Detektion. Optionally, the interval of frequencies comprises at least half an octave or one or two octaves or at least a range around a mean frequency which extends from half the value of the mean frequency to twice the value of the mean frequency. Optionally, the antennas are designed as butterfly antennas. Such butterfly antennas, in particular in an embodiment as a spreading dipole, enable broadband detection.
Optional sind die Antennen jeweils ausgebildet, um jeweils eine Polarisations- komponente der elektromagnetischen Wellen zu empfangen, wobei die Polarisa- tionskomponente, welche die erste Antenne empfängt, orthogonal ist zur Polari- sationskomponente, welche die zweite Antenne empfängt. Optionally, the antennas are each designed to receive a polarization component of the electromagnetic waves, the polarization component received by the first antenna being orthogonal to the polarization component received by the second antenna.
Ein getrenntes Empfangen zweier orthogonaler Polarisationskomponenten der elektromagnetischen Wellen lässt sich insbesondere durch rechtwinklige Anord- nung von Schmetterlingsantennen erreichen, die jeweils eine der beiden ortho- gonalen Linearpolarisationen empfangen. Separate reception of two orthogonal polarization components of the electromagnetic waves can be achieved in particular by arranging butterfly antennas at right angles, which each receive one of the two orthogonal linear polarizations.
Optional ist die erste Antenne ausgebildet, um die empfangenen elektromagneti- schen Wellen als ein erstes Antennensignal an den ersten opto-elektronischen Mischer weiterzugeben, und die zweite Antenne ist ausgebildet, um die empfan- genen elektromagnetischen Wellen als ein zweites Antennensignal an den zwei- ten opto-elektronischen Mischer weiterzugeben, so dass bei der Weitergabe die Antennensignale in jeder Wellenlänge relativ zueinander um eine halbe Wellen- länge phasenverschoben sind. Hierzu kann beispielsweise eine asymmetrische Antennenstruktur genutzt werden, die ausgebildet ist, um aus den empfangenen elektromagnetischen Wellen zwei Antennensignale zu erzeugen, die relativ zuei- nander um 180 Grad phasen verschoben sind. Optionally, the first antenna is designed to forward the received electromagnetic waves as a first antenna signal to the first opto-electronic mixer, and the second antenna is designed to transmit the received electromagnetic waves as a second antenna signal to the second To pass on opto-electronic mixer, so that the antenna signals in each wavelength are phase-shifted relative to one another by half a wavelength when they are passed on. For this purpose, an asymmetrical antenna structure can be used, for example, which is designed to generate two antenna signals from the received electromagnetic waves that are phase shifted by 180 degrees relative to one another.
Die Ausbildung der Antennen zur breitbandigen Phasenverschiebung verlangt eine speziell kalibrierte Geometrie. Für Schmetterlingsantennen kann diese Ausbildung erreicht werden durch eine Ausführung als Spreizdipol mit asym- metrischer Wahl für Öffnungswinkel und Länge von Antennenflügeln bzw. reso- nanten Elementen der Antenne, und/ oder mit einer Wahl einer Permittivität einer Transmissionsleitung, welche eine Geschwindigkeit der Fortpflanzung einer von der Antenne empfangenen elektromagnetischen Welle bestimmter Frequenz auf ihrem Weg zu einem Speisepunkt, an dem das Antennensignal an einen der opto-elektronischen Mischer weitergegeben wird, bestimmt. Optional werden in einer Architektur des balancierten Detektors mit solchen eine breitbandige Phasenverschiebung bewirkenden Antennen die opto- elektronischen Mischer räumlich so nahe angeordnet, dass lediglich ein einzel- ner Laserstrahl beide opto-elektronischen Mischer beleuchtet. Dies stellt neben einer Kompaktheit des Detektors insbesondere sicher, dass ein durch eine schwankende Laserintensität bedingtes Rauschen in beiden opto-elektronischen Mischern korreliert vorliegt. Das Laserlicht dient in den opto-elektronischen Mischern jeweils als lokaler Oszillator, welche durch die Verwendung nur eines Laserstrahls leicht in phasengleicher Schwingung gehalten werden können. Der Begriff „Laserlicht“ soll sich in der vorliegenden Anmeldung nicht zwingend auf den sichtbaren Spektralbereich beziehen, sondern alle Wellenlängen umfassen - insbesondere auch den infraroten (IR) Spektralbereich - die ein Laser erzeugen kann. The design of the antennas for broadband phase shifting requires a specially calibrated geometry. For butterfly antennas, this design can be achieved by a design as a spreading dipole with asymmetrical selection for the opening angle and length of antenna wings or resonant elements of the antenna, and / or with a choice of a permittivity of a transmission line, which a speed of propagation of one of The electromagnetic wave of a certain frequency received by the antenna is determined on its way to a feed point at which the antenna signal is passed on to one of the opto-electronic mixers. Optionally, in an architecture of the balanced detector with such antennas causing a broadband phase shift, the opto-electronic mixers are arranged spatially so close that only a single laser beam illuminates both opto-electronic mixers. In addition to the compactness of the detector, this particularly ensures that noise caused by fluctuating laser intensity is present in a correlated manner in both opto-electronic mixers. The laser light serves as a local oscillator in each of the opto-electronic mixers, which can easily be kept in phase oscillation by using only one laser beam. In the present application, the term “laser light” should not necessarily refer to the visible spectral range, but rather encompass all wavelengths - in particular also the infrared (IR) spectral range - that a laser can generate.
Optional können die Antennen jedoch auch ausgebildet werden, um die elekt- romagnetischen Wellen als Antennensignale ohne eine relative Phasenverschie- bung an die opto-elektronischen Mischer weiterzugeben. In diesem Fall wird der erste opto-elektronische Mischer von einem ersten Laserstrahl und der zweite opto-elektronische Mischer von einem zweiten Laserstrahl beleuchtet. Die Ein- richtung zur Bereitstellung der beiden Laserstrahlen ist dann ausgebildet, um den ersten Laserstrahl durch eine Überlagerung von einem ersten Laserlicht einer ersten Wellenlänge und einem zweiten Laserlicht einer zweiten Wellenlän- ge zu bilden. Auch der zweite Laserstrahl wird durch die Einrichtung durch eine Überlagerung von dem ersten und dem zweiten Laserlicht gebildet. Dabei trifft das erste Laserlicht an den beiden opto-elektronischen Mischern mit einer ers- ten relativen Phasenverschiebung und das zweite Laserlicht an den beiden opto- elektronischen Mischern mit einer zweiten relativen Phasenverschiebung auf, so dass die Differenz der ersten und der zweiten Phasenverschiebung etwa 180 Grad bzw. eine halbe Wellenlänge beträgt. Beispielsweise kann der balancierte Detektor eine Phasenverschiebungseinrichtung umfassen, die ausgebildet ist, um die relative Phasenverschiebung um etwa 180 Grad für den ersten Laser- strahl (oder erstes Laserlicht) an dem ersten opto-elektronischen Mischer relativ zu dem zweiten Laserstrahl (oder zweites Laserlicht) an dem zweiten opto- elektronischen Mischer zu bewirken. Die Laserstrahlen bewirken relativ zueinander phasenverschobene Schwingun- gen der der Leitfähigkeit in den beiden opto-elektronischen Mischern, welche für ein Intervall von im Detektorsignal auftretenden Frequenzen auf eine Pha- senverschiebung um eine halbe Wellenlänge zwischen einem Detektionssig- nalanteil im Ausgangssignal des ersten opto-elektronischen Mischers und einem Detektionssignalanteil im Ausgangssignal des zweiten opto-elektronischen Mi- schers führt. Die Breitbandigkeit bezüglich der Phasenverschiebung des Tera- hertz-Signals wird dadurch erzielt, dass die Phasenverschiebung bereits im La- sersignal erfolgt, wobei das erste Laserlicht des ersten Laserstrahls vor der Über- lagerung mit dem zweiten Laserlicht mit einer Phasenverschiebung von etwa i8o° gegenüber dem ersten Laserlicht im zweiten Laserstrahl versehen wird. Nach der Überlagerung mit dem zweiten Laserlicht überträgt sich die Phasen- verschiebung von etwa i8o° auf die Schwebung, welche als Lokaloszillator für den ersten opto-elektronischen Mischer dient. Die Phasenverschiebung von etwa i8o° in den Detektionsanteilen liegt dabei insbesondere frequenzunabhängig vor, solange die Frequenz des zweiten, phasenverschobenen Laserlichts nicht oder nur geringfügig (z.B. weniger als io% der Laser-Frequenz) verstimmt wird. Wichtig ist hierzu eine sehr gute Kontrolle sämtlicher Pfadlängen. Eine elegante Realisierungsmöglichkeit besteht beispielsweise in einer optisch bzw. photo- nisch integrierten Schaltung (Englisch photonic integrated Circuit PIC). Optionally, however, the antennas can also be designed to pass the electromagnetic waves on to the opto-electronic mixer as antenna signals without a relative phase shift. In this case, the first opto-electronic mixer is illuminated by a first laser beam and the second opto-electronic mixer is illuminated by a second laser beam. The device for providing the two laser beams is then designed to form the first laser beam by superimposing a first laser light of a first wavelength and a second laser light of a second wavelength. The second laser beam is also formed by the device by superimposing the first and second laser light. The first laser light strikes the two opto-electronic mixers with a first relative phase shift and the second laser light strikes the two opto-electronic mixers with a second relative phase shift, so that the difference between the first and second phase shifts is approximately 180 degrees or half a wavelength. For example, the balanced detector can comprise a phase shift device which is designed to adjust the relative phase shift by approximately 180 degrees for the first laser beam (or first laser light) at the first opto-electronic mixer relative to the second laser beam (or second laser light) to effect the second opto-electronic mixer. The laser beams cause phase-shifted vibrations of the conductivity in the two opto-electronic mixers, which for an interval of frequencies occurring in the detector signal result in a phase shift of half a wavelength between a detection signal component in the output signal of the first opto-electronic Mixer and a detection signal component in the output signal of the second opto-electronic mixer leads. The broadband capability with regard to the phase shift of the terahertz signal is achieved in that the phase shift already takes place in the laser signal first laser light is provided in the second laser beam. After superimposing the second laser light, the phase shift of around 180 ° is transferred to the beat, which serves as a local oscillator for the first opto-electronic mixer. The phase shift of about 180 ° in the detection components is in particular independent of frequency as long as the frequency of the second, phase-shifted laser light is not or only slightly detuned (eg less than 10% of the laser frequency). It is important to have a very good control of all path lengths. An elegant implementation option is, for example, an optically or photonic integrated circuit (English photonic integrated circuit PIC).
Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren für eine breitbandige rausch- unterdrückende Detektion elektromagnetischer Wellen in einem Intervall von Frequenzen aus einem Bereich zwischen 50 GHz und 10 THz. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: - Bereitstellen von mindestens einem Laserstrahl für zwei opto- elektronische Mischer; The invention also relates to a method for broadband noise-suppressing detection of electromagnetic waves in an interval of frequencies from a range between 50 GHz and 10 THz. The method comprises the following steps: providing at least one laser beam for two opto-electronic mixers;
- breitbandiges Empfangen der elektromagnetischen Wellen durch eine erste Antenne und eine zweite Antenne, wobei die elektromagnetischen Wellen auf ein erstes Antennensignals aus der ersten Antenne und auf ein zweites Antennensignal aus der zweiten Antenne führen; Broadband reception of the electromagnetic waves by a first antenna and a second antenna, the electromagnetic waves leading to a first antenna signal from the first antenna and to a second antenna signal from the second antenna;
- Mischen des ersten Antennensignals im ersten opto-elektronischen Mi- scher sowie des zweiten Antennensignals im zweiten opto-elektronischen Mischer mit dem mindestens einen Laserstrahl, so dass ein erstes Aus- gangssignal des ersten opto-elektronischen Mischers und ein zweites Ausgangssignal des zweiten opto-elektronischen Mischers jeweils eine Kopie eines Detektionssignals enthalten, welche im Intervall von Fre- quenzen um eine halbe Wellenlänge phasenverschoben sind. Mixing of the first antenna signal in the first opto-electronic mixer and the second antenna signal in the second opto-electronic Mixer with the at least one laser beam, so that a first output signal of the first opto-electronic mixer and a second output signal of the second opto-electronic mixer each contain a copy of a detection signal which are phase-shifted by half a wavelength in the interval of frequencies .
Optional umfasst der Schritt des Bereitstellens ein Bereitstellen eines ersten Laserstrahls und ein Bereitstellen eines zweiten Laserstrahls, und das Verfahren umfasst weiter den folgenden Schritt: Ausbilden einer relativen Phasenverschie- bung um etwa 180 Grad für den ersten Laserstrahl an dem ersten opto- elektronischen Mischer relativ zu dem zweiten Laserstrahl an dem zweiten opto- elektronischen Mischer. Optionally, the step of providing includes providing a first laser beam and providing a second laser beam, and the method further includes the following step: forming a relative phase shift of approximately 180 degrees for the first laser beam at the first optoelectronic mixer relative to the second laser beam on the second opto-electronic mixer.
Optional wird das breitbandige Empfangen unter Nutzung einer asymmetri- schen Antennenstruktur ausgeführt, wobei die asymmetrische Antennenstruktur ausgebildet ist, um aus den empfangenen elektromagnetischen Wellen zwei Antennensignale zu erzeugen, die relativ zueinander um 180 Grad phasenver- schoben sind. Broadband reception is optionally carried out using an asymmetrical antenna structure, the asymmetrical antenna structure being designed to generate two antenna signals from the received electromagnetic waves which are phase-shifted by 180 degrees relative to one another.
Eine Durchführung dieses Verfahrens gelingt zunächst durch eine Verwendung von Antennen, welche wie vorangehend und auch in den Figuren beschrieben ausgebildet sind, um die beiden Antennensignale breitbandig - im Intervall von Frequenzen der elektromagnetischen Welle - mit einer relativen Phasenver- schiebung von einer halben Wellenlänge an die opto-elektronischen Mischer weiterzugeben. Eine solche Ausbildung wird insbesondere durch eine geeignete Geometrie der Antennen ermöglicht. Vorteilhafterweise können die opto- elektronischen Mischer nahe genug angeordnet sein, um beide durch einen ein- zelnen Laserstrahl beleuchtet zu werden. Auf diese Weise kann eine phasenglei- che Leitfähigkeitsschwingung in den opto-elektronischen Mischern hervorgeru- fen werden, welche als lokale Oszillation durch heterodyne oder homodyne Mi- schung mit den Antennensignalen auf zwei Ausgangssignale der opto- elektronischen Mischer führt, die jeweils eine Kopie eines aus den Antennensig- nalen bzw. den elektromagnetischen Wellen hervorgegangenen Detektionssig- nals umfassen. Diese Kopien des Detektionssignals liegen dann zumindest in- nerhalb des Intervalls von Frequenzen um eine halbe Wellenlänge phasenver- schoben vor. Für in den Ausgangssignalen enthaltene Rauschanteile trifft dies hingegen nicht zu. Insbesondere sind korrelierte Rauschanteile - besonders solche, welche durch Intensitätsfluktuationen des mindestens einen Laserstrahls hervorgerufen werden - im Rahmen einer Mess- und/ oder einer Ausführungs- genauigkeit phasengleich in den beiden Ausgangssignalen vorhanden. Diffe- renzbildung der Ausgangssignale führt daher auf die balancierte Detektion. This method is carried out first by using antennas which are designed as described above and also in the figures to broadband the two antenna signals - in the interval of frequencies of the electromagnetic wave - with a relative phase shift of half a wavelength to the to pass on opto-electronic mixer. Such a design is made possible in particular by a suitable geometry of the antennas. The opto-electronic mixers can advantageously be arranged close enough to both of them being illuminated by a single laser beam. In this way, an in-phase conductivity oscillation can be produced in the opto-electronic mixers, which as a local oscillation through heterodyne or homodyne mixing with the antenna signals leads to two output signals of the opto-electronic mixer, each of which executes a copy of one The detection signals emanating from the antenna signals or the electromagnetic waves. These copies of the detection signal are then phase-shifted by half a wavelength at least within the interval of frequencies. pushed forward. However, this does not apply to the noise components contained in the output signals. In particular, correlated noise components - especially those which are caused by intensity fluctuations of the at least one laser beam - are present in phase in the two output signals within the scope of a measurement and / or execution accuracy. Difference between the output signals therefore leads to balanced detection.
Optional kann das Verfahren zudem durchgeführt werden, wenn das erste und das zweite Antennensignal phasenkorreliert - insbesondere phasengleich - an die opto-elektronischen Mischer übergeben wird (beispielsweise durch eine symmetrische Ausbildung der Antennen), und wenn zwei Laserstrahlen benutzt werden, um jeweils einen der opto-elektronischen Mischer zu beleuchten, und das Bereitstellen der Laserstrahlen folgende Schritte umfasst: Optionally, the method can also be carried out if the first and second antenna signals are phase-correlated - in particular in phase - are transferred to the opto-electronic mixer (for example, by a symmetrical design of the antennas), and if two laser beams are used to each time one of the opto -Lighting the electronic mixer and providing the laser beams comprises the following steps:
- Bereitstellen eines ersten Laserlichts mit einer ersten Wellenlänge und eines zweiten Laserlichts mit einer zweiten Wellenlänge. - Aufspalten des ersten Laserlichts in einen ersten Strahl der ersten Wel- lenlänge und in einen zweiten Strahl der ersten Wellenlänge, und aufspal- ten des zweiten Laserlichts in einen ersten Strahl der zweiten Wellenlänge und in einen zweiten Strahl der zweiten Wellenlänge. Solche Aufspaltun- gen und Zusammenführungen können insbesondere durch Faserkoppler erfolgen. - Providing a first laser light with a first wavelength and a second laser light with a second wavelength. - Splitting the first laser light into a first beam of the first wavelength and a second beam of the first wavelength, and splitting the second laser light into a first beam of the second wavelength and a second beam of the second wavelength. Such splits and merges can in particular take place by means of fiber couplers.
- Verschieben einer Phase im ersten Strahl der ersten Wellenlänge. Diese Verschiebung ist dabei als relativ zu den Phasen der anderen drei Strah- len, insbesondere der Phase der ersten Wellenläge des zweiten Strahls, zu verstehen; die anderen drei Strahlen werden in diesem Sinne nicht ver- schoben. Bei phasengleichen Antennensignalen umfasst die Verschiebung vorteilhafterweise eine halbe Wellenlänge. Die Kontrolle der Phase lässt sich beispielsweise durch eine photonisch integrierte Schaltung (PIC) aus- führen. - Shifting a phase in the first ray of the first wavelength. This shift is to be understood as being relative to the phases of the other three beams, in particular the phase of the first wave length of the second beam; the other three rays are not shifted in this sense. In the case of antenna signals in phase, the shift advantageously comprises half a wavelength. The phase can be controlled, for example, by a photonic integrated circuit (PIC).
- Überlagern des ersten Strahls der ersten Wellenlänge und des ersten Strahls der zweiten Wellenlänge zur Bildung des ersten Laserstrahls, undSuperimposing the first beam of the first wavelength and the first beam of the second wavelength to form the first laser beam, and
Überlagern des zweiten Strahls der ersten Wellenlänge und des zweiten Strahls der zweiten Wellenlänge zur Bildung des zweiten Laserstrahls. Die beiden Laserstrahlen werden für ein Bestrahlen jeweils eines opto- elektronischen Mischers benutzt und bewirken dort phasenverschobene lokale Leitfähigkeitsoszillationen. Durch das Mischen mit den phasenkorrelierten An- tennensignalen entstehen so ebenfalls zwei Ausgangssignale der opto- elektronischen Mischer, in denen die Kopien des Detektorsignals breitbandig um etwa i8o° phasenverschoben vorliegen, die Rauschanteile jedoch nicht. Superimposing the second beam of the first wavelength and the second beam of the second wavelength to form the second laser beam. The two laser beams are each used to irradiate an opto-electronic mixer and cause phase-shifted local conductivity oscillations there. Mixing with the phase-correlated antenna signals also produces two output signals from the optoelectronic mixer in which the copies of the detector signal are broadband out of phase by about 180 °, but the noise components are not.
Es versteht sich, dass die Laserquellen zur Erzeugung der Laserstrahlen nicht zwingend Teile des Detektors sind. Ausführungsbeispiele können aber auch ein oder zwei Laserquellen aufweisen, die den ersten und/oder zweiten Laserstrahl erzeugen. It goes without saying that the laser sources for generating the laser beams are not necessarily parts of the detector. However, exemplary embodiments can also have one or two laser sources that generate the first and / or second laser beam.
Vorteile von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bestehen in einer balancierten Detektion von Terahertz wellen über mindestens eine halbe Oktave mit einer einzigen Empfangsstruktur, welche an zwei Photoleiter oder Photodio- den angeschlossen ist. Weiter bestehen Vorteile in Bezug auf Detektoren für photoleitende Mischer nach dem Stand der Technik in einer verbesserten Emp- findlichkeit bei gleichen Kosten sowie in der Möglichkeit, Experimente mit so- genannten „squeezed States“ quantenmechanischer Natur im Terahertz-Bereich durchzuführen. Hier vorgestellte Detektoren lassen sich zudem gut zu einer Detektion von Frequenzen im Bereich einiger Gigahertz bis zu einer Detektion von Frequenzen im Bereich einiger Terahertz skalieren und werden in ersterAdvantages of embodiments of the present invention consist in a balanced detection of terahertz waves over at least half an octave with a single receiving structure which is connected to two photoconductors or photodiodes. There are also advantages in relation to detectors for photoconductive mixers according to the state of the art in improved sensitivity at the same cost and in the possibility of carrying out experiments with so-called “squeezed states” of a quantum mechanical nature in the terahertz range. Detectors presented here can also be easily scaled for a detection of frequencies in the range of a few gigahertz up to a detection of frequencies in the range of a few terahertz, and are primarily used
Linie lediglich durch die benötigte Größe photoleitender Elemente zur Absorpti- on von Laserleistung für die opto-elektronische Mischung bestimmt. Line is only determined by the required size of photoconductive elements for the absorption of laser power for the opto-electronic mixture.
Das oben beschriebene, eine asymmetrische Antennenstruktur zur Einrichtung einer breitbandigen Phasenverschiebung in den Antennensignalen umfassende Ausführungsbeispiel ist insbesondere durch die nahegelegenen opto- elektronischen Mischer und die Integration der Antennen sehr kompakt reali- sierbar, in Kombination mit einer relativ breiten Frequenzabdeckung (mindes- tens eine halbe Oktave). Die opto-elektronischen Mischer können hier so nahe aneinander angeordnet sein, dass sie von einem einzelnen Laserstrahl beleuchtet werden können. Dies garantiert ein identisches durch Intensitätsfluktuationen des Laserstrahls bedingtes Rauschen in den beiden optoelektronischen Mi- schern. Da bekannte opto-elektronische Mischer bereits bei einigen milli-Watt (mW) sättigen, und in der Regel mehr als 30 mW Laserleistung in gängigen Systemen zur Verfügung steht, resultiert die Aufteilung der Laserleistung auf zwei Detektoren zudem nicht in Einbußen bezüglich der Effizienz dieser Detek- torarchitektur. In Anwendungsbeispielen können die beiden opto- elektronischen Mischer etwa durch Signale aus Laserdioden betrieben werden, welche keiner weiteren Verstärkung bedürfen. The exemplary embodiment described above, which includes an asymmetrical antenna structure for setting up a broadband phase shift in the antenna signals, can be implemented in a very compact manner, in particular due to the nearby opto-electronic mixer and the integration of the antennas, in combination with a relatively wide frequency coverage (at least half a Octave). The opto-electronic mixers can be arranged so close to one another that they can be illuminated by a single laser beam. This guarantees an identical one through intensity fluctuations Noise caused by the laser beam in the two optoelectronic mixers. Since known opto-electronic mixers already saturate at a few milli-watts (mW), and more than 30 mW laser power is usually available in current systems, the division of the laser power between two detectors does not result in any loss of efficiency in this detector - gate architecture. In application examples, the two opto-electronic mixers can be operated, for example, by signals from laser diodes, which do not require any further amplification.
Das ebenfalls vorangehend beschriebene Ausführungsbeispiel, welches durch symmetrische Antennen und einer Phasenverschiebung in einem zur Bildung von zwei Laserstrahlen verwendeten Laserlicht gekennzeichnet ist, ist gut mit PIC kombinier- und ebenfalls kompakt realisierbar. Die Kombination mit PIC erlaubt insbesondere eine präzise Kontrolle von Weglängen und Phasen aller beteiligten Lasersignale. Die identische Bauart der Antennen kann deren gleiche Funktion garantieren, was breitbandig zu einer sehr reinen Elimination vonThe exemplary embodiment also described above, which is characterized by symmetrical antennas and a phase shift in a laser light used to form two laser beams, can be easily combined with PIC and can also be implemented in a compact manner. In particular, the combination with PIC allows precise control of path lengths and phases of all laser signals involved. The identical design of the antennas can guarantee their same function, which broadband leads to a very pure elimination of
Rauschanteilen führen kann. Durch qualitativ gut ausgebildete Antennen lassen sich darüber hinaus sogenannte squinting-Effekte vermeiden. Zudem kann durch die Verwendung zweier getrennter opto-elektronischer Mischer eine expe- rimentelle Realisierung des Detektors nach diesem Ausführungsbeispiel - unter Umständen durch eine Inkaufnahme zusätzlicher Rauschquellen - kostengüns- tig gestaltet werden. Can lead to noise components. In addition, so-called squinting effects can be avoided through high-quality antennas. In addition, by using two separate opto-electronic mixers, an experimental implementation of the detector according to this exemplary embodiment can be made inexpensive - possibly by accepting additional noise sources.
Die Antennen und die opto-elektronischen Mischer können gemeinsam und zusammen beispielsweise mit weiteren elektrischen Leitungen und Elektroden und/oder mit optischen Wellenleitern bzw. Elementen integrierter Optik (bei- spielsweise als PIC) in oder an einem Substrat angebracht sein. The antennas and the opto-electronic mixers can be attached in or on a substrate together, for example with further electrical lines and electrodes and / or with optical waveguides or elements of integrated optics (for example as PIC).
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
Die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden besser verstanden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung und den beiliegenden Zeich- nungen der unterschiedlichen Ausführungsbeispiele, die jedoch nicht so ver- standen werden sollten, dass sie die Offenbarung auf die spezifischen Ausfüh- rungsformen einschränken, sondern lediglich der Erklärung und dem Verständ- nis dienen. The exemplary embodiments of the present invention will be better understood on the basis of the following detailed description and the accompanying drawings of the different exemplary embodiments, which, however, are not so different. should be stated that they restrict the disclosure to the specific embodiments, but only serve for explanation and understanding.
Fig. l illustriert ein Ausführungsbeispiel für einen balancierten Detektor für breitbandige rauschunterdrückende Detektion im THz-Bereich. FIG. 1 illustrates an exemplary embodiment of a balanced detector for broadband noise-suppressing detection in the THz range.
Fig. 2 zeigt ein Beispiel für eine asymmetrische Ausführung der Antennen eines balancierten Detektors, durch welche eine breitbandige Phasen- verschiebung in Ausgangssignalen der Antennen erreicht wird. 2 shows an example of an asymmetrical design of the antennas of a balanced detector, by means of which a broadband phase shift is achieved in the output signals of the antennas.
Fig. 3 zeigt Simulationsdaten für eine Phasenverschiebung im Fernfeld zweier Antennen nach dem Ausführungsbeispiel von Figur 2. FIG. 3 shows simulation data for a phase shift in the far field of two antennas according to the exemplary embodiment of FIG.
Fig. 4 zeigt ein weiteres Beispiel für eine asymmetrische Ausführung der An- tennen eines balancierten Detektors, durch welche eine breitbandige Phasenverschiebung in Ausgangssignalen erreicht wird, die aus ortho- gonal polarisierten Anteilen einer empfangenen elektromagnetischen Welle resultieren. 4 shows a further example of an asymmetrical design of the antennas of a balanced detector, by means of which a broadband phase shift is achieved in output signals that result from orthogonally polarized components of a received electromagnetic wave.
Fig. 5 zeigt Simulationsdaten für eine Phasenverschiebung im Fernfeld zweier Antennen nach dem Ausführungsbeispiel von Figur 4. FIG. 5 shows simulation data for a phase shift in the far field of two antennas according to the exemplary embodiment from FIG. 4.
Fig. 6A zeigt ein Ausführungsbeispiel für Antennen eines balancierten Detektors nach einem Grundgedanken der in Figur 4 dargestellten Antennen, in welchem die Antennen in unterschiedlichen Ebenen angeordnet sind.FIG. 6A shows an exemplary embodiment for antennas of a balanced detector according to a basic idea of the antennas shown in FIG. 4, in which the antennas are arranged in different planes.
Fig. 6B zeigt ein vergrößertes Detail des in Figur 6A dargestellten Ausführungs- beispiels. FIG. 6B shows an enlarged detail of the exemplary embodiment shown in FIG. 6A.
Fig. 7 illustriert ein Ausführungsbeispiel für einen balancierten Detektor für breitbandige rauschunterdrückende Detektion im THz-Bereich durch die Einführung einer Phasenverschiebung in einem für die lokale Oszil- lation genutzten Laser. 7 illustrates an exemplary embodiment of a balanced detector for broadband noise-suppressing detection in the THz range by introducing a phase shift in a laser used for local oscillation.
Fig. 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel für Antennen des in Figur 7 dargestellten balancierten Detektors. FIG. 8 shows an exemplary embodiment for antennas of the balanced detector shown in FIG.
Fig. 9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für Antennen des in Figur 7 dar- gestellten balancierten Detektors. Fig. 9 shows a further embodiment for antennas of the shown in Figure 7 posed balanced detector.
Fig. 10 zeigt ein Verfahren für eine balancierte, breitbandige, rauschunterdrü- ckende Detektion im THz-Bereich. 10 shows a method for a balanced, broadband, noise-suppressing detection in the THz range.
Fig. li zeigt ein weiteres Verfahren für eine balancierte, breitbandige, rausch- unterdrückende Detektion im THz-Bereich. FIG. 1 shows a further method for a balanced, broadband, noise-suppressing detection in the THz range.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DETAILED DESCRIPTION
Fig. l illustriert ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Auf der linken Seite der Figur ist ein Schema des Detektors im Querschnitt dargestellt. Elektromagnetische Wellen 50 mit Frequenzen aus einem Intervall von Fre- quenzen in einem Bereich von 50 GHz bis 10 THz treffen auf eine erste Antenne 110 und eine zweite Antenne 120. Die Antennen 110, 120 sind zur breitbandigen Detektion ausgebildet, was in der Figur durch die Darstellung von drei Wellen- formen verschiedener Wellenlänge verdeutlicht werden soll. Die erste Antenne 110 leitet die empfangenen elektromagnetischen Wellen 50 an einen ersten opto- elektronischen Mischer 210 weiter. Die zweite Antenne 120 leitet die empfange- nen elektromagnetischen Wellen 50 an einen zweiten opto-elektronischen Mi- scher 220 weiter. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Antennen 110, 120 und die opto-elektronischen Mischer 210,220 an und/oder in einem Sub- strat 70 angebracht. In der Figur sind weiterhin zwei Laserstrahlen 310, 320 dargestellt, wobei der erste Laserstrahl 310 auf den ersten opto-elektronischen Mischer 210 und der zweite Laserstrahl 320 auf zweiten opto-elektronischen Mischer auftrifft. Die Laserstrahlen 310, 320 werden von einer Einrichtung 300 bereitgestellt. Fig. 1 illustrates an embodiment of the present invention. On the left side of the figure, a diagram of the detector is shown in cross section. Electromagnetic waves 50 with frequencies from an interval of frequencies in a range from 50 GHz to 10 THz impinge on a first antenna 110 and a second antenna 120. Antennas 110, 120 are designed for broadband detection, which is shown in the figure by Representation of three waveforms of different wavelengths should be clarified. The first antenna 110 forwards the received electromagnetic waves 50 to a first opto-electronic mixer 210. The second antenna 120 forwards the received electromagnetic waves 50 to a second opto-electronic mixer 220. In the present exemplary embodiment, the antennas 110, 120 and the opto-electronic mixers 210, 220 are attached to and / or in a substrate 70. The figure also shows two laser beams 310, 320, the first laser beam 310 impinging on the first opto-electronic mixer 210 and the second laser beam 320 impinging on the second opto-electronic mixer. The laser beams 310, 320 are provided by a device 300.
Für Ausführungsformen, in denen die opto-elektronischen Mischer 210, 220 nahe beieinander liegen, werden die opto-elektronischen Mischer 210, 220 vor- teilhafterweise lediglich durch einen einzigen Laserstrahl beleuchtet. Nachfol- gend beschriebene Merkmale für die Laserstrahlen 310, 320 treffen dann muta- tis mutandis auf diesen lediglich einen Laserstrahl zu. Vorteile des einzelnen Laserstrahls liegen dabei in einer Phasenkontrolle und in einer Korrelation eines durch Intensitätsschwankungen des Laserstrahls hervorgerufenen Rauschens in den beiden opto-elektronischen Mischern 210, 220. For embodiments in which the opto-electronic mixers 210, 220 are close to one another, the opto-electronic mixers 210, 220 are advantageously only illuminated by a single laser beam. Features described below for the laser beams 310, 320 then apply mutatis mutandis to these only one laser beam. The advantages of the individual laser beam are a phase control and a correlation of one Noise caused by intensity fluctuations of the laser beam in the two opto-electronic mixers 210, 220.
Die Laserstrahlen 310, 320 können insbesondere jeweils Überlagerungen zweier monochromatischer Laserstrahlen mit zwei verschiedenen Frequenzen f1 und f2 sein, wobei die Differenz der beiden Frequenzen eine Schwebung der Intensität mit einer Frequenz im Terahertzbereich erzeugen kann. Entspre-
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chend der Intensitäten der Laserstrahlen 310, 320 verändert sich eine Leitfähig- keit in den opto-elektronischen Mischern 210, 220 mit der Frequenz der
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Schwebung. Diese Oszillation der Leitfähigkeit kann als lokaler Oszillator ge- nutzt werden. Durch diese Vermischung der Laserstrahlen 310, 320 mit durch die elektromagnetischen Wellen 50 hervorgerufenen Antennensignalen aus den beiden Antennen 110, 120 produzieren der erste optische Mischer 210 ein Aus- gangssignal 410 und der zweite opto-elektronischen Mischer 220 ein Ausgangs- signal 420. Frequenzen
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der elektromagnetischen Wellen 50 werden dabei auf entsprechend niedrigere Frequenzen in den Ausgangssig-
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nalen 410, 420 übertragen. The laser beams 310, 320 can in particular be superimpositions of two monochromatic laser beams with two different frequencies f 1 and f 2 , wherein the difference between the two frequencies can generate a beating of the intensity with a frequency in the terahertz range. Corresponding
Figure imgf000017_0002
Depending on the intensities of the laser beams 310, 320, a conductivity in the opto-electronic mixers 210, 220 changes with the frequency of the
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Beat. This oscillation of conductivity can be used as a local oscillator. As a result of this mixing of the laser beams 310, 320 with antenna signals from the two antennas 110, 120 caused by the electromagnetic waves 50, the first optical mixer 210 produces an output signal 410 and the second opto-electronic mixer 220 produces an output signal 420. Frequencies
Figure imgf000017_0004
of the electromagnetic waves 50 are reduced to correspondingly lower frequencies in the output signals
Figure imgf000017_0001
nals 410, 420 transmitted.
Die Ausgangssignale 410, 420 werden in der rechten Seite der Figur schematisch durch Wellenformen entlang eines einen zeitlichen Verlauf symbolisierenden Pfeils dargestellt. Beide Ausgangssignale 410, 420 enthalten jeweils das den elektromagnetischen Wellen 50 entsprechende Detektionssignal, hier dargestellt in den Detektionssignalanteilen 413 im Ausgangssignal 410 und 423 im Aus- gangssignal 420. Das Detektionssignal ist entsprechend den elektromagneti- schen Wellen 50 breitbandig, was erneut durch die Darstellung dreier Wellen- formen verdeutlicht werden soll. Neben den Detektionssignalanteilen 413, 423 umfassen die Ausgangssignale 410, 420 einen Anteil an korreliertem Rauschen, in der Figur dargestellt durch den die einzelne Wellenform 415 im Ausgangssig- nal 410 und die Wellenform 425 im Ausgangssignal 420. Die Rauschanteile können dabei ebenfalls breitbandig sein, also verschiedene Frequenzen umfas- sen. Der Detektionsanteil 413 ist gegenüber dem Detektionsanteil 423 in jeder Frequenz um eine halbe Wellenlänge phasenverschoben, während der Rauschanteil 415 gegenüber dem Rauschanteil 425 in jeder Frequenz phasen- gleich vorliegt. Durch eine Subtraktion (hier nicht dargestellt) des Ausgangssig- nals 410 vom Ausgangssignal 420 verstärkt sich das Detektionssignal, während sich die Rauschanteile 415 und 425 wegheben. Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform einer asymmetrischen Antennenstruktur mit zwei Antennen 110, 120 in maßstabsgetreuen Proportionen, wobei ein Grenzbe- reich zwischen beiden Antennen 110, 120 ebenfalls vergrößert dargestellt wird. Durch eine Geometrie der Antennen 110, 120 wird eine Phasenverschiebung um eine halbe Wellenlänge zwischen Antennensignalen erreicht. Die erste Antenne 110 ist mit dem ersten opto-elektronischen Mischer 210 über einen Anschluss 111 und die zweite Antenne 120 ist mit dem zweiten opto- elektronischen Mischer 220 über einen Anschluss 121 verbunden; die opto- elektronischen Mischer 210, 220 liegen hinter den Antennen 110, 120 und sind hier nicht dargestellt. Die opto-elektronischen Mischer 210, 220 sind eingelas- sen in ein Substrat 70, auf dem auch die beiden Antennen 110, 120 aufgebracht sind. Zusammen mit den Antennen 110, 120 und den opto-elektronischen Mi- schern 210, 220 können in das Substrat 70 insbesondere auch elektrische Lei- tungen, Elektrodenstrukturen und Photoleitstrukturen zur Weiterleitung und Weitergabe von Antennen- und Ausgangssignalen sowie Laserlicht eingelassen sein, welche hier ebenfalls nicht dargestellt sind. Über den Antennen 110, 120 kann zudem eine nicht dargestellte Silikonlinse 500 zur Fokussierung von elekt- romagnetischen Wellen 50 auf die Antennen 110, 120 angebracht sein. The output signals 410, 420 are shown schematically in the right-hand side of the figure by waveforms along an arrow symbolizing a time profile. Both output signals 410, 420 each contain the detection signal corresponding to electromagnetic waves 50, shown here in detection signal components 413 in output signal 410 and 423 in output signal 420 Wave shapes should be made clear. In addition to the detection signal components 413, 423, the output signals 410, 420 include a proportion of correlated noise, represented in the figure by which the individual waveform 415 in the output signal 410 and the waveform 425 in the output signal 420 include different frequencies. The detection component 413 is phase-shifted by half a wavelength with respect to the detection component 423 in each frequency, during the Noise component 415 is present in phase with respect to noise component 425 in every frequency. By subtracting (not shown here) the output signal 410 from the output signal 420, the detection signal is amplified, while the noise components 415 and 425 cancel each other out. 2 shows an embodiment of an asymmetrical antenna structure with two antennas 110, 120 in proportions true to scale, a boundary area between the two antennas 110, 120 also being shown enlarged. The geometry of the antennas 110, 120 results in a phase shift of half a wavelength between antenna signals. The first antenna 110 is connected to the first opto-electronic mixer 210 via a connection 111 and the second antenna 120 is connected to the second opto-electronic mixer 220 via a connection 121; the opto-electronic mixers 210, 220 are located behind the antennas 110, 120 and are not shown here. The opto-electronic mixers 210, 220 are embedded in a substrate 70, on which the two antennas 110, 120 are also applied. Together with the antennas 110, 120 and the opto-electronic mixers 210, 220, electrical lines, electrode structures and photoconductive structures for forwarding and forwarding antenna and output signals as well as laser light can also be embedded in the substrate 70, which here too are not shown. A silicone lens 500 (not shown) for focusing electromagnetic waves 50 on the antennas 110, 120 can also be attached above the antennas 110, 120.
Vorteilhafterweise sind die opto-elektronischen Mischer 210, 220 so nahe beiei- nander angebracht, dass sie mit einem einzelnen Laserstrahl 310 (welcher hier nicht dargestellt ist und insbesondere von der abgewandten Seite auf das Sub- strat 70 auftreffen kann) beleuchtet werden können. Dadurch treten unkontrol- lierte Schwankungen in der beispielsweise mit einer THz-Frequenz oszillieren- den Intensität des Laserlichts in den beiden opto-elektronischen Mischern 210, 220 zeitgleich und insbesondere korreliert auf. Die Antennen no, 120 sind als breitbandig empfangende dipol- oder schmetter- lingsartige Antennen bzw. spreizdipolartig ausgeführt. Schmetterlingsantennen empfangen im Wesentlichen linear polarisierte elektromagnetische Wellen, welche als Antennensignale über die Anschlüsse 111, 121 an die opto- elektronischen Mischer 210, 220 weitergegeben werden. Wie aus der vergrößer- ten Darstellung ersichtlich ist, bilden die Antennen 110, 120 in dem Bereich der opto-elektronischen Mischer 210, 220 Kontaktfinger, die an den resonanten Elementen 112, 113 , 122, 123 ausgebildet sind und ineinandergreifen. Das ge- schieht beispielsweise derart, dass ein Kontaktfinger des Elementes 113 zwischen zwei Kontaktfinger des Elements 112 greift. Analog kann ein Kontaktfinger des Elementes 123 zwischen zwei Kontaktfinger des Elementes 122 greifen. Beim Empfangen der elektromagnetischen Wellen 50 wird zwischen den Kontaktfin- gern ein Wechselfeld ausgebildet, das auf ein darunterliegendes Substrat 70, in dem die opto-elektronischen Mischer 210, 220 ausgebildet sind, einwirkt und so mit dem Laserlicht vermischt wird. The opto-electronic mixers 210, 220 are advantageously attached so close to one another that they can be illuminated with a single laser beam 310 (which is not shown here and can in particular impinge on the substrate 70 from the opposite side). As a result, uncontrolled fluctuations occur in the intensity of the laser light, which oscillates, for example, with a THz frequency, in the two opto-electronic mixers 210, 220 at the same time and in particular in a correlated manner. The antennas no, 120 are designed as broadband receiving dipole or butterfly-like antennas or spreading dipole-like. Butterfly antennas receive essentially linearly polarized electromagnetic waves, which are passed on as antenna signals via the connections 111, 121 to the optoelectronic mixers 210, 220. As can be seen from the enlarged illustration, the antennas 110, 120 in the area of the opto-electronic mixers 210, 220 form contact fingers which are formed on the resonant elements 112, 113, 122, 123 and interlock. This is done, for example, in such a way that a contact finger of the element 113 grips between two contact fingers of the element 112. Analogously, a contact finger of the element 123 can grip between two contact fingers of the element 122. When the electromagnetic waves 50 are received, an alternating field is formed between the contact fingers which acts on an underlying substrate 70 in which the opto-electronic mixers 210, 220 are formed and is thus mixed with the laser light.
Elektromagnetische Wellen 50 (nicht dargestellt) werden durch die beiden An- tennen 110, 120 phasengleich empfangen. Die asymmetrische Ausbildung der Antennen 110, 120 bewirkt eine relative Phasendifferenz der Antennensignale an den Anschlüssen 111, 121. Zur Bildung der Phasendifferenz zwischen den beiden Antennensignalen ist insbesondere die Transmissionslinie 130, welche die reso- nanten Elemente 112, 113 der ersten Antenne 110 bzw. 122, 123 der zweiten An- tenne 120 über die Anschlüsse 111 bzw. 121 mit den opto-elektronischen Mi- schern 210 bzw. 220 verbindet und Teil der Antennenstruktur ist, von Bedeu- tung. Die Phasendifferenz hängt von den unterschiedlichen Distanzen ab, die eine empfangene elektromagnetische Welle 50 über die Transmissionslinie 130 bis zu den opto-elektronischen Mischern 210, 220 zurücklegen muss. Eine Pha- sengeschwindigkeit vph einer Fortpflanzung in der Transmissionslinie 130 ergibt sich über
Figure imgf000019_0001
aus der Lichtgeschwindigkeit c im Vakuum und einer relativen Permittivität εr des Materials der Transmissionslinie 130. Die Phasengeschwindigkeit kann zu- sammen mit einer den resonanten Elementen 112, 113 bzw. 122, 123 zuordenba- ren mittleren Frequenz fc zur Bestimmung einer ersten Näherung einer für die Phasendifferenz notwendigen Längendifferenz d der Transmissionslinie 130 in den beiden Antennen 110, 120 verwendet werden:
Figure imgf000020_0001
Electromagnetic waves 50 (not shown) are received by the two antennas 110, 120 in phase. The asymmetrical design of the antennas 110, 120 results in a relative phase difference in the antenna signals at the connections 111, 121. 122, 123 of the second antenna 120 via the connections 111 and 121, respectively, to the opto-electronic mixers 210 and 220 and is part of the antenna structure. The phase difference depends on the different distances that a received electromagnetic wave 50 has to cover via the transmission line 130 to the opto-electronic mixers 210, 220. A phase velocity v ph of a propagation in the transmission line 130 results from
Figure imgf000019_0001
from the speed of light c in vacuo, and a relative permittivity ε r of the material of the transmission line 130. The phase velocity can Together with the resonant elements 112, 113, 122, 123 zuordenba- ren medium frequency f c for determining a first approximation of a the necessary length difference d of the transmission line 130 in the two antennas 110, 120 can be used for the phase difference:
Figure imgf000020_0001
Unter Verwendung einer bekannten Software (beispielsweise CST Studio Suite) kann die Geometrie der Antennen 110, 120 optimiert sowie etwaige Interferen- zen mit anderer im Substrat 70 eingelassener Leitungselektronik (hier nicht dargestellt) unterdrückt werden. In einem konkreten Ausführungsbeispiel ergibt sich dabei für eine relative Permittivität cr = 12.5, Längen h und l von jeweils 215 pm sowie einer Transmissionslinienbreite w von 10 pm ein optimaler Wert von 150 pm für die Längendifferenz d. Fig. 3 zeigt Simulationsdaten eines Fernfelds der beiden als Emitter betriebe- nen Antennen 110, 120 aus dem Ausführungsbeispiel von Fig. 2 für eine gleich- phasige Speisung der beiden Antennen 110, 120. Dargestellt ist der Verlauf einer Amplitude 119 eines Pulses elektromagnetischer Wellen aus der ersten Antenne 110 und einer Amplitude 129 eines Pulses elektromagnetischer Wellen aus der zweiten Antenne 120 in arbiträren Einheiten (a.E.) über die Zeit in piko-Using known software (for example CST Studio Suite), the geometry of the antennas 110, 120 can be optimized and any interference with other line electronics embedded in the substrate 70 (not shown here) can be suppressed. In a specific embodiment, for a relative permittivity c r = 12.5, lengths h and l of 215 pm each and a transmission line width w of 10 pm, an optimal value of 150 pm for the length difference d results. 3 shows simulation data of a far field of the two antennas 110, 120 operated as emitters from the exemplary embodiment of FIG. 2 for an in-phase supply of the two antennas 110, 120 of the first antenna 110 and an amplitude 129 of a pulse of electromagnetic waves from the second antenna 120 in arbitrary units (aE) over time in pico-
Sekunden (ps). Als Ort der Messung dient dabei ein Punkt maximaler Intensität in der Richtcharakteristik für beide Antennen 110, 120 im Fernfeld. In der dar- gestellten Simulation umfassen die Pulse Wellenlängen mit Frequenzen in ei- nem Intervall von etwa 107 GHz um eine mittlere Frequenz von etwa 268 GHz. Die Amplituden 119, 129 zeigen eine beinahe konstante Phasenverschiebung von 180 Grad, bzw. eine Verschiebung um etwa eine halbe Wellenlänge für das In- tervall der in den Pulsen enthaltenen Wellenlängen. Die Phasenverschiebung P (in Grad) in Abhängigkeit der Frequenz / (in GHz) ist dazu in einem eingebette- ten Graph 10 dargestellt. Wie aus dem eingebetteten Graph 10 ersichtlich ist, tritt an den Rändern des dargestellten Intervalls von Frequenzen eine maximale Abweichung um 530 von der Phasenverschiebung um 1800 auf. Für eine balancierte Detektion erlaubt diese Abweichung, verglichen mit einer exakten Verschiebung von 1800, immer noch eine Rückgewinnung des Pulses zu 89.6%. Die Abweichung von der Ver- schiebung um 18 o° variiert für unterschiedliche Winkel des Fernfeldes, jedoch tragen andere Winkel als die der maximalen Antennenausrichtung weniger zum Signal bei, so dass bei umgekehrter Betreibung der Antenne als Empfänger ins- gesamt eine Phasenverschiebung der Antennensignale ausreichend nahe an einer halben Wellenlänge über ein mindestens eine halbe Oktave umfassendesSeconds (ps). A point of maximum intensity in the directional characteristic for both antennas 110, 120 in the far field serves as the location for the measurement. In the simulation shown, the pulses include wavelengths with frequencies in an interval of approximately 107 GHz around a mean frequency of approximately 268 GHz. The amplitudes 119, 129 show an almost constant phase shift of 180 degrees, or a shift by approximately half a wavelength for the interval of the wavelengths contained in the pulses. The phase shift P (in degrees) as a function of the frequency / (in GHz) is shown in an embedded graph 10 for this purpose. As can be seen from the embedded graph 10, a maximum deviation of 53 0 from the phase shift of 180 0 occurs at the edges of the illustrated interval of frequencies. For a balanced detection, this deviation, compared with an exact shift of 180 0 , still allows a recovery of the pulse of 89.6%. The deviation from the shift by 180 ° varies for different angles of the far field, but angles other than the maximum antenna alignment contribute less to the signal, so that when the antenna is operated as a receiver in the opposite direction, a phase shift of the antenna signals is sufficiently close at half a wavelength over at least half an octave
Frequenzintervall erreicht werden kann. Frequency interval can be achieved.
Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für zwei Antennen 110, 120 in maßstabsgetreuen Proportionen, wobei wiederum ein Grenzbereich zwischen beiden Antennen 110, 120 auch vergrößert dargesteht wird. Wie in Figur 2 wird auch hier durch eine Geometrie der Antennen 110, 120 eine Phasenverschiebung um eine halbe Wellenlänge zwischen den Antennensignalen erreicht. 4 shows a further exemplary embodiment for two antennas 110, 120 in true-to-scale proportions, a boundary area between the two antennas 110, 120 also being shown enlarged. As in FIG. 2, a phase shift of half a wavelength between the antenna signals is also achieved here by a geometry of the antennas 110, 120.
Wiederum sind die Antennen 110, 120 als breitbandig empfangende dipol- oder schmetterlingsartige bzw. als spreizdipolartige Strukturen auf einem Substrat 70 angebracht. Die beiden Antennen 110, 120 stehen jedoch im vorliegenden Aus- führungsbeispiel ähnlich wie in einer Kreuzdipolanordnung rechtwinklig aufei- nander, so dass die erste Antenne 110 einen zur zweiten Antenne 120 orthogona- len linearen Polarisationsanteil der elektromagnetischen Welle 50 absorbiert. Ein Vorteil dieser Ausführung besteht in ihrer Rotationssymmetrie, durch wel- che rotationssymmetrische Muster hervorgerufen werden können. Wie aus der vergrößerten Darstellung ersichtlich ist, bilden die Antennen 110,The antennas 110, 120 are again attached to a substrate 70 as dipole-like or butterfly-like or spreading-dipole-like structures that receive broadband. In the present exemplary embodiment, however, the two antennas 110, 120 are at right angles to one another, similar to a crossed dipole arrangement, so that the first antenna 110 absorbs a linear polarization component of the electromagnetic wave 50 that is orthogonal to the second antenna 120. One advantage of this design is its rotational symmetry, which can be used to produce rotationally symmetrical patterns. As can be seen from the enlarged illustration, the antennas 110,
120 in dem Bereich der opto-elektronischen Mischern 210, 220 wieder Kontakt- finger, die an den resonanten Elementen ausgebildet sind und ineinandergrei- fen. Die Ausgestaltung ist ähnlich zu der Anordnung in der Fig. 2. Sie unter- scheidet sich jedoch dadurch, dass die beiden resonanten Elemente 112, 122 (alternativ könnten es auch die Elemente 113, 123 sein) der ersten und zweiten Antenne no, 120 kurzgeschlossen sind (z.B. auf Masse oder ein anderes Potenti- al gelegt). Das ist nicht zwingend, vereinfacht aber die Anordnung der beispiel- haften Kontaktfinger. Auf diese Weise kann die Kontaktierung auf einer Ebene geschehen, zum Beispiel dadurch, dass die kurzgeschlossene Verbindung zwei Kontaktfinger aufweist, von denen eines sich zwischen zwei Kontaktfinger des resonanten Elementes 123 und das andere sich zwischen zwei Kontaktfmger des resonanten Elementes 113 erstreckt. Beim Empfangen der elektromagnetischen Wellen 50 wird zwischen den Kontaktfingern wieder ein Wechselfeld ausgebil- det, das auf ein darunter Substrat 70, in dem die opto-elektronischen Mischer 210, 220 ausgebildet sind, einwirkt und so mit dem Laserlicht vermischt wird. 120 in the area of the opto-electronic mixers 210, 220 again contact fingers, which are formed on the resonant elements and mesh with one another. The configuration is similar to the arrangement in FIG. 2. It differs, however, in that the two resonant elements 112, 122 (alternatively it could also be the elements 113, 123) of the first and second Antenna no, 120 are short-circuited (eg connected to ground or another potential). This is not mandatory, but it simplifies the arrangement of the exemplary contact fingers. In this way, the contact can be made on one level, for example in that the short-circuited connection has two contact fingers, one of which extends between two contact fingers of the resonant element 123 and the other extends between two contact fingers of the resonant element 113. When the electromagnetic waves 50 are received, an alternating field is again formed between the contact fingers, which acts on a substrate 70 underneath, in which the opto-electronic mixers 210, 220 are formed, and is thus mixed with the laser light.
Photoleitende Elemente der an die Antennen 110, 120 angeschlossenen und hier nicht dargestellten opto-elektronischen Mischer 210, 220 werden vorteilhafter- weise wieder mit lediglich einem einzelnen Laserstrahl beleuchtet, wobei der Laserstrahl die Leitfähigkeit der opto-elektronischen Mischer 210, 220 durch ein Lasersignal mit einer Frequenz
Figure imgf000022_0001
moduliert. Eine elektromagneti- sche Welle der Frequenz
Figure imgf000022_0002
wird durch die beiden Antennen 110, 120 empfan- gen und jeweils als Antennensignal mit einer relativen Phasenverschiebung von einer halben Wellenlänge an die optischen Mischer 210, 220 weitergegeben. Photoconductive elements of the opto-electronic mixers 210, 220 connected to the antennas 110, 120 and not shown here are advantageously illuminated again with just a single laser beam, the laser beam including the conductivity of the opto-electronic mixers 210, 220 through a laser signal one frequency
Figure imgf000022_0001
modulated. An electromagnetic wave of frequency
Figure imgf000022_0002
is received by the two antennas 110, 120 and passed on to the optical mixers 210, 220 as an antenna signal with a relative phase shift of half a wavelength.
Um die Phasenverschiebung zu bewirken, wird - ähnlich wie bereits in der Be- schreibung von Figur 2 dargestellt - ausgenutzt, dass eine Phasengeschwindig- keit, mit der ein Signal einer empfangenen elektromagnetischen Welle zum Speisepunkt der Antenne wandert, von der Leitfähigkeit und der Form der An- tenne abhängt. Durch numerische Berechnung ergeben sich Maße für die An- tennen 110, 120, welche im Unterschied etwa zu einem konventionellen schmal- bandigen Kreuzdipol auf eine Phasenverschiebung von einer halben Wellenlänge zwischen den beiden Antennensignalen in einem breiten Frequenzintervall füh- ren. Insbesondere ist dabei eine Länge der ersten Antenne 110 größer als die entsprechende Länge der zweiten Antenne 120. In order to bring about the phase shift, use is made - similarly to the description of FIG Antenna depends. Numerical calculation results in dimensions for the antennas 110, 120 which, in contrast to a conventional narrow-band crossed dipole, result in a phase shift of half a wavelength between the two antenna signals in a wide frequency interval. In particular, a length is here of the first antenna 110 is greater than the corresponding length of the second antenna 120.
Fig. 5 zeigt Simulationsdaten für einen Vergleich eines zeitlichen Verlaufs zwi- sehen zwei Pulsen, welche von Antennen 110, 120 gemäß dem in Figur 4 darge- stellten Ausführungsbeispiel im Fernfeld an einem Punkt maximaler Intensität in der Richtcharakteristik der Antennen auftreten. Die beiden Pulse sind linear polarisiert und zueinander orthogonal. Die Zeitbereichssimulation entspricht einem Frequenzbereich von 400 bis 500 GHz. Aufgetragen sind eine Amplitude 119 des Pulses aus der ersten Antenne 110 und eine Amplitude 129 des Pulses aus der zweiten Antenne in arbiträren Einheiten gegen die Zeit in piko- Sekunden (ps). Fig. 5 shows simulation data for a comparison of a time curve between see two pulses which occur from antennas 110, 120 according to the exemplary embodiment shown in FIG. 4 in the far field at a point of maximum intensity in the directional characteristic of the antennas. The two pulses are linearly polarized and orthogonal to one another. The time domain simulation corresponds to a frequency range from 400 to 500 GHz. An amplitude 119 of the pulse from the first antenna 110 and an amplitude 129 of the pulse from the second antenna are plotted in arbitrary units against time in picoseconds (ps).
Fig. 6A zeigt ein Ausführungsbeispiel für Antennen 110, 120 von ähnlich er Form wie in Figur 4, welche im bzw. auf dem Substrat 70 in unterschiedlichenFIG. 6A shows an exemplary embodiment for antennas 110, 120 of a shape similar to that in FIG
Ebenen aufgebracht sind. Das resonante Element 112 der Antenne 110 liegt dabei am höchsten, und wird durch eine für die zu empfangenden elektromagneti- schen Wellen 20 (hier nicht dargestellt) transparente dielektrische Schicht 600 vom anderen resonanten Element 113 der Antenne 110 sowie von der zweiten Antenne 120 getrennt. Levels are applied. The resonant element 112 of the antenna 110 is highest and is separated from the other resonant element 113 of the antenna 110 and from the second antenna 120 by a dielectric layer 600 transparent to the electromagnetic waves 20 to be received (not shown here).
Fig. 6B zeigt für Figur 6A eine vergrößerte Ansicht des Anschlussbereichs der Antennen 110, 120 an die darunterliegenden, in der Figur nicht dargestellten opto-elektronischen Mischer 210, 220. Im Unterschied zu der Ausführungsform der Fig. 4 brauchen die resonanten Elemente hier nicht kurzgeschlossen zu wer- den. Dafür sind die erste und zweite Antennen 110, 120 beispielsweise auf ver- schiedenen Ebenen angeordnet und durch eine dielektrische Schicht 600 vonei- nander isoliert. Dabei greift ein Kontaktfinger des resonanten Elements 112 der ersten Antenne 110 zwischen Kontaktfinger des resonanten Elements 113 der ersten Antenne 110, und ein Kontaktfinger des resonanten Elements 122 der zweiten Antenne 120 zwischen Kontaktfinger des resonanten Elements 123 der zweiten Antenne 120. Beispielsweise kann dabei lediglich ein resonantes Ele- ment - etwa das resonante Element 112 der ersten Antenne 110 - oberhalb der dielektrischen Schicht 600 liegen, während die anderen Elemente unterhalb der dielektrischen Schicht 600 angeordnet sind, wobei das resonante Element 112 die dielektrische Schicht im Bereich des Kontaktfingers durchbricht. Alternativ kann beispielsweise die erste Antenne 110 über und die zweite Antenne 120 un- ter der dielektrischen Schicht 600 angeordnet sein. FIG. 6B shows an enlarged view of the connection area of the antennas 110, 120 to the underlying opto-electronic mixers 210, 220, not shown in the figure. In contrast to the embodiment of FIG. 4, the resonant elements do not need to be short-circuited here to become. For this purpose, the first and second antennas 110, 120 are arranged, for example, on different levels and isolated from one another by a dielectric layer 600. A contact finger of the resonant element 112 of the first antenna 110 engages between the contact finger of the resonant element 113 of the first antenna 110, and a contact finger of the resonant element 122 of the second antenna 120 between the contact finger of the resonant element 123 of the second antenna 120 resonant element - for example the resonant element 112 of the first antenna 110 - lie above the dielectric layer 600, while the other elements are arranged below the dielectric layer 600, the resonant element 112 breaking through the dielectric layer in the area of the contact finger. Alternatively For example, the first antenna 110 can be arranged above and the second antenna 120 below the dielectric layer 600.
Fig. 7 zeigt ein Schema für ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Detektors zur Detektion elektromagnetischer Wellen im THz-Bereich. Eine erste Antenne 110 und eine zweite Antenne 120 sind auf einem Substrat 70 unter einer dielektri- schen Linse 500 aufgebracht. Die Linse 500 dient einer Fokussierung elektro- magnetischer Wellen 50 (hier nicht dargestellt) auf die Antennen 110, 120. Im Substrat 70 eingelassen sind eine erste, mit der ersten Antenne 110 verbundene opto-elektronische Einheit 210 und eine zweite, mit der zweiten Antenne 120 verbundene opto-elektronische Einheit 220. Die erste opto-elektronische Ein- heit 110 wird durch einen ersten Laserstrahl 310 und die zweite opto- elektronische Einheit 120 wird durch einen zweiten Laserstrahl 320 beleuchtet. 7 shows a diagram for a further exemplary embodiment of a detector for detecting electromagnetic waves in the THz range. A first antenna 110 and a second antenna 120 are applied to a substrate 70 under a dielectric lens 500. The lens 500 is used to focus electromagnetic waves 50 (not shown here) onto the antennas 110, 120. A first optoelectronic unit 210 connected to the first antenna 110 and a second opto-electronic unit 210 connected to the second antenna are embedded in the substrate 70 120 connected opto-electronic unit 220. The first opto-electronic unit 110 is illuminated by a first laser beam 310 and the second opto-electronic unit 120 is illuminated by a second laser beam 320.
Die Laserstrahlen 310, 320 werden durch eine Einrichtung 300 bereitgestellt. Beide Laserstrahlen 310, 320 entstehen hier durch eine Überlagerung von Laser- licht 335 einer ersten Frequenz /1 aus einem Laser 330 sowie von Laserlicht 345 einer zweiten Frequenz f2 aus einem Laser 340. Das Laserlicht 335 und das La- serlicht 345 werden jeweils aufgespalten (beispielsweise durch optische Faser- koppler) und räumlich überlagert. Ein erster Anteil des ersten Laserlichts 335 wird gegenüber den anderen Anteilen des Laserlichts 335, 345 um eine halbe Wellenlänge phasenverschoben; eine solche Phasenverschiebung kann mit einer bekannten Phasenverschiebungseinrichtung (z.B. einem optischen Phasenver- schieber) 350 erreicht werden. Die optischen Längen der Einzelpfade können beispielsweise so beschaffen sein, dass sie alle gleich lang sind. Sie können sich auch um Vielfache der optischen Wellenlänge unterscheiden. Kommt ein variab- 1er Phasenschieber 350 zum Einsatz, sind auch beliebige andere Längenunter- schiede prinzipiell möglich. Anschließend wird der erste Anteil des ersten Laser- lichts 335 mit einem ersten Anteil des zweiten Laserlichts 345 überlagert, so dass der erste Laserstrahl 310 entsteht. Ebenso wird ein zweiter Anteil des ersten Laserlichts 335 mit einem zweiten Anteil des zweiten Laserlichts 345 überlagert, und so der zweite Laserstrahl 320 gebildet. Durch die unterschiedlichen Fre- quenzen entstehen in beiden Laserstrahlen 310, 320 jeweils eine Intensitäts- schwebung mit einer Frequenz
Figure imgf000025_0002
. In den opto-elektronischen Mi- schern 210, 220 entstehen durch das Auftreffen der Laserstrahlen 310 bzw. 320 durch die Leistungsmodulation jeweils Modulationen einer Leitfähigkeit bzw. einer Ladungsträgerdichte. Die Ladungsträgerdichte nt im ersten opto- elektronischen Mischer 210 und die Ladungsträgerdichte n2 im zweiten opto- elektronischen Mischer 220 können ausgedrückt werden als
Figure imgf000025_0001
Dabei bezeichnet E0 eine hier als beiden Laserstrahlen 310, 320 gemeinsam angenommene Amplitude eines elektrischen Felds,j die imaginäre Einheit (j 2 = -1) und t die Zeit; das Symbol ~ bedeutet Proportionalität (Gleichheit bis auf einen konstanten Faktor). Der Term E2 0 auf der jeweils rechten Seite der Gleichungen ist zu Fluktuationen der Intensität der Laserstrahlen 310, 320 pro- portional und trägt zur Entstehung von Rauschen in den opto-elektronischen Mischern 210, 220 bei. Der zeitvariable Anteil der Ladungsträgerdichten n1(t) und n2(t)sind nun um p, also 1800 phasenverschoben. Durch Mischung mit Antennensignalen der Amplitude entstehen als ein erstes Ausgangssig-
Figure imgf000025_0005
nal 410 des ersten opto-elektronischen Mischers 210 und sowie als ein zweites Ausgangssignal 420 des zweiten opto-elektronischen Mischers 220 (die Aus- gangssignale 410, 420 sind in der Figur nicht dargestellt) Ströme l1 bzw. /2 mit
Figure imgf000025_0003
The laser beams 310, 320 are provided by a device 300. Both laser beams 310, 320 are created here by superimposing laser light 335 of a first frequency / 1 from a laser 330 and laser light 345 of a second frequency f 2 from a laser 340. The laser light 335 and the laser light 345 are each split (for example by optical fiber couplers) and spatially superimposed. A first component of the first laser light 335 is phase-shifted by half a wavelength with respect to the other components of the laser light 335, 345; Such a phase shift can be achieved with a known phase shift device (for example an optical phase shifter) 350. The optical lengths of the individual paths can, for example, be such that they are all the same length. They can also differ by a multiple of the optical wavelength. If a variable phase shifter 350 is used, any other length differences are also possible in principle. The first portion of the first laser light 335 is then superimposed with a first portion of the second laser light 345, so that the first laser beam 310 is produced. Likewise, a second portion of the first laser light 335 is superimposed with a second portion of the second laser light 345, and the second laser beam 320 is thus formed. Due to the different fre- In the two laser beams 310, 320, an intensity oscillation with one frequency is created in each case
Figure imgf000025_0002
. In the opto-electronic mixers 210, 220, the impact of the laser beams 310 and 320, respectively, results in modulations of a conductivity or a charge carrier density due to the power modulation. The charge carrier density n t in the first opto-electronic mixer 210 and the charge carrier density n 2 in the second opto-electronic mixer 220 can be expressed as
Figure imgf000025_0001
E 0 denotes an amplitude of an electric field, assumed here as both laser beams 310, 320 together, j the imaginary unit (j 2 = -1) and t the time; the symbol ~ means proportionality (equality except for a constant factor). The term E 2 0 on the right-hand side of the equations is proportional to fluctuations in the intensity of the laser beams 310, 320 and contributes to the generation of noise in the opto-electronic mixers 210, 220. The time-variable portion of the charge carrier densities n 1 (t) and n 2 (t) are now phase-shifted by p, i.e. 180 0. Mixing with antenna signals of the amplitude results in a first output signal
Figure imgf000025_0005
nal 410 of the first opto-electronic mixer 210 and as a second output signal 420 of the second opto-electronic mixer 220 (the output signals 410, 420 are not shown in the figure) with currents I 1 and / 2
Figure imgf000025_0003
In der Differenz der Ströme und I2 addieren sich die auf eine Frequenz heruntergemischten Signale, wobei sich zusätzliches Rau-
Figure imgf000025_0004
sehen weghebt. Die zeitvariablen Anteile von I^t) und /2(t) sind ebenfalls um p, also i8o° phasenverschoben, und zwar unabhängig von den THz Frequenzen fjHZ und
Figure imgf000026_0001
Dies ermöglicht den breitbandigen Betrieb. In der in dieser Figur dargestellten Architektur sollten die Antennen no, 120 keine Phasenverschie- bung in den Antennensignalen bewirken. Zwei Beispiele für mögliche Antennen- formen zeigen die Figuren 8 und 9. In the difference between the currents and I 2 , the signals mixed down to a frequency add up, with additional noise
Figure imgf000025_0004
see lifts away. The time-variable components of I ^ t) and / 2 (t) are also phase-shifted by p, i.e. i8o °, independent of the THz frequencies f jHZ and
Figure imgf000026_0001
This enables broadband operation. In the architecture shown in this figure, antennas no, 120 should not cause any phase shift in the antenna signals. FIGS. 8 and 9 show two examples of possible antenna shapes.
Fig. 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel für Antennen 110, 120 von einer Form ähn- lich dem Ausführungsbeispiel in Figur 2, jedoch mit gleichen Maßen für beide Antennen 110, 120. Diese Antennenform ist für eine Verwendung in einem Aus- führungsbeispiel nach Figur 7 geeignet. Die Antennen führen hier nicht auf eine relative Phasenverschiebung zwischen ihren Ausgangssignalen. Eine vorteilhafte Form ist daher ein geeigneter Öffnungswinkel für die resonanten Elemente der Antennen 110, 120, um eine möglichst frequenzunabhängige Anwendung der Antennen 110, 120 zu gewährleisten. Vorteilhaft gegenüber der Ausführungs- form nach Figur 2 ist ein breitbandigerer, sich beispielsweise über mindestens eine Dekade erstreckender Empfang für die hier dargestellten Antennen 110,8 shows an exemplary embodiment for antennas 110, 120 of a shape similar to the exemplary embodiment in FIG. 2, but with the same dimensions for both antennas 110, 120. This antenna shape is suitable for use in an exemplary embodiment according to FIG. The antennas do not lead to a relative phase shift between their output signals. An advantageous shape is therefore a suitable opening angle for the resonant elements of the antennas 110, 120 in order to ensure that the antennas 110, 120 are used as frequency-independent as possible. Advantageous compared to the embodiment according to FIG. 2 is a more broadband reception for the antennas 110 shown here, for example extending over at least a decade
120. Die Ausbildung der Längen l und h hat dabei Einfluss auf die mögliche Bandbreite des Antennenempfangs. Der Abstand w zwischen den resonanten Elementen der Antennen 110, 120 sollte vorteilhafterweise klein gegenüber den durch die Antennen 110, 120 zu empfangenden Wellenlängen sein. 120. The design of the lengths l and h has an influence on the possible bandwidth of the antenna reception. The distance w between the resonant elements of the antennas 110, 120 should advantageously be small compared to the wavelengths to be received by the antennas 110, 120.
Fig. 9 zeigt ein Ausführungsbeispiel für Antennen 110, 120 von einer Form ähn- lich dem Ausführungsbeispiel in Figur 4, jedoch mit gleichen Maßen für beide Antennen 110, 120. Wie auch im in Figur 8 dargestellten Ausführungsbeispiel ist diese Antennenform beispielsweise für eine Verwendung im in Figur 7 darge- stellten Detektor geeignet. Ein Vorteil der hier dargestellten Ausführung ist der Empfang zweier orthogonaler Linearpolarisationen durch die beiden Antennen 110, 120. 9 shows an exemplary embodiment for antennas 110, 120 of a shape similar to the exemplary embodiment in FIG. 4, but with the same dimensions for both antennas 110, 120. As in the exemplary embodiment shown in FIG Detector shown in FIG. 7 is suitable. One advantage of the embodiment shown here is the reception of two orthogonal linear polarizations by the two antennas 110, 120.
Fig. 10 zeigt Schritte eines Verfahrens für eine breitbandige rauschunterdrü- ckende Detektion elektromagnetischer Wellen 50 in einem Intervall von Fre- quenzen aus einem Bereich zwischen 50 GHz und 10 THz. Referenznummern, welche nicht unmittelbar einer Bezeichnung von Schritten dienen, entsprechen dabei Referenznummern aus vorangehenden Figuren. 10 shows steps of a method for broadband noise-suppressing detection of electromagnetic waves 50 in an interval of fre- sequences from a range between 50 GHz and 10 THz. Reference numbers which do not directly serve to designate steps correspond to reference numbers from previous figures.
Das Verfahren umfasst als einen Schritt zunächst ein Bereitstellen S10 von min- destens einem Laserstrahl 310, 320 für zwei opto-elektronische Mischer 210,As a step, the method initially comprises providing S10 at least one laser beam 310, 320 for two opto-electronic mixers 210,
220. Beispielsweise kann ein einzelner Laserstrahl 310 genutzt werden, um zwei nahe aneinander angeordnete opto-elektronische Mischer 210, 220 gleichzeitig zu betreiben. Das Verfahren umfasst dann ein breitbandiges Empfangen S20 der elektromagnetischen Wellen 50 durch eine erste Antenne 110 und eine zweite Antenne 120, wobei die elektromagnetischen Wellen 50 auf ein erstes Antennen- signals aus der ersten Antenne 110 und auf ein zweites Antennensignal aus der zweiten Antenne 120 führen. Hierbei kann insbesondere bei der Verwendung eines einzelnen Laserstrahls 310 beispielsweise eine asymmetrische Ausbildung der Antennen 110, 120 wie in der Darstellung nach einer der Figuren 2, 4 oder 6 verwendet werden, welche die Antennensignale breitbandig mit einem Phasen- unterschied von einer halben Wellenlänge an die opto-elektronischen Mischer 210, 220 weiterleiten. Das Verfahren umfasst dann ein Mischen S30 des ersten Antennensignals im ersten opto-elektronischen Mischer 210 sowie des zweiten Antennensignals im zweiten opto-elektronischen Mischer 220 mit dem mindes- tens einen Laserstrahl 310, 320, so dass ein erstes Ausgangssignal 410 des ersten opto-elektronischen Mischers 210 und ein zweites Ausgangssignal 420 des zwei- ten opto-elektronischen Mischers 220 jeweils eine Kopie 413, 423 eines Detekti- onssignals enthalten, welche im Intervall von Frequenzen um eine halbe Wellen- länge phasenverschoben sind. Im Beispiel der Verwendung eines einzelnen La- serstrahls 310 und asymmetrischer Antennen 110, 120 resultiert die Phasenver- schiebung in den Kopien 413, 423 des Detektionssignals aus der Phasenver- schiebung der Antennensignale. 220. For example, a single laser beam 310 can be used to operate two opto-electronic mixers 210, 220 arranged close to one another at the same time. The method then includes broadband reception S20 of the electromagnetic waves 50 by a first antenna 110 and a second antenna 120, the electromagnetic waves 50 leading to a first antenna signal from the first antenna 110 and to a second antenna signal from the second antenna 120 . In particular, when using a single laser beam 310, for example, an asymmetrical design of the antennas 110, 120 as shown in one of FIGS. 2, 4 or 6 can be used Forward opto-electronic mixer 210, 220. The method then comprises a mixing S30 of the first antenna signal in the first opto-electronic mixer 210 and the second antenna signal in the second opto-electronic mixer 220 with the at least one laser beam 310, 320, so that a first output signal 410 of the first opto-electronic Mixer 210 and a second output signal 420 of the second opto-electronic mixer 220 each contain a copy 413, 423 of a detection signal which is phase-shifted by half a wavelength in the interval of frequencies. In the example of the use of a single laser beam 310 and asymmetrical antennas 110, 120, the phase shift in copies 413, 423 of the detection signal results from the phase shift of the antenna signals.
Fig. 11 zeigt Schritte eines Verfahrens für eine breitbandige rauschunterdrü- ckende Detektion elektromagnetischer Wellen 50 in einem Intervall von Fre- quenzen aus einem Bereich zwischen 50 GHz und 10 THz, wie es insbesondere mit einem Detektor nach Figur 7 durchgeführt werden kann. Referenznummern, welche nicht unmittelbar einer Bezeichnung von Schritten dienen, entsprechen dabei Referenznummern aus vorangehenden Figuren. 11 shows steps of a method for broadband noise-suppressing detection of electromagnetic waves 50 in an interval of frequencies from a range between 50 GHz and 10 THz, as can be carried out in particular with a detector according to FIG. Reference numbers which do not directly serve to designate steps correspond including reference numbers from previous figures.
Ein erster Schritt umfasst ein Bereitstellen Sioo eines ersten Laserlichts 335 mit einer ersten Wellenlänge und eines zweiten Laserlichts 345 mit einer zweiten Wellenlänge. Ein zweiter Schritt umfasst ein Kontrollieren S200 einer Phase des des Laserlichts 335, 345. Zumindest relative Phasen des Laserlichts 335, 345 werden dabei vorteilhafterweise bis zum Auftreffen auf opto-elektronischen Mischern 210, 220 kontrolliert. Eine solche Kontrolle lässt sich beispielsweise durch ein Leiten des Laserlichts 335, 345 über optisch bzw. photonisch integrier- te Schaltungen (PIC) realisieren. Ein weiterer Schritt umfasst ein Aufspalten S300 des ersten Laserlichts 335 in einen ersten Strahl der ersten Wellenlänge und in einen zweiten Strahl der ersten Wellenlänge, und ein Aufspalten des zweiten Laserlichts 345 in einen ersten Strahl der zweiten Wellenlänge und in einen zweiten Strahl der zweiten Wellenlänge. Aufspaltungen und Zusammen- führungen von Laserlicht können beispielsweise durch optische Faserkoppler oder in einem PIC erfolgen. In einem der Strahlen - hier konkret dem erstenA first step comprises providing a first laser light 335 with a first wavelength and a second laser light 345 with a second wavelength. A second step includes a control S200 of a phase of the laser light 335, 345. At least relative phases of the laser light 335, 345 are advantageously controlled until they strike opto-electronic mixers 210, 220. Such a control can be implemented, for example, by guiding the laser light 335, 345 via optically or photonically integrated circuits (PIC). A further step comprises a splitting S300 of the first laser light 335 into a first beam of the first wavelength and a second beam of the first wavelength, and splitting of the second laser light 345 into a first beam of the second wavelength and a second beam of the second wavelength. Splitting and merging of laser light can be done, for example, by optical fiber couplers or in a PIC. In one of the rays - here specifically the first
Strahl der ersten Wellenlänge - erfolgt nun ein Verschieben S400 der Phase, so dass die Einhüllenden der resultierenden gemischten Laserstrahlen 310 und 320 um 18 o° phasenverschoben sind. Dies kann beispielhaft durch einen Phasen Ver- satz um einen halbganzzahligen Wert der Wellenlänge des Strahls erfolgen. Die- se Verschiebung ist dabei als relativ zu den Phasen der anderen drei Strahlen zu verstehen; die anderen drei Strahlen werden in diesem Sinne nicht verschoben. Es erfolgt sodann ein Überlagern S500 des ersten Strahls der ersten Wellenlänge und des ersten Strahls der zweiten Wellenlänge zu einem ersten Laserstrahl 310, und ein Überlagern des zweiten Strahls der ersten Wellenlänge und des zweiten Strahls der zweiten Wellenlänge zu einem zweiten Laserstrahl 320. Die beiden Laserstrahlen 310, 320 werden nun für ein Bestrahlen S600 jeweils eines opto- elektronischen Mischers 210, 220 benutzt. Unabhängig davon erfolgt ein Emp- fangen S700 der elektromagnetischen Wehen 50 in zwei breitbandig empfan- genden Antennen 110, 120. Die empfangenen elektromagnetischen Wellen 50 werden in den Antennen 110, 120 in elektrische Antennensignale umgewandelt. Die erste Antenne 110 leitet ihr Antennensignal an den ersten opto- elektronischen Mischer 210 und die zweite Antenne 120 leitet ihr Antennensig- nal an den zweiten opto-elektronischen Mischer 220 weiter. Dabei weisen die Antennensignale relativ zueinander für Wellenlängen der empfangenen elekt- romagnetischen Wellen 50 beim Eintreffen in den opto-elektronischen Mischern 210, 220 vorteilhafterweise keinen relativen Phasenunterschied auf. Das Verfah- ren umfasst dann ein balanciertes Detektieren S800 der elektromagnetischen Wellen 50 durch ein Bilden einer Differenz aus einem ersten Ausgangssignal 410 des ersten opto-elektronischen Mischers 210 und einem zweiten Ausgangssignal 420 des zweiten opto-elektronischen Mischers 220. Beam of the first wavelength - the phase is now shifted S400 so that the envelopes of the resulting mixed laser beams 310 and 320 are phase-shifted by 180 °. This can be done, for example, by a phase shift by a half-integer value of the wavelength of the beam. This shift is to be understood as relative to the phases of the other three rays; the other three rays are not shifted in this sense. The first beam of the first wavelength and the first beam of the second wavelength are then superimposed S500 to form a first laser beam 310, and the second beam of the first wavelength and the second beam of the second wavelength to form a second laser beam 320. The two laser beams 310, 320 are now used for an irradiation S600 of an opto-electronic mixer 210, 220 in each case. Independently of this, the electromagnetic waves 50 are received S700 in two broadband antennas 110, 120. The received electromagnetic waves 50 are converted into electrical antenna signals in the antennas 110, 120. The first antenna 110 forwards its antenna signal to the first opto-electronic mixer 210 and the second antenna 120 forwards its antenna signal to the second opto-electronic mixer 220. The Antenna signals relative to one another for wavelengths of the received electromagnetic waves 50 advantageously do not have a relative phase difference when they arrive in the opto-electronic mixers 210, 220. The method then includes a balanced detection S800 of the electromagnetic waves 50 by forming a difference between a first output signal 410 of the first opto-electronic mixer 210 and a second output signal 420 of the second opto-electronic mixer 220.
Die in der Beschreibung, den Ansprüchen und den Figuren offenbarten Merk- male der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein. The features of the invention disclosed in the description, the claims and the figures can be essential for the implementation of the invention both individually and in any combination.
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Claims

ANSPRÜCHE EXPECTATIONS
1. Ein balancierter Detektor für eine breitbandige rauschunterdrückende Detektion elektromagnetischer Wellen (50) in einem Intervall von Fre- quenzen aus einem Bereich zwischen 50 GHz und 10 THz, umfassend: eine erste Antenne (110) und eine zweite Antenne (120), die ausgebildet sind, die elektromagnetischen Wellen (50) in dem Intervall von Frequen- zen zu empfangen; einen ersten opto-elektronischen Mischer (210) und einen zweiten opto- elektronischen Mischer (220); eine Einrichtung (300) zum Bereitstellen mindestens eines Laserstrahls (310, 320) für den ersten opto-elektronischen Mischer (210) und für den zweiten opto-elektronischen Mischer (220), wobei der erste opto-elektronische Mischer (210) ausgebildet ist, um ba- sierend auf einer Mischung der elektromagnetischen Wellen (50), die von der ersten Antenne (110) empfangen werden, und dem mindestens einen Laserstrahl (310, 320) ein erstes Ausgangssignal (410) auszugeben, und der zweite opto-elektronische Mischer (220) ausgebildet ist, um basierend auf einer Mischung der elektromagnetischen Wellen (50), die von der zweiten Antenne (120) empfangen werden, und dem mindestens einen1. A balanced detector for broadband noise-suppressing detection of electromagnetic waves (50) in an interval of frequencies from a range between 50 GHz and 10 THz, comprising: a first antenna (110) and a second antenna (120) which are formed are to receive the electromagnetic waves (50) in the interval of frequencies; a first opto-electronic mixer (210) and a second opto-electronic mixer (220); a device (300) for providing at least one laser beam (310, 320) for the first opto-electronic mixer (210) and for the second opto-electronic mixer (220), the first opto-electronic mixer (210) being designed, in order to output a first output signal (410) based on a mixture of the electromagnetic waves (50) received by the first antenna (110) and the at least one laser beam (310, 320), and the second opto-electronic mixer (220) is configured to based on a mixture of the electromagnetic waves (50) received by the second antenna (120) and the at least one
Laserstrahl (310, 320) ein zweites Ausgangssignal (420) auszugeben, und wobei das erste Ausgangssignal (410) und das zweite Ausgangssignal (420) jeweils eine Kopie (413, 423) eines Detektionssignals umfassen, und die beiden Kopien (413, 423) in Wellenlängen des Detektionssignals je- weils um 1800 Grad phasenverschoben vorliegen. Laser beam (310, 320) to output a second output signal (420), and wherein the first output signal (410) and the second output signal (420) each comprise a copy (413, 423) of a detection signal, and the two copies (413, 423) in wavelengths of the detection signal in each case be 180 degrees out of phase 0.
2. Der balancierte Detektor nach Anspruch 1, wobei der erste opto- elektronische Mischer (210) und der zweite opto-elektronische Mischer (220) Photoleiter oder Photodioden aufweisen. 2. The balanced detector of claim 1, wherein the first opto-electronic mixer (210) and the second opto-electronic mixer (220) comprise photoconductors or photodiodes.
3. Der balancierte Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Intervall von Frequenzen mindestens eine halbe Oktave oder eine oder zwei Oktaven oder mindestens einen Bereich um eine mittlere Frequenz (fc) umfasst, wobei der Bereich von einer halben mittleren Fre- quenz (fc/ 2) bis zu einer doppelten mittleren Frequenz (2*fc) reicht. 3. The balanced detector according to one of the preceding claims, wherein the interval of frequencies comprises at least half an octave or one or two octaves or at least a range around a mean frequency (fc), the range of half a mean frequency (fc / 2) up to twice the mean frequency (2 * fc).
4. Der balancierte Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Antennen (110, 120) als Schmetterlingsantennen ausgeführt sind. 4. The balanced detector according to one of the preceding claims, wherein the antennas (110, 120) are designed as butterfly antennas.
5. Der balancierte Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Antennen (110, 120) jeweils ausgebildet sind, um eine Polarisa- tionskomponente der elektromagnetischen Wellen (50) zu empfangen, und wobei die Polarisationskomponente, welche die erste Antenne (110) empfängt, orthogonal ist zur Polarisationskomponente, welche die zweite Antenne (120) empfängt. 5. The balanced detector according to one of the preceding claims, wherein the antennas (110, 120) are each designed to receive a polarization component of the electromagnetic waves (50), and wherein the polarization component which the first antenna (110) receives , is orthogonal to the polarization component which the second antenna (120) receives.
6. Der balancierte Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Antenne (110) die empfangenen elektromagnetischen Wel- len (50) als ein erstes Antennensignal an den ersten opto-elektronischen Mischer (210) weitergibt, und die zweite Antenne (120) die empfangenen elektromagnetischen Wellen (50) als ein zweites Antennensignal an den zweiten opto-elektronischen Mischer (220) weitergibt, so dass bei der Weitergabe die Antennensignale in jeder Wellenlänge relativ zueinander um eine halbe Wellenlänge phasenverschoben sind. 6. The balanced detector according to one of the preceding claims, wherein the first antenna (110) forwards the received electromagnetic waves (50) as a first antenna signal to the first opto-electronic mixer (210), and the second antenna (120) passes on the received electromagnetic waves (50) as a second antenna signal to the second opto-electronic mixer (220), so that during the relay the antenna signals are phase-shifted in each wavelength relative to one another by half a wavelength.
7. Der balancierte Detektor nach Anspruch 6, wobei die Einrichtung (300) ausgebildet ist, um nur einen Laserstrahl (310) auf beide opto- elektronischen Mischer (210, 220) zu richten. 7. The balanced detector according to claim 6, wherein the device (300) is designed to direct only one laser beam (310) onto both opto-electronic mixers (210, 220).
8. Der balancierte Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Antennen (110, 120) ausgebildet sind, um die elektromagnetischen Wellen (50) als Antennensignale ohne eine relative Phasenverschiebung an die opto-elektronischen Mischer (210, 220) weiterzugeben; die Einrichtung (300) ausgebildet ist, um einen ersten Laserstrahl (310) auf den ersten opto-elektronischen Mischer (210) zu richten und einen zweiten Laserstrahl (320) auf den zweiten opto-elektronischen Mischer (220) zu richten; und der Detektor weiter eine Phasenverschiebungseinrichtung (350) umfasst, die ausgebildet ist, um eine relative Phasenverschiebung um 180 Grad für den ersten Laserstrahl (310) an dem ersten opto-elektronischen Mischer (210) relativ zu dem zweiten Laserstrahl (320) an dem zweiten opto- elektronischen Mischer (220) zu bewirken. 8. The balanced detector according to one of claims 1 to 5, wherein the antennas (110, 120) are designed to transmit the electromagnetic waves (50) as antenna signals without a relative phase shift to the opto-electronic mixer (210, 220); the device (300) is designed to direct a first laser beam (310) onto the first opto-electronic mixer (210) and direct a second laser beam (320) onto the second opto-electronic mixer (220); and the detector further comprises a phase shift device (350) which is designed to provide a relative phase shift of 180 degrees for the first laser beam (310) at the first opto-electronic mixer (210) relative to the second laser beam (320) at the second to effect opto-electronic mixer (220).
9. Der balancierte Detektor nach Anspruch 8, wobei: die Einrichtung (300) ausgebildet ist, um den ersten Laserstrahl (310) durch eine Überlagerung von einem ersten Laserlicht einer ersten Wellen- länge und einem zweiten Laserlicht einer zweiten Wellenlänge zu bilden; und die Einrichtung (300) ausgebildet ist, um den zweiten Laserstrahl (320) durch eine Überlagerung von dem ersten Laserlicht und dem zweiten La- serlicht zu bilden, wobei das erste Laserlicht an den beiden opto-elektronischen Mischern (210, 220) mit einer ersten relativen Phasenverschiebung und das zweite Laserlicht an den beiden opto-elektronischen Mischern (210, 220) mit ei- ner zweiten relativen Phasenverschiebung auftreffen, so dass die Diffe- renz der ersten und der zweiten Phasenverschiebung 180 Grad beträgt. 9. The balanced detector according to claim 8, wherein: the device (300) is designed to form the first laser beam (310) by superimposing a first laser light of a first wavelength and a second laser light of a second wavelength; and the device (300) is designed to form the second laser beam (320) by superimposing the first laser light and the second laser light, wherein the first laser light at the two opto-electronic mixers (210, 220) with a The first relative phase shift and the second laser light impinge on the two opto-electronic mixers (210, 220) with a second relative phase shift, so that the difference between the first and the second phase shift is 180 degrees.
10. Ein Verfahren für eine breitbandige rauschunterdrückende Detektion elektromagnetischer Wellen (50) in einem Intervall von Frequenzen aus einem Bereich zwischen 50 GHz und 10 THz mit folgenden Schritten: 10. A method for broadband noise-suppressing detection of electromagnetic waves (50) in an interval of frequencies from a range between 50 GHz and 10 THz with the following steps:
- Bereitstellen (S10) von mindestens einem Laserstrahl (310, 320) für einen ersten opto-elektronischen Mischer (210) und einen zwei- ten opto-elektronischen Mischer (220); - breitbandiges Empfangen (S20) der elektromagnetischen Wellen (50) durch eine erste Antenne (110) und eine zweite Antenne (120), wobei die elektromagnetischen Wellen (50) ein erstes Antennen- signal von der ersten Antenne (110) und ein zweites Antennensig- nal von der zweiten Antenne (120) erzeugt; - providing (S10) at least one laser beam (310, 320) for a first opto-electronic mixer (210) and a second opto-electronic mixer (220); Broadband reception (S20) of the electromagnetic waves (50) by a first antenna (110) and a second antenna (120), the electromagnetic waves (50) being a first antenna signal from the first antenna (110) and a second antenna signal - nal generated by the second antenna (120);
- Mischen (S30) des ersten Antennensignals im ersten opto- elektronischen Mischer (210) sowie des zweiten Antennensignals im zweiten opto-elektronischen Mischer (220) mit dem mindestens einen Laserstrahl (310, 320), wobei das Mischen (S30) derart ausgeführt wird, dass ein erstes Aus- gangssignal des ersten opto-elektronischen Mischers (210) und ein zwei- tes Ausgangssignal des zweiten opto-elektronischen Mischers (220) je- weils eine Kopie (413, 423) eines Detektionssignals umfassen und die Ko- pien (413, 423) im Intervall von Frequenzen um 180 Grad phasenver- schoben wurden. - Mixing (S30) the first antenna signal in the first opto-electronic mixer (210) and the second antenna signal in the second opto-electronic mixer (220) with the at least one laser beam (310, 320), the mixing (S30) being carried out in this way that a first output signal of the first opto-electronic mixer (210) and a second output signal of the second opto-electronic mixer (220) each comprise a copy (413, 423) of a detection signal and the copies ( 413, 423) have been phase-shifted by 180 degrees in the interval of frequencies.
11. Das Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Bereitstellen (S10) ein Bereit- stellen eines ersten Laserstrahls (310) und ein Bereitstellen eines zweiten Laserstrahls (320) umfasst, und das Verfahren weiter den folgenden Schritt umfasst: 11. The method according to claim 9, wherein the providing (S10) comprises providing a first laser beam (310) and providing a second laser beam (320), and the method further comprises the following step:
Ausbilden einer relativen Phasenverschiebung um 180 Grad für den ers- ten Laserstrahl (310) an dem ersten opto-elektronischen Mischer (210) relativ zu dem zweiten Laserstrahl (320) an dem zweiten opto- elektronischen Mischer (220). Forming a relative phase shift of 180 degrees for the first laser beam (310) at the first opto-electronic mixer (210) relative to the second laser beam (320) at the second opto-electronic mixer (220).
12. Das Verfahren nach Anspruch 9, wobei das breitbandige Empfangen (S20) unter Nutzung einer asymmetrischen Antennenstruktur (110, 120) ausgeführt wird, wobei die asymmetrische Antennenstruktur (110, 120) ausgebildet ist, um aus den empfangenen elektromagnetischen Wellen (50) zwei Antennensignale zu erzeugen, die relativ zueinander um 180 Grad phasenverschoben sind. 12. The method according to claim 9, wherein the broadband reception (S20) is carried out using an asymmetrical antenna structure (110, 120), wherein the asymmetrical antenna structure (110, 120) is designed to from the received electromagnetic waves (50) two Generate antenna signals that are 180 degrees out of phase with each other.
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