Mikrowellenphotonik ist ein interdisziplinäres Gebiet, das sich mit dem Zusammenwirken von Mikro- und Lichtwellen bei der Erzeugung, Bearbeitung, Kontrolle und Verbreitung von Signalen im Terahertz- sowie Mikro- und Millimeterwellenbereich beschäftigt. Mikrowellenphotonik findet man in vielen Anwendungen, zum Beispiel in drahtlosen Hochgeschwindigkeitsnetzwerken, in der Spektroskopie und Bildgebung, beim Radar, in Sensoren und in moderner Messtechnik.

Das "IEEE International Topical Meeting on Microwave Photonics" (MWP) ist das wichtigste internationale Treffen der Mikrowellenphotonik und bietet von neuen Bauelementen bis zu Feldversuchen eine Präsentationsplattform für neue Entwicklungen in diesem multidisziplinären Forschungsgebiet. Der Veranstaltungsort des MWP wechselt im Dreijahresrhythmus zwischen Europa, Amerika und dem Asien-Pazifik-Raum und lag in diesem Jahr vom 7. bis zum 10. Oktober in Ottawa, Kanada. Die Universität Duisburg-Essen war in Ottawa mit drei Mitarbeitern des Zentrums für Halbleitertechnik und Optoelektronik vertreten: Sebastian Dülme, Matthias Steeg und Prof. Dr. Andreas Stöhr waren angereist, um System- und Technikentwicklungen der letzten Monate aus dem Bereich der Optoelektronik zu präsentieren. Vorgestellt wurden Arbeiten aus dem Bereichen Millimeterwellen-Radar und Millimeterwellen-Strahlablenkung für 5G Applikationen mittels photonischer Leckwellen-Antennen sowie photonische Terahertz Spektroskopie und Bildgebungsysteme.

Besondere Anerkennung fand die Entwicklung eines neuartigen photonischen Zweiton-Terahertz-Spektroskopie- und Bildgebungssytems, welches Sebastian Dülme den "Best Student Paper Award (2nd Place)" für seine Arbeit "300 GHz Photonic Self-Mixing Imaging-System with vertical illuminated Triple-Transit-Region Photodiode Terahertz Emitters" eingebracht hat.

Das von Sebastian Dülme, derzeit im Rahmen des Sonderforschungsbereichs Mobile Material Characterization and Localization by Electromagnetic Sensing (SFB/TRR 196 – MARIE), gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), als Doktorand im Fachgebiet Optoelektronik an der Universität Duisburg-Essen tätig, vorgestellte neuartige, photonische Zweiton-Terahertz-Spektroskopie- und Bildgebungssystem, ermöglicht extrem rauscharm Amplituden- und Phasenwerte zu ermittelt. Durch das geringe Phasenrauschen des präsentierten Systems, lassen sich kleinste Änderungen z.B. der komplexen Permittivität oder der Dicke der zu untersuchenden Objekte ermitteln. Das System basiert auf der Detektion zweier Terahertz-Signale mittels eines Hüllkurvendetektors, welcher die Terahertz-Signale zu einem niederfrequenten Signal heruntermischt, in welchem die Phaseninformation der Terahertz-Signale weiterhin enthalten ist. Im Gegensatz zu herkömmlichen kohärenten Systemen, kann so auf eine platzeinehmende optische Verzögerungsstrecke verzichtet werden sowie eine deutliche Reduzierung des Phasenrauschen erreicht werden.

Zur notwendigen Erzeugung der Terahertzstrahlung wurden im Zentrum für Halbleitertechnik und Optoelektronik entwickelte, leistungsstarke und ultraschnelle Terahertz-Photodioden verwendet. Photodioden stellen Schlüsselelemente in vielen photonischen Terahertzsystemen für z.B. Kommunikations-, Radar-, Spektroskopie- und Bildgebungsanwendungen dar, in denen sie zur Erzeugung von Terahertzwellen mittels optoelektrischer Umwandlung verwendet werden. Die Charakterisierung der auf Indiumphosphid basierenden Terahertz-Photodioden erfolgte zum Teil in Kooperation mit dem Lehrstuhl Optoelectronic Device Group von Prof. Dr. Andreas Beling an der University of Virginia in Charlottesville, USA, den Sebastian Dülme im Rahmen eines Forschungsaufenthaltes (Short Term Scientific Mission) im Dezember 2018 besucht hat. Durch die erzielte flache Frequenzantwort der Photodioden im J-Frequenzband (225 GHz bis 330 GHz), konnte die Verwendung des vorgestellten Zweiton-Terahertz-Systems bei 300 GHz ermöglicht werden. Neben den experimentell ermittelten Ergebnissen sind zudem numerische Simulationen zur Halbleiterphysik des Bauteils auf der Konferenz präsentiert worden.

Künftige Arbeiten in diesem Gebiet werden neben der weiteren Leistungsoptimierung der Terahertz-Photodioden, unter anderem ihre Integration mit anderen Materialsystemen, die Herstellung fasergebundener Photodiodenmodule, die Entwicklung von Photodioden-Arrays sowie die Realisierung von elektromagnetischer Terahertz-Strahllenkung beinhalten.

Kontakt: Andreas Stöhr