Ευαισθησία και θόρυβος στα ηλεκτρικά οπτικά ραδιομέτρα μετατροπής THz

Αφηρημένη Αυτή η εργασία παρουσιάζει μια μελέτη του θορύβου σε ραδιομετρητές THz σε θερμοκρασία δωματίου που χρησιμοποιούν μετατροπή THZ σε οπτική ακολουθούμενη από οπτική ανίχνευση θερμικής ακτινοβολίας. Παρά τον ανεπιθύμητο ανεπιθύμητο θερμικό θόρυβο, κανένας θόρυβος δεν εισάγεται εγγενώς από την αποτελεσματική ηλεκτρο-οπτική διαμόρφωση μέσω μιας διαδικασίας παραγωγής συχνοτήτων αθροίσματος σε αντηχεία υψηλής ποιότητας συντελεστή (Q). Ωστόσο, η συνεκτική και ασυνεπής οπτική ανίχνευση οδηγεί σε βασικά διαφορετικά χαρακτηριστικά θορύβου. Η ανάλυση δείχνει ότι ο δέκτης άνω μετατροπής είναι κβαντικός περιορισμός όπως συμβατικοί ενισχυτές και αναμικτήρες, μόνο όταν πραγματοποιείται ανίχνευση οπτικής ομοδιόνης ή ετεροδίνης. Ωστόσο, αυτός ο τύπος δέκτη εμφανίζει πλεονεκτήματα ως μετρητής φωτονίων THz, όπου η μέτρηση γίνεται στον οπτικό τομέα. Οι θεωρητικές προβλέψεις δείχνουν ότι οι δέκτες θερμοκρασίας δωματίου με βάση την μετατροπή μπορούν να ξεπεράσουν τους υπερσύγχρονους δέκτες THz με θερμοκρασία και θερμοκρασία δωματίου με βάση ενισχυτές και αναμικτήρες χαμηλού θορύβου, υπό την προϋπόθεση ότι επιτυγχάνεται αποτελεσματικότητα μετατροπής φωτονίων μεγαλύτερη από 1%. Αν και το εύρος ζώνης ανίχνευσης είναι φυσικά περιορισμένο λόγω του εξαιρετικά συντονισμένου ηλεκτρο-οπτικού διαμορφωτή, δεν είναι ουσιαστικά περιορισμένο και μπορεί να διευρυνθεί με τη μηχανική επιλεκτικών μηχανισμών οπτικής σύζευξης στον αντηχείο. Εισαγωγή Τα ραδιομετρητές κυμάτων χιλιοστών, terahertz και far-IR χρησιμοποιούνται στη ραδιοαστρονομία και την αστροφυσική, καθώς και στις επιστήμες της γης, καθώς πολλές σημαντικές γραμμές εκπομπών μεταξύ 200 GHz και 2,5 THz μπορούν να παρακολουθούνται για ρύπανση, μετεωρολογία και ατμοσφαιρική μοντελοποίηση, όπως αναθεωρήθηκε στο 1 . Στην περιβαλλοντική ατμοσφαιρική ανίχνευση, π.χ., κατασκευάστηκαν όργανα για την ανίχνευση της γραμμής οργανικού οξέος C10 στην ατμόσφαιρα στα 700 GHz 2 , για την παρατήρηση του μεγέθους των σωματιδίων νέφους και του παγόνερου από 240 έως 850 GHz 3 και για μετρήσεις ΟΗ στη στρατόσφαιρα και τη μεσόσφαιρα από το διάστημα στα 2,5 THz. Τα όργανα Space THz για φασματοσκοπία μοριακής γραμμής από περίπου 100 GHz έως 1,5 THz επανεξετάζονται στο 4. Άλλα ραδιομετρικά απεικόνισης άμεσης ανίχνευσης, προενίσχυσης και ετεροδίνης απεικονίστηκαν για να παρατηρούν ζώνες κύματος χιλιοστόμετρου και THz για διάφορες εφαρμογές όπως ανίχνευση κρυφών όπλων και απεικόνιση 5 , 6 , 7 , 8 , 9 . Μια πρόσφατη ανασκόπηση των κρυογονικών επίγειων και αερομεταφερόμενων ραδιοαστρονομικών οργάνων far-IR στο εύρος συχνοτήτων από 300 GHz έως 10 THz δίνεται σε 10 . Παρά τις επιτυχείς προσπάθειες όπως αυτές που αναφέρονται παραπάνω, η ανίχνευση υψηλής ευαισθησίας χαμηλού θορύβου στο εύρος συχνοτήτων THz παραμένει δύσκολη, καθώς οι συμβατικοί δέκτες είναι είτε ανύπαρκτοι είτε λιγότερο ευαίσθητοι από τους μικροκυμάτων και τους οπτικούς ομολόγους τους. Οι συνεκτικοί δέκτες χρησιμοποιούνται στη συμβολομετρία λόγω της απαίτησης διατήρησης των πληροφοριών φάσης. Ωστόσο, ακόμα και όταν απαιτούνται μόνο φασματικές πληροφορίες ισχύος, χρησιμοποιούνται συχνά δέκτες ετεροδίνης, δεδομένου ότι τα ψηφιακά φασματόμετρα backend μπορούν να επιλύσουν το φάσμα βασικής ζώνης και είναι μια απλούστερη προσέγγιση από τη χρήση σύνθετων τραπεζών φίλτρων πριν από έναν ασυνάρτητο ανιχνευτή 11 . Σχήμα 1απεικονίζει τους διάφορους τύπους δεκτών, όπου οι ανιχνευτές εμφανίζονται στα δεξιά και μπορούν να ανταποκριθούν στην ισχύ της προσπίπτουσας ακτινοβολίας (D1), ή τα στοιχεία πεδίου σε φάση ή / και σε τετραγωνικό επίπεδο σε έναν τοπικό ταλαντωτή, ανάλογα με το αν μια ομοδυίνη ή ετεροδίνη χρησιμοποιείται το σχήμα (D2 και D3, αντίστοιχα). Το Σχήμα 1b, c δείχνει συμβατικά πρόσθια μέρη που διευκολύνουν την εργασία του ανιχνευτή προ-ενίσχυση ή μετατόπιση της λαμβανόμενης ακτινοβολίας σε χαμηλότερες συχνότητες. Σε έναν απλό άμεσο ανιχνευτή, η κεραία συνδέει την προσπίπτουσα ακτινοβολία με έναν ανιχνευτή τετραγώνου νόμου ή ένα βολόμετρο (Εικ. 1α-Δ1 ) που καθορίζει τον θόρυβο και επομένως συνήθως πρέπει να ψύχεται για υψηλή ευαισθησία, π.χ. 12 . Τα μπροστινά άκρα των κλασικών ραδιομέτρων, ωστόσο, είτε διαθέτουν ενισχυτή χαμηλού θορύβου (LNA)6 , 13 ή ένα μίξερ, που φαίνεται σχηματικά στο Σχ. 1b, c , αντίστοιχα. Η ενίσχυση ή η χαμηλή μετατροπή του περιστατικού ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων THz σε ενδιάμεσες συχνότητες επιτρέπει τη χρήση τυπικών ανιχνευτών μικροκυμάτων θερμοκρασίας δωματίου, μεταφέροντας το μεγαλύτερο μέρος του προϋπολογισμού θορύβου στο frontend. Αυτές οι συνεκτικές τεχνικές παρέχουν πλάτος και φάση των λαμβανόμενων κυμάτων σε έναν ανιχνευτή ομοδόνιας ή ετεροδίνης (D2 και D3, αντίστοιχα στο σχήμα 1 ) που οδηγεί σε μια θεμελιώδη ποινή θορύβου γνωστή ως το κβαντικό όριο 14. Οι κρυογονικοί ενισχυτές χαμηλού θορύβου βασισμένοι σε τρανζίστορ κινητικότητας υψηλής ηλεκτρονικής (HEMT) και οι αναμεικτήρες Superconductor Insulator Superconductor (SIS) χρησιμοποιούνται ευρέως ως μπροστινά μέρη οργάνων εξαιρετικά χαμηλού θορύβου, επιτυγχάνοντας σε ορισμένες περιπτώσεις αριθμούς θορύβου μόλις μερικές φορές υψηλότερες από το κβαντικό όριο 15 , 16 .>>>
Γενικά σχήματα δέκτη και ανιχνευτή ραδιομέτρου. Η ισχύς της ακτινοβολίας THz που συλλέγεται από την κεραία, που αντιπροσωπεύεται εδώ από κάποια θερμοκρασία Τ Α , μπορεί να ληφθεί άμεσα και να ανιχνευθεί με άμεση ανίχνευση όπως στην περίπτωση (D1), ομοδιόνη (D2) ή ανίχνευση ετεροδίνης (D3). Για τη βελτίωση του SNR, η λαμβανόμενη ακτινοβολία συχνά προενισχύεται όπως στην περίπτωση ( β ), μετατρέπεται προς τα κάτω όπως στην περίπτωση ( γ ) ή μπορεί να μετατραπεί σε μετατροπή όπως στην περίπτωση ( δ )Το Σχήμα 2α δείχνει έναν μη ιδανικό μετατροπέα που συνδέεται με μια ιδανική κεραία που λαμβάνει θερμική ακτινοβολία THz με επίκεντρο τη συχνότητα v m από μια πηγή μαύρου σώματος μακρινού πεδίου σε θερμοκρασία Τ Α . Ο upconverter είναι ένας αποτελεσματικός EOM που απεικονίζουμε ως αντηχείο υψηλής ποιότητας WGM που αντλείται από λέιζερ σε συχνότητα v σελ . Ως εκ τούτου, οι οπτικές πλευρικές ζώνες δημιουργούνται σε συχνότητες v s  =  v p  ±  v m λόγω των διαδικασιών SFG και / ή DFG και στη συνέχεια φωτοανιχνεύονται. Προτιμάται μια διαδικασία SFG, δεδομένου ότι είναι απαλλαγμένη από αυθόρμητο παραμετρικό θόρυβο παραμέτρου (SPDC), και επομένως εγγενώς αθόρυβο 28 ,29 , 30 . Μοντελοποιούμε αυτόν τον δέκτη κάνοντας πρώτα κάποιες απλοποιήσεις. Θεωρούμε όλο το συζευγμένο θόρυβο περιβάλλοντος ως ισοδύναμη πηγή αναφοράς εισόδου σε θερμοκρασία Τ e όπως φαίνεται στο Σχ. 2β 25 . Στη συνέχεια, η απόδοση μη ενότητας διαμορφώνεται από ένα δέκτη δέσμης με ζεύξη η u πριν ή μετά από ένα ιδανικό EOM 29 , 30 . Αυτό συμβαίνει επειδή η uείναι απλώς η πιθανότητα ότι ένα φωτόνιο THz μετατρέπεται αντί να απορροφάται από τον αντηχείο κρυστάλλου. Μετά από αυτό, το EOM μπορεί να αντιμετωπιστεί ως 100% αποδοτικό και όχι θερμικά κατοικημένο. Λαμβάνοντας υπόψη μόνο μια διαδικασία SFG, τα στατιστικά στοιχεία φωτονίων είναι ίδια με την είσοδο και την έξοδο ενός τέτοιου ιδανικού EOM. Γενικά, οι συνεισφορές θερμικού θορύβου και φωτοβολταϊκού θορύβου στη συνολική εικόνα θορύβου του δέκτη διαφέρουν για ασυνεπή και συνεκτικά σχήματα οπτικής ανίχνευσης, όπως συζητείται παρακάτω.........>>>>2
( α ) Σχηματικό της μετατροπής της ακτινοβολίας THz μέσω ηλεκτρο-οπτικής διαμόρφωσης σε ένα αντηχείο υψηλής ποιότητας WGM. Μια οπτική αντλία σε συχνότητα v p συνδέεται με τον συντονιστή EOM WGM μέσω ενός πρίσματος, ενώ η ακτινοβολία THz ( v m ) συνδέεται από μια κεραία μέσω, π.χ. ενός διηλεκτρικού κυματοδηγού όπως στο 25 . Το EOM είναι θερμικά κατοικημένο λόγω της φυσικής του θερμοκρασίας T p και έχει απόδοση μετατροπής φωτονίων η u . Το διαμορφωμένο οπτικό πλευρική ζώνη συχνοτήτων ( v S ) στη συνέχεια συζεύγνυται από το συντονισμού διαμορφωτή σε έναν φωτοανιχνευτή. ( β) Ο upconverter μπορεί να μοντελοποιηθεί ως μια ιδανική αθόρυβη EOM αποδοτικότητας ενότητας, τροφοδοτούμενη από μια θερμική πηγή που αναφέρεται σε είσοδο σε ισοδύναμη θερμοκρασία T e . Ο εξασθενητής (διαχωριστής δέσμης) στην έξοδο διαμορφώνει την απόδοση φωτονίου η u .>>

Σχηματικό σχήμα ενός ραδιομέτρου που χρησιμοποιεί έναν ηλεκτρο-οπτικό διαμορφωτή ως μετατροπέα ακτινοβολίας THz στον οπτικό τομέα, ακολουθούμενο από ( α ) ομοιόμορφη ή ( β ) συνεκτική ανίχνευση ετεροδίνης. Σε καθένα από αυτά τα σχήματα, το κλάσμα της αντλίας λέιζερ v p πιθανώς να διαρρεύσει από τον EOM λόγω της ατελούς σύζευξης με τον συντονιστή WGM δεν χρειάζεται να φιλτραριστεί πριν από τη φωτοανίχνευση. Αυτό συμβαίνει επειδή η αντλία επαγόμενη φωτορεύματος ψέματα σε μία ενδιάμεση συχνότητα κοντά στο ν μ η οποία είναι σε ένα πραγματικό σενάριο πολύ μακριά από το εύρος ζώνης απόκριση του φωτοανιχνευτή.