Fremme af lokale terahertz -oscillatorer for at muliggøre kosmiske observationer

NASA udvikler en ny type detektor, der vil give indsigt i universets dannelse og struktur. Mange af de strålende og mekaniske interaktioner, der former galaksernes interstellare medium og driver galaktisk udvikling (f.eks. chokbølger fra stjernevinde og jetfly, supernova eksplosioner, osv.) observeres bedst i spektralområdet 4,744 terahertz (THz) for oxygenlinjen. Observationer af denne spektrallinje er sjældent blevet udført, imidlertid, fordi frekvensen på 4,744-THz er uden for rækkevidde for de fleste eksisterende lokale oscillatorer, der opererer i heterodyne-modtagere, der er følsomme nok til at foretage sådanne observationer. Et NASA-sponsoreret team ved Massachusetts Institute of Technology (MIT) arbejder på at fremme teknologier, der gør det muligt for kommende NASA-missioner at inkludere modtagere, der observerer denne vigtige spektrallinje.

Heterodyne -detektion sammenligner det indgående lyssignal med et referencelampe fra en lokal oscillator (LO). Nøgleudfordringer ved dette projekt er at øge LO -udgangseffekten fra det i øjeblikket opnåelige niveau på <1 mW til 5 mW, og for at øge driftstemperaturen fra et laboratoriedemonstreret ~ 10 K til ~ 40 K-en temperatur, der kan rummes af et rumbaseret eller suborbital observatorium. For at opnå Det store printkort til venstre er et tidligere ASIC -design. De tre rektangulære segmenter giver tre antenneindgange, understøtter fire 20-MHz kanaler, og kræver cirka 5 W strøm. Til højre ses den nye ASIC -chip. Ved at tilføje et par små komponenter, såsom stik, det vil give tre antenneindgange, med svarende til tolv 40-MHz kanaler, og kræver kun 1 W strøm. (Billedkredit:Michael Shaw, GigOptics, Inc.) 12 | 2017 SMD -teknologi Fremhæver disse mål, projektteamet udvikler lokale oscillatorer baseret på THz quantum-cascade lasers (QCL), som kan pumpe en syv-element heterodyne modtager array. Disse lokale oscillatorer skal udsende enkeltfrekvent stråling med god spektral renhed (smal linjebredde <1 MHz ved 4,7 THz), som kun kan opnås ved hjælp af Distributed-FeedBack (DFB) gitterstrukturer. Teamet undersøgte tre forskellige DFB -strukturer til potentiel brug i modtageren og valgte den bedste løsning, som har et ensrettet strålemønster (det stråler kun i fremadgående retning) med høje udgangseffektniveauer.

Et modtagerarray, der er i stand til at observere 4,744-THz-frekvensen, vil give ny og unik indsigt i stjerners og gasers indbyrdes forhold i en lang række galaktiske og ekstragalaktiske miljøer. NASA planlægger at implementere modtagere ved hjælp af denne teknologi på den kommende GUSTO-mission (Galactic/Extragalactic Ultralong-Duration Balloon Spectroscopic Terahertz Observatory), en ballon nyttelast med lang varighed målrettet til lancering i 2021. Teknologien har også potentielle applikationer til den kommende Single Aperture Far-Infrared Observatory (SAFIR) mission, et stort kryogent rumteleskop forestillet som en opfølgning på Spitzer-rumteleskopet og Herschel-rumobservatoriet. Udover astrofysik, THz QCL'er vil være nyttige i en lang række applikationer inden for områder som sikkerhed, biokemisk sansning, og biomedicinsk billeddannelse.

I den nærmeste fremtid, holdet vil udvikle flyveparate lokale oscillatorer til suborbital missioner som GUSTO. På lang sigt, arbejdet vil indebære udvikling af lokale oscillatorer til rumbaserede observatorier som SAFIR, hvilket vil involvere enheder med endnu højere ydelseskrav.