Erzeugung von Terahertz-Strompulsen durch rein-optische Anregung

In der PTB ist es gelungen, durch rein optische Anregung elektrische Ströme in Halbleiterstrukturen zu erzeugen. Die Besonderheit dieses Verfahrens besteht darin, dass kein elektrisches Feld benötigt wird, in dem Ladungsträger beschleunigt werden. Im übertragenen Sinn entspricht dies einem Stromfluss ohne Spannungsquelle. Solche Methoden können künftig unter anderem in der hochfrequenten Signalverarbeitung wichtig werden.

Für die Charakterisierung von Höchstfrequenzkomponenten ist es wünschenswert, ultrakurze Strompulse zu erzeugen, deren zeitliche Form man beliebig variieren kann. Bisherige Methoden zur Generation von wenigen 100 fs langen Strompulsen basieren auf einer Mischung von elektronischen und optischen Verfahren und lassen diese Möglichkeit nicht zu. Der PTB ist es nun gelungen, ultrakurze Strompulse mit rein optischen Methoden zu erzeugen. Mit diesem Verfahren ist eine Variation der Form dieser Strompulse prinzipiell möglich.

Zur Erzeugung der rein optisch generierten Ströme wurden spezielle Halbleiternanostrukturen in der PTB hergestellt und mit kurzen optischen Pulsen angeregt. Durch Ausnutzung nichtlinearer optischer Prozesse entsteht dabei ein Stromfluss im Halbleiter. Hierbei werden die Ladungsträger - anders als bei einem normalen Stromfluss - nicht in einem vorhandenen elektrischen Feld beschleunigt.

Nachgewiesen werden die Ströme über die gleichzeitig auftretende elektromagnetische Strahlung: Die Ströme erzeugen eine Polarisationsänderung, die als Quelle für in den freien Raum abgestrahlte elektromagnetische Wellen wirkt. Durch den kurzen optischen Anregungspuls sind die Strompulse und damit auch die abgestrahlten elektromagnetischen Pulse nur wenige 100 fs lang. Solche kurzen Pulse beinhalten Frequenzkomponenten von mehreren Terahertz, weshalb standardmäßig von THz-Pulsen gesprochen wird. Mittels elektrooptischer Methoden werden die in den freien Raum abgestrahlten THz-Pulse messtechnisch charakterisiert.

In weitergehenden Versuchen soll die Einkopplung von rein optisch generierten Strompulsen in planare Wellenleiter untersucht werden. Solche Wellenleiter sind wichtig für die Weiterleitung der ultrakurzen Strompulse, um damit Höchstfrequenzkomponenten charakterisieren zu können.

Bild 1: Ein Teil des experimentellen Aufbaus: Die Propagationswege der Laserimpulse bzw. der THz Pulse (rote und blaue Linien) sowie ein typischer Zeitverlauf eines THz Pulses sind farbig markiert.