Erzeugung und Nachweis
Elektronische Methoden: Ausgehend vom Mikrowellenbereich haben sich eine Reihe von Quell- und Detektorkonzepten durch eine Hochskalierung der Frequenz etabliert. Transistoren basierend auf Siliziumgermanium (SiGe) und auf Indiumphosphid (InP) bzw. komplexerer Indiumgallium-Aluminium Arsenidphosphidverbindungen können für die Erzeugung von Frequenzen von einigen 100 GHz in Schaltungen realisiert werden. Dies erforderte eine Verringerung der Strukturgröße in den nm-Bereich bei gleichzeitiger Optimierung der Kontaktierung und des Gate-Dielektrikums sowie Abweichen von rein planaren Strukturen hin zu dreidimensionalen Bauteilen (z.B. Fin-Feldeffekttransistor). Oberhalb von ca. 500 GHz werden häufig frequenzvervielfachte Oszillatoren eingesetzt, d.h. die Frequenz einer Quelle im oberen Mikrowellenbereich oder im Millimeterwellenbereich (z.B. bei 100 GHz) wird durch eine Sequenz mehrerer nichtlinearer Bauteile vervielfacht. So können Frequenzen bis etwa 2 THz abgedeckt werden. Die Detektion kann umgekehrt erfolgen, d.h. eine hohe Frequenz wird heruntergemischt und mit einem Detektor im Bereich unter 100 GHz detektiert. Alternativ gibt es auch eine Reihe von Detektorkonzepten basierend auf Schottky-Dioden und Feldeffekttransistoren, welche als Gleichrichter fungieren und selbst bei Frequenzen von einigen THz eingesetzt werden können, wenn auch mit Einbußen in der Sensitivität bei hohen Frequenzen.
Optische Methoden umfassen THz-Laser, wie Quantenkaskadenlaser (QCL), welche im Bereich oberhalb von 1 THz mit einigen mW Leistung sehr leistungsstark sind. QCL müssen allerdings im THz-Bereich kryogen betrieben werden. Mit Hilfe moderner optischer Methoden, die auf Ultrakurzpulslasern und nichtlinearen optischen Verfahren beruhen, ist es möglich, THz-Strahlung zu erzeugen und empfindlich nachzuweisen. Ein technischer Durchbruch erfolgte mit der Verfügbarkeit von Femtosekunden-(fs) Lasern. Gemäß dem Fourier-Prinzip weisen solch kurze Laserpulse ein Frequenzspektrum mit einer Breite von mehreren THz auf. Ein nichtlinearer Kristall, z.B. Lithiumniobat, mischt die Frequenzkomponenten und erzeugt so ein THz Signal. Man spricht auch von optischer Gleichrichtung, da das hochfrequente Lasersignal in ein vergleichsweise niederfrequentes THz Signal umgesetzt wird. In Verbindung mit der Zeitbereichsspektroskopie (engl.: time-domain spectroscopy, TDS) steht durch den kohärenten Nachweis ein leistungsstarkes Messverfahren selbst bei Raumtemperatur zur Verfügung.
Photonische Konzepte stellen eine Kombination von elektronischen und optischen Methoden dar. Kernbestandteil ist ein optisch aktives Halbleiterbauteil, welches durch ein Lichtsignal geschaltet wird. Das Lichtsignal kann entweder aus einem fs-Laserpuls oder aus zwei Dauerstrichlasersignalen bestehen. Durch Absorption des Lichtsignals erzeugt das Halbleiterbauteil einen hochfrequenten Strom, der letztlich als THz-Signal abgestrahlt wird. Die Beleuchtung mit einem fs-Laser ist wie ein optischer Hammerschlag zu verstehen, bei dem sehr viele Frequenzkomponenten im THz-Bereich entstehen. Die Strahlung ist in diesem Falle gepulst. Bei der Verwendung von zwei Dauerstrichsignalen, z.B. bei 1550 nm (entsprechend 193.41 THz) und 1558.07 nm (entsprechend 192.41 THz) agiert das Halbleiterbauteil wie ein Mischer und erzeugt eine Wechselstromkomponente bei der Differenzfrequenz, im obigen Beispiel also bei 1 THz. Zur Detektion kann das Konzept umgekehrt werden, so dass das Halbleiterbauteil eine einfallende THz-Welle durch geschickte Mischung mit einem Lasersignal in einen Photostrom umwandelt. Photonische Systeme können extreme Bandbreiten von einigen 10 GHz bis hin zu einigen THz abdecken. Moderne photonische Systeme, welche mit kostengünstigen Telekom-Lasern betrieben werden können, bieten zudem einen Spitzendynamikbereich von mehr als 100 dB an.
