Como foi visto na se¸c˜ao anterior, as aplica¸c˜oes para a faixa de terahertz s˜ao vastas e bastante promissoras, por´em, a tecnologia dispon´ıvel para tornar estas aplica¸c˜oes acess´ıveis n˜ao ´e t˜ao abundante [20].
Nesta se¸c˜ao s˜ao apresentadas as tecnologias e tipos de fontes e detectores dispon´ıveis para a faixa de teraherz.
1.3.1
Fontes
O componente mais dif´ıcil de se implementar na faixa de terahertz ´e a fonte do sinal [20]. Do ponto de vista da eletrˆonica, o comprimento de onda ´e muito pequeno para permitir o uso das tecnologias bem estabelecidas baseadas em se- micondutores. J´a do ponto de vista da fotˆonica, o comprimento de onda ´e muito grande para que se possa atingir a partir das tecnologias para gera¸c˜ao de sinais de infra-vermelho.
O grande desafio para o desenvolvimento de fontes de sinal com frequˆencia em terahertz gerados a partir de dispositivos eletrˆonicos est´a em incrementar a sua eficiˆencia e a potˆencia de sa´ıda [11]. Os processos de fabrica¸c˜ao do estado da arte baseados em semicondutores possuem frequˆencias de transi¸c˜ao (fT) no limite
da faixa de ondas milim´etricas, o que torna as reatˆancias parasitas e as perdas resistivas dominantes quando se projeta circuitos tradicionais para transmiss˜ao de sinais na faixa de terahertz, como osciladores e amplificadores.
Algumas t´ecnicas de convers˜ao de frequˆencia podem ser utilizadas de modo a se obter a gera¸c˜ao de sinais na faixa de terahertz. Da parte da eletrˆonica, multiplicando-se frequˆencias de ondas milim´etricas, e da parte da fotˆonica, abaixando- se a frequˆencia do sinal ´otico.
As subse¸c˜oes a seguir apresentam estas t´ecnicas e os componentes utilizados para se obter a gera¸c˜ao de sinais na faixa de terahertz.
1.3.1.1 Convers˜ao baseada na multiplica¸c˜ao da frequˆencia do sinal eletrˆonico
´
E a t´ecnica mais utilizada para se gerar sinais a partir de fontes eletrˆonicas [20]. Conhecido como upconverter, um elemento n˜ao linear ´e utilizado para mul- tiplicar sinais de menor frequˆencia e assim obter sinais em frequˆencias mais altas. A figura 1.11 apresenta um diagrama b´asico de um upconverter.
Figura 1.11: Diagrama de blocos b´asico de um upconverter.
Como mencionado anteriormente, o grande desafio para o uso deste tipo de t´ecnica na gera¸c˜ao de sinais em terahertz, ´e a obten¸c˜ao de sinais com potˆencia adequada para aplica¸c˜oes pr´aticas, da ordem de alguns mW .
Alguns dispositivos utilizados para gera¸c˜ao de sinais em ondas milim´etricas, como os diodos Gunn e IMPATT, n˜ao conseguem obter uma potˆencia adequada em ondas submilim´etricas [20]. No entanto, cadeias multiplicativas Schottky fabricadas em processo de arseneto de g´alio (AsGa) conseguiram atingir potˆencias da ordem de algumas dezenas de microwatts [31].
As figuras 1.12 e 1.13 apresentam, respectivamente fontes baseadas em diodos Gunn e IMPATT, e fonte terahertz baseada em cadeias multiplicativas desenvol- vida pelo JPL-NASA.
Figura 1.12: Foto de uma fonte baseada em diodo IMPATT [32].
Recentemente, tecnologias baseadas em sil´ıcio tem sido utilizadas para a gera¸c˜ao de sinais em frequˆencias de terahertz. Dois tipos de fontes est˜ao sendo exploradas: cadeias multiplicadoras e osciladores harmˆonicos [20]. A primeira utiliza misturadores intermedi´arios para se obter a multiplica¸c˜ao de frequˆencias, ao custo de uma maior ´area e maior consumo de energia. A segunda utiliza as frequˆencias harmˆonicas dos osciladores locais e podem tamb´em serem utilizados
Figura 1.13: Foto de uma fonte baseada em cadeias multiplicativas [31]
em arranjos de osciladores [33], de modo a se aumentar a potˆencia final, uma vez que a potˆencia das frequˆencias harmˆonicas, ac´ıma da frequˆencia de transi¸c˜ao da tecnologia, s˜ao somente da ordem de alguns poucos microwatts. A figura 1.14 apresenta a microfotografia de um arranjo de osciladores para gera¸c˜ao de sinais em frequˆencias de terahertz.
Figura 1.14: Microfotografia de um chip de arranjo de osciladores para gera¸c˜ao de sinais em frequˆencia de terahertz [33]
1.3.1.2 Convers˜ao baseada no abaixamento da frequˆencia do sinal ´
otico
A t´ecnica mais utilizada para gera¸c˜ao de sinais em terahertz ´e atrav´es de lasers de infra-vermelho (conhecidos como IR-pumped gas lasers, em inglˆes) [20]. Estas fontes s˜ao produzidas comercialmente e as mesmas utilizam laser bombeado com CO2 de alta potˆencia, injetado em cavidades de g´as em baixa press˜ao, de
modo a se obter frequˆencias na faixa de terahertz. Estas fontes conseguem gerar sinais com n´ıveis de potˆencia de alguns miliwatts.
Outros dois dispositivos ´oticos ou quasi-´oticos utilizados para gera¸c˜ao de si- nais na faixa de terahertz com potˆencia adequada s˜ao os dispositivos baseados em tubos, como os BWO (do inglˆes, backward wave oscillator ) e os lasers de estado s´olido, como os QCLs (do inglˆes, quantum cascade lasers.
As figuras 1.15 e 1.16 apresentam, respectivamente, fontes do tipo BWO e QCL.
Figura 1.15: Foto de um BWO.
Al´em destes, duas outras t´ecnicas de gera¸c˜ao de sinal em terahertz tˆem ganho espa¸co. A primeira atrav´es do uso de photomixers, ou fotomisturadores, de modo a se reduzir a frequˆencia dos lasers com t´ecnica de modula¸c˜ao do sinal atrav´es de fontes de sinal cont´ınuo. A segunda, e atualmente muito utilizada em sistemas de espectroscopia, com o uso de pulsos muito curtos, da ordem de femtosegun- dos, gerados por lasers de titˆanio-safira (Ti:sapphire laser). Este tipo de fonte ´e utilizada em sistemas de espectroscopia no dom´ınio do tempo, como o utilizado
Figura 1.16: Corte transversal de um QCL [34].
para os testes experimentais deste trabalho.
As figuras 1.17 e 1.18 apresentam, respectivamente, fontes baseadas em foto- misturadores e em laser Ti:sapphire.
Figura 1.17: Fotomisturador aplicado em um sistema de espectroscopia no dom´ınio da frequˆencia [23].
1.3.2
Detectores
Os detectores de sinais em terahertz, os quais s˜ao objeto deste trabalho, tive- ram um progresso mais r´apido do que as fontes [20]. Hoje em dia existem diversos tipos de detectores dispon´ıveis para a faixa de frequˆencias de terahertz. Diferen- temente dos dispositivos utilizados para detec¸c˜ao de sinais de infra-vermelho, em terahertz a energia do f´oton ´e pequena, da ordem de 1-10 meV, o que implica em ´areas maiores para os disposivos fotodetectores, o que faz com que o ru´ıdo t´ermico de fundo seja maior, levando a necessidade do uso de resfriamento do detector atrav´es de t´ecnicas de criogenia. Estes detectores podem ser do tipo coerentes ou n˜ao-coerentes. Estas diferen¸cas ser˜ao explicados com maiores de- talhes no cap´ıtulo 2. Apesar das limita¸c˜oes dos dispositivos ´oticos de detec¸c˜ao em terahertz, os mesmos tˆem sido aplicados com ˆexito atrav´es de t´ecnicas que permitem a detec¸c˜ao coerente do sinal e com o resfriamento criogˆenico, como as jun¸c˜oes SIS (do inglˆes, Superconductor-Insulator-Superconductor ) e com mistura- dores do tipo HEB (do inglˆes, Hot Electron Bolometer. Detectores n˜ao-coerentes tamb´em s˜ao utilizados em algumas aplica¸c˜oes, como os diodos schottky e ou- tros dispositivos n˜ao-lineares. Atualmente, transistores de efeito de campo est˜ao sendo utilizados como detectores, e por se tratarem do tipo de detector utilizado neste trabalho, ser˜ao melhor analisados no cap´ıtulo 3.