Kvasioptiska komponenter och system för submillimetervågsfrekvenser

Forskningsprojekt, 2011 – 2016

Terahertzvågor, eller millimetervågor, spänner från ca 300 GHz till 10 THz och utgör en viktig del av det elektromagnetiska spektrumet. Området har under senare tid fått stort fokus eftersom det finns intressanta möjligheter för både spektroskopiska och avbildande sensorer. Fotonenergin (1-40meV) hos THz strålning är icke-joniserande och är i samma storleksordning som vibrations och rotationsövergångar hos en mängd olika molekyler och kan således användas för identifikation (THz-fingeravtryck). Dessa fördelar gör THz strålningen unik och mycket intressant för sensorer inom en mängd olika applikationer från grundläggande atmosfärsforskning och radioastronomi till säkerhetskameror och satellitbaserad klimatövervakning. I det här industridoktorandprojektet avser vi studera och optimera kvasioptiska komponenter och system för mottagare som arbetar i terahertzområdet. Kvasioptik är ett område i gränslandet mellan konventionell mikrovågsantennteknik och klassisk optik. Utmärkande är att komponenterna är tiotals våglängder i storlek, och att diffraktionsfenomen dominerar. Komponenter och subsystem som skall utvecklas är både optiska- och vågledar-komponenter som hornantenner, switchar, speglar och termiskt kontrollerade termineringar. Tillämpningsområdet är framförallt millimervågsradiometrar för rymdapplikationer där dessa komponenter används för kalibrering och avgör det slutgiltiga noggrannheten hos instrumentet. Dessa används inom aeronomi, atmosfärsforskning och meteorologi, men också astronomi, både mark och satellitbaserad. Mikrovågsradiometri är ett område där Sverige idag har en ledande position, både på forskarsidan (användare) och på industrisidan (Omnisys Instruments, Rymdbolaget, RUAG). Exempel på framgångar är klimatforskningssatelliten ODIN som styrs från Esrange Space Center. Sedan uppsändningen 2001 har Odin levererat värdefulla data inom såväl atmosfärsforskning (aeronomi) som astronomi. Satelliten utvecklades för två års drift men är nu inne på sitt åttonde. Odin har bl a försett forskarna med viktiga data om ozonskiktets utveckling och används nu huvudsakligen för atmosfärsforskning. Viktigt projekt just nu är det pågående utvecklingen av instrumentet STEAM-R som i huvudsak sker i Sverige och där Omnisys är ansvarig för all elektronikhårdvara. Målet med STEAM-R, som utvecklas i samarbete med ledande svenska klimatforskare, är bättre förståelse av klimatprocesser och prognosmodellförbättringar genom att undersöka klimatpåverkan i övre troposfären/nedre stratosfären och observera ozonskiktets fortsatta utveckling i stratosfären. Samtidigt deltar Omnisys och Sverige i ett flertal andra samarbeten, både med europeiska och amerikanska grupper i olika missioner där millimetervågsradiometrar spelar stor roll. För att möjliggöra dessa unika instrument behövs en kontinuerlig utveckling av ingående teknikdelar men också en väl underbyggd systemförståelse för den kompletta radiometern. För varje ny mission ökar de vetenskapliga användarnas krav samtidigt som instrumenten måste minskas i storlek och kostnad väsentligt. De måste dessutom bli mer flexibla och tillförlitliga. För att tillfredsställa dessa hårda krav måste helt nya lösningar tas fram och demonstreras. Genom Omnisys arbete har det framkommit ett antal möjliga lösningar som skulle tillfredsställa dessa krav. Chalmers och Omnisys har idag ett väl utvecklat samarbete som stöder denna utveckling. Exempel på samarbetsområden är MMIC och Schottky baserade mottagarkomponenter samt ASIC baserade korrelatorer för signalbehandling. En viktig länk för att komplettera det svenska kunnandet och befästa vår internationellt starka position är på den kvasioptiska sidan. Detta är ett område som kräver sitt specialkunnande vid sidan om mikrovågstekniken och signalbehandlingen. De komponenter som projektet omfattar är fundamentala för slutliga systemprestanda vilket ytterst avgör den vetenskapliga nyttan med instrumenten och Sveriges framgångar inom området.