NASA utvecklar en ny typ av detektor som ska ge insikt i universums bildning och struktur. Många av de radiativa och mekaniska interaktionerna som formar det interstellära mediet i galaxer och driver galaktisk evolution (t.ex. stötvågor från stjärnvindar och jetstrålar, supernovaexplosioner, etc.) observeras bäst i 4,744 terahertz (THz) spektralområdet för syrelinjen. Observationer av denna spektrallinje har sällan utförts, dock, eftersom 4,744-THz-frekvensen är utom räckhåll för de flesta befintliga lokala oscillatorer som arbetar i heterodyna mottagare som är tillräckligt känsliga för att göra sådana observationer. Ett NASA-sponsrat team vid Massachusetts Institute of Technology (MIT) arbetar för att föra fram teknologier som gör det möjligt för kommande NASA-uppdrag att inkludera mottagare som observerar denna viktiga spektrallinje.

Heterodynedetektion jämför den inkommande ljussignalen med ett referensljus från en lokaloscillator (LO). Huvudutmaningarna i detta projekt är att öka LO-utgångseffekten från den nivå som för närvarande kan uppnås <1 mW till 5 mW, och att öka driftstemperaturen från en labbdemonstrerad ~10 K till ~40 K—en temperatur som kan rymmas av ett rymdbaserat eller suborbitalt observatorium. Att uppnå Det stora kretskortet till vänster är en tidigare ASIC-design. De tre rektangulära segmenten ger tre antenningångar, stöder fyra 20 MHz-kanaler, och kräver cirka 5 W effekt. Till höger är det nya ASIC-chippet. Genom att lägga till några små komponenter, som kontakter, det kommer att tillhandahålla tre antenningångar, med motsvarande tolv 40 MHz-kanaler, och kräver endast 1 W effekt. (Bildkredit:Michael Shaw, GigOptics, Inc.) 12 | 2017 SMD Technology lyfter fram dessa mål, projektgruppen utvecklar lokala oscillatorer baserade på THz kvantkaskadlasrar (QCL), som kan pumpa en sju-element heterodyne mottagaruppsättning. Dessa lokala oscillatorer måste avge enkelfrekvent strålning med god spektral renhet (smal linjebredd <1 MHz vid 4,7 THz), vilket endast kan uppnås med hjälp av Distributed-FeedBack (DFB) gitterstrukturer. Teamet undersökte tre olika DFB-strukturer för potentiell användning i mottagaren och valde det bästa alternativet, som har ett enkelriktat strålmönster (det strålar bara framåt) med höga uteffektnivåer.

En mottagaruppsättning som kan observera 4,744-THz-frekvensen kommer att ge nya och unika insikter om det inbördes förhållandet mellan stjärnor och gas i ett brett spektrum av galaktiska och extragalaktiska miljöer. NASA planerar att distribuera mottagare med denna teknik på det kommande GUSTO-uppdraget (Galactic/Extragalactic Ultralong-Duration Balloon Spectroscopic Terahertz Observatory), en långvarig ballongnyttolast som är inriktad på uppskjutning 2021. Tekniken har också potentiella tillämpningar för det kommande uppdraget Single Aperture Far-Infrared Observatory (SAFIR), ett stort kryogent rymdteleskop tänkt som en uppföljning till Spitzer Space Telescope och Herschel Space Observatory. Förutom astrofysik, THz QCLs kommer att vara användbara i ett brett spektrum av applikationer inom områden som säkerhet, biokemisk avkänning, och biomedicinsk avbildning.

Inom en snar framtid, teamet kommer att utveckla flygfärdiga lokala oscillatorer för suborbitala uppdrag som GUSTO. I längden, arbetet kommer att involvera utveckling av lokala oscillatorer för rymdbaserade observatorier som SAFIR, vilket kommer att involvera enheter med ännu högre prestandakrav.