Razširjeni povzetek predavanja: Matjaž Vidmar: Milimeterski izvori Frekvenčno področje okoli 1THz je še danes slabo pokrito s primernimi izvori, še posebno če zahtevamo večjo moč, smiseln izkoristek, koherentno delovanje na enem samem rodu, frekvenčno stabilnost, fazni šum in možnost preletavanja določenega frekvenčnega področja. Vakuumski izvori malih moči (pod 1W) vključujejo klistron z razširjeno interkacijo za ozkopasovno delovanje in cev s vzvratnim valom (BWO) za frekvenčno preletavanje. Vakuumski izvori velikih moči (nad 1kW) vključujejo gyrotrone in laserje (maserje) na proste elektrone (FEL ali FEM). Polprevodniške izvore omejuje relativno nizka mobilnost nosilcev v večini uporabnih polprevodnikov. Najpreprostejši milimeterski izvori vsebujejo frekvenčne množilnike. Žal razpoložljivi polprevodniki v ne omogočajo visokih nelinearnosti niti majhnih izgub v milimeterskem področju. Najboljše Schottky diode na osnovi GaAs omogočajo kvečjemu podvajanje oziroma potrojevanje frekvence do 1THz z zelo slabimi izkoristki. Tranzistorji za milimeterske valove se v glavnem izdelujejo na podlagi indijevega fosfida (InP), čeprav so uporabni tudi drugi polprevodniki. Poljski tranzistorji so izdelani kot HEMTi (tranzistor z visoko mobilnostjo) na podlagi InP oziroma GaN. Bipolarni tranzistorji so izdelani kot heterostrukturni tranzistorji na osnovi InP oziroma SiGe. Oboji dosegajo frekvence do 1THz v ojačevalnikih in oscilatorjih z uporabo najsodobnejše fotolitografije. Zunanji električni priključki predstavljajo dodatno težavo, saj bondirne žice niso uporabne nad 30GHz. Koplanarni valovod, beam-lead in flip-chip gradniki so uporabni do 300GHz. Še višje frekvence zahtevajo antene oziroma valovodne prehode, integrirane v sam polprevodniški čip. Poleg tranzistorjev milimeterske oscilatorje omogočajo še drugačni gradniki. Tunelske diode različnih zvrsti (RTD ali resonant tunnel diode) omogočajo male moči okoli 0.01mW do frekvenc nekaj sto GHz. Gunn diode ali TED (transferred- -electron device) omogočajo moči nekaj mW do frekvenc 100GHz (GaAs), 250GHz (InP) ali mogoče celo 5THz (GaN). Še en potencialni izvor milimeterskih valov so plazmonske nestabilnosti v 2D kanalu HEMT, ki lahko proizvedejo nekaj sto pW moči pri frekvencah do nekaj THz. Milimeterske valove dobimo tudi z mešanjem svetlobe dveh laserjev v nelinearnosti hitrega fotodetektorja (fotodiode). Na gornjem koncu milimeterskega področja nad 1THz se da izdelati tudi laserske vire kot organske laserje oziroma laserje s kvantno kaskado. Uporaba milimeterskih valov v komunikacijah in radarju zahteva določeno frekvenčno stabilnost oziroma fazni šum. Ker milimeterski izvori sami večinoma ne vsebujejo rezonatorjev z visoko kvaliteto Q, se običajno uporablja fazna uklenitev na kakovosten nizkofrekvenčni izvor za izboljšanje frekvenčne stabilnosti in faznega šuma. Fazno-sklenjeno zanko (PLL) lahko načrtujemo na množico različnih načinov. Pri tem je najpomembnejša razlika med celoštevilskimi zankami in ulomkovnimi zankami. Celoštevilske zanke omogočajo najvišjo frekvenčno stabilnost in najnižji fazni šum. Ulomkovne zanke omogočajo skoraj zvezne frekvenčne prelete za ceno nekoliko poslabšanega faznega šuma. Extended abstract of presentation: Matjaž Vidmar: Millimeter sources The frequency range around 1THz is still poorly covered by available sources, especially if high power, reasonable efficiency, coherent operation on a single mode, frequency stability, phase noise and frequency sweep are required. Low-power vacuum sources (below 1W) include extended-interaction klystrons (EIK) for narrowband operation and backward-wave oscillators (BWO) for swept operation. High power vacuum sources (above 1kW) include gyrotrons and free-electron lasers (FEL or masers FEM). Solid-state sources are limited by the relatively low carrier mobility in many useful semiconductors. The most straightforward millimeter sources include frequency multipliers. Unfortunately available semiconductors do not allow high non-linearity nor low losses in the millimeter frequency range. The best GaAs Schottky diodes only allow frequency doubling or tripling up to 1THz with very low efficiency. Millimeter wave transistors are built mainly from indium phosphide (InP), although other semiconductors are also useful. Field-effect transistors are built as HEMTs (high electron mobility transistors) based on InP and/or GaN. Bipolar transistors are built as heterostructure transistors based on InP or SiGe. Both reach operating frequencies up to 1THz in amplifiers and oscillators using state-of art photolitography. External electrical connections represent yet another problem as bonding wires are not useful above 30GHz. Coplanar waveguides, beam-lead and flip-chip components are useful up to about 300GHz. Even higher frequencies require antennas or waveguide launchers, integrated into the semiconductor chip. Besides transistors millimeter oscillators can be built with other semiconductor devices. Tunnel diodes of different varieties, most notably RTD (resonant tunnel diode), allow low powers around 0.01mW at frequencies up ti a few hundred GHz. Gunn-effect diodes or TED (transferred-electron device) allow power levels of a few mW up to 100GHz (GaAs), 250GHz (InP) or maybe even 5THz (GaN). Yet another potential millimeter source are plasmonic instabilities in a 2D HEMT channel that can generate a few hundred pW of power at frequencies up to a few THz. Millimeter waves can also be generated by mixing two laser light sources in the nonlinearity of a fast photodetector (photodiode). At the upper edge of the millimeter frequency range above 1THz laser sources can be built either as organic lasers or quantum-cascade lasers. Applications of millimeter sources like communications and radar require certain frequency stability and/or phase noise. Since millimeter sources usually do not include resonators with sufficiently high Q factors, phase locking to a lower frequency source is usually used to improve both frequency stability and phase noise. There are many different ways to design a phase-locked loop. The main difference among different PLLs is between integer and fractional PLLs. Integer PLLs allow the best frequency stability and lowest phase noise. Fractional PLLs allow almost continuous frequency sweeps at the expense of a slightly compromised phase noise.