El objetivo de la detección heterodina de matriz sintética es aislar regiones de una superficie de detector de área grande en píxeles virtuales. Esto proporciona los beneficios de tener múltiples píxeles (por ejemplo, para crear una imagen) sin tener que tener píxeles físicos (es decir, elementos de detector aislados). El detector puede ser una salida simple de un solo cable a través de la cual se pueden leer todos los píxeles virtuales de manera continua y en paralelo. Los píxeles se multiplexan en el dominio de la frecuencia.
Esto resuelve dos problemas comunes encontrados en la detección heterodina óptica . Primero, las señales heterodinas son frecuencias de batido entre la fuente de señal y una fuente de referencia (denominada oscilador local ). No son niveles de luz de CC [ aclaración necesaria ] sino señales oscilantes y, por lo tanto, a diferencia de los detectores convencionales, el flujo de luz de la señal no se puede integrar en un condensador. Por lo tanto, para tener una matriz de píxeles, cada píxel debe estar respaldado por un amplificador de CA y un circuito de detección que es complejo. Con la detección de matriz sintética, todas las señales se pueden amplificar y detectar mediante el mismo circuito. El segundo problema que resuelve la detección de matriz sintética surge, no en la formación de imágenes de píxeles, sino cuando la señal no es coherente espacialmente en toda la superficie del detector. En este caso, las frecuencias de batido que surgen tienen una fase diferente en toda la superficie del detector y estas interfieren destructivamente produciendo una salida de señal baja. En la detección de matriz sintética, cada región del detector tiene una fundamental diferente para su frecuencia de batido y, por lo tanto, no hay interferencia estacionaria incluso si la fase de la señal varía en toda la superficie del detector.
La figura 1 muestra un formato de implementación particular del método de matriz sintética. Esta implementación se denomina "detección heterodina arcoíris" porque el oscilador local tiene sus frecuencias distribuidas como un arcoíris a lo largo de la superficie del detector.
La salida del detector es una señal multifrecuencial. Si esta señal de salida se resuelve espectralmente, cada frecuencia eléctrica diferente corresponde a una ubicación diferente en el detector.
Si bien el concepto es simple, existe una dificultad clave que debe superarse en cualquier implementación: cómo generar un arco iris de frecuencias ópticas dispersas cuyo ancho de banda de frecuencias de diferencia con respecto al detector sea menor que el ancho de banda eléctrico del detector. Es decir, un detector típico puede tener un ancho de banda en la escala de 100 megahercios. Si la frecuencia de diferencia más grande es |ω6-ω6|, entonces esta diferencia debe ser menor que 100 megahercios. Esto a su vez significa que el espaciado entre las frecuencias de diferencia adyacentes debe ser menor que 100 MHz y, en promedio, menor que 100 MHz/número de píxeles. Para ver por qué esto presenta un problema, considere dispersar la luz blanca con un prisma. Para cualquier prisma de tamaño finito, no puede obtener suficiente dispersión para crear haces resueltos (no superpuestos) que difieran en menos de un megahercio. Por lo tanto, los métodos de dispersión no pueden dispersar una fuente de luz de banda ancha para crear los haces desplazados de frecuencia con frecuencias de diferencia espaciadas estrechamente. Una forma posible de lograr esto es tener una fuente láser separada para cada haz; Estas fuentes deben controlarse con precisión en cuanto a frecuencia, de modo que sus frecuencias centrales estén separadas por los cambios deseados. El problema principal con esto es práctico: el ancho de banda y la deriva de frecuencia de la mayoría de los láseres son mucho mayores que 1 MHz. Los láseres necesarios para esto deben tener una pureza espectral lo suficientemente estrecha como para que puedan interferir de manera coherente con la fuente de señal. Aun así, tener múltiples láseres de banda estrecha sintonizados con precisión en frecuencia también es complejo.
Una forma práctica de lograr esto es utilizar un deflector acústico-óptico . Estos dispositivos desvían un haz de luz entrante en proporción a la frecuencia de excitación acústica. También tienen el efecto secundario de desplazar la frecuencia óptica de salida por la frecuencia acústica. Por lo tanto, cuando uno de ellos se activa con múltiples frecuencias acústicas, se emite una serie de haces desviados, cada uno con un desplazamiento pequeño y diferente en la frecuencia óptica. Convenientemente, esto funciona incluso si el láser fuente tiene una pureza espectral baja, ya que cada componente subespectral del haz es mutuamente coherente en fase con la fuente y se desplaza por la misma frecuencia. En particular, este enfoque permite el uso de láseres económicos, de alta potencia o pulsados como fuentes porque no se requiere control de frecuencia.
La figura 2 muestra una versión simple de 2 "píxeles" de esta implementación. Un haz láser se desvía mediante una frecuencia acústica de 25 MHz y otra de 29 MHz a través de un modulador acústico-óptico. Surgen dos haces y ambos se combinan en el detector junto con el haz láser original. El haz de 25 MHz ilumina la mitad izquierda del detector, mientras que el de 29 MHz ilumina la mitad derecha del detector. Las frecuencias de batido contra el haz de señal en el detector producen frecuencias de salida de 25 y 29 MHz. De este modo, podemos diferenciar qué fotones inciden en la mitad izquierda o derecha del detector. Este método se puede escalar a un mayor número de píxeles, ya que los AOD con miles de puntos resolubles (cada uno con una frecuencia diferente) están disponibles comercialmente. Se pueden producir matrices 2D con un segundo AOD dispuesto en ángulos rectos o mediante métodos holográficos.
El método multiplexa todas las posiciones espaciales del detector por frecuencia. Si las frecuencias están espaciadas uniformemente, una simple transformada de Fourier recupera la imagen coherente. Sin embargo, no hay razón para que las frecuencias tengan que estar espaciadas uniformemente, por lo que se puede ajustar dinámicamente el número, el tamaño y la forma de los píxeles. También se puede cambiar de forma independiente la ganancia heterodina en cada píxel individualmente, simplemente haciendo que el haz LO sea más o menos fuerte. De este modo, se puede ampliar el rango dinámico del receptor reduciendo la ganancia en los píxeles brillantes, aumentándola en los tenues y posiblemente utilizando píxeles más grandes para las regiones tenues.
La técnica multiplex también presenta dos limitaciones. En el caso de la formación de imágenes, las señales no deben cambiar más rápido que la constante de tiempo de Nyquist implícita en la diferencia de frecuencia entre píxeles adyacentes. Si lo hace, los píxeles se desenfocan o se solapan. (Para aplicaciones que no son de formación de imágenes, como cuando uno simplemente está tratando de recolectar más luz pero está limitado por la incoherencia espacial, ese solapamiento no es importante ya que no cambia la suma incoherente de los píxeles). Además, cuando uno está trabajando cerca del límite de ruido de disparo, el enfoque multiplex puede aumentar el nivel de ruido ya que todos los píxeles ven el ruido de disparo de toda la matriz (ya que todos están conectados por el mismo cable). (De nuevo, para aplicaciones que no son de formación de imágenes, esto puede no ser importante).