Проектирование, изготовление, и экспериментальная характеристика Плазмонных Фотопроводящий излучателей терагерцового
Summary
Мы описываем методы проектирования, изготовления и экспериментальной характеристике плазмонных фотопроводящими излучателей, которые предлагают два порядка более высоких уровнях терагерцового мощность по сравнению с фотопроводящими излучателей.
Abstract
В этом видео статье мы приводим детальное обоснование высокоэффективного способа генерации терагерцового волн. Наша методика основана на фотопроводимости, который был одним из наиболее часто используемых методов для терагерцового поколения 1-8. Терагерцового поколения в фотопроводящую излучателя достигается путем закачки сверхбыстрых фотобарабан с импульсным или гетеродинирована лазерной подсветкой. Индуцированный фототок, который следует за конвертом лазера накачки, направляется на терагерцового излучающей антенны соединен с электродами, фотобарабан для создания контакта терагерцового излучения. Хотя квантовая эффективность фотопроводящую эмиттером теоретически может достигать 100%, относительно длинный путь транспортировки длины фото генерируемых носителей к контактным электродам обычными фотопроводниками серьезно ограничивает их квантовую эффективность. Кроме того, эффект скрининга носителей и теплового пробоя строго ограничить максимальную P ВыходАуэр обычных фотопроводящими источников терагерцового. Для решения квантового ограничения эффективности обычных фотопроводящими излучателей терагерцового, мы разработали новую концепцию фотопроводящими излучатель, который включает в плазмонных конфигурации контакта электрода для обеспечения высокой квантовой эффективностью и сверхбыстрого строя одновременно. При использовании нано-плазмонных контактными электродами, мы существенно уменьшить среднюю фото генерируемые переноса носителей путь к электродам фотопроводника контакта по сравнению с обычными фоторезисторов 9. Наш метод также позволяет повысить фотопроводника активную область без значительного увеличения емкостной нагрузки к антенне, повышение максимальной мощности терагерцового излучения, предотвращая эффект скрининга носителей и тепловому разрушению при высокой оптической мощности накачки. Путем включения плазмонных контактные электроды, мы демонстрируют повышение оптико-терагерцового преобразования энергии эффективности обычного фотопроводящего теrahertz излучатель на коэффициент 50 10.
Introduction
Мы представляем новый фотопроводящими терагерцового излучателя, который использует конфигурацию плазмонных контакта электрода для повышения оптико-терагерцового эффективность преобразования на два порядка величины. Наша методика рассматривает наиболее важные ограничения традиционных фотопроводящими терагерцового излучателей, а именно низкую выходную мощность и низкая эффективность власти, которые происходят от присущего компромисс между высокой квантовой эффективностью и сверхбыстрых работой обычных фотопроводниками.
Одним из ключевых новинкой в нашей конструкции, которые привели к этому повышение производительности скачок является создание конфигурации контактного электрода, который накапливается большое количество фото генерируемые носители в непосредственной близости к контактным электродам, так что они могут быть собраны в суб- пикосекундном сроки. Иными словами, соотношение между фотопроводника операции сверхбыстрых и высокую квантовую эффективность снижается за счет пространственной манипуляции с фото-родовТед перевозчиков. Плазмонных контактные электроды предложить эту уникальную возможность, (1) позволяет свету заключении в наноразмерных устройств активной области между электродами плазмонных (за дифракционный предел), (2) необычный свет усиления при контакте металла и фото-поглощающие полупроводник 10, 11. Другой важной особенностью нашего решения является то, что он вмещает большой фотобарабан активных областей без значительного увеличения в паразитной нагрузкой до терагерцового излучающей антенны. Используя большой фотобарабан активных областей включите смягчения эффекта скрининга носителей и теплового пробоя, которые являются конечными ограничения на максимальную мощность излучения от обычных фотопроводящими излучателей. Это видео статья сосредоточена на уникальные атрибуты нашего представленное решение, описывая руководящих физике, численного моделирования и экспериментальной проверки. Мы экспериментально продемонстрировать 50 раз выше терагерцового полномочий от плазмонных фотоoconductive излучателя по сравнению с аналогичным фотопроводящими излучатель с не-плазмонных контактными электродами.
Protocol
Representative Results
Discussion
В этом видео статье мы представляем новый фотопроводящими технику терагерцового поколения, который использует конфигурацию плазмонных контакта электрода для повышения оптико-терагерцового эффективность преобразования на два порядка величины. Значительное увеличение мощности изл?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы хотели бы поблагодарить за предоставление Picometrix LT-GaAs подложке и благодарят за финансовую поддержку из Мичигана космических грантов консорциума, DARPA премия для молодых факультет руководством д-ра Джона Альбрехт (Договор № N66001-10-1-4027), NSF КАРЬЕРА Премия руководством д-ра Самира аль-Газали (Договор № N00014-11-1-0096), ОНР премия для молодых следователь руководством д-ра Пола Маки (Договор № N00014-12-1-0947), а ARO премия для молодых следователь управляемых Доктор Палмер Dev (Договор № W911NF-12-1-0253).
Materials
| Reagent | |||
| Polymethyl Methacrylate (PMMA) | MicroChem | 950K PMMA A4 | |
| Hexamethyldisilazane (HMDS) | Shin-Etsu MicroSI | MicroPrime HP Primer | |
| Optical Photoresist | Dow Chemical | Megaposit SPR 220-3.0 | |
| Photoresist Developer | AZ Electronic Materials | AZ 300 MIF Developer | |
| Methyl Iso-Butyl Keytone (MIBK) | Avantor Performance Materials | 9322-03 | |
| Equipment | |||
| Ti:Sapphire Mode-Locked Laser | Coherent | MIRA 900D V10 XW OPT 110V | |
| Pyroelectric Detector | Spectrum Detector | SPI-A-65 THz | |
| Electron-Beam Lithography Tool | JEOL | JBX-6300-FS | |
| Plasma Stripper | Yield Engineering Systems | YES-CV200RFS | |
| Metal Evaporator | Denton Vacuum | SJ-20 | |
| Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition Tool | GSI | GSI PECVD System | |
| Projection Lithography Stepper | GCA | AutoStep 200 | |
| Reactive Ion Etcher | LAM Research | 9400 | |
| Parameter Analyzer | Hewlett Packard | 4155A | |
| Optical Chopper | Thorlabs | MC2000 | |
| Lock-in Amplifier | Stanford Research Systems | SR830 | |
| Electrooptic Modulator | Thorlabs | EO-AM-NR-C2 | |
| Motorized Linear Stage | Thorlabs | NRT100 |
References
- Preu, S., Dohler, G. H., Malzer, S., Wang, L. J., Gossard, A. C. Tunable, continuous-wave terahertz photomixer sources and applications. J. Appl. Phys. 109, 061301 (2011).
- Bjarnason, J. E., Chan, T. L. J., Lee, A. W. M., Brown, E. R., Driscoll, D. C., Hanson, M., Gossard, A. C., Muller, R. E. ErAs:GaAs photomixer with two-decade tunability and 12 μW peak output power. Appl. Phys. Lett. 85, 3983-3985 (2004).
- Peytavit, E., Lepilliet, S., Hindle, F., Coinon, C., Akalin, T., Ducournau, G., Mouret, G., Lampin, J. -. F. Milliwatt-level output power in the sub-terahertz range generated by photomixing in a GaAs photoconductor. Appl. Phys. Lett. 99, 223508 (2011).
- Upadhya, P. C., Fan, W., Burnett, A., Cunningham, J., Davies, A. G., Linfield, E. H., Lloyd-Hughes, J., Castro-Camus, E., Johnston, M. B., Beere, H. Excitation-density-dependent generation of broadband terahertz radiation in an asymmetrically excited photoconductive antenna. Opt. Lett. 32, 2297-2299 (2007).
- Roehle, H., Dietz, R. J. B., Hensel, H. J., Böttcher, J., Künzel, H., Stanze, D., Schell, M., Sartorius, B. Next generation 1.5 μm terahertz antennas: mesa-structuring of InGaAs/InAlAs photoconductive layers. Opt. Express. 18, 2296-2301 (2010).
- Taylor, Z. D., Brown, E. R., Bjarnason, J. E. Resonant-optical-cavity photoconductive switch with 0.5 % conversion efficiency and 1.0W peak power. Opt. Lett. 31, 1729-1731 (2006).
- Park, S. -. G., Jin, K. H., Yi, M., Ye, J. C., Ahn, J., Jeong, K. -. H. Enhancement of Terahertz Pulse Emission by Optical Nanoantenna. ACS NANO. 6, 2026-2031 (2012).
- Auston, D. H., Cheung, K. P., Smith, P. R. Picosecond photocoducting Hertzian dipoles. Appl. Phys. Lett. 45, 284-286 (1984).
- Berry, C. W., Jarrahi, M. Terahertz generation using plasmonic photoconductive gratings. New Journal of Physics Focus Issue on Terahertz Plasmonics. 14, 105029 (2012).
- Berry, C. W., Hashemi, M. R., Unlu, M., Jarrahi, M. Significant Radiation Enhancement in Photoconductive Terahertz Emitters by Incorporating Plasmonic Contact Electrodes. arXiv. , 1209.1680v1 (2012).
- Berry, C. W., Jarrahi, M. Ultrafast Photoconductors based on Plasmonic Gratings. Proc. Int. Conf. Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves. , 1-2 (2011).
- Berry, C. W., Jarrahi, M. Plasmonically-enhanced localization of light into photoconductive antennas. Proc. Conf. Lasers and Electro-Optics. , CFI2 (2010).
- Berry, C. W., Jarrahi, M. Principles of impedance matching in photoconductive antennas. Journal of Infrared, Millimeter and Terahertz. , (2012).
- Ralph, S. E., Grischkowsky, D. Trap-enhanced electric fields in semi-insulators: The role of electrical and optical carrier injection. Appl. Phys. Lett. 59, 1972 (1991).
- Upadhya, P. C., Fan, W., Burnett, A., Cunningham, J., Davies, A. G., Linfield, E. H., Lloyd-Hughes, J., Castro-Camus, E., Johnston, M. B., Beere, H. Excitation-density-dependent generation of broadband terahertz radiation in an asymmetrically excited photoconductive antenna. Opt. Lett. 32, 2297-2299 (2007).
- Taylor, Z. D., Brown, E. R., Bjarnason, J. E. Resonant-optical-cavity photoconductive switch with 0.5 % conversion efficiency and 1.0W peak power. Opt. Lett. 31, 1729-1731 (2006).
- Jarrahi, M. Terahertz radiation-band engineering through spatial beam-shaping. Photonic Technology Letters. 21, 2019620 (2009).
- Jarrahi, M., Lee, T. H. High power tunable terahertz generation based on photoconductive antenna arrays. Proc. IEEE International Microwave Symposium. , 391-394 (2008).
- Beck, M., Schafer, H., Klatt, G., Demsar, J., Winnerl, S., Helm, M., Dekorsy, T. Impulsive terahertz radiation with high electric fields from an amplifier-driven large-area photoconductive antenna. Opt. Express. 18, 9251-9257 (2010).
- Hattori, T., Egawa, K., Ookuma, S. I., Itatani, T. Intense terahertz pulses from large-aperture antenna with interdigitated electrodes. Jpn. J. Appl. Phys. 45, L422-L424 (2006).
- Kim, J. H., Polley, A., Ralph, S. E. Efficient photoconductive terahertz source using line excitation. Opt. Lett. 30, 2490-2492 (2005).
- Dreyhaupt, A., Winnerl, S., Dekorsy, T., Helm, M. High-intensity terahertz radiation from a microstructured large-area photoconductor. Appl. Phys. Lett. 86, 121114 (2005).
- Brown, E. R., Lee, A. W. M., Navi, B. S., Bjarnason, J. E. Characterization of a planar self-complementary square-spiral antenna in the THz region. Microwave Opt. Technol. Lett. 48, 524-529 (2006).
- Huo, Y., Taylor, G. W., Bansal, R. Planar log-periodic antennas on extended hemishperical silicon lenses for millimeter/submillimeter wave detection applications. Int. J. Infrared and Millimeter Waves. 23, 819 (2002).
- Heshmat, B., Pahlevaninezhad, H., Pang, Y., Masnadi-Shirazi, M., Lewis, R. B., Tiedje, T., Gordon, R., Darcie, T. E. . Nanoplasmonic Terahertz Photoconductive Switch on GaAs. Nano Lett. 12, 6255-6259 (2012).
- Berry, C. W., Hashemi, M. R., Unlu, M., Jarrahi, M. Significant Performance Enhancement in Photoconductive Terahertz Optoelectronics by Incorporating Plasmonic Contact Electrodes. Nature Communications. 4, 1622 (2013).
- Wang, N., Berry, C. W., Hashemi, M. R., Jarrahi, M. Plasmonic photoconductive detectors for enhanced terahertz detection sensitivity. Optics Express. , (2013).
- Hsieh, B. -. Y., Jarrahi, M. Analysis of periodic metallic nano-slits for efficient interaction of terahertz and optical waves at nano-scale dimensions. J. Appl. Phys. 109, 084326 (2011).
- Hsieh, B. -. Y., Wang, N., Jarrahi, M. Toward Ultrafast Pump-Probe Measurements at the Nanoscale. Special Issue of “Optics in 2011. Optics & Photonics News. 22, (2011).
- Hsieh, B. -. Y., Jarrahi, M. Simultaneous focusing of terahertz and optical waves into nano-scale. Proc. Int. Conf. Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves. , 1-2 (2011).
- Jackson, A. W., Ibbetson, J. P., Gossard, A. C., Mishra, U. K. Reduced thermal conductivity in low-temperature grown GaAs. Appl. Phys. Lett. 74, 2325-2327 (1999).
