Projeto, fabricação e Experimental Caracterização de plasmônicos Emissores Terahertz Photoconductive
Summary
Nós descrevemos métodos para o design, fabricação e caracterização experimental de emissores fotocondutores plasmônicos, que oferecem duas ordens de níveis mais elevados de energia terahertz magnitude em comparação com emissores fotocondutores convencionais.
Abstract
Neste artigo de vídeo, apresentamos uma demonstração detalhada de um método altamente eficiente para a geração de ondas terahertz. A técnica baseia-se fotocondução, que tem sido uma das técnicas mais utilizadas para geração de terahertz 1-8. Geração Terahertz num emissor fotocondutiva é conseguida bombeando uma ultra fotocondutora com uma iluminação laser pulsado ou heterodyned. A fotocorrente induzida, que segue o invólucro do laser de bomba, é encaminhado para uma antena irradia terahertz ligado aos eléctrodos de contacto fotocondutoras para gerar radiação terahertz. Embora a eficiência quântica de um emissor photoconductive teoricamente pode chegar a 100%, os de transporte relativamente longos comprimentos de trajeto de portadores foto-gerados para os eletrodos de contato de fotocondutores convencionais severamente limitada a sua eficiência quântica. Além disso, o efeito de triagem de portadores e degradação térmica limitar estritamente a produção máxima power de fontes de terahertz fotocondutores convencionais. Para resolver as limitações de eficiência quântica de emissores terahertz fotocondutoras convencionais, temos desenvolvido um novo conceito emissor fotocondutivo que incorpora uma configuração de eléctrodo de contacto plasmônicos para oferecer maior eficiência quântica e operação ultra simultaneamente. Usando eletrodos de contato plasmônicos nano-escala, reduzir significativamente a foto gerada caminho transporte transportadora média para eletrodos de contato fotocondutores comparação com fotocondutores convencionais 9. O método também permite aumentar a área activa fotocondutor sem um considerável aumento na carga capacitiva da antena, aumentando a potência máxima radiação terahertz, evitando o efeito de triagem de portadores e degradação térmica a altas potências ópticas de bomba. Ao incorporar eletrodos de contato plasmônicos, demonstramos aumentar a eficiência de conversão de energia óptica-to-terahertz de um photoconductive te convencionalrahertz emissor por um factor de 50 10.
Introduction
Apresenta-se um novo emissor de terahertz fotocondutivo que utiliza uma configuração de eléctrodo de contacto plasmônica para aumentar a eficiência da conversão óptica para terahertz por duas ordens de magnitude. Nossa técnica aborda as limitações mais importantes emissores convencionais fotocondutores terahertz, ou seja, de baixa potência de saída e baixa eficiência de energia, que se originam a partir da compensação inerente entre a alta eficiência quântica e operação ultra-rápida de fotocondutores convencionais.
Uma das novidades chave na nossa concepção, que conduziram a esta melhoria de desempenho é saltar para desenhar uma configuração de eléctrodo de contacto que se acumula de um grande número de portadores foto-gerados em estreita proximidade com os eléctrodos de contacto, de tal modo que elas podem ser recolhidas através de um sub- picosecond prazo. Em outras palavras, o equilíbrio entre a operação de ultra fotocondutor e alta eficiência quântica é atenuado pela manipulação espacial do foto-génerosportadores TED. Eletrodos de contato plasmônicos oferecer esta capacidade única de (1) permitir o confinamento da luz em dispositivos em nanoescala áreas ativas entre os eletrodos plasmônicos (além do limite de difração), (2) melhoria luz extraordinária no contato de metal e fotos de absorção de semicondutores interface de 10, 11. Outra característica importante da nossa solução é que acomoda grandes áreas activas fotocondutoras, sem um considerável aumento na carga parasitária da antena irradia terahertz. Utilizando grandes áreas activas fotocondutoras permitir mitigar o efeito de blindagem transportador e degradação térmica, que são as limitações de final para a potência máxima de radiação de emissores fotocondutoras convencionais. Este artigo de vídeo está concentrada nos atributos únicos da nossa solução apresentada por descrever a física que regem, modelagem numérica e verificação experimental. Nós demonstramos experimentalmente 50 vezes maiores poderes terahertz de um phot plasmônicaemissor oconductive em comparação com um emissor de fotocondutor semelhante com eléctrodos de contacto não plasmônicos.
Protocol
Representative Results
Discussion
Neste artigo de vídeo, apresentamos uma nova técnica de geração de terahertz fotocondutivo que utiliza uma configuração de eléctrodo de contacto plasmônica para aumentar a eficiência da conversão óptica para terahertz por duas ordens de magnitude. O aumento significativo no poder de radiação terahertz dos apresentados emissores fotocondutores plasmônicos é muito importante para o futuro de alta sensibilidade terahertz imaging, espectroscopia e espectrometria de sistemas usados para identificação q…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Os autores gostariam de agradecer a Picometrix para fornecer o substrato LT-GaAs e agradecem o apoio financeiro de Michigan Espaço Grant Consortium, DARPA Prêmio Jovem Faculdade gerido pelo Dr. João Albrecht (contrato # N66001-10-1-4027), NSF CARREIRA Prêmio gerido pelo Dr. Samir El-Ghazaly (contrato # N00014-11-1-0096), ONR Young Investigator Award gerido pelo Dr. Paul Maki (contrato # N00014-12-1-0947), e ARO Young Investigator Award gerido pela Dr. Dev Palmer (contrato # 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 |
Referências
- 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).
