עיצוב, ייצור, וניסויית אפיון של פולטי Terahertz פוטו Plasmonic
Summary
אנו מתארים שיטות לעיצוב, הייצור, והאפיון ניסיוני של פולטי photoconductive plasmonic, אשר מציעים שני סדרי גודל רמות העצמה גבוהות יותר בהשוואה לterahertz emitters photoconductive קונבנציונלי.
Abstract
במאמר זה אנו מציגים סרטון הדגמה מפורטת של שיטה יעילה ביותר ליצירת גלי terahertz. הטכניקה שלנו מבוססת על photoconduction, אשר כבר אחת הטכניקות הנפוצות ביותר לterahertz דור 1-8. דור Terahertz בפולט photoconductive מושגת על ידי שאיבת הפוטוקונדוקטור ultrafast עם תאורת לייזר פעם או heterodyned. פוטוני המושרה, העוקב את המעטפה של לייזר המשאבה, מנותב לאנטנה קורנת terahertz המחוברת לאלקטרודות קשר Photoconductor ליצור terahertz קרינה. למרות היעילות הקוונטית של פולט photoconductive יכולה תיאורטית להגיע ל -100%, באורכי נתיב התחבורה הארוכים יחסי של נשאי תמונה שנוצרו לאלקטרודות הקשר של photoconductors הקונבנציונליים מוגבלים היעילות הקוונטית שלהם בחומרה. בנוסף, השפעת הקרנת המנשא והתפלגות תרמית להגביל עמ התפוקה המקסימלית בקפדנותower מקורות terahertz photoconductive קונבנציונליים. כדי לענות על מגבלות היעילות הקוונטית של פולטי terahertz photoconductive קונבנציונליים, פיתחנו קונספט פולט photoconductive חדש אשר משלב תצורת מגע אלקטרודה plasmonic להציע קוונטי יעילות גבוהה ותפעול ultrafast בו זמנית. על ידי שימוש באלקטרודות קשר plasmonic בקנה מידה ננו, אנחנו להפחית באופן משמעותי את הדרך הממוצעת תמונה שנוצר ספק תחבורה לאלקטרודות קשר Photoconductor לעומת photoconductors קונבנציונלי 9. השיטה שלנו גם מאפשרת הגדלת אזור פעיל הפוטוקונדוקטור ללא עלייה משמעותית בטעינת קיבולי לאנטנה, לחיזוק כוח terahertz הקרינה המרבי על ידי מניעת השפעת מנשא ההקרנה ופירוק תרמי בסמכויות משאבה אופטיות גבוהות. על ידי אלקטרודות המשלבות מגע plasmonic, אנחנו מדגימים שיפור יעילות המרת כוח אופטי לterahertz של photoconductive te קונבנציונליפולט rahertz בפקטור של 50 10.
Introduction
אנו מציגים פולט terahertz photoconductive רומן שמשתמש בתצורת אלקטרודה קשר plasmonic על מנת לשפר את יעילות ההמרה אופטית לterahertz על ידי שני סדרי גודל. הטכניקה שלנו מטפלת במגבלות החשובות ביותר של פולטים קונבנציונליים photoconductive terahertz, הספק כלומר נמוך ויעילות צריכת חשמל ירודה, שמקורם מהאיזון המובנה בין יעילות הקוונטית גבוהה ופעולה מהירה של photoconductors הקונבנציונלית.
אחד החידושים המרכזיים בעיצוב שלנו, שהביאו לשיפור ביצועים זו קפיצת המדרגה היא לעצב תצורת אלקטרודה קשר שמצטברת במספר גדול של נושאי צילום שנוצרו בסמיכות להאלקטרודות המגע, כזו שהם יכולים להיות שנאספו במסגרת תת picosecond לוח זמנים. במילים אחרות, האיזון בין פעולת ultrafast הפוטוקונדוקטור ויעילות הקוונטית גבוהה מרוכך באמצעות מניפולציה המרחבי של צילום הסוגיםספקי טד. אלקטרודות קשר Plasmonic מציעות יכולת ייחודית זו על ידי (1) המאפשרת כליאת אור לאזורים פעילים בקנה מידה ננומטרי מכשיר בין האלקטרודות plasmonic (מעבר לגבול השתברות), (2) שיפור אור יוצא דופן במגע המתכת וצילום קליטת המוליכים למחצה 10 ממשק, 11. מאפיין נוסף חשוב של הפתרון שלנו הוא שזה יכול להכיל אזורים פעילים Photoconductor גדולים ללא עלייה משמעותית בטעינה הטפילה לאנטנה הקורנת terahertz. אזורי Photoconductor פעילים גדולים ניצול לאפשר מקלים השפעת מנשא ההקרנה והתפלגות תרמית, שהם המגבלות האולטימטיביות לכוח הקרינה המקסימאלי מפולטי photoconductive קונבנציונליים. מאמר זה וידאו מרוכז בתכונות הייחודיות של הפתרון שהוצג על ידי שלנו מתאר את הפיזיקה השולטים, מודלים מספריים, ואימות ניסיוני. אנחנו בניסוי מדגימים 50 פעמים סמכויות terahertz גבוהות יותר מאוריה plasmonicפולט oconductive בהשוואה לפולט photoconductive דומה עם אלקטרודות מגע הלא plasmonic.
Protocol
Representative Results
Discussion
במאמר זה וידאו, אנו מציגים טכניקת דור terahertz photoconductive רומן שמשתמשת בתצורת אלקטרודה קשר plasmonic על מנת לשפר את יעילות ההמרה אופטית לterahertz על ידי שני סדרי גודל. העלייה המשמעותית בכוח terahertz הקרינה ממשדרי photoconductive plasmonic שהוצגו היא בעל ערך רבה לעתיד רגישות גבוהה terahertz הדמיה, ספק…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים מבקשים להודות לPicometrix למתן מצע LT-GaAs ותודה להכיר תמיכה הכספית ממישיגן שטח גרנט Consortium, פרס פקולטה צעיר DARPA מנוהל על ידי ד"ר ג'ון אלברכט (חוזה # N66001-10-1-4027), הקריירה NSF פרס מנוהל על ידי ד"ר סמיר אל-ג'אזאלי (חוזה # N00014-11-1-0096), פרס חוקר צעיר ONR מנוהל על ידי ד"ר פול מק"י (חוזה # N00014-12-1-0947), ופרס לחוקר צעיר המנוהל על ידי מנהל מחקר חקלאי ד"ר Dev פאלמר (חוזה # 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).
