تصميم وتصنيع، والتجريبية توصيف Plasmonic بواعث تيراهيرتز موصل كهربائي بفعل الضوء
Summary
نحن تصف أساليب لتصميم وتصنيع، وتوصيف التجريبية من بواعث ضوئية plasmonic، والتي تقدم طلبين من أعلى مستويات السلطة تيراهيرتز حجم مقارنة مع بواعث الضوئية التقليدية.
Abstract
في هذه المقالة الفيديو نقدم مظاهرة مفصل لطريقة ذات كفاءة عالية لتوليد موجات تيراهيرتز. ويستند أسلوبنا على photoconduction، التي كانت واحدة من أكثر التقنيات استخداما لتيراهيرتز جيل 1-8. ويتحقق جيل تيراهيرتز في باعث ضوئية عن طريق الضخ من الموصل الضوئي فائق السرعة مع إضاءة ليزر نابض أو heterodyned. يتم توجيه photocurrent يسببها، والذي يتبع المغلف من الليزر مضخة، ليشع الهوائي تيراهيرتز متصلا أقطاب الاتصال الموصل الضوئي لتوليد إشعاع تيراهيرتز. على الرغم من أن كفاءة الكم من باعث ضوئية يمكن أن تصل إلى 100٪ من الناحية النظرية، ونقل طويلة نسبيا أطوال مسار ناقلات الصورة التي تم إنشاؤها إلى الأقطاب الاتصال من photoconductors التقليدية حدت بشدة كفاءتها الكم. بالإضافة إلى ذلك، وتأثير الفحص الناقل وانهيار الحرارية تحد بشكل صارم الحد الأقصى لانتاج POWER من مصادر تيراهيرتز ضوئية التقليدية. لمعالجة أوجه القصور كفاءة الكم من التقليدية بواعث تيراهيرتز ضوئية، قمنا بتطوير مفهوم باعث ضوئية الجديد الذي يشتمل على الاتصال التكوين القطب plasmonic إلى العرض عالية الكم كفاءة وتشغيل فائق السرعة في وقت واحد. باستخدام مقياس النانو أقطاب الاتصال plasmonic، ونحن الحد بشكل كبير من متوسط الصورة ولدت مسار النقل الناقل لأقطاب الاتصال الضوئي مقارنة photoconductors التقليدية 9. طريقة لدينا أيضا يسمح بزيادة مساحة حيوية الموصل الضوئي دون زيادة كبيرة في تحميل بالسعة إلى الهوائي، وزيادة الحد الأقصى تيراهيرتز قوة الإشعاع عن طريق منع تأثير الفحص الناقل وانهيار الحراري في ارتفاع القوى مضخة البصرية. من خلال دمج أقطاب الاتصال plasmonic، علينا أن نظهر تعزيز البصرية إلى تيراهيرتز كفاءة تحويل الطاقة من الشركة المصرية للاتصالات الضوئية التقليديةباعث rahertz بمعامل 50 10.
Introduction
نقدم رواية ضوئية باعث تيراهيرتز يستخدم plasmonic الاتصال التكوين الكهربائي لتعزيز كفاءة التحويل الضوئية إلى تيراهيرتز من قبل اثنين من أوامر من حجمها. يتناول أسلوبنا القيود أهم بواعث التقليدية تيراهيرتز ضوئية، وهي منخفضة انتاج الطاقة وضعف كفاءة الطاقة، والتي تنشأ من المقايضة المتأصلة بين ارتفاع كفاءة الكم وتشغيل فائق السرعة من photoconductors التقليدية.
واحدة من المستجدات الأساسية في التصميم لدينا التي أدت إلى هذا التحسن أداء القفز هو تصميم الاتصال التكوين الكهربائي الذي يتجمع عدد كبير من شركات الطيران الصورة التي تم إنشاؤها على مقربة من الأقطاب الاتصال، بحيث يمكن جمعها ضمن الفرعي بيكو ثانية مقياس الوقت. وبعبارة أخرى، يتم التخفيف من عملية المفاضلة بين الموصل الضوئي فائق السرعة، وارتفاع كفاءة الكم من خلال التلاعب المكاني للأجناس الصورشركات الطيران تيد. أقطاب الاتصال Plasmonic نقدم هذه القدرة الفريدة من قبل (1) السماح الحبس الضوء إلى المناطق النانو الجهاز النشط بين الأقطاب plasmonic (خارج حدود الحيود)، (2) تعزيز ضوء استثنائية في الاتصال المعدنية والصورة التي تمتص أشباه الموصلات واجهة 10 و 11. سمة أخرى هامة من الحل لدينا هو أنه يستوعب المناطق النشطة الموصل الضوئي كبيرة دون زيادة كبيرة في التحميل الطفيلية إلى هوائي يشع تيراهيرتز. الاستفادة من المناطق النشطة الموصل الضوئي كبير تمكين التخفيف من تأثير الفحص الناقل وانهيار الحرارية، التي هي حدود النهائي لأقصى قدر من قوة الإشعاع من بواعث الضوئية التقليدية. وتتركز هذه المقالة الفيديو على سمات فريدة من حلنا قدمها تصف الفيزياء التي تحكم، والنمذجة العددية، والتحقق التجريبي. علينا أن نظهر بشكل تجريبي 50 أضعاف القوى تيراهيرتز من فوت plasmonicباعث oconductive بالمقارنة مع باعث ضوئية مماثلة مع أقطاب الاتصال غير plasmonic.
Protocol
Representative Results
Discussion
في هذه المقالة الفيديو، نقدم رواية ضوئية تيراهيرتز تقنية الجيل الذي يستخدم plasmonic الاتصال التكوين الكهربائي لتعزيز كفاءة التحويل الضوئية إلى تيراهيرتز من قبل اثنين من أوامر من حجمها. الزيادة الكبيرة في قوة الإشعاع تيراهيرتز من بواعث ضوئية plasmonic المعروضة هي قيمة للغا…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
فإن الكتاب أود أن أشكر Picometrix لتوفير الركيزة LT-الغاليوم وامتنانهم للدعم المالي من ولاية ميشيغان الفضاء المنح اتحاد، DARPA جائزة كلية الشباب التي يديرها الدكتور جون ألبرخت (عقد # N66001-10-1-4027)، جبهة الخلاص الوطني وظيفيه جائزة يديرها الدكتور سمير الغزالي (عقد # N00014-11-1-0096)، ONR جائزة الباحث الشاب يديرها الدكتور بول ماكي (عقد # N00014-12-1-0947)، وARO جائزة الباحث الشاب تدار من قبل الدكتور ديف بالمر (عقد # 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).
