Konstruktion, tillverkning, och experimentell karakterisering av Plasmoniska photoconductive terahertz sändare
Summary
Vi beskriver metoder för konstruktion, tillverkning och experimentell karakterisering av plasmoniska fotokonduktiva utsläppskällor, som erbjuder två tiopotenser högre nivåer terahertz effekt jämfört med konventionella fotokonduktiva utsläppskällor.
Abstract
I denna video artikeln presenterar vi en detaljerad demonstration av en mycket effektiv metod för att generera terahertz vågor. Vår teknik är baserad på fotoledningsrör, som har varit en av de mest använda teknikerna för terahertz generation 1-8. Terahertz generation i en fotokonduktivt emitter uppnås genom pumpning en ultrasnabb fotoledare med en pulsad eller överlagrade laserbelysning. Den inducerade fotoström, som följer höljet av pumpen laser, dirigeras till en terahertz strålande antenn ansluten till elektroderna fotokonduktorenheterna kontakt att generera terahertz strålning. Även kvantverkningsgraden av en fotokonduktiv sändare kan i teorin nå 100%, har de relativt långa transporter väglängd på foto-genererade dessa till testelektroderna av konventionella Fotoenheterna allvarligt begränsat deras kvanteffektivitet. Dessutom transportören screening effekt och termisk nedbrytning begränsar strikt maximal effekt porn av konventionella fotokonduktiva terahertz källor. För att hantera de kvantverkningsgrad begränsningarna hos konventionella fotokonduktiva terahertz utsläppskällor, har vi utvecklat ett nytt fotokonduktivt emitter koncept som innefattar en plasmoniska konfiguration kontaktelektrod att erbjuda hög kvant-effektivitet och ultrasnabb drift samtidigt. Genom att använda nanonivå plasmoniska kontaktelektroder, minskar vi avsevärt genomsnittliga foto-genererade väg carrier transport till elektroder fotokonduktorenheterna kontakt jämfört med konventionella fotoenheterna 9. Vår metod kan man öka fotoledaren aktivt område utan en avsevärd ökning av den kapacitiva belastningen till antennen, öka den maximala effekten terahertz strålning genom att förhindra effekten transportören screening och termisk nedbrytning vid höga optiska pumpeffekter. Genom att införliva plasmoniska kontaktelektroder visar vi förbättra optisk till terahertz effektivitet effektomvandling av en konventionell fotoledande terahertz emitter med en faktor av 50 10.
Introduction
Vi presenterar en ny fotokonduktivt terahertz emitter som använder en plasmoniska konfiguration kontaktelektrod att förbättra optisk till terahertz verkningsgraden med två storleksordningar. Vår teknik tar upp de viktigaste begränsningarna hos konventionella fotokonduktiva terahertz utsläppskällor, nämligen låg uteffekt och dålig effektivitet, som härstammar från den inneboende kompromiss mellan hög DQE och ultrasnabb drift av konventionella fotoenheter.
En av de viktigaste nyheterna i vår design som ledde till detta hoppa prestandaförbättring är att utforma en konfiguration kontakt elektrod som ackumulerar ett stort antal foto-genererade bärare i nära anslutning till testelektroderna, så att de kan hämtas inom en sub- pikosekund tidsskala. Med andra ord är kompromissen mellan fotoledaren ultrasnabb drift och hög kvanteffektivitet mildras genom rumslig manipulering av foto-släktenated bärare. Plasmoniska kontaktelektroder erbjuda denna unika förmåga genom (1) att låta lätt förlossning i nanoskala enheter aktiva områden mellan plasmoniska elektroderna (utöver diffraktionsgränsen), (2) extra ljus förbättring på metall-kontakt och foto-absorberande halvledare gränssnittet 10, 11. En annan viktig egenskap hos vår lösning är att den rymmer stora fotokonduktorenheterna aktiva områden utan en avsevärd ökning av parasitära belastning till terahertz strålande antenn. Använda stora fotokonduktorenheterna aktiva områden möjliggör lindring transportören screening och termisk nedbrytning, som är de ultimata begränsningar för den maximala strålningseffekten från konventionella fotokonduktiva utsläppsländerna. Denna video artikeln är koncentrerad på de unika attribut av våra presenterade lösningen genom att beskriva de styrande fysik, numerisk modellering och experimentell verifiering. Vi visar experimentellt 50 gånger högre terahertz befogenheter från en plasmoniska Photoconductive emitter i jämförelse med en liknande fotoledande emitter med icke-plasmoniska kontaktelektroderna.
Protocol
Representative Results
Discussion
I denna video artikeln presenterar vi en ny fotokonduktivt teknik terahertz generation som använder en plasmoniska konfiguration kontaktelektrod att förbättra optisk till terahertz verkningsgraden med två storleksordningar. Den betydande ökningen av terahertz strålning makten från de presenterade plasmoniska fotokonduktiva utsläppskällor är mycket värdefullt för framtida högkänslig terahertz bildbehandling, spektroskopi och spektrometri system som används för avancerad kemisk identifiering, medicinsk bil…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna vill tacka Picometrix för tillhandahållande av LT-GaAs-substrat och tacksamt erkänna det ekonomiska stödet från Michigan Space Grant Consortium, DARPA Young Faculty Award förvaltas av Dr John Albrecht (kontrakt # N66001-10-1-4027), NSF KARRIÄR Award förvaltas av Dr Samir El-Ghazaly (kontrakt # N00014-11-1-0096), ONR Young Investigator Award förvaltas av Dr Paul Maki (kontrakt # N00014-12-1-0947), och ARO Young Investigator Award förvaltas av Dr Dev Palmer (kontrakt # 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).
