プラズモニック光伝導テラヘルツエミッターの設計、製作、および実験特性

この手順の全体的な目標は、テラヘルツ放射を生成するための非常に効率的な方法を実証することです。これは、光伝導性エルツエミッタにプラズモニック接触電極を組み込んで、高い量子効率と超高速のデバイス動作を同時に可能にすることで実現されます。最初のステップは、電子ビームリソグラフィーを使用してプラズモニック光伝導性エミッターのプロトタイプを作成することです。

次に、実装されたエミッタープロトタイプの放射電力を測定し、プラズモン電極のない同一の従来の光伝導性エルツエミッターと比較します。最後のステップは、プラズモニック光伝導性エルツエミッタープロトタイプからの放射のスペクトル特性を特徴付けることです。最終的に、光伝導性エミッタにプラズモン電極を組み込むと、放射電力と放射効率が2桁向上する可能性があることを示す結果が得られます。

この方法は、従来の高い量子効率と従来の超高速動作との間のトレードオフである、導電性ertz TERの従来の主な制限に対処するのに役立ちます。車掌用。従来の光伝導性エルツエミッタは、超高速の光導体と一体化したエルツアンテナで構成されています。テラヘルツ。

テラヘルツ周波数成分の光ポンプビームが超高速の光伝導体に集束すると、このアンテナに電流が発生します。このビームは、光ポンプのエンベロープに比例した速度でフォトキャリアを生成します。バイアス電界を印加すると、フォトキャリアは接触電極に向かってドリフトし、アンテナに供給され、エルツ放射を生成します。

従来の光伝導性エルツエミッターに対するプラズモニックの主な利点は、プラズモニック接触電極に近接して、はるかに多くの光生成キャリアを蓄積できることです。これらのキャリアは、サブピコ秒のタイムスケール内でエルツアンテナにドリフトできます。プラズモニックコンタクト電極は、ナノスケールのデバイス活性領域に光を閉じ込めることができ、金属接触および光吸収半導体界面での並外れた光増強を提供するため、このより大きなキャリア蓄積を達成します。

プラズモニック光伝導性恐怖ヘルツエミッターの最初のパターンを実装するために、電子ビームリソグラフィーを使用してナノスケールのプラズモニック接触電極を使用し、続いて金属の堆積とリフトオフを行います。次に、光フォトリソグラフィーとドライプラズマエッチングを用いて、二酸化ケイ素層を介してプラズマ化学蒸着エッチング接触を行い、二酸化ケイ素化層を成膜します。最後に、光リソグラフィーを使用してアンテナとバイアスラインをパターン化し、続いて金属の堆積とリフトオフを行います。

私の研究室の大学院生であるChristopher Berryが、ラーター特性評価手順を実演します。プラズモニックグレーディングを製造した後、パッケージ化して特性評価する必要があります。デバイスは、アルミニウムワッシャーに取り付けられたシリコンレンズに取り付けられ、次に回転マウントに配置されます。

チタンサファイアモードロックレーザーからの光ポンプビームをデバイスのアクティブ領域にしっかりと集束させます。光ポンプの電界がプラズモニックグレーディングに垂直になるように回転マウントを調整して、表面プラズマ波を効率的に励起します。次に、パラメトリックアナライザを使用して、デバイスにバイアス電圧を印加し、その誘導電流を測定します。

デバイスの光電流を最大化することにより、最適なポンプのアライメントと偏光を確保します。出力パワーを測定するには、光チョッパーを使用して、デバイスに入射するモードロックポンプレーザーからのビームを変調します。焦電検出器の出力をロックインアンプに接続します。

光チョッパーの基準周波数を使用して、焦電検出器を使用して、プラズモンテラヘルツエミッタープロトタイプの出力電力を測定します。スペクトルの特性評価を開始するには、チタンサファイアモードロックレーザーからビームを取得し、ビームスプリッターを使用してビームをポンプビームに分割し、プローブビームで電気光学変調器を使用してポンプ経路内のビームを変調します。ポンプビームをテスト対象のエミッターのアクティブエリアに集束させます。

テラヘルツ波を発生させるには、生成したエルツビームをポリエチレン球面レンズで集光し、エルツビームの焦点面手前の点に集束させ、酸化インジウムスズでコーティングしたガラスフィルターを用いた光学プローブビームと組み合わせ、厚さ1mmのテルル化亜鉛結晶を回転ステージ上に取り付けます。これを光学ビームとテラヘルツビームの組み合わせ焦点に配置して、テルル化亜鉛結晶で相互作用する光学パルスとテラヘルツパルスの間の時間遅延を変化させます。電動リニアステージを使用して、制御可能な光遅延材を光学プローブパスに挿入します。

プローブビーム経路に半波長板を使用して、光学プローブの偏光をアーツ偏光方向に対して45度回転させます。次に、テルル化亜鉛結晶の後に1/4波長板を使用して、光ビームの偏光を円偏光に変換します。次に、円偏光光ビームをワリンプリズムで2つの分岐に分割します。

ロックインアンプに接続された2つのバランス検出器を使用して、各ブランチの光ビームパワーを測定します。実験制御とデータ収集のため。電動遅延材を接続し、ロックインします amplifier電動遅延材を繰り返し移動するようにプログラムされたコンピューターに。

ロックインを一時停止してデータを読み取ります。ここに示すアンプは、製造およびテストされた従来の左エミッターとプラズモニック右エミッターの例です。違いは、プラズモニックエミッターは、入射の右側の挿入図に示すように、ボウタイアンテナの入力ポートに2つのナノスケールのプラズモニックコンタクトグレーディングを組み込んでいることです。

光ポンプは、製造された各デバイスに密集し、放射電力を最大化するためにアノード接触電極の近くに配置されました。各デバイスの光電界の向きも、放射電力を最大化するために選択されました。青色で示されているのは、プラズモンテラヘルツエミッタからのteヘルツ放射パワーを光ポンプパワーの関数として測定したものです。

赤い曲線は従来のエミッターノート用で、縦軸は対数です。挿入図は、同じ配色を使用して、光ポンプ出力の関数として写真電流を示しています。放射電力の大幅な向上は、プラズモニック接触電極を使用した場合に生成される光電流レベルが高いためです。

ここでは、測定されたテラヘルツ放射パワーと、さまざまなバイアス電圧と光ポンプパワーについて収集された光電流に対してプロットされます。ここでも、青はプラズモンエミッタに対応し、赤は従来のエミッタに対応します。データ点はすべて、傾きが 2 の同じ線に近似した曲線です。

これは、放射パワーが誘導光電流に二次依存性であること、および2つのエミッターのすべての動作条件とアンテナ特性が同じであるという事実を裏付けています。プラズモニックエルツエミッタによって放出されるエルツパワーと従来のエルツエミッタの比率として定義されるエルツパワーエンハンスメントは、ここでは、低光ポンプパワーレベルでのさまざまな光ポンプパワーレベルのバイアス電圧の関数として示されており、最大50の30ボルトの出力パワーエンハンスメント係数のバイアス電圧が観察されます。エンハンスメント係数は、光ポンプのパワーレベルが高く、電圧が高くなるとわずかに減少します。

これは、キャリアスクリーニング効果によって説明でき、プラズモン光伝導体はより多くの光電流を生成し、より多くの電子正孔対を分離しているため、プラズモニック光伝導体により影響を与えるはずです。このプロットは、プラズモニック光伝導エミッターからの時間領域での放射電力を示しています。これは、中心波長が800ナノメートル、繰り返し周波数が76メガヘルツのモードロックチタンサファイアレーザーからの200フェムト秒の光パルスに応答して測定されました。

周波数領域の放射電力は、蝶ネクタイアンテナの共振ピークに関連する0.35 ertzと0.55 ertz付近のピークを示しています。0.1テラヘルツ付近のピークは、ボウタイアンテナバイアスラインによって形成されるダイポールアンテナの共振ピークに関連しています。このビデオでは、プラズモニック接触電極構成を使用して光学からrah Hzへの変換効率を2桁向上させる新しい光伝導性rah Hz生成技術を紹介します。

提示されたプラズモニック光伝導エミッターからのrahHz放射電力の大幅な増加は、高度な化学同定、医用イメージング、生物学的センシング天文学、セキュリティスクリーニング、および材料特性評価のための将来の高感度テラヘルツイメージング分光法および分光システムにとって非常に価値があります。