Optimization of GaInAsP/InP Heterostructures for Ultrafast THz Photomixers
Final Report Abstract
Im Projekt wurden zwei unterschiedliche Konzepte für THz Photomischer verfolgt, beide für den Betrieb bei der Telekom-Wellenlänge 1,5 μm. Zum einen wurden Photodioden mit THz-Antennen integriert, zum anderen ging es um laserartige Heterostrukturen zur direkten THz Erzeugung durch Differenz-Frequenz-Generation. Als Basis für das erste Konzept wurden Wellenleiter-integrierte Photodioden ausgewählt. Deren Vorteil ist, dass durch dünne absorbierende Schichten die Ladungsträger-Transitzeit kurz und damit die Bandbreite hoch ist, und dass gleichzeitig dank der seitlichen Lichteinstrahlung auch gute Absorption und Effizienz erreicht werden. Unter Nutzung der für Telekom-Komponenten ausgereiften Technologie des HHI wurden solche Dioden mit verschiedenen THz-Antennentypen integriert. In die Komponenten wurden optische Schwebungssignale eingestrahlt, mit dem resultierenden Photostrom die Antennen gespeist und die THz Emission mit einer Golay-Zelle gemessen. Die entwickelten Dioden-Antennen wurden in einem neu aufgebauten Messplatz umfangreich charakterisiert. Dabei konnten Leistungen von 10 μW bei 200 GHz erreicht und eine gute Funktion bis > 1 THz gezeigt werden. In Erweiterung der ursprünglichen Projektziele wurden auch kohärente Empfänger entwickelt. Basis waren hier schnelle Nano-Schicht Photoleiter-Antennen aus einem anderen HHI-Projekt. Diese wurden durch Einführung von Elektronen-Strahl geschriebenen radialen μm-Fingerstrukturen für den Einsatz als Empfänger in „Continuous Wave" Systemen optimiert. Es wurde damit ein kohärentes CW-System aufgebaut, das weltweit erstmals starke Photodioden-Sender mit kohärenten Photoleiter-Empfängern kombiniert. Mit diesem CW-System konnte eine Funktionsbereich bis > 2 THz demonstrierte werden. Diese Ergebnisse fanden große Aufmerksamkeit, was z.B. zu einem eingeladenen Vortrag auf der internationalen THz-Konferenz 2009 in Busan/Korea führte. Dort wurde das Interesse eines Industriepartners geweckt, was schließlich zu eine Zusammenarbeit führte mit dem Ziel, die HHI-Komponenten weiter zu entwickeln und für den Einsatz in THz CW-Systemen zu vermarkten. Die aktiven Wellenleiter zur direkten THz-Erzeugung mit dem Effekt der Differenz-Frequenz-Generation wurden in enger Wechselwirkung mit einem Partner-Projekt an der Universität Frankfurt durchgeführt. Ausgangspunkt war eine Veröffentlichung, die THz-Erzeugung in einem Standard GaAs-Laser bei 800 nm zeigte. In Simulationen an der Universität Frankfurt wurde nun verschiedene Ansätze zur Optimierung der THz-Generation untersucht, darunter asymmetrische Quantum-Wells, Schichten und Strukturen zur THz Führung, und Phasen-Anpassung von optischer und THz-Welle. Die von den Modellierungen vorgeschlagenen Schichtpakete und Strukturen wurden in der Technologie des HHI mit der MOVPE gewachsen und anschließend die Wellenleiter strukturiert. Die THz Charakterisierung fand dann wieder an der Universität Frankfurt statt. Die Strukturen wurden von oben optisch gepumpt, an der Seitenfacette Schwebungssignale in die Wellenleiter eingestrahlt und für die Detektion der THz Emission an der Ausgangsfacette ein Bolometer eingesetzt. Die erwartete THz Generation konnte aber trotz intensiver Untersuchungen nicht zweifelsfrei nachgewiesen werden. Die technologisch/experimentelle Ausführung, die fundamentalen Denk-Ansätze und Ergebnisse anderer Gruppen sollten sorgfältig geprüft werden bevor hier abschließende Wertungen getroffen werden können.
Publications
- "Coherent CW Terahertz Systems Employing Photodiode Emitters". IRMMW 2009, Busan, Korea, 21.-25.9.2009
D. Stanze, H.-G. Bach, R. Kunkel, D. Schmidt, H. Roehle, M. Schlak, M. Schell, and B. Sartorius
- "Continuous wave terahertz systems exploiting 1.5 pm telecom technologies". Optics Express, Vol. 17, Issue 17, pp. 15001-15009, 2009
B. Sartorius, M. Schlak, D. Stanze, H. Roehle, H. Künzel, D. Schmidt, H.-G. Bach, R. Kunkel, and M. Schell
- "First CW-THz System Combining Photodiode Emitters with Coherent Photoconductive Receivers". OTST 2009, 7.-11.3.2009, Santa Barbara, Cal, USA, 2009
D. Stanze, M. Schlak, H. Roehle, R. Kunkel. D. Schmidt, H.-G. Bach. M. Schell and B. Sartorius
- "Improving Photoconductive Receivers for 1.5 pm CW THz Systems". IRMMW THz, Rom, Italy, 5.-10.9. 2010
D. Stanze, H. Roehle, R.J.B. Dietz, H.J. Hensel, D. Schmidt, H.-G. Bach. M. Schell, and B. Sartorius
- "Compact cw Terahertz Spectrometer Pumped at 1.5 pm Wavelength". Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves, Volume 32, Issue 2, pp.225-232, 2011
D.Stanze, A. Deninger, A. Roggenbuck, S. Schindler, M. Schlak and B. Sartorius
