JP6955337B2 - 低デューティサイクル連続波光伝導性テラヘルツ撮像および分光システム - Google Patents

Description

本発明は、概して、フォトミキシングに関し、より具体的には、種々のフォトミキサに対して低デューティサイクルを利用するためのシステムおよび方法に関する。

フォトミキシングは、２つの周波数オフセットポンプレーザを伴う放射素子と統合された高速光伝導体をポンピングすることを伴うことができる。典型的には、ポンプレーザからのビームは、一緒に混合され、フォトミキサデバイス（すなわち、光伝導性源および／または検出器）上に集束され、フォトミキサデバイスは、テラヘルツ放射を生成する。２つのポンプレーザの周波数オフセット、したがって、生成される光電流および放射の周波数は、所望される周波数に設定されることができる。光ファイバ通信の技術的躍進と、高電力、幅広く可変、狭線幅、かつコンパクトなファイバレーザおよび増幅器の利用可能性とは、遠隔通信波長を、フォトミキサをポンピングするための有用な波長にした。

ここで、図面に目を向けると、本発明の実施形態による、連続波（ＣＷ）周波数可変テラヘルツ放射を生成するためのプラズモニクス増進フォトミキシングのためのシステムおよび方法が開示される。多くの実施形態では、プラズモン接触電極格子を伴うプラズモンフォトミキサが、周期的な金属格子界面に沿った表面プラズモン波の励起（すなわち、２つの材料の間の界面に存在するコヒーレント電子振動であり、誘電関数の実数部は、界面全体にわたり符号を変化させる）によって、サブ波長金属格子を通した光吸収活性領域への効率的な光伝送を可能にする。種々のプラズモンフォトミキサが、（限定ではないが）２０１３年１月２３日に出願され、「Ｐｈｏｔｏｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｄｅｖｉｃｅ ｗｉｔｈ Ｐｌａｓｍｏｎｉｃ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ」と題された、米国特許出願第６１／５８９，４８６号（その内容は、参照することによってその全体として本明細書に組み込まれる）に説明されるものを含む、本発明の実施形態に従って利用されることができる。いくつかの実施形態では、プラズモンフォトミキサは、プラズモン接触電極の近傍の増進された光キャリア濃度によって可能にされる、改良されたデバイス量子効率を利用する。フォトミキサ効率を増進することにおけるプラズモン接触電極の実装および影響は、普遍的に実装され、さらに、種々のフォトミキサアーキテクチャにおいて利用されることができる。この点で、より高いフォトミキサ効率が、高アスペクト比のプラズモン接触電極および光学ポンプ共鳴キャビティ、ならびに改良されたインピーダンス整合およびアンテナ性能を使用することによって、達成されることができる。

多くの実施形態では、プラズモン接触電極格子を伴うプラズモンフォトミキサは、（限定ではないが）ＥｒＡｓ：ＩｎＧａＡｓ、ＥｒＡｓ化合物、ＩｎＧａＡｓ化合物、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、Ｇｅ、ＩｎＰ、グラフェン、およびＧａＮ基板を含む、光学ポンプの動作波長範囲内の光子を吸収し得る任意の基板上に製作されることができる。種々の実施形態では、光学ポンプは、７００〜１５５０ｎｍの波長内で動作することができる。いくつかの実施形態では、１００ｍＷの平均光学ポンプ電力において、プラズモンフォトミキサは、０．２５〜２．５ＴＨｚの周波数範囲内に交差指型接触電極を有する類似する従来のフォトミキサと比較して、１桁高いテラヘルツ電力レベルを提供する。

多くの実施形態では、本発明の実施形態によるフォトミキサは、５０％を下回るポンプデューティサイクルを利用し、熱破壊発現をより高い光学ポンプ電力に押し進め、より高いテラヘルツ放射電力を達成することができる。典型的には、ＣＷテラヘルツ撮像および分光システムにおける光伝導性テラヘルツ源および検出器は、テラヘルツ周波数差を伴う２つのヘテロダインＣＷ光学ポンプビームの組み合わせによってポンピングされる。そのようなデバイスの最終的な故障点は、高光学ポンプ電力における熱破壊である。しかしながら、熱破壊限界が存在しないと、より高い放射電力および検出感度が、それぞれ、光伝導性テラヘルツ源および検出器によって提供されることができる。

本発明の実施形態によるフォトミキシングシステムおよび方法は、光伝導性テラヘルツ
源および検出器の熱破壊限界に対処し、改良されたデバイス性能を提供することができる
。いくつかの実施形態では、低デューティサイクル光学ポンプが利用され、テラヘルツ撮
像および分光システムは、光学ポンプのデューティサイクルによって決定される、ある動
作サイクルにおいて動作し、スリープサイクルが続く。多くの実施形態では、動作サイク
ル中、テラヘルツ源および検出器がポンピングされ、生成および検出されたテラヘルツ波
が使用され、テラヘルツ撮像およびに分光システムの出力画像およびスペクトルをもたら
す。スリープサイクル中、テラヘルツ源および検出器は、ポンピングされず、デバイスを
冷却させる一方、いずれの出力データももたらさない。低デューティサイクル光学ポンプ
の使用は、低い平均光学ポンプ電力を維持しながら、各動作サイクルにおける光学ポンプ
電力の増加を可能にすることができる。したがって、高放射電力および検出感度が、熱破
壊に起因するデバイス故障を伴わずに各動作サイクル内で達成されることができ、より高
品質の画像およびスペクトルデータが、システムを通してもたらされることができる。例
えば、１ＭＨｚのポンプ変調周波数および２％のポンプデューティサイクルを伴う、１５
０ｍＷの平均光学ポンプ電力において、プラズモンフォトミキサは、各ＣＷ放射サイクル
内で、１ＴＨｚにおいて最大０．８ｍＷの放射電力を実証する。ある実施形態では、本発
明の実施形態による、プラズモンフォトミキサによって提供される増進されたテラヘルツ
放射電力は、テラヘルツ撮像および分光システムのために利用されることができる。本発
明の実施形態によるプラズモンフォトミキサはさらに、以下で議論される。
本願明細書は、例えば、以下の項目も提供する。
（項目１）
連続波テラヘルツ周波数信号を生成するように構成されているフォトミキシングシステ
ムであって、前記システムは、
光学ポンプであって、前記光学ポンプは、
少なくとも２つのビームを生成することであって、前記少なくとも２つのビームは、周
波数オフセットをもたらすように利用される、ことと、
５０％のデューティサイクルを下回って動作することであって、前記デューティサイク
ルは、動作サイクルとスリープサイクルとを含む、ことと
を行うように構成されている、光学ポンプと、
放射素子を備えているフォトミキサであって、前記フォトミキサは、前記周波数オフセ
ットを受信し、前記受信された周波数オフセットおよび前記放射素子を利用して、テラヘ
ルツ放射を生成するように構成されている、フォトミキサと
を備えている、フォトミキシングシステム。
（項目２）
前記放射素子は、少なくとも１つのプラズモン接触電極を含む、項目１に記載のフォトミキシングシステム。
（項目３）
前記放射素子は、広帯域放射のアンテナケーブルである、項目１に記載のフォトミキシングシステム。
（項目４）
前記放射素子は、対数スパイラルアンテナ、ダイポールアンテナ、ボウタイアンテナ、
対数周期アンテナ、および折返しダイポールアンテナから成る群から選択される、項目３に記載のフォトミキシングシステム。
（項目５）
前記フォトミキサは、前記光学ポンプの動作波長範囲内の光子を吸収することが可能で
ある基板上に製作されている、項目１に記載のフォトミキシングシステム。
（項目６）
前記フォトミキサは、ＥｒＡｓ化合物基板上に製作されている、項目５に記載のフォトミキシングシステム。
（項目７）
前記フォトミキサは、ＩｎＧａＡｓ化合物基板上に製作されている、項目５に記載のフォトミキシングシステム。
（項目８）
前記フォトミキサは、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、Ｇｅ、ＩｎＰ、グラフェン、およびＧ
ａＮ基板から成る群から選択される基板上に製作されている、項目５に記載のフォトミキシングシステム。
（項目９）
前記生成されるテラヘルツ放射は、０．２５〜２．５ＴＨｚの周波数範囲を有する、項目１に記載のフォトミキシングシステム。
（項目１０）
前記生成されるテラヘルツ放射は、２．５ＴＨｚを上回る周波数範囲を有する、項目１に記載のフォトミキシングシステム。
（項目１１）
前記生成されるテラヘルツ放射は、０．２５ＴＨｚを下回る周波数範囲を有する、項目１に記載のフォトミキシングシステム。
（項目１２）
前記生成されるテラヘルツ放射は、周波数可変である、項目１に記載のフォトミキシングシステム。
（項目１３）
前記生成されるテラヘルツ放射は、不変放射である、項目１に記載のフォトミキシングシステム。
（項目１４）
フォトミキシングシステムを使用して、連続波テラヘルツ周波数信号を生成する方法で
あって、
光学ポンプを使用して、少なくとも２つのビームを生成することであって、前記少なく
とも２つのビームは、周波数オフセットをもたらすように利用される、ことと、
５０％のデューティサイクルを下回って前記光学ポンプを動作させることであって、前
記デューティサイクルは、動作サイクルとスリープサイクルとを含む、ことと、
フォトミキサを使用して、前記周波数オフセットを受信することであって、前記フォト
ミキサは、放射素子を備えている、ことと、
前記受信された周波数オフセットおよび前記放射素子に基づいて、テラヘルツ放射を生
成することと
を含む、方法。
（項目１５）
前記放射素子は、少なくとも１つのプラズモン接触電極を含む、項目１４に記載の方法。
（項目１６）
前記放射素子は、広帯域放射のアンテナケーブルである、項目１４に記載の方法。
（項目１７）
前記放射素子は、対数スパイラルアンテナ、ダイポールアンテナ、ボウタイアンテナ、
対数周期アンテナ、および折返しダイポールアンテナから成る群から選択される、項目１６に記載の方法。
（項目１８）
前記フォトミキサは、前記光学ポンプの動作波長範囲内の光子を吸収することが可能で
ある基板上に製作されている、項目１４に記載の方法。
（項目１９）
前記フォトミキサは、ＥｒＡｓ化合物基板上に製作されている、項目１８に記載の方法。
（項目２０）
前記フォトミキサは、ＩｎＧａＡｓ化合物基板上に製作されている、項目１８に記載の方法。
（項目２１）
前記フォトミキサは、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、Ｇｅ、ＩｎＰ、グラフェン、およびＧ
ａＮ基板から成る群から選択される基板上に製作されている、項目１８に記載のシステムの方法。
（項目２２）
前記生成されるテラヘルツ放射は、０．２５〜２．５ＴＨｚの周波数範囲を有する、項目１４に記載の方法。
（項目２３）
前記生成されるテラヘルツ放射は、２．５ＴＨｚを上回る周波数範囲を有する、項目１４に記載の方法。
（項目２４）
前記生成されるテラヘルツ放射は、０．２５ＴＨｚを下回る周波数範囲を有する、項目１４に記載の方法。
（項目２５）
前記生成されるテラヘルツ放射は、周波数可変である、項目１４に記載の方法。
（項目２６）
前記生成されるテラヘルツ放射は、不変放射である、項目１４に記載の方法。

図１は、本発明の実施形態による、交差指型接触電極を有するフォトミキサ（すなわち、従来のフォトミキサ）と比較したプラズモンフォトミキサの概略図である。 図２Ａ−Ｂは、本発明の実施形態による、それぞれ、プラズモンフォトミキサおよび従来のフォトミキサの顕微鏡ならびに走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像である。 図２Ａ−Ｂは、本発明の実施形態による、それぞれ、プラズモンフォトミキサおよび従来のフォトミキサの顕微鏡ならびに走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像である。 図２Ｃは、本発明の実施形態による、プラズモン接触電極を伴わないフォトミキサと比較した、プラズモン接触電極を伴うフォトミキサから各連続波放射サイクル内で放射されたテラヘルツ電力を例証するグラフである。 図３Ａは、本発明の実施形態による、光学ポンプ電力の関数としてプラズモンフォトミキサと従来のフォトミキサとの間の相対的電力増進係数を例証するグラフである。 図３Ｂは、本発明の実施形態による、光学ポンプ電力の関数としてプラズモンフォトミキサから各連続波放射サイクル内で放射されたテラヘルツ電力を例証するグラフである。 図３Ｃは、本発明の実施形態による、光学ポンプデューティサイクルの関数としてプラズモンフォトミキサから各連続波放射サイクル内で放射されたテラヘルツ電力を例証するグラフである。 図４は、本発明の実施形態による、プラズモン接触電極と統合された対数スパイラルアンテナとともに製作されたプラズモンフォトミキサの顕微鏡およびＳＥＭ画像である。 図５は、本発明の実施形態による、プラズモンフォトミキサを特徴付けるための実験設定を例証する。 図６Ａは、本発明の実施形態による、周波数の関数としてプラズモンフォトミキサから放射されたテラヘルツ電力を例証するグラフである。 図６Ｂは、本発明の実施形態による、平均光学ポンプ電力の関数としてプラズモンフォトミキサから放射されたテラヘルツ電力を例証するグラフである。 図７Ａは、本発明の実施形態による、ポンプデューティサイクルの関数としてプラズモンフォトミキサから放射されたテラヘルツ電力を例証するグラフである。 図７Ｂは、本発明の実施形態による、ポンプデューティサイクルの関数としてプラズモンフォトミキサから放射されたテラヘルツ波の推定されたスペクトル拡幅を例証するグラフである。

（プラズモンナノ構造）
プラズモンナノ構造を利用することは、光伝導性テラヘルツオプトエレクトロニクスの量子効率を増進することにおいて効果的であり得る。特に、プラズモンナノ構造は、入射光学ポンプビームの強度を操作し、これをデバイス接触電極の隣に密接に集束させることが可能であり得る。デバイス接触電極に近接近する光キャリアの数を増進することによって、サブピコ秒の時間スケール内で接触電極にドリフトされる光キャリアの数は、増加させられ、有意に高い量子効率レベルが達成されることができる。さらに、プラズモンナノ構造は、連続波周波数可変テラヘルツ生成のためのフォトミキサの光学−テラヘルツ変換効率を増進することができる。

本発明の実施形態による、従来設計に基づく（すなわち、交互指型接触電極接触を有する）類似するフォトミキサと比較したプラズモンフォトミキサの概略図が、図１に例証される。１００に例証されるように、プラズモンおよび従来の設計は、以下でさらに説明されるテラヘルツ放射１１４を放出するために、光学ポンプ１１６に接続される統合された対数スパイラルアンテナ１０４を伴うＥｒＡｓ：ＩｎＧａＡｓ基板１０２上に製作される類似するフォトミキサ１０６上に実装されることができる。典型的には、プラズモン設計と従来の設計とにおける差異は、１０８ならびに１１０にそれぞれ例証されるような接触電極設計にあり得る。

多くの実施形態では、プラズモンおよび従来のフォトミキサは、ＥｒＡｓ：ＩｎＧａＡｓ基板１０２（キャリア寿命約０．８５ｐｓ）上に製作され、比較のために、それらのテラヘルツ放射素子として同じ対数スパイラルアンテナ１０４と統合されることができ、対数スパイラルアンテナは、広い周波数可変性を伴うテラヘルツ生成のために、広帯域放射抵抗および低アンテナリアクタンス値を達成するために使用される。多くの実施形態では、種々の他のアンテナも（限定ではないが、ダイポール、ボウタイ、対数周期、および折返しダイポールアンテナを含む）本発明の実施形態に従って利用されることができる。さらに、プラズモンのフォトミキサおよび従来のフォトミキサの接触電極は、対数スパイラルアンテナの入力ポートにおいて同一の容量および抵抗負荷を誘発するように設計される。多くの実施形態では、本発明の実施形態によるプラズモンフォトミキサは、アノード電極とカソード電極との間に２μｍの端間間隔を伴うアノードおよびカソード接触電極の両方に対して、４μｍ×８μｍの面積を覆うプラズモン接触電極格子を利用することができる。対照的に、多くの従来のフォトミキサは、典型的には、電極間に１．８μｍの間隙を伴う０．２μｍ幅の交互指型接触電極を利用する。

種々の実施形態では、プラズモン接触電極は、２００ｎｍのピッチ、１００ｎｍの金属幅、５／４５ｎｍのＴｉ／Ａｕ高さ、および２５０ｎｍの厚さのＳｉ_３Ｎ_４反射防止コーティングを伴う金属格子から成ることができる。典型的には、それらは、プラズモン接触電極を通したＥｒＡｓ：ＩｎＧａＡｓ基板への、１５５０ｎｍの波長範囲内の横磁（ＴＭ）偏光光学ポンプの約７０％を上回るものの結合を可能にするように設計される。多くの実施形態では、プラズモン接触電極および交互指型接触電極は、電子ビームリソグラフィを使用してパターニングされ、金属堆積およびリフトオフによって形成されることができる。いくつかの実施形態では、対数スパイラルアンテナおよびバイアス線は、光学リソグラフィを使用してパターニングされ、金属堆積およびリフトオフによって形成されることができる。具体的プラズモン接触電極設計が、材料および格子仕様に関して上記に説明されているが、（限定ではないが）金、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｔｉを含む、種々の材料も、利用されることができ、幾何学形状は、（限定ではないが）５０ｎｍ〜２μｍのピッチ、１０ｎｍ〜７００ｎｍの間隙、および１ｎｍの厚さ等、基板、金属タイプ、ならびに波長に応じて変動し得る。フォトミキサとの使用のためのプラズモンナノ構造を利用する具体的実施例が、図１に関して上記に説明されているが、具体的用途の要件に適切な種々のプラズモンナノ構造の任意のものおよびフォトミキサとのそれらの使用が、本発明の実施形態に従って利用されることができる。本発明の実施形態による、プラズモンフォトミキサを特徴付ける実験結果がさらに、以下で議論される。

（プラズモンフォトミキサの特性）
プラズモンフォトミキサが、本発明の実施形態によるプラズモンフォトミキサの種々の特性を強調するために、従来のフォトミキサと実験的に比較されることができる。多くの実施形態では、製作されたプラズモンおよび従来の（すなわち、交互指型接触電極を有する）フォトミキサは、２つの超半球レンズの中心に搭載され、同一の実験条件下で特徴付けられることができる。本発明の実施形態による、ＥｒＡｓ：ＩｎＧａＡｓ基板上に製作されたプラズモンおよび従来のフォトミキサの接触電極に焦点を当てた顕微鏡およびＳＥＭ画像が、図２Ａ−Ｂに例証される。一組の画像２００は、プラズモン接触電極と統合された対数スパイラルアンテナとともに製作されたプラズモンフォトミキサを例証する。画像２０２は、２００μｍの分解能におけるプラズモンフォトミキサを例証する。画像２０４は、２０μｍの分解能におけるプラズモンフォトミキサの顕微鏡画像である。さらに、画像２０６は、２μｍの分解能におけるプラズモン接触電極を示すＳＥＭ画像である。一組の画像２３０は、交互指型接触電極と統合された対数スパイラルアンテナとともに製作された従来のフォトミキサを例証する。画像２３２は、２００μｍの分解能における従来のフォトミキサを例証する。画像２３４は、２０μｍの分解能における従来のフォトミキサの顕微鏡画像である。最後に、画像２３６は、２μｍの分解能における交互指型接触電極を示すＳＥＭ画像である。

いくつかの実施形態では、フォトミキサは、光源間の周波数差を調節することによって、放射周波数を制御しながら、同一の光学電力を伴う２つの波長可変連続波光源（λは約１５５０ｎｍ）によってポンピングされる。加えて、高光学ポンプ電力における熱破壊を軽減するために、光学ポンプは、以下でさらに説明されるように、１０％を下回るデューティサイクルで変調される。

本発明の実施形態による、周波数の関数として、類似した従来のフォトミキサと比較して、各連続波放射サイクル内でプラズモンフォトミキサからの放射されたテラヘルツ電力を例証するグラグが、図２Ｃに例証される。グラフ２７０は、プラズモン電極２７２を伴うフォトミキサと交互指型接触電極２７４を伴うフォトミキサとに対して、各連続波放射サイクルにおける電力をマイクロワットで例証する。この特定の実施形態では、１ＭＨｚのポンプ変調周波数、２％のポンプデューティサイクル、１００ｍＷの平均ポンプ電力、および３Ｖのフォトミキサバイアス電圧が、利用された。結果は、０．２５〜２．５ＴＨｚの周波数範囲にわたって、１桁高いテラヘルツ放射電力レベルがプラズモンフォトミキサによって提供されたことを示す。

相対的電力増進係数が、プラズモンフォトミキサと従来のフォトミキサとから放射された電力間の比率として定義されることができる。本発明の実施形態による、平均光学ポンプ電力の関数として電力増進係数を例証するグラフが、図３Ａに例証される。グラフ３００は、より高いテラヘルツ放射増進係数が、より低い光学ポンプ電力３０２において達成されることを例証する。これは、高光学ポンプ電力において、従来のフォトミキサよりもプラズモンフォトミキサに影響を及ぼすキャリアスクリーニング効果のためである。非常に低い光学ポンプ電力レベルにおいてキャリアスクリーニング効果がないと、２桁高いテラヘルツ電力レベルが、プラズモンフォトミキサから予期される。

各連続波放射サイクル内の放射されたテラヘルツ電力は、図３Ｂに例証されるように、２％のポンプデューティサイクルおよび３Ｖのフォトミキサバイアス電圧に対して、平均光学ポンプ電力の関数として分析されることもできる。グラフ３３０は、０．２５ＴＨｚ ３３２、０．５ＴＨｚ ３３４、１．０ＴＨｚ ３３６、１．５ＴＨｚ ３３８、および２．０ＴＨｚ ３４０における放射に対する結果を含む。結果は、平均ポンプ電力の関数としての各放射サイクル内で放射されたテラヘルツ電力の二次増加を示し、それは、キャリアスクリーニング効果に起因して、１００ｍＷの光学ポンプ電力を超えてわずかに低下する。

各連続波放射サイクル内の放射されたテラヘルツ電力は、図３Ｃに例証されるように、１００ｍＷの平均光学ポンプ電力および３Ｖのフォトミキサバイアス電圧に対して、光学ポンプデューティサイクルと関連して分析されることもできる。グラフ３３０は、０．２５ＴＨｚ ３７２、０．５ＴＨｚ ３７４、１．０ＴＨｚ ３７６、１．５ＴＨｚ ３７８、および２．０ＴＨｚ ３８０における放射に対する結果を含む。この分析に対して、１ＭＨｚのポンプ変調周波数と２％、４％、６％、および８％のポンプデューティサイクルとが、使用され、それぞれ、２０、４０、６０、および８０ｎｓの放射サイクルにわたってテラヘルツ波を生成する。例証されるように、光学ポンプデューティサイクルを低減させることは、各連続波放射サイクル内でより高いテラヘルツ電力レベルを放射しながら、放射波のスペクトル線幅を拡大させることを可能にする。

プラズモンフォトミキサの具体的特性が、図２−３Ｃに関して上記に説明されているが、具体的用途の要件に適切なプラズモンフォトミキサの種々の特性が、本発明の実施形態に従って取得および分析されることができる。本発明の実施形態による、プラズモンフォトミキサの設計における熱破壊考慮事項がさらに、以下で議論される。

（熱破壊考慮事項）
遠隔通信ポンプ波長において動作する高性能フォトミキサの開発に対する課題は、この波長範囲における光吸収半導体（例えば、ＩｎＧａＡｓ）の高い伝導性であり得る。これは、高伝導性基板の内側の光キャリアの効率的な加速が、高暗電流レベルが付随する十分なバイアスを必要とし得るためであり、高暗電流レベルは、比較的に高いポンプ電流レベルにおける熱破壊につながり得る。

上記に議論されるようなプラズモン接触電極の使用に加えて、光学ポンプは、高テラヘルツ放射電力レベルを達成するために、５０％を下回るデューティサイクルで変調されることができる。種々の実施形態では、デューティサイクルは、１０％を下回る。低デューティサイクルは、各ＣＷ放射サイクル内の光学ポンプ電力を増加させながら、熱破壊発現をより高い光学ポンプ電力に押し進めることを可能にする。本発明の多くの実施形態では、１ＭＨｚのポンプ変調周波数および２％のポンプデューティサイクルを伴う、１５０ｍＷの平均光学ポンプ電力において、結果は、以下でさらに議論されるように、各ＣＷ放射サイクル内で、１ＴＨｚにおいて最大０．８ｍＷの放射電力を実証する。

本発明の実施形態による、約０．８５ｐｓのキャリア寿命を伴う、ＥｒＡｓ：ＩｎＧａＡｓ基板上に製作されたプラズモンフォトミキサの顕微鏡画像が、図４Ａに例証される。一組の画像４００は、プラズモン接触電極とともに製作されたプラズモンフォトミキサを例証する。画像４０２は、２００μｍの分解能におけるプラズモンフォトミキサを例証する。画像４０４は、２０μｍの分解能におけるプラズモンフォトミキサの顕微鏡画像である。さらに、画像４０６は、２μｍの分解能におけるプラズモン接触電極を示すＳＥＭ画像である。再び、対数スパイラルアンテナが、広い放射周波数範囲を達成するために、テラヘルツ放射素子として使用される。対数スパイラルアンテナは、０．１〜２．５ＴＨｚの周波数範囲にわたってほぼ０Ωのリアクタンス値を維持しながら、７０〜１００Ωの広帯域放射抵抗を提供するように設計されることができる。プラズモンフォトミキサの各接触電極は、２００ｎｍのピッチ、１００ｎｍの金属幅、５／４５ｎｍのＴｉ／Ａｕ高さ、および２５０ｎｍの厚さのＳｉ_３Ｎ_４反射防止コーティングを伴い、１５×１５μｍ^２の面積を覆うプラズモン格子であり得る。多くの実施形態では、プラズモン接触電極は、１５５０ｎｍの光学ポンプ波長においてデバイス量子効率を最大化するように設計される。種々の実施形態では、アノード接触電極とカソード接触電極との間の端間間隔は、１０μｍに設定され、１５×１５μｍ^２のプラズモン接触電極面積全体にわたり最高光キャリアドリフト速度を維持する。

いくつかの実施形態では、製作プロセスは、電子ビームリソグラフィを使用するプラズモン接触電極格子のパターニングから開始し、Ｔｉ／Ａｕ（５／４５ｎｍ）の堆積およびリフトオフが続く。２５０ｎｍのＳｉ_３Ｎ_４反射防止コーティングが、次いで、プラズマ強化化学蒸着を使用して堆積される。次に、接触ビアが、光学リソグラフィを使用してパターニングされ、乾式プラズマエッチングを使用して形成されることができる。最後に、対数スパイラルアンテナおよびバイアス線が、光学リソグラフィを使用してパターニングされ、Ｔｉ／Ａｕ（１０／４００ｎｍ）の堆積およびリフトオフが続くことができる。

上記に説明されるように、製作されたプラズモンフォトミキサは、次いで、超半球シリコンレンズ上に搭載され、１５５０ｎｍ波長範囲内の２つの周波数オフセットポンプレーザを使用して特徴付けられる。高光学ポンプ電力におけるデバイス故障の最終的な限界であり得る熱破壊を軽減するために、光学ポンプは、１０％を下回るデューティサイクルで変調される。短い光学ポンプデューティサイクルを使用することは、各ＣＷ放射サイクル内の光学ポンプ電力を増加させながら、熱破壊発現をより高い光学ポンプ電力に押し進めることを可能にする。多くの実施形態では、波長可変光源からのＣＷ光学ビームは、１ＭＨｚにおいて変調され、次いで、パルス化ファイバ増幅器を使用して増幅されることができる。以下でさらに議論されるように、フォトミキサは、２％、４％、６％、および８％のポンプデューティサイクルにおいて特徴付けられ、それぞれ、２０、４０、６０、および８０ｎｓのＣＷ放射サイクルにわたってテラヘルツ波を生成する。

（実験設定および低デューティサイクル）
本発明の実施形態による、プラズモンフォトミキサを特徴付けるために使用される実験設定が、図５に例証される。実験設定５００は、偏光コントローラ５０６に接続される２つのファイバ結合ＣＷレーザから成ることができ、一方の５０２（限定ではないが、ＱＰｈｏｔｏｎｉｃｓ ＱＤＦＢＬＤ−１５５０−１０等）は、１５４５．４ｎｍにおける固定波長を伴い、他方の５０４（限定ではないが、Ｓａｎｔｅｃ ＴＳＬ−５１０等）は、可変波長を伴う。２つのレーザの出力は、２：１ファイバコンバイナ５０８内で組み合わされ、音響光学変調器５０８（限定ではないが、ＮＥＯＳ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ １５２００−．２−１．５５−ＬＴＤ−ＧａＰ−ＦＯ等）によって変調されることができる。パルス化レーザビームは、次いで、パルス増幅器５１２（限定ではないが、Ｏｐｔｉｌａｂ ＡＰＥＤＦＡ−Ｃ−１０等）を使用して増幅され、グレードインデックス（ＧＲＩＮ）レンズ５１４および減衰器５１６を利用して、プラズモンフォトミキサ５２６上に集束される。最適なフォトミキシング効率のために、２つのレーザ源からの入射光は、等しい電力レベルで線形に偏光されるべきである。この目的のために、四分の一波長板５１８が、レーザ光の偏光を円偏光に変換し、線形偏光子５２０を使用してこれを線形偏光に戻すように変換するために使用されることができる。等しい電力レベルを有するように２つのレーザビームを調節するために、ペリクル５２２が、レーザビームの約８％を分離させるために使用され、光学スペクトル分析器５２４によって監視されることができる。最後に、生成されたテラヘルツ放射は、可変レーザの波長を調整しながら、シリコンボロメータ５２８を介して測定されることができる。

プラズモンフォトミキサは、ポンプデューティサイクルを考慮して特徴付けおよび分析されることができる。２％の放射デューティサイクルおよび１０Ｖのフォトミキサバイアス電圧に対する、平均光学ポンプ電力の関数としての各ＣＷ放射サイクル内で放射されたテラヘルツ電力が、図６Ａに例証される。グラフ６００は、１５０ｍＷ ６０２、１２５ｍＷ ６０４、１００ｍＷ ６０６、７５ｍＷ ６０８、および５０ｍＷ ６１０の光学ポンプ電力に対する結果を例証する。加えて、各ＣＷ放射サイクル内で放射されたテラヘルツ電力は、図６Ｂに例証されるように、平均ポンプ電力の関数として二次的に増加することができる。グラフ６５０は、０．２５ＴＨｚ ６５２、０．５ＴＨｚ ６５４、１．０ＴＨｚ ６５６、１．５ＴＨｚ ６５８、および２．０ＴＨｚ ６６０の放射に関する結果を例証する。多くの実施形態では、１５０ｍＷの平均光学ポンプ電力において、０．８ｍＷと同程度の高さのテラヘルツ放射電力が、１ＴＨｚにおいて２０ｎｓのＣＷ放射サイクル（５０ＭＨｚのスペクトル線幅拡大に対応する）にわたって達成されることができる。

ポンプデューティサイクルの関数としての放射されたテラヘルツ電力とスペクトル線幅との間のトレードオフが、図７Ａに例証される。グラフ７００は、０．２５ＴＨｚ７０２、０．５ＴＨｚ７０４、１．０ＴＨｚ７０６、１．５ＴＨｚ７０８、および２．０ＴＨｚ７１０の放射に関する結果を例証する。いくつかの実施形態では、テラヘルツ電力測定は、１００ｍＷの平均光学ポンプ電力および１ＭＨｚのポンプ変調周波数において行われる。２％、４％、６％、および８％の光学ポンプデューティサイクルにおいて、３００μＷ、７５μＷ、３５μＷ、および２０μＷと同程度の高さの放射電力レベルが、１ＴＨｚにおいて２０、４０、６０、および８０ｎｓのＣＷ放射サイクルにわたって測定され、図７Ｂにさらに例証されるように、それぞれ、５０、２５、１６、および１２．５ＭＨｚの線幅拡大に対応する。放射線幅拡大は、フーリエ理論を使用して推定される。グラフ７５０は、より短い光学ポンプデューティサイクルの使用が、各ＣＷ放射サイクル内の光学ポンプ電力を増加させながら、熱破壊発現をより高い光学ポンプ電力７５２に押し進めることを可能にすることを例証する。フォトミキサからのテラヘルツ放射電力は、光学ポンプ電力との二次関係を有するので、光学ポンプデューティサイクルを低減させることは、熱破壊前の光学−テラヘルツ変換効率およびフォトミキサからの最大放射電力を劇的に増加させる。一方では、より短いＣＷ放射サイクルの使用は、より広い放射線幅をもたらす。したがって、光学ポンプのデューティサイクルおよび繰返し率は、フォトミキサが使用される具体的用途のスペクトル線幅要件を満たすように注意深く選択されるべきである。この点で、本発明者の測定においてポンプ変調周波数を低減させることは、所与の光学ポンプデューティサイクルにおいて同一のテラヘルツ放射電力レベルを提供しながら、放射線幅を低減させるであろう。

実験設定およびデューティサイクルが、図５−７Ｂに関して上記に説明されているが、具体的用途の要件に適切な種々の実験設定およびデューティサイクルが、本発明の実施形態に従って利用されることができる。さらに、具体的な放射されるテラヘルツ周波数範囲および具体的な周波数範囲の可変性が、低デューティサイクルの使用に関して上記に説明されているが、本発明の実施形態によるシステムおよび方法は、本発明の実施形態による低デューティサイクルを適用することにおいて、任意の放射される周波数範囲およびさらには不変放射を利用することができる。

上記の説明は、本発明の多くの具体的実施形態を含むが、これらは、本発明の範囲に対する制限として解釈されるべきではなく、むしろ、その一実施形態の実施例として解釈されるべきである。したがって、本発明は、本発明の範囲および精神から逸脱することなく、具体的に説明されるものとは別様に実践され得ることを理解されたい。したがって、本発明の実施形態は、あらゆる点で例証的であり、制限的ではないと見なされるべきである。

Claims (20)

1. 連続波テラヘルツ周波数信号を生成するように構成されているフォトミキシングシステムであって、前記フォトミキシングシステムは、
   光学ポンプであって、前記光学ポンプは、
   少なくとも２つのビームを生成することであって、前記少なくとも２つのビームは、周波数オフセットをもたらすように利用される、ことと、
   ５０％のデューティサイクルを下回って動作することであって、前記デューティサイクルは、動作サイクルとスリープサイクルとを含み、前記スリープサイクルは、前記動作サイクルに続き、前記光学ポンプは、前記スリープサイクル中に前記少なくとも２つのビームを生成せず、前記光学ポンプは、１５０ｍＷ以下の平均光学ポンプ電力を伴って動作する、ことと
   を行うように構成されている、光学ポンプと、
   放射素子を備えているフォトミキサであって、前記フォトミキサは、前記周波数オフセットを受信し、前記受信された周波数オフセットおよび前記放射素子を利用して、テラヘルツ放射を生成するように構成され、前記放射素子は、少なくとも２つのプラズモン接触電極を含み、前記少なくとも２つのプラズモン接触電極は、前記少なくとも２つのプラズモン接触電極の端部が互いに向かい合うように互いの方へ延びている、フォトミキサと
   を備えている、フォトミキシングシステム。
2. 前記放射素子は、広帯域放射が可能なアンテナである、請求項１に記載のフォトミキシングシステム。
3. 前記放射素子は、対数スパイラルアンテナ、ダイポールアンテナ、ボウタイアンテナ、対数周期アンテナ、および折返しダイポールアンテナから成る群から選択される、請求項２に記載のフォトミキシングシステム。
4. 前記フォトミキサは、前記光学ポンプの動作波長範囲内の光子を吸収することが可能である基板上に製作されている、請求項１に記載のフォトミキシングシステム。
5. 前記フォトミキサは、ＥｒＡｓ化合物基板上に製作されている、請求項４に記載のフォトミキシングシステム。
6. 前記フォトミキサは、ＩｎＧａＡｓ化合物基板上に製作されている、請求項４に記載のフォトミキシングシステム。
7. 前記フォトミキサは、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、Ｇｅ、ＩｎＰ、グラフェン、およびＧａＮ基板から成る群から選択される基板上に製作されている、請求項４に記載のフォトミキシングシステム。
8. 前記生成されるテラヘルツ放射は、０．２５〜２．５ＴＨｚの周波数範囲を有する、請求項１に記載のフォトミキシングシステム。
9. 前記生成されるテラヘルツ放射は、周波数可変である、請求項１に記載のフォトミキシングシステム。
10. 前記生成されるテラヘルツ放射は、周波数不変放射である、請求項１に記載のフォトミキシングシステム。
11. フォトミキシングシステムを使用して、連続波テラヘルツ周波数信号を生成する方法であって、前記方法は、
    光学ポンプを使用して、少なくとも２つのビームを生成することであって、前記少なくとも２つのビームは、周波数オフセットをもたらすように利用される、ことと、
    ５０％のデューティサイクルを下回って前記光学ポンプを動作させることであって、前記デューティサイクルは、動作サイクルとスリープサイクルとを含み、前記スリープサイクルは、前記動作サイクルに続き、前記光学ポンプは、前記スリープサイクル中に前記少なくとも２つのビームを生成せず、前記光学ポンプは、１５０ｍＷ以下の平均光学ポンプ電力を伴って動作する、ことと、
    フォトミキサを使用して、前記周波数オフセットを受信することであって、前記フォトミキサは、放射素子を備え、前記放射素子は、少なくとも２つのプラズモン接触電極を含み、前記少なくとも２つのプラズモン接触電極は、前記少なくとも２つのプラズモン接触電極の端部が互いに向かい合うように互いの方へ延びている、ことと、
    前記受信された周波数オフセットおよび前記放射素子に基づいて、テラヘルツ放射を生成することと
    を含む、方法。
12. 前記放射素子は、広帯域放射が可能なアンテナである、請求項１１に記載の方法。
13. 前記放射素子は、対数スパイラルアンテナ、ダイポールアンテナ、ボウタイアンテナ、対数周期アンテナ、および折返しダイポールアンテナから成る群から選択される、請求項１２に記載の方法。
14. 前記フォトミキサは、前記光学ポンプの動作波長範囲内の光子を吸収することが可能である基板上に製作されている、請求項１１に記載の方法。
15. 前記フォトミキサは、ＥｒＡｓ化合物基板上に製作されている、請求項１４に記載の方法。
16. 前記フォトミキサは、ＩｎＧａＡｓ化合物基板上に製作されている、請求項１４に記載の方法。
17. 前記フォトミキサは、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、Ｇｅ、ＩｎＰ、グラフェン、およびＧａＮ基板から成る群から選択される基板上に製作されている、請求項１４に記載の方法。
18. 前記生成されるテラヘルツ放射は、０．２５〜２．５ＴＨｚの周波数範囲を有する、請求項１１に記載の方法。
19. 前記生成されるテラヘルツ放射は、周波数可変である、請求項１１に記載の方法。
20. 前記生成されるテラヘルツ放射は、周波数不変放射である、請求項１１に記載の方法。

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