Selten-Erd:Photoleiter zur Erzeugung und Detektion von Terahertz Strahlung

• Antragsteller: Professor Dr. Gregor Koblmüller; Professor Dr. Sascha Preu
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 278381540

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Ziel des Projektes REPHCON war die Entwicklung leistungsstarker Terahertz Quellen und Detektoren auf Basis von ErAs:In(Al)GaAs Photoleitern. Die Photoleiter werden mit 1550 nm oder 1030-1060 nm Lasersystemen betrieben, sowohl für den Dauerstrichbetrieb als auch gepulst. Die Forschungstätigkeiten umfassten insbesondere materialphysikalische Fragestellungen, um das photoleitende Halbleitermaterial auf Terahertz-Anwendungen zu optimieren, elektrotechnische Fragestellungen, welche optimale Antennen- und Elektrodenstrukturen betrachteten, Fragestellungen aus der Optik bzgl. Ein- und Auskopplung der Terahertz-Welle und Ankopplung des optischen Pumpsignals, sowie systemtechnische Fragestellungen bzgl. Integration in einfach handhabbare Gehäuse und die Anwendung der Bauteile in Experimenten. Der 1. Teil des Projektes wurde an der TUDa (FG Preu) durchgeführt, die 2. Phase in Zusammenarbeit von TUDa mit der TUM (FG Koblmüller). Die entwickelten Photoleiter gehören mittlerweile zu den Besten weltweit. Im Folgenden seien die wichtigsten Ergebnisse zusammengefasst: Erfolgreiche Entwicklung von Photoleitern für den Dauerstrichbetrieb bei 1550 nm, sowohl als Quelle als auch als Empfänger. Nach dem Kenntnisstand der Antragsteller bis dato größter publizierter Dynamikbereich von 52 dB mit einen Dauerstrichsystem und ausschließlich Photoleitern bei 1550 nm. Bisher niedrigste publizierte Rauschgrenze bei Raumtemperatur von 1.8fW/Hz bei 188 GHz. - System bestehend aus antennengekoppelten gepulsten Photoleitern und einem dem Stand der Technik entsprechenden 1550 nm Pulslasersystem mit einem Dynamikbereich von 110 dB (1 Min. Messzeit), 472 µW Ausgangsleistung bei nur ~45 mW Laserleistung sowie mehr als 6.5 THz Bandbreite. - Demonstration des Betriebs bei 1030 nm. - Fasergekoppelte gehauste Quellen und Empfänger. - Übertragung des Wachstums auf eine Molekularstrahlepitaxieanlage in Deutschland.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Pulsed THz time domain system with ErAs:In(Al)GaAs photoconductors. 2016 41st International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz waves (IRMMW-THz), 1-2.
  Aller, Mario Mendez; de Jesus, Fernandez Olvera Anuar; Lu, Hong; Gossard, Arthur C. & Preu, Sascha
  
• Continuous-wave 1550 nm operated terahertz system using ErAs:In(Al)GaAs photo-conductors with 52 dB dynamic range at 1 THz. Optics Express, 25(23), 29492.
  Olvera, A.D.J. Fernandez; Lu, H.; Gossard, A. C. & Preu, S.
  
• Dispersive properties of self-complementary log-periodic antennas in pulsed THz systems. 2017 42nd International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz), 1-2.
  Fernandez, Olvera A. D. J.; Nandi, U.; Norman, J.; Gossard, A. C.; Roskos, H. & Preu, S.
  
• 1.5 Port Vector Spectrometer for Terahertz Time Domain Spectroscopy. 2018 43rd International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz), 1-2.
  Faridi, Fahd R.; Nandi, Uttam & Preu, Sascha
  
• 1550-nm Driven ErAs:In(Al)GaAs Photoconductor-Based Terahertz Time Domain System with 6.5 THz Bandwidth. Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves, 39(4), 340-348.
  Nandi, U.; Norman, J. C.; Gossard, A. C.; Lu, H. & Preu, S.
  
• Continuous-Wave Terahertz System with 50 dB Dynamic Range at 1 THz Using a n-i-pn-i-p Superlattice Photomixer and an ErAs: InGaAs Photoconductor Operated at 1550 nm. 2018 43rd International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz), 1-2.
  Aller, Mario Mendez; Lu, Hong; Gossard, Arthur C. & Preu, Sascha
  
• ErAs Enhanced Active Photonic THz Components. 2018 First International Workshop on Mobile Terahertz Systems (IWMTS), 1-4.
  Aller, M. Mendez; Lu, H.; Gossard, A.C.; Nandi, U.; Norman, J.C. & Preu, S.
  
• Antenna-coupled spintronic terahertz emitters driven by a 1550 nm femtosecond laser oscillator. Applied Physics Letters, 115(2).
  Nandi, U.; Abdelaziz, M. S.; Jaiswal, S.; Jakob, G.; Gueckstock, O.; Rouzegar, S. M.; Seifert, T. S.; Kläui, M.; Kampfrath, T. & Preu, S.
  
• Characterization of a Terahertz Isolator using a 1.5 Port Vector Spectrometer. 2019 44th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz), 1-2.
  Faridi, Fahd R. & Preu, Sascha
  
• Continuous-Wave Electro-Optic Terahertz Dual-Comb Operating from 0.096 to 0.496 THz Using ErAs:In(Al)GaAs Photoconductors. 2019 44th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz), 1-3.
  Fernandez, Olvera Anuar D. J.; Betancur, Andres F.; Dios, Cristina de; Preu, Sascha & Acedo, Pablo
  
• Effect of DC Electric Field on the Emitted THz Signal of Antenna-Coupled Spintronic Emitters. 2019 44th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz), 1-2.
  Nandi, U.; Preu, S.; Abdelaziz, M.S.; Jaiswal, S.; Jakob, G.; Gueckstock, O.; S, Rouzegar M. R.; Seifert, T.S.; Klaui, M. & Kampfrath, T.
  
• High Dynamic Range THz Systems using ErAs:In(Al)GaAs Photoconductors. 2019 IEEE MTT-S International Microwave Workshop Series on Advanced Materials and Processes for RF and THz Applications (IMWS-AMP), 115-117.
  Nandi, Uttam; Faridi, Fahd R.; Olvera, Anuar D. J. Fernandez; Norman, Justin; Lu, Hong; Gossard, Arthur C. & Preu, Sascha
  
• International System of Units (SI) Traceable Noise-Equivalent Power and Responsivity Characterization of Continuous Wave ErAs:InGaAs Photoconductive Terahertz Detectors. Photonics, 6(1), 15.
  Fernandez, Olvera Anuar; Roggenbuck, Axel; Dutzi, Katja; Vieweg, Nico; Lu, Hong; Gossard, Arthur & Preu, Sascha
  
• System Integration and Packaging of a Terahertz Photodetector at $W$ -Band. IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, 9(8), 1486-1494.
  Dong, Yunfeng; Johansen, Tom Keinicke; Fernandez, Olvera Anuar de Jesus; Morales, Alvaro; Aller, Mario Mendez; Preu, Sascha; Zhurbenko, Vitaliy; Hanberg, Peter Jesper; Okonkwo, Chigo & Monroy, Idelfonso Tafur
  
• Terahertz Time-Domain Spectroscopy Based on Commercially Available 1550 nm Fabry–Perot Laser Diode and ErAs:In(Al)GaAs Photoconductors. Applied Sciences, 9(13), 2704.
  Tybussek, Kai-Henning; Kolpatzeck, Kevin; Faridi, Fahd; Preu, Sascha & Balzer, Jan C.
  
• Continuous Wave THz System Based on Dual Wavelength Monolithic Y-Branch Laser Diode. 2020 22nd International Conference on Transparent Optical Networks (ICTON), 1-4.
  Surkamp, Nils; Gerling, Alexandra; O'Gorman, James; Honsberg, Martin; Schmidtmann, Sebastian; Nandi, Uttam; Preu, Sascha; Sacher, Joachim; Brenner, Carsten & Hofmann, Martin R.
  
• ErAs:In(Al)GaAs photoconductor-based time domain system with 4.5  THz single shot bandwidth and emitted terahertz power of 164  µW. Optics Letters, 45(10), 2812.
  Nandi, Uttam; Dutzi, Katja; Deninger, Anselm; Lu, Hong; Norman, Justin; Gossard, Arthur C.; Vieweg, Nico & Preu, Sascha
  
• Performance of a 1030 nm driven ErAs: InGaAs photoconductive receiver at high THz average power. 2020 45th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz), 1-2.
  Nandi, U.; Vogel, T.; Mansourzadeh, S.; Hoffmann, M.; Norman, J. C.; Lu, H.; Gossard, A. C.; Saraceno, C. J. & Preu, S.
  
• A True Optoelectronic Spectrum Analyzer for Millimeter Waves With Hz Resolution. IEEE Access, 9(2021), 114339-114347.
  Fernandez, Olvera Anuar De Jesus; Krause, Benedikt Leander & Preu, Sascha
  
• Characterization of a Crossed Dipole Resonator Array using a Pulsed Free Space Two-Port Photonic VNA. 2021 46th International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves (IRMMW-THz), 1-2.
  Faridi, Fahd R. & Preu, Sascha
  
• Current tuned slotted Y‐branch laser for wafer thickness measurements with THz radiation. Electronics Letters, 57(24), 936-938.
  Surkamp, N.; Gerling, A.; O'Gorman, J.; Honsberg, M.; Schmidtmann, S.; Nandi, U.; Preu, S.; Sacher, J.; Brenner, C. & Hofmann, M. R.
  
• Frequency Selective Optoelectronic Downconversion of a Terahertz Pulse Using ErAs:In(Al)GaAs Photoconductors. IEEE Access, 9(2021), 95391-95400.
  Olvera, Anuar de Jesus Fernandez; Krause, Benedikt Leander; Betancur-Perez, Andres; Nandi, Uttam; de Dios, Cristina; Acedo, Pablo & Preu, Sascha
  
• Material properties and performance of ErAs:In(Al)GaAs photoconductors for 1550 nm laser operation. Journal of Vacuum Science & Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films, 39(2).
  Nandi, U.; Mohammadi, M.; Lu, H.; Norman, J.; Gossard, A. C.; Alff, L. & Preu, S.
  
• Pulsed free space two-port photonic vector network analyzer with up to 2 THz bandwidth. Optics Express, 29(8), 12278.
  Faridi, Fahd Rushd & Preu, Sascha
  
• Wavelength conversion through plasmon-coupled surface states. Nature Communications, 12(1).
  Turan, Deniz; Lu, Ping Keng; Yardimci, Nezih T.; Liu, Zhaoyu; Luo, Liang; Park, Joong-Mok; Nandi, Uttam; Wang, Jigang; Preu, Sascha & Jarrahi, Mona
  
• 1030 nm optimized photoconductive receiver excited with >20 mW of THz average power. 2022 47th International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves (IRMMW-THz), 1-2.
  Vogel, Tim; Mansourzadeh, Samira; Schulz, Romina S.; Nandi, Uttam; Preu, Sascha & Saraceno, Clara J.
  
• A Comparison of Continuous-Wave and Pulsed Free Space 2-Port Photonic Vector Network Analyzers for Terahertz Characterization. 2022 47th International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves (IRMMW-THz), 1-2.
  Faridi, Fahd R.; Fernandez, Olvera Anuar D. J.; Mukherjee, Amlan k. & Preu, Sascha
  
• Bias-Dependent Carrier Dynamics and Terahertz Performance of ErAs:In(Al)GaAs Photoconductors. IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology, 12(4), 353-362.
  Nandi, Uttam; Scheer, Moritz; Lu, Hong; Norman, Justin C.; Gossard, Arthur C. & Preu, Sascha
  
• Slotted Y-branch laser for cw-THz thickness measurements at 1 THz. Novel In-Plane Semiconductor Lasers XXI, 6.
  Surkamp, Nils; Gerling, Alexandra; O'Gorman, James; Honsberg, Martin; Schmidtmann, Sebastian; Nandi, Uttam; Preu, Sascha; Sacher, Joachim; Brenner, Carsten & Hofmann, Martin R.
  
• THz metrology with monolithic tunable two-color diode lasers. Terahertz Photonics II, 16.
  Hofmann, Martin R.; Surkamp, Nils; Gerling, Alexandra; O'Gorman, James; Honsberg, Martin; Schmidtmann, Sebastian; Nandi, Uttam; Preu, Sascha; Sacher, Joachim & Brenner, Carsten
  
• Ultrafast carrier dynamics in terahertz photoconductors and photomixers: beyond short-carrier-lifetime semiconductors. Nanophotonics, 11(11), 2661-2691.
  Lu, Ping-Keng; Fernandez, Olvera Anuar de Jesus; Turan, Deniz; Seifert, Tom Sebastian; Yardimci, Nezih Tolga; Kampfrath, Tobias; Preu, Sascha & Jarrahi, Mona
  
• Performance of Photoconductive Receivers at 1030 nm Excited by High Average Power THz Pulses. IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology, 14(2), 139-151.
  Vogel, Tim; Mansourzadeh, Samira; Nandi, Uttam; Norman, Justin; Preu, Sascha & Saraceno, Clara J.