Tunable structures and modulators for THz light

Petr Kužel; Filip Kadlec

doi:10.1016/j.crhy.2007.07.004

Tunable structures and modulators for THz light
[Structures accordables et modulateurs pour le rayonnement térahertz]

Petr Kužel ¹ ; Filip Kadlec ¹

¹ Institute of Physics, Academy of Sciences of the Czech Republic, Na Slovance 2, 182 21 Prague 8, Czech Republic

Comptes Rendus. Physique, Volume 9 (2008) no. 2, pp. 197-214.

Résumé
Abstract

L'article présente les résultats de travaux expérimentaux et théoriques récents ayant pour but de développer des dispositifs dont les propriétés optiques dans le domaine THz pourraient être contrôlés par un paramètre externe. Les dispositifs présentés incluent des lamelles de semiconducteurs, des éléments basés sur le titanate de strontium et des cristaux photoniques unidimensionnels comprenant des défauts. Il est démontré que la fonction diélectrique dans le domaine THz peut être fortement modulée par l'illumination par la lumière, les variations de température et de tension électrique ; les résultats expérimentaux obtenus par la spectroscopie térahertz dans le domaine temporel présentent un très bon accord avec les calculs théoriques. Grâce au contrôle par illumination ou par tension électrique, il est possible de moduler les ondes THz d'une manière très rapide, ce qui est utile pour les futures applications par exemple dans le domaine des communications.

We review recent results of both experimental and theoretical work aimed at developing tunable devices with optical properties in the THz range controllable by an external parameter. The presented devices include a semiconductor platelet, strontium titanate based elements and one-dimensional photonic crystals with defects. We show that it is possible to strongly modulate the complex permittivity in the THz range by light illumination, temperature and voltage, and the experimental results obtained by time-domain terahertz spectroscopy are found to be in a very good agreement with theoretical calculations. The control by illumination or applied bias enable a very fast modulation of the THz waves which is useful for prospect applications e.g. in the domain of communications.

Publié le : 2008-01-10

DOI : 10.1016/j.crhy.2007.07.004

Keywords: Terahertz radiation, Tunable devices, Photonic crystals, Strontium titanate, Gallium arsenide
Mot clés : Rayonnement térahertz, Dispositifs accordables, Cristaux photoniques, Titanate de strontium, Arsenure de gallium

Affiliations des auteurs :

Petr Kužel ¹ ; Filip Kadlec ¹

¹ Institute of Physics, Academy of Sciences of the Czech Republic, Na Slovance 2, 182 21 Prague 8, Czech Republic

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Petr Kužel; Filip Kadlec. Tunable structures and modulators for THz light. Comptes Rendus. Physique, Volume 9 (2008) no. 2, pp. 197-214. doi : 10.1016/j.crhy.2007.07.004. https://comptes-rendus.academie-sciences.fr/physique/articles/10.1016/j.crhy.2007.07.004/

Bibliographie
Cité par

[1] M.C. Nuss; J. Orenstein Terahertz time-domain spectroscopy, Millimeter and Submillimeter Wave Spectroscopy of Solids, Springer-Verlag, Berlin/Heidelberg, 1998, pp. 7-50 (Chapter 2)

[2] D. Mittleman Sensing with Terahertz Radiation, Springer-Verlag, Berlin, 2003

[3] B. Ferguson; X.-C. Zhang Nature Mater., 1 (2002), p. 26

[4] M.E. Lines; A.M. Glass Principles and Applications of Ferroelectrics and Related Materials, Oxford University Press, 1977

[5] A.K. Tagantsev; V.O. Sherman; K.F. Astafiev; J. Venkatesh; N. Setter J. Electroceram., 11 (2003), p. 5

[6] J.H. Haeni; P. Irvin; W. Chang; R. Uecker; P. Reiche; Y.L. Li; S. Choudhury; W. Tian; M.E. Hawley; B. Craigo; A.K. Tagantsev; X.Q. Pan; S.K. Streiffer; L.Q. Chen; S.W. Kirchoefer; J. Levy; D.G. Schlom Nature, 430 (2004), p. 758

[7] K.C. Lim; J.D. Margerum; A.M. Lackner Appl. Phys. Lett., 62 (1993), p. 1065

[8] C.-Y. Chen; T.-R. Tsai; C.-L. Pan; R.-P. Pan Appl. Phys. Lett., 83 (2003), p. 4497

[9] C.-Y. Chen; C.-F. Hsieh; Y.-F. Lin; R.-P. Pan; C.-L. Pan Opt. Express, 12 (2004), p. 2630

[10] C.-Y. Chen; C.-L. Pan; C.-F. Hsieh; Y.-F. Lin; R.-P. Pan Appl. Phys. Lett., 88 (2006), p. 101107

[11] C.-F. Hsieh; R.-P. Pan; T.-T. Tang; H.-L. Chen; C.-L. Pan Opt. Lett., 31 (2006), p. 1112

[12] A. Chelnokov; S. Rowson; J.-M. Lourtioz; L. Duvillaret; J.-L. Coutaz Electron. Lett., 34 (1998), p. 1965

[13] I.H. Libon; S. Baumgärtner; M. Hempel; N.E. Hecker; J. Feldmann; M. Koch; P. Dawson Appl. Phys. Lett., 76 (2000), p. 2821

[14] L. Fekete; J.Y. Hlinka; F. Kadlec; P. Kužel; P. Mounaix Opt. Lett., 30 (2005), p. 1992

[15] T. Kleine-Ostmann; P. Dawson; K. Pierz; G. Hein; M. Koch Appl. Phys. Lett., 84 (2004), p. 3555

[16] H.-T. Chen; W.J. Padilla; J.M.O. Zide; A.C. Gossard; A.J. Taylor; R.D. Averitt Nature, 444 (2006), p. 597

[17] H.-T. Chen; W.J. Padilla; J.M.O. Zide; S.R. Bank; A.C. Gossard; A.J. Taylor; R.D. Averitt Opt. Lett., 32 (2007), p. 1620

[18] K. Sakoda Optical Properties of Photonic Crystals, Springer, Berlin, 2001

[19] E. Özbay; B. Temelkuran Appl. Phys. Lett., 69 (1996), p. 743

[20] H. Němec; L. Duvillaret; F. Quemeneur; P. Kužel J. Opt. Soc. Am. B, 21 (2004), p. 548

[21] M. Inoue; K. Arai; T. Fujii; M. Abe J. Appl. Phys., 85 (1999), p. 5768

[22] Y. Lai; W. Zhang; L. Zhang; J.A.R. Williams; I. Bennion Opt. Lett., 28 (2003), p. 2446

[23] B. Wild; R. Ferrini; R. Houdré; M. Mulot; S. Anand; C.J.M. Smith Appl. Phys. Lett., 84 (2004), p. 846

[24] R. Ozaki; Y. Matsuhisa; M. Ozaki; K. Yoshino Appl. Phys. Lett., 84 (2004), p. 1844

[25] H. Němec; P. Kužel; L. Duvillaret; A. Pashkin; M. Dressel; M. Sebastian Opt. Lett., 30 (2005), p. 549

[26] N. Krumbholz; K. Gerlach; F. Rutz; M. Koch; R. Piesiewicz; T. Kürner; D. Mittleman Appl. Phys. Lett., 88 (2006), p. 202905

[27] P. Kužel; J. Petzelt Ferroelectrics, 239 (2000), p. 949

[28] M. Kempa; P. Kužel; S. Kamba; P. Samoukhina; J. Petzelt; A. Garg; Z. Barber J. Phys.: Condens. Matter, 15 (2003), p. 8095

[29] H. Němec; P. Kužel; F. Garet; L. Duvillaret Appl. Opt., 43 (2004), p. 1965

[30] F. Kadlec; H. Němec; P. Kužel Phys. Rev. B, 70 (2004), p. 125205 1

[31] P.A. Fleury; J.M. Worlock Phys. Rev., 174 (1968), p. 613

[32] Y. Yamada; G. Shirane J. Phys. Soc. Jpn., 26 (1969), p. 396

[33] A. Yamanaka; M. Kataoka; Y. Inaba; K. Inoue; B. Hehlen; E. Courtens Europhys. Lett., 50 (2000), p. 688

[34] I. Fedorov; V. Železný; J. Petzelt; V. Trepakov; M. Jelínek; V. Trtík; M. Čerňanský; V. Studnička Ferroelectrics, 208–209 (1998), p. 413

[35] A.A. Sirenko; C. Bernhard; A. Golnik; A.M. Clark; J. Hao; W. Si; X.X. Xi Nature (London), 404 (2000), p. 373

[36] Y.I. Yuzyuk; V.A. Alyoshin; I.N. Zakharchenko; E.V. Sviridov; A. Almeida; M.R. Chaves Phys. Rev. B, 65 (2002), p. 134107

[37] T. Ostapchuk; J. Petzelt; V. Železný; A. Pashkin; J. Pokorný; I. Drbohlav; R. Kužel; D. Rafaja; B.P. Gorshunov; M. Dressel; C. Ohly; S. Hoffmann-Eifert; R. Waser Phys. Rev. B, 66 (2002), p. 235406

[38] J. Petzelt; P. Kužel; I. Rychetský; A. Pashkin; T. Ostapchuk Ferroelectrics, 288 (2003), p. 169

[39] J. Petzelt; T. Ostapchuk; I. Gregora; I. Rychetský; S. Hoffmann-Eifert; A.V. Pronin; Y. Yuzyuk; B.P. Gorshunov; S. Kamba; V. Bovtun; J. Pokorný; M. Savinov; V. Porokhonskyy; D. Rafaja; P. Vanek; A. Almeida; M.R. Chaves Phys. Rev. B, 64 (2001), p. 184111

[40] M. Misra; K. Kotani; I. Kawayama; H. Murakami; M. Tonouchi Appl. Phys. Lett., 87 (2005), p. 182909

[41] J.L. Servoin; Y. Luspin; F. Gervais Phys. Rev. B, 22 (1980), p. 5501

[42] H. Vogt; G. Rossbroich Phys. Rev. B, 24 (1981), p. 3086

[43] J. Petzelt; T. Ostapchuk; I. Gregora; S. Hoffmann; J. Lindner; D. Rafaja; S. Kamba; J. Pokorný; V. Bovtun; V. Porokhonsky; M. Savinov; P. Vanek; I. Rychetský; V. Perina; R. Waser Integr. Ferroelectrics, 32 (2001), p. 11

[44] J. Petzelt; T. Ostapchuk; S. Kamba; I. Rychetský; M. Savinov; A. Volkov; B. Gorshunov; A. Pronin; S. Hoffmann; R. Waser; J. Lindner Ferroelectrics, 239 (2000), p. 117

[45] J. Li Opt. Commun., 269 (2007), p. 98

[46] O.G. Vendik; S.P. Zubko J. Appl. Phys., 88 (2000), p. 5343

[47] M. Born; E. Wolf Principles of Optics, University Press, Cambridge, 2003

[48] P. Kužel; F. Kadlec; H. Němec; R. Ott; E. Hollmann; N. Klein Appl. Phys. Lett., 88 (2006), p. 102901

[49] T. Nozokido; H. Minamide; K. Mizuno Electron. Comm. Jpn. II, 80 (1997), p. 1

[50] C. Karaalioglu; I.-C.A. Chen; M. Brucherseifer; A. Meshal; R. Martini Proc. SPIE, 5790 (2005), p. 263

[51] S. Biber; D. Schneiderbanger; L.-P. Schmidt Frequenz, 59 (2005), p. 141

[52] N.W. Ashcroft; N.D. Mermin Solid State Physics, Holt, Rinehart and Winston, New York, 1976

[53] R. Jacobsson Light reflection from films of continuously varying refractive index, Progress in Optics, vol. V, North-Holland, Amsterdam, 1965 (Chapter 5)

[54] H. Němec; L. Duvillaret; F. Garet; P. Kužel; P. Xavier; J. Richard; D. Rauly J. Appl. Phys., 96 (2004), p. 4072

[55] N.L. Santha; M.T. Sebastian; P. Mohanan; N.M. Alford; K. Sarma; R.C. Pullar; S. Kamba; A. Pashkin; P. Samukhina; J. Petzelt J. Am. Ceram. Soc., 87 (2004), p. 1233

[56] Millimeter and Submillimeter Wave Spectroscopy of Solids (G. Grüner, ed.), Springer-Verlag, Berlin/Heidelberg, 1998

[57] L. Fekete; F. Kadlec; H. Němec; P. Kužel Opt. Express, 15 (2007), p. 8898

[58] L. Fekete; F. Kadlec; P. Kužel; H. Němec Opt. Lett., 32 (2007), p. 680

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