Abstract

Broadly tunable phase-stable single-frequency terahertz radiation is generated with an optical heterodyne photomixer. The photomixer is excited by two near-infrared CW diode lasers that are phase locked to the stabilized optical frequency comb of a femtosecond titanium:sapphire laser. The terahertz radiation emitted by the photomixer is downconverted into RF frequencies with a waveguide harmonic mixer and measurement-limited linewidths at the Hertz level are demonstrated.

© 2005 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. S. Wang and X.-C. Zhang, J. Phys. D 37, R1 (2004).
    [CrossRef]
  2. J. L. Johnson, T. D. Dorney, and D. M. Mittleman, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 7, 592 (2001).
    [CrossRef]
  3. K. V. Chance, K. Park, K. M. Evenson, L. R. Zink, and F. Strom, J. Mol. Spectrosc. 172, 407 (1995).
    [CrossRef]
  4. S. Vershese, K. A. McIntosh, and E. R. Brown, IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 45, 1301 (1997).
    [CrossRef]
  5. R. Köhler, A. Tredicucci, F. Beltram, H. E. Beere, E. H. Linfield, A. G. Davies, D. A. Ritchie, R. C. Iotti, and F. Rossi, Nature 417, 156 (2002).
    [CrossRef]
  6. J. Ye, H. Schnatz, and L. W. Hollberg, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 9, 1041 (2003).
    [CrossRef]
  7. J. D. Jost, J. L. Hall, and J. Ye, Opt. Express 10, 515 (2002).
    [CrossRef] [PubMed]
  8. Th. Udem, R. Holzwarth, and T. W. Hänsch, Nature 416, 233 (2002).
    [CrossRef] [PubMed]
  9. P. Chen, G. Blake, M. C. Gaidis, E. R. Brown, K. A. McIntosh, S. Y. Chou, M. I. Nathan, and F. Williamson, Appl. Phys. Lett. 71, 1601 (1997).
    [CrossRef]
  10. T. M. Goyette, W. Guo, F. C. DeLucia, J. C. Swartz, H. O. Everitt, B. D. Guenther, and E. R. Brown, Appl. Phys. Lett. 67, 3810 (1995).
    [CrossRef]
  11. E. R. Brown, R. W. Smith, and K. A. McIntosh, J. Appl. Phys. 73, 1480 (1993).
    [CrossRef]
  12. S. B. Waltman, L. W. Hollberg, K. A. McIntosh, and E. R. Brown, in Proc. SPIE 2842, 55 (1996).
    [CrossRef]
  13. A. Barkan, F. K. Tittel, D. M. Mittleman, R. Dengler, P. H. Siegel, G. Scalari, L. Ajili, and J. Faist, Opt. Lett. 29, 575 (2004).
    [CrossRef] [PubMed]
  14. M. Musha, A. Ueda, M. Horikoshi, K. Nakagawa, M. Ishiguro, K. Ueda, and H. Ito, Opt. Commun. 240, 201 (2004).
    [CrossRef]
  15. A. L. Betz, R. T. Boreiko, B. S. Williams, S. Kumar, Q. Hu, and J. L. Reno, Opt. Lett. 30, 1837 (2005).
    [CrossRef] [PubMed]

2005 (1)

2004 (3)

A. Barkan, F. K. Tittel, D. M. Mittleman, R. Dengler, P. H. Siegel, G. Scalari, L. Ajili, and J. Faist, Opt. Lett. 29, 575 (2004).
[CrossRef] [PubMed]

M. Musha, A. Ueda, M. Horikoshi, K. Nakagawa, M. Ishiguro, K. Ueda, and H. Ito, Opt. Commun. 240, 201 (2004).
[CrossRef]

S. Wang and X.-C. Zhang, J. Phys. D 37, R1 (2004).
[CrossRef]

2003 (1)

J. Ye, H. Schnatz, and L. W. Hollberg, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 9, 1041 (2003).
[CrossRef]

2002 (3)

J. D. Jost, J. L. Hall, and J. Ye, Opt. Express 10, 515 (2002).
[CrossRef] [PubMed]

Th. Udem, R. Holzwarth, and T. W. Hänsch, Nature 416, 233 (2002).
[CrossRef] [PubMed]

R. Köhler, A. Tredicucci, F. Beltram, H. E. Beere, E. H. Linfield, A. G. Davies, D. A. Ritchie, R. C. Iotti, and F. Rossi, Nature 417, 156 (2002).
[CrossRef]

2001 (1)

J. L. Johnson, T. D. Dorney, and D. M. Mittleman, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 7, 592 (2001).
[CrossRef]

1997 (2)

S. Vershese, K. A. McIntosh, and E. R. Brown, IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 45, 1301 (1997).
[CrossRef]

P. Chen, G. Blake, M. C. Gaidis, E. R. Brown, K. A. McIntosh, S. Y. Chou, M. I. Nathan, and F. Williamson, Appl. Phys. Lett. 71, 1601 (1997).
[CrossRef]

1996 (1)

S. B. Waltman, L. W. Hollberg, K. A. McIntosh, and E. R. Brown, in Proc. SPIE 2842, 55 (1996).
[CrossRef]

1995 (2)

T. M. Goyette, W. Guo, F. C. DeLucia, J. C. Swartz, H. O. Everitt, B. D. Guenther, and E. R. Brown, Appl. Phys. Lett. 67, 3810 (1995).
[CrossRef]

K. V. Chance, K. Park, K. M. Evenson, L. R. Zink, and F. Strom, J. Mol. Spectrosc. 172, 407 (1995).
[CrossRef]

1993 (1)

E. R. Brown, R. W. Smith, and K. A. McIntosh, J. Appl. Phys. 73, 1480 (1993).
[CrossRef]

Ajili, L.

Barkan, A.

Beere, H. E.

R. Köhler, A. Tredicucci, F. Beltram, H. E. Beere, E. H. Linfield, A. G. Davies, D. A. Ritchie, R. C. Iotti, and F. Rossi, Nature 417, 156 (2002).
[CrossRef]

Beltram, F.

R. Köhler, A. Tredicucci, F. Beltram, H. E. Beere, E. H. Linfield, A. G. Davies, D. A. Ritchie, R. C. Iotti, and F. Rossi, Nature 417, 156 (2002).
[CrossRef]

Betz, A. L.

Blake, G.

P. Chen, G. Blake, M. C. Gaidis, E. R. Brown, K. A. McIntosh, S. Y. Chou, M. I. Nathan, and F. Williamson, Appl. Phys. Lett. 71, 1601 (1997).
[CrossRef]

Boreiko, R. T.

Brown, E. R.

S. Vershese, K. A. McIntosh, and E. R. Brown, IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 45, 1301 (1997).
[CrossRef]

P. Chen, G. Blake, M. C. Gaidis, E. R. Brown, K. A. McIntosh, S. Y. Chou, M. I. Nathan, and F. Williamson, Appl. Phys. Lett. 71, 1601 (1997).
[CrossRef]

S. B. Waltman, L. W. Hollberg, K. A. McIntosh, and E. R. Brown, in Proc. SPIE 2842, 55 (1996).
[CrossRef]

T. M. Goyette, W. Guo, F. C. DeLucia, J. C. Swartz, H. O. Everitt, B. D. Guenther, and E. R. Brown, Appl. Phys. Lett. 67, 3810 (1995).
[CrossRef]

E. R. Brown, R. W. Smith, and K. A. McIntosh, J. Appl. Phys. 73, 1480 (1993).
[CrossRef]

Chance, K. V.

K. V. Chance, K. Park, K. M. Evenson, L. R. Zink, and F. Strom, J. Mol. Spectrosc. 172, 407 (1995).
[CrossRef]

Chen, P.

P. Chen, G. Blake, M. C. Gaidis, E. R. Brown, K. A. McIntosh, S. Y. Chou, M. I. Nathan, and F. Williamson, Appl. Phys. Lett. 71, 1601 (1997).
[CrossRef]

Chou, S. Y.

P. Chen, G. Blake, M. C. Gaidis, E. R. Brown, K. A. McIntosh, S. Y. Chou, M. I. Nathan, and F. Williamson, Appl. Phys. Lett. 71, 1601 (1997).
[CrossRef]

Davies, A. G.

R. Köhler, A. Tredicucci, F. Beltram, H. E. Beere, E. H. Linfield, A. G. Davies, D. A. Ritchie, R. C. Iotti, and F. Rossi, Nature 417, 156 (2002).
[CrossRef]

DeLucia, F. C.

T. M. Goyette, W. Guo, F. C. DeLucia, J. C. Swartz, H. O. Everitt, B. D. Guenther, and E. R. Brown, Appl. Phys. Lett. 67, 3810 (1995).
[CrossRef]

Dengler, R.

Dorney, T. D.

J. L. Johnson, T. D. Dorney, and D. M. Mittleman, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 7, 592 (2001).
[CrossRef]

Evenson, K. M.

K. V. Chance, K. Park, K. M. Evenson, L. R. Zink, and F. Strom, J. Mol. Spectrosc. 172, 407 (1995).
[CrossRef]

Everitt, H. O.

T. M. Goyette, W. Guo, F. C. DeLucia, J. C. Swartz, H. O. Everitt, B. D. Guenther, and E. R. Brown, Appl. Phys. Lett. 67, 3810 (1995).
[CrossRef]

Faist, J.

Gaidis, M. C.

P. Chen, G. Blake, M. C. Gaidis, E. R. Brown, K. A. McIntosh, S. Y. Chou, M. I. Nathan, and F. Williamson, Appl. Phys. Lett. 71, 1601 (1997).
[CrossRef]

Goyette, T. M.

T. M. Goyette, W. Guo, F. C. DeLucia, J. C. Swartz, H. O. Everitt, B. D. Guenther, and E. R. Brown, Appl. Phys. Lett. 67, 3810 (1995).
[CrossRef]

Guenther, B. D.

T. M. Goyette, W. Guo, F. C. DeLucia, J. C. Swartz, H. O. Everitt, B. D. Guenther, and E. R. Brown, Appl. Phys. Lett. 67, 3810 (1995).
[CrossRef]

Guo, W.

T. M. Goyette, W. Guo, F. C. DeLucia, J. C. Swartz, H. O. Everitt, B. D. Guenther, and E. R. Brown, Appl. Phys. Lett. 67, 3810 (1995).
[CrossRef]

Hall, J. L.

Hänsch, T. W.

Th. Udem, R. Holzwarth, and T. W. Hänsch, Nature 416, 233 (2002).
[CrossRef] [PubMed]

Hollberg, L. W.

J. Ye, H. Schnatz, and L. W. Hollberg, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 9, 1041 (2003).
[CrossRef]

S. B. Waltman, L. W. Hollberg, K. A. McIntosh, and E. R. Brown, in Proc. SPIE 2842, 55 (1996).
[CrossRef]

Holzwarth, R.

Th. Udem, R. Holzwarth, and T. W. Hänsch, Nature 416, 233 (2002).
[CrossRef] [PubMed]

Horikoshi, M.

M. Musha, A. Ueda, M. Horikoshi, K. Nakagawa, M. Ishiguro, K. Ueda, and H. Ito, Opt. Commun. 240, 201 (2004).
[CrossRef]

Hu, Q.

Iotti, R. C.

R. Köhler, A. Tredicucci, F. Beltram, H. E. Beere, E. H. Linfield, A. G. Davies, D. A. Ritchie, R. C. Iotti, and F. Rossi, Nature 417, 156 (2002).
[CrossRef]

Ishiguro, M.

M. Musha, A. Ueda, M. Horikoshi, K. Nakagawa, M. Ishiguro, K. Ueda, and H. Ito, Opt. Commun. 240, 201 (2004).
[CrossRef]

Ito, H.

M. Musha, A. Ueda, M. Horikoshi, K. Nakagawa, M. Ishiguro, K. Ueda, and H. Ito, Opt. Commun. 240, 201 (2004).
[CrossRef]

Johnson, J. L.

J. L. Johnson, T. D. Dorney, and D. M. Mittleman, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 7, 592 (2001).
[CrossRef]

Jost, J. D.

Köhler, R.

R. Köhler, A. Tredicucci, F. Beltram, H. E. Beere, E. H. Linfield, A. G. Davies, D. A. Ritchie, R. C. Iotti, and F. Rossi, Nature 417, 156 (2002).
[CrossRef]

Kumar, S.

Linfield, E. H.

R. Köhler, A. Tredicucci, F. Beltram, H. E. Beere, E. H. Linfield, A. G. Davies, D. A. Ritchie, R. C. Iotti, and F. Rossi, Nature 417, 156 (2002).
[CrossRef]

McIntosh, K. A.

S. Vershese, K. A. McIntosh, and E. R. Brown, IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 45, 1301 (1997).
[CrossRef]

P. Chen, G. Blake, M. C. Gaidis, E. R. Brown, K. A. McIntosh, S. Y. Chou, M. I. Nathan, and F. Williamson, Appl. Phys. Lett. 71, 1601 (1997).
[CrossRef]

S. B. Waltman, L. W. Hollberg, K. A. McIntosh, and E. R. Brown, in Proc. SPIE 2842, 55 (1996).
[CrossRef]

E. R. Brown, R. W. Smith, and K. A. McIntosh, J. Appl. Phys. 73, 1480 (1993).
[CrossRef]

Mittleman, D. M.

Musha, M.

M. Musha, A. Ueda, M. Horikoshi, K. Nakagawa, M. Ishiguro, K. Ueda, and H. Ito, Opt. Commun. 240, 201 (2004).
[CrossRef]

Nakagawa, K.

M. Musha, A. Ueda, M. Horikoshi, K. Nakagawa, M. Ishiguro, K. Ueda, and H. Ito, Opt. Commun. 240, 201 (2004).
[CrossRef]

Nathan, M. I.

P. Chen, G. Blake, M. C. Gaidis, E. R. Brown, K. A. McIntosh, S. Y. Chou, M. I. Nathan, and F. Williamson, Appl. Phys. Lett. 71, 1601 (1997).
[CrossRef]

Park, K.

K. V. Chance, K. Park, K. M. Evenson, L. R. Zink, and F. Strom, J. Mol. Spectrosc. 172, 407 (1995).
[CrossRef]

Reno, J. L.

Ritchie, D. A.

R. Köhler, A. Tredicucci, F. Beltram, H. E. Beere, E. H. Linfield, A. G. Davies, D. A. Ritchie, R. C. Iotti, and F. Rossi, Nature 417, 156 (2002).
[CrossRef]

Rossi, F.

R. Köhler, A. Tredicucci, F. Beltram, H. E. Beere, E. H. Linfield, A. G. Davies, D. A. Ritchie, R. C. Iotti, and F. Rossi, Nature 417, 156 (2002).
[CrossRef]

Scalari, G.

Schnatz, H.

J. Ye, H. Schnatz, and L. W. Hollberg, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 9, 1041 (2003).
[CrossRef]

Siegel, P. H.

Smith, R. W.

E. R. Brown, R. W. Smith, and K. A. McIntosh, J. Appl. Phys. 73, 1480 (1993).
[CrossRef]

Strom, F.

K. V. Chance, K. Park, K. M. Evenson, L. R. Zink, and F. Strom, J. Mol. Spectrosc. 172, 407 (1995).
[CrossRef]

Swartz, J. C.

T. M. Goyette, W. Guo, F. C. DeLucia, J. C. Swartz, H. O. Everitt, B. D. Guenther, and E. R. Brown, Appl. Phys. Lett. 67, 3810 (1995).
[CrossRef]

Tittel, F. K.

Tredicucci, A.

R. Köhler, A. Tredicucci, F. Beltram, H. E. Beere, E. H. Linfield, A. G. Davies, D. A. Ritchie, R. C. Iotti, and F. Rossi, Nature 417, 156 (2002).
[CrossRef]

Udem, Th.

Th. Udem, R. Holzwarth, and T. W. Hänsch, Nature 416, 233 (2002).
[CrossRef] [PubMed]

Ueda, A.

M. Musha, A. Ueda, M. Horikoshi, K. Nakagawa, M. Ishiguro, K. Ueda, and H. Ito, Opt. Commun. 240, 201 (2004).
[CrossRef]

Ueda, K.

M. Musha, A. Ueda, M. Horikoshi, K. Nakagawa, M. Ishiguro, K. Ueda, and H. Ito, Opt. Commun. 240, 201 (2004).
[CrossRef]

Vershese, S.

S. Vershese, K. A. McIntosh, and E. R. Brown, IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 45, 1301 (1997).
[CrossRef]

Waltman, S. B.

S. B. Waltman, L. W. Hollberg, K. A. McIntosh, and E. R. Brown, in Proc. SPIE 2842, 55 (1996).
[CrossRef]

Wang, S.

S. Wang and X.-C. Zhang, J. Phys. D 37, R1 (2004).
[CrossRef]

Williams, B. S.

Williamson, F.

P. Chen, G. Blake, M. C. Gaidis, E. R. Brown, K. A. McIntosh, S. Y. Chou, M. I. Nathan, and F. Williamson, Appl. Phys. Lett. 71, 1601 (1997).
[CrossRef]

Ye, J.

J. Ye, H. Schnatz, and L. W. Hollberg, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 9, 1041 (2003).
[CrossRef]

J. D. Jost, J. L. Hall, and J. Ye, Opt. Express 10, 515 (2002).
[CrossRef] [PubMed]

Zhang, X.-C.

S. Wang and X.-C. Zhang, J. Phys. D 37, R1 (2004).
[CrossRef]

Zink, L. R.

K. V. Chance, K. Park, K. M. Evenson, L. R. Zink, and F. Strom, J. Mol. Spectrosc. 172, 407 (1995).
[CrossRef]

Appl. Phys. Lett. (2)

P. Chen, G. Blake, M. C. Gaidis, E. R. Brown, K. A. McIntosh, S. Y. Chou, M. I. Nathan, and F. Williamson, Appl. Phys. Lett. 71, 1601 (1997).
[CrossRef]

T. M. Goyette, W. Guo, F. C. DeLucia, J. C. Swartz, H. O. Everitt, B. D. Guenther, and E. R. Brown, Appl. Phys. Lett. 67, 3810 (1995).
[CrossRef]

IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. (2)

J. L. Johnson, T. D. Dorney, and D. M. Mittleman, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 7, 592 (2001).
[CrossRef]

J. Ye, H. Schnatz, and L. W. Hollberg, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 9, 1041 (2003).
[CrossRef]

IEEE Trans. Microwave Theory Tech. (1)

S. Vershese, K. A. McIntosh, and E. R. Brown, IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 45, 1301 (1997).
[CrossRef]

J. Appl. Phys. (1)

E. R. Brown, R. W. Smith, and K. A. McIntosh, J. Appl. Phys. 73, 1480 (1993).
[CrossRef]

J. Mol. Spectrosc. (1)

K. V. Chance, K. Park, K. M. Evenson, L. R. Zink, and F. Strom, J. Mol. Spectrosc. 172, 407 (1995).
[CrossRef]

J. Phys. D (1)

S. Wang and X.-C. Zhang, J. Phys. D 37, R1 (2004).
[CrossRef]

Nature (2)

Th. Udem, R. Holzwarth, and T. W. Hänsch, Nature 416, 233 (2002).
[CrossRef] [PubMed]

R. Köhler, A. Tredicucci, F. Beltram, H. E. Beere, E. H. Linfield, A. G. Davies, D. A. Ritchie, R. C. Iotti, and F. Rossi, Nature 417, 156 (2002).
[CrossRef]

Opt. Commun. (1)

M. Musha, A. Ueda, M. Horikoshi, K. Nakagawa, M. Ishiguro, K. Ueda, and H. Ito, Opt. Commun. 240, 201 (2004).
[CrossRef]

Opt. Express (1)

Opt. Lett. (2)

Proc. SPIE (1)

S. B. Waltman, L. W. Hollberg, K. A. McIntosh, and E. R. Brown, in Proc. SPIE 2842, 55 (1996).
[CrossRef]

Cited By

OSA participates in CrossRef's Cited-By Linking service. Citing articles from OSA journals and other participating publishers are listed here.

Alert me when this article is cited.


Figures (3)

Fig. 1
Fig. 1

(a) Configuration for phase locking of two CW diode lasers to the stabilized frequency comb of a femtosecond Ti:S laser. DL, diode laser; W, half waveplate; BS, 50 50 beam splitter; L, 50 cm lens; Si, silicon lens; WHM, waveguide harmonic mixer; G, grating; P, polarizer; S, slit; PD, photodiode. Inset, photo of the THz photomixer fabricated on LT-GaAs. (b) Schematic of the spectral output of two CW diode lasers and the Ti:S frequency comb. (c) Phase-locked beats (DL2 offset for clarity) between the diode lasers and the Ti:S laser.

Fig. 2
Fig. 2

(a) f THz from the photomixer at 0.303 THz (90, 40 GHz ), downconverted with the 18th (16th, 8th) harmonic of a synthesized signal at 16.72 GHz (5.6, 5 GHz ) in a waveguide harmonic mixer then mixed down into the kHz regime (shifted for clarity). [The typical SNR in a 100 kHz RBW is 7 dB (8, 15 dB ) at 0.303 THz (90, 40 GHz ).] (b) Bolometer-detected f THz signal, showing THz generation up to 1.1 THz. (c) Phase-locked 40 GHz signal downconverted, displaying linewidth characteristics similar to those observed in Fig. 1(c). (d) Frequency scan of f THz obtained by incrementing the frequency of the synthesized signal phase locking the 14th harmonic of the Ti:S f rep (offset for clarity).

Fig. 3
Fig. 3

(a) f THz radiation at 0.303 THz at a 1 Hz RBW demonstrating a measurement-limited linewidth at the Hertz level, where f c = 14 kHz . Inset, linewidth below the measurement 1 Hz RBW for the 90 GHz signal, where f c = 12 kHz . (b) Relative phase and amplitude noise of the CW radiation at 0.303 THz , 90 GHz , and 40 GHz . The traces scale with the phase noise of the quartz crystal oscillator locking f rep . These noise traces were obtained by downconverting the phase-locked f THz radiation with a WHM, then mixing down to f c , where f c is set at approximately 10 kHz for each f THz .

Metrics