Abstract

We report a novel laser cavity design in third-order distributed feedback (DFB) terahertz quantum-cascade lasers based on a perfectly phase-matching technique. This approach substantially increases the usable length of the third-order DFB laser and leads to narrow beam patterns. Single frequency emissions from 151 apertures (5.6 mm long device) are coherently added up to form a narrow beam with (FWHM6×11°) divergence. A similar device with 40 apertures shows more than 5 mW of optical power with slope efficiency 140mW/A at 10 K pulsed operation.

© 2012 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. J. R. Gao, J. N. Hovenier, Z. Q. Yang, J. J. A. Baselmans, A. Baryshev, M. Hajenius, T. M. Klapwijk, A. J. L. Adam, T. O. Klaassen, B. S. Williams, S. Kumar, Q. Hu, and J. L. Reno, Appl. Phys. Lett. 86, 244104 (2005).
    [CrossRef]
  2. B. S. Williams, S. Kumar, H. Callebaut, Q. Hu, and J. L. Reno, Appl. Phys. Lett. 83, 2124 (2003).
    [CrossRef]
  3. A. J. L. Adam, I. Kašalynas, J. N. Hovenier, T. O. Klaassen, J. R. Gao, E. E. Orlova, B. S. Williams, S. Kumar, Q. Hu, and J. L. Reno, Appl. Phys. Lett. 88, 151105 (2006).
    [CrossRef]
  4. L. Mahler and A. Tredicucci, Laser Photon. Rev. 5, 647 (2011).
    [CrossRef]
  5. Y. Chassagneux, R. Colombelli, W. Maineult, S. Barbieri, H. E. Beere, D. A. Ritchie, S. P. Khanna, E. H. Linfield, and A. G. Davies, Nature 457, 174 (2009).
    [CrossRef]
  6. S. Kumar, B. S. Williams, Q. Qin, A. W. M. Lee, Q. Hu, and J. L. Reno, Opt. Express 15, 113 (2007).
    [CrossRef]
  7. T-Y. Kao, Q. Hu, and J. L. Reno, Appl. Phys. Lett 96, 101106 (2010).
    [CrossRef]
  8. M. I. Amanti, M. Fischer, G. Scalari, M. Beck, and J. Faist, Nat. Photon. 3, 586 (2009).
    [CrossRef]
  9. M. I. Amanti, G. Scalari, F. Castellano, M. Beck, and J. Faist, Opt. Express 18, 6390 (2010).
    [CrossRef]
  10. D. V. Vysotskii and A. P. Napartovich, J. Exp. Theor. Phys. 88, 227 (1999).
    [CrossRef]

2011 (1)

L. Mahler and A. Tredicucci, Laser Photon. Rev. 5, 647 (2011).
[CrossRef]

2010 (2)

2009 (2)

M. I. Amanti, M. Fischer, G. Scalari, M. Beck, and J. Faist, Nat. Photon. 3, 586 (2009).
[CrossRef]

Y. Chassagneux, R. Colombelli, W. Maineult, S. Barbieri, H. E. Beere, D. A. Ritchie, S. P. Khanna, E. H. Linfield, and A. G. Davies, Nature 457, 174 (2009).
[CrossRef]

2007 (1)

2006 (1)

A. J. L. Adam, I. Kašalynas, J. N. Hovenier, T. O. Klaassen, J. R. Gao, E. E. Orlova, B. S. Williams, S. Kumar, Q. Hu, and J. L. Reno, Appl. Phys. Lett. 88, 151105 (2006).
[CrossRef]

2005 (1)

J. R. Gao, J. N. Hovenier, Z. Q. Yang, J. J. A. Baselmans, A. Baryshev, M. Hajenius, T. M. Klapwijk, A. J. L. Adam, T. O. Klaassen, B. S. Williams, S. Kumar, Q. Hu, and J. L. Reno, Appl. Phys. Lett. 86, 244104 (2005).
[CrossRef]

2003 (1)

B. S. Williams, S. Kumar, H. Callebaut, Q. Hu, and J. L. Reno, Appl. Phys. Lett. 83, 2124 (2003).
[CrossRef]

1999 (1)

D. V. Vysotskii and A. P. Napartovich, J. Exp. Theor. Phys. 88, 227 (1999).
[CrossRef]

Adam, A. J. L.

A. J. L. Adam, I. Kašalynas, J. N. Hovenier, T. O. Klaassen, J. R. Gao, E. E. Orlova, B. S. Williams, S. Kumar, Q. Hu, and J. L. Reno, Appl. Phys. Lett. 88, 151105 (2006).
[CrossRef]

J. R. Gao, J. N. Hovenier, Z. Q. Yang, J. J. A. Baselmans, A. Baryshev, M. Hajenius, T. M. Klapwijk, A. J. L. Adam, T. O. Klaassen, B. S. Williams, S. Kumar, Q. Hu, and J. L. Reno, Appl. Phys. Lett. 86, 244104 (2005).
[CrossRef]

Amanti, M. I.

M. I. Amanti, G. Scalari, F. Castellano, M. Beck, and J. Faist, Opt. Express 18, 6390 (2010).
[CrossRef]

M. I. Amanti, M. Fischer, G. Scalari, M. Beck, and J. Faist, Nat. Photon. 3, 586 (2009).
[CrossRef]

Barbieri, S.

Y. Chassagneux, R. Colombelli, W. Maineult, S. Barbieri, H. E. Beere, D. A. Ritchie, S. P. Khanna, E. H. Linfield, and A. G. Davies, Nature 457, 174 (2009).
[CrossRef]

Baryshev, A.

J. R. Gao, J. N. Hovenier, Z. Q. Yang, J. J. A. Baselmans, A. Baryshev, M. Hajenius, T. M. Klapwijk, A. J. L. Adam, T. O. Klaassen, B. S. Williams, S. Kumar, Q. Hu, and J. L. Reno, Appl. Phys. Lett. 86, 244104 (2005).
[CrossRef]

Baselmans, J. J. A.

J. R. Gao, J. N. Hovenier, Z. Q. Yang, J. J. A. Baselmans, A. Baryshev, M. Hajenius, T. M. Klapwijk, A. J. L. Adam, T. O. Klaassen, B. S. Williams, S. Kumar, Q. Hu, and J. L. Reno, Appl. Phys. Lett. 86, 244104 (2005).
[CrossRef]

Beck, M.

M. I. Amanti, G. Scalari, F. Castellano, M. Beck, and J. Faist, Opt. Express 18, 6390 (2010).
[CrossRef]

M. I. Amanti, M. Fischer, G. Scalari, M. Beck, and J. Faist, Nat. Photon. 3, 586 (2009).
[CrossRef]

Beere, H. E.

Y. Chassagneux, R. Colombelli, W. Maineult, S. Barbieri, H. E. Beere, D. A. Ritchie, S. P. Khanna, E. H. Linfield, and A. G. Davies, Nature 457, 174 (2009).
[CrossRef]

Callebaut, H.

B. S. Williams, S. Kumar, H. Callebaut, Q. Hu, and J. L. Reno, Appl. Phys. Lett. 83, 2124 (2003).
[CrossRef]

Castellano, F.

Chassagneux, Y.

Y. Chassagneux, R. Colombelli, W. Maineult, S. Barbieri, H. E. Beere, D. A. Ritchie, S. P. Khanna, E. H. Linfield, and A. G. Davies, Nature 457, 174 (2009).
[CrossRef]

Colombelli, R.

Y. Chassagneux, R. Colombelli, W. Maineult, S. Barbieri, H. E. Beere, D. A. Ritchie, S. P. Khanna, E. H. Linfield, and A. G. Davies, Nature 457, 174 (2009).
[CrossRef]

Davies, A. G.

Y. Chassagneux, R. Colombelli, W. Maineult, S. Barbieri, H. E. Beere, D. A. Ritchie, S. P. Khanna, E. H. Linfield, and A. G. Davies, Nature 457, 174 (2009).
[CrossRef]

Faist, J.

M. I. Amanti, G. Scalari, F. Castellano, M. Beck, and J. Faist, Opt. Express 18, 6390 (2010).
[CrossRef]

M. I. Amanti, M. Fischer, G. Scalari, M. Beck, and J. Faist, Nat. Photon. 3, 586 (2009).
[CrossRef]

Fischer, M.

M. I. Amanti, M. Fischer, G. Scalari, M. Beck, and J. Faist, Nat. Photon. 3, 586 (2009).
[CrossRef]

Gao, J. R.

A. J. L. Adam, I. Kašalynas, J. N. Hovenier, T. O. Klaassen, J. R. Gao, E. E. Orlova, B. S. Williams, S. Kumar, Q. Hu, and J. L. Reno, Appl. Phys. Lett. 88, 151105 (2006).
[CrossRef]

J. R. Gao, J. N. Hovenier, Z. Q. Yang, J. J. A. Baselmans, A. Baryshev, M. Hajenius, T. M. Klapwijk, A. J. L. Adam, T. O. Klaassen, B. S. Williams, S. Kumar, Q. Hu, and J. L. Reno, Appl. Phys. Lett. 86, 244104 (2005).
[CrossRef]

Hajenius, M.

J. R. Gao, J. N. Hovenier, Z. Q. Yang, J. J. A. Baselmans, A. Baryshev, M. Hajenius, T. M. Klapwijk, A. J. L. Adam, T. O. Klaassen, B. S. Williams, S. Kumar, Q. Hu, and J. L. Reno, Appl. Phys. Lett. 86, 244104 (2005).
[CrossRef]

Hovenier, J. N.

A. J. L. Adam, I. Kašalynas, J. N. Hovenier, T. O. Klaassen, J. R. Gao, E. E. Orlova, B. S. Williams, S. Kumar, Q. Hu, and J. L. Reno, Appl. Phys. Lett. 88, 151105 (2006).
[CrossRef]

J. R. Gao, J. N. Hovenier, Z. Q. Yang, J. J. A. Baselmans, A. Baryshev, M. Hajenius, T. M. Klapwijk, A. J. L. Adam, T. O. Klaassen, B. S. Williams, S. Kumar, Q. Hu, and J. L. Reno, Appl. Phys. Lett. 86, 244104 (2005).
[CrossRef]

Hu, Q.

T-Y. Kao, Q. Hu, and J. L. Reno, Appl. Phys. Lett 96, 101106 (2010).
[CrossRef]

S. Kumar, B. S. Williams, Q. Qin, A. W. M. Lee, Q. Hu, and J. L. Reno, Opt. Express 15, 113 (2007).
[CrossRef]

A. J. L. Adam, I. Kašalynas, J. N. Hovenier, T. O. Klaassen, J. R. Gao, E. E. Orlova, B. S. Williams, S. Kumar, Q. Hu, and J. L. Reno, Appl. Phys. Lett. 88, 151105 (2006).
[CrossRef]

J. R. Gao, J. N. Hovenier, Z. Q. Yang, J. J. A. Baselmans, A. Baryshev, M. Hajenius, T. M. Klapwijk, A. J. L. Adam, T. O. Klaassen, B. S. Williams, S. Kumar, Q. Hu, and J. L. Reno, Appl. Phys. Lett. 86, 244104 (2005).
[CrossRef]

B. S. Williams, S. Kumar, H. Callebaut, Q. Hu, and J. L. Reno, Appl. Phys. Lett. 83, 2124 (2003).
[CrossRef]

Kao, T-Y.

T-Y. Kao, Q. Hu, and J. L. Reno, Appl. Phys. Lett 96, 101106 (2010).
[CrossRef]

Kašalynas, I.

A. J. L. Adam, I. Kašalynas, J. N. Hovenier, T. O. Klaassen, J. R. Gao, E. E. Orlova, B. S. Williams, S. Kumar, Q. Hu, and J. L. Reno, Appl. Phys. Lett. 88, 151105 (2006).
[CrossRef]

Khanna, S. P.

Y. Chassagneux, R. Colombelli, W. Maineult, S. Barbieri, H. E. Beere, D. A. Ritchie, S. P. Khanna, E. H. Linfield, and A. G. Davies, Nature 457, 174 (2009).
[CrossRef]

Klaassen, T. O.

A. J. L. Adam, I. Kašalynas, J. N. Hovenier, T. O. Klaassen, J. R. Gao, E. E. Orlova, B. S. Williams, S. Kumar, Q. Hu, and J. L. Reno, Appl. Phys. Lett. 88, 151105 (2006).
[CrossRef]

J. R. Gao, J. N. Hovenier, Z. Q. Yang, J. J. A. Baselmans, A. Baryshev, M. Hajenius, T. M. Klapwijk, A. J. L. Adam, T. O. Klaassen, B. S. Williams, S. Kumar, Q. Hu, and J. L. Reno, Appl. Phys. Lett. 86, 244104 (2005).
[CrossRef]

Klapwijk, T. M.

J. R. Gao, J. N. Hovenier, Z. Q. Yang, J. J. A. Baselmans, A. Baryshev, M. Hajenius, T. M. Klapwijk, A. J. L. Adam, T. O. Klaassen, B. S. Williams, S. Kumar, Q. Hu, and J. L. Reno, Appl. Phys. Lett. 86, 244104 (2005).
[CrossRef]

Kumar, S.

S. Kumar, B. S. Williams, Q. Qin, A. W. M. Lee, Q. Hu, and J. L. Reno, Opt. Express 15, 113 (2007).
[CrossRef]

A. J. L. Adam, I. Kašalynas, J. N. Hovenier, T. O. Klaassen, J. R. Gao, E. E. Orlova, B. S. Williams, S. Kumar, Q. Hu, and J. L. Reno, Appl. Phys. Lett. 88, 151105 (2006).
[CrossRef]

J. R. Gao, J. N. Hovenier, Z. Q. Yang, J. J. A. Baselmans, A. Baryshev, M. Hajenius, T. M. Klapwijk, A. J. L. Adam, T. O. Klaassen, B. S. Williams, S. Kumar, Q. Hu, and J. L. Reno, Appl. Phys. Lett. 86, 244104 (2005).
[CrossRef]

B. S. Williams, S. Kumar, H. Callebaut, Q. Hu, and J. L. Reno, Appl. Phys. Lett. 83, 2124 (2003).
[CrossRef]

Lee, A. W. M.

Linfield, E. H.

Y. Chassagneux, R. Colombelli, W. Maineult, S. Barbieri, H. E. Beere, D. A. Ritchie, S. P. Khanna, E. H. Linfield, and A. G. Davies, Nature 457, 174 (2009).
[CrossRef]

Mahler, L.

L. Mahler and A. Tredicucci, Laser Photon. Rev. 5, 647 (2011).
[CrossRef]

Maineult, W.

Y. Chassagneux, R. Colombelli, W. Maineult, S. Barbieri, H. E. Beere, D. A. Ritchie, S. P. Khanna, E. H. Linfield, and A. G. Davies, Nature 457, 174 (2009).
[CrossRef]

Napartovich, A. P.

D. V. Vysotskii and A. P. Napartovich, J. Exp. Theor. Phys. 88, 227 (1999).
[CrossRef]

Orlova, E. E.

A. J. L. Adam, I. Kašalynas, J. N. Hovenier, T. O. Klaassen, J. R. Gao, E. E. Orlova, B. S. Williams, S. Kumar, Q. Hu, and J. L. Reno, Appl. Phys. Lett. 88, 151105 (2006).
[CrossRef]

Qin, Q.

Reno, J. L.

T-Y. Kao, Q. Hu, and J. L. Reno, Appl. Phys. Lett 96, 101106 (2010).
[CrossRef]

S. Kumar, B. S. Williams, Q. Qin, A. W. M. Lee, Q. Hu, and J. L. Reno, Opt. Express 15, 113 (2007).
[CrossRef]

A. J. L. Adam, I. Kašalynas, J. N. Hovenier, T. O. Klaassen, J. R. Gao, E. E. Orlova, B. S. Williams, S. Kumar, Q. Hu, and J. L. Reno, Appl. Phys. Lett. 88, 151105 (2006).
[CrossRef]

J. R. Gao, J. N. Hovenier, Z. Q. Yang, J. J. A. Baselmans, A. Baryshev, M. Hajenius, T. M. Klapwijk, A. J. L. Adam, T. O. Klaassen, B. S. Williams, S. Kumar, Q. Hu, and J. L. Reno, Appl. Phys. Lett. 86, 244104 (2005).
[CrossRef]

B. S. Williams, S. Kumar, H. Callebaut, Q. Hu, and J. L. Reno, Appl. Phys. Lett. 83, 2124 (2003).
[CrossRef]

Ritchie, D. A.

Y. Chassagneux, R. Colombelli, W. Maineult, S. Barbieri, H. E. Beere, D. A. Ritchie, S. P. Khanna, E. H. Linfield, and A. G. Davies, Nature 457, 174 (2009).
[CrossRef]

Scalari, G.

M. I. Amanti, G. Scalari, F. Castellano, M. Beck, and J. Faist, Opt. Express 18, 6390 (2010).
[CrossRef]

M. I. Amanti, M. Fischer, G. Scalari, M. Beck, and J. Faist, Nat. Photon. 3, 586 (2009).
[CrossRef]

Tredicucci, A.

L. Mahler and A. Tredicucci, Laser Photon. Rev. 5, 647 (2011).
[CrossRef]

Vysotskii, D. V.

D. V. Vysotskii and A. P. Napartovich, J. Exp. Theor. Phys. 88, 227 (1999).
[CrossRef]

Williams, B. S.

S. Kumar, B. S. Williams, Q. Qin, A. W. M. Lee, Q. Hu, and J. L. Reno, Opt. Express 15, 113 (2007).
[CrossRef]

A. J. L. Adam, I. Kašalynas, J. N. Hovenier, T. O. Klaassen, J. R. Gao, E. E. Orlova, B. S. Williams, S. Kumar, Q. Hu, and J. L. Reno, Appl. Phys. Lett. 88, 151105 (2006).
[CrossRef]

J. R. Gao, J. N. Hovenier, Z. Q. Yang, J. J. A. Baselmans, A. Baryshev, M. Hajenius, T. M. Klapwijk, A. J. L. Adam, T. O. Klaassen, B. S. Williams, S. Kumar, Q. Hu, and J. L. Reno, Appl. Phys. Lett. 86, 244104 (2005).
[CrossRef]

B. S. Williams, S. Kumar, H. Callebaut, Q. Hu, and J. L. Reno, Appl. Phys. Lett. 83, 2124 (2003).
[CrossRef]

Yang, Z. Q.

J. R. Gao, J. N. Hovenier, Z. Q. Yang, J. J. A. Baselmans, A. Baryshev, M. Hajenius, T. M. Klapwijk, A. J. L. Adam, T. O. Klaassen, B. S. Williams, S. Kumar, Q. Hu, and J. L. Reno, Appl. Phys. Lett. 86, 244104 (2005).
[CrossRef]

Appl. Phys. Lett (1)

T-Y. Kao, Q. Hu, and J. L. Reno, Appl. Phys. Lett 96, 101106 (2010).
[CrossRef]

Appl. Phys. Lett. (3)

J. R. Gao, J. N. Hovenier, Z. Q. Yang, J. J. A. Baselmans, A. Baryshev, M. Hajenius, T. M. Klapwijk, A. J. L. Adam, T. O. Klaassen, B. S. Williams, S. Kumar, Q. Hu, and J. L. Reno, Appl. Phys. Lett. 86, 244104 (2005).
[CrossRef]

B. S. Williams, S. Kumar, H. Callebaut, Q. Hu, and J. L. Reno, Appl. Phys. Lett. 83, 2124 (2003).
[CrossRef]

A. J. L. Adam, I. Kašalynas, J. N. Hovenier, T. O. Klaassen, J. R. Gao, E. E. Orlova, B. S. Williams, S. Kumar, Q. Hu, and J. L. Reno, Appl. Phys. Lett. 88, 151105 (2006).
[CrossRef]

J. Exp. Theor. Phys. (1)

D. V. Vysotskii and A. P. Napartovich, J. Exp. Theor. Phys. 88, 227 (1999).
[CrossRef]

Laser Photon. Rev. (1)

L. Mahler and A. Tredicucci, Laser Photon. Rev. 5, 647 (2011).
[CrossRef]

Nat. Photon. (1)

M. I. Amanti, M. Fischer, G. Scalari, M. Beck, and J. Faist, Nat. Photon. 3, 586 (2009).
[CrossRef]

Nature (1)

Y. Chassagneux, R. Colombelli, W. Maineult, S. Barbieri, H. E. Beere, D. A. Ritchie, S. P. Khanna, E. H. Linfield, and A. G. Davies, Nature 457, 174 (2009).
[CrossRef]

Opt. Express (2)

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.

Simulated beam patterns of different third-order DFB lasers using similar method in [9], (a) under perfectly phase-matched condition neff=3, (b) at neff=3.18, (c) with the electric field inside a corrugated third-order DFB laser and the schematic for the free-space propagating radiation.

Fig. 2.
Fig. 2.

(a) Computed radiation losses versus eigenfrequencies based on three-dimensional FEM simulations of PM third-order DFB lasers. (b) Electric fields of the lasing mode inside a 17-period PM laser. Lasing wavelength λo is 84.6 μm with 42.3 μm periodicity results neff=3. (c) Envelopes of normalized energy density inside a 181-period DFB laser under PM condition and non-PM (neff=3.4) condition. Only half of the laser is shown. The envelope under the PM condition decays slower than its non-PM counterpart. Zoom in to show the detailed density distribution near the end in (d). Each plateau of the squarelike curve represents one period of the laser cavity, and the valley represents the gap between two adjacent cavities. (e) Top view schematic for a corrugated third-order DFB laser, and (f) a PM third-order DFB laser. The laser cavity and the contact fin are labeled as A and B.

Fig. 3.
Fig. 3.

(a) Measured cw LJV curves and beam patterns from a 51-period laser, a 151-period PM laser, and a 40×1.34mm F-P laser (cleaved facet with Winston cone). The dimensions of each cavity are 22×34.8μm with 2.8μm gap [see inset (1.9mm long for the 51-period laser)], with lasing frequency at 4.02 THz (pulsed) yielding neff2.98. Both 51- and 151-period lasers show single-mode operation at all biases. (b) Comparison between simulation and measured beam pattern for a neff2.90 device. (c) Same comparison for two PM third-order DFB lasers (neff2.98) with different lengths. Beam patterns were measured with a pyroelectric detector on a two-dimensional rotating stage at 20cm distance.

Metrics