Abstract

We demonstrate a photonic-integrated circuit for continuous-wave (cw) terahertz (THz) generation. By comprising two lasers and an optical phase modulator on a single chip, the full control of the THz signal is enabled via a unique bidirectional operation technique. Integrated heaters allow for continuous tuning of the THz frequency over 570 GHz. Applied to a coherent cw THz photomixing system operated at 1.5 μm optical wavelength, we reach a signal-to-noise ratio of 44 dB at 1.25 THz, which is identical to the performance of a standard system based on discrete components.

© 2013 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. K. J. Siebert, H. Quast, R. Leonhardt, T. Löffler, M. Thomson, T. Bauer, H. G. Roskos, and S. Czasch, Appl. Phys. Lett. 80, 3003 (2002).
    [CrossRef]
  2. W. L. Chan, M. L. Moravec, R. G. Baraniuk, and D. M. Mittleman, Opt. Lett. 33, 974 (2008).
    [CrossRef]
  3. M. Walther, B. M. Fischer, A. Ortner, A. Bitzer, A. Thoman, and H. Helm, Anal. Bioanal. Chem. 397, 1009 (2010).
    [CrossRef]
  4. M. Hangyo, T. Nagashima, and S. Nashima, Meas. Sci. Technol. 13, 1727 (2002).
    [CrossRef]
  5. C. D. Stoik, M. J. Bohn, and J. L. Blackshire, Opt. Express 16, 17039 (2008).
    [CrossRef]
  6. N. Karpowicz, H. Zhong, C. Zhang, K. Lin, J.-S. Hwang, J. Xu, and X.-C. Zhang, Appl. Phys. Lett. 86, 054105 (2005).
    [CrossRef]
  7. J. Federici and L. Moeller, J. Appl. Phys. 107, 111101 (2010).
    [CrossRef]
  8. N. Kim, J. Shin, E. Sim, C. W. Lee, D.-S. Yee, M. Y. Jeon, Y. Jang, and K. H. Park, Opt. Express 17, 13851 (2009).
    [CrossRef]
  9. N. Kim, H.-C. Ryu, D. Lee, S.-P. Han, H. Ko, K. Moon, J.-W. Park, M. Y. Jeon, and K. H. Park, Laser Phys. Lett. 10, 085805 (2013).
    [CrossRef]
  10. T. Göbel, D. Schönherr, C. Sydlo, M. Feiginov, P. Meissner, and H.-L. Hartnagel, Electron. Lett. 44, 863 (2008).
    [CrossRef]
  11. J. P. Weber, IEEE J. Quantum Electron. 30, 1801 (1994).
    [CrossRef]
  12. D. Stanze, A. Deninger, A. Roggenbuck, S. Schindler, M. Schlak, and B. Sartorius, J. Infrared Millimeter Waves 32, 225 (2011).
    [CrossRef]
  13. A. Roggenbuck, H. Schmitz, A. Deninger, I. Cámara Mayorga, J. Hemberger, R. Güsten, and M. Grüninger, New J. Phys. 12, 043017 (2010).
    [CrossRef]

2013

N. Kim, H.-C. Ryu, D. Lee, S.-P. Han, H. Ko, K. Moon, J.-W. Park, M. Y. Jeon, and K. H. Park, Laser Phys. Lett. 10, 085805 (2013).
[CrossRef]

2011

D. Stanze, A. Deninger, A. Roggenbuck, S. Schindler, M. Schlak, and B. Sartorius, J. Infrared Millimeter Waves 32, 225 (2011).
[CrossRef]

2010

A. Roggenbuck, H. Schmitz, A. Deninger, I. Cámara Mayorga, J. Hemberger, R. Güsten, and M. Grüninger, New J. Phys. 12, 043017 (2010).
[CrossRef]

J. Federici and L. Moeller, J. Appl. Phys. 107, 111101 (2010).
[CrossRef]

M. Walther, B. M. Fischer, A. Ortner, A. Bitzer, A. Thoman, and H. Helm, Anal. Bioanal. Chem. 397, 1009 (2010).
[CrossRef]

2009

2008

2005

N. Karpowicz, H. Zhong, C. Zhang, K. Lin, J.-S. Hwang, J. Xu, and X.-C. Zhang, Appl. Phys. Lett. 86, 054105 (2005).
[CrossRef]

2002

M. Hangyo, T. Nagashima, and S. Nashima, Meas. Sci. Technol. 13, 1727 (2002).
[CrossRef]

K. J. Siebert, H. Quast, R. Leonhardt, T. Löffler, M. Thomson, T. Bauer, H. G. Roskos, and S. Czasch, Appl. Phys. Lett. 80, 3003 (2002).
[CrossRef]

1994

J. P. Weber, IEEE J. Quantum Electron. 30, 1801 (1994).
[CrossRef]

Baraniuk, R. G.

Bauer, T.

K. J. Siebert, H. Quast, R. Leonhardt, T. Löffler, M. Thomson, T. Bauer, H. G. Roskos, and S. Czasch, Appl. Phys. Lett. 80, 3003 (2002).
[CrossRef]

Bitzer, A.

M. Walther, B. M. Fischer, A. Ortner, A. Bitzer, A. Thoman, and H. Helm, Anal. Bioanal. Chem. 397, 1009 (2010).
[CrossRef]

Blackshire, J. L.

Bohn, M. J.

Cámara Mayorga, I.

A. Roggenbuck, H. Schmitz, A. Deninger, I. Cámara Mayorga, J. Hemberger, R. Güsten, and M. Grüninger, New J. Phys. 12, 043017 (2010).
[CrossRef]

Chan, W. L.

Czasch, S.

K. J. Siebert, H. Quast, R. Leonhardt, T. Löffler, M. Thomson, T. Bauer, H. G. Roskos, and S. Czasch, Appl. Phys. Lett. 80, 3003 (2002).
[CrossRef]

Deninger, A.

D. Stanze, A. Deninger, A. Roggenbuck, S. Schindler, M. Schlak, and B. Sartorius, J. Infrared Millimeter Waves 32, 225 (2011).
[CrossRef]

A. Roggenbuck, H. Schmitz, A. Deninger, I. Cámara Mayorga, J. Hemberger, R. Güsten, and M. Grüninger, New J. Phys. 12, 043017 (2010).
[CrossRef]

Federici, J.

J. Federici and L. Moeller, J. Appl. Phys. 107, 111101 (2010).
[CrossRef]

Feiginov, M.

T. Göbel, D. Schönherr, C. Sydlo, M. Feiginov, P. Meissner, and H.-L. Hartnagel, Electron. Lett. 44, 863 (2008).
[CrossRef]

Fischer, B. M.

M. Walther, B. M. Fischer, A. Ortner, A. Bitzer, A. Thoman, and H. Helm, Anal. Bioanal. Chem. 397, 1009 (2010).
[CrossRef]

Göbel, T.

T. Göbel, D. Schönherr, C. Sydlo, M. Feiginov, P. Meissner, and H.-L. Hartnagel, Electron. Lett. 44, 863 (2008).
[CrossRef]

Grüninger, M.

A. Roggenbuck, H. Schmitz, A. Deninger, I. Cámara Mayorga, J. Hemberger, R. Güsten, and M. Grüninger, New J. Phys. 12, 043017 (2010).
[CrossRef]

Güsten, R.

A. Roggenbuck, H. Schmitz, A. Deninger, I. Cámara Mayorga, J. Hemberger, R. Güsten, and M. Grüninger, New J. Phys. 12, 043017 (2010).
[CrossRef]

Han, S.-P.

N. Kim, H.-C. Ryu, D. Lee, S.-P. Han, H. Ko, K. Moon, J.-W. Park, M. Y. Jeon, and K. H. Park, Laser Phys. Lett. 10, 085805 (2013).
[CrossRef]

Hangyo, M.

M. Hangyo, T. Nagashima, and S. Nashima, Meas. Sci. Technol. 13, 1727 (2002).
[CrossRef]

Hartnagel, H.-L.

T. Göbel, D. Schönherr, C. Sydlo, M. Feiginov, P. Meissner, and H.-L. Hartnagel, Electron. Lett. 44, 863 (2008).
[CrossRef]

Helm, H.

M. Walther, B. M. Fischer, A. Ortner, A. Bitzer, A. Thoman, and H. Helm, Anal. Bioanal. Chem. 397, 1009 (2010).
[CrossRef]

Hemberger, J.

A. Roggenbuck, H. Schmitz, A. Deninger, I. Cámara Mayorga, J. Hemberger, R. Güsten, and M. Grüninger, New J. Phys. 12, 043017 (2010).
[CrossRef]

Hwang, J.-S.

N. Karpowicz, H. Zhong, C. Zhang, K. Lin, J.-S. Hwang, J. Xu, and X.-C. Zhang, Appl. Phys. Lett. 86, 054105 (2005).
[CrossRef]

Jang, Y.

Jeon, M. Y.

N. Kim, H.-C. Ryu, D. Lee, S.-P. Han, H. Ko, K. Moon, J.-W. Park, M. Y. Jeon, and K. H. Park, Laser Phys. Lett. 10, 085805 (2013).
[CrossRef]

N. Kim, J. Shin, E. Sim, C. W. Lee, D.-S. Yee, M. Y. Jeon, Y. Jang, and K. H. Park, Opt. Express 17, 13851 (2009).
[CrossRef]

Karpowicz, N.

N. Karpowicz, H. Zhong, C. Zhang, K. Lin, J.-S. Hwang, J. Xu, and X.-C. Zhang, Appl. Phys. Lett. 86, 054105 (2005).
[CrossRef]

Kim, N.

N. Kim, H.-C. Ryu, D. Lee, S.-P. Han, H. Ko, K. Moon, J.-W. Park, M. Y. Jeon, and K. H. Park, Laser Phys. Lett. 10, 085805 (2013).
[CrossRef]

N. Kim, J. Shin, E. Sim, C. W. Lee, D.-S. Yee, M. Y. Jeon, Y. Jang, and K. H. Park, Opt. Express 17, 13851 (2009).
[CrossRef]

Ko, H.

N. Kim, H.-C. Ryu, D. Lee, S.-P. Han, H. Ko, K. Moon, J.-W. Park, M. Y. Jeon, and K. H. Park, Laser Phys. Lett. 10, 085805 (2013).
[CrossRef]

Lee, C. W.

Lee, D.

N. Kim, H.-C. Ryu, D. Lee, S.-P. Han, H. Ko, K. Moon, J.-W. Park, M. Y. Jeon, and K. H. Park, Laser Phys. Lett. 10, 085805 (2013).
[CrossRef]

Leonhardt, R.

K. J. Siebert, H. Quast, R. Leonhardt, T. Löffler, M. Thomson, T. Bauer, H. G. Roskos, and S. Czasch, Appl. Phys. Lett. 80, 3003 (2002).
[CrossRef]

Lin, K.

N. Karpowicz, H. Zhong, C. Zhang, K. Lin, J.-S. Hwang, J. Xu, and X.-C. Zhang, Appl. Phys. Lett. 86, 054105 (2005).
[CrossRef]

Löffler, T.

K. J. Siebert, H. Quast, R. Leonhardt, T. Löffler, M. Thomson, T. Bauer, H. G. Roskos, and S. Czasch, Appl. Phys. Lett. 80, 3003 (2002).
[CrossRef]

Meissner, P.

T. Göbel, D. Schönherr, C. Sydlo, M. Feiginov, P. Meissner, and H.-L. Hartnagel, Electron. Lett. 44, 863 (2008).
[CrossRef]

Mittleman, D. M.

Moeller, L.

J. Federici and L. Moeller, J. Appl. Phys. 107, 111101 (2010).
[CrossRef]

Moon, K.

N. Kim, H.-C. Ryu, D. Lee, S.-P. Han, H. Ko, K. Moon, J.-W. Park, M. Y. Jeon, and K. H. Park, Laser Phys. Lett. 10, 085805 (2013).
[CrossRef]

Moravec, M. L.

Nagashima, T.

M. Hangyo, T. Nagashima, and S. Nashima, Meas. Sci. Technol. 13, 1727 (2002).
[CrossRef]

Nashima, S.

M. Hangyo, T. Nagashima, and S. Nashima, Meas. Sci. Technol. 13, 1727 (2002).
[CrossRef]

Ortner, A.

M. Walther, B. M. Fischer, A. Ortner, A. Bitzer, A. Thoman, and H. Helm, Anal. Bioanal. Chem. 397, 1009 (2010).
[CrossRef]

Park, J.-W.

N. Kim, H.-C. Ryu, D. Lee, S.-P. Han, H. Ko, K. Moon, J.-W. Park, M. Y. Jeon, and K. H. Park, Laser Phys. Lett. 10, 085805 (2013).
[CrossRef]

Park, K. H.

N. Kim, H.-C. Ryu, D. Lee, S.-P. Han, H. Ko, K. Moon, J.-W. Park, M. Y. Jeon, and K. H. Park, Laser Phys. Lett. 10, 085805 (2013).
[CrossRef]

N. Kim, J. Shin, E. Sim, C. W. Lee, D.-S. Yee, M. Y. Jeon, Y. Jang, and K. H. Park, Opt. Express 17, 13851 (2009).
[CrossRef]

Quast, H.

K. J. Siebert, H. Quast, R. Leonhardt, T. Löffler, M. Thomson, T. Bauer, H. G. Roskos, and S. Czasch, Appl. Phys. Lett. 80, 3003 (2002).
[CrossRef]

Roggenbuck, A.

D. Stanze, A. Deninger, A. Roggenbuck, S. Schindler, M. Schlak, and B. Sartorius, J. Infrared Millimeter Waves 32, 225 (2011).
[CrossRef]

A. Roggenbuck, H. Schmitz, A. Deninger, I. Cámara Mayorga, J. Hemberger, R. Güsten, and M. Grüninger, New J. Phys. 12, 043017 (2010).
[CrossRef]

Roskos, H. G.

K. J. Siebert, H. Quast, R. Leonhardt, T. Löffler, M. Thomson, T. Bauer, H. G. Roskos, and S. Czasch, Appl. Phys. Lett. 80, 3003 (2002).
[CrossRef]

Ryu, H.-C.

N. Kim, H.-C. Ryu, D. Lee, S.-P. Han, H. Ko, K. Moon, J.-W. Park, M. Y. Jeon, and K. H. Park, Laser Phys. Lett. 10, 085805 (2013).
[CrossRef]

Sartorius, B.

D. Stanze, A. Deninger, A. Roggenbuck, S. Schindler, M. Schlak, and B. Sartorius, J. Infrared Millimeter Waves 32, 225 (2011).
[CrossRef]

Schindler, S.

D. Stanze, A. Deninger, A. Roggenbuck, S. Schindler, M. Schlak, and B. Sartorius, J. Infrared Millimeter Waves 32, 225 (2011).
[CrossRef]

Schlak, M.

D. Stanze, A. Deninger, A. Roggenbuck, S. Schindler, M. Schlak, and B. Sartorius, J. Infrared Millimeter Waves 32, 225 (2011).
[CrossRef]

Schmitz, H.

A. Roggenbuck, H. Schmitz, A. Deninger, I. Cámara Mayorga, J. Hemberger, R. Güsten, and M. Grüninger, New J. Phys. 12, 043017 (2010).
[CrossRef]

Schönherr, D.

T. Göbel, D. Schönherr, C. Sydlo, M. Feiginov, P. Meissner, and H.-L. Hartnagel, Electron. Lett. 44, 863 (2008).
[CrossRef]

Shin, J.

Siebert, K. J.

K. J. Siebert, H. Quast, R. Leonhardt, T. Löffler, M. Thomson, T. Bauer, H. G. Roskos, and S. Czasch, Appl. Phys. Lett. 80, 3003 (2002).
[CrossRef]

Sim, E.

Stanze, D.

D. Stanze, A. Deninger, A. Roggenbuck, S. Schindler, M. Schlak, and B. Sartorius, J. Infrared Millimeter Waves 32, 225 (2011).
[CrossRef]

Stoik, C. D.

Sydlo, C.

T. Göbel, D. Schönherr, C. Sydlo, M. Feiginov, P. Meissner, and H.-L. Hartnagel, Electron. Lett. 44, 863 (2008).
[CrossRef]

Thoman, A.

M. Walther, B. M. Fischer, A. Ortner, A. Bitzer, A. Thoman, and H. Helm, Anal. Bioanal. Chem. 397, 1009 (2010).
[CrossRef]

Thomson, M.

K. J. Siebert, H. Quast, R. Leonhardt, T. Löffler, M. Thomson, T. Bauer, H. G. Roskos, and S. Czasch, Appl. Phys. Lett. 80, 3003 (2002).
[CrossRef]

Walther, M.

M. Walther, B. M. Fischer, A. Ortner, A. Bitzer, A. Thoman, and H. Helm, Anal. Bioanal. Chem. 397, 1009 (2010).
[CrossRef]

Weber, J. P.

J. P. Weber, IEEE J. Quantum Electron. 30, 1801 (1994).
[CrossRef]

Xu, J.

N. Karpowicz, H. Zhong, C. Zhang, K. Lin, J.-S. Hwang, J. Xu, and X.-C. Zhang, Appl. Phys. Lett. 86, 054105 (2005).
[CrossRef]

Yee, D.-S.

Zhang, C.

N. Karpowicz, H. Zhong, C. Zhang, K. Lin, J.-S. Hwang, J. Xu, and X.-C. Zhang, Appl. Phys. Lett. 86, 054105 (2005).
[CrossRef]

Zhang, X.-C.

N. Karpowicz, H. Zhong, C. Zhang, K. Lin, J.-S. Hwang, J. Xu, and X.-C. Zhang, Appl. Phys. Lett. 86, 054105 (2005).
[CrossRef]

Zhong, H.

N. Karpowicz, H. Zhong, C. Zhang, K. Lin, J.-S. Hwang, J. Xu, and X.-C. Zhang, Appl. Phys. Lett. 86, 054105 (2005).
[CrossRef]

Anal. Bioanal. Chem.

M. Walther, B. M. Fischer, A. Ortner, A. Bitzer, A. Thoman, and H. Helm, Anal. Bioanal. Chem. 397, 1009 (2010).
[CrossRef]

Appl. Phys. Lett.

K. J. Siebert, H. Quast, R. Leonhardt, T. Löffler, M. Thomson, T. Bauer, H. G. Roskos, and S. Czasch, Appl. Phys. Lett. 80, 3003 (2002).
[CrossRef]

N. Karpowicz, H. Zhong, C. Zhang, K. Lin, J.-S. Hwang, J. Xu, and X.-C. Zhang, Appl. Phys. Lett. 86, 054105 (2005).
[CrossRef]

Electron. Lett.

T. Göbel, D. Schönherr, C. Sydlo, M. Feiginov, P. Meissner, and H.-L. Hartnagel, Electron. Lett. 44, 863 (2008).
[CrossRef]

IEEE J. Quantum Electron.

J. P. Weber, IEEE J. Quantum Electron. 30, 1801 (1994).
[CrossRef]

J. Appl. Phys.

J. Federici and L. Moeller, J. Appl. Phys. 107, 111101 (2010).
[CrossRef]

J. Infrared Millimeter Waves

D. Stanze, A. Deninger, A. Roggenbuck, S. Schindler, M. Schlak, and B. Sartorius, J. Infrared Millimeter Waves 32, 225 (2011).
[CrossRef]

Laser Phys. Lett.

N. Kim, H.-C. Ryu, D. Lee, S.-P. Han, H. Ko, K. Moon, J.-W. Park, M. Y. Jeon, and K. H. Park, Laser Phys. Lett. 10, 085805 (2013).
[CrossRef]

Meas. Sci. Technol.

M. Hangyo, T. Nagashima, and S. Nashima, Meas. Sci. Technol. 13, 1727 (2002).
[CrossRef]

New J. Phys.

A. Roggenbuck, H. Schmitz, A. Deninger, I. Cámara Mayorga, J. Hemberger, R. Güsten, and M. Grüninger, New J. Phys. 12, 043017 (2010).
[CrossRef]

Opt. Express

Opt. Lett.

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 (6)

Fig. 1.
Fig. 1.

Micrograph of the fabricated PIC.

Fig. 2.
Fig. 2.

Cross section of PIC layer stack along the dotted line in Fig. 1.

Fig. 3.
Fig. 3.

Wavelength difference and optical power loss versus applied heater current.

Fig. 4.
Fig. 4.

Experimental setup for the coherent cw THz measurement.

Fig. 5.
Fig. 5.

Detected photocurrent and the corresponding phase shift of the THz signal versus applied phase-modulator current at a THz frequency of 1.05 THz.

Fig. 6.
Fig. 6.

Signal-to-noise ratio (SNR) of a coherent cw THz system driven by the TCU. For comparison, water vapor absorption lines from the HITRAN database are given as well.

Metrics