Terahertz devices based on polariton transitions in strong coupling regime

Abstract

Der Terahertz (THz)-Bereich des elektromagnetischen Spektrums ist ein Gebiet für vielfältige Anwendungen, reichend von der Spektroskopie bis hin zu medizinischen Instrumenten. Obwohl bereits verschiedene optische und elektronische Technologien diesen Bereich erschließen, sind effiziente und kompakte THz-Quellen und -Detektoren noch immer eine offene Frage der Wissenschaft. Die vorliegende Arbeit setzt bei der Forschung von neuartigen THz-Quellen basierend auf Polariton-Übergängen an - ein vielversprechendes Konzept, noch ohne experimentellem Nachweis. Polaritonen sind Quasiteilchen, die aus einem Licht- und einem Materie-Anteil bestehen und daher Energie mit beiden Welten austauschen können. Photonische Resonatoren, die an in Quantentöpfe eingeschlossene, zweidimensionale Elektronengase gekoppelt werden, sind eine gut erforschte Plattform um das Starkkopplungsregime zu erreichen. Dieses weist Polaritonen auf, die Quasiteilchen von besonderem Interesse. Die Zielstellung dieser Arbeit ist die theoretische und experimentelle Erforschung des vielversprechenden Konzepts der Polariton-Übergänge. Die zentralen Themen, die in dieser Arbeit behandelt werden, sind die Simulation und Optimierung von asymmetrischen Quantentopf-Strukturen, dem Schlüsselelement des Konzeptes, sowie THz-Metamaterialien als experimentelle Grundlage. Die Quantentopf-Strukturen wurden mit einer umfassenden Suche auf einem dreidimensionalen Parameterraum mit unterschiedlichen Materialsystemen optimiert. Ein schneller, gitterloser Löser für die Schrödinger-Gleichung ermöglichte eine große Anzahl an Simulationen mit vielen Parametersätzen. Um jedes Design zu beurteilen, wurde eine Leistungszahl definiert, welche zwei optimierte Strukturen lieferte, die für die Herstellung gut geeignet sind. Weitere generalisierte Designs ermöglichten zusätzliche Verbesserung. Die Eigenschaften von THz-Metamaterialien, bestehend aus H-förmigen Metall-Resonatorstrukturen, wurden durch Simulation mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) eingehend studiert. Die Auswirkungsanalyse von vielzähligen Modellparametern führte zu geometrisch abstimmbaren Metamaterialien, dessen Resonanzfrequenz in kontrollierter Weise entworfen werden kann und danach weiter durch Trockenätzverfahren verstimmt werden kann. Die experimentelle Umsetzung zeigte gute Übereinstimmung mit den Modellen und einen zuverlässigen Herstellungsprozess. Schließlich wurde die Kopplung zwischen einer asymmetrischen Quantentopf-Struktur und dem Metamaterial durch Transmissionsmessungen demonstriert. Es zeigten sich Belege für das Starkkopplungsregime. Die Löser, Modelle und Optimierungsprozeduren, welche im Zuge dieser Arbeit entwickelt und beschrieben wurden, bilden einen Ausgangspunkt für die Forschung an der experimentellen Umsetzung einer neuartigen THz-Quelle basierend auf Polariton-Übergängen.

The terahertz (THz) region of the electromagnetic spectrum is a field of numerous applications, ranging from spectroscopy to medical devices. Although it is accessible by various optical and electronic technologies, efficient and compact THz sources and detectors are still subjects open to research. This thesis was set out to research a novel kind of THz emitter based on polariton transitions - a proposed concept without experimental evidence published yet. Polaritons are quasiparticles consisting of a light and a matter part, which can thus exchange energy with both realms. Photonic cavities coupled to a two-dimensional electron gas confined in quantum wells are well-known playgrounds to achieve the strong coupling regime, exhibiting the quasiparticles of interest. The main objective of this thesis is the theoretical and experimental research of the proposed concept of polariton transitions. The research subjects approached within the present work are the simulation and optimization of asymmetric quantum well structures, the key element of the concept, and THz metamaterials as experimental platform. The quantum well structures were optimized using an exhaustive search on a three-dimensional parametric space for different material systems. A fast, grid-less solver for the Schrödinger equation was implemented to allow a large number of simulations using many sets of parameters. To quantify each design, a figure of merit was defined, which yielded two optimized structures suitable for fabrication as well as generalized designs as approach to further improvement. The properties of THz metamaterials, consisting of sub-wavelength, H-shaped metal resonator structures, were investigated in a thorough finite-element method (FEM) simulation study. The impact analysis of many model parameter resulted in a geometrically tunable metamaterial, of which the resonance frequency can be designed in a controlled way and further detuned by post-processing the samples with dry etching. The experimental realization showed good agreement with the model and a reliable fabrication process. Finally, coupling between an asymmetric quantum well structure and the metamaterial was demonstrated by transmission measurements, showing evidence of the strong coupling regime. The solvers, models and optimization procedures developed and described throughout this work provide a basis for the research towards the experimental implementation of a novel kind of THz emitter based on polariton transitions.