Terahertz time-domain spectroscopy of sub-wavelength photonic structures

Abstract

Die Entwicklung leistungsfähiger Quellen und Detektoren von Terahertzstrahlung (THz) führte zu zunehmendem Interesse an THz-Spektroskopie von Gasen, biologischen Gewebe und Halbleitern.<br />Klassische Bildgebungsverfahren sind durch das Beugungslimit der verwendeten elektromagnetischen Strahlung in seiner räumlichen Auflösung begrenzt. Mit Hilfe von Nahfeldspektroskopie lassen sich kleinere Strukturen in Mikro- und Nanogrößenordnungen, wie Moleküle, Halbleiternanostrukturen und Nanopartikel erfolgreich untersuchen. In dieser Arbeit werden neue Konzepte zur Erzeugung, Ausbreitung, Verstärkung und Detektion breitbandiger THz-Strahlung in photonischen Mikrostrukturen mit Abmessungen kleiner des Beugungslimits vorgestellt und mit Hilfe zeitaufgelöster THz-Spektroskopie (THz-TDS) experimentell nachgewiesen. Zuerst wird die Anfertigung und Anwendung strukturierter Gitter zur Kopplung und Entkopplung von schmalbandigen Oberflächenplasmonen präsentiert. Unterschiedliche Kopplungsmechanismen werden in Bezug auf ihre Kopplungseffizienz und parasitären Effekte untersucht. Gitter mit Bereichen unterschiedlicher Gitterkonstante werden zur Verbreiterung der Bandbreite herangezogen. Des Weiteren werden 2-dimensionale planare Gitterstrukturen auf ihre Reflexions- und Transmissionseigenschaften untersucht. Ein THz-Wellenleiteremitter mit Abmessungen kleiner der Wellenlänge erlaubt die Erzeugung breitbandiger THz-Pulse direkt an der Facette eines Wellenleiters unter Ausnützung besser fokussierbarer Nahinfrarot-Pulse. Verschiedene Mikrostreifenwellenleiter mit dielektrischer Modenbegrenzung in lateraler Richtung werden hinsichtlich der Ausbreitungsmoden und Wellenleiterverluste untersucht. Ein flexibler Mikrochip-Emitter wird anhand eines Anwendungsbeispiels vorgestellt.<br />Schlussendlich wird die an Wellenleiteremittern erprobte THz-Pulserzeugung an der Halbleiter-Heterostruktur eines THz-Quantenkaskadenlasers (QCL) demonstriert. Eine gekoppelte Laserkavität dient in weiterer Folge zur breitbandigen Untersuchung der Gewinn- und Verlusteigenschaften des Lasers. Die Messungen erlauben einen Einblick in parasitäre Mechanismen, thermisch aktivierte Vorgänge in QCLs und einen Vergleich von Laserresonatoren. Der spektrale Gewinn eines breitbandigen THz-QCLs wird vermessen und Rückschlüsse auf die Interaktion der verschiedenen Laserheterostrukturen werden gezogen.<br />

The progress in the development of THz sources and detectors in recent years led to an increasing interest in THz imaging. For the investigation of micro- and nanostructures the spatial resolution is diffraction limited and therefore new methods for near-field spectroscopy are requested. In this work, new concepts for the generation, propagation, amplification and detection of broadband THz radiation in photonic microstructures with dimensions lower than the diffraction limit are studied experimentally by the use of THz time-domain spectroscopy (THz-TDS).<br />A groove grating configuration is presented for the launching and decoupling of narrowband THz surface plasmon polaritons. Multisection gratings enable THz surface plasmon polariton propagation with increased bandwidth. Different surface plasmon coupling methods and the resonance properties of shallow two-dimensional metallic arrays are investigated for the use in sensitive sub-wavelength THz spectroscopy.<br />A sub-wavelength THz waveguide emitter is introduced as a novel THz source for the use in near-field spectroscopy. Broadband terahertz pulses are generated at the facet of a waveguide and efficiently launched as waveguide modes. Dielectric loaded sub-wavelength waveguides with lateral confinement are investigated with respect to their propagating modes and waveguide losses. A more flexible microchip emitter without bulky substrate is presented.<br />THz-TDS results for THz quantum cascade lasers (QCL) with a sub-wavelength double metal waveguide are presented. Measurements on a coupled cavity THz QCL provide insight on the gain and loss processes, parasitic current channels and the temperature dependence of the spectral gain. Further, the spectral gain dynamics of multicolor THz QCLs is discussed.