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ErAs:In(Al)GaAs Photoconductive Mixers as Continuous-Wave Terahertz Detectors: Modelling and Applications

Fernandez Olvera, Anuar de Jesus (2022):
ErAs:In(Al)GaAs Photoconductive Mixers as Continuous-Wave Terahertz Detectors: Modelling and Applications. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00021340,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: ErAs:In(Al)GaAs Photoconductive Mixers as Continuous-Wave Terahertz Detectors: Modelling and Applications
Language: English
Abstract:

This thesis demonstrates two application-oriented terahertz (0.1-10 THz) systems developed with ErAs:In(Al)GaAs photoconductors, and introduces new models to describe their performance as terahertz detectors.

ErAs:In(Al)GaAs photoconductors, and photoconductors in general, have been widely used as terahertz emitters and detectors in homodyne terahertz spectrometers for more than a decade. However, some fundamental aspects of their operation as terahertz detectors had not been fully modelled yet. The first part of this thesis proposes new models for those fundamental aspects. Such models are not only valid for ErAs:In(Al)GaAs photoconductors, but also for any short carrier-lifetime photoconductive mixer acting as a CW terahertz detector. The focus is on two aspects: the influence of the driving laser on the noise performance, and the relationship between the incoming terahertz power and the current output by the mixer.

The existing models for noise in short carrier-lifetime photoconductors neglect the influence of laser noise assuming that thermal noise is the dominant one. However, experimental evidence shows the contrary, at least for the optical power levels normally used in photoconductors. Thus, the model proposed in this thesis incorporates the influence of laser noise and that of generation-recombination noise into the picture. Its predictions were tested experimentally.

Since no comprehensive models to quantitatively describe the relationship between incoming terahertz power and output current existed for CW photoconductive detectors, the one proposed here for that purpose is the first one of its kind. Its predictions were confirmed by experimental measurements.

In addition to these models applicable to CW photoconductive terahertz detectors, the first part of this thesis also introduces a model to perform a detailed estimation of the spectral structure of the terahertz pulses emitted by a pulsed photoconductor when pumped by a MLL. Such models are required to examine some of the applications presented in the second part of this thesis.

The second part of this thesis consists of two different applications developed using ErAs:In(Al)GaAs photoconductors working as CW terahertz detectors.

The first one is a novel detection technique for terahertz pulses emitted by pulsed photoconductors driven by MLLs. The novel detection technique, coined FreSOD, allows to detect each of the modes composing a terahertz pulse with a resolution that exceeds by several orders of magnitude the resolution achieved with any time-domain optoelectronic detection technique. Such spectral resolution is not only relevant for terahertz measurements, but also for the characterization of the noise in the MLL driving the pulsed photoconductor.

The second one is a fully optoelectronic spectrum analyzer for the sub-terahertz range operating without the need of an external electronic spectrum analyzer. The demonstrated resolution is on the 1-Hz level, with an operating range that goes from 0.05 to 0.09 THz. The range can easily be extended to more than 0.3 THz with relatively minor modifications.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

In dieser Arbeit werden zwei anwendungsorientierte Terahertz-Systeme (0.1-10 THz) vorgestellt, die mit ErAs:In(Al)GaAs-Photoleitern entwickelt wurden, und es werden neue Modelle zur Beschreibung ihrer Leistung als Terahertz-Detektoren eingeführt.

ErAs:In(Al)GaAs-Photoleiter und Photoleiter im Allgemeinen werden seit mehr als einem Jahrzehnt in großem Umfang als Terahertz-Emitter und -Detektoren in Homodyn-Terahertz-Spektrometern eingesetzt. Einige grundlegende Aspekte ihrer Funktionsweise als Terahertz-Detektoren sind jedoch noch nicht vollständig modelliert worden. Im ersten Teil dieser Arbeit werden neue Modelle für diese grundlegenden Aspekte vorgeschlagen. Diese Modelle gelten nicht nur für ErAs:In(Al)GaAs-Photoleiter, sondern auch für alle photoleitenden Mischer mit kurzer Ladungsträgerlebensdauer, die als CW-Terahertz-Detektoren eingesetzt werden. Der Schwerpunkt liegt dabei auf zwei Aspekten: dem Einfluss des treibenden Lasers auf das Rauschverhalten und der Beziehung zwischen der eingehenden Terahertz-Leistung und dem vom Mischer abgegebenen Strom.

Die bestehenden Modelle für das Rauschen in Photoleitern mit kurzer Ladungsträger-lebensdauer vernachlässigen den Einfluss des Laserrauschens und gehen davon aus, dass das thermische Rauschen dominiert. Experimentelle Beweise zeigen jedoch das Gegenteil, zumindest für optische Leistungspegel, die normalerweise in Photoleitern verwendet werden. Das in dieser Arbeit vorgeschlagene Modell bezieht daher den Einfluss des Laserrauschens und des Generations-Rekombinationsrauschens in die Betrachtung mit ein. Die Modellvorhersagen wurden experimentell getestet.

Da keine umfassenden Modelle zur quantitativen Beschreibung des Verhältnisses zwischen der eingehenden Terahertz-Leistung und dem Ausgangsstrom für CW-Photoleiter-Detektoren existieren, ist das hier vorgeschlagene Modell das erste seiner Art. Die theoretischen Vorhersagen wurden durch experimentelle Messungen bestätigt.

Zusätzlich zu diesen Modellen, die auf CW-photoleitende Terahertz-Detektoren anwendbar sind, wird im ersten Teil dieser Arbeit auch ein Modell zur detaillierten Abschätzung der spektralen Struktur der Terahertz-Pulse vorgestellt, die von einem gepulsten Photoleiter emittiert werden, welcher mit einem MLL gepumpt wird. Solche Modelle sind erforderlich, um einige der im zweiten Teil dieser Arbeit vorgestellten Anwendungen zu untersuchen.

Der zweite Teil dieser Arbeit befasst sich mit zwei verschiedenen Anwendungen, die mit ErAs:In(Al)GaAs-Photoleitern als CW-Terahertz-Detektoren entwickelt wurden.

Bei der ersten Anwendung handelt es sich um eine neuartige Detektionstechnik für Terahertz-Pulse, die von gepulsten, durch MLLs betriebenen Photoleitern ausgesendet werden. Die neuartige Detektionstechnik, FreSOD genannt, ermöglicht es, jede der Moden, aus denen sich ein Terahertz-Puls zusammensetzt, mit einer Auflösung zu detektieren, die die Auflösung anderer bisheriger Zeitdomänen-Detektionstechniken um mehrere Größenordnungen übertrifft. Eine solche spektrale Auflösung ist nicht nur für Terahertz-Messungen von Bedeutung, sondern auch für die Charakterisierung des Rauschens des MLL, die den gepulsten Photoleiter antreibt.

Der zweite ist ein rein optoelektronischer Spektrumanalysator für den Sub-Terahertz-Bereich, der ohne einen externen elektronischen Spektrumanalysator funktioniert. Die gezeigte Auflösung liegt im 1-Hz-Bereich, und der Betriebsbereich beträgt 0.05-0.09 THz. Der Bereich kann mit relativ geringen Modifikationen leicht auf mehr als 0.3 THz erweitert werden.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: 2, vi, 137 Seiten
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Microwave Engineering and Photonics (IMP) > Terahertz Devices and Systems
Date Deposited: 31 May 2022 11:09
Last Modified: 31 May 2022 11:09
DOI: 10.26083/tuprints-00021340
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-213403
Referees: Preu, Prof. Dr. Sascha ; Carpintero del Barrio, Prof. Dr. Guillermo
Date of oral examination: 21 February 2022
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/21340
PPN:
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