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Efficient on-chip terahertz generation and detection with GaN photoconductive emitters

太赫兹辐射 光电子学 材料科学 太赫兹间隙 光电导性 电场 照相混合 太赫兹光谱与技术 太赫兹时域光谱学 半导体 远红外激光器 光学 激光器 物理 太赫兹超材料 量子力学
作者
Can Berk Uzundal,Qixin Feng,Weichen Tang,Chen Hu,Collin Sanborn,Yoseob Yoon,Su-Di Chen,Jiawei Ruan,Steven G. Louie,Feng Wang
出处
期刊:Light-Science & Applications [Springer Nature]
卷期号:14 (1): 226-226
标识
DOI:10.1038/s41377-025-01870-6
摘要

Abstract Photoconductive emitters for terahertz generation hold promise for highly efficient down-conversion of optical photons because it is not constrained by the Manley-Rowe relation. Existing terahertz photoconductive devices, however, faces limits in efficiency due to the semiconductor properties of commonly used GaAs materials. Here, we demonstrate that large bandgap semiconductor GaN, characterized by its high breakdown electric field, facilitates the highly efficient generation of terahertz waves in a coplanar stripline waveguide. Towards this goal, we investigated the excitonic contribution to the electro-optic response of GaN under static electric field both through experiments and first-principles calculations, revealing a robust excitonic Stark shift. Using this electro-optic effect, we developed a novel ultraviolet pump-probe spectroscopy for in-situ characterization of the terahertz electric field strength generated by the GaN photoconductive emitter. Our findings show that terahertz power scales quadratically with optical excitation power and applied electric field over a broad parameter range. We achieved an optical-to-terahertz conversion efficiency approaching 100% within the 0.03–1 THz bandwidth at the highest bias field (116 kV/cm) in our experiment. Further optimization of GaN-based terahertz generation devices could achieve even greater optical-to-terahertz conversion efficiencies.
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