Микрорезонатор с РБО зеркалами для эффективного терагерцевого излучения из оптически накачиваемого GaP слоя: численное исследование методом единого выражения / Microresonator with DBR Mirrors for Efficient Teraherz Radiation From Optically Pumped GaP Layer: Numerical Modelling by the Method of Single Expression

Ахумян А. А. / Hakhoumian, A. A.
Институт радиофизики и электроники НАН РА / RUS Институт радиофизики и электроники НАН РА
Багдасарян О. В. / Baghdasaryan, H. V.
Национальный политехнический университет Армении / RUS Национальный политехнический университет Армении
Князян Т. М. / Knyazyan, T. M.
Национальный политехнический университет Армении / RUS Национальный политехнический университет Армении
Марциниак М. / Marciniak, M.
Национальный институт телекоммуникаций г. Варшавы / RUS Национальный институт телекоммуникаций г. Варшавы
Оганесян Т. Т. / Hovhannisyan, T. T.
Национальный политехнический университет Армении / RUS Национальный политехнический университет Армении
Выпуск в базе РИНЦ
DOI: 10.25210/jfop-1601-070077

Ахумян А. А., Багдасарян О. В., Князян Т. М., Марциниак М., Оганесян Т. Т. Микрорезонатор с РБО зеркалами для эффективного терагерцевого излучения из оптически накачиваемого GaP слоя: численное исследование методом единого выражения // Физические основы приборостроения. 2016. Т. 5. № 1(18). С. 70–77.
Hakhoumian, A. A., Baghdasaryan, H. V., Knyazyan, T. M., Marciniak, M., Hovhannisyan, T. T. Microresonator with DBR Mirrors for Efficient Teraherz Radiation From Optically Pumped GaP Layer: Numerical Modelling by the Method of Single Expression // Physical Bases of Instrumentation. 2016. Vol. 5. No. 1(18). P. 70–77.


Аннотация: Проведено численное моделирование с целью выявления оптимальных условий терагерцевого излучения из оптически накачиваемой пластины GaP. В рассматриваемой модели пластина GaP помещена в микрорезонатор Фабри-Перо с зеркалами из распределенных брэгговских отражателей (РБО). Для моделирования применяется метод единого выражения, который удобен для решения граничных задач электродинамики. Метод позволяет корректно решать задачи взаимодействия плоских электромагнитных волн со слоистыми и модулированными средами. Полученные спектральные характеристики и распределения амплитуды электрического поля и вектора Пойнтинга в многослойной среде позволили обосновать выбор выигрышной структуры РБО-GaP-РБО, в которой слои РБО, смежные с активным слоем GaP, являются слоями с низким значением диэлектрической проницаемости. В этом случае микрорезонатор Фабри-Перо способствует существенному увеличению интенсивности терагерцевого излучения из оптически возбужденной пластины GaP. Резонансное терагерцевое излучение имеет место на частотах, совпадающих с резонансными частотами микрорезонатора Фабри-Перо со слоем GaP.

Abstract: Numerical modelling is carried out to reveal optimal conditions of teraherz radiation from optically pumped GaP slab. In the considered model GaP slab is placed into Fabry-Perot microresonator with mirrors from distributed Bragg reflectors (DBRs). For modelling method of single expression is used which is convenient for solving boundary problems of electrodynamics. The method permits to solve correctly problems of interaction of plane electromagnetic waves with multilayer and modulated media. The obtained spectral dependences and distributions of electric field amplitude and Poynting vector in a multilayer medium permitted to prove the choice of advantageous structure of DBR-GaP-DBR where layers of DBRs adjacent to the active GaP layer are layers of low permittivity. In this case Fabry-Perot microresonator facilitates an essential enhancement of teraherz radiation intensity from optically excited GaP slab. Resonant teraherz radiation takes place at the frequencies coinciding with the resonant frequencies of Fabry-Perot microresonator with GaP slab.

Ключевые слова: оптическое выпрямление, микрорезонатор Фабри-Перо, РБО зеркала, численное моделирование, метод единого выражения, teraherz radiation, optical rectification, Fabry-Perot microresonator, DBR mirrors, numerical modelling, оптическое выпрямление


Литература / References
  1. Rostami, A., Rasooli, H., and Baghban, H. Terahertz Technology: Fundamentals and Applications. Berlin.: Springer, 2011. P. 246.
  2. Lee, Y.-Sh. Principles of Terahertz Science and Technology. New-York.: Springer, 2009. P. 340.
  3. Federici, J.F., Schulkin, B., Huang, F., Gary, D., Barat, R., Oliveira, F., and Zimdars, D. THz Imaging and Sensing for Security Applications — Explosives, Weapons and Drugs // Semicond. Sci. Technol. 2005. Vol. 20. P. S266-S280.
  4. Fitch, M.J., Osiander, R. Terahertz Waves for Communications and Sensing // Johns Hopkins APL Technical Digest. 2004. Vol. 25. P. 348-355.
  5. Ferguson, B., Zhang Xi-Cheng. Materials for Terahertz Science and Technology// Nature Materials. 2002. Vol. 1. P. 26-33.
  6. Dragoman, D., Dragoman, M. Terahertz Fields and Applications (Review) // Progress in Quantum Electronics. 2004. Vol. 28. P. 1-66.
  7. Nikoghosyan, A.S., Laziev, E.M., Martirosyan, R.M., Hakhoumian, A.A., Chamberlain, J.M., Dudley, R.A., and Zinov’ev, N.N. Terahertz Generation in Waveguide Partially Loaded with Nonlinear Crystal // ICONO 2005, Proc. Of SPIE. 2006. Vol. 6257. P. 62570O-1.
  8. Братман В. Л., Литвак А. Г., Суворов Е. В. Освоение терагерцево диапазона: источники и приложения // УФН. 2011. Т. 181. № 8. С. 867-874.
  9. Terahertz Optoelectronics / Edit. K.Sakai. Springer. 2005. P. 389.
  10. Hangyo, M., Nagashima, T., and Nashima, S. Spectroscopy by Pulsed Terahertz Radiation // Meas. Sci. Techn. 2002. Vol. 13. P. 1727-1738.
  11. Tanabe, T., Suto, K., Nishizawa, J., Saito, K., and Kimura, T. Frequency-Tunable Terahertz Wave Generation Via Excitation of Phonon-Polaritons in GaP // J. Phys. D, Appl. Phys. 2003. Vol. 36. P. 953-957.
  12. Suto, K., Sasaki, T., Tanabe, T., Saito, K., Nishizawa, J., and Ito, M. GaP THz Wave Generator and THz Spectrometer Using Cr: Forsterite Lasers // Rev. Sci. Instrum. 2005. Vol. 76. P. 123109 1-123109.
  13. Shirai, H., Ishii, K., Miyagawa, H., Koshiba, Sh., Nakanishi, S., and Tsurumachi, N. Efficient Terahertz Emission, Detection, and Ultrafast Switching Using One-Dimensional Photonic Crystal Microcavity // J. Opt. Soc. Am. B. 2014. Vol. 31. P. 1393-1401.
  14. Shirai, H., Kishimoto, E., Kokuhata, T., Miyagawa, H., Koshiba, Sh., Nakanishi, Sh., Itoh, H., Hangyo, M., Kim, T. G., and Tsurumachi, N. Enhancement and Suppression of Terahertz Emission by a Fabry-Perot Cavity Structure with a Nonlinear Optical Crystal // Applied Optics. 2009. Vol. 48. P. 6934-6939.
  15. Baghdasaryan, H.V., Knyazyan, T.M., Baghdasa-ryan, T.H., Witzigmann, B., and Roemer, F. Absorption Loss Influence on Optical Characteristics of Multilayer Distributed Bragg Reflector: Wavelength-Scale Analysis by the Method of Single Expression // Opto-Electronics Review. 2010. Vol. 18. P. 438-445.
  16. Baghdasaryan, H.V. Method of Backward Calculation. In Book: Photonic Devices for Telecom-Munications: How to Model and Measure. Edit. G. Guekos. Berlin.: Springer, 1999. P. 404.
  17. Baghdasaryan, H.V., Knyazyan, T.M. Problem of Plane EM Wave Self-Action in Multilayer Structure: An Exact Solution // Optical and Quantum Electronics. 1999. Vol. 31. P. 1059-1072.
  18. Baghdasaryan, H.V., Knyazyan, T.M. Modelling of Strongly Nonlinear Sinusoidal Bragg Gratings by the Method of Single Expression // Optical and Quantum Electronics. 2000. Vol. 32. P. 869-883.
  19. Baghdasaryan, H.V. Basics of the Method of Single Expression: New Approach for Solving Boundary Problems in Classical Electrodynamics. Yerevan.: Chartaraget, 2013. P. 164.
  20. Силин В. П. Нелинейная теория проникновения высокочастотного поля в проводник // ЖЭТФ. 1967. Т. 53. №. 5 (11). С. 1662-1677.
  21. Басс Ф. Г., Вербицкий И. Л., Гуревич Ю. Г. К теории распространения электромагнитных волн в нелинейных средах // Изв. ВУЗов. Радиофизика. 1968. T. 11. №. 10. С. 1480-1489.
  22. Басс Ф. Г., Гуревич Ю. Г. Горячие электроны и сильные электромагнитные волны в плазме полупроводников и газового разряда. М.: Наука, 1975. С. 399.
  23. Зауэр К., Горбунов Л. М. Нелинейное отражение сильной электромагнитной волны от слоя плотной плазмы // Физика плазмы. 1977. T. 3. Вып. 6. С. 1302-1313.
  24. Langbein, U., Lederer, F., Peschel, T., and Trutschel, U. Nonlinear Transmission Resonances at Stratified Dielectric Media // Physics Reports (Review Section of Physics Letters). 1990. Vol. 194. P. 325-342.
  25. Stokes, K.L., Puri, A. Mirrorless Optical Bistability in a Nonlinear Absorbing Dielectric Film // Opt. Lett. 1990. Vol. 15, No. 17. P. 986-988.
  26. Багдасарян О. В., Пермяков В. А. Ветвление режимов и эффект ограничения потока энергии ТЕ-волны в среде с ионизационной нелинейностью // Изв. ВУЗов.: Радиофизика. 1978. T. 21. №. 9. С. 1352-1362.
  27. Манкулов А. А., Багдасарян О. В., Князян Т. М. Качественный анализ поведения амплитуды плоской электромагнитной волны в ограниченных средах // Изв. НАН РА и ГИУА. Сер. ТН. 2004. Т. LVII. № 1. С. 107-114.
  28. Багдасарян О. В., Лебедев А. М., Пермяков В. А. Закономерности прохождения плоской H-волны через слой диэлектрика с отрицательной нелинейностью // Нелинейные оптические взаимодействия, Труды НИИ ФКС ЕГУ. 1987. Ереван. С. 169-188.
  29. Багдасарян О. В., Дарьян А. В. Прохождение плоской электромагнитной волны через слоистые структуры / Межвузовский сборник научных трудов, ЕРПИ. 1990. С. 67-77.
  30. Мак-Кракен Д., Дорн У. Численные методы и программирование на ФОРТРАНЕ. М.: Мир, 1969. 582с.
  31. Fox, L. Numerical Solution of Ordinary and Partial Differential Equations. N.-Y.: Pergamon, 1962. P. 509.
  32. Baghdasaryan, H.V., Knyazyan, T.M., Hovhanni-syan, T.T., Hakhoumian, A.A., and Marciniak, M. THz Emission From Optically Pumped GaP Layer Within 1D Microcavity: Numerical Modelling by the Method of Single Expression // Proceedings of the International Conference on “Microwave and THz Technologies and Applications”. October 2-3, 2014, Aghveran, Armenia.“Gitutiun” Publishing House of the NAS RA. Yerevan. 2014. P. 17-22.
  33. Baghdasaryan, H.V., Knyazyan, T.M., Hovhannisyan, T.T., Hakhoumian, A.A., and Marciniak, M. Microcavity with DBR Mirrors for Efficient THz Emission From Optically Pumped GaP Layer: Numerical Analysis by the Method of Single Expression // Proceedings of ICTON 2015 Conference. 5-9 July 2015. Budapest, Hungary. We. C4.6.
  34. Vugmeyster, I.D., Whitaker, J.F., Merlin, R. GaP Based Terahertz Time-Domain Spectrometer Optimized for the 5-8 THz Range // Appl. Phys. Lett. 2012. Vol. 101. P. 181101-1-181101-4.
  35. Baghdasaryan, H.V., Knyazyan, T.M. Simulation of Amplifying Phase-Shifted Bragg Gratings by the Method of Single Expression // Optical and Quantum Electronics. 2003. Vol. 35. No. 4. P. 493-506.