A vertical-external-cavity surface-emitting-laser is demonstrated in the terahertz range, which is based upon an amplifying metasurface reflector composed of a sub-wavelength array of antenna-coupled quantum-cascade sub-cavities. Lasing is possible when the metasurface reflector is placed into a low-loss external cavity such that the external cavity—not the sub-cavities—determines the beam properties. A near-Gaussian beam of 4.3° × 5.1° divergence is observed and an output power level >5 mW is achieved. The polarized response of the metasurface allows the use of a wire-grid polarizer as an output coupler that is continuously tunable.

1.
A. C.
Tropper
,
H. D.
Foreman
,
A.
Garnache
,
K. G.
Wilcox
, and
S. H.
Hoogland
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
37
,
R75
(
2004
).
2.
M.
Kuznetsov
,
F.
Hakimi
,
R.
Sprague
, and
A.
Mooradian
,
IEEE Photonics Technol. Lett.
9
,
1063
(
1997
).
3.
B.
Rudin
,
A.
Rutz
,
M.
Hoffmann
,
D. J. H. C.
Maas
,
A.-R.
Bellancourt
,
E.
Gini
,
T.
Südmeyer
, and
U.
Keller
,
Opt. Lett.
33
,
2719
(
2008
).
4.
S.
Kumar
,
B. S.
Williams
,
Q.
Qin
,
A. W. M.
Lee
,
Q.
Hu
, and
J. L.
Reno
,
Opt. Express
15
,
113
(
2007
).
5.
G.
Xu
,
R.
Colombelli
,
S. P.
Khanna
,
A.
Belarouci
,
X.
Letartre
,
L.
Li
,
E. H.
Linfield
,
A. G.
Davies
,
H. E.
Beere
, and
D. A.
Ritchie
,
Nat. Commun.
3
,
952
(
2012
).
6.
Y.
Halioua
,
G.
Xu
,
S.
Moumdji
,
L.
Li
,
J.
Zhu
,
E. H.
Linfield
,
A. G.
Davies
,
H. E.
Beere
,
D. A.
Ritchie
, and
R.
Colombelli
,
Opt. Express
23
,
6915
(
2015
).
7.
Y.
Chassagneux
,
R.
Colombelli
,
W.
Maineult
,
S.
Barbieri
,
H. E.
Beere
,
D. A.
Ritchie
,
S. P.
Khanna
,
E. H.
Linfield
, and
A. G.
Davies
,
Nature
457
(
7226
),
174
(
2009
).
8.
T.-Y.
Kao
,
Q.
Hu
, and
J. L.
Reno
,
Appl. Phys. Lett.
96
,
101106
(
2010
).
9.
M. I.
Amanti
,
M.
Fischer
,
G.
Scalari
,
M.
Beck
, and
J.
Faist
,
Nat. Photonics
3
,
586
(
2009
).
10.
T.-Y.
Kao
,
Q.
Hu
, and
J. L.
Reno
,
Opt. Lett.
37
,
2070
(
2012
).
11.
R.
Köhler
,
A.
Tredicucci
,
F.
Beltram
,
H. E.
Beere
,
E. H.
Linfield
,
A. G.
Davies
,
D. A.
Ritchie
,
R. C.
Iotti
, and
F.
Rossi
,
Nature
417
,
156
(
2002
).
12.
L.
Mahler
,
A.
Tredicucc
,
F.
Beltram
,
H. E.
Beere
, and
D. A.
Ritchie
,
Opt. Express
18
,
19185
(
2010
).
13.
A. W. M.
Lee
,
B. S.
Williams
,
S.
Kumar
,
Q.
Hu
, and
J. L.
Reno
,
Opt. Lett.
35
,
910
(
2010
).
14.
J.
Xu
,
J. M.
Hensley
,
D. B.
Fenner
,
R. P.
Green
,
L.
Mahler
,
A.
Tredicucci
,
M. G.
Allen
,
F.
Beltram
,
H. E.
Beere
, and
D. A.
Ritchie
,
Appl. Phys. Lett.
91
,
121104
(
2007
).
15.
C. A.
Balanis
,
Antenna Theory-Analysis and Design
(
Wiley-Interscience
,
Hoboken, NJ
,
2005
).
16.
B. S.
Williams
,
S.
Kumar
,
H.
Callebaut
,
Q.
Hu
, and
J. L.
Reno
,
Appl. Phys. Lett.
83
,
2124
(
2003
).
17.
B. S.
Williams
,
Nat. Photonics
1
,
517
(
2007
).
18.
M.
Wienold
,
B.
Röben
,
L.
Schrottke
,
R.
Sharma
,
A.
Tahraoui
,
K.
Biermann
, and
H. T.
Grahn
,
Opt. Express
22
,
3334
(
2014
).
19.
A. A.
Tavallaee
,
B. S.
Williams
,
P. W. C.
Hon
,
T.
Itoh
, and
Q.-S.
Chen
,
Appl. Phys. Lett.
99
,
141115
(
2011
).
20.
P. W. C.
Hon
,
A. A.
Tavallaee
,
Q.-S.
Chen
,
B. S.
Williams
, and
T.
Itoh
,
IEEE Trans. Terahertz Sci. Technol.
2
(
3
),
323
(
2012
).
21.
Y.
Todorov
,
L.
Tosetto
,
J.
Teissier
,
A. M.
Andrews
,
P.
Klang
,
R.
Colombelli
,
I.
Sagnes
,
G.
Strasser
, and
C.
Sirtori
,
Opt. Express
18
,
13886
(
2010
).
22.
T.-Y.
Kao
,
J.
Reno
, and
Q.
Hu
,
Intersubband Transitions in Quantum Wells
(
Bolton Landing
,
NY
,
2013
).
23.
B. S.
Williams
,
S.
Kumar
,
Q.
Hu
, and
J. L.
Reno
,
Opt. Express
13
,
3331
(
2005
).
24.
A. G.
Fox
and
T.
Li
,
Bell Syst. Tech. J.
40
,
453
(
1961
).
25.
See supplementary material at http://dx.doi.org/10.1063/1.4936887 for cavity mode and beam pattern modeling, and slope efficiency calculation.
26.
N.
Yu
and
F.
Capasso
,
Nat. Mater.
13
,
139
(
2014
).
27.
A. V.
Kildishev
,
A.
Boltasseva
, and
V. M.
Shalaev
,
Science
339
,
1232009
(
2013
).
28.
D. M.
Pozar
,
S. D.
Targonski
, and
H. D.
Syrigos
,
IEEE Trans. Antennas Propag.
45
,
287
(
1997
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.