We report a terahertz quantum-cascade vertical-external-cavity surface-emitting laser (QC-VECSEL) based upon a metasurface consisting of an array of gain-loaded resonant patch antennas. Compared with the typical ridge-based metasurfaces previously used for QC-VECSELs, the patch antenna surface can be designed with a much sparser fill factor of gain material, which allows for reduced heat dissipation and improved thermal performance. It also exhibits larger amplification thanks to enhanced interaction between the incident radiation and the QC-gain material. We demonstrate devices that produce several milliwatts of continuous-wave power in a single mode at ∼4.6 THz and dissipate less than 1 W of pump power. Use of different output couplers demonstrates the ability to optimize device performance for either high power or high operating temperature. Maximum demonstrated power is 6.7 mW at 4 K (0.67% wall-plug efficiency, WPE) and 0.8 mW at 77 K (0.06% WPE). Directive output beams are measured throughout with divergence angles of ∼5°.

1.
L. Y.
Xu
,
C. A.
Curwen
,
P. W. C.
Hon
,
Q. S.
Chen
,
T.
Itoh
, and
B. S.
Williams
,
Appl. Phys. Lett.
107
,
221105
(
2015
).
2.
L. Y.
Xu
,
D. G.
Chen
,
T.
Itoh
,
J. L.
Reno
, and
B. S.
Williams
,
Opt. Express
24
,
24117
(
2016
).
3.
C. A.
Curwen
,
J. L.
Reno
, and
B. S.
Williams
,
Nat. Photonics
13
,
855
(
2019
).
4.
L. Y.
Xu
,
D. G.
Chen
,
C. A.
Curwen
,
M.
Memarian
,
J. L.
Reno
,
T.
Itoh
, and
B. S.
Williams
,
Optica
4
,
468
(
2017
).
5.
L. Y.
Xu
,
C. A.
Curwen
,
D. G.
Chen
,
J. L.
Reno
,
T.
Itoh
, and
B. S.
Williams
,
IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron.
23
,
1200512
(
2017
).
6.
P. W. C.
Hon
,
A. A.
Tavallaee
,
Q. S.
Chen
,
B. S.
Williams
, and
T.
Itoh
,
IEEE Trans. Terahertz Sci. Technol.
2
,
323
(
2012
).
7.
L. Y.
Xu
,
C. A.
Curwen
,
J. L.
Reno
, and
B. S.
Williams
,
Appl. Phys. Lett.
111
,
101101
(
2017
).
8.
C. A.
Curwen
,
J. L.
Reno
, and
B. S.
Williams
,
Appl. Phys. Lett.
113
,
011104
(
2018
).
9.
D. M.
Pozar
and
T. A.
Metzler
,
Electron. Lett.
29
,
657
(
1993
).
10.
P. C.
Hon
, Ph.D. thesis,
University of California
,
Los Angeles
,
2013
.
11.
C.
Ciuti
,
G.
Bastard
, and
I.
Carusotto
,
Phys. Rev. B
72
,
115303
(
2005
).
12.
D.
Palaferri
,
Y.
Todorov
,
Y. N.
Chen
,
J.
Madeo
,
A.
Vasanelli
,
L. H.
Li
,
A. G.
Davies
,
E. H.
Linfield
, and
C.
Sirtori
,
Appl. Phys. Lett.
106
,
161102
(
2015
).
13.
D.
Palaferri
,
Y.
Todorov
,
A.
Bigioli
,
A.
Mottaghizadeh
,
D.
Gacemi
,
A.
Calabrese
,
A.
Vasanelli
,
L. H.
Li
,
A. G.
Davies
,
E. H.
Linfield
,
F.
Kapsalidis
,
M.
Beck
,
J.
Faist
, and
C.
Sirtori
,
Nature
556
,
85
(
2018
).
14.
Y.
Todorov
,
L.
Tosetto
,
A.
Delteil
,
A.
Vasanelli
,
C.
Sirtori
,
A. M.
Andrews
, and
G.
Strasser
,
Phys. Rev. B
86
,
125314
(
2012
).
15.
J.
Madeo
,
Y.
Todorov
,
A.
Gilman
,
G.
Frucci
,
L. H.
Li
,
A. G.
Davies
,
E. H.
Linfield
,
C.
Sirtori
, and
K. M.
Dani
,
Appl. Phys. Lett.
109
,
141103
(
2016
).
16.
J.
Perez-Urquizo
,
J.
Madeo
,
Y.
Todorov
,
L.
Li
,
A. G.
Davies
,
E.
Linfield
,
C.
Sirtori
, and
K. M.
Dani
, in
2019 44th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz)
(
2019
).
17.
D.
Palaferri
,
Y.
Todorov
,
A.
Mottaghizadeh
,
G.
Frucci
,
G.
Biasiol
, and
C.
Sirtori
,
New J. Phys.
18
,
113016
(
2016
).
18.
H.
Richter
,
M.
Wienold
,
L.
Schrottke
,
K.
Biermann
,
H. T.
Grahn
, and
H. W.
Hubers
,
IEEE Trans. Terahertz Sci. Technol.
5
,
539
(
2015
).
19.
D. J.
Hayton
,
J. L.
Kloosterman
,
Y.
Ren
,
T. Y.
Kao
,
J. R.
Gao
,
T. M.
Klapwijk
,
Q.
Hu
,
C. K.
Walker
, and
J. L.
Reno
,
Proc. SPIE
9153
,
91531R
(
2014
).
20.
G. L.
Pilbratt
,
J. R.
Riedinger
,
T.
Passvogel
,
G.
Crone
,
D.
Doyle
,
U.
Gageur
,
A. M.
Heras
,
C.
Jewell
,
L.
Metcalfe
,
S.
Ott
, and
M.
Schmidt
,
Astron. Astrophys.
518
,
L1
(
2010
).
21.
S.
Leurini
,
F.
Wyrowski
,
H.
Wiesemeyer
,
A.
Gusdorf
,
R.
Gusten
,
K. M.
Menten
,
M.
Gerin
,
F.
Levrier
,
H. W.
Hubers
,
K.
Jacobs
,
O.
Ricken
, and
H.
Richter
,
Astron. Astrophys.
584
,
A70
(
2015
).
22.
B. S.
Williams
,
S.
Kumar
,
Q.
Hu
, and
J. L.
Reno
,
Opt. Express
13
,
3331
(
2005
).
23.
M. I.
Amanti
,
G.
Scalari
,
R.
Terazzi
,
M.
Fischer
,
M.
Beck
,
J.
Faist
,
A.
Rudra
,
P.
Gallo
, and
E.
Kapon
,
New J. Phys.
11
,
125022
(
2009
).
24.
L.
Schrottke
,
X.
Lu
,
B.
Roben
,
K.
Biermann
,
T.
Hagelschuer
,
M.
Wiedner
,
H. W.
Hubers
,
M.
Hannemann
,
J.-P. H.
Van Helden
,
J.
Ropcke
, and
H. T.
Grahn
,
IEEE Trans. Terahertz Sci. Technol.
10
,
113
(
2020
).
25.
L.
Bosco
,
C.
Bonzon
,
K.
Ohtani
,
M.
Justen
,
M.
Beck
, and
J.
Faist
,
Appl. Phys. Lett.
109
,
201103
(
2016
).
26.
M.
Wienold
,
B.
Roben
,
L.
Schrottke
,
R.
Sharma
,
A.
Tahraoui
,
K.
Biermann
, and
H. T.
Grahn
,
Opt. Express
22
,
3334
(
2014
).
27.
F.
Joint
,
G.
Gay
,
P. B.
Vigneron
,
T.
Vacelet
,
S.
Pirotta
,
R.
Lefevre
,
Y.
Jin
,
L. H.
Li
,
A. G.
Davies
,
E. H.
Linfield
,
Y.
Delorme
, and
R.
Colombelli
,
Appl. Phys. Lett.
115
,
231104
(
2019
).
28.
Y.
Chassagneux
,
J.
Palomo
,
R.
Colombelli
,
S.
Dhillon
,
C.
Sirtori
,
H.
Beere
,
J.
Alton
, and
D.
Ritchie
,
Appl. Phys. Lett.
90
,
091113
(
2007
).
29.
L.
Masini
,
A.
Pitanti
,
L.
Baldacci
,
M. S.
Vitiello
,
R.
Degl'Innocenti
,
H. E.
Beere
,
D. A.
Ritchie
, and
A.
Tredicucci
,
Light
6
,
e17054
(
2017
).
30.
M.
Wienold
,
L.
Schrottke
,
M.
Giehler
,
R.
Hey
,
W.
Anders
, and
H. T.
Grahn
,
Electron. Lett.
45
,
1030
(
2009
).
31.
C.
Walther
,
G.
Scalari
,
M. I.
Amanti
,
M.
Beck
, and
J.
Faist
,
Science
327
,
1495
(
2010
).
32.
E.
Strupiechonski
,
G.
Xu
,
P.
Cavalie
,
N.
Isac
,
S.
Dhillon
,
J.
Tignon
,
G.
Beaudoin
,
I.
Sagnes
,
A.
Degiron
, and
R.
Colombelli
,
Phys. Rev. B
87
,
041408
(
2013
).
33.
M.
Jeannin
,
G. M.
Nesurini
,
S.
Suffit
,
D.
Gacemi
,
A.
Vasanelli
,
L. H.
Li
,
A. G.
Davies
,
E.
Linfield
,
C.
Sirtori
, and
Y.
Todorov
,
ACS Photonics
6
,
1207
(
2019
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.