Terahertz (THz) quantum cascade lasers (QCLs) have been shown to emit peak powers greater than 1 W from a single facet in a single plasmon geometry. However, this is typically achieved by increasing the laser ridge width, resulting in higher-order transverse modes, limiting the achievable power density. Here, we control and fully suppress these modes through thin metallic side-absorbers, showing laser action solely on the fundamental transverse mode operation without sacrificing high THz peak powers. This leads to enhanced power densities and electric fields of up to 1.8 kW/cm2 and 1.17 kV/cm, respectively, opening up the possibility of applying THz QCLs as pump sources for investigations of nonlinear THz physical phenomena.

1.
H. A.
Hafez
,
S.
Kovalev
,
J.-C.
Deinert
,
Z.
Mics
,
B.
Green
,
N.
Awari
,
M.
Chen
,
S.
Germanskiy
,
U.
Lehnert
,
J.
Teichert
,
Z.
Wang
,
K.-J.
Tielrooij
,
Z.
Liu
,
Z.
Chen
,
A.
Narita
,
K.
Müllen
,
M.
Bonn
,
M.
Gensch
, and
D.
Turchinovich
,
Nature
561
,
507
(
2018
).
2.
B.
Cheng
,
N.
Kanda
,
T. N.
Ikeda
,
T.
Matsuda
,
P.
Xia
,
T.
Schumann
,
S.
Stemmer
,
J.
Itatani
,
N. P.
Armitage
, and
R.
Matsunaga
,
Phys. Rev. Lett.
124
,
117402
(
2020
).
3.
T.
Kampfrath
,
A.
Sell
,
G.
Klatt
,
A.
Pashkin
,
S.
Mahrlein
,
T.
Dekorsy
,
M.
Wolf
,
M.
Fiebig
,
A.
Leitenstorfer
, and
R.
Huber
,
Nat. Photonics
5
,
31
(
2011
).
4.
T.
Kampfrath
,
K.
Tanaka
, and
K. A.
Nelson
,
Nat. Photonics
7
,
680
(
2013
).
5.
H. A.
Hafez
,
X.
Chai
,
A.
Ibrahim
,
S.
Mondal
,
D.
Férachou
,
X.
Ropagnol
, and
T.
Ozaki
,
J. Opt.
18
,
093004
(
2016
).
6.
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
).
7.
B.
Wen
and
D.
Ban
,
Prog. Quantum Electron.
80
,
100363
(
2021
).
8.
A.
Khalatpour
,
A. K.
Paulsen
,
C.
Deimert
,
Z. R.
Wasilewski
, and
Q.
Hu
,
Nat. Photonics
15
(
1
),
16
20
(
2021
).
9.
M. A.
Kainz
,
M. P.
Semtsiv
,
G.
Tsianos
,
S.
Kurlov
,
W. T.
Masselink
,
S.
Schönhuber
,
H.
Detz
,
W.
Schrenk
,
K.
Unterrainer
,
G.
Strasser
, and
A. M.
Andrews
,
Opt. Express
27
,
20688
(
2019
).
10.
L.
Bosco
,
M.
Franckié
,
G.
Scalari
,
M.
Beck
,
A.
Wacker
, and
J.
Faist
,
Appl. Phys. Lett.
115
,
010601
(
2019
).
11.
S. S.
Dhillon
,
M. S.
Vitiello
,
E. H.
Linfield
,
A. G.
Davies
,
M. C.
Hoffmann
,
J.
Booske
,
C.
Paoloni
,
M.
Gensch
,
P.
Weightman
,
G. P.
Williams
,
E.
Castro-Camus
,
D. R. S.
Cumming
,
F.
Simoens
,
I.
Escorcia-Carranza
,
J.
Grant
,
S.
Lucyszyn
,
M.
Kuwata-Gonokami
,
K.
Konishi
,
M.
Koch
,
C. A.
Schmuttenmaer
,
T. L.
Cocker
,
R.
Huber
,
A. G.
Markelz
,
Z. D.
Taylor
,
V. P.
Wallace
,
J.
Axel Zeitler
,
J.
Sibik
,
T. M.
Korter
,
B.
Ellison
,
S.
Rea
,
P.
Goldsmith
,
K. B.
Cooper
,
R.
Appleby
,
D.
Pardo
,
P. G.
Huggard
,
V.
Krozer
,
H.
Shams
,
M.
Fice
,
C.
Renaud
,
A.
Seeds
,
A.
Stöhr
,
M.
Naftaly
,
N.
Ridler
,
R.
Clarke
,
J. E.
Cunningham
, and
M. B.
Johnston
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
50
,
043001
(
2017
).
12.
C. A.
Curwen
,
J. L.
Reno
, and
B. S.
Williams
,
Nat. Photonics
13
,
855
(
2019
).
13.
D.
Burghoff
,
T.-Y.
Kao
,
N.
Han
,
C. W. I.
Chan
,
X.
Cai
,
Y.
Yang
,
D. J.
Hayton
,
J.-R.
Gao
,
J. L.
Reno
, and
Q.
Hu
,
Nat. Photonics
8
,
462
(
2014
).
14.
M.
Rösch
,
G.
Scalari
,
M.
Beck
, and
J.
Faist
,
Nat. Photonics
9
,
42
(
2015
).
15.
L.
Consolino
,
M.
Nafa
,
F.
Cappelli
,
K.
Garrasi
,
F. P.
Mezzapesa
,
L.
Li
,
A. G.
Davies
,
E. H.
Linfield
,
M. S.
Vitiello
,
P.
De Natale
, and
S.
Bartalini
,
Nat. Commun.
10
,
2938
(
2019
).
16.
F. P.
Mezzapesa
,
V.
Pistore
,
K.
Garrasi
,
L.
Li
,
A. G.
Davies
,
E. H.
Linfield
,
S.
Dhillon
, and
M. S.
Vitiello
,
Opt. Express
27
,
20231
(
2019
).
17.
L. H.
Li
,
L.
Chen
,
J. R.
Freeman
,
M.
Salih
,
P.
Dean
,
A. G.
Davies
, and
E. H.
Linfield
,
Electron. Lett.
53
,
799
(
2017
).
18.
L.
Li
,
L.
Chen
,
J.
Zhu
,
J.
Freeman
,
P.
Dean
,
A.
Valavanis
,
A. G.
Davies
, and
E. H.
Linfield
,
Electron. Lett.
50
,
309
(
2014
).
19.
M.
Brandstetter
,
C.
Deutsch
,
M.
Krall
,
H.
Detz
,
D. C.
MacFarland
,
T.
Zederbauer
,
A. M.
Andrews
,
W.
Schrenk
,
G.
Strasser
, and
K.
Unterrainer
,
Appl. Phys. Lett.
103
,
171113
(
2013
).
20.
D.
Bachmann
,
M.
Rösch
,
M. J.
Süess
,
M.
Beck
,
K.
Unterrainer
,
J.
Darmo
,
J.
Faist
, and
G.
Scalari
,
Optica
3
,
1087
(
2016
).
21.
J. A.
Fan
,
M. A.
Belkin
,
F.
Capasso
,
S. P.
Khanna
,
M.
Lachab
,
A. G.
Davies
, and
E. H.
Linfield
,
Appl. Phys. Lett.
92
,
031106
(
2008
).
22.
M. S.
Vitiello
and
A.
Tredicucci
,
Adv. Phys. X
6
,
1893809
(
2021
).
23.
C. A.
Curwen
,
J. L.
Reno
, and
B. S.
Williams
,
Appl. Phys. Lett.
113
,
011104
(
2018
).
24.
V.
Pistore
,
H.
Nong
,
P.-B.
Vigneron
,
K.
Garrasi
,
S.
Houver
,
L.
Li
,
A.
Giles Davies
,
E. H.
Linfield
,
J.
Tignon
,
J.
Mangeney
,
R.
Colombelli
,
M. S.
Vitiello
, and
S. S.
Dhillon
,
Nat. Commun.
12
,
1427
(
2021
).
25.
J.
Madéo
,
P.
Cavalié
,
J. R.
Freeman
,
N.
Jukam
,
J.
Maysonnave
,
K.
Maussang
,
H. E.
Beere
,
D. A.
Ritchie
,
C.
Sirtori
,
J.
Tignon
, and
S. S.
Dhillon
,
Nat. Photonics
6
,
519
(
2012
).
26.
S.
Houver
,
A.
Lebreton
,
T. A. S.
Pereira
,
G.
Xu
,
R.
Colombelli
,
I.
Kundu
,
L. H.
Li
,
E. H.
Linfield
,
A. G.
Davies
,
J.
Mangeney
,
J.
Tignon
,
R.
Ferreira
, and
S. S.
Dhillon
,
Sci. Adv.
5
,
eaaw7554
(
2019
).
27.
J.
Faist
,
Quantum Cascade Lasers
(
Oxford University Press
,
2013
).
28.
S.
Fathololoumi
,
E.
Dupont
,
S. G.
Razavipour
,
S. R.
Laframboise
,
A.
Delage
,
Z. R.
Wasilewski
,
A.
Bezinger
,
G. Z.
Rafi
,
S.
Safavi-Naeini
,
D.
Ban
, and
H. C.
Liu
,
Opt. Express
18
,
10036
(
2010
).
29.
S.
Kohen
,
B. S.
Williams
, and
Q.
Hu
,
J. Appl. Phys.
97
,
053106
(
2005
).
30.
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
).
31.
I.
Al-Naib
and
W.
Withayachumnankul
,
J. Infrared. Millim. Terahertz Waves
38
,
1067
(
2017
).
32.
Y.-M.
Bahk
,
D. J.
Park
, and
D.-S.
Kim
,
J. Appl. Phys.
126
,
120901
(
2019
).
33.
F.
Wang
,
H.
Nong
,
T.
Fobbe
,
V.
Pistore
,
S.
Houver
,
S.
Markmann
,
N.
Jukam
,
M.
Amanti
,
C.
Sirtori
,
S.
Moumdji
,
R.
Colombelli
,
L.
Li
,
E.
Linfield
,
G.
Davies
,
J.
Mangeney
,
J.
Tignon
, and
S.
Dhillon
,
Laser Photonics Rev.
11
,
1700013
(
2017
).
34.
J. R.
Freeman
,
J.
Maysonnave
,
H. E.
Beere
,
D. A.
Ritchie
,
J.
Tignon
, and
S. S.
Dhillon
,
Opt. Express
21
,
16162
(
2013
).
You do not currently have access to this content.