Experimental observation of the enhanced terahertz (THz) emission in a large-area photoconductive antenna-emitter (LAE), boosted by an array of cylindrical sapphire-fiber-based microlenses, is reported. The observed enhancement is achieved, thanks to the sharp focusing of a pump laser beam near the semiconductor surface, for which the high-refractive-index sapphire lenses are used. We predict numerically and confirm experimentally a considerable enhancement in the emitted THz spectral power for such a sapphire-fiber-coupled LAE, as compared to an ordinary one with an equal electrode topology. In fact, a 8.5-fold THz power boost is achieved, resulting in a +9.3 dB increase in the dynamic range. The results of our findings can be used to improve the performance of large-area THz devices, aimed at meeting the demands of rapidly developed THz spectroscopy, imaging, sensing, and exposure technologies.

1.
M.
Koch
,
D.
Mittleman
,
J.
Ornik
, and
E.
Castro-Camus
,
Nat. Rev. Methods Primers
3
,
48
(
2023
).
2.
3.
P. U.
Jepsen
,
R. H.
Jacobsen
, and
S. R.
Keiding
,
J. Opt. Soc. Am. B
13
,
2424
(
1996
).
4.
A. E.
Yachmenev
,
D. V.
Lavrukhin
,
I. A.
Glinskiy
,
N. V.
Zenchenko
,
Yu. G.
Goncharov
,
I. E.
Spektor
,
R. A.
Khabibullin
,
T.
Otsuji
, and
D. S.
Ponomarev
,
Opt. Eng.
59
,
061608
(
2019
).
5.
L.
Xurong
,
L.
Jingxi
,
L.
Yuhang
,
O.
Aydogan
, and
M.
Jarrahi
,
Light: Sci. Appl.
12
,
233
(
2023
).
6.
A. E.
Yachmenev
,
S. S.
Pushkarev
,
R. R.
Reznik
,
R. A.
Khabibullin
, and
D. S.
Ponomarev
,
Prog. Cryst. Growth Charact. Mater.
66
,
100485
(
2020
).
7.
A. F.
Olvera
,
H.
Lu
,
A. C.
Gossard
, and
S.
Preu
,
Opt. Express
25
,
29492
(
2017
).
8.
Y.-J.
Lin
,
S.
Cakmakyapan
,
N.
Wang
,
D.
Lee
,
M.
Spearrin
, and
M.
Jarrahi
,
Opt. Express
27
,
36838
(
2019
).
9.
A.
Singh
,
A.
Pashkin
,
S.
Winnerl
,
M.
Welsch
,
C.
Beckh
,
P.
Sulzer
,
A.
Leitenstorfer
,
M.
Helm
, and
H.
Schneider
,
Light: Sci. Appl.
9
,
30
(
2020
).
10.
A.
Petukhov
,
V.
Brudny
,
W.
Mochán
,
J.
Maytorena
,
B.
Mendoza
, and
T.
Rasing
,
Phys. Rev. Lett.
81
,
566
(
1998
).
11.
S.
Lepeshov
,
A.
Gorodetsky
,
A.
Krasnok
,
N.
Toropov
,
T.
Vartanyan
,
P.
Belov
,
E.
Rafailov
, and
A.
Alu
,
Sci. Rep.
8
,
6624
(
2018
).
12.
O.
Mitrofanov
,
T.
Siday
,
R. J.
Thompson
,
T. S.
Luk
,
I.
Brener
, and
J. L.
Reno
,
APL Photonics
3
,
051703
(
2018
).
13.
Q.
Yu
,
J.
Gu
,
Q.
Yang
,
Y.
Zhang
,
Y.
Li
,
Z.
Tian
,
C.
Ouyang
,
J.
Han
,
J. F.
O'Hara
, and
W.
Zhang
,
IEEE Photonics J.
9
,
5900609
(
2017
).
14.
D. S.
Ponomarev
,
D. V.
Lavrukhin
,
I. A.
Glinskiy
,
A. E.
Yachmenev
,
N. V.
Zenchenko
,
R. A.
Khabibullin
,
Yu. G.
Goncharov
,
T.
Otsuji
, and
K. I.
Zaytsev
,
Opt. Lett.
48
,
1220
(
2023
).
15.
S.-H.
Yang
and
M.
Jarrahi
,
Opt. Lett.
38
,
3677
(
2013
).
16.
C.
Berry
,
N.
Wang
,
M.
Hashemi
,
M.
Unlu
, and
M.
Jarrahi
,
Nat. Commun.
4
,
1622
(
2013
).
17.
E.
Isgandarov
,
L.
Pichon
,
X.
Ropagnol
,
M. A.
El Khakani
, and
T.
Ozaki
,
J. Appl. Phys.
133
,
153102
(
2023
).
18.
C.
Wang
,
Z.
Zhang
,
Y.
Zhang
,
X.
Xie
,
Y.
Yang
,
J.
Han
,
E.
Li
,
H.
Chen
,
J.
Gu
,
W. E. I.
Sha
, and
F.
Gao
,
New J. Phys.
24
,
073046
(
2022
).
19.
I. E.
Ilyakov
,
B. V.
Shishkin
,
V. L.
Malevich
,
D. S.
Ponomarev
,
R. R.
Galiev
,
A. Y.
Pavlov
,
A. E.
Yachmenev
,
S. P.
Kovalev
,
M.
Chen
,
R. A.
Akhmedzhanov
, and
R. A.
Khabibullin
,
Opt. Lett.
46
,
3360
(
2021
).
20.
K. A.
Kuznetsov
,
S. A.
Tarasenko
,
P. M.
Kovaleva
,
P. I.
Kuznetsov
,
D. V.
Lavrukhin
,
Yu. G.
Goncharov
,
A. A.
Ezhov
,
D. S.
Ponomarev
, and
G. K.
Kitaeva
,
Nanomaterials
12
,
3779
(
2022
).
21.
R. B.
Kohlhaas
,
S.
Breuer
,
L.
Liebermeister
,
S.
Nellen
,
M.
Deumer
,
M.
Schell
,
M. P.
Semtsiv
,
W. T.
Masselink
, and
B.
Globisch
,
Appl. Phys. Lett.
117
,
131105
(
2020
).
22.
A.
Takazato
,
M.
Kamakura
,
T.
Matsui
,
J.
Kitagawa
, and
Y.
Kadoya
,
Appl. Phys. Lett.
91
,
011102
(
2007
).
23.
A.
Arlauskas
,
P.
Svidovsky
,
K.
Bertulis
,
R.
Adomavičius
, and
A.
Krotkus
,
Appl. Phys. Express
5
,
022601
(
2012
).
24.
R.
Takahashi
,
Y.
Kawamura
,
T.
Kagawa
, and
H.
Iwamura
,
Appl. Phys. Lett.
65
,
1790
(
1994
).
25.
Y.
Chen
,
S. S.
Prabhu
,
S. E.
Ralph
, and
D. T.
McInturff
,
Appl. Phys. Lett.
72
,
439
(
1998
).
26.
R. J. B.
Dietz
,
M.
Gerhard
,
D.
Stanze
,
M.
Koch
,
B.
Sartorius
, and
M.
Schell
,
Opt. Express
19
,
25911
(
2011
).
27.
D. S.
Ponomarev
,
A.
Gorodetsky
,
A. E.
Yachmenev
,
S. S.
Pushkarev
,
R. A.
Khabibullin
,
M. M.
Grekhov
,
K. I.
Zaytsev
,
D. I.
Khusyainov
,
A. M.
Buryakov
, and
E. D.
Mishina
,
J. Appl. Phys.
125
,
151605
(
2019
).
28.
A.
Gorodetsky
,
D. V.
Lavrukhin
,
D. S.
Ponomarev
,
S. V.
Smirnov
,
A.
Yadav
,
R. A.
Khabibullin
, and
E. U.
Rafailov
,
IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron.
29
,
8500505
(
2023
).
29.
A.
Gorodetsky
,
I. T.
Leite
, and
E. U.
Rafailov
,
Appl. Phys. Lett.
119
,
111102
(
2021
).
30.
A.
Dreyhaupt
,
S.
Winnerl
,
T.
Dekorsy
, and
M.
Helm
,
Appl. Phys. Lett.
86
,
121114
(
2005
).
31.
M.
Mittendorff
,
M.
Xu
,
R. J. B.
Dietz
,
H.
Künzel
,
B.
Sartorius
,
H.
Schneider
,
M.
Helm
, and
S.
Winnerl
,
Nanotechnology
24
,
214007
(
2013
).
32.
P. J.
Hale
,
J.
Madeo
,
C.
Chin
,
S. S.
Dhillon
,
J.
Mangeney
,
J.
Tignon
, and
K. M.
Dani
,
Opt. Express
22
,
26358
(
2014
).
33.
A.
Singh
,
M.
Welsch
,
S.
Winnerl
,
M.
Helm
, and
H.
Schneider
,
Opt. Express
27
,
13108
(
2019
).
34.
N. T.
Yardimci
,
S.-H.
Yang
,
C. W.
Berry
, and
M.
Jarrahi
,
IEEE Trans. Terahertz Sci. Technol.
5
,
223
(
2015
).
35.
B.
Pradarutti
,
R.
Müller
,
W.
Freese
,
G.
Matthäus
,
S.
Riehemann
,
G.
Notni
,
S.
Nolte
, and
A.
Tünnermann
,
Opt. Express
16
,
18443
(
2008
).
36.
G.
Matthäus
,
S.
Nolte
,
R.
Hohmuth
,
M.
Voitsch
,
W.
Richter
,
B.
Pradarutti
,
S.
Riehemann
,
G.
Notni
, and
A.
Tünnermann
,
Appl. Phys. Lett.
93
,
091110
(
2008
).
37.
T.
Søndergaard
,
M. O.
Sauer
,
C. E. M.
Nielsen
,
L.
Merring-Mikkelsen
,
C. B.
Sørensen
, and
E.
Skovsen
,
J. Opt. Soc. Am. B
37
,
1109
(
2020
).
38.
X.
Li
and
M.
Jarrahi
, in
Proceedings of 2020 IEEE/MTT-S International Microwave Symposium (IMS)
(
IEEE
,
Los Angeles, CA
,
2020
), pp.
91
94
.
39.
D. S.
Ponomarev
,
D. V.
Lavrukhin
,
N. V.
Zenchenko
,
T. V.
Frolov
,
I. A.
Glinskiy
,
R. A.
Khabibullin
,
G. M.
Katyba
,
V. N.
Kurlov
,
T.
Otsuji
, and
K. I.
Zaytsev
,
Opt. Lett.
47
,
1899
(
2022
).
40.
G.
Katyba
,
K.
Zaytsev
,
I.
Dolganova
,
N.
Chernomyrdin
,
V.
Ulitko
,
S.
Rossolenko
,
I.
Shikunova
, and
V.
Kurlov
,
Prog. Cryst. Growth Charact. Mater.
67
,
100523
(
2021
).
41.
I. V.
Minin
,
O. V.
Minin
,
I. A.
Glinskiy
,
R. A.
Khabibullin
,
R.
Malureanu
,
A.
Lavrinenko
,
D. I.
Yakubovsky
,
V. S.
Volkov
, and
D. S.
Ponomarev
,
Appl. Phys. Lett.
118
,
131107
(
2021
).
42.
D. V.
Lavrukhin
,
A. E.
Yachmenev
,
Yu. G.
Goncharov
,
K. I.
Zaytsev
,
R. A.
Khabibullin
,
A. M.
Buryakov
,
E. D.
Mishina
, and
D. S.
Ponomarev
,
IEEE Trans. Terahertz Sci. Technol.
11
,
417
(
2021
).
43.
P.-K.
Lu
,
D.
Turan
, and
M.
Jarrahi
,
Opt. Express
28
,
26324
(
2020
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.