Terahertz (THz) quantum-cascade lasers (QCLs) are currently unparalleled for high-resolution spectroscopy of very sharp absorption lines (linewidths below 100 MHz) in the range between 2 and 5.4 THz. Since the frequency range accessible by a single QCL is determined by its typically very limited tuning range, a particular QCL has to be fabricated for each specific application. We quantitatively analyze the frequencies of the modes in THz QCLs with a Fabry–Pérot resonator as a function of its length taking into account waveguide dispersion. Based on these results, we develop a process based on mechanical polishing of the front facet to adjust the emission frequency with a precision of 1 GHz. The demonstrated process makes it possible to reliably fabricate THz QCLs for the spectroscopy of very sharp absorption lines.

1.
S.
Barbieri
,
J.
Alton
,
H. E.
Beere
,
J.
Fowler
,
E. H.
Linfield
, and
D. A.
Ritchie
,
Appl. Phys. Lett.
85
,
1674
(
2004
).
2.
B. S.
Williams
,
S.
Kumar
,
Q.
Hu
, and
J. L.
Reno
,
Opt. Express
13
,
3331
(
2005
).
3.
H.-W.
Hübers
,
S. G.
Pavlov
,
A. D.
Semenov
,
R.
Köhler
,
L.
Mahler
,
A.
Tredicucci
,
H. E.
Beere
,
D. A.
Ritchie
, and
E. H.
Linfield
,
Opt. Express
13
,
5890
(
2005
).
4.
A. A.
Danylov
,
T. M.
Goyette
,
J.
Waldman
,
M. J.
Coulombe
,
A. J.
Gatesman
,
R. H.
Giles
,
W. D.
Goodhue
,
X. F.
Qian
, and
W. E.
Nixon
,
Opt. Express
17
,
7525
(
2009
).
5.
H.
Richter
,
S. G.
Pavlov
,
A. D.
Semenov
,
L.
Mahler
,
A.
Tredicucci
,
H. E.
Beere
,
D. A.
Ritchie
, and
H.-W.
Hübers
,
Appl. Phys. Lett.
96
,
071112
(
2010
).
6.
M. S.
Vitiello
,
L.
Consolino
,
S.
Bartalini
,
A.
Taschin
,
A.
Tredicucci
,
M.
Inguscio
, and
P.
De Natale
,
Nat. Photonics
6
,
525
(
2012
).
7.
M.
Wienold
,
B.
Röben
,
L.
Schrottke
,
R.
Sharma
,
A.
Tahraoui
,
K.
Biermann
, and
H. T.
Grahn
,
Opt. Express
22
,
3334
(
2014
).
8.
H.
Richter
,
M.
Greiner-Bär
,
S. G.
Pavlov
,
A. D.
Semenov
,
M.
Wienold
,
L.
Schrottke
,
M.
Giehler
,
R.
Hey
,
H. T.
Grahn
, and
H.-W.
Hübers
,
Opt. Express
18
,
10177
(
2010
).
9.
M. I.
Amanti
,
G.
Scalari
,
M.
Beck
, and
J.
Faist
,
Opt. Express
20
,
2772
(
2012
).
10.
C.
Walther
,
M.
Fischer
,
G.
Scalari
,
R.
Terazzi
,
N.
Hoyler
, and
J.
Faist
,
Appl. Phys. Lett.
91
,
131122
(
2007
).
11.
M.
Wienold
,
B.
Röben
,
X.
,
G.
Rozas
,
L.
Schrottke
,
K.
Biermann
, and
H. T.
Grahn
,
Appl. Phys. Lett.
107
,
202101
(
2015
).
12.
L.
Bosco
,
C.
Bonzon
,
K.
Ohtani
,
M.
Justen
,
M.
Beck
, and
J.
Faist
,
Appl. Phys. Lett.
109
,
201103
(
2016
).
13.
N. R.
Han
,
A.
de Geofroy
,
D. P.
Burghoff
,
C. W. I.
Chan
,
A. W. M.
Lee
,
J. L.
Reno
, and
Q.
Hu
,
Opt. Lett.
39
,
3480
(
2014
).
14.
F.
Castellano
,
V.
Bianchi
,
L. H.
Li
,
J. X.
Zhu
,
A.
Tredicucci
,
E. H.
Linfield
,
A. G.
Davies
, and
M. S.
Vitiello
,
Appl. Phys. Lett.
107
,
261108
(
2015
).
15.
M.
Hempel
,
B.
Röben
,
L.
Schrottke
,
H.-W.
Hübers
, and
H. T.
Grahn
,
Appl. Phys. Lett.
108
,
191106
(
2016
).
16.
I.
Kundu
,
P.
Dean
,
A.
Valavanis
,
J. R.
Freeman
,
M. C.
Rosamond
,
L. H.
Li
,
Y. J.
Han
,
E. H.
Linfield
, and
A. G.
Davies
,
ACS Photonics
5
,
2912
(
2018
).
17.
C. A.
Curwen
,
J. L.
Reno
, and
B. S.
Williams
,
Appl. Phys. Lett.
113
,
011104
(
2018
).
18.
L. A.
Dunbar
,
R.
Houdré
,
G.
Scalari
,
L.
Sirigu
,
M.
Giovannini
, and
J.
Faist
,
Appl. Phys. Lett.
90
,
141114
(
2007
).
19.
E.
Mujagić
,
Ch.
Deutsch
,
H.
Detz
,
P.
Klang
,
M.
Nobile
,
A. M.
Andrews
,
W.
Schrenk
,
K.
Unterrainer
, and
G.
Strasser
,
Appl. Phys. Lett.
95
,
011120
(
2009
).
20.
A.
Benz
,
G.
Fasching
,
Ch.
Deutsch
,
A. M.
Andrews
,
K.
Unterrainer
,
P.
Klang
,
W.
Schrenk
, and
G.
Strasser
,
Opt. Express
15
,
12418
(
2007
).
21.
L.
Mahler
,
A.
Tredicucci
,
R.
Köhler
,
F.
Beltram
,
H. E.
Beere
,
E. H.
Linfield
, and
D. A.
Ritchie
,
Appl. Phys. Lett.
87
,
181101
(
2005
).
22.
M.
Wienold
,
A.
Tahraoui
,
L.
Schrottke
,
R.
Sharma
,
X.
,
K.
Biermann
,
R.
Hey
, and
H. T.
Grahn
,
Opt. Express
20
,
11207
(
2012
).
23.
C.
Yao
,
T. H.
Xu
,
W. J.
Wan
,
H.
Li
, and
J. C.
Cao
,
Solid-State Electron.
122
,
52
(
2016
).
24.
H.
Li
,
J. M.
Manceau
,
A.
Andronico
,
V.
Jagtap
,
C.
Sirtori
,
L. H.
Li
,
E. H.
Linfield
,
A. G.
Davies
, and
S.
Barbieri
,
Appl. Phys. Lett.
104
,
241102
(
2014
).
25.
I.
Kundu
,
P.
Dean
,
A.
Valavanis
,
L.
Chen
,
L. H.
Li
,
J. E.
Cunningham
,
E. H.
Linfield
, and
A. G.
Davies
,
Opt. Express
22
,
16595
(
2014
).
26.
M.
Hempel
,
B.
Röben
,
M.
Niehle
,
L.
Schrottke
,
A.
Trampert
, and
H. T.
Grahn
,
AIP Adv.
7
,
055201
(
2017
).
27.
I.
Kundu
,
P.
Dean
,
A.
Valavanis
,
L. H.
Li
,
Y. J.
Han
,
E. H.
Linfield
, and
A. G.
Davies
,
IEEE Trans. Terahertz Sci. Technol.
7
,
360
(
2017
).
28.
B. S.
Williams
,
S.
Kumar
,
H.
Callebaut
,
Q.
Hu
, and
J. L.
Reno
,
Appl. Phys. Lett.
83
,
2124
(
2003
).
29.
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
).
30.
L.
Schrottke
,
M.
Wienold
,
R.
Sharma
,
X.
,
K.
Biermann
,
R.
Hey
,
A.
Tahraoui
,
H.
Richter
,
H.-W.
Hübers
, and
H. T.
Grahn
,
Semicond. Sci. Technol.
28
,
035011
(
2013
).
31.
L.
Schrottke
,
X.
,
G.
Rozas
,
K.
Biermann
, and
H. T.
Grahn
,
Appl. Phys. Lett.
108
,
102102
(
2016
).
32.
M.
Levinshtein
,
S.
Rumyantsev
, and
M.
Shur
, Handbook Series on Semiconductor Parameters (World Scientific, 1996), Vol. 1.
33.
E. D.
Palik
, Handbook of Optical Constants of Solids (Academic Press, 1991), Vol. 2.
34.
E. D.
Palik
, Handbook of Optical Constants of Solids (Academic Press, 1985), Vol. 1.
35.
The QCL has been fabricated from wafer PDI-M4-2594. Starting from the layer closest to the substrate, indicating Al0.25Ga0.75As and GaAs layers by bold and normal font, respectively, and denoting the Si-doped quantum well (nSi=8×1016cm3) by the underlined font, the nominal thicknesses of the layers are 3.3/15.2/3.8/16.9/2.1/6.9/2.1/7.6/1.8/9.2/1.3/10.1/0.9/16.3/1.9/25.4. This sequence was repeated 88 times, after which a final barrier with a thickness of 3.3 nm was grown.
36.
L.
Schrottke
,
X.
,
B.
Röben
,
K.
Biermann
,
M.
Wienold
,
H.
Richter
,
H.-W.
Hübers
, and
H. T.
Grahn
,
J. Appl. Phys.
123
,
213102
(
2018
).
You do not currently have access to this content.