Towards broadband terahertz quantum cascade ring laser frequency combs

Abstract

Der Terahertzfrequenzbereich (THz) findet zunehmendes Interesse, da die Entwicklung von Quellen und Detektoren in diesem Frequenzbereich rasch voranschreitet. Dies führt zur kontinuierlichen Schließung der so genannten THz-Lücke, die jahrzehntelang aufgrund des Mangels an geeigneten Quellen, Detektoren und Modulatoren ein unzugänglicher Frequenzbereich war. Als Quellen im THz-Frequenzbereich haben sich Quantenkaskadenlaser (QCLs) als wertvolle Kandidaten erwiesen, um den Mangel an effizienten und kompakten Terahertz-Lichtquellen zu beheben. Diese elektrisch betriebenen,unipolaren Halbleiterlaser decken den Emissionsfrequenzbereich vom mittleren Infrarot- bis zum THz-Spektralbereich ab. QCLs sind optoelektronische Bauelemente,die auf quantenmechanischen Halbleiter-Heterostrukturen basieren. Die Emissionswellenlänge kann durch Modellierung der Bandstruktur bestimmt werden. Ein wichtiges Anwendungsfeld im THz-Bereich ist die Spektroskopie, da viele Moleküle ihren chemischen Fingerabdruck in diesem Frequenzbereich haben. Für die laserbasierte Spektroskopie wird eine Laserquelle benötigt, die entweder einmodig oder breitbandig emittiert. Insbesondere Frequenzkammquellen sind für spektroskopische Anwendungen gut geeignet. Diese Arbeit beschäftigt sich mit Frequenzkammquellen und der breitbandigen Emission von THz-QCLs. Die Bildung von Frequenzkämmen in THz-QCLs wurde im letzten Jahrzehnt bereits von mehreren Forschungsgruppen gezeigt. Alle diese Studien verwendeten jedoch die Geometrie von Fabry-Perot-Resonatoren für ihre Laser. Infolgedessen waren zusätzliche Maßnahmen zur Kompensation der Dispersion notwendig, um die tatsächliche Kammbildung zu erreichen, da die Dispersion der Hauptfaktor ist, der die Frequenzkammbildung in THz-QCLs einschränkt oder sogar verhindert. Im ersten Teil dieser Arbeit wird eine alternative Resonatorgeometrie vorgestellt, die zu einem Frequenzkammbetrieb ohne Dispersionskompensationsmaßnahmen führt. Die Verwendung von ringförmigen Resonatoren, die “whispering gallery”-Moden unterstützen, führte zu einem verbesserten optischen Einschluss. Ein erhöhter Modeneinschluss impliziert verstärkte optische Nichtlinearitäten, die in den aktiven THz-QCL-Bereichen auftreten, was wiederum der Dispersion entgegenwirkt. Diese Tatsache führte zur ersten Demonstration der Frequenzkammbildung in einem ringförmigen THz-QCL. Das Gerät arbeitete im Dauerstrichbetrieb und zeigte ein Spektrum mit über 30 äquidistanten Moden, die eine Bandbreite von 622 GHz abdeckten. Die experimentell gemessene Modenentwicklung, einschließlich der Übergänge von der Single-Mode-Emission über einen harmonischen Kammbereich zu einem fundamentalen Kammbereich und einem chaotischen Multimodebereich, wurde durch ein numerisches Modell auf der Grundlage des Maxwell-Bloch-Formalismus unterstützt, welches das spektrale Verhalten des Ringlasers genau beschreibt. Die geringe Breite des verwendeten Rings machte jedoch die Implementierung von Bondpads für die elektrische Kontaktierung erforderlich. Diese Pads brachen die Rotationssymmetrie des Rings und erzeugten Defekte, die einen Einfluss auf die Kammbildung hatten. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird eine Lösung zur Beseitigung der Kontaktierungspads des Rings vorgestellt. Dieser Teil ist einer Die-Bonding-Technik gewidmet, die die Kontaktierung von schmalen Wellenleitern und darüber hinaus die Integration verschiedener Schaltungskomponenten auf einem präparierten Chip ermöglicht. Auf diese Weise konnte ein defektfreier ringförmiger THz QCL realisiert werden, der kopfüber auf einem Siliziumchip montiert wurde. Der Ringlaser zeigte im Dauerstrichbetrieb eine selbststartende Frequenzkammbildung, die allein durch die Phasenturbulenzinstabilität ausgelöst wurde. Die Frequenzkammbildung wird wiederum durch ein numerisches Modellbeschrieben, das zusätzlich die Bildung von solitonischen Strukturen in diesen Bauelementen vorhersagt. Die verwendete Die-Bonding-Technik hat die Möglichkeit gezeigt, kompakte Lab-on-a-Chip-Konfigurationen zu realisieren, indem verschiedene Komponenten wie Quellen, Detektoren und Modulatoren auf einem einzigen Chip montiert werden.Der letzte Teil dieser Arbeit ist der Entwicklung von ultra-breitbandigen THz-QCLs gewidmet. Dieses Ziel wird durch die Verwendung des Konzepts der heterogenen aktiven Zone erreicht. Dabei werden verschiedene aktive Zonen, die bei unterschiedlichen Wellenlängen emittieren, in einer einzigen Struktur übereinander gestapelt. Es wird das Design, die Herstellung und die Charakterisierung eines heterogenen THz-QCLs vorgestellt, welcher aus fünf einzelnen aktiven Zonen besteht. Die aus dieser Heterostruktur hergestellten Fabry-Perot-Laser weisen im Dauerstrichbetrieb eine Emissionsbandbreite von 2.6 THz auf, die von 1.9 bis 4.5 THz reicht und 1.6 Oktaven abdeckt. Die Emissionsspektren von ringförmigen Lasern, die auf der heterogenen aktiven Zone entwickelt wurden, zeigen vielversprechende Anzeichen für eine breitbandige Frequenzkammbildung in diesen Bauelementen.

The terahertz (THz) spectral region attracts increasing interest, as the development of sources and detectors in this frequency range are progressing rapidly. This leads to the continuous closing of the so-called “THz gap”, which, for decades, has been the inaccessible frequency region due to the lack of appropriate sources, detectors and modulators. As sources in the THz frequency region, quantum cascade lasers (QCLs) have proven to be valuable candidates to fill the lack of efficient and compact terahertz lightsources. These electrically driven, unipolar semiconductor lasers cover the emission frequency range from the mid-infrared to the THz spectral region. QCLs are optoelectronic devices which are based on quantum engineered semiconductor heterostructures. The emission wavelength can be designed by band structure engineering. An important application field in the THz region is spectroscopy, as many molecules exhibit their chemical fingerprint in this frequency range. When it comes to laser-based spectroscopy, a laser source providing either single-mode or broadband emission is needed. Frequencycomb sources are particularly well suited for spectroscopic applications. This thesis will focus on frequency comb sources and broadband emission from THz QCLs. Frequency comb formation in THz QCLs has already been demonstrated by several research groups in the last decade. However, all of these studies used the geometry of ridge resonators for their lasers. As a consequence, additional dispersion compensation measures were necessary to achieve the actual comb formation, as dispersion is the mainfactor which limits or even prevents frequency comb formation in THz QCLs. In the first part of this thesis, an alternative resonator geometry is presented, which led to frequency comb operation without any need of dispersion compensation measures. The usage of ring-shaped resonators, which support whispering gallery modes, resulted in an enhanced optical confinement. An increased mode confinement implies enhanced optical nonlinearities that occur in THz QCL active regions, which in turn counteractdispersion. This fact led to the first demonstration of frequency comb formation in a ring-shaped THz QCL. The device operated in continuous wave operation and exhibited a spectrum with over 30 equidistant modes, covering a bandwidth of 622 GHz. The experimentally measured mode evolution, including the transitions from single-mode emission via a harmonic comb regime to a dense comb regime and a chaotic multimode regime, was supported by a numerical model based on the Maxwell-Bloch formalism,which describes the spectral behavior of the ring laser accurately. Still, the narrow width of the ring used made the implementation of bonding pads for the electrical contacting necessary. These pads broke the rotational symmetry of the ring and created defects, which had an influence on the comb formation.In the second part of this academic work, a solution for eliminating the contacting pads of the ring device is presented. This part is dedicated to a die-bonding technique, which enables the contacting of narrow waveguides and furthermore the integration of various circuit components on a prepared chip. In this way, a defect-free ring-shaped THz QCL, which was mounted episide-down on a silicon chip, could be realized. The ring device showed self-starting frequency comb formation in continuous wave operation, which was solely triggered by the phase turbulence instability. The frequency comb formation isagain described by a numerical model which additionally predicts the formation of solitonic structures in these devices. The employed die-bonding technique exhibited its capability to realize compact lab-on-a-chip configurations by mounting various components, such as, sources, detectors and modulators, on a single chip. The last part of this thesis covers the development of ultra-broadband THz QCLs. This goal is achieved by using the concept of heterogeneous THz QCL active regions. Thereby, different active region designs emitting at different wavelengths are stacked onto each other in a single device. The design, fabrication and characterization of a heterogeneous THz QCL consisting of five individual active regions is presented. The ridge devices processed from this heterostructure revealed an emission bandwidth in continuous wave operation of 2.6 THz, ranging from 1.9 to 4.5 THz, covering 1.6 octaves. The emission spectra of ring-shaped devices processed on the heterogeneous active region show promising indications for broadband frequency comb formation in these devices.