Diese Arbeit behandelt die Fabrikation eines Quanten Kaskaden Laser Arrays, welches die Möglichkeit bietet einen breiten Wellenlängenbereich abzudecken. Der wichtigste Vorteil ist die monolithische Integration des Array, welche zu einer Reduktion der Fertigungsschritte führt. Die gesamte Optimierung des Arrays wurde für ein aktives Medium durchgeführt, welches an der ETH Zürich gefertigt wurde. Dieses Material wurde entworfen und hergestellt um in einem "external cavity" Laseraufbau zu arbeiten. In diesem Aufbau konnte eine Emission von 8 bis 11.5 µm erreicht werden. Um aus dem gleichen Material einen Ring Quanten Kaskaden Laser zu konstruieren, waren mehrere Schritte notwendig. Der wichtigste Schritt war der Aufbau eines Resonators, welcher nicht mehr wie zuvor durch externe Spiegel bewerkstelligt wurde, sondern nun direkt auf dem Halbleiter gefertigt wird. Zu diesem Zweck wurde das Material an die speziellen Erfordernisse eines Ring QCL angepasst. Der erste Teil der Arbeit bestand darin aus dem Material Laser zu fertigen, welche im Bereich der höchsten Verstärkung emittieren. Diese gefertigten Laser erzielten Emission für kurze Wellenlänge, jedoch konnte keine Funktion für längere Wellenlängen erzielt werden. Um nun Strukturen zu fertigen, die den gesamten Wellenlängenbereich abdeckten, mussten Simulationen durchgeführt werden, welche das Verhalten verbessern. Zur Evaluierung der Berechnung wurde die Fertigung der besten Geometrien durchgeführt. Dabei wurden eigene Strukturen für jede Wellenlänge konzipiert, welche das Optimum der Ergebnisse widerspiegelten. Für eine umfassende Studie wurden zusätzliche leicht abweichende Geometrien vom Optimum gefertigt.
This work is about the possibility to produce a Quantum Cascade Laser array that emits in a broad frequency range. The main advantage is the monolithic integration of the array, to minimize the number of fabrication steps necessary. All optimizations were done for a material, designed and grown at the ETH Zurich. This material was designed to work as gain medium inside an external cavity LASER arrangement, which showed operation in a wavelength region between 8 and 11.5 µm. Different steps were necessary to achieve single-mode operating Ring-QCLs, realized with this heterostructure. Since the material was originally supposed to act as a pure gain medium, the resonator had to be matched to this special type of active medium. In a first step the active material was used to achieve working Ring-QCL in the region of highest gain. These first samples show emission for short wavelength, but not in the longer wavelength regime. Simulations of this structure were performed to achieve emission at the full spectral range. According to the simulation results the Ring-QCLs were processed with optimized geometries for each wavelength. Furthermore, to prove the simulation results and to ensure an optimal design the geometries at each wavelength where slightly varied.
