Coherent coupling of ring cavity intersubband lasers

Abstract

Quantenkaskaden Laser sind elektrisch gepumpte Halbleiterlaser, die im Wellenlängenbereich vom mittleren Infrarot bis in den Terahertz-Bereich emittieren. Dieses Frequenzspektrum ist reich an molekularen Absorptionslinien und eröffnet somit ein Anwendungsgebiet, das neben diversen Applikationen in der Kommunikation, dem Militär und der Medizin, auch bevorzugt Einsätze in der Gasanalytik und der Umwelttechnik erfasst.<br />Im Vergleich zu normalen Halbleiterlasern, deren optische Emission auf Elektronenübergängen zwischen Leitungs- und Valenzband basieren, wird hier der Effekt von Intersubbandübergängen ausgenutzt. Diese zeichnen sich durch kleinere Übergangsenergien aus, was zu vergleichbar langwelligerer Strahlung führt. Die dazu notwendigen Subbänder werden durch eine alternierende Kombination aus Halbleitermaterial unterschiedlicher Bandlücken erzeugt. Schichtdicken im Nanometerbereich und nahezu perfekte Grenzschichten führen zur Formation von Potentialtöpfen im Leitungsband, in denen quantenmechanische Effekte zu beobachten sind. Wählt man die Barrieren zwischen den Töpfen dünn genug, kommt es zu einer endlichen Tunnelwahrscheinlichkeit der Elektronen und somit zur Ausbildung von diskreten Energieniveaus innerhalb des Leitungsbandes, den sogenannten Subbändern. Durch gezieltes Variieren der Materialschichtdicken lassen sich dies Bänder und somit die Emissionswellenlänge dieser Bauteile gezielt designen. Quantenkaskaden Laser in Ringresonatorausführung, wie sie in dieser Arbeit verwendet wurden zeichnen sich im Vergleich zu den Fabry-Perot-Resonatoren durch stark optimierte Betriebseigenschaften aus. Neben den geringeren optischen Verlusten punkten sie mit einem weitaus kollimierterem Fernfeld. Dieses wird dadurch erzielt, dass die Lichtauskopplung über einen Braggreflektor auf der Resonatoroberseite erfolgt und somit die deutlich größere Emissionsfläche den Effekt der Strahlendivergenz drastisch verringert. Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurde die eben diskutierte Ringlaserausführung, basierend auf einer InGaAs/InAlAs/InP Heterostruktur mit der Nenn-Emissionswellenlänge von 8,2 µm verwendet.<br />Schwerpunkt war die koherente Kopplung zweier dieser Laser mit dem Ziel der Identifikation optimaler Koppelparameter. Diese Anwendung besticht nicht nur durch die Möglichkeit der Leistungssteigerung ohne Verlust der Koherenz, desweiteren kann durch die Kopplung zweier unterschiedlicher Resonatoren die Frequenzselektivität bedeutend erhöht werden. Durch die Variation des Abstandes zwischen den beiden Kavitäten und unter Verwendung verschiedener Koppelstrategien konnte gezeigt werden, dass optimale Kopplung bei einem Spalt von 1 µm erreicht ist. Diese Geometrie beinhaltet einen optimalen Kompromiss zwischen den entstehenden Verlusten und ausreichender Kopplungsstärke für eine stabile Kohärenz.<br />Desweiteren wurde eine Struktur unterschiedlicher gekoppelter Resonatoren vorgestellt die bei Raumtemperatur hohe Modenselektivität, bis hin zur monochromatischen Emission, entwickelt. Die somit erzielten Ergebnisse eröffnen zahlreiche Zukunftsperspektiven für die Anwendung gekoppelter Quantenkaskaden Laser bis hin zur Realisierung von zweidimensionalen Feldern von Lasern mit leistungsstarker, monochromatischer Emission bei Raumtemperatur.