Nonlinear light-generation in GaAs quantum cascade lasers

Abstract

Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurden Aspekte der nichtlinearen Lichterzeugung in Quantenkaskadenlasern (QCL) untersucht.<br />Quantenkaskadenlaser sind unipolare Halbleiterlaser, deren Emissionswellenlänge typischerweise im mittleren Infrarot (MIR) (3-30 µm) oder aber im fernen Infrarot (30-300µm) liegt. Deren Hauptanwendungsbereich liegt in der Spektroskopie von organ.<br />Verbindungen in Flüssigkeiten und der Gasphase, sei es für die Laboranalyse oder mittels "remote sensing" von z.B. Abgaswolken. Für diese Anwendung sind die genaue Kontrolle und eine möglichst große Variabilität der Wellenlänge von größter Bedeutung. Deswegen, um den Wellenlängenbereich in Richtung höherer Energien zu erweitern, beziehungsweise Fern-Infrarot Strahlung mittels Differenzfrequenzerzeugung zu erzeugen, wurden Konzepte zur nichtlinearen Frequenzkonversion in QCLs untersucht. Das Ziel war es, die Frequenzkonversion zu nutzen, um für Gallium-Arsenide-MIR QCLs sonst nicht zugängliche Frequenzbereiche, sowohl im kurzwelligen als auch im langwelligen Bereich zu erreichen. Als Ergebnis konnten GaAs-QCLs mit der zu diesem Zeitpunkt kürzesten Emissionswellenlänge von 5.35 µm entwickelt werden. Mittels Molekularstrahlepitaxie und Mikrostrukturierungstechniken wurden neuartige oberflächenemittierende Laser hergestellt, bei denen die Oberflächenemission nur aus Summenfrequenzstrahlung besteht und so zusätzliche Filter überflüssig werden. Bei nichtlinearen Prozessen ist generell die Phasenanpassung ein häufig auftretendes Problem. Um dieses zu lösen, wurde eine Wellenleitergeometrie entwickelt, die eine automatische Phasenanpassung ermöglicht und somit flexibel für andere Frequenzkonversionsverfahren angewendet werden kann. Weiters wurden mit Hinblick auf eine mögliche Differenzfrequenzerzeugung erste Versuche mit Zwillingswellenleitern angestellt, die wesentlich mehr Möglichkeiten zur Resonanzfeineinstellung bieten als bisher, da erstmals in einem monolithischen Bauelement die Arbeitspunkte vom Pump-QCL und der Nichtlinearität unabhängig voneinander eingestellt werden können.<br />

Quantum cascade lasers (QCLs) are unipolar semiconductor lasers for mid- and far-infrared light, covering the range between 3µm and 300µm wavelength in the electromagnetic spectrum. In the scope of this thesis nonlinear light generation in Gallium Arsenide based QCLs was investigated. QCLs are presently used for the spectroscopy of organic compounds, both in lab and remote sensing applications. For this kind of application, exact mode selection and wavelength agility are of great importance. In order to expand the wavelength range of GaAs-QCLs we studied concepts for sum-frequency generation and difference frequency mixing in these lasers. The first surface-emitting distributed-feedback laser with a surface emission consisting only of second-harmonic light was demonstrated at a wavelength of 5.35 µm, which was at that time the shortest wavelength emission from a GaAs-QCL. Furthermore in order to improve the conversion efficiency not only for second-harmonic generation, a waveguide geometry for automatic phase-matching was presented. As a first step towards an improved monolithic difference frequency mixer, a twin-waveguide QC laser was designed, that for the first time allows to independently bias the pump and nonlinear sections of a monolithic QC device.