Coherent coupling of mid-infrared quantum cascade lasers

Abstract

Das Ziel dieser Arbeit war die Umsetzung kohärent gekoppelter Resonatoren mit Halbleiterlasern für den mittleren Infrarotbereich (3 - 30 µm). Die verwendeten Quantenkaskadenlaser (QCLs) basieren auf optischen Übergängen zwischen elektronischen Zuständen innerhalb des Leitungsbandes eindimensionaler Heterostrukturen. Ihre Emissionswellenlänge ist abhängig von der Schichtdickenfolge und den verwendeten Halbleitermaterialien, und somit breitbandig kontrollierbar.<br />Die Herstellung von QCLs basiert auf hochentwickelten Technologien zur Halbleiterstrukturierung. Damit sind eine Reihe von Möglichkeiten gegeben, Laserresonatoren aus einem Guss zu fertigen. Hierbei profitieren diese Laser von 30 Jahren Entwicklungsvorsprung durch andere Halbleiterlasertypen im optischen und nah-infraroten Spektralbereich.<br />Im Rahmen dieser Arbeit wurden ebenflächig gekoppelte QCL-Resonatoren entwickelt, hergestellt und charakterisiert, welche die Phase benachbarter Laserwellenleiter synchronisieren, wenn diese durch Y-Verzweigungen miteinander verbunden sind. Es kommt zur Ausprägung einer einzigen, stabilen Resonatormode, wenn jeder der Wellenleiter gleichwertig mit jedem anderen wechselwirkt ("parallele Kopplung"). Die Experimente wurden mit vier verschiedenen Heterostrukturen (GaAs-, bzw.<br />InP-basiert) mit Emissionswellenlängen zwischen 4 µm und 12 µm durchgeführt, so dass sich eine frequenzabhängige Grundlage zur Analyse der Resonatoren ergab.<br />In einem ersten Schritt wurden Y-förmige QCLs mit und ohne separate Kontakte hergestellt, um die vielfältige Modendynamik der Bauteile kennen zu lernen. Fernfeldmessungen dieser Laser zeigen Interferenzeffekte und ergeben eine stark ausgeprägte räumliche Koheränz, welche auf eine erfolgreiche Synchronisation durch die integrierte Y-Verzweigung schließen lässt. Während die Modenverteilung im Resonator weder strom- noch temperaturabhängig ist und geringe Kopplungsverluste aufweist, haben die Länge des Kopplungsbereichs sowie das Verhältnis zwischen Wellenleiterbreite und Laserwellenlänge einen starken Einfluss auf das Kopplungsverhalten, wodurch sich geometrische und spektrale Limitierungen ergeben.<br />Die gewonnenen Kenntnisse wurden verwendet, um Y-Verzweigungen in zwei neuartigen Typen von QCL-Resonatoren zu implementieren. Das erste Projekt umfasst eine baumförmige Anordnung von sechs phasenvergekoppelten Laserelementen, die mit Hinblick auf eine Erhöhung der Brillanz des ausgekoppelten Laserstrahls untersucht wurde. Es lässt sich eine Resonatormode konstanter Phase beobachten, wobei Längenunterschiede zwischen den einzelnen Teilresonatoren eine signifikante Rolle für die Effizienz der Kopplung spielen. Des Weiteren wurde ein integriertes Mach-Zehnder-Interferometer auf Basis eines QCLs realisiert. Hierbei führt die Änderung des Brechungsindex mittels abgeführter Joule'scher Wärme in einem der interferierenden Wellenleiter zu interner destruktiver Interferenz und einem Rückgang der Laserleistung um 90%. Erste Versuche zeigten, wie das Konzept auf der Grundlage evaneszenter Felder in der miniaturisierten Sensorik angewendet werden kann.<br />

Quantum cascade lasers (QCLs) are electrically driven semiconductor lasers, which by now have undergone 15 years of research to become unique sources of coherent light in the mid-infrared range of the electromagnetic spectrum (3 - 30 µm). The rapid progress of this type of lasers is based on two major properties: On the one hand, QCLs offer a great freedom of tailoring the emission wavelength within a large variety of semiconductor heterostructure designs and materials. On the other hand, being in-plane semiconductor lasers, QCLs profit from the highly developed field of planar fabrication techniques in semiconductor industry, which have been established for diode lasers since the 1960's.<br />The subject of this work is the design and realization of coherently coupled resonators for mid-infrared quantum cascade lasers. Thereby, experiments were performed with four different laser gain materials (GaAs-based and InP-based) with emission wavelengths between 4 µm and 12 µm. Based on the inherent simplicity of monolithic waveguide geometries, the phase is locked in adjacent QCLs, when these are combined by means of a Y-junction. Here, a stable cavity mode emerges, if every laser element mutually interacts with every other element ("parallel coupling").<br />In a first step, Y-shaped QCLs were fabricated with and without split contacts to investigate the rich complexity of mode dynamics within the devices. Far-field analysis indicates spatially coherent emission from the coupled waveguides due to efficient synchronization by means of the integrated Y-junction, and small coupling losses are found. The mode distribution within the resonator is deduced from beam propagation analysis and does not depend on drive current or temperature of operation. However, the length of the coupling section as well as the ratio between waveguide width and emission wavelength have a strong impact on the coupling performance, resulting in spectral and geometric limitations.<br />Having achieved a high level of mode control, phase-locking based on integrated Y-junctions was transferred to two novel types of devices, which were proposed, fabricated and investigated. The first project is a tree-shaped array of six coherently coupled QCL waveguides, which were characterized with respect to brightness enhancement of the out-coupled laser beam. Although an in-phase cavity mode is found at high drive current levels, the device's performance is affected by phase errors due to length deviations of the coupled branches.<br />Furthermore, monolithic interferometric spectroscopy was addressed by means of an integrated Mach-Zehnder-type QCL. Increasing the temperature in one of the arms of the interferometer due to resistive heating leads to a local shift of the modal phase. As a result, destructive interference is observed within the resonator, which manifests itself in a 90% reduction of the modulated output power. First sensing experiments show, how the concept can be applied in monolithic interferometric sensing devices utilizing evanescent fields.