Long wavelength terahertz quantum cascade lasers

Abstract

Das Ziel dieser Arbeit war die Weiterentwicklung von Terahertz Quantenkaskadenlasern (THz QCLs) mit besonderem Fokus auf langwelligerer Emission. Die Laserniveaus in einem Quantenkaskadenlaser werden durch quantenmechanisch gebundene Zustände in einer künstlich gewachsenen Nanostruktur gebildet, deswegen auch Intersubbandlaser genannt. Der wenig genutzte Terahertzbereich ist zwischen Mikrowellen- und mittlerer Infrarotregion angesiedelt, was sich speziell in THz QCLs widerspiegelt.<br />Diese kombinieren quantisierte Übergänge (Laser) unterhalb des Reststrahlenbandes mit einem metallischen Wellenleiter, geborgt aus der Mikrowellentechnologie. Angetrieben wird die Entwicklung durch den Mangel an effizienten, kompakten und kohärenten Strahlungsquellen in diesem spektralen Bereich. GaAs/AlGaAs Heterostrukturen sind die Bausteine des aktiven Verstärkermediums und ermöglichen maßgeschneiderte optische Übergänge. Die Bevölkerungsinversion zwischen eng benachbarten Subbändern ist sehr schwierig herzustellen, weil der obere Zustand sehr präzise bevölkert und der untere Zustand wiederum sehr präzise entleert werden muss. Im Zuge dieser Arbeit gelang es das bestehende Design an der TU Wien, mit einer Emission von 105 µm (2.8 THz), auf eine Wellenlänge von 150 µm (2 THz) zu trimmen. Die Entvölkerung des unteren Laserniveaus basiert auf einem resonanten Tunnelprozess gefolgt von einer Emission eines longitudinalen optischen Phonons. Durch Bandstrukturrechnungen wurden die Änderungen der Töpfe und Barrieren in der Halbleiterheterostruktur simuliert. Die aktive Zone, bestehend aus 271 Kaskaden, wurde mittels Molekularstrahlepitaxie gewachsen, mittels Röntgenbeugung hinsichtlich der Wachstumsqualität analysiert, und in einen verlustarmen Metallwellenleiter prozessiert. Die Änderungen der aktiven Zone hatten jedoch einen direkten Einfluss auf das Temperaturverhalten. Nur optimal ausgelegte Bandstrukturen der aktiven Zone erreichen hohe Betriebstemperaturen, und bis jetzt kämpften alle THz QCLs mit Temperaturen bei denen der Faktor kT sich in die Nähe der optischen Übergangsenergie bewegt. Der 2 THz Laser erreichte eine maximale Temperatur von 105 K, was einem Verhältnis von kT/hf=1.06 entspricht, im gepulsten Betrieb und 80 K im Dauerstrichbetrieb.