Engineering high bandwidth semiconductor mid-infrared frequency combs

Abstract

Lichtquellen im mittleren Infrarot sind sehr interessant für spektroskopische Anwendungen. Quantenkaskadenlaser (QCL) und Interbandkaskadenlaser (ICL) sind monolithische Bauelemente die Emissionswellenlängen im mittleren Infrarot anbieten mit einem hohen Grad an Flexibilität eben diese zu adaptieren. Seit den ersten erfolgreichen Experimenten haben sie sich sehr rasch entwickelt und moderne Geräte können sogar die gleichen Wellenlängen detektieren die sie emittieren. Der Betrieb der Laser auf dem Chip hängt stark von ihrem Stromverbrauch ab, dabei sind ICLs im Vergleich zu QCLs besser. ICLs haben einen optimalen Betriebspunkt zwischen 3-4 μm und werden mit Epitaxie meist auf GaSb gewachsen. Abgesehen von den meist auf GaSb basierenden ICLS, gibt es seit einigen Jahren auf Entwicklungen auf InAs mit vielversprechenden Ergebnissen jenseits des optimierten 4 μm Betriebspunkts. In dieser Arbeit wird eine neue Methode zur Kompensation der durch die InGaSb Schicht induzierten Verspannung vorgestellt. Eine zusätzliche Schicht aus InAlAs erlaubt das Wachstum von sehr hohen kumulierten Schichtdicken. Neue numerische Erkenntnisse wurden zusammengefasst zu einer Anleitung wie die Bandbreite von Quantenkaskadenlaserfrequenzkämmen verändert werden kann. Frequenzkämme sind Laser die eine Vielzahl äquidistanter Moden emittieren. Der Abstand zwischen den Moden ist die Umlaufzeit des Resonators. Aufbauend auf der Opacak-Schwarz Mastergleichung wurde die Wechselwirkung der intrinsischen Kerr Nichtlinearität und der Gruppendispersion untersucht. Die numerische Studie zeigte, dass der Laser durch Kompensation der Nichtlinearität mit Dispersionskompensation in einen FM Kamm Zustand gebracht werden kann. Es wurde zusätzlich gezeigt, dass im Widerspruch zu weitverbreiteten Methoden es nicht von Vorteil ist, nur die Facetenreflektivitäten zu verändern, um den Laser in einen gesperrten Laserzustand zu bringen. Der Bereich in dem der Laser eine hohe Anzahl von Moden emittiert ist überraschend schmal. Der Laser kann in diesen Parameterbereich mit niedrigen Reflektivitäten und hohen Kerr Nichtlinearitäten gebracht werden. Die beste vorgestellte Methode um hohe Bandbreiten in QCLs zu erzielen, war die Modulation des Resonators mit einer Radiofrequenz nahe zur Umlaufzeit. Die experimentelle Implementierung ist einfach und erlaubt die vollständige Rückgewinnung der ungesperrten Laserbandbreite. Der Transfer dieser experimentellen Methode von QCLs zu ICLs zeigte Pulsemission, die mit Verschobener Welleninterferenz Fouriertransformierter Spektroskopie charakterisiert wurde. Die Messungen zeigten Pulsbreiten unterhalb von Pikosekunden und einem frequenzmodulierten Kamm Zustand mit Injektionsverriegelung. Ein technologischer Meilenstein wurde mit dem erfolgreichen Wachstum und Betrieb eines Mehrstapel THz QCLs geschafft. Die emittierte Bandbreite von 1.37 optischen Oktaven mit einer Breite von 1.9 zu 4.5 THz, setzte einen neuen Meilenstein und stellt einen weiteren Schritt zum Schliessen der Terahertzlücke dar. Das Ziel dieser Arbeit ist es einerseits eine neue Verspannungskompensationmethode zu diskutieren und andererseits die Möglichkeiten von Interbandkaskadenlasern als Plattform für zukünftige hochintegrierte Sensoren aufzuzeigen. Das zweite Ziel ist die Untersuchung wie man allgemein breitbandige Laser Frequenzkämme im mittleren Infrarot herstellt, ausgehend vom Kristallwachstum Oktaven überspannender THz QCLs, über die Herstellung von QCL Ringkämmen die die Verbindung von Chaostheorie mit Frequenzkammphysik erlaubten, bis hin zu Experimenten mit ICL Frequenzkämmen und ultrakurzer Pulsemission.

Light sources in the mid-infrared are of great interest for spectroscopic sensing. Quantum Cascade Lasers (QCL) and Interband Cascade Lasers (ICL) are monolithic devices that offer emission wavelengths in the mid-infrared and a high level of flexibility to design devices for applications. Since their first experimental demonstrations they developed rapidly and state of the art devices can detect the same wavelength as they emit. On-chip operation of devices strongly depends on the power consumption of the device, there ICLs intrinsically do better than QCLs. ICLs own a sweet spot between 3-4 μm and are grown epitaxially mostly on GaSb substrates. Aside from the commonly used GaSbbased ICLs, recent developments on InAs showed promising results for emission beyond the 4 μm sweet spot. In this work a novel scheme to compensate for the InGaSb induced strain in the heterostructure is established. Inserting an additional layer of InAlAs allowed the growth of high cumulative InAs heterostructures. New numerical insights were summarized in a guideline how to engineer the bandwidth of quantum cascade laser frequency combs. Frequency combs are lasers that emit a number of equidistant modes. The spacing between this modes equals the cavity roundtrip time, which allows to use this lasers as rulers in the frequency domain. An important aspect of this technology is the bandwidth of the comb. Based on the Opacak-Schwarz master equation the interplay of the intrinsic Kerr nonlinearity with the group velocity dispersion was examined. The numerical study revealed that the laser can be brought to a FM comb state with dispersion compensation of the Kerr nonlinearity. It was explored that contradictory to commonly used methods, it is not useful to solely change the reflectivities of one facet to tune the laser into a locked laser state. The regime where a locked laser state emits a high number of modes was found to be surprisingly narrow. The laser can be tuned into this parameter space with low reflectivities and high Kerr nonlinearities. The best method to achieve high bandwidth emission in QCLs was demonstrated to inject a RF signal close to the cavity roundtrip time. The experimental implementation is straight forward and allows to recover the unlocked laser state bandwidth. The transfer of this experimental technique from QCLs to ICLs showed pulse emission, that was characterized by Shifted Wave Interference Fourier Transform Spectroscopy. The measurements showed pulse widths below picoseconds and a FM comb state with injection locking. A breakthrough was achieved with the successful growth and operation of a multistack THz QCL structure. The emitted bandwidth was 1.37 optical octaves spanning from 1.9 to 4.5 THz. In addition the engineering of broadband laser frequency combs in the mid-infrared is discussed, ranging from high performance fabrication of quantum cascade laser frequency combs to MBE growth of ultrabroadband THz QCLs. The results of this work connected on the one hand chaos theory with frequency comb physics and on the other hand, set a new milestone for the bandwidth of THz QCL.