Innovative resonator geometries for enhanced light outcoupling in terahertz quantum cascade lasers

Abstract

Quantenkaskadenlaser gehören zu den vielversprechendsten Kandidaten, um die sogenannte THz-Lücke zu schließen. Durch den Einsatz von ringförmigen Resonatoren konnte die Erzeugung von Frequenzkämmen bei gleichzeitig hoher Ausgangsleistung und kompakter Größe erfolgreich demonstriert werden [1]. Der Hauptnachteil ist ihre radial symmetrische Abstrahlung, was zu einer erheblichen Menge ungenutzten Lichts aufgrund der niedrigen Lichtsammeleffizienz führt. Ziel dieser Arbeit ist es, verschiedene Resonatorgeometrien zu untersuchen, die eine verbesserte Lichtauskopplung ermöglichen. Statt symmetrischer, ringförmiger Resonatoren wurden nicht-rotationssymmetrische, geschlossene Resonatoren entwickelt, um die Lichtemission zu optimieren. Es wurden zwei unterschiedliche Geometrien simuliert und gefertigt: eiförmige und pfannenförmige Resonatoren. Diese Designs weisen einen minimalen Krümmungsradius zwischen 350 μm und 100 μm auf. Zur Reduktion unerwünschter Effekte wurden Euler-Bögen als Verbindungselemente zwischen den kreisförmigen Abschnitten eingesetzt. Dadurch konnte das Modebouncing durch die lineare Änderung der Krümmung signifikant verringert werden. Die Laser konnten sowohl im Singlemode- als auch im Multimode-Regime betrieben werden. Im Multimode-Betrieb deutete die Messung des elektrischen Schwebungssignals auf die Bildung eines Frequenzkamms hin. Darüber hinaus konnte durch Injection-Locking der Schwebungsfrequenz an ein externes RF-Signal der Modenabstand moduliert werden. Das Fernfeld der Laser wurde hinsichtlich Strahldurchmesser, Polarisation und Strahlrichtung charakterisiert. Ein spezieller Messaufbau wurde entwickelt, um Fernfeldmessungen aus jedem beliebigen Winkel zu ermöglichen. Die experimentellen Ergebnisse zeigten eine Strahlbreite von unter 0,6 Grad bei einer Entfernung von 20 cm und eine starke Abhängigkeit der Fernfeldeigenschaften von der Drehung der Laser. Darüber hinaus wurde eine Korrelation zwischen Strahlbreite und Strahlrichtung gezeigt.

Quantum Cascade Lasers are among the most promising candidates for closing the so-called THz gap. Using ring-shaped resonators, the generation of frequency combs along with high output power and compact device size has been successfully demonstrated [1]. The primary drawback is their radially symmetric radiation pattern, leading to a significant amount of unused light due to low collection efficiency. The purpose of this thesis is to analyze different resonator geometries for enhanced light outcoupling. Instead of symmetric circular resonators, non-circular closed-loop resonators were tested to enhance the emission characteristics of these devices. Two distinct geometries were simulated and fabricated: egg-shaped and pan-shaped resonators. These designs feature a minimum radius of curvature ranging from 350 μm to 100 μm. To mitigate unwanted effects, Euler bends were implemented as connecting elements between circular sections, leading to a significant reduction of mode bouncing due to their linear change in curvature. The devices demonstrated operation in both single-mode and multimode regimes. In the multimode regime, frequency comb formation was indicated by measuring the electrical beat note signal. In addition, by injection-locking the beating frequency to an external RF signal, the mode spacing could be modulated. The far-field of the devices was characterized in terms of beam width, polarization, and direction of radiation. A specialized measurement setup was developed to enable far-field measurements from any direction. Experimental results demonstrated a beam width of below 0.6 degrees at a distance of 20 cm, along with a strong rotational dependence of the far-field characteristics. Furthermore, the beam width was found to correlate with the direction of radiation.