Das Ziel dieser Dissertation ist es, die On-Chip-Integration von Terahertz Quantenkaskadenlasern (THz QCLs) mittels Flip-Chip-Bonding zu erforschen und zu etablieren. Die Integration von kohärenten Lichtquellen im sichtbaren und nahen Infrarotbereich wird industriell zunehmend skalierbar und ermöglicht potenzielle Anwendungen in den Bereichen Sensorik, Spektroskopie und Hochgeschwindigkeitstelekommunikation. Kompakte, elektrisch anzusteuernde, emissionsabstimmbare THz QCLs sind ideal für die On-Chip-Integration zwischen1 und 5 THz geeignet, insbesondere aufgrund der kürzlich demonstrierten Erhöhung der Betriebstemperaturauf bis zu 261 K. Mehrere verschiedene THz QCL-Bauelemente wurden mit der, in der CMOS-Technologie etablierten, Flip-Chip-Integrationstechnik kombiniert. Das gleiche Bondingverfahren ist für eine Vielzahl von Lasergeometrien anwendbar, wodurch robuste,verbesserte THz QCL Bauelemente hergestellt werden können. Flip-Chip-gebondete, ultradünne Quantenkaskaden-Wirelaser (QCWLs) werden präsentiert, die selbst über Entfernungen größer als ihre Vakuumemissionswellenlänge optisch gekoppelt werden können. Die Kopplungsmechanismen über kurze und lange Distanzen werden dazu untersucht. Zusätzlich weisen die Bauelemente ein besseres thermisches Verhalten auf. Dies ermöglicht den Betrieb ultradünner QCWLs im Dauerstrichbetrieb bis zu 35 K, selbst wenn sie aus einem aktiven Material hergestellt sind, welches nicht dafür ausgelegt ist. Die On-Chip-Integration von THz QCLs mit rechteckigen metallischen Hohlwellenleitern wird demonstriert. Hierzu werden zwei Geometrien verwendet: gerade optische Wellenleiter zur Charakterisierung der Laser-Wellenleiter-Kopplung und U-förmige Wellenleiter für den Prototyp eines photonischen Schaltkreises, der zwei QCLs verbindet. Diese QCLs sind entweder als Lichtquelle oder als On-Chip-Leistungsmonitor verwendbar. Messungen am Demonstrator ergeben eine Einkopplungsdämpfung von 7,2 dB und eine Detektorempfindlichkeit von bis zu 48 mA/W. Abschließend werden Quanten-Kaskaden-Patch-Antennen-Arraystrukturen untersucht. Diese bestehen aus gleichförmigen quadratischen Patch-Antennen, welche in equidistantem Abstand in symmetrischen Arrays angeordnet sind. Die Arraygeomterie bestimmt dabei ihre Emissionsfrequenz. Durch die Flip-Chip-Integration dieser Bauelemente auf THz transparenten Substraten entfallen die dünnen plasmonischen Drähte, die sonst für die elektrische Verbindung der einzelnen Patches notwendig wären. Finite-Elemente-Simulationen zeigten eine verbesserte Kopplungseffizienz und einen möglichen Mehrmodusbetrieb. Zusammenfassend treibt diese Arbeit die Forschung voran, indem Flip-Chip-Bonding genutzt wird um neuartige gekoppelte QCWL-Arrays und photonische integrierte Schaltungen mit maßgefertigten metallischen Hohlwellenleitern und THz QCLs zu entwickeln.
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This thesis aims to advance and establish on-chip integration of terahertz quantum cascade lasers (THz QCLs) with flip-chip bonding. Integration of visible and near-infrared coherent light sources is becoming scalable for industry and enables many potential applications in the fields of sensing, spectroscopy, and high speed communication. Compact, electrically driven,emission tunable THz QCLs are ideal candidates for on-chip integration between 1 and 5 THz, especially due to the recent advancement in operating temperature up to 261 K. Several different THz QCL devices have been paired with flip-chip integration, a well established technique in CMOS technology. The same flip-chip bonding process proves to be applicable to a wide range of resonator geometries producing improved and robust laser devices. Flip-chip bonded, ultra-thin quantum cascade wire lasers are presented, that can be optically coupled even over distances larger than their free space emission wavelength. Their short- and long-range coupling mechanisms are studied. In addition, the devices show improved thermal performance. This enables ultra-thin devices to be driven in continuous-wave operation up to35 K, even when fabricated from an active material not designed for this functionality. On-chip integration of THz QCLs with sub-wavelength rectangular metallic hollow waveguides is demonstrated, employing two waveguide geometries: straight optical waveguides for characterizing the laser-waveguide coupling, and U-bend waveguides for a proof-of-concept optical circuit connecting two QCLs. Both are usable either as a light source or as an on-chip power monitor. Measurements on the demonstrator device yield an insertion loss of 7.2 dB compared to the free THz QCL emitting facet, and a detector responsivity of up to 48 mA/W.Finally, the design and evaluation of quantum cascade patch antenna array lasers is investigated.They consist of uniform square patch antennas with equidistant spacing, arranged in symmetric arrays. The array geometry determines their emission frequency. Flip-chip integration of these devices on THz transparent substrates eliminates the thin plasmonic wires needed for electrically connecting the individual patches. Finite element simulations are used to demonstrate enhanced coupling efficiency and possible multimode operation.In summary, this work advances the field by using episide-down flip-chip bonding to build novel coupled quantum cascade wire laser arrays, and a photonic integrated circuit with bespoke metallic hollow waveguides and THz QCLs.
