GaAs on AlGaAs waveguide platform for MIR sensing

Abstract

Die integrierte Photonik im mittleren Infrarotbereich (MIR) bietet großes Potenzial für kompakte spektroskopische Sensorsysteme, da optische Quellen, Wellenleiter und Detektoren auf einer einzigen Plattform kombiniert werden können. In dieser Arbeit werden GaAs/AlGaAs-Wellenleiter für die Lichtführung und die evaneszente Feldsensorik im Wellenlängenbereich von 3–5 μm untersucht, insbesondere im Hinblick auf die Integration mit Interband-Kaskadenlasern und Quantenkaskadenlasern. Drei Wellenleitergeometrien wurden entwickelt und charakterisiert: Ridge-Wellenleiter mit fester Mantelschicht, teilweise unterätzte Post-Box-Wellenleiter und freitragende Wellenleiter. Die Strukturen wurden aus MBE-gewachsenen GaAs/AlGaAs-Heterostrukturen hergestellt, die sowohl eine verlustarme Lichtführung als auch eine Wechselwirkung mit der Umgebung ermöglichen. Die Wellenleiter mit fester Mantelschicht erreichten bei 3,6 μm Propagationsverluste von 1,78 dB/cm für TE- und 1,95 dB/cm für TM-Polarisation. Die Post-Box-Geometrie erhöhte den Anteil des optischen Feldes in der Umgebung bei gleichzeitig erhaltener mechanischer Stabilität. Für TM-Polarisation bei 3,6 μm wurden Verluste unter 0,5 dB/cm gemessen, wobei der extrahierte Wert stark von der angenommenen Facettenreflektivität abhängt. Freitragende Wellenleiter zeigten die stärkste Wechselwirkung mit der Umgebung, mit simulierten Luft-Konfinierungsfaktoren von etwa 5–7 %, wiesen jedoch höhere TE-Propagationsverluste von ungefähr 5–6 dB/cm auf. Die Ergebnisse zeigen die Eignung von GaAs/AlGaAs für integrierte MIR-Wellenleiter und verdeutlichen den Zielkonflikt zwischen Propagationsverlusten und externer Feldkonfinierung. Die entwickelte Plattform bildet eine Grundlage für zukünftige integrierte MIR-Sensorsysteme und die weitere Optimierung sensororientierter Wellenleitergeometrien.

Mid-infrared (MIR) integrated photonics offers strong potential for compact spectroscopic sensing systems by combining optical sources, waveguides, and detectors on a single platform. This work investigates GaAs/AlGaAs waveguides for MIR guiding and evanescent-field sensing in the 3–5 μm wavelength range, with relevance to integration with interband cascade lasers and quantum cascade lasers. Three waveguide geometries were developed and characterized: solid-cladding ridge waveguides, partially underetched post-box waveguides, and suspended waveguides. The structures were fabricated from MBE-grown GaAs/AlGaAs heterostructures designed to support low-loss guiding while enabling interaction with the surrounding medium. The solid-cladding waveguides achieved propagation losses of 1.78 dB/cm for TE polarization and 1.95 dB/cm for TM polarization at 3.6 μm. The post-box geometry increased the optical field overlap with the surrounding medium while retaining mechanical support, with losses below 0.5 dB/cm measured for TM polarization at 3.6 μm, although the extracted value depends strongly on the assumed facet reflectivity. Suspended waveguides provided the strongest interaction with the surrounding medium, with simulated air confinement factors of approximately 5–7%, but showed higher TE propagation losses of around 5–6 dB/cm. These results demonstrate the feasibility of GaAs/AlGaAs for MIR integrated waveguides and highlight the trade-off between propagation loss and external field confinement. The developed platform provides a basis for future integrated MIR sensing systems and further optimization of sensing-oriented waveguide geometries.