Quantum cascade interband and intersubband ring lasers

Abstract

Ringlaser auf Halbleiterbasis sind kompakte Bauelemente, welche monomodige Licht- emission in vertikaler Richtung erm¨oglichen. Durch das Fehlen von gespaltenen Kristall- facetten sowie der geringen Divergenz des Strahls sind diese Lichtquellen fuür eine In- tegration auf demselben Chip perfekt geeignet. Das Licht wird durch ein verteiltes Ruück- kopplungsgitter zweiter Ordnung ausgekoppelt und durch die Ringgeometrie des Resonators ergibt sich ein symmetrisches Fernfeld. Ringlaser mit einstellbarer Emissionswellenl¨ange k¨onnen fu¨r den mittleren Infrarot- bis hin zum Fern-Infrarotbereich als Quantenkaskaden- laser und Interbandkaskadenlaser hergestellt werden. Der Schwerpunkt dieser Dissertation liegt in der Entwicklung neuer Konzepte fuür Ringlaser mit optischen Interband- und Intersubban-Übergängen. Ringquantenkaskadenlaser haben eine große emittierende Oberfl¨ache, welche zu einer besseren Kollimierung der Strahlen fuührt, w¨ahrend z.B. Streifenlaser über die Kante emittieren. Mit einer Metamaterial-Linse, welche in das Substrat prozessiert wird, kann eine noch bessere Fokussierung der emittierten Strahlen erreicht werden. In Kombination mit einem Ruückkopplungsgitter, welches abrupte Phasenverschiebungen beinhaltet, kann ein Intensit¨atsmaximum im Zentrum erzeugt werden. Mit zwei kontinuierlichen π-Phasenverschiebungen kann ebenfalls ein Intensit¨atsmaximum im Fernfeldzentrum erzeugt werden. Daru¨ber hinaus kann aus der Rotation des gemessenen Fernfelds auf die Position der Fluüstergalerie-Moden im Ringresonator ruückgeschlossen werden. Es wurde eine neue Sensorplattform mit zwei konzentrischen Ringen entwickelt, bei der beide Ringe aus dem gleichen bi-funktionalen Laser-Detektor-Material gefertigt wurden. Wird eine elektrische Spannung angelegt, so wird der Ring als Laser betrieben, w¨ahrend er bei derselben Wellenlänge ohne Spannung als Detektor arbeitet. Diese monolithische Integration von Laser und Detektor erlaubt das Bauen von kompakten optoelektronischen Systemen für Infrarotspektroskopie. Das entwickelte System mit vertauschbaren Laser- und Detektorringen wurde in Gasabsorp- tionsmessungen verwendet. Fuür mobile Applikationen spielen Energieeffizienz und das thermische Management eine entscheidende Rolle. Es wurden verschiedene M¨oglichkeiten zur Verbesserung der W¨armeabfuhr von Ringquantenkaskadenlasern untersucht. Dies fu¨hrte in weiterer Folge zur Entwicklung verteilter Ruückkopplungsgitter zweiter Ordnung, welche komplett mit Metall bedeckt sind. Diese Bauelemente bestehen aus optimierten Gitterstrukturen, welche fuür die Modenselektion und das Auskoppeln in Richtung Substrat verwendet werden. Die metallisierten Gitterstrukturen erm¨oglichen das Bauen kompakter, leistungsf¨ahiger Laser mit verbesserter W¨armeabfuhr. Abschließend wurde das Konzept der Ringlaser von den Intersubband-Bauelementen in das aufstrebende Feld der Interbandkaskadenlaser transferiert. Der erste Ringinterbandkaskadenlaser mit vertikaler Lichtemission wird pr¨asentiert. Dieser Laser zeichnet sich im Vergleich zum Quanten- kaskadenlaser durch eine viel geringere Leistungsaufnahme aus und ist deshalb bestens für mobile Anwendungen mit begrenzter Eingangsleistung geeignet.

Semiconductor ring lasers are compact devices that provide single-mode light emission in the vertical direction. The absence of cleave facets, together with the low beam divergence, makes these light sources perfectly suited for on-chip array integration. The light is outcoupled with a second-order distributed feedback grating and, due to the ring cavity, a symmetric far field pattern is obtained. Ring lasers with designable emission wavelengths from the mid-infrared to the terahertz spectral region can be fabricated using quantum cascade lasers and interband cascade lasers. The focus of this thesis is the development of new concepts for ring lasers with interband and intersubband optical transitions. Ring quantum cascade lasers have a large emitting surface, which leads to better collimated emission beams compared to facet-emitting ridge devices. An even further focused far field pattern is obtained with an on-chip metamaterial lens that is fabricated into the substrate of the laser. In combination with a modified distributed-feedback grating containing integrated abrupt phase-shifts an intensity maximum is created in the center. With two continuous π-phase-shifts also a centrallobed far field can be generated. Furthermore, the rotation of the measured far field patterns allow to map the position of the whispering gallery modes inside the ring lasers. A new sensing platform is developed utilizing two concentric rings, which are fabricated from a bi-functional quantum cascade laser detector material. With an applied bias voltage the ring operates as laser and in the unbiased case as detector for the same wavelength. This on-chip monolithic integration of both laser and detector allows to build compact optoelectronic systems for infrared spectroscopy. The developed system with commutable laser and detector rings are used in gas absorption measurements. For mobile applications, the energy efficiency and thermal management of quantum cascade lasers is important. Techniques to improve the heat dissipation from ring quantum cascade lasers are investigated. Subsequently, metal-covered second-order distributed feedback gratings are developed. These devices incorporate an optimized grating, which is used for mode selection and out-coupling of the light towards the substrate. The metallized gratings enable compact high-performance laser devices with improved heat dissipation capabilities. Finally, the concept of ring lasers is transferred from intersubband devices to the emerging field of interband cascade lasers. The first ring interband cascade laser with vertical light emission is presented. This laser device features much lower power consumption than quantum cascade lasers and is therefore well-suited for input power-limited mobile applications.