Quantenkaskadendetektoren (QCDs) und Quantenkaskadenlaser (QCLs) bieten eine leistungsfähige Plattform für miniaturisierte, integrierte optische Sensorsysteme. Die Kombination dieser beiden Technologien zu bi-funktionalen Quantenkaskaden- Materialien, welche sowohl als Detektor als auch als Laser betrieben werden können, macht die Entwicklung von kompakten, optischen, chemischen Sensoren möglich. Die Leistungsfähigkeit der Emission und die Empfindlichkeit der Detektion von Licht im mittleren Infrarot-Bereich ist dabei maßgebend für die erreichbare Messauflösung bei Spektroskopieanwendungen. Im Zuge der vorliegenden Dissertation wurden verschiedene Methoden der Lichtkopplung für QCDs und bi-funktionale Materialien untersucht. QCDs können nahezu dunkelstromfrei im Photovoltaik-Modus betrieben werden, wodurch Betriebstemperaturen bis zur Raumtemperatur erreicht werden. Zur Erhöhung der Absorptionseffzienz dieser Detektoren, wurde eine alternative Kopplungsmethode basierend auf Plasmonenlinsen konzipiert, simuliert und gefertigt. Diese Plasmonenlinsen ermöglichen dabei die Kopplung einer größeren Menge auftretender Strahlungsenergie, ohne die elektrisch aktive Fläche des Detektors zu vergrößern. Die vorgestellte Geometrie ermöglicht eine bis zu 6-fache Erhöhung des Photostroms der Detektoren bei Raumtemperatur bei einer gleichzeitigen Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses (SNR). Die Integrierbarkeit von QCDs zu Pixelsensoren wurde anhand eines im Bereich der starken CO2-Absorption empfindlichen Detektormaterials untersucht. Im Zuge dessen wurde die Lichtkopplung durch Simulationen optimiert und ein Demonstrator mit 8 _ 8 Pixeln gefertigt und charakterisiert. Ein Ansprechvermögen von Rp = 16mA/W und eine spezifsche Detektivität von D* = 5 · 10 7 cm √Hz/W konnte dabei in der Pixelgeometrie erreicht werden. Basierend auf einem bi-funktionalen Quantenkaskaden-Laser-Detektor (QCLD) Material wurde die Lichtkopplung für monochromatische Emission und Detektion in oberflächennormaler Richtung untersucht und ein Sensorprototyp entwickelt, welcher die Analyse von Gaskonzentrationen mittels Absorptionsmessung ermöglicht. Dabei wurde die Laser- und die Detektorstruktur auf demselben Chip monolithisch integriert. Das vom Sensor emittierte Licht wird nach der Kollimation mittels einer Linse und der Interaktion mit dem zu messenden Gas an einem Spiegel reflektiert und durch die Linse auf den Sensor zurück fokussiert. Das so gemessene Detektorsignal ist ein Maß für die Konzentration des Testgases im vorliegenden Fall, in einer Stickstoffmatrix. Dieses Konzept wurde durch geometrische Anpassungen und verbesserte elektrische Kontakte dahingehend weiter entwickelt, dass Messungen bei Raumtemperatur bis zu einer Detektierbarkeitsgrenze von 400 ppm möglich sind. Darüber hinaus konnte die Realisierbarkeit mehrerer Emissionswellenlängen entlang der selben optischen Achse gezeigt werden. Die demonstrierte Methode kann einfach auf weitere Emissionswellenlängen erweitert werden. Dadurch können potentiell externe optische Komponenten, wie Spiegel und Linsen, eingespart werden und die Lichtkopplung gegenüber äußerlichen Einflüssen, wie zum Beispiel Vibrationen, unempfindlicher gemacht werden.
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Quantum cascade lasers (QCLs) and quantum cascade detectors (QCDs) have shown remarkable progress in their performance, availability and their use in different applications over the past years. Recently, the demonstration of their combination to a high performance bi-functional quantum cascade laser detector (QCLD) material enabled for novel integrated sensing devices in the mid-infrared (MIR) region. Light coupling for infrared light emission and detection is essential for integrated sensing device design and has a major impact on the sensing performance. Device integration based on these bi-functional materials shows an efficient way towards portable, light weight and compact in field sensing solutions. In this thesis MIR light coupling to QCDs and bi-functional QCLD materials has been investigated and different schemes have been applied to various sensing device designs. Plasmonic lens based on chip light focusing to extended the optical area and coupling efficiency of QCDs is shown. The plasmonic coupling and focusing structure is sensitive to surface normal MIR light. The coupled light is focused and guided by surface plasmon polariton (SPP) waves to the active zone (AZ) of the detector element centered in the lens structure. Quantum cascade detectors (QCDs) operated in photovoltaic mode allow for room temperature operation which makes them an promising narrow bandwidth high speed alternative to quantum well infrared photodetector (QWIP) cameras. QCD integration to array devices has been investigated for a device design which is sensitive to the strong CO2 absorption at 4:3 µm wavelength. A 8 x 8 pixel demonstrator has been designed, fabricated and characterized. A single pixel responsivity of Rp = 16mA/W with a specific detectivity of D* = 5 · 10 7 cm √Hz/W could be realized at room temperature. A bi-functional surface emitting and detecting integrated gas-sensor has been designed, fabricated and evaluated by proof of concept gas measurements. The surface operation mode allows for long interaction lengths as required for low absorption analytes e.g. gases. The device is based on a single mode distributed feedback (DFB) ring cavity quantum cascade laser (QCL) and a centered detector element. The emitted light is collimated to pass a gas-cell, reflected at a at mirror and re-focused to the on-chip detector element. Gas measurements in a wide range of concentrations are shown with an on-chip detector signal corresponding to a test gas concentration. A design is presented with lower electrical crosstalk, an improved contact design and an enhanced coupling geometry. This design features two distinct emission wavelengths to demonstrate multi-wavelength integration on one chip. A limit of detection of 397 parts-per-million is achieved at room temperature operation.
