Die in dieser Dissertation durchgeführten Arbeiten dienen der Verbesserung von Quanten kaskaden lasern (QCL) bezüglich Ausgangsleistung, Strahldivergenz und Strahlbündelung. Zuerst stellen wir eine Technik vor, welche zur Verbesserung der Lichtausgangsleistung des QCL durch eine Anschrägung der vorderen Facette dient. Die geneigte Frontfläche induziert eine asymmetrische Lichtintensitätsverteilung entlang der Laserkavität, wobei das meiste Licht durch nur eine Facette des Lasers emittiert wird. Die Neigung kann in drei verschiedenen Weisen, horizontal (Facette A) oder vertikal in Richtung Substrat (Facette B) oder in Richtung Oberfläche (Facette C) erfolgen. Da QCLs polarisiertes Licht besitzen, bestimmen diese geneigten Facettenrichtungen einen wichtigen Parameter, den modalen Reflexionsgrad. Im Gegensatz zu Laserdioden emittieren QCLs transversal magnetisches (TM) polarisiertes Licht aufgrund der Intersubband-Auswahlregeln. Diese Polarisationsreinheit sorgt dafür, dass modale Reflexionsgrade für TM und transversal elektrisches (TE) polarisiertes Licht mittels der Richtung der geneigten Facette separat beeinflussbar sind. Theoretische und experimentelle Untersuchungen für das modale Reflexionsvermögen, Schwellenstrom, Anstiegseffizienz und Lichtausgangsleistung als Funktion der geneigten Frontfacettenwinkel wurden erarbeitet. Beispielsweise zeigt die Facette B mit einer Frontfacettenwinkel von 12° eine um 31% erhöhte Ausgangsleistung von der geneigten Vorderfläche im Vergleich zu herkömmlichen QCLs. Für den nächsten Schritt der Untersuchung wird die geneigte Frontfläche an einem QCL mit breitem Resonator realisiert. Typischerweise entwickeln breitere QCLs deutlich höhere Strahldivergenzen aufgrund angeregter Moden höherer lateraler Ordnung. Ich zeige, dass die geneigte Facette zur effektiven Unterdrückung dieser Moden höherer Ordnung führt. Der vordere Facettenwinkel von 17° zeigt einen nahezu beugungsbegrenzten Strahl. Zuletzt zeige Ich die Möglichkeit, den optischen Strahl eines QCL mittels elektrischem Signal auszulenken. Dazu wurde ein monolithisch Y-gekoppelter Resonator mit elektrisch voneinander getrennten Zweigen verwendet. Durch die Facetten emission beider Zweige entsteht ein Interferenzmuster, dessen Maxima durch Phasenverschiebung in einem der beiden Zweige verschoben werden können. Diese Phasenverschiebung wurde durch einen Offset-Gleich stromanteil in einem der beiden Zweig erzielt. Dadurch kommt es zu einer temperaturbedingten Änderung des Brechungsindex. Wir konnten eine Strahlauslenkung von maximal 3.66° erzielen.
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A quantum cascade laser (QCL) is a representative coherent semiconductor light source in the mid-infrared (MIR) region of the electromagnetic spectrum, showing inherent advantages, such as freely designable emission wavelengths and multiple photons generation per an electron. A wide range of applications in medical, optical telecommunications, and chemical sensing have been realized with QCLs. For further development of applications, such higher optical output powers, lower divergence beams, and controllable beam directions are continuously required. In this work, several techniques to satisfy the requirements are introduced and investigated. First, I present a simple technique for enhancing the light output power of QCLs by tilting a front facet. The back facet is remained as normal (90°). The tilted front facet induces an asymmetric light intensity distribution along the laser cavity, resulting in the most of the light being emitted through one facet of the laser. In this technique, a key parameter is of minimizing the modal reflectivity at the tilted facet while the waveguide loss is kept constant. Contrary to semiconductor laser diodes, QCLs generate purely TM polarized light. The polarization purity provides utilization of a modal reflectivity of only TM polarized light. This is an attractive feature for the technique of power enhancement, because, in general, the TM reflectivity is lower than the TE reflectivity. Three different directions of the tilted facet were fabricated by tilting towards a ridge surface, tilting towards a ridge substrate, and tilting towards a ridge sidewall. Theoretical and experimental studies for the fabricated QCLs with diverse facet angles were performed, showing a maximum of 31 % output power enhancement. Also, the tilted front facet is applied to broad area QCLs. Typically, the broad area QCLs show significantly wide beam divergence due to higher order lateral modes. I demonstrate that the tilted facet effectively induces suppression of higher order lateral modes and, hence, high beam quality. QCLs with a front facet angle of 17° show 60 % of output power enhancement and nearly diffraction limited beams. Lastly, I describe electrical beam steering of QCLs with a monolithically integrated Y-coupled cavity which has electrically separated branches. The beam steering of the emitted light is achieved by delaying a phase in one of the two branches. This phase delaying was done by direct current (DC) injection in one branch where the temperature is increased locally. We achieved 2° of the beam steering and estimate that the temperature difference between left and right branch is approximately 12 K.
