Advanced quantum cascade ring lasers

Abstract

Ein Quantenkaskadenlaser (QCL) ist ein elektrisch betriebener Halbleiterlaser der im mittleren Infrarot und im Terahertzbereich des elektromagnetischen Spektrums emittiert. Seine Besonderheit ist die Lichterzeugung, die auf optischen Intersubband-Übergängen im Leitungsband basiert. Der erste derartige Laser wurde im Jahre 1994 publiziert, als es Wissenschaftlern gelang eine hohe Besetzungsinversion trotz der inhärent kurzen Lebenszeit des oberen Laserlevels zu erzielen. Von diesem Zeitpunkt an führte die rasch voranschreitende Entwicklung dieses Lasertyps sehr schnell zu dessen Anwendung in industriellen, medizinischen oder wissenschaftlichen Bereichen. Im Jahre 2008 wurde auf unserem Institut der erste ringförmige, vertikal emittierende QCL (Ring-QCL) hergestellt. Durch ein integriertes Rückkopplungsgitter ermöglicht er monomodige Emission und einer seiner größten Vorteile ist das zirkular-symmetrische, kollimierte Fernfeld. Ausserdem führt das Fehlen von Facetten zu einer höheren Resonatorgüte und zu einer größeren Uniformität unter den gefertigten Lasern. In dieser Arbeit wurde das Ring-QCL Konzept in umfangreichen Studien weiterentwickelt, optimiert und es konnten neue Ansätze für eine Modifikation der Abstrahlungscharakteristik gefunden werden. Desweiteren wurde die zweidimensionale Integrierbarkeit solcher Laser demonstriert. Dies geschah in Form eines 16-elementigen Laserarrays welches einen spektralen Bereich von 180 cm-1 abdeckt. Um den Abstand von etwa 12 cm-1 zwischen den einzelnen Laserwellenlängen zu erschließen, konnte ein gezieltes Schieben der Emissionswellenlänge während eines 2 -s langen Laserpulses gezeigt werden. Dieser Effekt basiert auf einem temperaturbedingten Anstieg des Brechungsindex. In einer detailierten Studie wurde der Einfluss des Rückkopplungsgitters auf die Lasercharakteristik untersucht. Es konnte festgestellt werden, dass sich eine Variation der Gitterparameter stark auf die Abstrahlungsrichtung und die Resonatorverluste auswirkt. Auf dieser Basis gelang es, Ring-QCLs für eine Anwendung als Substratemitter zu optimieren. Eine solche Emissionsrichtung ist möglich, da das verwendete Indiumphosphit-Substrat nahezu transparent für die Laserwellenlänge ist. Außerdem wurden Möglichkeiten vorgestellt, die der Vermeidung des zentralen Intensitätsminimums im Fernfeld, so wie es bei einem typischen Ring-QCL auftritt, dient. Dafür kann ein kleiner Versatz zwischen dem Resonator und dem Gitter zweckdienlich sein, aber es wurden auch Methoden entwickelt, die auf Phasensprüngen in der Gitterperiode beruhen. Es gelang auch komplett linear polarisierte Emission von Ring-QCls zu erzielen. Dafür kam ein Drahtgitter-Polarisator zum Einsatz, welcher in Form von 0.5 -m breiten Goldstreifen direkt auf das Substrat prozessiert wurde. Die dazu verwendeten Laser wurden als Substratemitter mit einem Phasensprunggitter realisiert.

The quantum cascade laser (QCL) is a semiconductor laser that emits in the mid infrared or terahertz spectral region. It is electrically driven and its distinctive feature is the design of the optical transitions which relies on interband transition within the conduction band. It was first introduced in 1994, when scientists managed to realize a structure that allows for a high population inversion despite the unfortunately short upper-state lifetime of such transitions. Nowadays, QCLs form extremely versatile and well-established light sources which already meet many demands of industrial, medical and scientific applications. In 2008, our group demonstrated the first Quantum Cascade Ring Laser (ring-QCL) featuring vertical light extraction and single-mode emission. This device convinces with circular symmetric, collimated far fields and the absence of facets is an advantageous feature. It leads to reduced lasing thresholds and a high performance uniformity. Within this thesis, a profound investigation of such ring-QCLs was performed and the versatility of the beam characteristic could be demonstrated. New grating and resonator structures were elaborated to influence the optical as well as the electrical laser properties. Additionally, the two-dimensional integrability of ring-QCLs was demonstrated. Using a broad gain active material, a spectral range of 180 cm-1 could be covered by a 16-element (4 x 4) laser array with the spectral peaks linearly spread around a central wavelength of 9 -m. To close the spectral gap of -12 cm-1 between the single light sources, an intra-pulse tuning technology applying 2 -s long pulses could be implemented. In a detailed study including simulations and experiments, the effect of the distributed feedback grating to the performance of the laser was investigated. It acts not only as mode-selection mechanism. Especially, for second order gratings, the grating geometry greatly influences the directivity of light emission and the threshold values. It was shown that substrate emission optimized lasers can be obtained with a grating duty cycle around 50%. Substrate emission is possible because the applied indium phosphide substrate is almost transparent for the excited laser modes. Performing a more extensive grating modification, the shape of the far field including its polarization property could be influenced. To overcome the destructive interference in the center of the far field of standard ring-QCLs, a small misalignment (below 1 -m) between the resonator and the distributed feedback grating is appropriate. It leads to central lobed, almost circular symmetric emission beams. In a slightly diverse approach, modifications based on grating pi phase shifts were proposed and realized. In that way, maximum intensity in the beam center could be constructed which already favors one distinctive polarization direction. Based on this grating structure, linearly polarized emission beams from ring-QCLs could be achieved. For this demonstration, pi phase shift lasers, optimized for substrate emission were combined with an on-chip wire grid polarizer, fabricated as a sub-wavelength structure onto the substrate.