Coupling of terahertz quantum cascade laser disks and ridges

Abstract

Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung von Kopplungseffekten bei Terahertz Quantenkaskadenlasern (THz QCLs) mit unterschiedlichen Resonatorbauformen. Dieser wenig benutzte Frequenzbereich befindet sich zwischen Mikrowellen und dem mittleren Infrarotbereich. Halbleiterlaser sind die einzigen kompakten und kohärenten Strahlungsquellen in diesem spektralen Bereich und daher interessant für verschiedenste Anwendungen, wie zum Beispiel das Erkennen von Tumoren in der Medizintechnik oder bei Ganzkörperscannern in der Sicherheitstechnik. Die QCLs werden durch Heterostrukturen des GaAs/AlGaAs Materialsystems realisiert, das als aktives Verstärkermedium dient. Mittels Molekularstrahlepitaxie (MBE) wird diese aus 271 Kaskaden bestehende aktive Zone gewachsen. Die Laserniveaus entstehen durch quantenmechanisch gebundene Zustände in dieser gewachsenen Nanostruktur, welche es ermöglichen, optische Übergänge zu definieren. Zwischen diesen eng benachbarten Energie - Subbändern ist es schwierig, eine Besetzungsinversion herzustellen, die für die optischen Übergänge erforderlich ist. Dies wird durch ein resonantes Phononen Design erreicht, wobei das untere Laserniveau durch longitudinale optische (LO) Phononen sehr rasch entleert wird. Als Wellenleiter dienen zwei Metallschichten (DM) oberhalb und unterhalb des aktiven Materials. Für die QCLs werden Fabry - Perot- und Disk - Resonatoren verwendet.<br />Zuerst wurden einzelne QCL Disk - Resonatoren mit unterschiedlichen Radien hinsichtlich ihrer Kennlinien charakterisiert und die aufgezeichneten Spektren mit den Simulationsergebnissen verglichen. Die Messungen zeigten, dass die Disk - Resonatoren hauptsächlich im Einzelmodenbetrieb THz - Strahlung emittieren und die spektralen Messergebnisse gut zu den simulierten Eigenfrequenzen passten.<br />Anschließend wurden gekoppelte Disks mit unterschiedlichen Radien und Abständen zwischen den Resonatoren untersucht. Es zeigte sich, dass die optimale Zusammenstellung der Resonatorgrößen die Kopplung sehr stark beeinflusst und dadurch die Möglichkeit besteht, die Emission des Kopplungspartners zu steuern.<br />Gekoppelte QCL Fabry - Perot Resonatoren wurden ebenfalls hinsichtlich ihrer Kopplung bei unterschiedlichen Längen und Abständen untersucht.<br />

The objective of the presented thesis is to study coupling effects of terahertz quantum cascade lasers (THz QCLs) with different resonators. This underused frequency region is situated between the microwaves and the mid - infrared region of the electromagnetic spectrum. Semiconductor lasers are the only compact and coherent radiation sources in this spectral region and therefore interesting for many applications, such as indication of tumors in the medicine technology of body scanners in the field of security technology. The QCLs are realized through a heterostructure of the GaAs/AlGaAs material system, which acts as active material. The active region, consisting of 271 cascades, is grown by molecular beam epitaxy (MBE). Laser levels in a QCL are formed by quantum mechanically bound states in the grown nanostructure, which allows us to define optical transitions. Population inversion is very difficult to establish between these closely adjacent energy subbands, which is necessary for optical transitions. The resonant phonon design is used for the QCLs, where the lower laser level is depopulated very quickly by longitudinal optical (LO) phonons. A double - metal (DM) waveguide, where the active medium is arranged in between two metal layers, is used. Fabry - Perot (ridge) and disk shape resonators are used for the QCLs.<br />Single QCL disk resonators with different radii were characterized and the recorded spectra of the devices were compared with the simulation results. The measurements showed that single disk resonators emitting THz radiation mainly in single mode operation and the recorded spectra fitted very well to the simulations of the Eigenfrequencies. Coupled disks with different dimensions and gaps between the two disk resonators were investigated afterwards. The results showed, that the right combination of resonator sizes had a strong influence of the coupling between the two disks. Due to the coupling effect, it was possible to control the emission of one disk with the other one. The coupling effects of coupled QCL ridge resonators with different length and gap sizes were also analyzed.