On the light emission from ring quantum cascade lasers and their application in spectroscopic sensing

Abstract

Quantenkaskadenlaser sind effiziente Lichtquellen im mittleren Infrarotbereich, die elektronische Übergänge zwischen Subbändern im Leitungsband zur Lichterzeugung nutzen. Diese Subbänder entstehen durch das schichtweise Auftragen von unterschiedlichen Halbleitermaterialien. Die dabei abgestrahlte Wellenlänge des Lichts kann durch die Schichtdicke variabel gestaltet werden, was diese Laser zu vielseitig einsetzbaren Instrumenten in unterschiedlichen Bereichen wie Prozess- und Umweltüberwachung sowie medizinischer und biochemischer Diagnostik macht. Viele dieser Anwendungen profitieren dabei von kompakten und gleichzeitig effizienten Lichtquellen. Ringförmige Quantenkaskadenlaser (Ring QCLs) bestehen aus einem zirkularen Wellenleiter mit einem verteilten Rückkopplungsgitter zweiter Ordnung und gehören somit zu den Oberflächenemittern. Diese Laserstruktur ermöglicht sogenanntes "on-chip testing" während allen Produktionsschritten und bietet dabei neben der Realisierbarkeit zweidimensionaler Matrixanordnungen auch den Vorteil großer emittierender Flächen, die einen kollimierten Laserstrahl erzeugen. Der erste Teil dieser Dissertation setzt sich zum Ziel diesen Laserstrahl neu zu gestalten um dabei die Leistungsfähigkeit der Laser zu verbessern sowie neue Anwendungsbereiche zu erschließen. Integrierte Phasensprünge im Rückkopplungsgitter sorgen für ein zentrales Intensitätsmaximum im Fernfeld des Lasers. Darüber hinaus ist es möglich mittels dieser Phasensprünge die Lasermode innerhalb des Resonators im Hinblick auf ihren Schwerpunkt sowie ihre Ordnung zu untersuchen. Ein neu entwickeltes duales Rückkopplungsgitter spiegelt dabei diese Charakteristika der Mode im Lichtstrahl des Lasers wider. Ring QCLs emittieren Licht nicht nur vertikal nach oben sondern auch nach unten durch das Substrat. Durch eine mikroskopische Strukturierung der Chip-Unterseite ist es gelungen ein vielseitiges Metamaterial zu entwickeln, das als fokussierende Linse oder als bahndrehimpulserzeugende Spiralstruktur direkt in den Halbleiterchip eingearbeitet werden kann. Im zweiten Teil dieser Dissertation werden potentielle Anwendungen von Ring QCLs in der Spektroskopie aufgezeigt. Durch ihre kompakte Bauweise sind diese Laser ideal zur Integration mit hohlen Lichtwellenleitern, die gleichzeitig als Gasmesszelle verwendet werden können, geeignet. Heterodyn-Spektroskopie in Kombination mit Ringlasern im Dauerstrichbetrieb bietet nicht nur Immunität gegen Intensitätsschwankungen sondern ermöglicht auch Einblicke in die optischen und elektrischen Eigenschaften dieser Laser. Im abschließenden Kapitel dieser Dissertation wird ein neuartiges Sensorprinzip vorgestellt, das Laser und Detektor auf einem einzigen Chip vereint. Darüber hinaus ist es durch Verwendung von zwei konzentrischen Ringstrukturen möglich vertauschbare Emissions- und Detektionseinheiten zu verwirklichen, die den Weg für kompakte Sensorsysteme ebnen.

Efficient light sources in the mid-infrared spectral region are desirable for various environmental, industrial and biochemical applications. Quantum cascade lasers (QCLs) facilitate tailorable emission characteristics over a wide wavelength range and provide reliable high-performance operation. Besides the possibility of on-chip testing and two dimensional array integration, surface emitting QCLs offer collimated laser beams induced by their large apertures. A detailed understanding of the formation of the light beam as well as a precise control of the latter is indispensable for most applications. In the first part of this dissertation, beam modifications of vertically emitting ring QCLs are designed and successfully implemented. They provide enhanced beam patterns and make novel applications accessible. Dual distributed feedback gratings with integrated phase shifts create central lobed far field patterns and simultaneously contain detailed information about the location and order of the whispering gallery mode propagating inside the circular resonator. Due to the second order distributed feedback grating, ring QCLs exhibit bi-directional emission in the surface and substrate directions. A microscopic metamaterial is designed and directly fabricated into the semiconductor substrate in order to reshape the substrate beam. Based on this approach dielectric on-chip lenses for light collimation as well as spiral phase structures for orbital angular momentum beams are realized. The second part of this dissertation discusses the topic of ring QCLs for spectroscopic sensing applications. Compatibility of these lasers with substrate integrated hollow waveguides for gas analysis is demonstrated, which represents the first milestone towards compact sensor systems requiring small sample volumes. Heterodyne phase-sensitive detection techniques exhibits not only immunity to power uctuations but also reveal key insights into the optical and electrical characteristics of ring QCLs. Finally, an innovative sensing concept is introduced which combines laser and detector on a single chip. Utilization of two concentric ring-shaped laser/detector units features mutual commutation and paves the way for ultra-compact sensor systems.