Photonics for THz Quantum Cascade Lasers - ETH E

Diss. ETH No. 19024
Photonics for
THz Quantum Cascade Lasers
A dissertation submitted to
ETH Z ÜRICH
for the degree of
Doctor of Sciences
presented by
MARIA I. AMANTI
Dipl. Phys., Universitita’ degli studi Federico II Naples, Italy
born on September 9, 1982
Nationality: Italian
accepted on the recommendation of
P r of. Dr . J ér ôm e Fa ist , exa m in er
Prof. Dr. Alessandro Tredicucci, co-examiner
2010
Abstract
Quantum cascade (QC) lasers are unipolar semiconductor lasers based on
intersubband transitions in quantum wells that cover a large portion of the
Mid and Far Infrared electromagnetic spectrum. In this work the interest has been focused on the study of sources emitting in the THz range.
Two main research lines have been followed. The first one concerned the
design of robust active medium for high performance laser, flexible to different growth technique. A successful gain medium is demonstrated that
combines a wide gain bandwidth, large photon-driven transport and good
high-temperature characteristics. It relies on a diagonal transition between
a bound state and doublet of states, coupled to the upper state of a phonon
extraction stage. The relative tolerance of the design to small variations
in the barrier thicknesses made it suitable to achieve good performance,
using the organometallic chemical vapor deposition; this result is the first
reported for similar structures.
In this work a deep theoretical and experimental study of waveguides for
terahertz QC lasers is then reported. The interest has been focused in particular to the so called “double metal” geometry, where the active region
is sandwiched between two metal layers in a deeply subwavelength region.
The high confinement of the optical mode leads on one side to high operating temperatures but, on the other side, to a strong mismatch condition for
the out-coupling of the laser light. Successful results on the control of the
beam emission of these sources are presented. The use of structure similar
to microwave horn antenna waveguide demonstrates the property of reshaping of typical wide and patterned emission in a single spot; an enhancement
of a factor 10 of the measured output optical power is reported at an operating frequency ∼ 1.7 THz. In addition, a careful study of higher-order
distributed feedback is presented. Third-order grating has been identified
as a powerful mean to improve the outcoupling condition for double metal
waveguide; high performance, single mode devices are presented where the
laser emission is concentrated in a single spot with divergence values down
to 10◦ , depending on geometry. This design has been further exploited to
realize efficient subwavelength waveguides, photonic-wire lasers, where the
diffraction limit could be overcome, achieving a narrow emission beam.
Riassunto
I laser a cascata quantica sono sorgenti a semiconduttore unipolari, basate
su transizioni intersottobanda. Essi coprono una larga parte dello spettro
elettromagnetico, dal medio al lontano infrarosso. In questo lavoro di tesi
l’attenzione e’ rivolta ai dispositivi operanti nella regione del THz. Due
principali linee di ricerca sono state seguite. La prima riguardante il design
di una regione attiva per laser ad alte prestazioni e flessibili rispetto alle
differenti tecniche di crescita. Un vincente mezzo attivo che combina una
larga larghezza di guadagno, un largo trasporto guidato dai fotoni e buone
caratteristiche termiche e’ stato dimostrato. Esso si basa su una transizione
diagonale tra uno stato confinato e un doppietto di stati accoppiati al livello
superiore di una transizione fononica. La buona tolleranza di questo design
alle possibili piccole variazioni degli spessori delle barriere lo rende adatto
al raggiungimento di dispositivi ad alte prestazioni usando la tecnica di deposizione chimia organometallica; questo risultato e’ il primo riportato per
strutture similari. In questo lavoro e’ poi discusso uno dettagliato studio
teorico e sperimentale delle guide d’onda per i laser a cascata quantica nel
THz. L’interesse e’ stato in particolare volto alla cosiddetta guida doppio
metallo, dove il mezzo attivo e’ posto tra due strati metallici in una regione molto piu’ piccola della lunghezza d’onda. Il forte confinamento del
modo ottico porta da un lato ad alte temperature di funzionamento ma
dall’altro, ad un forte discrepanza per le condizioni di accopiamento del
modo verso l’esterno. Buoni risultati sul controllo del fascio di emissione
della luce sono presentati. Usando strutture simili alle antenne a tromba
usate nelle microonde, e’ dimostrato un completo cambiamento della tipica
larga emissione del laser in un singolo fascio; un aumento di un fattore
10 della potenza ottica emessa e’ riportato per dispositivi operanti a 1.7
THz. Un attento studio dei ”distibuted feedback lasers” ad alto ordine e’
inoltre presentato. Dispositivi basati sulla risonanza al terzo ordine hanno
dimostrato essere un ottimo mezzo per migliorare le condizioni di accoppiamento verso l’esterno per le guide doppio metallo. Sono stati realizzati
dispositivi con alta potenza ottica, emissione su una singola frequenza e in
un singolo fascio, di pochi gradi di divergenza. Questa stessa idea e’ stata
inoltre sfruttata per realizzare strutture piu’ piccole della lunghezza d’onda,
chiamate laser-filo, ma che ancora mantengono una emissione collimata.