Entwicklung von Quanten Stäben basierte THz Kaskaden Laser

Quanten Kaskaden Laser (QKL) stellen eine kompakte und kohärente Lichtquelle im mittleren und fernen Infrarotbereich dar. Dieses Konzept verwendet optische Übergänge innerhalb von künstlich erzeugten Subbändern, sodass ein unipolarer Ladungsträgertransport vorliegt und dadurch eine große Anzahl von verschiedenen Resonatoren verwendet werden können. Dieses Konzept erlaubt zwar eine große Freiheit im elektrischen und optischen Banddesign, aber die Leistungsfähigkeit dieser Laser ist auf Grund der Verwendung von Subbändern stark eingeschränkt. Das große Spektrum von Zuständen ermöglicht eine Vielzahl von nichtstrahlenden Relaxationen und Reabsorptionen das zu hohen Laserschwellen führt und ermöglicht weiters thermisch aktivierte Phonon-streuung. Dadurch ergibt sich eine starke Einschränkung der Laserperformance in Bezug auf Hoch-temperaturbetrieb, Energieeffizienz und möglicher Laseremission unterhalb von 1 THz. Ein externes Magnetfeld normal zur Wachstumsrichtung ermöglicht die Einführung diskreter Landau Niveaus und dadurch einer Lokalisierung der Landungsträger in der Wachstumsebene, wodurch quasi nulldimensionale Zustände entstehen. Dadurch konnte experimentell eine starke Verringerung der Laserschwelle erreicht werden und auch Laseremission unter 1 THz erziehlt werden. Ein alternativer Weg um intrinsisch nulldimensionale Zustände zu erhalten könnte durch den Einbau von Quantenpunkten (QP) in Quantenkaskaden (QK) Strukturen erreicht werden. Der Abstand von InAs bzw. AlGaAs QP Energieniveaus ist typischerweise größer als 40 meV und ist daher ungeeignet um THz Strahlung erzeugen zu können. Erst kürzlich hat die Gruppe von Prof. Petroff sogenannte, auf gekoppelte QP basierte, Quantendrähte (QD) publiziert. Diese Nanostrukturen besitzen nulldimensionale Niveaus deren Niveauabstände im THz Frequenzbereich kontinuierlich eingestellt werden können. Diese QD basieren auf dem III-V Materialsystem und werden epitaktisch in einer Molekularstrahlepitaxieanlage gewachsen und können dadurch leicht in eine QK Struktur integriert werden. Wir schlagen daher die Verwendung von QD als aktives Lasermaterial innerhalb von QK Strukturen vor. Die vollständige Ladungsträger-lokalisierung führt generell zu einer Erhöhung der Materialverstärkung und der differenziellen Verstärkung als auch einer höheren Temperaturstabilität von Lasern. Die Injektion und Extraktion von Ladungsträgern in/aus QD wird durch Quantenschichtzuständen ermöglicht die auch für den Ladungs-trägertransport innerhalb der Gesamtstruktur verantwortlich sind. Ein planarer photonischer Kristall (PhK) eingebettet in einem plasmonischen Wellenleiter wird als Resonator verwendet, um eine starke Lokalisierung für TM polarisiertes Licht zu ermöglichen. Dadurch kann einerseits die große spontane Emission in PhK (große Qualitätsfaktoren Q und kleine Modenvolumina Vm ) wie auch andererseits die Erhöhung der Laserverstärkung im Flachbandbereich eines PhK ausgenützt werden. Von der Realisierung einer solchen Laserstruktur kann man sich eine drastische Reduzierung der Laserschwelle erwarten, die derzeitge vergleichbare Laser in Hinsicht auf Energieeffizienz bei weitem übertreffen würde. Weiters könnte die thermisch aktivierte Phononstreuung stark reduziert werden, wodurch die Realisierung von kompakten Hochtemperaturlasern im THz Bereich ermöglicht werden würde.