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Development of terahertz quantum-cascade lasers as sources for heterodyne receivers
Die vorliegende Arbeit beschĂ€ftigt sich mit der Entwicklung und Optimierung von Terahertz-Quantenkaskadenlasern (THz-QCLs) fĂŒr die Anwendung als Lokaloszillator in THz-Heterodyndetektoren, insbesondere fĂŒr die Detektion der astronomisch wichtigen Sauerstoff (OI) Linie bei 4.75 THz. HierfĂŒr wurden zunĂ€chst unterschiedliche QCL-Heterostrukturen untersucht. Basierend auf einer Heterostruktur, welche schnelle IntersubbandĂŒbergĂ€nge ĂŒber Streuung an Phononen ausnutzt, konnten QCLs mit hoher Ausgangsleistung und niedriger Betriebsspannung bei 3 THz erzielt werden. WĂ€hrend diese Laser auf dem Materialsystem GaAs/Al_xGa_(1-x)As mit basieren, fĂŒhrt die Erhöhung des Al-Anteils auf x=0.25 fĂŒr Ă€hnliche Strukturen zu sehr niedrigen Schwellstromdichten. Durch schrittweise Optimierungen gelang es, QCLs zu realisieren, die bei 4.75 THz emittieren. Mit Hilfe von lateralen Gittern erster Ordnung fĂŒr die verteilte RĂŒckkopplung (DFB) konnten Einzelmoden-Dauerstrichbetrieb mit hoher Ausgangsleistung, sowie Einzelmoden-Betrieb innerhalb des spezifizierten Frequenzbereichs bei 4.75 THz erzielt werden. Eine allgemeine Methode zur Bestimmung der DFB-Kopplungskonstanten erlaubt eine gute Beschreibung der Laser innerhalb der etablierten Theorie der gekoppelten Moden fĂŒr DFB-Laser mit reflektiven Endfacetten. Oft steht das Auftreten negativer differentieller LeitfĂ€higkeit bei höheren FeldstĂ€rken und die damit verbundenen Bildung von elektrischer FelddomĂ€nen (EFDs) im Konflikt mit einem stabilen Betrieb der THz-QCLs. Es wird gezeigt, dass stationĂ€re EFDs mit DiskontinuitĂ€ten in der statischen Licht-Strom-Spannungskennlinie verbunden sind, wĂ€hrend Selbstoszillationen, verursacht durch nicht-stationĂ€re EFDs, eine zeitliche Modulation der Ausgangsleistung bewirken. Mit Hilfe einer effektiven Driftgeschwindigkeit fĂŒr QCLs lassen sich viele der beobachteten PhĂ€nomene durch die nichtlinearen Transportgleichungen fĂŒr schwach gekoppelte Ăbergitter beschreiben.This thesis presents the development and optimization of terahertz quantum-cascade lasers (THz QCLs) as sources for heterodyne receivers. A particular focus is on single-mode emitters for the heterodyne detection of the important astronomic oxygen (OI) line at 4.75 THz. Various active-region designs are investigated. High-output-power THz QCLs with low operating voltages and emission around 3 THz are obtained for an active region, which involves phonon-assisted intersubband transitions. While these QCLs are based on a GaAs/Al_xGa_(1-x)As heterostructure with x=0.15, similar heterostructures with x=0.25 allowed for very low threshold current densities. By successive modifications of the active-region design, THz QCLs have been optimized toward the desired frequency at 4.75 THz. To obtain single-mode operation, first-order lateral distributed-feedback (DFB) gratings are investigated. It shows that such gratings allow for single-mode operation in combination with high continuous-wave (cw) output powers. A general method is presented to calculate the coupling coefficients of lateral gratings. In conjunction with this method, the lasers are well described by the coupled-mode theory of DFB lasers with two reflective end facets. Single-mode operation within the specified frequency bands at 4.75 THz is demonstrated. Stable operation of THz QCLs is often in conflict with the occurrence of a negative differential resistance (NDR) regime at elevated field strengths and the formation of electric-field domains (EFDs). Stationary EFDs are shown to be related to discontinuities in the cw light-current-voltage characteristics, while non-stationary EFDs are related to current self-oscillations and cause a temporal modulation of the output power. To model such effects, the nonlinear transport equations of weakly coupled superlattices are adopted for QCLs by introducing an effective drift velocity-field relation
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Evidence for frequency comb emission from a Fabry-PĂ©rot terahertz quantum-cascade laser
We report on a broad-band terahertz quantum-cascade laser (QCL) with a long Fabry-PĂ©rot ridge cavity, for which the tuning range of the individual laser modes exceeds the mode spacing. While a spectral range of approximately 60 GHz (2 cmâ1) is continuously covered by current and temperature tuning, the total emission range spans more than 270 GHz (9 cmâ1). Within certain operating ranges, we found evidence for stable frequency comb operation of the QCL. An experimental technique is presented to characterize frequency comb operation, which is based on the self-mixing effect
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