Development of terahertz quantum-cascade lasers as sources for heterodyne receivers

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung und Optimierung von Terahertz-Quantenkaskadenlasern (THz-QCLs) für die Anwendung als Lokaloszillator in THz-Heterodyndetektoren, insbesondere für die Detektion der astronomisch wichtigen Sauerstoff (OI) Linie bei 4.75 THz. Hierfür wurden zunächst unterschiedliche QCL-Heterostrukturen untersucht. Basierend auf einer Heterostruktur, welche schnelle Intersubbandübergänge über Streuung an Phononen ausnutzt, konnten QCLs mit hoher Ausgangsleistung und niedriger Betriebsspannung bei 3 THz erzielt werden. Während diese Laser auf dem Materialsystem GaAs/Al_xGa_(1-x)As mit $x=0.15$ basieren, führt die Erhöhung des Al-Anteils auf x=0.25 für ähnliche 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 für die verteilte Rückkopplung (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 für DFB-Laser mit reflektiven Endfacetten. Oft steht das Auftreten negativer differentieller Leitfähigkeit bei höheren Feldstärken und die damit verbundenen Bildung von elektrischer Felddomänen (EFDs) im Konflikt mit einem stabilen Betrieb der THz-QCLs. Es wird gezeigt, dass stationäre EFDs mit Diskontinuitäten in der statischen Licht-Strom-Spannungskennlinie verbunden sind, während Selbstoszillationen, verursacht durch nicht-stationäre EFDs, eine zeitliche Modulation der Ausgangsleistung bewirken. Mit Hilfe einer effektiven Driftgeschwindigkeit für QCLs lassen sich viele der beobachteten Phänomene durch die nichtlinearen Transportgleichungen für schwach gekoppelte Übergitter 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

High-spectral-resolution terahertz imaging with a quantum-cascade laser

We report on a high-spectral-resolution terahertz imaging system operating with a multi-mode quantum-cascade laser (QCL), a fast scanning mirror, and a sensitive Ge:Ga detector. By tuning the frequency of the QCL, several spectra can be recorded in 1.5 s during the scan through a gas cell filled with methanol (CH3OH). These experiments yield information about the local absorption and the linewidth. Measurements with a faster frame rate of up to 3 Hz allow for the dynamic observation of CH3OH gas leaking from a terahertz-transparent tube into the evacuated cell. In addition to the relative absorption, the local pressure is mapped by exploiting the effect of pressure broadening

A 3.5-THz, x6-Harmonic, Single-Ended Schottky Diode Mixer for Frequency Stabilization of Quantum-Cascade Lasers

Efficient and compact frequency converters are essential for frequency stabilization of terahertz sources. In this paper, we present a 3.5-THz, x6-harmonic, integrated Schottky diode mixer operating at room temperature. The designed frequency converter is based on a single-ended, planar Schottky diode with a sub-micron anode contact area defined on a suspended 2-$\mu$m ultra-thin GaAs substrate. The dc-grounded anode pad was combined with the radio frequency E-plane probe, which resulted in an electrically compact circuit. At 200 MHz intermediate frequency, a mixer conversion loss of about 59 dB is measured and resulting in a 40 dB signal-to-noise ratio for phase locking 3.5-THz quantum-cascade laser. Using a quasi-static diode model combined with electromagnetic simulations, good agreement with the measured results was obtained. Harmonic frequency converters without the need of cryogenic cooling will help in the realization of highly sensitive space and air-borne heterodyne receivers.Comment: Submitted to IEEE-TS

Frequency tuning of terahertz quantum-cascade lasers by spatially controlled optical excitation

We demonstrate the feasibility of wideband frequency tuning of terahertz quantum-cascade lasers by spatially well-controlled near-infrared optical excitation. We observe a single-mode continuous-wave frequency coverage of up to 40 GHz for a 3.1 THz laser. This represents a tenfold improvement of the tuning range for the same device as compared to tuning by current. This method is applicable to a wide variety of existing terahertz quantum-cascade lasers

A small satellite with a dual-frequency heterodyne spectrometer for the detection of atomic oxygen in the atmosphere of Earth

A first step towards realization, a small satellite study for OSAS (Oxygen Spectrometer for Atmospheric Science) has been performed based on Concurrent Engineering methods

Development of terahertz quantum-cascade lasers as sources for heterodyne receivers

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. Zugriffsstatistik:Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung und Optimierung von Terahertz-Quantenkaskadenlasern (THz-QCLs) für die Anwendung als Lokaloszillator in THz-Heterodyndetektoren, insbesondere für die Detektion der astronomisch wichtigen Sauerstoff (OI) Linie bei 4.75 THz. Hierfür wurden zunächst unterschiedliche QCL-Heterostrukturen untersucht. Basierend auf einer Heterostruktur, welche schnelle Intersubbandübergänge über Streuung an Phononen ausnutzt, konnten QCLs mit hoher Ausgangsleistung und niedriger Betriebsspannung bei 3 THz erzielt werden. Während diese Laser auf dem Materialsystem GaAs/Al_xGa_(1-x)As mit $x=0.15$ basieren, führt die Erhöhung des Al-Anteils auf x=0.25 für ähnliche 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 für die verteilte Rückkopplung (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 für DFB-Laser mit reflektiven Endfacetten. Oft steht das Auftreten negativer differentieller Leitfähigkeit bei höheren Feldstärken und die damit verbundenen Bildung von elektrischer Felddomänen (EFDs) im Konflikt mit einem stabilen Betrieb der THz-QCLs. Es wird gezeigt, dass stationäre EFDs mit Diskontinuitäten in der statischen Licht-Strom-Spannungskennlinie verbunden sind, während Selbstoszillationen, verursacht durch nicht-stationäre EFDs, eine zeitliche Modulation der Ausgangsleistung bewirken. Mit Hilfe einer effektiven Driftgeschwindigkeit für QCLs lassen sich viele der beobachteten Phänomene durch die nichtlinearen Transportgleichungen für schwach gekoppelte Übergitter beschreiben

Laser emission at 4.5 THz from 15NH3 and a mid-infrared quantum-cascade laser as a pump source

We present an optically pumped terahertz gas laser, which is based on a mid-infrared quantum-cascade laser as a pump source, a transversely pumped standing wave resonator, and 15NH3 as a gain medium. We observe several laser lines around 4.5 THz, corresponding to rotational transitions in the ν2 band of ammonia. So far, these are the highest frequencies obtained from a QCL-pumped THz gas laser. The involved molecular transitions are unambiguously identified by high-resolution spectroscopy

High-Frequency Modulation Spectroscopy with a THz Quantum-Cascade Laser

A terahertz absorption spectrometer with a quantum-cascade laser (QCL) for high-resolution molecular spectroscopy is realized. The spectrometer is based on highfrequency (up to 50 MHz) modulation of the QCL frequency. This allows for the determination of the absorption coefficient and dispersion of the absorbing medium along with a very precise measurement of the line shape of the absorption feature. The design and performance of the spectrometer are presented, and its sensitivity and frequency calibration are discussed