Flip-chip integrated terahertz quantum cascade lasers

Das Ziel dieser Dissertation ist es, die On-Chip-Integration von Terahertz Quantenkaskadenlasern (THz QCLs) mittels Flip-Chip-Bonding zu erforschen und zu etablieren. Die Integration von kohärenten Lichtquellen im sichtbaren und nahen Infrarotbereich wird industriell zunehmend skalierbar und ermöglicht potenzielle Anwendungen in den Bereichen Sensorik, Spektroskopie und Hochgeschwindigkeitstelekommunikation. Kompakte, elektrisch anzusteuernde, emissionsabstimmbare THz QCLs sind ideal für die On-Chip-Integration zwischen1 und 5 THz geeignet, insbesondere aufgrund der kürzlich demonstrierten Erhöhung der Betriebstemperaturauf bis zu 261 K. Mehrere verschiedene THz QCL-Bauelemente wurden mit der, in der CMOS-Technologie etablierten, Flip-Chip-Integrationstechnik kombiniert. Das gleiche Bondingverfahren ist für eine Vielzahl von Lasergeometrien anwendbar, wodurch robuste,verbesserte THz QCL Bauelemente hergestellt werden können. Flip-Chip-gebondete, ultradünne Quantenkaskaden-Wirelaser (QCWLs) werden präsentiert, die selbst über Entfernungen größer als ihre Vakuumemissionswellenlänge optisch gekoppelt werden können. Die Kopplungsmechanismen über kurze und lange Distanzen werden dazu untersucht. Zusätzlich weisen die Bauelemente ein besseres thermisches Verhalten auf. Dies ermöglicht den Betrieb ultradünner QCWLs im Dauerstrichbetrieb bis zu 35 K, selbst wenn sie aus einem aktiven Material hergestellt sind, welches nicht dafür ausgelegt ist. Die On-Chip-Integration von THz QCLs mit rechteckigen metallischen Hohlwellenleitern wird demonstriert. Hierzu werden zwei Geometrien verwendet: gerade optische Wellenleiter zur Charakterisierung der Laser-Wellenleiter-Kopplung und U-förmige Wellenleiter für den Prototyp eines photonischen Schaltkreises, der zwei QCLs verbindet. Diese QCLs sind entweder als Lichtquelle oder als On-Chip-Leistungsmonitor verwendbar. Messungen am Demonstrator ergeben eine Einkopplungsdämpfung von 7,2 dB und eine Detektorempfindlichkeit von bis zu 48 mA/W. Abschließend werden Quanten-Kaskaden-Patch-Antennen-Arraystrukturen untersucht. Diese bestehen aus gleichförmigen quadratischen Patch-Antennen, welche in equidistantem Abstand in symmetrischen Arrays angeordnet sind. Die Arraygeomterie bestimmt dabei ihre Emissionsfrequenz. Durch die Flip-Chip-Integration dieser Bauelemente auf THz transparenten Substraten entfallen die dünnen plasmonischen Drähte, die sonst für die elektrische Verbindung der einzelnen Patches notwendig wären. Finite-Elemente-Simulationen zeigten eine verbesserte Kopplungseffizienz und einen möglichen Mehrmodusbetrieb. Zusammenfassend treibt diese Arbeit die Forschung voran, indem Flip-Chip-Bonding genutzt wird um neuartige gekoppelte QCWL-Arrays und photonische integrierte Schaltungen mit maßgefertigten metallischen Hohlwellenleitern und THz QCLs zu entwickeln.