DE10251824A1

DE10251824A1 - Optoelektronisches Bauelement zur Erzeugung kohärenter Strahlung im Terahertz-Frequenzbereich

Info

Publication number: DE10251824A1
Application number: DE2002151824
Authority: DE
Inventors: Vadim Prof. Dr. Lyssenko; Dirk Dipl.-Phys. Meinhold; Karl Prof. Dr. Leo; Ben Dipl.-Phys. Rosam
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2002-11-01
Filing date: 2002-11-01
Publication date: 2004-05-19

Abstract

Die Erfindung beinhaltet ein optoelektronisches Bauelement, welches durch ein räumlich oszillierendes, elektronisches Intrabandwellenpaket kohärente Strahlung im fernen infraroten Spektralbereich emittiert. Das Wellenpaket wird dabei durch ein kohärentes Strahlungsfeld aus wenigstens zwei optischen Interbandmoden getrieben. DOLLAR A Im Bauelement sind eine Heterostruktur I zur Erzeugung der mindestens zwei optischen Moden und eine Heterostruktur II für das Beherbergen des elektronischen bzw. exzitonischen Wellenpakets in einen Resonator für die optischen Moden eingebettet. Heterostruktur I und Heterostruktur II können a) baugleich oder verschieden und b) durch ein und dieselbe oder mehrere Heterostrukturen realisiert sein. Durch Anlegen einer veränderlichen Spannung kann die Emission spektral verschoben werden. Geometrisch kann das Bauelement als Wellenleiter für die emittierte THz-Strahlung aufgebaut sein.

Description

Die Erfindung betrifft ein integriertes, optoelektronisches, quantenmechanisches Bauelement zur Erzeugung kohärenter Strahlung im Frequenzbereich von 0.5 bis 10 THz. Je nach Bauform ist die emittierte Strahlung monochromatisch oder kann durch Anlegen einer veränderlichen elektrischen Spannung spektral verschoben werden, insbesondere sind die Modulation von Frequenz und Amplitude der emittierten Strahlung erfindungsgemäss möglich.
Bekannt sind Anordnungen von im optischen und nahen infraroten Spektralbereich emittierenden Lasern (vertical cavity surface emitting laser, VCSEL) bestehend aus einem Quantentrog, eingebettet in eine vertikale Resonatoranordnung, die wiederum aus kontaktierten, dotierten Schichtabfolgen a) zur dielektrischen Reflektion und Auskopplung der gewünschten optischen Kavitätsmoden und b) zum Quasiteilchentransport (Löcher und Elektronen) in den Quantentrog besteht. Die Emissionsfrequenz dieser Anordnung ist durch die minimale (Interband)-Bandlücke des Halbleiters gegeben. Durch Quantenkaskadenstrukturen (QCL) lassen sich Bauelemente mit Emissionsfrequenzen bis in den THz-Bereich herstellen, diese sind jedoch nicht spektral verstimmbar und nicht für beliebige Emissionsfrequenzen geeignet.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein optoelektronisches integriertes Bauelement anzugeben, womit kohärente Strahlung im Frequenzbereich von 0.5 bis 10 THz erzeugt werden kann.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein optoelektronisches integriertes Bauelement mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Gemäß der Erfindung erfolgt die Emission von kohärenter elektromagnetischer Strahlung durch ein räumlich oszillierendes kohärentes elektronisches oder exzitonisches Wellenpaket. Die Frequenz der abgestrahlten elektromagnetischen Welle ist hierbei gegeben durch die energetische Differenz der quantenmechanischen Energieniveaus der am Wellenpaket partizipierenden Eigenenergieniveaus des elektronischen oder exzitonischen Systems.

Die Anregung der beiden Niveaus, in denen das kohärente Wellenpaket gebildet wird, erfolgt erfindungsgemäß durch ein optisches Lichtfeld einer Laserstruktur mit vertikalem Resonator. Bekannte Anordnung solcher im optischen Spektralbereich emittierenden Laser (vertical cavity surface emitting laser, VCSEL) bestehen aus einem Quantentrog, eingebettet in eine vertikale Resonatoranordnung, bestehend aus kontaktierten, dotierten Schichtabfolgen a) zur dielektrischen Reflektion und Auskopplung der gewünschten optischen Kavitätsmoden und b) zum Quasiteilchentransport (Löcher und Elektronen) in den Quantentrog. Im Quantentrog rekombinieren die injizierten Löcher und Elektronen unter Emission von Lichtquanten, welche die Energie der Interbandlücke besitzen. Durch die Resonatoranordnung kommt es durch induzierte Emission zur Verstärkung und das Lichtfeld wird kohärent.

In der hier vorgestellten Erfindung wird innerhalb einer VCSEL Struktur gemäss dieser Struktur ein kohärentes, zweifarbiges oder mehrfarbiges Laserfeld durch stimulierten Interbandrekombinationsprozess in einer ersten Heterostruktur I erzeugt und zum kohärenten Treiben eines elektronischen oder exzitonischen Intraband-Wellenpakets in einer zweiten Heterostruktur II benutzt. Beide Heterostrukturen befinden sich innerhalb des Resonators für das optische Laserfeld.

Insbesondere können Heterostruktur I und Heterostruktur II identisch sein, so dass Generation des optischen Feldes und Generation des elektronischen bzw. exzitonischen Wellenpakets in einer Struktur stattfinden.

Die mit der räumlichen Oszillation des Wellenpakets verbundene Emission von kohärenter THz-Strahlung mit der Energie des energetischen Abstands der beteiligten Intraband-Zustände wird ausgekoppelt. Diese Strahlung propagiert horizontal und ist vertikal polarisiert.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

1: einen geometrischen Aufbau einer Mesastruktur für eine GaAs/InGaAs Heterostrktur I und Heterostruktur II, eingebettet in eine VCSEL-Struktur. Für eine GaAs/AlGaAs Heterostruktur I und II sind die Bragg-Reflektoren aus AlAs/AlGaAs, um Absorption des optischen Feldes zu verhindern.

2: eine Darstellung eines sich ergebenden Energieniveauschemas für eine Struktur I-a) für Heterostruktur I und eine Struktur II-a) für Heterostruktur II

Für die erste Heterostruktur I zur Erzeugung eines zwei- oder mehrfarbigen optischen Laserfeldes sind verschiedene Strukturen, innerhalb des Resonators für das optische Lichtfeld vorteilhaft {genannt Struktur I-a) bis Struktur I-d)}.

a) In die Resonatorstruktur wird ein asymmetrischer Doppelquantentrog eingebracht, dessen elektronische Leitungsband-Zustände bei einem bestimmten elektrischen Feld stark koppeln und infolgedessen energetisch aufspalten. Durch variieren des elektrischen Feldes lässt sich der energetische Abstand der Intrabandenergieniveaus verändern.
b) In die Resonatorstruktur wird ein Übergitter, bestehend aus 2 oder mehr stark koppelnden Quantentrögen eingebracht, dessen Leitungsband-Zustände in über mehrere Quantentröge delokalisierte Wannier-Stark-Zustände energetisch aufspalten. Durch Anlegen eines konstanten elektrischen Feldes wird der energetische Abstand der Intrabandniveaus verändert.
c) Das elektronische Mehrniveausystem wird durch das Ausheben der energetischen Entartung von im dreidimensionalen Kristall entarteten Zuständen erreicht, z.B. durch das energetische Aufspalten von Leicht- und Schwerlöchern im Quantenkonfinement oder durch Verspannung.

Die Strukturen a) bis c), sowie eine Vielzahl von ähnlichen Heterostrukturen gewährleisten ein Mehrniveausystem mit einem Grundniveau im Valenzband und zwei oder mehr Niveaus im Leitungsband, oder einem Niveau im Leitungsband und mehreren Niveaus im Valenzband. Laseremission erfolgt auf allen möglichen Interband-Rekombinationspfaden mit vergleichbarer Oszillatorstärke, mit entsprechend dafür ausgelegtem Resonator. Die Energiedifferenz der Intraband-Zustände ist hierbei sowohl durch die gewählte Geometrie des Heterosystems als auch durch das angelegte elektrische Bias-Feld bestimmt und lässt sich demgemäss einstellen. Die höhere effektive Masse der Löcher verhindert eine Kopplung der Loch-Zustände. Die Injektion der Ladungsträger erfolgt durch elektrische Kontaktierung und Transport durch die Resonatorschichten gemäss einer üblichen VCSEL-Anordnung.

d) In die Resonatorstruktur werden zwei unterschiedliche, aber nicht koppelnde Quantentröge eingebracht, die unabhängig als Interbandrekombinationspfade zur Laseremission führen. Auf Grund einer hohen Finesse des Resonators und der damit verbundenen Kohärenzlänge sind beide Laserlinien trotzdem zum Treiben eines elektronischen Wellenpakets geeignet.

Die Finesse und die spektrale Abstimmung des dielektrischen Resonators werden so gewählt, dass beide gewünschte optische Moden verstärkt werden.

Die Halbleiterschichten, aus denen der Resonator aufgebaut ist, weisen eine energetisch höhere Interbandlücke auf, als die zu verstärkenden Moden.

Die Gesamthöhe des Mesa bzw. die Kavität für die longitudinalen optischen Moden begrenzt gleichzeitig die transversale Komponente der THz-Mode und muss demzufolge als Wellenleiter für die THz-Wellenlänge ausgelegt sein.

Für eine ggf. erforderliche Durchstimmbarkeit der Frequenz des Bauelements wird die Finesse des Resonators derart gewählt, dass die optischen Moden über den gesamten durchstimmbaren Bereich verstärkt werden.

Das exzitonische System der zweiten Heterostruktur II, welche sich ebenfalls innerhalb des Resonators für das Lichtfeld befindet, wechselwirkt mit dem optischen Lichtfeld der ersten Heterostruktur I. Vorteilhaft befindet sich die Heterostruktur II etwa in der Mitte des optischen Resonators an einer Position mit Maxima der elektrischen Felder der beiden optischen Moden. Die Heterostruktur II ist derart aufgebaut, dass:

i. eine Interbandanregung durch das optische Lichtfeld mit hohem Dipolmoment von einem Zustand aus dem Band 1 in zwei oder mehrere Zustände im Band 2 möglich ist;
ii. die angeregten Zustände in Band 2 räumlich überlappen und ein möglichst grosses Intrabanddipolmatrixelement besitzen.

Das derart generierte elektronische Wellenpaket wird kontinuierlich durch das optische, aus zwei Frequenzkomponenten bestehende Laserfeld getrieben, oszilliert dabei räumlich mit der Frequenz ω_THz und emittiert kohärent Quanten mit der Energie ħω_THz, wobei ħω_THz die Energiedifferenz der beteiligten Intrabandzustände ist. Die abgestrahlte Leistung ist dabei proportional der zweiten Ableitung des Intrabanddipols nach der Zeit. Die Polarisation des elektrischen Feldes der so generierten Strahlung ist in Richtung der Wachstumsrichtung der gesamten Heterostruktur.

Folgende Strukturen sind vorteilhaft, um die Forderungen i) und ii) für die Heterostruktur II zu erfüllen {genannt Struktur II-a) und Struktur II-b)}:

a) In die Resonatorstruktur wird ein asymmetrischer Doppelquantentrog eingebracht, dessen elektronische Leitungsband-Zustände bei einem bestimmten elektrischen Feld stark koppeln und infolgedessen energetisch aufspalten. Durch die Änderung des angelegten elektrischen Feldes lässt sich die energetische Differenz ħω zwischen den Intrabandzuständen um wenige meV verändern. Insbesondere sind die zwei Wellenfunktionen, welche das Wellenpaket bilden, für den Resonanzfall symmetrisch und antisymmetrisch und ergeben damit ein maximales Intrabanddipolmatrixelement. Durch Interbandanregung werden beide Leitungsbandzustände mit einer festen Phasenbeziehung aus einem Lochzustand angeregt.
b) In die Resonatorstruktur wird ein Übergitter, bestehend aus 2 oder mehr stark koppelnden Quantentrögen eingebracht, dessen Leitungsband-Zustände in über mehrere Quantentröge delokalisierte Wannier-Stark-Zustände energetisch aufspalten. Ein Wellenpaket wird hierbei durch Interbandanregung aus einem lokalisierten Lochzustand in verschiedene, über mehrere Quantentröge delokalisierte Wannier-Stark-Zustände gebildet. Durch Anlegen eines konstanten elektrischen Feldes kann der energetische Abstand ħω der Intrabandniveaus verändert werden. Das erzeugte Wellenpaket muss einen möglichst grossen, zeitveränderlichen makroskopischen Intrabanddipol besitzen, darf also kein „Breathing-Mode" im Sinne von Sudzius et al., Phys. Rev. B 57, R12693-6 (1996) sein.

Die durch den oszillierenden Intrabanddipol erzeugte kohärente Strahlung wird senkrecht zur Schichtfolge der Heterostruktur radial abgestrahlt. Die seitliche Grenzschicht zwischen Halbleiter und Luft reflektiert dabei ca. 30 % der Terahertzstrahlung zurück in das Bauelement. Die Reflektivität kann prinzipiell durch teilweise metallische Verspiegelung erhöht werden. Da dieser THz-Laser nicht auf Inversion und stimulierter Emission beruht, ist ein Rückkoppeln der THz-Welle in das Bauelement jedoch nicht erforderlich.

Durch Wahl geeigneter Dimensionen des Mesa lässt sich eine stehende THz-Welle im Bauelement unterdrücken oder forcieren. Die Mesa-Geometrie muss derart gewählt sein, dass sich das elektrische Feld der rücklaufende Welle konstruktiv mit dem Intrabanddipol überlagert und diesen nicht auslöscht.

Die Gesamthöhe der Mesastruktur kann als Wellenleiter für die THz-Strahlung aufgebaut werden. Die dotierten dielektrischen Spiegel der vertikalen Kavität für die optischen Feldmoden wirken dabei ebenfalls als metallische Spiegel für die Transversalkomponente des THz-Feldes, wenn ω_THz < ω_plasma< ω_opisch wobei ω_plasmadie Plasmafrequenz der dielektrischen Spiegel aufgrund der Dotierung ist.

(1): n-dotiertes GaAs Substrat
(2): Bragg-Reflektor für optische Moden
(3): Heterostruktur I zur Erzeugung der optischen Interband-Lasermoden
(4): Heterostruktur II zur Erzeugung des kohärenten Wellenpakets
(5): Bragg-Reflektor für optische Moden
(6): Phasenanpassschicht für die optischen Moden
(7): Elektrischer Kontakt

Claims

Optoelektronisches Bauelement zur Erzeugung kohärenter Strahlung im fernen infraroten Spektralbereich, bestehend aus einer Resonatoranordnung für ein optisches Lichtfeld, in die eine erste Heterostruktur I (3) zur Erzeugung eines zwei- oder mehrfarbigen optischen Laserfeldes und eine zweite Heterostruktur II (4) zur Generation eines elektronischen Wellenpaketes eingebettet sind, wobei das generierte elektronische Wellenpaket kontinuierlich durch das zwei- oder mehrfarbige optische Laserfeld der Heterostruktur I getrieben wird und kohärente Strahlung emittiert.
Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 1, bestehend aus einem dotieren Substrat (1), einem dielektrischen Spiegel (2), einer Interbandlaser-Heterostruktur (3), einer Wellenpaket-Heterostruktur (4), einem dielektrischen Spiegel (5) mit Phasenanpassschicht (6) und einem Deckkontakt (7), wobei durch Ladungsträgerinjektion durch das Substrat (1) und den Deckkontakt (7) in der Interbandlaser-Heterostruktur (3) eine Interbandinversion erzeugbar ist.
Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem mit der Heterostruktur II (4) auf Grund seines makroskopischen Intrabanddipols kohärente, polarisierte Strahlung mit der Differenzfrequenz der das Wellenpaket konstituierenden Intrabandzustände abstrahlbar ist.
Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Heterostrukturen I (3) und II (4) in einer Struktur zusammengefasst sind.
Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Heterostrukturen I (3) und II (4) aus mehreren Unter-Heterostrukturen bestehen.
Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Gesamthöhe der Mesastruktur zusammen mit den dotierten Spiegeln (2) und (5), als Filmwellenleiter für die THz-Strahlung gewählt ist.
Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Heterostrukturen I (3) und II (4) durch Anlegen eines veränderlichen elektrischen Feldes energetisch verschiebbare Intrabandzustände ausweisen, wodurch die von dem optischen Bauelement emittierte Strahlung spektral verstimmbar ist.
Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem weitere dotierte Schichten und elektrische Kontakte zu den verschiedenen Heterostrukturen vorgesehen sind, um elektrische Felder über die Heterostrukturen I (3) und II (4) getrennt zu verändern und Ladungsträger zu injizieren.