Gain and waveguide engineering in mid-infrared quantum cascade lasers



Documents pareils
Forthcoming Database

Optimized Protocol Stack for Virtualized Converged Enhanced Ethernet

Fabrication, Simulation and Characterization of Tunable Plasmonic Nano Antennas.

NORME INTERNATIONALE INTERNATIONAL STANDARD. Dispositifs à semiconducteurs Dispositifs discrets. Semiconductor devices Discrete devices

THÈSE. présentée à TÉLÉCOM PARISTECH. pour obtenir le grade de. DOCTEUR de TÉLÉCOM PARISTECH. Mention Informatique et Réseaux. par.

INSTITUT MARITIME DE PREVENTION. For improvement in health and security at work. Created in 1992 Under the aegis of State and the ENIM

Analysis of Water Transport in Polymer Electrolyte Fuel Cells using Neutron Imaging

Stéphane Lefebvre. CAE s Chief Financial Officer. CAE announces Government of Canada participation in Project Innovate.

Design and Realization of Fiber. Monitoring Applications

Guide d installation Deco Drain inc. DD200

L. Obert, T. Lascar, A. Adam

Frequently Asked Questions

Exemple PLS avec SAS

Moteur DC: Comment faire varier sa vitesse?

Product Overview Présentation produits

Face Recognition Performance: Man vs. Machine

Scénarios économiques en assurance

SYSTÈME DE GAINES À SPIRALE ET RACCORDS TOURNANTS

Paxton. ins Net2 desktop reader USB

Networking Solutions. Worldwide VSAT Maintenance VSAT dans le Monde Entretien. Satellite Communications Les Communications par Satellite

Notice Technique / Technical Manual

Application Form/ Formulaire de demande

Francoise Lee.

Préconisations pour une gouvernance efficace de la Manche. Pathways for effective governance of the English Channel

Instructions Mozilla Thunderbird Page 1

Interest Rate for Customs Purposes Regulations. Règlement sur le taux d intérêt aux fins des douanes CONSOLIDATION CODIFICATION

«Rénovation des curricula de l enseignement supérieur - Kazakhstan»

BNP Paribas Personal Finance

ETABLISSEMENT D ENSEIGNEMENT OU ORGANISME DE FORMATION / UNIVERSITY OR COLLEGE:

The new consumables catalogue from Medisoft is now updated. Please discover this full overview of all our consumables available to you.

Smart and Emotional Surfaces

Tailored-Potential Pyramidal Quantum Dot Heterostructures

Editing and managing Systems engineering processes at Snecma


Miroir de presse. International Recruitment Forum 9-10 mars 2015

MONTRÉAL LA CONFORTABLE MC

The Exploration of HIV Fitness Landscapes

Must Today s Risk Be Tomorrow s Disaster? The Use of Knowledge in Disaster Risk Reduction

CLIM/GTP/27/8 ANNEX III/ANNEXE III. Category 1 New indications/ 1 re catégorie Nouvelles indications

RAPID Prenez le contrôle sur vos données

This is a preview - click here to buy the full publication NORME INTERNATIONALE INTERNATIONAL STAN DARD. Telecontrol equipment and systems

Fabricant. 2 terminals

Cloud Computing: de la technologie à l usage final. Patrick CRASSON Oracle Thomas RULMONT WDC/CloudSphere Thibault van der Auwermeulen Expopolis

Gestion des prestations Volontaire

Discours de Eric Lemieux Sommet Aéro Financement Palais des congrès, 4 décembre 2013

Utiliser une WebCam. Micro-ordinateurs, informations, idées, trucs et astuces

Projet de réorganisation des activités de T-Systems France

PIB : Définition : mesure de l activité économique réalisée à l échelle d une nation sur une période donnée.

Macro-to-Microchannel Transition in Two-Phase Flow and Evaporation

La physique médicale au service du patient: le rôle de l agence internationale de l énergie atomique

IDENTITÉ DE L ÉTUDIANT / APPLICANT INFORMATION

A 48kHz Bandwidth, 1.8mm Diameter Entropy Probe for Aerothermal Loss Measurements in Turbomachinery Flows

Panorama des bonnes pratiques de reporting «corruption»

THE EVOLUTION OF CONTENT CONSUMPTION ON MOBILE AND TABLETS

Mise en place d un système de cabotage maritime au sud ouest de l Ocean Indien. 10 Septembre 2012

COPYRIGHT Danish Standards. NOT FOR COMMERCIAL USE OR REPRODUCTION. DS/EN 61303:1997

CURRENT UNIVERSITY EDUCATION SYSTEM IN SPAIN AND EUROPE

Electrochemically-Addressable Polyelectrolyte Substrates : a Versatile Platform for Cell Sheet Engineering

TROIS ASPECTS DE LA COMPARAISON ALLEMAGNE-FRANCE SUR L ELECTRICITE

MELTING POTES, LA SECTION INTERNATIONALE DU BELLASSO (Association étudiante de lʼensaparis-belleville) PRESENTE :

SEMINAIRE SAS VISUAL ANALYTICS LAUSANNE, MARCH 18 : JÉRÔME BERTHIER VALERIE AMEEL

APPENDIX 2. Provisions to be included in the contract between the Provider and the. Holder

Le passé composé. C'est le passé! Tout ça c'est du passé! That's the past! All that's in the past!

Small Businesses support Senator Ringuette s bill to limit credit card acceptance fees

Once the installation is complete, you can delete the temporary Zip files..

FÉDÉRATION INTERNATIONALE DE NATATION Diving

Consultation Report / Rapport de consultation REGDOC-2.3.3, Periodic Safety Reviews / Bilans périodiques de la sûreté

physicien diplômé EPFZ originaire de France présentée acceptée sur proposition Thèse no. 7178

NEW Fin Fan / Air cooled condenser cleaning

Bourses d excellence pour les masters orientés vers la recherche

Les Ontariens rejettent catégoriquement le projet de création d une école afrocentriste

Préparation / Industrialisation. Manufacturing Engineering/ On-site Industrialisation. Qualité, contrôle et inspection. On-site quality and Inspection

RETHINKING JACQUES ELLUL AND THE TECHNOLOGICAL SOCIETY IN THE 21ST CENTURY REPENSER JACQUES ELLUL ET LA SOCIETE TECHNICIENNE AU 21EME SIECLE

LADIES IN MOBILITY. LIVE TWEET Innovative City

APPENDIX 6 BONUS RING FORMAT

iqtool - Outil e-learning innovateur pour enseigner la Gestion de Qualité au niveau BAC+2

AVOB sélectionné par Ovum

Stratégie DataCenters Société Générale Enjeux, objectifs et rôle d un partenaire comme Data4

sur le réseau de distribution

L ESPACE À TRAVERS LE REGARD DES FEMMES. European Economic and Social Committee Comité économique et social européen

MANAGEMENT SOFTWARE FOR STEEL CONSTRUCTION

^OmWj. \k Mai Ingenieur chimiste dipl. EPFL. originaire d'ormont-dessus (VD) ELECTROSTAHQUE SUR LE FONCTIONNEMENT. accepte sur proposition du

The space to start! Managed by

I>~I.J 4j1.bJ1UlJ ~..;W:i 1U

Tier 1 / Tier 2 relations: Are the roles changing?

Marie Curie Individual Fellowships. Jean Provost Marie Curie Postdoctoral Fellow, Institut Langevin, ESCPI, INSERM, France

First Nations Assessment Inspection Regulations. Règlement sur l inspection aux fins d évaluation foncière des premières nations CONSOLIDATION

PRESENTATION. CRM Paris - 19/21 rue Hélène Boucher - ZA Chartres Est - Jardins d'entreprises GELLAINVILLE

Comprendre l impact de l utilisation des réseaux sociaux en entreprise SYNTHESE DES RESULTATS : EUROPE ET FRANCE

Contrôle d'accès Access control. Notice technique / Technical Manual

1.The pronouns me, te, nous, and vous are object pronouns.

REMOTE DATA ACQUISITION OF EMBEDDED SYSTEMS USING INTERNET TECHNOLOGIES: A ROLE-BASED GENERIC SYSTEM SPECIFICATION

Judge Group: P Title: Quel est meilleur: le compost ou le fertilisant chimique? Student(s): Emma O'Shea Grade: 6

Relions les hommes à l entreprise Linking people to companies

PeTEX Plateforme pour e-learning et expérimentation télémétrique

2013 IIHF WORLD WOMEN S HOCKEY CHAMPIONSHIP

Nouveautés printemps 2013

Contents Windows

Photoactivatable Probes for Protein Labeling

Enjeux et défis en assurance habitation Marc-Olivier Faulkner 18 novembre 2011

Transcription:

Diss. ETH No. 18732 Gain and waveguide engineering in mid-infrared quantum cascade lasers A dissertation submitted to ETH ZÜRICH for the degree of Doctor of Sciences presented by TOBIAS GRESCH Dipl. Phys.-El., University of Neuchâtel born on November 3, 1977 citizen of Freienbach, SZ Switzerland accepted on the recommendation of Prof. Dr. Jérôme Faist, examiner Prof. Dr. Carlo Sirtori, co-examiner 2009

Abstract Quantum cascade lasers are unipolar semiconductor lasers that, due to the generality of the principles they are based on and the flexibility of the underlying technology, allow to fabricate sources of coherent light from the midinfrared down to the frequencies of the terahertz. In this work we present different approaches in the domains of active region and waveguide engineering of mid-infrared quantum cascade lasers. The quantum cascade lasers with large optical cavities presented in this work allow to obtain an optical mode with a quasi-rectangular intensity profile. We show that devices based this principle reduce the effects of vertical spatial hole burning in the waveguide core and thus achieve an optimal slope efficiency. We also show that the introduction of passive layers in the waveguide core stabilizes the electric field in the latter and enhances its thermal conductivity. Moreover, due to the large spatial extension of the optical mode, the devices exhibit a much narrower farfield than devices with standard waveguides. Despite limitations encountered due to the use of non-optimized active regions and old-school device processing we could demonstrate devices that exhibit more than 14 W of peak power and 34 % slope efficiency at λ 5 µm in pulsed operation (1 % duty-cycle) at cryogenic temperatures. Devices emitting at λ 10.5 µm and fabricated with more advanced techniques attained a peak power of 4.7 W and slope efficiencies up to 1.6 W/A in pulsed operation (1 % duty-cycle) at room temperature. Strain-compensated active regions developed more than 10 years ago and based on the GaInAs and AlInAs materials and grown on InP substrates have shown to be the best way to obtain high power quantum cascade lasers emitting in the first mid-infrared atmospheric window (3.5-5.0 µm). After introducing the framework (including surface segregation) that allows us to quantitatively simulate the performances of our devices and to correctly predict their emission wavelength at different temperatures we present a spiked active region design. With this design structures are grown with a small amount of strain (±0.5 %) and AlAs and InAs spikes with sub-monolayer thicknesses are added in the barriers and wells, respectively, that are situi

ated around the wells hosting the lasing transition. Devices based on this design and emitting at λ 4.5 µm and λ 4.8 µm worked in continuous-wave operation up to room temperature and a maximal average power of 200 mw was observed at 303 K. Furthermore we present a multi-section cavity gain measurement technique that allows to measure the gain of a quantum cascade laser structure in waveguide configuration. The self-aligned technique yields a direct and quantitative measurement of the gain and the waveguide losses and, due to its pulsed operation, can be performed at high temperatures and for high current densities. Using this technique we measured the gain of devices based on a single-quantum-well active region and that operate in a regime of very low to vanishing population inversion. The measured gain shows a dispersive lineshape for low population inversion between the upper and lower subband of the lasing transition and recovers a more Lorentzian-shaped gain for increasing population of the upper subband. This evolution of the gain shape is predicted by a model that includes scattering-assisted transitions between the two subbands.

Resumé Des lasers à cascade quantique sont des lasers unipolaires qui, grâce à la flexibilité des principes et de la technologie sur lesquels ils sont basés, permettent de réaliser des sources de lumière cohérente qui émettent des longueurs d ondes dans l infrarouge moyen jusqu aux fréquences theraherz. Dans ce travail, nous allons présenter des approches différentes dans le domaine de l ingénieurie des régions actives d une part et des guides d onde d autre part pour des lasers à cascade quantique qui émettent dans l infrarouge moyen. Les lasers à cascade quantique avec des cavités optiques que nous présentons dans ce travail permettent de réaliser des modes optiques avec un profile d intensité quasi rectiligne. Nous montrons que des lasers basés sur ce principe réduisent les effets du hole-burning spatial dans la direction de croissance et permettent d obtenir une pente différentielle optimale. Nous montrons aussi que l incorporation de couches passives dans le coeur du guide d onde stabilise le champ électrique et améliore la conduction thermique du dispositif. De plus, l extension spatiale large du mode optique dans le guide résulte dans un champ lointain étroit ce qui facilite la collection de la lumière avec des dispositifs optiques. Malgré les limitations que nous avons rencontrés dû à l emploi de régions actives non-optimisées montrant des courants de seuil importants d une part et une fabrication simpliste des echantillons d autre part, nous avons pu démontrer des dispositifs qui émettent plus de 14 W de puissance de crête et une efficacité de 34 % à une longeur d onde de λ 5 µm à température cryogénique. Un échantillon émettant à λ 10.5 µm et fabriqué avec une technologie plus avancée a atteint une puissance de crête de 4.7 W et une pente différentielle jusqu à 1.6 W/A à température ambiante en mode pulsé. Des régions actives avec contrainte compensée ont été developpé il y a dix ans. Les lasers basés sur les matériaux GaInAs et AlInAs et crûs sur un substrat de InP ont montré que ceci est la meilleure méthode pour fabriquer des lasers à cascade quantique qui émettent dans la première fenêtre transparente de l infrarouge moyen qui se trouve entre 3.5 et 5.0 µm. Après la présentation des bases (en incluant la ségrégation à la surface des matériaux volatiles) iii

qui nous permet de faire une simulation quantitative des performances des échantillons et de prédire correctement leur longueur d onde d émission en fonction de la température, nous présentons une région active qui contient des pics. Cette région active a été crû avec relativement peu de contrainte (±0.5 %), mais des couches fines de InAs et de AlAs avec une épaisseur plus fine qu une couche atomique ont été introduites dans les puits et barrières proches de la transition optique. Des échantillons basés sur ce principe et qui émettent à λ 4.5 µm et λ 4.8 µm ont fonctionné jusqu à température ambiante en mode continu et ont atteint une puissance maximale de 200 mw à la même température. De plus, nous présentons une technique basée sur un guide d onde divisé en plusieurs sections qui permet de mesurer le gain d une structure à cascade quantique. Ceci est une technique auto-alignée qui permet de faire une mesure directe et quantitative du gain et des pertes de guide et qui, grâce au mode d opération pulsé, permet aussi de faire les mesures à haute température et avec des densités de courant importantes. En utilisant cette technique, nous avons mesuré le gain d échantillons basés sur une région active contenant un simple puits quantique. Ces échantillons travaillent dans un régime d inversion de population faible. Le gain mesuré montre une forme dispersive quand l inversion de population est très faible et devient de plus en plus symétrique lorsqu on augmente le courant et donc l inversion de population. Cette évolution de la forme de gain est prévue par un modèle qui tient compte de transitions du deuxième ordre entre des sous-bandes.