Modellierung von Quantenkaskadenlaser-Frequenzkämmen im mittleren Infrarot- und Terahertz-Bereich

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christian Jirauschek
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 323277022

Gegenstand dieses Projektes ist die Modellierung von Quantenkaskadenlaser(QKL)-Frequenzkämmen im mittleren Infraroten (MIR) und im Terahertz(THz)-Bereich. Der QKL ist eine sehr vielseitige Lichtquelle, welche auf künstlich designten optischen Übergängen im Leitungsband einer Halbleiter-Nanostruktur anstatt Elektron-Loch-Rekombination beruht. Dadurch werden Frequenzbereiche erschlossen, welche ansonsten für kompakte Halbleiterlaser unzugänglich sind. Zusätzlich können extrem hohe optische Nichtlinearitäten in die QKL-Nanostruktur integriert werden, was kürzlich für die Realisierung kompakter MIR- und THz-Frequenzkammquellen genutzt wurde. Diese liefern ein äquidistantes Linienspektrum, welches als Lineal im Frequenzbereich fungiert, was zahlreiche innovative Anwendungen in Metrologie und Spektroskopie, wie z.B. der chemischen Sensorik, ermöglicht.Die Beschreibung der zugrunde liegenden kohärenten nichtlinear-optischen Phänomene erfolgt mittels der Maxwell-Bloch-Gleichungen. Im Gegensatz zu bislang verwendeten störungstheoretischen Lösungen streben wir eine vollständig zeitabhängige numerische Behandlung an. Durch Kopplung des resultierenden numerischen Schemas an Ensemble-Monte-Carlo(EMC)-Ladungsträgertransport-Simulationen erhalten wir ein selbstkonsistentes Verfahren, welches keine empirischen Eingabeparameter benötigt. Auf diese Weise entsteht ein quantitatives numerisches Modell, welches alle relevanten Effekte wie Vierwellenmischung, Dispersion und räumliches Lochbrennen enthält. Insbesondere liefert solch ein rein numerisches Verfahren nicht nur eine genaue Beschreibung des Frequenzkammbetriebes, sondern ermöglicht auch die Identifizierung des erlaubten Parameterbereiches für die Ausbildung stabiler Kämme und die Untersuchung unvollkommener Kämme, welche sich nur über einen Teil der Lasermoden erstrecken.Im Einzelnen beinhaltet der Antrag die Entwicklung eines stabilen und effizienten numerischen Verfahrens für die Lösung der Maxwell-Bloch-Gleichungen, welches für Langzeit-Simulationen zur Eliminierung von Einschwingvorgängen geeignet ist. Darauf aufbauend soll durch Kopplung an EMC-Simulationen ein selbstkonsistentes Modellierungswerkzeug entwickelt werden. Weiterhin werden wir in unser Modell resonantes Tunneln einbauen, welches vorrangig in THz-QKL-Strukturen eine wichtige Rolle spielt und die spektralen Eigenschaften des Frequenzkammes signifikant beeinflussen kann. In enger Zusammenarbeit mit experimentellen Gruppen werden wir das Modellierungswerkzeug zur Analyse QKL-basierter MIR- und THz-Frequenzkämme sowie die Entwicklung verbesserter Kammquellen, z.B. mit erweiterter spektraler Bandbreite, nutzen. Ein weiteres Ziel ist die theoretische Untersuchung der Realisierbarkeit breitbandiger THz-Kämme, z.B. durch Abwärtskonvertierung von MIR-Kämmen. Dies beinhaltet die Entwicklung eines stabilen und effizienten numerischen Verfahrens für die Lösung der Maxwell-Bloch-Gleichungen ohne die üblicherweise verwendete Drehwellennäherung.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen