Erzeugung von Frequenzkämmen im mittleren Infrarot in passiven III-V-Wellenleitern auf der Basis von InP

• Antragsteller: Professor Mikhail Belkin, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 463411319

Ziel des Projekts ist es, erstmals die Erzeugung von Frequenzkämmen im mittleren Infrarot mittels parametrischer Vier-Wellen-Mischung in passiven Mikroresonatoren zu demonstrieren. Dazu soll nahezu entartete Vier-Wellen-Mischung in Mikroresonatoren untersucht werden. Die Materialbasis zur Herstellung der Wellenleiterstrukturen werden InP und hierauf gitterangepasst abscheidbare Verbindungen darstellen. Die wellenführenden Kerne werden aus GaInAs oder GaAsSb bestehen, die in InP eingebettet werden. Die Schwerpunkte der Forschungsarbeiten in diesem Projekt werden sich auf die Untersuchung der Vier-Wellen-Mischung und die Demonstration von Frequenzkämmen im Wellenlängenbereich von etwa 4,5 bis 5,5 µm konzentrieren. Einerseits dürften in diesem Wellenlängenbereich die Wellenleiterverluste zu den niedrigsten gehören und andererseits stehen hier sehr leistungsstarke Single-Mode-Quantenkaskaden-Laser zur Verfügung, die als optische Pumpen eingesetzt werden können. Abgesehen davon sei aber angemerkt, dass die intrinsischen Halbleiter GaInAs, GaAsSb aber auch InP selbst über den gesamten Bereich des mittleren Infrarot von etwa 3 bis 12 µm verlustarm sind und eine nahezu verschwindende Dispersion der Gruppengeschwindigkeit aufweisen. Sollte also die Erzeugung von Frequenzkämmen im Bereich von 4,5 bis 5,5 µm auf der Basis von GaInAs/GaAsSb/InP-Heterostrukturen erfolgreich gezeigt werden können, darf davon ausgegangen werden, dass eine Erweiterung auf den vollen Spektralbereich von 3 bis 12 µm ohne weiteres möglich sein sollte.Perspektivisch böte die Entwicklung einer Technologie passiver Mikroresonatoren auf InP-Basis die Möglichkeit zur monolithischen Integration mit Quantenkaskaden-Lasern aus GaInAs/AlInAs-Heterostrukturen als elektrisch gepumpten Lichtquellen. Durch diese monolithische Integration von Lichtquellen im mittleren Infrarot mit den verlustarmen, passiven Wellenleitern auf InP-Basis würden dann kompakte Breitband-Doppelkamm-Mittelinfrarotspektrometer im Chip-Maßstab realisierbar werden, die Spektren mit sehr hohen Geschwindigkeiten aufnehmen können und sperrige Fourier-Transform-Infrarotspektrometer für viele Anwendungen ersetzen würden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen