DE102016106757A1 - Metall-Metall-Wellenleiter für eine Strahlung im THz-Bereich sowie Quantenkaskadenlaser mit einem solchen Wellenleiter - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Metall-Metall-Wellenleiter 2 für einen Quantenkaskadenlaser 1 zum Erzeugen einer elektromagnetischen Strahlung im THz-Bereich. Bei dem Wellenleiter 2 ist die Höhe des aktiven Mediums 7 durch jeweils eine Metallschicht 5, 8 begrenzt. Der Wellenleiter 2 weist an seinem Strahlungsausbreitungsrichtung weisenden Ende eine Auskoppelfläche 9 zum Auskoppeln von erzeugter THz-Strahlung aufweist. Der die Auskoppelfläche 9 aufweisende Endabschnitt des Wellenleiters 2 weist durch Vorsehen zumindest eines Ausdehnungsbereiches 11, in dem sich Strahlung quer zur Längserstreckung des aktiven Mediums 7 aus diesem in das äußere Dielektrikum ausdehnt, einen gegenüber den übrigen Abschnitten des Wellenleiters 2 reduzierten Brechungsindex auf. Beschrieben ist des Weiteren ein Quantenkaskadenlaser 1 mit einem solchen Wellenleiter.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Metall-Metall-Wellenleiter für einen Quantenkaskadenlaser zum Erzeugen einer elektromagnetischen Strahlung im THz-Bereich, bei welchem Wellenleiter die Höhe des aktiven Mediums durch jeweils eine Metallschicht begrenzt ist, welcher Wellenleiter an seinem in Strahlungsausbreitungsrichtung weisenden Ende eine Auskoppelfläche zum Auskoppeln von erzeugter THz-Strahlung aufweist. Beschrieben ist des Weiteren ein Quantenkaskadenlaser 1 mit einem solchen Wellenleiter.
• Für verschiedene Anwendungen besteht Interesse an Strahlungsquellen in einem Frequenzbereich von 0,1–10 THz, etwa in der Spektroskopie, der medizinischen Bildgebung, der drahtlosen Kommunikation oder auch bei Sicherheitskontrollen. Das Interesse an einer Nutzbarmachung dieser Strahlung liegt in ihrer Besonderheit begründet, dass diese auch in optisch opakes Material eindringen können. Diese Eigenschaft macht diese Strahlung interessant, beispielsweise für medizinische Bildgebungsverfahren. Die durch einen solchen Quantenkaskadenlaser durch stimulierte Emission entstehende elektromagnetische Strahlung wird in dem aktiven Medium eines Wellenleiters gebündelt. Dieses erfolgt in einem solchen Maße, dass so viele Laserübergänge stimuliert werden, damit elektromagnetische Strahlung in dem genannten Frequenzbereich aus dem Wellenleiter ausgekoppelt werden kann. Als Wellenleiter für derartige Zwecke sind aus dem Stand der Technik zwei grundsätzliche Typen bekannt. Eingesetzt werden zum einen Metall-Metall-Wellenleiter. Bei diesen Wellenleitern ist das aktive Medium in seiner Höhe durch jeweils eine Metallschicht begrenzt. Auf diese Weise wird die erzeugte elektromagnetische Strahlung auf das aktive Medium gebündelt. Die beiden Metallschichten bilden einen Eingrenzungsbereich für die elektromagnetische Strahlung, so dass mit Metall-Metall-Wellenleitern die bisher beste Hochtemperaturleistung erzielbar ist. Allerdings ist aufgrund von Reflexionen und Streueffekten an der Luft-Wellenleiter-Grenzfläche sowie Verlusten innerhalb des Wellenleiters die Auskopplungsleistung nicht übermäßig hoch.
• Neben den vorbeschriebenen Metall-Metall-Wellenleitern werden für dieselben Zwecke auch halbisolierende plasmonische Wellenleiter eingesetzt. Bei diesen Wellenleitern ist anstelle der das aktive Medium begrenzenden Metallschicht eines Metall-Metall-Wellenleiters eine dotierte Halbleiterschicht eingesetzt. Hierdurch können Streueffekte an der Luft-Wellenleiter-Grenzfläche verringert werden, da sich die Wellenleitermoden in die das aktive Medium begrenzende Halbleiterschicht ausdehnen. Erreicht wird hiermit eine gewisse Verbesserung in Bezug auf die erzielbare Auskopplungsleistung. Nachteilig ist allerdings die bei isolierenden plasmonischen Wellenleitern die geringe Hochtemperaturleistung. Dieses macht man daran fest, dass die elektromagnetische Strahlung nicht so gut wie in einem Metall-Metall-Wellenleiter auf das aktive Medium konzentriert wird. Halbisolierende plasmonische Wellenleiter sind beispielsweise aus WO 2006/123153 A1 und US 2012/0296589 A1 bekannt.
• Ausgehend von diesem diskutierten Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, einen Metall-Metall-Wellenleiter der eingangs genannten Art im Hinblick auf seine Auskoppelleistung zu verbessern, um einen Wellenleiter auch für eine höhere Temperaturleistung mit einer gegenüber herkömmlichen Metall-Metall-Wellenleitern höheren Auskoppelleistung zur Verfügung zu haben.
• Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch einen eingangs genannten, gattungsgemäßen Metall-Metall-Wellenleiter, bei dem der die Auskoppelfläche aufweisende Endabschnitt des Wellenleiters durch Vorsehen zumindest eines Ausdehnungsbereiches, in dem sich die Strahlung quer zur Längserstreckung des aktiven Mediums aus diesem in das äußere Dielektrikum ausdehnt, einen gegenüber den übrigen Abschnitten des Wellenleiters reduzierten Brechungsindex aufweist.
• Bei diesem Metall-Metall-Wellenleiter, der ebenso wie herkömmliche Metall-Metall-Wellenleiter eine besonders gute Hochtemperaturleistung bietet, ist die Auskoppelleistung dadurch überraschend verbessert, dass der Wellenleiter zumindest einen Ausdehnungsbereich aufweist. Zumindest ein solcher Ausdehnungsbereich befindet sich in dem die Auskoppelfläche des Wellenleiters aufweisenden Endabschnitt desselben. In einem solchen Ausdehnungsbereich ist der effektive Brechungsindex gegenüber dem benachbarten Wellenleiterabschnitt ohne einen solchen Ausdehnungsbereich reduziert. In einem solchen Ausdehnungsbereich wird aus dem aktiven Medium Strahlung ausgekoppelt. Da sich der Ausdehnungsbereich quer zur Längserstreckung des Wellenleiters und somit in einer anderen Raumlage als die Auskoppelfläche desselben befindet, sind hierdurch Streueffekte signifikant reduziert. In diesem Bereich des Wellenleiters kann sich die darin erzeugte elektromagnetische Strahlung somit ausdehnen, und zwar in das den Wellenleiter an der Seite seines Ausdehnungsbereiches umgebende dielektrische Medium. In vielen Fällen wird dieses Luft sein. Der Brechungsindex dieses auch als äußeres Dielektrikum zu bezeichnenden Mediums ist jedenfalls kleiner als derjenige des aktiven Mediums.
• Zum Auskoppeln von Strahlung aus einem solchen Ausdehnungsbereich ist dieser je nach Konzeption derselben ganz oder teilweise ohne eine Metallschicht vorgesehen, die in den übrigen Abschnitten des Wellenleiters, die keine Ausdehnungsbereiche aufweisen, Sorge dafür trägt, dass die elektromagnetische Strahlung innerhalb des aktiven Mediums gebündelt bleibt. Ein solcher Ausdehnungsbereich kann anstelle einer durchgehenden Metallschicht Metallstrukturen aufweisen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, einen Ausdehnungsbereich durch sich quer zur Längserstreckung des Wellenleiters erstreckende und voneinander beabstandete Metallstreifen auszubilden. Die zwischen den Metallstreifen befindlichen freigelassenen Bereiche bilden sodann diejenigen Fenster, aus denen Strahlung aus dem aktiven Medium ausgekoppelt wird. Auch andere Metallstrukturen sind einsetzbar, wie beispielsweise solche, die nach Art eines Rasters, etwa schachbettartig, ausgeführt sind. Die Länge derartiger Metallschichtstrukturen in einem Ausdehnungsbereich in Längserstreckung des Wellenleiters und somit in Strahlungsausbreitungsrichtung ist an die Wellenlänge der in dem aktiven Medium erzeugten elektromagnetischen Strahlung angepasst. Die metallischen Strukturen in einem solchen Ausdehnungsbereich weisen vorzugsweise eine Länge in der vorgenannten Richtung auf, die kleiner ist als die Wellenlänge der in dem aktiven Medium erzeugten Strahlung.
• Beeinflussen lässt sich die Auskoppelleistung auch durch die Länge eines solchen Ausdehnungsbereiches in Längserstreckung des Wellenleiters und/oder auch dadurch, dass der Wellenleiter neben einem solchen Ausdehnungsbereich in dem die Auskoppelfläche umfassenden Endabschnitt noch einen oder mehrere weitere Ausdehnungsbereiche aufweist. Derartige Ausdehnungsbereiche sind typischerweise voneinander beabstandet. Bei einem Metall-Metall-Wellenleiter können diese ausgelegt sein, um den effektiven Brechungsindex gegenüber dem entgegen der Strahlungsausbreitungsrichtung benachbarten Abschnitt des aktiven Mediums des Wellenleiters um unterschiedliche Beträge zu reduzieren.
• Eine weitere Steigerung in der Auskoppelleistung eines solchen Wellenleiters lässt sich dadurch erreichen, wenn der oder die Ausdehnungsbereiche in Strahlungsausbreitungsrichtung in einer solchen Art und Weise auf die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung abgestimmt sind, damit in dem oder den Ausdehnungsbereichen, gegebenenfalls auch unter Berücksichtigung eines zwischen zwei Ausdehnungsbereichen befindlichen Zwischenabschnitts des Wellenleiters eine konstruktive Interferenz stattfindet.
• In Bezug auf die konstruktive Länge eines solchen Wellenleiters ist die Länge des oder der Ausdehnungsbereiche typischerweise ein oder sogar zwei Größenordnungen geringer als die Länge des Wellenleiters. Dieses begründet u. a. eine besondere Hochtemperaturleistungsfähigkeit dieser Wellenleiter. Gegenüber herkömmlichen Metall-Metall-Wellenleitern sind diese aufgrund des quasi durchgängigen Schutzes durch die Metallschicht, in der der eine oder die mehreren Ausdehnungsbereiche integriert sind, diesbezüglich nicht nennenswert geschwächt. Somit vereint dieser Metall-Metall-Wellenleiter in geschickter Weise die positiven Eigenschaften in Bezug auf eine gute Hochtemperaturleistung eines Metall-Metall- Wellenleiters mit der gegenüber herkömmlichen Metall-Metall-Wellenleitern verbesserten Auskoppelleistung von plasmonischen Wellenleitern.
• Von besonderem Vorteil dieses Metall-Metall-Wellenleiters ist, dass sich derartige Ausdehnungsbereiche in besonders einfacher Art und Weise ausbilden lassen. So kann beispielsweise ein herkömmlicher Metall- Metall-Wellenleiter durch bereichsweises Wegätzen oder durch anderweitiges Entfernen der Metallschicht, beispielsweise durch Lasern, ausgebildet werden. Hieraus wird deutlich, dass ohne Weiteres herkömmliche Metall-Metall-Wellenleiter durch Einbringen zumindest eines solchen Ausdehnungsbereiches in dem die Auskoppelfläche umfassenden Endabschnitt zu einem erfindungsgemäßen Metall-Metall-Wellenleiter umgearbeitet werden kann, sodass dessen Auskoppelleistung um ein Mehrfaches größer ist als vor dem Erstellen zumindest eines solchen Ausdehnungsbereiches. Die Konzeption eines solchen Ausdehnungsbereiches kann alternativ auch bereits beim Aufbringen der Metallschicht auf das aktive Medium berücksichtigt werden, sodass schlichtweg die Ausdehnungsfenster in dem Ausdehnungsbereich metallisch unbeschichtet bleiben.
• In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Ausdehnungsfenster im Ausdehnungsbereich durch eine dotierte Schicht gebildet werden, und zwar eine solche dotierte Schicht, die in Abhängigkeit von ihrer elektrischen Ansteuerung entweder metallisch oder dielektrisch wirkt. Bei einer solchen Ausgestaltung kann es sich anbieten, mehrere derartiger dotierter Schichtstreifen in Strahlungsausbreitungsrichtung nebeneinander anzuordnen, sodass die Länge der Ausdehnungsfenster in Abhängigkeit von der Wellenlänge der erzeugten Strahlung und der durch die Ausdehnungsfenster bewirkten Strahlungsdivergenz in Bezug auf die Auskoppelleistung optimiert werden. Mit einem solchen Wellenleiter können sodann mit optimierter Auskoppelleistung elektromagnetische Strahlen in unterschiedlichen Wellenlängen bereitgestellt werden, wobei die Anpassung an die jeweilige Wellenlänge der Strahlung über eine jeweils angepasste Ausbildung des Ausdehnungsbereiches durch entsprechendes Ansteuern einzelner dotierter Schichtstreifen als Dielektrikum oder Metallschicht erfolgt, und zwar ohne dass der Wellenleiter als solcher konstruktiv geändert werden müsste.
• Nachfolgend ist die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen:
• 1: eine schematisierte Darstellung eines Metall-Metall-Wellenleiters eines Quantenkaskadenlasers,
• 2: einen schematisierten Teilquerschnitt durch den Wellenleiter der 1,
• 3: ein Diagramm zur Darstellung der verbesserten Auskoppelleistung des erfindungsgemäßen Wellenleiters gegenüber einem herkömmlichen Metall-Metall-Wellenleiter und
• 4a–4c: Spektraldiagramme der Wellenleiter der 3 bei den Stromdichten an den Positionen b, c und d der 3.
• Ein in 1 lediglich schematisiert dargestellter Quantenkaskadenlaser 1 umfasst einen Metall-Metall-Wellenleiter 2. Der Wellenleiter 2 ist auf einem dielektrischen Trägersubstrat 3 angeordnet. Der Quantenkaskadenlaser 1 verfügt über eine Gleichstromspannungsquelle 4. Angeschlossen ist die Spannungsquelle 4 mit ihrem Plus-Pol an die als Elektrode 5 ausgelegte obere Deckschicht des Wellenleiters 2. Der Minus-Pol ist an eine auf dem Substrat 3 angeordnete Elektrode 6 angeschlossen. Die Elektrode 6 ist durchgehend auf der Oberfläche des Substrates 3 angeordnet. Der Aufbau des Wellenleiters 2 ist in der Querschnittsdarstellung der 2 gezeigt. Der Wellenleiter 2 umfasst ein aktives Medium 7, auf dem die bereits erwähnte Elektrode 5 als metallische Deckschicht unter Zwischenschaltung einer hochdotierten leitenden Schicht 5.1 aufgebracht ist. Die Schichtdicke der Elektrode 5 sowie der hochdotierten Schicht 5.1 ist in etwa gleich. Die hochdotierte Schicht 5.1 ist auf das aktive Medium 7 aufgewachsen. Die der Elektrode 5 gegenüberliegende Seite des aktiven Mediums ist durch die Elektrode 6 unter Zwischenschaltung ebenfalls einer hochdotierten, elektrisch leitenden Schicht 8 begrenzt. Die Schichtdicken der Elektrode 6 und der hochdotierten Schicht 8 sind in etwa gleich. Der Quantenkaskadenlaser 1 ist ausgelegt um eine Strahlungsemission bei 2,7 THz zu erzeugen. Die in 2 erkennbare Höhe des aktiven Mediums, bestimmt durch den Abstand der beiden Metallschichten 5, 8, beträgt bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel 13 µm. Die Länge des Wellenleiters 2 in Strahlungsausbreitungsrichtung im Bereich seiner Metallschicht 5 beträgt bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel 38 µm. Wie aus den 1 und 2 erkennbar, ist die Querschnittsfläche des aktiven Mediums trapezförmig ausgelegt. Die Darstellung des Wellenleiters 2 ist in den Figuren nicht maßstäblich. Die Metallschichten 5, 8 sind in der Darstellung überhöht gezeigt. Die Länge des Wellenleiters 2 beträgt 1,58 mm. Die Stirnseite des aktiven Mediums 7, die dem Anschluss an die Spannungsquelle 4 gegenüberliegt, stellt die Auskoppelfläche 9 des Wellenleiters 2 dar. Aus dieser tritt die elektromagnetische Strahlung in dem vorgenannten Frequenzbereich aus.
• Der Wellenleiter 2 ist somit prinzipiell nach dem Prinzip eines herkömmlichen Metall-Metall-Wellenleiters aufgebaut. Wesentlich ist bei dem Wellenleiter 2 des Quantenkaskadenlasers 1 jedoch, dass in einem Endabschnitt, der an die Auskoppelfläche 9 grenzt, in seiner Metallschicht 5 streifenförmige Freilassungen als Ausdehnungsfenster 10 aufweist. Die Metallschicht 5 hat eine Dicke von etwa 150 nm. Zum Erzeugen der Ausdehnungsfenster 10 ist in diesem Endabschnitt des Wellenleiters 2 die Metallschicht 5 mittels eines fokussierten Ionenstrahls entfernt worden. Dieser Endabschnitt ist im Rahmen dieser Ausführung auch als Ausdehnungsbereich 11 angesprochen. In 1 ist in einer vergrößerten Darstellung eine Draufsicht auf den Ausdehnungsbereich 11 gezeigt. Die verbliebenen Anteile der Metallschicht 5 sind mit diesem Bezugszeichen gekennzeichnet. Die Ausdehnungsfenster 10 befinden sich jeweils dazwischen. Die Längserstreckung der Ausdehnungsfenster 10 verläuft quer zur Strahlungsausbreitungsrichtung in dem aktiven Medium 7, in 1 bei der vergrößerten Darstellung des Ausdehnungsbereichs 11 durch einen Blockpfeil angedeutet. Durch die Auskoppelfenster 10, in denen die ansonsten die Oberseite des aktiven Mediums 7 begrenzende Metallschicht entfernt worden ist, wird bei einem Betrieb des Quantenkaskadenlasers 1 die erzeugte elektromagnetische Strahlung teilweise aus dem aktiven Medium 7 ausgekoppelt, da im Bereich der Ausdehnungsfenster 10 die die Moden eingrenzende Metallschicht fehlt. Die Breite eines Metallschichtstreifens 5 und eines Ausdehnungsfensters 10 in Strahlungsausbreitungsrichtung beträgt bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel 2 µm und ist damit deutlich geringer als die erzeugte Wellenlänge sowohl in Luft als auch im Metall-Metall-Wellenleiter 2. 1 zeigt, dass der Ausdehnungsbereich 11 unmittelbar an die Auskoppelfläche 9 grenzt. Die gesamte Länge des Ausdehnungsbereiches 11 in Strahlungsausbreitungsrichtung beträgt bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel 38 µm, was nur etwa 2,5 % der gesamten Länge des Wellenleiters 2 ist.
• Bei einem Betrieb des Quantenkaskadenlasers 1 wird die räumliche Beschränkung der Strahlung auf das aktive Medium 7 durch die Ausdehnungsfenster 10 im Bereich des Ausdehnungsbereiches 11 aufgehoben, wobei sich Strahlung aus dem aktiven Medium 7 in Querrichtung zu der eigentlichen Strahlungsausbreitungsrichtung ausdehnt. Der Anteil der sich ausdehnenden Strahlung kann über die Länge der Ausdehnungsfenster 10 bzw. das Verhältnis der Länge eines Ausdehnungsfensters 10 zu dem benachbarten Metallschichtstreifen 5 eingestellt werden. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Länge der Streifen 5, 10 gleich. Die Auslegung des Ausdehnungsbereiches 11 in Bezug auf die Gestaltung des oder der Ausdehnungsfenster 10 ist abhängig von der Wellenlänge der mit dem Laser 1 erzeugten Strahlung. In den Figuren ist lediglich ein mögliches Ausführungsbeispiel der Auslegung eines solchen Ausdehnungsbereiches 11 gezeigt. Zahlreiche andere sind ebenfalls möglich. Wesentlich ist, dass durch das Ausdehnen von Strahlung in das äußere Dielektrikum der effektive Brechungsindex im Ausdehnungsbereich 11 herabgesetzt ist mit der Folge, dass aus der Auskoppelfläche 9 eine signifikant höhere Strahlungsintensität ausgekoppelt wird, womit die Auskoppelleistung des Wellenleiters 2 signifikant erhöht wird.
• Weiter gesteigert werden kann die Auskoppelleistung, wenn der Ausdehnungsbereich hinsichtlich seiner Länge derart ausgelegt ist, damit in diesem eine konstruktive Interferenz erfolgt. Da die Ausbildung einer konstruktiven Interferenz aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt ist, soll an dieser Stelle hierauf nicht näher eingegangen werden. Die Besonderheit der konstruktiven Interferenz in diesem Zusammenhang ist, dass diese zusammen mit der Reduzierung des effektiven Brechungsindex im Ausdehnungsbereich eingesetzt wird.
• Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel grenzt die in den Figuren gezeigte Oberseite des aktiven Mediums 7 im Bereich der Ausdehnungsfenster 10 unmittelbar an das Medium der Wellenleiterhülle, welches bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel Luft ist. Damit beträgt der Brechungsindex in dem den Wellenleiter 2 umgebenden Dielektrikum 1. In dem aktiven Medium 7 außerhalb des Ausdehnungsbereiches 11 beträgt der Brechungsindex bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel 3,5. Der Brechungsindex in dem Ausdehnungsbereich 11 liegt zwischen diesen beiden Werten. Über die Auslegung des Ausdehnungsbereiches 11 bzw. der Dimensionierung des oder der Ausdehnungsfenster 10 lässt sich der Brechungsindex in diesem Abschnitt des aktiven Mediums einstellen. Somit lässt sich über die Auslegung des Ausdehnungsbereiches 11 auch die Auskoppelleistung und damit die Transmission einstellen. Untersuchungen haben ergeben, dass eine optimierte Transmission bei dem Wellenleiter 2 eingestellt werden kann, wenn der Ausdehnungsbereich 11 einen Brechungsindex gemäß folgender Formel aufweist:

  
• Bei dem in den Figuren beschriebenem Ausführungsbeispiel, bei dem der Brechungsindex im aktiven Medium 3,5 und in dem umgebenden Dielektrikum 1 beträgt, resultiert dieses zu einem Brechungsindex in dem Ausdehnungsbereich 11 von etwa 1,7, wenn eine optimierte Transmission erreicht werden soll. Tatsächlich wird bei dem diesbezüglich ausgelegten Wellenleiter 2, bei dem der Brechungsindex in dem Ausdehnungsbereich 11 etwa 1,7 beträgt, eine Transmission von 90% erreicht. Dies bedeutet, dass 90% der in dem Wellenleiter 2 erzeugten Strahlung aus der Auskoppelfläche 9 ausgekoppelt wird und als Nutzstrahlung zur Verfügung steht. Gegenüber der Effektivität herkömmlicher Wellenleiter der in Rede stehenden Art ist diese Verbesserung signifikant. Je nach der gewünschten Anwendung kann über die Einrichtung des Ausdehnungsbereiches 11 die Transmission (Auskoppelleistung) eingestellt werden.
• Die vorstehende Beschreibung des konstruktiven Aufbaus des Metall- Metall-Wellenleiters 2 als Teil eines Quantenkaskadenlasers 1 macht deutlich, dass sich dieser mit einfachen Mitteln herstellen lässt. Letztendlich braucht bei einem solchen Metall-Metall-Wellenleiter in der oberen Metallschicht 5 lediglich ein Ausdehnungsbereich ausgebildet zu werden, beispielsweise durch bereichsweises Entfernen der oberen Metallschicht. Damit können auch herkömmliche Metall-Metall-Wellenleiter durch diese Maßnahme hinsichtlich ihrer Auskoppelleistung (Transmission) signifikant verbessert werden.
• 3 zeigt in einer Gegenüberstellung die Ausgangsleistung eines herkömmlichen Metall-Metall-Wellenleiters (MM) mit einem Wellenleiter 2 gemäß der Erfindung, der in 3 und den nachfolgenden Figuren mit MMHS bezeichnet bzw. angesprochen ist. Der Vergleichsuntersuchung liegen zwei hinsichtlich ihrer Geometrie identische Metall-Metall-Wellenleiter zugrunde, wobei der Wellenleiter MMHS gemäß der Erfindung den zu 1 beschriebenen Ausdehnungsbereich 11 aufweist. Beide Wellenleiter wurden gleichermaßen strom- und spannungsversorgt, wie dieses die linke Kurve in dem Diagramm der 3 zeigt, in der die diesbezüglichen Kurven deckungsgleich sind. Von Interesse ist die mit dem jeweiligen Wellenleiter MM bzw. MMHS erzielte Ausgangsleistung. Die Ausgangsleistung ist in diesem Diagramm in einer relativen, willkürlich gewählten Einheit angegeben. Wesentlich ist bei der Darstellung der 3 nicht die absolute Ausgangsleistung, sondern der Vergleich der Ausgangsleistung der beiden miteinander verglichenen Wellenleiter MM und MMHS. Die mit dem herkömmlichen Wellenleiter MM erzielte Ausgangsleistung ist in 3 durch die mit Rauten gekennzeichnete Kurve dargestellt. Die Ausgangsleistungskurve bei Verwendung des erfindungsgemäßen Wellenleiters MMHS ist durch die mit Kreisen gekennzeichnete Kurve repräsentiert. Bei beiden Wellenleitern baut sich eine Ausgangsleistung beginnend mit einer Stromdichte von 530 A/cm² auf. Erkennbar ist die Ausgangsleistung des erfindungsgemäßen Wellenleiters MMHS signifikant höher als diejenige des herkömmlichen Wellenleiters MM. Bei Stromdichten von 590 A/cm² und etwa 720 A/cm², durch die gestrichelten Linien (b) und (d) in 3 kenntlich gemacht, ist die Ausgangsleistung des verbesserten Wellenleiters MMHS fast dreimal so hoch wie bei dem herkömmlichen Wellenleiter MM. Bei einer Stromdichte von etwa 620 A/cm², durch die gestrichelte Linie (c) in 3 kenntlich gemacht, ist die Ausgangsleistung des Wellenleiters MMHS gegenüber dem Wellenleiter MM sogar etwa viermal so hoch. Eine solche Steigerung in der Ausgangsleistung eines Metall-Metall-Wellenleiters, insbesondere als Folge der vorbeschriebenen Maßnahme war nicht vorherzusehen.
• Die 4a bis 4c zeigen Frequenzspektren der Wellenleiter MM und MMHS bei den in 3 mit (b), (c) und (d) gekennzeichneten Stromdichten von 590 A/cm², 620 A/cm² und 720 A/cm². In den 4a bis 4c ist die Intensität mit einer relativen Einheit angegeben, was für die Zwecke der Gegenüberstellung ausreichend ist. In den 4a bis 4c ist das obere Spektrum jeweils dasjenige des herkömmlichen Wellenleiters MM und das untere Spektrum jeweils dem erfindungsgemäßen Wellenleiter MMHS zugeordnet. Bei höheren Stromdichten (siehe 4c) verschiebt sich das Spektrum zu höheren Frequenzen hin. Bemerkenswert ist, dass bei dem gewünschten Frequenzbereich mit dem erfindungsgemäßen Wellenleiter MMHS eine signifikant höhere Intensität und damit eine signifikant höhere Transmission erzielt wird. Von Besonderheit ist des Weiteren, dass bei dem verbesserten Wellenleiter MMHS das Frequenzspektrum zwei signifikante Frequenzen bei höherer Stromdichte zeigt, und zwar zum einen bei etwa 2,56 THz, ebenso wie bei den Frequenzen geringerer Stromdichte (siehe 4a und 4b) und einen weiteren Frequenzpeak bei etwa 2,7 THz. Bei einer höheren Stromdichte zeigt sich in dem Frequenzbereich bei etwa 2,5 THz keine nennenswerte spektrale Beteiligung mehr. Der Wellenleiter MMHS ist auf eine Frequenz von etwa 2,5 THz optimiert. Die beispielhaft in 4a bis 4c gezeigten Frequenzspektren machen deutlich, dass gerade in diesem Spektrum die gewünschte Frequenz über die beobachteten Stromdichten quasi konstant bleibt. Auch dieses lässt die signifikant verbesserte Ausgangsleistung des innovativen Wellenleiters MMHS nochmals deutlich werden.
• Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben worden. Ohne den Umfang der geltenden Ansprüche zu verlassen, ergeben sich für einen Fachmann zahlreiche weitere Ausgestaltungsmöglichkeiten, die Erfindung umsetzen zu können.
• Bezugszeichenliste

1

Quantenkaskadenlaser

2

Wellenleiter

3

Trägersubstrat

4

Spannungsquelle

5

Elektrode/Metallschicht

5.1

Schicht

6

Elektrode

7

aktives Medium

8

Schicht

9

Auskoppelfläche

10

Ausdehnungsfenster

11

Ausdehnungsbereich

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• WO 2006/123153 A1 [0003]
• US 2012/0296589 A1 [0003]

Claims (13)

1. Metall-Metall-Wellenleiter für einen Quantenkaskadenlaser (1) zum Erzeugen einer elektromagnetischen Strahlung im THz-Bereich, bei welchem Wellenleiter (2) die Höhe des aktiven Mediums (7) durch jeweils eine Metallschicht (5, 8) begrenzt ist, welcher Wellenleiter (2) an seinem in Strahlungsausbreitungsrichtung weisenden Ende eine Auskoppelfläche (9) zum Auskoppeln von erzeugter THz-Strahlung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der die Auskoppelfläche (9) aufweisende Endabschnitt des Wellenleiters (2) durch Vorsehen zumindest eines Ausdehnungsbereiches (11), in dem sich Strahlung quer zur Längserstreckung des aktiven Mediums (7) aus diesem in das äußere Dielektrikum ausdehnt, einen gegenüber den übrigen Abschnitten des Wellenleiters (2) reduzierten Brechungsindex aufweist.
2. Wellenleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Ausdehnungsbereich (11) die in den übrigen Abschnitten des Wellenleiters (2) zum Eingrenzen der erzeugten Strahlung auf das aktive Medium (7) dienende Metalleinfassung ganz oder teilweise fehlt.
3. Wellenleiter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Ausdehnungsbereich (11) mehrere, sich quer zur Strahlungsausbreitungsrichtung und über die Länge des aktiven Mediums (7) erstreckende Schlitze in der an das aktive Medium (7) grenzenden Metallschicht (5) vorgesehen sind.
4. Wellenleiter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Ausdehnungsbereich (11) in der Metalleinfassung nach Art eines Rasters angeordnete Durchbrechungen vorgesehen sind. Wellenleiter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Metalleinfassung im Ausdehnungsbereich ganz oder teilweise durch eine dotierte Schicht gebildet ist, in Abhängigkeit ihrer elektrischen Ansteuerung metallisch oder dielektrisch wirkt oder die ne- ben den vorgenannten Eigenschaften ebenfalls Zwischeneigenschaften aufweisen kann.
5. Wellenleiter nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Ausdehnungsbereich (11) vorhandene Teile der metallischen Einfassung (5) in Strahlungsausbreitungsrichtung kürzer als die Wellenlänge der in dem aktiven Medium (7) erzeugten THz-Strahlung ist.
6. Wellenleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenleiter mehrere, in Strahlungsausbreitungsrichtung hintereinander liegende Ausdehnungsbereiche aufweist.
7. Wellenleiter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Ausdehnungsbereiche voneinander beabstandet sind.
8. Wellenleiter nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausdehnungsbereiche jeweils dieselbe Charakteristik hinsichtlich einer Reduzierung des effektiven Brechungsindex aufweisen.
9. Wellenleiter nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausdehnungsbereiche jeweils für einen unterschiedlichen Reduzierungsbetrag in der Herabsetzung des effektiven Brechungsindex ausgelegt sind.
10. Wellenleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der einen Ausdehnungsbereich (11) umfassende Endabschnitt des Wellenleiters (22) nicht mehr als 5–10 % seiner Länge ausmacht.
11. Wellenleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge eines Ausdehnungsbereiches (11) in Strahlungsausbreitungsrichtung auf die Wellenlänge der erzeugten THz-Strahlung dergestalt abgestimmt ist, damit in diesem Ausdehnungsbereich (11) eine konstruktive Interferenz stattfindet.
12. Wellenleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Brechungsindex in dem Ausdehnungsbereich (11) des Wellenleiters (2) einen Brechungsindex gemäß folgender Formel aufweist:

    
13. Quantenkaskadenlaser mit einem Metall-Metall-Wellenleiter (2), dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenleiter (2) ein Wellenleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 13 ist.

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