Untersuchungen zu Halbleiterlichtquellen für kosteneffiziente und kompakte Terahertz-Systeme

Laser spielen eine zentrale Rolle in der Terahertz(THz)-Technologie. Die Systeme mit der höchsten Bandbreite im THz-Spektralbereich nutzen in der Regel alle eine Art von Laser zur Erzeugung der Strahlung. Diese Systeme sind zurzeit aber hauptsächlich in Laboren zu finden, da sie für industrielle Anwendungen in ihrer Umsetzung nicht geeignet sind. Damit sich das in Zukunft ändert, bedarf es Untersuchungen, die dabei helfen solche Systeme kompakter und kostengünstiger zu entwerfen. Ein Ansatzpunkt hierfür ist der kostenintensive Laser der Systeme. Diese Arbeit umfasst daher drei interessante Aspekte zur Optimierung der Quelle elektro-optischer THz-Systeme: die Charakterisierung von interessanten Halbleiterlichtquellen, die optische Pulsformung mittels einer Superlumineszenzdiode (SLD) und die Optimierung der optischen Eigenschaften von einem Halbleiterlaser durch optische Rückkopplung (FB). Ziel ist die Kostenreduzierung der Systeme durch die Verwendung von für die THz-Erzeugung optimierten Halbleiterlasern, neue Erkenntnisse über den Zusammenhang der spektralen Eigenschaften der Quelle und dem erzeugten THz-Signal, und neue Methoden zur Optimierung der für die THz-Erzeugung relevanten optischen Parameter der Halbleiterlaser. Die Charakterisierung umfasst Messungen der optischen Spektren, der Autokorrelationsfunktionen, der THz-Signale und Simulationen nach dem Modell von Kolpatzeck et al. [1], für eine Multimode Laserdiode (MMLD), eine monolithisch modengekoppelte Laserdiode (MLLD) und eine SLD. Die MMLD und MLLD zeigen eine hohe Dynamische Reichweite und hohe Leistungen im THz-Bereich, während die SLD eine hohe Bandbreite im THz-Bereich für spektroskopische Anwendungen interessant macht. Durch die Kombination von einer SLD mit einem programmierbaren optischen Filter (POF) und einem Erbium-dotierten Faserverstärker (EDFA) wird das Spektrum mit unterschiedlichen Filterstrukturen geformt und die Auswirkungen auf das THz-Signal untersucht. Dies ermöglicht eine Kontrolle über die volle Breite bei halbem Maximum (FWHM) der Pulsbreite sowie eine Verbesserung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses und der THz-Leistung der SLD. Außerdem erbrachten die Messungen und Simulationen interessante Erkenntnisse über die Zusammenhänge der Form des optischen Spektrums mit dem erzeugten THz-Signal. Durch FB lässt sich die Laseremission für die THz-Erzeugung optimieren. Die Variation der FB-Stärke beeinflusst die spektrale Breite, die Modenstruktur und die Frequenz der untersuchten Laserdiode. Eine moderate FB erhöht die Frequenzstabilität und übermäßige FB führt zu einer starken spektralen Verbreiterung der Lasermoden. Diese Erkenntnisse sind hilfreich zur Entwicklung optimierter Lichtquellen für kostengünstige und kompakte THz-Systeme. Zukünftige Arbeiten sollten sich auf hybride Laserarchitekturen mit integrierten FB-Mechanismen und speziell auf die THz-Erzeugung zugeschnittenen Laserarchitekturen für kostengünstige und kompakte THz-Systeme konzentrieren. [1] K. Kolpatzeck, X. Liu, K. Tybussek, L. Häring, M. Zander, W. Rehbein, M. Moehrle, A. Czylwik, and J. Balzer, "System theoretical modeling of terahertz time-domain spectroscopy with ultra-high repetition rate mode-locked lasers," Opt. Express 28, 16935-16950 (2020).