HALB­LEI­TER­LA­SER-DY­NA­MIK UND THZ-STRAH­LUNG

Für die Er­zeu­gung und De­tek­ti­on von THz Strah­lung mit­tels Halb­lei­ter­la­sern wer­den ty­pi­scher­wei­se nicht­li­nea­re Ele­men­te ver­wen­det, die eine Wech­sel­wir­kung zwi­schen Licht und THz Feld er­mög­li­chen. Bei der Ver­wen­dung von Halb­lei­ter­la­sern ist es je­doch im Prin­zip mög­lich, nicht­li­nea­re Ef­fek­te di­rekt im La­dungs­trä­ger­plas­ma der La­ser­di­oden zu ver­wen­den, um eine De­tek­ti­on / Ge­ne­ra­ti­on von THz Strah­lung zu er­mög­li­chen.

Vor­aus­set­zung hier­für sind Zeit­kon­stan­ten der La­dungs­trä­ger wel­che im Be­reich un­ter­halb einer ps lie­gen, um den schnel­len THz Os­zil­la­tio­nen zu fol­gen. Als Beleg hier­für die­nen Ex­pe­ri­men­te mit­tels VWM (Vier Wel­len Mi­schen) wel­che zei­gen, dass die Ge­schwin­dig­kei­ten in der La­ser­di­ode aus­rei­chend hoch für eine di­rek­te Wech­sel­wir­kung sind. Dazu wer­den Halb­lei­ter­la­ser auf zwei Far­ben gleich­zei­tig be­trie­ben, wobei die La­dungs­trä­ger auch der Dif­fe­renz­fre­quenz (im THz- Be­reich) fol­gen. Diese Misch­fre­quenz mo­du­liert wie­der­um die ur­sprüng­li­chen Far­ben, so dass Sei­ten­mo­den im Ab­stand der Dif­fe­renz­fre­quenz ent­ste­hen (siehe Bild). Die­ser Ef­fekt kann dazu ge­nutzt wer­den, um so­wohl den gleich­zei­ti­gen Be­trieb zwei­er Far­ben in einem Laser, als auch die hohe Mo­du­la­ti­ons­ge­schwin­dig­keit der La­dungs­trä­ger nach­zu­wei­sen.

Ab­bil­dung 1: Ex­pe­ri­men­te zum Vier-Wel­len-Mi­schen. Die Sei­ten­mo­den ent­ste­hen durch Misch­pro­zes­se im Halb­lei­ter­la­ser und sind Nach­weis, dass die La­dungs­trä­ger den Mo­du­la­tio­nen fol­gen kön­nen (Eine Dif­fe­renz von 1nm der Haupt­mo­den ent­spricht hier etwa einer Mo­du­la­ti­ons­fre­quenz von 400G­Hz)

Bei kom­mer­zi­el­len La­ser­di­oden konn­te sogar ge­zeigt wer­den, dass eine Emis­si­on bei der Misch­fre­quenz ab­ge­strahlt wird. Dabei ist die Leis­tung je­doch re­la­tiv ge­ring, da ein Groß­teil der Strah­lung schon in der La­ser­di­ode wie­der ab­sor­biert wird. Eine Op­ti­mie­rung könn­te hier Mög­lich­kei­ten bie­ten THz- Strah­lung di­rekt mit­tels La­ser­di­oden ohne wei­te­res nicht­li­nea­res Ele­ment zu er­zeu­gen.

Auf der an­de­ren Seite ist je­doch auch eine De­tek­ti­on der THz- Strah­lung mit Halbei­ter­la­ser­di­oden mög­lich. Zwar hat diese Vor­ge­hens­wei­se auch mit der hohen Ab­sorp­ti­on in­ner­halb der La­ser­di­ode zu kämp­fen, al­ler­dings fin­det zudem eine Er­wär­mung des La­dungs­trä­ger­plas­mas statt. Die da­durch her­vor­ge­ru­fe­ne Än­de­rung der Qua­si-Fer­mi Ni­veaus lässt sich durch eine ein­fach Span­nungs­mes­sung an der Diode ab­grei­fen, so dass ein kos­ten­güns­ti­ger De­tek­tor zur Ver­fü­gung steht. Eine Op­ti­mie­rung könn­te hier dazu füh­ren, dass auch ge­rin­ge­re THz- Leis­tun­gen als bis­her (ei­ni­ge mW) mit dem Ver­fah­ren de­tek­tiert wer­den kön­nen.