@phdthesis{Bach2004,
  author    = {Bach, Lars},
  title     = {Neuartige nanostrukturierte Halbleiterlaser und Mikroringresonatoren auf InP-Basis f{\"u}r Wellenl{\"a}ngenmultiplexsysteme in der optischen Nachrichten{\"u}bertragung},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-9474},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2004},
  abstract  = {Zusammenfassung Diese Arbeit besch{\"a}ftigt sich mit der Herstellung und Untersuchung von neuartigen nanostrukturierten Halbleiterbauelementen. Es wird gezeigt, dass durch den Einsatz von optischer und hochaufl{\"o}sender Elektronenstrahl- und Ionenstrahllithographie verschiedene optoelektronische Bauelemente (Laser und Filter) definiert werden k{\"o}nnen. Die Kombination dieser Definitionsprozesse mit speziellen nass- und trockenchemischen {\"A}tzverfahren erlaubt die Herstellung von Bauelementen mit sehr hoher Genauigkeit, Reproduzierbarkeit und monolithischer Integrationsf{\"a}higkeit mit verschiedensten Geometrien und Bereichen innerhalb der Bauelemente. Die Grundlagen zum Verst{\"a}ndnis der Funktionsweise und der Hochfrequenzeigenschaften der einzelnen Resonatorarten, Gitterstrukturen und der Laser mit diesen Gitterstrukturen sind in Kapitel 2 zusammen gefasst. Nach einer kurzen Abhandlung des Laserprinzips und des Aufbaus einer Laserdiode, werden die statischen und dynamischen Kenngr{\"o}ßen und Prozesse in den Lasern ausf{\"u}hrlich vorgestellt. Besonderes Augenmerk gilt dabei den dynamischen Grundlagen und der Erl{\"a}uterung eines zus{\"a}tzlichen Wechselwirkungsprinzips, genannt „Detuned Loading", im Laser und die sich daraus ergebenden neuen Eigenschaften. Die Auswirkungen der Resonatorgeometrien und Gitterstrukturen auf die spektralen Eigenschaften der Laser sind Bestandteil des zweiten Teiles von Kapitel 2. In Kapitel 3 werden die technologischen Prozesse zur Herstellung der verschiedensten pr{\"a}sentierten Bauelemente im Detail vorgestellt. Die Vorstellung der Charakterisierungsmethoden und der verwendeten Messpl{\"a}tze schließen dieses Kapitel ab. Kapitel 4 besch{\"a}ftigt sich ausschließlich mit den elektrischen und spektralen Eigenschaften der einzel- und gekoppelten Quadrat-Resonator-Lasern. Kapitel 5 besch{\"a}ftigt sich mit monomodige DFB- oder DBR-Lasern f{\"u}r Wellenl{\"a}ngenmultiplexsysteme im Wellenl{\"a}ngenbereich um 1.55 µm, als Einzelkomponenten oder in Arrays, die eine exakt einstellbarere Wellenl{\"a}nge und hoher Modenstabilit{\"a}t aufweisen. Durch die Verwendung des DBR-Prinzips kann eine signifikante Verbesserung der statischen und dynamischen Eigenschaften gegen{\"u}ber dem DFB-Prinzip erreicht werden. Die Verbesserungen der statischen Eigenschaften beruhen haupts{\"a}chlich auf der r{\"a}umlichen Trennung von Verst{\"a}rkungs- und Gitterbereich im Fall des DBR-Lasers und der damit verbundenen Erh{\"o}hung der Reflexion des R{\"u}ckfacettenbereiches. Die Trennung bewirkt eine Reduktion der Absorption im Verst{\"a}rkungsbereich, keine gitterimplantationsbedingten Erh{\"o}hung der internen Absorption wie im DFB-Fall, und damit eine Erh{\"o}hung der Effizienz was sich wiederum in einer geringern W{\"a}rmeproduktion {\"a}ußert. Aufgrund der aufgef{\"u}hrten Ursachen ist es m{\"o}glich durch Gr{\"o}ßenoptimierung der jeweiligen Bereiche Schwellenstr{\"o}me von 8 mA, Effizienzen von 0.375 W/A, Ausgangsleistungen bis zu 70 mW, Betriebsbereiche bis zum 12fachen des Schwellenstromes, Verschiebungen der Wellenl{\"a}nge mit dem Betriebsstrom von 0.01 nm/mA, eine thermische Belastbarkeiten bis zu 120°C und Seitenmodenunterdr{\"u}ckungen bis zu 67 dB durch das DBR-Laserprinzip zu realisieren. In Kapitel 6 wird ein neues Konzept eines hochfrequenzoptimierten Lasers vorgestellt. Das Prinzip des „Detuned Loading" ist sehr sensitiv auf die Phasenlage der umlaufenden Welle im Laser und auf die Lage der Hauptmode auf der Reflexionsfunktion des Gitters. Da eine Phasen{\"a}nderung von 2\&\#61552;\&\#61472;einer L{\"a}ngen{\"a}nderung von einigen 100 nm entspricht und dies außerhalb der Herstellungstoleranz liegt, ist eine gezielte Kontrolle dieses Prinzips im DBR-Laser nicht m{\"o}glich. Dies f{\"u}hrte zu einer Weiterentwicklung des DBR-Lasers in einem Laser der einer Phasenkontrolle erm{\"o}glicht, genannt CCIG-Laser. Dieser Laser besteht aus einer Lasersektion, einer zentralen Gittersektion und einer angeschlossenen Phasensektion. Durch Strominjektion in die Phasensektion ist es m{\"o}glich {\"u}ber eine {\"A}nderung des Brechungsindexes eine gezielte Einstellung der Phasenlage zu gew{\"a}hrleisten. Die Phasensektion hat keine Auswirkungen auf die statischen elektrischen und spektralen Eigenschaften der Laser. Diese sind sehr gut mit denen der DBR-Laser vergleichbar. Damit war es m{\"o}glich durch einen CCIG-Laser mit Sektionsgr{\"o}ßen von 500 µm f{\"u}r jede Sektion eine Steigerung der Bandbreite auf einen Rekordwert von 37 GHz, dass entspricht einem Steigerungsfaktor von 4.5 gegen{\"u}ber Fabry-Perot-Lasern gleicher L{\"a}nge, zu steigern.},
  subject      = {Halbleiterlaser},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Naehle2011,
  author    = {N{\"a}hle, Lars},
  title     = {Monomodige und weit abstimmbare Halbleiterlaser im GaSb-Materialsystem im Wellenl{\"a}ngenbereich von 3,0 - 3,4 μm},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-70538},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2011},
  abstract  = {Ein Ziel der Arbeit war die Entwicklung spektral monomodiger DFB-Lasern im Wellenl{\"a}ngenbereich von 3,0-3,4µm. Diese sollten auf spezielle Anwendungen in der Absorptionsspektroskopie an Kohlenwasserstoffen gezielt angepasst werden. Hierf{\"u}r wurden zwei auf GaSb-Material basierende Lasertypen untersucht - Interbandkaskadenlaser (ICL) und Diodenlaser mit quin{\"a}ren AlGaInAsSb-Barrieren- und Wellenleiter-Schichten. F{\"u}r das ICL-Material wurde ein DFB-Prozess basierend auf vertikalen Seitengittern entwickelt. Dieser Ansatz erm{\"o}glichte monomodigen Laserbetrieb bei Realisierung der Laser mit Kopplungsgitter in nur einem {\"A}tzschritt und ohne epitaktischen {\"U}berwachstumsschritt. Maximal m{\"o}gliche Betriebstemperaturen von ~0°C f{\"u}r die auf dem verf{\"u}gbaren epitaktischen Material entwickelten Laser wurden bestimmt. Eine Diskussion der thermischen Eigenschaften der Laser deckte Gr{\"u}nde f{\"u}r die Limitierung der Betriebstemperatur auf. M{\"o}glichkeiten zur Optimierung der Leistungsf{\"a}higkeit und Steigerung der Betriebstemperatur beim ICL-Ansatz wurden hierauf basierend vorgestellt. Als kritischster Parameter wurde hier die epitaxiebestimmte Temperaturstabilit{\"a}t der Laserschwelle ausgemacht. Weitere Entwicklungen umfassten die Herstellung von DFB-Lasern mit dem erw{\"a}hnten Diodenlasermaterial mit quin{\"a}ren Barrieren. Es kam eine Prozessierung der Bauteile ohne {\"U}berwachstum unter Verwendung von lateralen Metallgittern zur Modenselektion zum Einsatz. Die Bestimmung optischer Parameter zur Entwicklung von Lasern mit guter DFB-Ausbeute wurde f{\"u}r das Epitaxiematerial mit quin{\"a}ren Barrieren >3,0µm von Wellenleiter-Simulationen unterst{\"u}tzt. Die Definition der Gitterstrukturen wurde auf niedrige Absorptionsverluste optimiert. So hergestellte Laser zeigten exzellente Eigenschaften mit maximalen Betriebstemperaturen im Dauerstrichbetrieb von >50°C und spektral monomodiger Emission um 2,95µm mit Seitenmodenunterdr{\"u}ckungen (SMSR) bis 50dB. Diesem Konzept entsprechend wurden DFB-Laser speziell f{\"u}r die Acetylen-Detektion bei Wellenl{\"a}ngen von 3,03µm und 3,06µm entwickelt. Die f{\"u}r ~3,0µm entwickelte und erfolgreich angewendete DFB-Prozessierung wurde daraufhin auf den Wellenl{\"a}ngenbereich bis 3,4µm angepasst. Ein Prozesslauf mit verbesserter W{\"a}rmeabfuhr, ohne die Verwendung eines Polymers, wurde entwickelt. Es konnten DFB-Laser hergestellt werden, die fast den gesamten Wellenl{\"a}ngenbereich von 3,3-3,4µm abdeckten. Maximale Betriebstemperaturen dieser Laser lagen bei >20°C in Dauerstrichbetrieb bei ausgezeichneten spektralen Eigenschaften (SMSR 45dB). Spezielle Bauteile im Bereich 3,34-3,38µm, u.a. f{\"u}r die Detektion von Methan, Ethan und Propan, wurden entwickelt. Die in dieser Arbeit auf Diodenlasermaterial mit quin{\"a}ren Barrieren entwickelten DFB-Laser definieren f{\"u}r den gesamten Wellenl{\"a}ngenbereich von 2,8-3,4µm den aktuellen Stand der Technik f{\"u}r monomodige Laseremission durch direkte strahlende {\"U}berg{\"a}nge. Sie stellen außerdem f{\"u}r den Wellenl{\"a}ngenbereich von 3,02-3,41µm die einzigen ver{\"o}ffentlichten DFB-Laser in cw-Betrieb bei Raumtemperatur dar. Eine maximale monomodige Emissionswellenl{\"a}nge f{\"u}r Diodenlaser von 3412,1nm wurde erreicht. Ein weiteres Ziel der Arbeit war die Entwicklung weit abstimmbarer Laser von 3,3-3,4µm zur Erm{\"o}glichung erweiterter Anwendungen in der Kohlenwasserstoff-Gassensorik. Hierf{\"u}r wurde ein Konzept zweisegmentiger Laser mit bin{\"a}ren, {\"u}berlagerten Gittern verwendet. F{\"u}r diese sogenannten BSG-Laser konnte durch Simulationen unterst{\"u}tzt der Einfluss des kritischen Parameters der Phase der Bragg-Moden an den Facetten untersucht werden. Ein dementsprechend phasenoptimiertes Design der Gitterstrukturen wurde in den Segmenten der Laser angewendet. Simulationen des Durchstimmverhaltens der Laser wurden diskutiert und Einsch{\"a}tzungen {\"u}ber das reale Verhalten in hergestellten Bauteilen gegeben. Die entwickelten Laser wiesen Emission in bis zu vier ansteuerbaren, monomodigen Wellenl{\"a}ngenkan{\"a}len auf. Sie zeigten ein den Simulationen entsprechendes, sehr gutes Durchstimmverhalten in den Kan{\"a}len (bis zu ~30nm). Die Entwicklung eines bestimmten Lasers in dieser Arbeit war speziell auf die industrielle Anwendung in einem Sensorsystem mit monomodigen Emissionen um 3333nm und 3357nm ausgelegt. F{\"u}r diese Wellenl{\"a}ngenkan{\"a}le wurden spektrale Messungen mit hohem Dynamikbereich gemacht. Mit SMSR bis 45dB war eine hervorragende Anwendbarkeit in einem Sensorsystem gew{\"a}hrleistet. Der Aufbau mit nur zwei Lasersegmenten garantiert eine einfache Ansteuerung ohne komplexe Elektronik. Die in dieser Arbeit entwickelten weit abstimmbaren Laser stellen die bisher langwelligsten, monolithisch hergestellten, weit abstimmbaren Laser dar. Sie sind außerdem die bislang einzigen zweisegmentigen BSG-Laser, die in durch simultane Stromver{\"a}nderung durchstimmbaren Wellenl{\"a}ngenkan{\"a}len ein Abstimmverhalten mit konstant hoher Seitenmodenunterdr{\"u}ckung und ohne Modenspr{\"u}nge zeigen.},
  subject      = {Halbleiterlaser},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Krebs2004,
  author    = {Krebs, Roland},
  title     = {Herstellung und Charakterisierung von kanten- und vertikalemittierenden (Ga)InAs/Ga(In)As-Quantenpunkt(laser)strukturen},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-11328},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2004},
  abstract  = {Im Vergleich zu Quantenfilmlasern haben Quantenpunktlaser (unter anderem) die Vorteile, dass kleinere Schwellenstr{\"o}me zu erreichen sind und die Emissionswellenl{\"a}nge {\"u}ber einen gr{\"o}ßeren Bereich abgestimmt werden kann, da diese aufgrund der Gr{\"o}ßenfluktuation im Quantenpunktensemble {\"u}ber ein breites Verst{\"a}rkungsspektrum verf{\"u}gen. Ziel des ersten Teils der Arbeit war es, monomodige 1.3 µm Quantenpunktlaser f{\"u}r Telekommunikationsanwendungen herzustellen und deren Eigenschaften zu optimieren. Es wurden sechs Quantenpunktschichten als aktive Zone in Laserstrukturen mit verbreitertem Wellenleiter eingebettet. Eine Messung der optischen Verst{\"a}rkung einer solchen Laserstruktur mit sechs Quantenpunktschichten ergab einen Wert von 16.6 1/cm (f{\"u}r den Grundzustands{\"u}bergang) bei einer Stromdichte von 850 A/cm^2. Dadurch ist Laserbetrieb auf dem Grundzustand bis zu einer Resonatorl{\"a}nge von 0.8 mm m{\"o}glich. F{\"u}r eine Laserstruktur mit sechs asymmetrischen DWELL-Schichten und optimierten Wachstumsparametern ergab sich eine Transparenzstromdichte von etwa 20 A/cm^2 pro Quantenpunktschicht und eine interne Quanteneffizienz von 0.47 bei einer internen Absorption von 1.0 1/cm. Aus den Laserproben wurden außerdem Stegwellenleiterlaser hergestellt. Mit einem 0.8 mm x 4 µm großen Bauteil konnte im gepulsten Betrieb Laseroszillation bis zu einer Rekordtemperatur von 156 °C gezeigt werden. 400 µm x 4 µm große Bauteile mit hochreflektierenden Spiegelverg{\"u}tungen wiesen im Dauerstrichbetrieb Schwellenstr{\"o}me um 6 mA und externe Quanteneffizienzen an der Frontfacette von 0.23 W/A auf. F{\"u}r Telekommunikationsanwendungen werden Bauteile ben{\"o}tigt, die lateral und longitudinal monomodig emittieren. Bei kantenemittierenden Lasern kann dies durch das DFB-Prinzip (DFB: distributed feedback) erreicht werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die weltweit ersten DFB-Laser auf der Basis von 1.3 µm Quantenpunktlaserstrukturen hergestellt. Dazu wurden lateral zu den Stegen durch Elektronenstrahllithographie Metallgitter definiert, die durch Absorption die Modenselektion bewirken. Dank des etwa 100 nm breiten Verst{\"a}rkungsspektrums der Laserstrukturen konnte eine Verstimmung der Emissionswellenl{\"a}nge {\"u}ber einen Wellenl{\"a}ngenbereich von 80 nm ohne signifikante Verschlechterung der Bauteildaten erzielt werden. Anhand der 0.8 mm langen Bauteile wurden die weltweit ersten ochfrequenzmessungen an Lasern dieser Art durchgef{\"u}hrt. F{\"u}r Quantenpunktlaser sind theoretisch aufgrund der hohen differentiellen Verst{\"a}rkung kleine statische Linienbreiten und ein kleiner Chirp zu erwarten. Dies zeigte sich auch im Experiment. Der zweite Teil der Arbeit befasst sich mit vertikal emittierenden Quantenpunktstrukturen. Ziel dieses Teils der Arbeit war es, Quantenpunkt-VCSEL mit dotierten Spiegeln zun{\"a}chst im Wellenl{\"a}ngenbereich um 1 µm herzustellen und auf dieser Basis die Realisierbarkeit von 1.3 µm Quantenpunkt-VCSELn zu untersuchen. Zun{\"a}chst wurden undotierte Mikroresonatorstrukturen f{\"u}r Grundlagenuntersuchungen hergestellt, um die Qualit{\"a}t der Spiegelschichten zu testen und zu optimieren. Diese Strukturen bestanden aus 23.5 Perioden von Spiegelschichten aus AlAs und GaAs im unteren DBR (DBR: Distributed Bragg Reflector), einer lambda-dicken Kavit{\"a}t aus GaAs mit einer Quantenpunktschicht im Zentrum und einem oberen DBR mit 20 Perioden. Es konnten Resonatoren mit sehr hohen G{\"u}ten {\"u}ber 8000 realisiert werden. F{\"u}r die weiteren Arbeiten hinsichtlich der Herstellung von Quantenpunkt-VCSEL-Strukturen haben die Untersuchungen an den Mikroresonatorstrukturen gezeigt, dass es an der verwendeten MBE-Anlage m{\"o}glich ist, qualitativ sehr hochwertige Spiegelstrukturen herzustellen. Aufbauend auf den Ergebnissen, die aus der Herstellung und Charakterisierung der Mikroresonatorstrukturen gewonnen worden waren, wurden nun Quantenpunkt-VCSEL-Strukturen hergestellt. Es wurden Strukturen mit 17.5 Perioden im unteren und 21 Perioden im oberen DBR sowie mit 20.5 Perioden im unteren und 30 Perioden im oberen DBR hergestellt. Erwartungsgem{\"a}ß zeigten die VCSEL mit der h{\"o}heren Spiegelanzahl auch die besseren Bauteildaten. Um VCSEL auch im Dauerstrich betreiben zu k{\"o}nnen, wurden Bauteile mit Oxidapertur hergestellt. Dazu wurden bei 30 µm großen Mesen die beiden Aperturschichten aus AlAs auf beiden Seiten der Kavit{\"a}t zur Strompfadbegrenzung bis auf 6 µm einoxidiert. Es konnte gezeigt werden, dass die Realisierung von Quantenpunkt-VCSELn im Wellenl{\"a}ngenbereich um 1 µm mit komplett dotierten Spiegeln ohne gr{\"o}ßere Abstriche bei den Bauteildaten m{\"o}glich ist. Bei der Realisierung von 1.3 µm Quantenpunkt-VCSELn mit dotierten Spiegeln bereitet die im Vergleich zu den Absorptionsverlusten geringe optische Verst{\"a}rkung Probleme.},
  subject      = {Drei-F{\"u}nf-Halbleiter},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Zimmermann2018,
  author    = {Zimmermann, Christian},
  title     = {Halbleiterlaser mit lateralem R{\"u}ckkopplungsgitter f{\"u}r metrologische Anwendungen},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-159618},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2018},
  abstract  = {In der vorliegenden Arbeit wurde angestrebt, die Eigenschaften komplexgekoppelter DFB-Laser bez{\"u}glich ihrer Nutzung f{\"u}r metrologische Untersuchungen zu analysieren und zu verbessern. Hierf{\"u}r wurden die r{\"a}umlichen Emissionseigenschaften der lateral komplexgekoppelten DFB-Laser in ausgiebigen Studien diskutiert. F{\"u}r kommerziell erh{\"a}ltliche Laser wurde daraufhin das Fernfeld sowohl in lateraler als auch vertikaler Richtung berechnet. Die entsprechenden Fernfeldmessungen konnten die Theorie best{\"a}tigen und wie erwartet, waren die Divergenzwinkel mit 52° FWHM in der Wachstumsrichtung und 12° FWHM in lateraler Richtung (vgl. Abb. 6.4 und 6.5) sehr unterschiedlich und zeugen von einer großen Differenz in den Fernfeldwinkeln. Mit {\"U}berlegungen zu dem optischen bzw. elektrischen Einschlusspotential im Hinblick auf die ver{\"a}nderte Fernfeldsituation wurde zun{\"a}chst die reine Halbleiterlaserschichtfolge optimiert. Der Divergenzwinkel in Wachstumsrichtung wurde um mehr als 50\% auf 25° FWHM gesenkt. Damit konnte die Asymmetrie des Fernfeldes um einen Faktor von mehr als 4 reduziert werden. Strahlg{\"u}teuntersuchungen zeigten ein nahezu beugungsbegrenztes Gaußsches Strahlprofil in der langsamen Achse mit einem M2-Wert von 1,13 (Abb. 6.3). Eine weitere Untersuchung betraf die Linienbreitenabh{\"a}ngigkeit solcher Laser von ihrer Ausgangsleistung, der Resonatorl{\"a}nge, der Facettenverg{\"u}tung und der Gitterkopplung. Die erste Beobachtung betraf die Verschm{\"a}lerung der Linienbreite mit ansteigender Ausgangsleistung bis hin zu einer erneuten Verbreiterung (Rebroadening) der Linienbreite (siehe Abb. 7.3). Der Einfluss auf die Linienbreite durch eine Ver{\"a}nderung der Resonatorl{\"a}nge ließ sich sehr gut mit der Theorie vergleichen und so erbrachte eine Verdopplung der Resonatorl{\"a}nge eine Verschm{\"a}lerung der Linienbreite um mehr als einen Faktor 3. Die Verl{\"a}ngerung der Kavit{\"a}t beg{\"u}nstigte den negativen Effekt des sog. Rebroadenings nicht, da bei der verwendeten Technologie der lateral komplexen Kopplung der Index-Beitrag an der R{\"u}ckkopplung sehr klein ist. Im Falle reiner Indexkopplung w{\"a}re dies durch die ver{\"a}nderte κ · L-Lage deutlich zu sp{\"u}ren. Ein weiterer, oben auch angesprochener Vorteil der komplexen Kopplung ist, dass die Facettenreflektivit{\"a}ten einen wesentlich kleineren Einfluss auf die DFB-Ausbeute und auf deren Eigenschaften haben als bei der reinen Indexkopplung. Dies l{\"a}sst sich ausnutzen, um die Photonenlebensdauer in der Kavit{\"a}t zu erh{\"o}hen ohne negativ die DFB-Ausbeute zu beeinflussen. In dieser Arbeit wurde bei verschiedenen L{\"a}ngen die reine gebrochene Facette mit einer verg{\"u}teten verglichen und der Einfluss auf die Linienbreite analysiert. Die Frontfacette wurde durch eine Passivierung bei ca. 30\% gehalten und die R{\"u}ckfacette durch einen doppelten Reflektor auf ca. 85\% gesetzt. Daraus resultierte eine Reduktion der Linienbreite um mehr als die H{\"a}lfte. Neben diesen Ergebnissen wurde auch der Einfluss der komplexen Kopplung untersucht. Da die durch das Gitter zus{\"a}tzlich eingebrachten Verluste zu einer Vergr{\"o}ßerung der Linienbreiten beitragen, wird bei einem gr{\"o}ßeren geometrischen Gitter{\"u}berlapp das Frequenzrauschen auch entsprechend steigen. Dies ließ sich auch im Experiment best{\"a}tigen. Zudem wurde eine L{\"a}ngenabh{\"a}ngigkeit dieses Effektes festgestellt. Die Reduzierung der Linienbreite bei l{\"a}ngeren Bauteilen ist deutlich ausgepr{\"a}gter als bei k{\"u}rzeren. So ist bei {\"a}hnlicher Verringerung des Gitter{\"u}berlappes bei einem 900 μm langen Bauteil eine Linienbreitenreduzierung um einen Faktor von „nur" 1,85 beobachtbar, aber bei der doppelten Kavit{\"a}tsl{\"a}nge ist dieser Faktor schon auf 3,60 angestiegen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden DFB-Laser hergestellt, die eine Linienbreite von bis zu 198 kHz aufwiesen. Dies stellt f{\"u}r lateral komplexgekoppelte Laser einen absoluten Rekordwert dar. Im Vergleich zu Index-DFB-Lasern ist dieser Wert bzgl. der Linienbreite mit den aktuellsten Ergebnissen aus der Forschung zu vergleichen [CTR+11], bei welchen eine Linienbreite zu 200 kHz bestimmt wurde. In dem letzten Abschnitt dieser Arbeit wurde der Einfluss einer ver{\"a}nderten Phasenlage von Gitter und Facette untersucht. Dabei wurden spezielle Bauteile hergestellt (3-Segment-DFB-Laser) und verschiedene Gitterl{\"a}ngen untersucht. Die Phasenlage kann reversibel {\"u}ber den eingestellten Strom in den gitterfreien Segmenten geregelt werden. Wie vorhergesagt, best{\"a}tigen die Experimente, dass diese Phasenbeziehung einen signifikanten Einfluss auf die Ausgangsleistung, die Wellenl{\"a}nge mit ihrer zugeh{\"o}rigen Seitenmodenunterdr{\"u}ckung und auch auf die Linien-breite hat. Bei der Analyse der Linienbreite konnte eindeutig beobachtet werden, dass f{\"u}r die verschiedenen L{\"a}ngen die inverse Linienbreite sehr gut mit der relativen Seitenmodenunterdr{\"u}ckung gekoppelt ist. Dies stellt eine deutliche Erleichterung der zuk{\"u}nftigen Optimierung der komplexgekoppelten DFB-Laser dar, da eine Linienbreitenuntersuchung meist deutlich zeitaufwendiger ist als eine Analyse mit einem optischen Spektrometer.},
  subject      = {DFB-Laser},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Zeller2011,
  author    = {Zeller, Wolfgang},
  title     = {Entwicklung und Charakterisierung von Hochleistungslaserdioden bei 980 nm Wellenl{\"a}nge},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-73409},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2011},
  abstract  = {Ziel der Arbeit war die Entwicklung von lateral gekoppelten DFB-Halbleiterlasern f{\"u}r Hochleistungsanwendungen. Besonderes Augenmerk war dabei auf hohe COD-Schwellen und schmale Fernfeldverteilungen gerichtet. Ausgehend von einem LOC-Design wurden Simulationsrechnungen durchgef{\"u}hrt und ein neues Epitaxiedesign mit einer 2.5 μm dicken LOC, in welcher die aktive Schicht asymmetrisch positioniert ist, entwickelt. Durch die asymmetrische Anordnung der aktiven Schicht kann die im Falle von lateral gekoppelten DFB-Lasern sehr kritische Kopplung der Lichtmode an das modenselektive Gitter gew{\"a}hrleistet werden. Zudem reichen die Ausl{\"a}ufer der Lichtmode in diesem Design weiter in den Wellenleiter hinab als dies bei herk{\"o}mmlichen Wellenleitern der Fall ist, so dass sich die Fernfeldeigenschaften der Laser verbessern. Die Fernfeldverteilungen solcher Laser weisen Halbwertsbreiten von 14° in lateraler und nur 19° in transversaler Richtung auf. Im Vergleich mit Standardstrukturen konnte die Ausdehnung des transversalen Fernfeldes also um mehr als 50 \% reduziert werden. Außerdem ergibt sich eine nahezu runde Abstrahlcharakteristik, was die Einkopplungseffizienz in optische Systeme wie Glasfasern oder Linsen signifikant verbessert. Unter Ausnutzung der entwickelten Epitaxiestruktur mit asymmetrischer LOC wurde ein neues Lateraldesign entwickelt. Es handelt sich hierbei um Wellenleiterstege welche im Bereich der Facetten eine Verj{\"u}ngung aufweisen. Durch diese wird die optische Mode tief in die 2.5 μm dicke Wellenleiterschicht gef{\"u}hrt, welche sie in transversaler Richtung komplett ausf{\"u}llt. Durch den gr{\"o}ßeren Abstand der Lasermode vom Wellenleitersteg ergibt sich zudem eine deutliche schw{\"a}chere laterale F{\"u}hrung, so dass sich die Mode auch parallel zur aktiven Schicht weiter ausdehnt. Die Lichtmode breitet sich folglich {\"u}ber eine deutlich gr{\"o}ßere Fl{\"a}che aus, als dies bei einem gleichbleibend breiten Wellenleitersteg der Fall ist. Die somit signifikant kleinere Leistungsdichte auf der Laserfacette ist gleichbedeutend mit einem Anstieg der COD-Schwelle der Laser der im Einzelnen von den jeweiligen Designparametern von Schicht- und Lateralstruktur abh{\"a}ngig ist. Außerdem bewirkt die in lateraler und transversaler Richtung deutlich schw{\"a}chere Lokalisation der Mode eine weitere Abnahme der Halbwertsbreiten der Laserfernfelder. Durch die im Vergleich zu herk{\"o}mmlichen Laserstrukturen schw{\"a}chere Lokalisation der Lichtmode im Bereich der Facetten ergeben sich {\"a}ußerst schmale Fernfelder. Ein 1800 μm langer Laser, dessen Stegbreite {\"u}ber 200 μm hinweg auf 0.4 μm verringert wurde, zeigt Halbwertsbreiten von 5.2° in lateraler und 13.0° in transversaler Richtung. Damit sind die Fernfelder dieser Laser bedeutend kleiner als die bislang vorgestellter Laserdioden mit LOC. Die Geometrie der Taperstrukturen bestimmt, wie vollst{\"a}ndig sich die Mode in den unteren Wellenleiterbereich ausbreiten kann und nimmt damit Einfluss auf die Laserfernfelder. Im CW-Modus durchgef{\"u}hrte Messungen an Lasern mit Taperstrukturen zeigen maximale Ausgangsleistung von 200 mW bevor die Laser in thermisches {\"U}berrollen {\"u}bergehen. Bei einer Ausgangsleistung von 185 mW betr{\"a}gt das Seitenmodenunterdr{\"u}ckungsverh{\"a}ltnis 33 dB. Im gepulsten Modus (50 ns Pulsdauer, 1MHz Wiederholungsrate) betriebene Laser zeigen hohe COD-Schwellen von mehreren hundert bis hin zu 1600 mW, die eine deutliche Abh{\"a}ngigkeit von der Endbreite der Taperstrukturen zeigen: Mit abnehmender Taperbreite ergibt sich eine starke Zunahme der COD-Schwelle. An einem 1800 μm langen Laser mit 200 μm langen Taperstrukturen die eine Endbreite von 0.3 μm aufweisen konnte eine COD-Schwelle von 1.6 W nachgewiesen werden. Im Gegensatz zu anderen Ans{\"a}tzen, die ebenfalls longitudinal und lateral mono-modige DFB-Laser mit hohen Ausgangsleistungen zum Ziel haben, kann jedoch bei dem hier pr{\"a}sentierten Konzept aufgrund des Einsatzes von lateralen DFB-Gittern auf eine Unterbrechung des epitaktischen Wachstums verzichtet werden. Dies vereinfacht die Herstellung der Schichtstrukturen deutlich. Die hier vorgestellten Konzepte sind mit weiteren {\"u}blichen Vorgehensweisen zur Herstellung von Hochleistungslaserdioden, wie z.B. speziellen Facettenreinigungs- und Passivierungsverfahren oder Materialdurchmischung im Facettenbereich, kombinierbar. Zudem kann das hier am Beispiel des InGaAs/GaAs Materialsystems entwickelte Konzept auf alle zur Herstellung von Halbleiterlaserdioden {\"u}blichen Materialsysteme {\"u}bertragen werden und er{\"o}ffnet so eine v{\"o}llig neue, material- und wellenl{\"a}ngenunabh{\"a}ngige M{\"o}glichkeit Abstrahlcharakteristik und Ausgangsleistung von Laserdioden zu optimieren.},
  subject      = {DFB-Laser},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Mueller2003,
  author    = {M{\"u}ller, Martin},
  title     = {Abstimmbare Halbleiterlaser und schmalbandige Laserarrays mit verteilter lateraler R{\"u}ckkopplung},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-16922},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2003},
  abstract  = {Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei verschiedene Typen von Halbleiterlasern mit verteilter R{\"u}ckkopplung (DFB-Laser) entwickelt. Die Laser basieren auf Rippenwellenleitern und verf{\"u}gen zus{\"a}tzlich {\"u}ber ein dazu senkrecht orientiertes Metallgitter. Der evaneszente Teil der im Rippenwellenleiter gef{\"u}hrten Lichtwelle {\"u}berlappt mit dem Gitter. Durch diese periodische Variation des effektiven Brechungsindex wird die verteilte R{\"u}ckkopplung gew{\"a}hrleistet, was eine longitudinal monomodige Laseremission zur Folge hat. Beiden Lasertypen ist gemeinsam, dass der Herstellungsprozess auf einem vom Materialsystem unabh{\"a}ngigen Konzept basiert. Diese Tatsache ist von besonderem Interesse, da so entsprechende Laser f{\"u}r unterschiedlichste Wellenl{\"a}ngenbereiche gefertigt werden k{\"o}nnen, ohne hierf{\"u}r neue Herstellungsverfahren zu entwickeln. Den ersten Schwerpunkt der Arbeit bilden Untersuchungen zu sog. abstimmbaren Lasern, deren Emissionswellenl{\"a}nge innerhalb eines relativ großen Bereichs quasikontinuierlich einstellbar ist. Der Abstimmmechanismus kann mit dem Vernier-Prinzip erkl{\"a}rt werden. Der Laser besteht hierbei aus zwei gekoppelten Segmenten, die jeweils {\"u}ber eine Reihe von Moden (Modenkamm) verf{\"u}gen. Der Abstand der Moden innerhalb eines Segments ist konstant, wohingegen die Modenabst{\"a}nde der beiden Segmente leicht unterschiedlich sind. Die Emissionswellenl{\"a}nge des Lasers ist bestimmt durch den {\"U}berlapp zweier Moden aus den beiden Segmenten, wobei die Modenk{\"a}mme so ausgelegt sind, dass gleichzeitig maximal ein Modenpaar {\"u}berlappt. Eine kleine relative Verschiebung der beiden Modenk{\"a}mme f{\"u}hrt zu einer vergleichsweise großen Verschiebung der Emissionswellenl{\"a}nge auf Grund des ver{\"a}nderten {\"U}berlapps. Die Modenk{\"a}mme wurden durch spezielle DFB-Gitter, sog. binary superimposed gratings (BSG), realisiert, die, anders als bei konventionellen DFB-Lasern, f{\"u}r mehrere Bragg-Wellenl{\"a}ngen konstruktive Interferenz zulassen und erstmalig bei DFB-Lasern eingesetzt wurden. BSGs zeichnen sich durch sehr gute optische Eigenschaften bei gleichzeitig einfacher Herstellung aus. Zum Abstimmen der Wellenl{\"a}nge wurde der Brechungsindex des Lasers gezielt durch den Injektionsstrom bzw. die Bauteiltemperatur ver{\"a}ndert. Im Rahmen dieser Arbeit konnten abstimmbare Laser auf unterschiedlichen Materialsystemen (InGaAs/GaAs, GaInNAs/GaAs, InGaAsP/InP) hergestellt werden. Der maximale diskrete Abstimmbereich betr{\"a}gt 38 nm bzw. 8,9 THz und ist durch die Breite des Verst{\"a}rkungsspektrums limitiert. Quasikontinuierlich konnte ein Abstimmbereich von 15 nm bzw. 3,9 THz erreicht werden. Die typische minimale Seitenmodenunterdr{\"u}ckung (SMSR) betr{\"a}gt 30 bis 35 dB. Durch Hinzuf{\"u}gen eines dritten Segments ohne Gitter konnte die Ausgangsleistung unabh{\"a}ngig von der Wellenl{\"a}nge konstant gehalten werden. Den zweiten Schwerpunkt der Arbeit bildet die Entwicklung von DFB-Laser-Arrays mit dem Ziel, longitudinal monomodige Laser mit hoher Ausgangsleistung zu erhalten. Die DFB-Laser-Arrays basieren auf dem oben beschriebenen Prinzip von DFB-Lasern mit lateralem Metallgitter und verf{\"u}gen {\"u}ber mehrere Rippenwellenleiter, die im lateralen Abstand von wenigen Mikrometern angeordnet sind. F{\"u}r große Abst{\"a}nde zwischen den einzelnen Lasern des Arrays (Elemente) emittieren diese, weitgehend unabh{\"a}ngig von einander, jeweils longitudinal monomodiges Licht (quasimonochromatische Emission). Die spektrale Breite betr{\"a}gt hierbei typischerweise 50 bis 70 GHz. F{\"u}r kleine Elementabst{\"a}nde koppeln die einzelnen Lichtwellen miteinander, was zu einer mit einem konventionellen DFB-Laser vergleichbaren Linienbreite f{\"u}hrt. W{\"a}hrend die ungekoppelten Arrays {\"u}ber ein gaußf{\"o}rmiges Fernfeld verf{\"u}gen, ergibt sich f{\"u}r die gekoppelten Arrays ein Interferenzmuster, das stark von verschiedenen Laserparametern (wie z. B. dem Elementabstand) abh{\"a}ngt. Bei InGaAs/GaAs basierenden Arrays (Wellenl{\"a}nge ca. 980 nm) ergibt sich f{\"u}r DFB-Laser-Arrays mit vier Elementen eine Ausgangsleistung von ca. 200 mW pro Facette, die durch die W{\"a}rmeabfuhr begrenzt wird. Trotz der starken thermischen Limitierung (die Laser waren nicht aufgebaut) konnte die 3,5-fache Ausgangsleistung eines Referenzlasers erzielt werden. Bei InGaSb/GaSb basierenden Arrays mit vier Elementen (Wellenl{\"a}nge ca. 2,0 µm) konnte eine Ausgangsleistung von ca. 30 mW pro Facette erreicht werden, was dem 3,3-fachen eines Referenzlasers entspricht. Die Verwendung von DFB-Laser-Arrays f{\"u}hrt folglich zu einer signifikanten Leistungssteigerung, die sich durch geeignete Maßnahmen (Facettenverg{\"u}tung, Montage, Skalierung) noch weiter erh{\"o}hen ließe.},
  subject      = {DFB-Laser},
  language  = {de}
}