@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{Gerschuetz2010,
  author    = {Gersch{\"u}tz, Florian},
  title     = {GaInAs/AlGaAs-Quantenpunktlaser f{\"u}r Telekommunikationsanwendungen mit einer Wellenl{\"a}nge von 1,3 μm},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-53362},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2010},
  abstract  = {Die vorliegende Arbeit befasst sich mit verschiedenen, neuartigen Quantenpunkthalbleiterlasern f{\"u}r Telekommunikationsanwendungen im Wellenl{\"a}ngenbereich um 1,3 μm. Dabei stellen diese Bauteile jeweils die besten in der Literatur zu findenden Quantenpunktlaser bei dieser Wellenl{\"a}nge dar. Die hervorragende Eignung dieser Laser f{\"u}r Telekommunikationsanwendungen mit signifikant verbesserten Eigenschaften gegen{\"u}ber Quantenfilmlasern wird im Verlauf der Arbeit mehrfach demonstriert. Bei der Darstellung der unterschiedlichen Arten von Quantenpunktlasern und ihrer Eigenschaften wird zuerst auf deren Herstellung eingegangen, die sich teilweise in wesentlichen Punkten unterscheidet. Bei der Charakterisierung der Lasereigenschaften wird zwischen den statischen und den dynamischen Eigenschaften unterschieden. Besonderheiten werden jeweils anhand theoretischer Modelle erl{\"a}utert und herausgearbeitet. Außerdem zeigt sich, dass alle Laser - entweder im Hinblick auf ihre statischen oder dynamischen Eigenschaften - Bestwerte f{\"u}r Quantenpunktlaser erzielen. Speziell gelingt es, eine bisher unerreichte Temperaturstabilit{\"a}t zu erreichen. So kann erstmals an einem Rippenwellenleiterlaser ohne R{\"u}ckkopplungsgitter eine negative charakteristische Temperatur bei Raumtemperatur demonstriert werden: Zwischen 25°C und 45° liegt der T0-Wert bei -190 K, der Schwellenstrom reduziert sich von 14 mA auf 13 mA. Oberhalb von 45°C zeigt der Laser mit T0=2530 K ebenfalls ein ausgezeichnetes Temperaturverhalten, das bisher an keinem anderen Laser - weder Quantenpunkt- noch Quantenfilmlaser - demonstriert werden konnte. In diesem Temperaturbereich (45°C - 85°C) ist die Laserschwelle nahezu konstant bei 13 mA. Hinzu kommt die hohe Ausgangsleistung von {\"u}ber 20 mW f{\"u}r Str{\"o}me kleiner als 40 mA bei allen Messtemperaturen. Dar{\"u}ber hinaus erreichen die FP-Laser bei der Kleinsignalmodulation mit 8,6 GHz bei 25°C neue Rekordwerte. Diese Ergebnisse werden erst durch eine hochwertige p- Modulationsdotierung erm{\"o}glicht, deren Einfluss und Wirkung ebenfalls erl{\"a}utert werden. Das Material f{\"u}r diese Laser wurde in vielen Schritten aufw{\"a}ndig optimiert. Die DFB-Laser stellen die ersten longitudinal monomodigen Bauteile dieser Arbeit dar. Auch diese Laser verf{\"u}gen {\"u}ber ausgezeichnete Temperatureigenschaften und erreichen bei der Kleinsignalmodulation mit 7,8 GHz bei 25°C einen neuen Bestwert f{\"u}r Quantenpunkt-DFB-Laser. Noch bedeutender sind allerdings die Ergebnisse der Großsignalmodulation: So kann erstmals temperaturunabh{\"a}ngige 10 Gbit/s-Direktmodulation im Temperaturbereich von 25°C bis 85°C {\"u}ber 20 km bei konstantem Betriebspunkt erreicht werden. Dies demonstriert das große Potential dieser Bauteile f{\"u}r einen Einsatz in Lasermodulen ohne thermoelektrischen K{\"u}hler, was durch die damit verbundene Reduzierung der Kosten in der Praxis große Bedeutung hat. Um die Bandweite auf Quantenpunktmaterial noch weiter zu erh{\"o}hen, werden Complex- Coupled-Injection-Grating-Laser untersucht. Diese Laser bestehen aus drei Segmenten und nutzen ein neuartiges Konzept zur Erh{\"o}hung der Bandweite: Durch die Wechselwirkung verschiedener Longitudinalmoden kann eine h{\"o}here Resonanz im Laser, die Photon-Photon-Resonanz, ausgenutzt werden, um die Bandweite des Bauteils auf etwa das zweieinhalbfache der vorgestellten FP-Lasers auszuweiten. Zum ersten Mal wird so eine Modulationsweite von 20 GHz an einem direkt modulierten Laser auf Quantenpunktbasis gezeigt. Durch getrenntes Ansteuern der drei Lasersegmente ist es m{\"o}glich, die Lage und die Form der PPR gezielt einzustellen. Die drei Segmente {\"u}bernehmen dabei unterschiedliche Funktionen: W{\"a}hrend das Verst{\"a}rkungssegment nur dazu dient, die Ausgangsleistung zu kontrollieren, kann {\"u}ber das Gittersegment die Position der zweiten Resonanz gesteuert werden. Strominjektionen in das Phasensegment schließlich erlauben eine Feinabstimmung der Phasenlage der Moden im Laser und somit die Steuerung der Form der Photon-Photon-Resonanz. Bei der Pr{\"a}sentation der Großsignaldaten zeigt sich, dass der CCIGLaser sowohl bei 25°C als auch bei 85°C eine Modulationsgeschwindigkeit von 10 GBit/s erreicht und zur Transmission {\"u}ber ein Glasfaserkabel von 20 km L{\"a}nge geeignet ist. Wie schon der DFBLaser ben{\"o}tigt auch das CCIG-Bauteil aufgrund seiner hervorragenden Temperaturstabilit{\"a}t keinen thermoelektrischen K{\"u}hler. Wegen des {\"a}ußerst sensiblen Verhaltens der Phasenlage auf Strom{\"a}nderungen ist jedoch eine Anpassung der Betriebsparameter an die jeweilige Temperatur notwendig. Schließlich werden weit abstimmbare Quantenpunktlaser vorgestellt, die auf eigens hierf{\"u}r optimiertem Material mit spektral breiter Verst{\"a}rkungscharakteristik prozessiert wurden. Diese Laser emittieren monomodig bei 1315 nm, 1335 nm, 1355 nm, 1375 nm und 1395 nm. Die Wellenl{\"a}nge l{\"a}sst sich durch einen einfachen Abstimmmechanismus diskret einstellen, eine kontinuierliche Feinabstimmung ist zus{\"a}tzlich m{\"o}glich. Mit diesen Eigenschaften eignen die Laser sich hervorragend f{\"u}r den Einsatz in CWDM-Systemen, deren Kanalabstand jeweils 20 nm betr{\"a}gt. Durch den breiten Abstimmbereich von 80 nm sind sie zudem als einzige bisher realisierte Laser in der Lage, f{\"u}nf unterschiedliche Kan{\"a}le anzusprechen. Dar{\"u}ber hinaus sind auch diese Bauteile f{\"u}r den kosteneffizienten Einsatz unter Direktmodulation ausgelegt. Obwohl auch diese Laser auf Quantenpunkten bei 1,3 μm basieren, sind die Anforderungen an das Material f{\"u}r einen abstimmbaren Laser andere als bei den bereits pr{\"a}sentierten Lasern. Besonders wichtig ist hier die Breite der Verst{\"a}rkungskurve, so dass ein m{\"o}glichst großer Spektralbereich abgedeckt werden kann. Hierzu konnte anhand eines Modells der Verst{\"a}rkungsbereich theoretisch bestimmt werden. Rechnerisch zeigt sich, dass Laseremission {\"u}ber einen Bereich von mehr als 60 nm m{\"o}glich ist. In der Praxis wird dieser Wert sogar noch um 20 nm {\"u}bertroffen, da die Rechnung die Rotverschiebung der Verst{\"a}rkungskurve mit der Temperatur nicht ber{\"u}cksichtigt. Mit den in dieser Arbeit vorgestellten Daten und Ergebnissen wird die hervorragende Eignung von Quantenpunklasern f{\"u}r verschiedenste Anwendungen im Telekommunikationsbereich gezeigt. Dar{\"u}ber hinaus zeigt sich in vielen wesentlichen Punkten die {\"U}berlegenheit dieser Laser {\"u}ber konventionelle Quantenfilmlaser. Somit konnte erfolgreich die Grundlage f{\"u}r zuk{\"u}nftige kommerzielle Anwendungen der Quantenpunkttechnologie gelegt werden.},
  subject      = {Quantenpunktlaser},
  language  = {de}
}