@phdthesis{Fuchs2014,
  author    = {Fuchs, Peter},
  title     = {Monolithische Quantenkaskadenlaser mit monomodiger und weit abstimmbarer Emission},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-109432},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2014},
  abstract  = {Ausgehend von mittels Molekularstrahlepitaxie im InGaAs/InAlAs/InP Materialsystem gewachsenen Lasermedien wurden monochromatische Quantenkaskadenlaser f{\"u}r die GasSensorik mit Emission im mittleren Infrarot entworfen, hergestellt und charakterisiert. Vorrangige Ziele waren hierbei die Entwicklung von leistungsstarken monomodigen Lasern im langwelligen Spektralbereich um 14 µm, sowie von Bauteilen mit weiter und schneller spektraler Abstimmbarkeit. F{\"u}r den Entwurf der Laserstege wurde zun{\"a}chst die zeitliche Entwicklung der Temperaturverteilung f{\"u}r verschiedene Varianten von Wellenleitern sowohl im gepulsten als auch im kontinuierlichen Betrieb simuliert. Anhand der berechneten thermischen Bauteilwiderst{\"a}nde konnten so geeignete Prozessparameter f{\"u}r die Herstellung der Laserstrukturen ermittelt werden Zur Herstellung von monochromatischen DFB-Lasern auf Basis eines MesaWellenleiters mit Seitenwandgittern wurde ein Prozess entwickelt, der sich - im Vergleichzu g{\"a}ngigen Verfahren zur Strukturierung von DFB-Gittern - durch eine stark reduzierte Anzahl an Verfahrenschritten und eine schnelle und einfache Durchf{\"u}hrbarkeit auszeichnet. F{\"u}r Laser mit 4 mm L{\"a}nge und 14 µm mittlerer Breite wurde eine Spitzenleistung {\"u}ber 200 mW bei einer externen Effizienz von 330 mW/A und einer Schwellstromdichte von 2,1 kA/cm^2 bei Raumtemperatur bestimmt. DFB-Laser um 14 µm, welche - durch die große Wellenl{\"a}nge bedingt - h{\"o}here Schwellstromdichten aufweisen, wurden dagegen auf Basis von nasschemisch ge{\"a}tzten Doppelkanal-Wellenleitern mit in die Oberseite des Steges ge{\"a}tzten Gittern und dickem Gold auf den Stegflanken hergestellt, um eine bessere laterale W{\"a}rmeabfuhr zu erreichen. Basierend auf der Analyse des Strahlprofils und des Emissionsspektrums war trotz der großen Stegbreite ausschließlich Betrieb auf der Grundmode zu beobachten. So konnte eine Spitzenleistung von 810 mW bei einer Schwellstromdichte von 4,3 kA/cm^2 bei Raumtemperatur erreicht werden. Um eine gr{\"o}ßere spektrale Abstimmbarkeit zu erreichen als dies mit DFB-Lasern m{\"o}glich ist, wurde ein Lasertyp auf Basis von zwei gekoppelten Fabry-P erot Kavit{\"a}ten entworfen, hergestellt und untersucht. Mit diesem Konzept konnte {\"u}ber eine geringe Stromvariation ein Umschalten zwischen verschiedenen Resonanzen erreicht werden, was bei konstanter Temperatur der W{\"a}rmesenke um Raumtemperatur einen Abstimmbereich von 5,2 cm^-1 erm{\"o}glichte. Unter Einbeziehung einer Variation der Temperatur der W{\"a}rmesenke konnte monomodige Emission in einem Spektralbereich von 52 cm^-1 erreicht und die Tauglichkeit der Laser f{\"u}r die Gas-Sensorik anhand einer Absorptionsmessung an Ammoniak demonstriert werden. Da die monomodige Spitzenleistung dieser Laser jedoch konzeptbedingt auf wenige mW beschr{\"a}nkt war, wurde f{\"u}r den Einsatz weit abstimmbarer Laser in der Spurengasanalytik im letzten Teil der Arbeit ein anderer Lasertyp mit flachge{\"a}tztem Bragg-Reflektor entwickelt. Durch sorgf{\"a}ltige Wahl der Gitterparameter und ein spezielles Puls-Schema wurde eine {\"u}ber 30 cm^-1 quasi-kontinuierlich abstimmbare, monomodige Emission erreicht. Die Stabilit{\"a}t und die spektrale Reinheit des Laserlichts mit einer Seitenmodunterdr{\"u}ckung von mehr als 30 dB konnte anhand von zeitaufgel{\"o}sten Messungen des Abstimmvorgangs und durch ein Absorptionsexperiment mit Ethen belegt werden. Die erzielte spektrale Aufl{\"o}sung war durch die Messelektronik begrenzt und betrug 0,0073 cm^-1. Zudem ergab sich auch die M{\"o}glichkeit einer Analyse des thermischen {\"U}bersprechens, welche einen vernachl{\"a}ssigbaren Einfluss f{\"u}r den Pulsbetrieb der Laser zeigte und eine moderate Erw{\"a}rmung benachbarter Segmente um 10\% des f{\"u}r das vors{\"a}tzlich beheizte Segment gemessenen Wertes. Des Weiteren konnte dank der M{\"o}glichkeit zur unabh{\"a}ngigen Strominjektion in verschiedene Sektionen die Temperaturabh{\"a}ngigkeit von Verst{\"a}rkung und Absorption im Resonator untersucht werden. Herausstechende Eigenschaften dieser Laser wie die Verringerung der gepulsten Chirprate im Vergleich zu DFB-Lasern um den Faktor 3 konnten anhand von systematischen Untersuchungen mit einer Vielzahl von Bauteilen analysiert und auf die zeitlicheTemperaturentwicklung bzw. die r{\"a}umliche Temperaturverteilung im Lasersteg zur{\"u}ckgef{\"u}hrt werden. Die optische Spitzenleistung von 600 mW und externe Effizienzen bis 300mW/A sollten auch den Einsatz in der Spurengasanalyse erlauben, die hohe Geschwindigkeit mit der die Emissionswellenl{\"a}nge variiert werden kann, {\"u}berdies die Untersuchung der Reaktionskinetik in der Gasphase.},
  subject      = {Quantenkaskadenlaser},
  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}
}