@phdthesis{Brunner2005,
  author    = {Brunner, Raimund},
  title     = {Analyse optischer Heterodynsignale zur dynamischen Charakterisierung von Diodenlasern},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-17195},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2005},
  abstract  = {Die stetige Degradation von Halbleiterlasern, speziell bei Bleichalkogenidlasern, erfordert in spektroskopischen Systemen eine regelm{\"a}ßige {\"U}berwachung typischer Eigenschaften wie Abstimmcharakteristik und Linienbreite. Im Hinblick auf einen m{\"o}glichst hohen Automatisierungsgrad wird langfristig eine Online-Analysemethode zur {\"U}berwachung notwendig sein. Die {\"u}blicherweise verwendete Methode, den Laserarbeitspunkt {\"u}ber zugrunde liegende Modenkarten einzustellen, hat den gravierenden Nachteil, dass solche Modenkarten in der Regel nicht unter dynamischen Modulationsbedingungen vermessen wurden. Gerade im dynamischen Fall sind diese Karten empfindlich abh{\"a}ngig gegen{\"u}ber Ver{\"a}nderungen durch Zyklieren und Degradieren des Lasers. Etalons (Etalonsignale) sind bez{\"u}glich der Abstimmcharakteristik nicht zuverl{\"a}ssig genug und von daher f{\"u}r eine w{\"u}nschenswerte Automatisierung nicht ausreichen. Modenspr{\"u}nge oder schwache R{\"u}ckkopplungseffekte lassen sich im Interferogramm nicht ohne weiteres identifiziert. Eine erweiterte Analyse der St{\"o}rungen dieser Interferogramme im Zeit-Frequenzbereich mittels einer AOK(Adaptive Optimal Kernel)-Transformation erwies sich speziell bei Signalen mit wenigen Perioden als deutlich aussagekr{\"a}ftiger. Mittels optischer Homodynmischung wurde die Linienbreite von Bleichalkogenidlasern ermittelt. Bei inkoh{\"a}renter {\"U}berlagerung entspricht die spektrale Verteilung der Mischung der Faltung der urspr{\"u}nglichen Verteilung mit sich selbst. Der Laser wird dabei nicht abgestimmt, die optische Laufzeitverz{\"o}gerung wurde mittels integrierter White-Zelle realisiert. Es wurde beobachtet, dass je nach Grad des Rauschens des Injektionsstroms, das Linienbreitenprofil von Lorentz nach Gauß {\"u}berging. Mit einem externen CO2-Laser als lokalen Oszillator wurden Heterodynmessungen durchgef{\"u}hrt. Die Linienbreite eines CO2-Lasers ist mit wenigen kHz im Vergleich zu derjenigen eines Bleichalkogenidlasers vernachl{\"a}ssigbar und die {\"U}berlagerung erfolgt absolut inkoh{\"a}rent. Gemessen wurden spektrale Verteilungen mit typischem Lorentzprofil von 10 MHz bis zu 100 MHz und dar{\"u}ber hinaus. Auff{\"a}llig waren h{\"a}ufig symmetrische Nebenpeaks, die in den Bereichen der Seitenflanken des Lorentzprofils auftraten. Anhand einer numerischen Simulation eines Modells einer Laserdiode, basierend auf Ratengleichungen mit f{\"u}r Bleichalkogenidlasern typischen Parameterwerten, konnte verdeutlicht werden, dass sich durch das nichtlineare Lasermodell ausgepr{\"a}gte Vielfache von Resonanzen bereits im Abstand von 25 MHz ausbilden k{\"o}nnen. Derartige Resonanzen tauchen im E-Feld-Spektrum als typische Relaxationsoszillationen in den Seitenb{\"a}ndern wieder auf und erkl{\"a}ren die in der Messung beobachteten Nebenpeaks innerhalb der spektralen Verteilung. Die St{\"a}rke der Seitenb{\"a}nder ist ein Maß f{\"u}r die Korrelation zwischen Phasen- und Amplitudenfluktuationen. Das Modell f{\"u}r die numerische Berechnung des E-Feldes wurde mit einem thermischen Verhalten erweitert. Eine umfassende Charakterisierungsmethode zur automatisierten Einstellung eines modulierten Lasersystems muss dynamisch und zeitaufgel{\"o}st erfolgen. Die Auswertung optischer Mischfrequenzen beschr{\"a}nkt sich dabei nicht mehr auf die direkte Interpretation von einzelnen Spektren, sondern erweitert sich auf die Analyse im Zeit-Frequenzraum. F{\"u}r eine direkte und schnelle Zeitfrequenztransformation bietet sich ein „Gefensterte Fouriertransformation" (STFT) an, die sich außerdem relativ einfach in moderne Signalprozessortechnik implementieren l{\"a}sst. Sie erweist sich als sehr robust und f{\"u}r die hier erforderliche Analyse von Heterodynsignalen als ausreichend. Mit der Festlegung des Analysefensters innerhalb einer STFT ist die Aufl{\"o}sung in Zeit und Frequenz fest definiert. Analysen von Mischsignalen mit einer kontinuierlichen Wavelettransformation haben vergleichsweise gezeigt, dass Details im Zeitfrequenzraum zwar besser herausgearbeitet werden k{\"o}nnen, jedoch ist der Rechenaufwand durch die variable Skalierung und somit stark redundante Analyse und ihre Darstellung unverh{\"a}ltnism{\"a}ßig gr{\"o}ßer. Eine Analyse des Linienbreitenprofils erfolgt dabei {\"u}ber die Entwicklung der Skalierung eines Signals. Die {\"u}ber Heterodynsignale ermittelte effektive Linienbreite bei einer modulierten Abstimmung sollte eher als „dynamische" oder „intrinsische" Laserlinienbreite bezeichnet werden. Eine direkte Korrelation der Frequenzvariation des Lasers mit dem Stromrauschen des Injektionsstroms ist offensichtlich. Die wirksame Bandbreite des Stromrauschens wird durch die Systemelektronik einerseits und die Modulationsbandbreite des Lasers andererseits begrenzt. Außer den wichtigen Parametern wie Abstimmung und Linienbreite lassen sich {\"u}ber die dynamische Zeitfrequenzanalyse von Heterodynsignalen dar{\"u}ber hinaus weitere Ph{\"a}nomene wie R{\"u}ckkopplung, Moden{\"u}berlagerung oder Einschwingverhalten aufgrund direkter Kopplung zwischen Intensit{\"a}ts­ und Frequenzmodulation beobachten.},
  subject      = {Laserdiode},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Schwertberger2005,
  author    = {Schwertberger, Ruth},
  title     = {Epitaxie von InAs-Quanten-Dash-Strukturen auf InP und ihre Anwendung in Telekommunikationslasern},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-14609},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2005},
  abstract  = {Die vorliegende Arbeit besch{\"a}ftigt sich mit der Herstellung und Charakterisierung von niedrigdimensionalen Strukturen f{\"u}r den Einsatz als aktive Schicht in InP-Halbleiterlasern. Quantenpunktstrukturen als Lasermedium weisen gegen{\"u}ber herk{\"o}mmlichen Quantenfilmlasern einige Vorteile auf, wie beispielsweise geringe Schwellenstromdichten, breites Verst{\"a}rkungsspektrum und geringe Temperatursensitivit{\"a}t der Emissionswellenl{\"a}nge. Ziel dieser Arbeit ist es, diese speziellen Vorteile, die im GaAs-System gr{\"o}ßtenteils nachgewiesen sind, auch auf das InP-System zu {\"u}bertragen, da dieses f{\"u}r die Telekommunikationswellenl{\"a}nge 1.55 µm pr{\"a}destiniert ist. Die vorgestellten Strukturen wurden mittels einer Gasquellen-Molekularstrahlepitaxie-Anlage unter Verwendung der alternativen Gruppe-V-Precursor Terti{\"a}rbutylphosphin (TBP) und -arsin (TBA) hergestellt. Die Bildung der Quantenpunktstrukturen wurde zun{\"a}chst an Hand von Teststrukturen optimiert. Scheidet man InAs auf einem InP(100)-Substrat ab, so bilden sich - anders als auf GaAs - keine runden InAs-Quantenpunkte, sondern unregelm{\"a}ßige, strichf{\"o}rmige Strukturen mit einer klaren Vorzugsorientierung, sogenannte Dashes. Verschiedene Wachstumsparameter, wie die Menge an deponiertem InAs, der Strukturaufbau oder der Wachstumsmodus, lassen eine Beeinflussung der Emissionseigenschaften zu, die mittels Photolumineszenz (PL)-Spektroskopie untersucht wurden. So kann die Emissionswellenl{\"a}nge der Dashes sehr genau und {\"u}ber einen großen Bereich zwischen 1.2 und 2.0 µm {\"u}ber die nominelle Dicke der Dash-Schicht festgelegt werden. Dieser Zusammenhang l{\"a}sst sich auch nutzen, um durch die Kombination von Schichten unterschiedlicher Dash-Gr{\"o}ße eine extreme Verbreiterung des Verst{\"a}rkungsspektrums auf {\"u}ber 300 nm zu erzielen. Neben der Hauptanwendung als Telekommunikationslaser sind auch Einsatzm{\"o}glichkeiten in der Gassensorik f{\"u}r einen Wellenl{\"a}ngenbereich zwischen 1.8 und 2.0 µm denkbar. Dieser ist neben der Verwendung extrem dicker Schichten durch das Prinzip des migrationsunterst{\"u}tzten Wachstums (engl. migration enhanced epitaxy) oder durch die Einbettung der Dash-Schichten in einen InGaAs-Quantenfilm ("Dash-in-a-Well"-Struktur) realisierbar. Letzteres zieht eine starke Rotverschiebung um etwa 130 meV bei gleichzeitiger schmaler und intensiver Emission nach sich. Da die Dashes einige sehr interessante Eigenschaften aufweisen, wurde ihre Eignung als aktive Schicht eines InP-Halbleiterlasers untersucht. Zun{\"a}chst wurden der genaue Schichtaufbau, speziell die Fernfeldcharakteristik, und die Wachstumsparameter optimiert. Ebenso wurde der Effekt eines nachtr{\"a}glichen Ausheilschritts diskutiert. Da die speziellen Vorteile der Quanten-Dash(QD)-Strukturen nur Relevanz haben, wenn auch ihre Grunddaten einem Quantenfilmlaser (QW-Laser) auf InP ebenb{\"u}rtig sind, wurde besonderer Wert auf einen entsprechenden Vergleich gelegt. Dabei zeigt sich, dass die Effizienzen ebenso wie die Absorption der QD-Laser nahezu identisch mit QW-Lasern sind. Die Schwellenstromdichten weisen eine st{\"a}rkere Abh{\"a}ngigkeit von der L{\"a}nge des Laserresonators auf, was dazu f{\"u}hrt, dass ab einer L{\"a}nge von 1.2 mm QD-Laser geringere Werte zeigen. Die Temperaturabh{\"a}ngigkeit der Schwellenstromdichte, die sich in der charakteristischen Temperatur T0 {\"a}ussert, zeigt dagegen f{\"u}r QD-Laser eine st{\"a}rkere Sensitivit{\"a}t mit maximalen T0-Werten von knapp {\"u}ber 100 K. Betrachtet man das Emissionsspektrum der QD-Laser, so f{\"a}llt die starke Blauverschiebung mit abnehmender Bauteill{\"a}nge auf. Gleichzeitig zeigen diese Laser im Vergleich zu QW-Lasern eine deutlich gr{\"o}ßere Temperaturstabilit{\"a}t der Emissionswellenl{\"a}nge. Beide Eigenschaften haben ihre Ursache in der flachen Form des Verst{\"a}rkungsspektrums. Zus{\"a}tzlich wurden einige der an Hand der Teststrukturen gezeigten Dash-Eigenschaften auch an Laserstrukturen nachgewiesen. So l{\"a}sst sich durch Variation der Dash-Schichtdicke von 5 auf 7.5 ML eine Verschiebung der Emissionswellenl{\"a}nge um bis zu 230 nm realisieren, wobei dieses Verfahren damit noch nicht ausgereizt ist. Ebenso wurde auch ein {\"U}berlapp aus sechs jeweils verschieden dicken Dash-Schichten in eine Laserstruktur eingebaut. An Hand von Subschwellspektren wurde eine Verst{\"a}rkungsbreite von etwa 220 nm nachgewiesen, die eine Abdeckung des gesamten Telekommunikationsbandes durch eine einzige Laserstruktur erlauben w{\"u}rde. Aus Quanten-Dash-Material prozessierte Stegwellenleiter (RWG)-Laser weisen sehr vielversprechende Daten mit hohen Ausgangsleistungen bis 15 mW pro Facette und niedrigen Schwellenstr{\"o}men auf. Damit schafft diese Arbeit die Grundvoraussetzungen, um InAs-Quanten-Dashes als echte Alternative zu herk{\"o}mmlichen Quantenfilmen in InP-Halbleiterlasern zu etablieren. Besonders das breite Verst{\"a}rkungsspektrum und die hohe Temperaturstabilit{\"a}t der Emissionswellenl{\"a}nge zeichnen dieses Material aus.},
  subject      = {Halbleiterlaser},
  language  = {de}
}