@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{Huggenberger2012,
  author    = {Huggenberger, Alexander},
  title     = {Optimierung von positionierten In(Ga)As-Quantenpunkten zur Integration in Halbleiter-Mikroresonatoren},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-78031},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2012},
  abstract  = {Diese Arbeit besch{\"a}ftigt sich mit der Herstellung von positionierten In(Ga)As-Quantenpunkten zur Integration in Halbleiter-Mikroresonatoren. Dazu wurden systematisch die optischen Eigenschaften - insbesondere die Linienbreite und die Feinstrukturaufspaltung der Emission einzelner Quantenpunkte - optimiert. Diese Optimierung erfolgt im Hinblick auf die Verwendung der Quantenpunkte in Lichtquellen zur Realisierung einer Daten{\"u}bertragung, die durch Quantenkryptographie abh{\"o}rsicher verschl{\"u}sselt wird. Ein gekoppeltes Halbleitersystem aus einem Mikroresonator und einem Quantenpunkt kann zur Herstellung von Einzelphotonenquellen oder Quellen verschr{\"a}nkter Photonen verwendet werden. In dieser Arbeit konnten positionierte Quantenpunkte skalierbar in Halbleiter-Mikroresonatoren integriert werden. In(Ga)As-Quantenpunkte auf GaAs sind ein h{\"a}ufig untersuchtes System und k{\"o}nnen heutzutage mit hoher Kristallqualit{\"a}t durch Molekularstrahlepitaxie hergestellt werden. Um die Emission der Quantenpunkte gerichtet erfolgen zu lassen und die Auskoppeleffizienz der Bauteile zu erh{\"o}hen, wurden Mikros{\"a}ulenresonatoren oder photonische Kristallresonatoren eingesetzt. Die Integration in diese Resonatoren erfolgt durch Ausrichtung an Referenzstrukturen, wodurch dieses Verfahren skalierbar. Die Strukturierung der Substrate f{\"u}r die Herstellung von positionierten Quantenpunkten wurde durch optische Lithographie und Elektronenstrahllithographie in Kombination mit unterschiedlichen {\"A}tztechniken erreicht. F{\"u}r den praktischen Einsatz solcher Strukturen wurde ein Kontaktierungsschema f{\"u}r den elektrischen Betrieb entwickelt. Zur Verbesserung der optischen Eigenschaften der positionierten Quantenpunkte wurde ein Wachstumsschema verwendet, das aus einer optisch nicht aktiven In(Ga)As-Schicht und einer optisch aktiven Quantenpunktschicht besteht. F{\"u}r die Integration einzelner Quantenpunkte in Halbleiter-Mikroresonatoren wurden positionierte Quantenpunkte auf einem quadratischen Gitter mit einer Periode von 200 nm bis zu 10 mum realisiert. Eine wichtige Kenngr{\"o}ße der Emission einzelner Quantenpunkte ist deren Linienbreite. Bei positionierten Quantenpunkten ist diese h{\"a}ufig aufgrund spektraler Diffusion gr{\"o}ßer als bei selbstorganisierten Quantenpunkten. Im Verlauf dieser Arbeit wurden unterschiedliche Ans{\"a}tze und Strategien zur {\"U}berwindung dieses Effekts verfolgt. Dabei konnte ein minimaler Wert von 25 mueV f{\"u}r die Linienbreite eines positionierten Quantenpunktes auf einem quadratischen Gitter mit einer Periode von 2 μm erzielt werden. Die statistische Auswertung vieler Quantenpunktlinien ergab eine mittlere Linienbreite von 133 mueV. Die beiden Ergebnisse zeugen davon, dass diese Quantenpunkte eine hohe optische Qualit{\"a}t besitzen. Die FSS der Emission eines Quantenpunktes sollte f{\"u}r die direkte Erzeugung polarisationsverschr{\"a}nkter Photonen m{\"o}glichst klein sein. Deswegen wurden unterschiedliche Ans{\"a}tze diskutiert, um die FSS einer m{\"o}glichst großen Zahl von Quantenpunkten systematisch zu reduzieren. Die FSS der Emission von positionierten In(Ga)As-Quantenpunkten auf (100)-orientiertem Galliumarsenid konnte auf einen minimalen Wert von 9.8 mueV optimiert werden. Ein anderes Konzept zur Herstellung positionierter Quantenpunkte stellt das Wachstum von InAs in ge{\"a}tzten, invertierten Pyramiden in (111)-GaAs dar In (111)- und (211)-In(Ga)As sollte aufgrund der speziellen Symmetrie des Kristalls bzw. der piezoelektrischen Felder die FSS verschwinden. Mit Hilfe von Quantenpunkten auf solchen Hochindex-Substraten konnten FSS von weniger als 5 mueV gemessen werden. Bis zu einem gewissen Grad kann die Emission einzelner Quantenpunkte durch laterale elektrische Felder beeinflusst werden. Besonders die beobachtete Reduzierung der FSS positionierter In(Ga)As-Quantenpunkte auf (100)-orientiertem GaAs von ca. 25 mueV auf 15 mueV durch ein laterales, elektrisches Feld ist viel versprechend f{\"u}r den k{\"u}nftigen Einsatz solcher Quantenpunkte in Quellen f{\"u}r verschr{\"a}nkte Photonen. Durch die Messung der Korrelationsfunktion wurde die zeitliche Korrelation der Emission von Exziton und Biexziton nachgewiesen und das Grundprinzip zum Nachweis eines polarisationsverschr{\"a}nkten Zustandes gezeigt. In Zusammenarbeit mit der Universit{\"a}t Tokyo wurde ein Konzept entwickelt, mit dem k{\"u}nftig Einzelquantenpunktlaser skalierbar durch Kopplung positionierter Quantenpunkte und photonischer Kristallkavit{\"a}ten hergestellt werden k{\"o}nnen. Weiterhin konnte mit Hilfe eines elektrisch kontaktierten Mikros{\"a}ulenresonators bei spektraler Resonanz von Quantenpunktemission und Kavit{\"a}tsmode eine Steigerung der spontanen Emission nachgewiesen werden. Dieses System ließ sich bei geeigneten Anregungsbedingungen auch als Einzelphotonenquelle betreiben, was durch den experimentell bestimmten Wert der Autokorrelationsfunktion f{\"u}r verschwindende Zeitdifferenzen nachgewiesen wurde.},
  subject      = {Quantenpunkt},
  language  = {de}
}
@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}
}