Lars Nähle

• Ein Ziel der Arbeit war die Entwicklung spektral monomodiger DFB-Lasern im Wellenlängenbereich von 3,0-3,4µm. Diese sollten auf spezielle Anwendungen in der Absorptionsspektroskopie an Kohlenwasserstoffen gezielt angepasst werden. Hierfür wurden zwei auf GaSb-Material basierende Lasertypen untersucht - Interbandkaskadenlaser (ICL) und Diodenlaser mit quinären AlGaInAsSb-Barrieren- und Wellenleiter-Schichten. Für das ICL-Material wurde ein DFB-Prozess basierend auf vertikalen Seitengittern entwickelt. Dieser Ansatz ermöglichte monomodigenEin Ziel der Arbeit war die Entwicklung spektral monomodiger DFB-Lasern im Wellenlängenbereich von 3,0-3,4µm. Diese sollten auf spezielle Anwendungen in der Absorptionsspektroskopie an Kohlenwasserstoffen gezielt angepasst werden. Hierfür wurden zwei auf GaSb-Material basierende Lasertypen untersucht - Interbandkaskadenlaser (ICL) und Diodenlaser mit quinären AlGaInAsSb-Barrieren- und Wellenleiter-Schichten. Für das ICL-Material wurde ein DFB-Prozess basierend auf vertikalen Seitengittern entwickelt. Dieser Ansatz ermöglichte monomodigen Laserbetrieb bei Realisierung der Laser mit Kopplungsgitter in nur einem Ätzschritt und ohne epitaktischen Überwachstumsschritt. Maximal mögliche Betriebstemperaturen von ~0°C für die auf dem verfügbaren epitaktischen Material entwickelten Laser wurden bestimmt. Eine Diskussion der thermischen Eigenschaften der Laser deckte Gründe für die Limitierung der Betriebstemperatur auf. Möglichkeiten zur Optimierung der Leistungsfähigkeit und Steigerung der Betriebstemperatur beim ICL-Ansatz wurden hierauf basierend vorgestellt. Als kritischster Parameter wurde hier die epitaxiebestimmte Temperaturstabilität der Laserschwelle ausgemacht. Weitere Entwicklungen umfassten die Herstellung von DFB-Lasern mit dem erwähnten Diodenlasermaterial mit quinären Barrieren. Es kam eine Prozessierung der Bauteile ohne Überwachstum unter Verwendung von lateralen Metallgittern zur Modenselektion zum Einsatz. Die Bestimmung optischer Parameter zur Entwicklung von Lasern mit guter DFB-Ausbeute wurde für das Epitaxiematerial mit quinären Barrieren >3,0µm von Wellenleiter-Simulationen unterstützt. 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 Seitenmodenunterdrückungen (SMSR) bis 50dB. Diesem Konzept entsprechend wurden DFB-Laser speziell für die Acetylen-Detektion bei Wellenlängen von 3,03µm und 3,06µm entwickelt. Die für ~3,0µm entwickelte und erfolgreich angewendete DFB-Prozessierung wurde daraufhin auf den Wellenlängenbereich bis 3,4µm angepasst. Ein Prozesslauf mit verbesserter Wärmeabfuhr, ohne die Verwendung eines Polymers, wurde entwickelt. Es konnten DFB-Laser hergestellt werden, die fast den gesamten Wellenlängenbereich 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. für die Detektion von Methan, Ethan und Propan, wurden entwickelt. Die in dieser Arbeit auf Diodenlasermaterial mit quinären Barrieren entwickelten DFB-Laser definieren für den gesamten Wellenlängenbereich von 2,8-3,4µm den aktuellen Stand der Technik für monomodige Laseremission durch direkte strahlende Übergänge. Sie stellen außerdem für den Wellenlängenbereich von 3,02-3,41µm die einzigen veröffentlichten DFB-Laser in cw-Betrieb bei Raumtemperatur dar. Eine maximale monomodige Emissionswellenlänge für Diodenlaser von 3412,1nm wurde erreicht. Ein weiteres Ziel der Arbeit war die Entwicklung weit abstimmbarer Laser von 3,3-3,4µm zur Ermöglichung erweiterter Anwendungen in der Kohlenwasserstoff-Gassensorik. Hierfür wurde ein Konzept zweisegmentiger Laser mit binären, überlagerten Gittern verwendet. Für diese sogenannten BSG-Laser konnte durch Simulationen unterstützt 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 Einschätzungen über das reale Verhalten in hergestellten Bauteilen gegeben. Die entwickelten Laser wiesen Emission in bis zu vier ansteuerbaren, monomodigen Wellenlängenkanälen auf. Sie zeigten ein den Simulationen entsprechendes, sehr gutes Durchstimmverhalten in den Kanälen (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. Für diese Wellenlängenkanäle wurden spektrale Messungen mit hohem Dynamikbereich gemacht. Mit SMSR bis 45dB war eine hervorragende Anwendbarkeit in einem Sensorsystem gewährleistet. 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 Stromveränderung durchstimmbaren Wellenlängenkanälen ein Abstimmverhalten mit konstant hoher Seitenmodenunterdrückung und ohne Modensprünge zeigen.…
• A major goal of this work was the development of spectrally monomode DFB lasers in the wavelength range around 3.0-3.4µm. It was intended to specifically adapt them to certain applications in absorption spectroscopy of hydrocarbons. To attain this goal, two types of laser concepts based on GaSb material were investigated - Interband Cascade Lasers and Diode Lasers with quinary AlGaInAsSb barrier and waveguide layers. A DFB process run based on vertical sidewall gratings was developed on the Interband Casade Laser material. This approach enabledA major goal of this work was the development of spectrally monomode DFB lasers in the wavelength range around 3.0-3.4µm. It was intended to specifically adapt them to certain applications in absorption spectroscopy of hydrocarbons. To attain this goal, two types of laser concepts based on GaSb material were investigated - Interband Cascade Lasers and Diode Lasers with quinary AlGaInAsSb barrier and waveguide layers. A DFB process run based on vertical sidewall gratings was developed on the Interband Casade Laser material. This approach enabled monomode laser operation by processing of the lasers along with their feedback gratings in a single etch step and without an epitaxial overgrowth step. Possible maximum operating temperatures of ~0°C for the lasers developed by the applied processing route on the available epitaxial material were determined. A discussion of thermal properties for the lasers revealed reasons for the limitation of operating temperatures. Based on this, options for the optimization of performance and increase of operating temperatures with the Interband Cascade Laser approach were presented. The epitaxially determined temperature stability of the laser threshold was made out as the most critical parameter. Further developments comprised the fabrication of DFB lasers with the prementioned Diode Laser material with quinary barriers. A processing concept without overgrowth employing lateral metal gratings for mode selection was applied. The determination of optical parameters for the development of lasers with a good DFB yield was supported by waveguide simulations of the epitaxial material with quinary barriers >3.0µm. The definition of grating structures was optimized for low absorption losses. Correspondingly fabricated lasers showed outstanding characteristics, operating up to temperatures of >50°C in continuous mode with spectrally monomode emission of up to 50dB at ~2.95µm. Following this concept, DFB lasers were specifically developed for acetylene detection at wavelengths of 3.03µm and 3.06µm. The DFB processing route developed and successfully implemented for ~3.0µm was subsequently further optimized for the wavelength range up to 3.4µm. A process run with improved heat removal and without application of a polymer was established. DFB lasers that covered almost the entire wavelength range from 3.3-3.4µm, could be successfully developed. Maximum operating temperatures of these lasers amounted to >20°C in continuous mode, their spectral characteristics were excellent (side-mode suppression ratio 45dB). Specific devices in the range 3.34-3.38µm were developed, for example, for detection of methane, ethane and propane. The DFB lasers based on Diode Laser material with quinary barriers developed in this work define the current state of the art for monomode laser emission by direct radiative transitions for the entire wavelength range from 2.8-3.4µm. They also represent the only published DFB lasers operating in cw operation at room temperature in the wavelength range from 3.02-3.41µm. A maximum monomode emission wavelength for Diode Lasers of 3412.1nm has been reached. A further goal of this work was the development of widely tunable lasers from 3.3-3.4µm, to enable extended applications in hydrocarbon gas spectroscopy. Therefore a concept of two-segment lasers with Binary Superimposed Gratings (BSG) was applied. Supported by simulations, the influence of the critical parameter of the phase of the Bragg modes at the positions of the facets could be investigated for these BSG lasers. An according phase-optimized design of the grating structures was employed in the laser segments. Simulations of the lasers' tuning behaviour were discussed and estimations on the real behaviour of fabricated devices were given. The developed lasers exhibited emission in up to four addressable monomode wavelength channels. According to the simulations, they showed very good tuning behaviour within the channels (up to ~30nm). The development of a specific laser in this work was designed for industrial application in a sensor system with monomode emission around 3333nm and 3357nm. Spectral characterization of these channels was performed with a high dynamic range. Side-mode suppression ratios of up to 45dB guaranteed an outstanding applicability in a sensor system. The design with only two laser segments makes an easy control without the use of complex electronics possible. The widely tunable lasers developed in this work represent the monolithic widely tunable lasers with the highest emission wavelength so far. They are also so far the only two-segment BSG lasers with verified high monomode quality and mode-hop free tuning behaviour in channels tuned by co-directional current shifting in the segments.…