Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2488
Main Title: Halbleiterlaser hoher Brillanz
Translated Title: High Brightness Semiconductor Lasers
Author(s): Kettler, Thorsten
Advisor(s): Bimberg, Dieter
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Diese Arbeit befasst sich mit der Prozessierung und Charakterisierung von PBC-Lasern (PBC: Photonic Band Crystal, photonische Bandstruktur) im GaAs-Materialsystem, einem neuartigen Ansatz zum Erzielen hoher Ausgangsleistungen mit extrem geringer vertikaler Fernfelddivergenz und exzellenter Strahlqualität und damit einer hohen Brillanz der emittierten Strahlung. PBC-Laser besitzen einen in vertikaler Richtung stark ausgedehnten Wellenleiter, der aus abwechselnden Schichten mit unterschiedlich hohem Brechungsindex besteht. Der dadurch gegebene eindimensionale photonische Kristall diskriminiert zuverlässig höhere vertikale Moden, so dass trotz der großen Nahfeldausdehnung vertikal grundmodige Emission erzielt wird. Untersucht wurden sowohl Einzellaser als auch Laserbarren aus optisch gekoppelten oder ungekoppelten Einzelemittern. PBC-Laser mit einer Emissionswellenlänge von 850 nm zeigten dabei extrem schmale vertikale Fernfelddivergenzen von 7.1° im vertikal grundmodigen Betrieb mit nahezu gaußförmigem Strahlprofil. 50 µm breite Laser mit unpassivierten Facetten erreichten im Pulsbetrieb maximale Ausgangsleistungen von 20 W, was in einer sehr hohen Brillanz von 300 MWcm-2sr-1 resultierte, dem bisherigen Rekord für einzelne Streifenlaser. Die untersuchten Laser wiesen eine hohe interne Quanteneffizienz von 93% sowie geringe auf unendlich lange Kavitäten extrapolierte Schwellstromdichten von 590 A/cm² auf. Weiterhin zeigte sich eine hohe Temperaturstabilität mit einer charakteristischen Temperatur T0 von 215 K für einen Temperaturbereich bis 25°C sowie einem T0 von 120 K bei höheren Temperaturen. Mit derselben PBC-Struktur wurden erstmalig Barren aus optisch ungekoppelten PBC-Lasern realisiert, wie sie in mehrkanaligen optischen Systemen zur Oberflächenanalyse eingesetzt werden können. Diese bestanden aus bis zu 256 2 µm breiten Lasern mit einem Pitch von 25 µm. Dabei zeigte sich, dass der Schwellstrom proportional zur Anzahl der einzelnen Emitter ist, was die variable Skalierbarkeit der Barren belegt. Aus einer PBC-Struktur mit einer Emissionswellenlänge von 980 nm wurden 5 µm breite und 2.64 mm lange Schmalstreifenlaser hergestellt, die sowohl vertikal als auch lateral grundmodige Emission aufwiesen. Die vertikale Fernfelddivergenz betrug dabei nur 6.3°, was zu einem sehr niedrigen Aspektverhältnis von 1.2 führte. Dabei zeigte sich eine exzellente Strahlqualität mit M²-Werten von 1.4, die bei hohen Strömen leicht anstieg auf einen vertikalen Wert von 1.9 und auf 2.25 in lateraler Richtung. Im Pulsbetrieb wurde eine durch COMD begrenzte maximale Ausgangsleistung von 3.5 W erreicht, was zu einer sehr hohen Brillanz von 87 MWcm-2sr-1 führte. Aufgrund des nicht auf hohe Leistungen im Dauerstrichbetrieb optimierten Aufbaus der Laser war die maximale cw- Ausgangsleistung thermisch limitiert, jedoch wurden auch hier hohe Werte von 2.2 W beobachtet. Barren dieser Struktur aus drei oder neun 5 µm breiten Lasern mit einem Pitch von 11 µm zeigten kohärent gekoppelte Emission, wobei die maximal erzielten Ausgangsleistungen mit der Anzahl der Laser skalierte, es aber aufgrund der nicht ausreichenden Modendiskriminierung auch zum Anschwingen höherer lateraler Moden kam. Die kohärente Kopplung blieb jedoch bei allen untersuchten Strömen aufgrund des großen optischen Überlapps zwischen den einzelnen Emittern erhalten.
This thesis deals with the processing and characterization of PBC lasers (PBC: Photonic Band Crystal) in the GaAs material system, a new approach to obtain high output powers with extremely low vertical far field divergence, excellent beam quality and therewith a high brightness of the emitted beam. PBC lasers have a broad waveguide in vertical direction, composed of alternating layers with different refractive index. These layers build a one-dimensional photonic crystal, discriminating higher order modes so that single mode emission can be reached in spite of the large near field dimension. This work investigates single emitters as well as laser arrays built of optically coupled and uncoupled emitters. PBC lasers emitting at 850 nm showed extremely narrow vertical far field divergences of 7.1° in the vertical ground mode with nearly gaussian beam profile. 50 µm wide lasers with unpassivated facets reached a maximum output power of 20 W in pulsed mode, leading to a very high brightness of 300 MWcm-2sr-1, the present record for single stripe lasers. They demonstrated a high internal quantum efficiency of 93% and low threshold densities extrapolated to infinite cavity length of 590 A/cm². Furthermore, a high temperature stability with a characteristic temperature T0 of 215 K was obtained for temperatures up to 25°C and of 120 K above 25°C. With the same PBC structure, arrays consisting of uncoupled PBC lasers were realized for the first time, as can be used in multi-channel systems for surface analysis. They were composed of up to 256 2 µm wide lasers with a pitch of 25 µm. The threshold current was proportional to the number of emitters, showing the flexible scalability of the arrays. From a PBC structure with an emission wavelength of 980 nm 5 µm wide and 2.64 mm long lasers were processed, showing vertical as well as lateral ground mode emission. The vertical far field divergence was as low as 6.3°, leading to a low aspect ratio of only 1.2. The lasers demonstrated excellent beam quality with M² values of 1.4, showing a slight increase at high currents up to 1.9 in vertical and 2.25 in lateral direction. In pulsed operation a maximum output power of 3.5 W was reached that was limited by COMD, resulting in a very high brightness of 87 MWcm-2sr-1. In continuous wave mode a high output power of 2.2 W was obtained which was thermally limited as a result of not optimized mounting. Laser arrays of this structure consisting of three or nine 5 µm wide lasers with a pitch of 11 µm showed coherent coupled emission in which the maximum output powers scaled with the number of emitters, but due to the not sufficient mode discrimination higher order lateral modes appeared. Nevertheless, coherent coupling persisted at all investigated currents, as a result of the large optical overlap between the single emitters.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-26756
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/2785
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2488
Exam Date: 4-May-2010
Issue Date: 14-Jun-2010
Date Available: 14-Jun-2010
DDC Class: 530 Physik
Subject(s): Halbleiterlaser
Halbleiterlaserarray
Hochleistungslaser
Hohe Brillanz
Photonische Bandstruktur
High brightness
High power lasers
Photonic band crystal
Semiconductor laser
Semiconductor laser array
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/2.0/
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