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Main Title: Analysis and mitigation of the factors limiting the efficiency of high power distributed feedback diode lasers
Translated Title: Analyse und Verringerung der Faktoren welche die Effizienz von leistungsstarken DFB-Diodenlasern limitieren
Author(s): Schultz, Christoph Matthias
Advisor(s): Tränkle, Günther
Erbert, Götz
Referee(s): Tränkle, Günther
Petermann, Klaus
Hillmer, Hartmut
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät IV - Elektrotechnik und Informatik
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Das Thema dieser Arbeit ist die Analyse und Vermeidung von Faktoren, welche die Effizienz von leistungsstarken DFB Diodenlasern limitieren. Schlussfolgerungen aus theoretischen und experimentellen Untersuchungen der elektro-optischen Konversionseffizienz sollen bei der Entwicklung und Herstellung von DFB Breitstreifen (BA) Lasern umgesetzt werden. Leistungsstarke und hocheffiziente BA Laser können geeignet Instrumente für industrielle Anwendungen sein, wie das Pumpen schmaler Absorptionsbanden in den Gewinnmedien von Festkörperlasern, Faserlasern und Verstärkern, sowie für die Leistungsskalierung mittels dichter spektraler Strahlkombinierung. Um im Wettbewerb mit konventionellen BA-Lasern gemäß dem aktuellen Stand der Technik zu bestehen, müssen DFB-BA Laser, zusätzlich zu einem schmalbandigen und wellenlängenstabilisierten Spektrum, Ausgangsleistungen in der Größenordnung von 10W erzielen, sowie eine vertikale Strahldivergenz von <45° bei 95% Leistungsgehalt. Im Rahmen dieser Arbeit wird demonstriert, wie Konversionseffizienzen im Bereich von 60% mit 100μm BA Lasern bei 10W erzielt werden können – Werte die mit jenen von Fabry-Pérot (FP) BA-Lasern nach dem Stand der Technik vergleichbar sind. In dieser Arbeit werden frühere Publikationen über DFB-BA Laser rezensiert, in welchen die Konversionseffizienz im Vergleich zu FP-BA Referenzlasern aufgrund einer erhöhten DFB-Kopplungsstärke, zusätzlicher interner optischer Verluste, Strahlungsverlusten von DFB-Gittern höherer Ordnungen und eines erhöhten Spannungsabfalls reduziert war. Auf der Theorie gekoppelter Moden beruhende Simulationen für Schwellengewinn und differentielle Quanteneffizienz werden präsentiert, in denen eine Näherung zur Berücksichtigung der Facettenphasen angewendet wird. Basierend auf diesen Simulationen wird gezeigt, dass im Regime schwacher DFB-Kopplung differentielle Quanteneffizienz und Schwellengewinn mit den Werten von FP-BA Lasern vergleichbar sein können. Die Reduktion der Konversionseffizienz kann fast vollständig eliminiert werden, wenn DFB-BA Laser die gleichen internen optischen Verluste und elektrischen Serienwiderstände wie Effizienz-optimierte FP-BA Laser aufweisen, sowie vernachlässigbare Strahlungsverluste. Diese Anforderungen erlauben es die Konversionseffizienz mittels des DFB-Koppelkoeffizienten zu optimieren - in Analogie zur Effizienz-Optimierung bei einem FP-BA Laser mittels der Reflektivität von dessen Frontfacette. Hocheffiziente, leistungsstarke DFB-BA Laser wurden unter Anwendung eines schrittweise verbesserten Gitter-Designs, Überwachstechnologien und in-situ Ätzverfahren innerhalb des Epitaxiereaktors hergestellt, sowie in einem Epitaxiezyklus hergestellte FP-BA Laser des gleichen AlGaAs/InGaAs-basierten Epitaxie Designs. Diese neuentwickelten DFB-BA Laser besitzen vergleichbare interne optische Verluste, interne Quanteneffizienzen und exakt die gleiche Strom-Spannungs-Charakteristik wie FP-BA Referenzlaser. Die Sauerstoffkontamination in der Gitterregion wurde systematisch reduziert, was wegen der möglichen Ausbildung tiefer Störstellen von besonderer Bedeutung ist. Die neuentwickelten DFB-BA Laser erreichen erstmalig eine Dauerstrichleistung von 12W und sowohl eine maximale Konversionseffizienz von 62% sowie 58% bei 10W. Im Vergleich zu Referenzlasern des gleichen Epitaxie-Designs, ist die Konversionseffizienz um nur noch 5% reduziert. Mit diesen DFB-BA Lasern kann eine Wellenlängenstabilisierung zwischen dem Schwellenstrom und 15A bei einer spektralen Breite <0.8nm mit 95% Leistungsgehalt demonstriert werden. Spektral aufgelöste Nah- und Fernfeldmessungen zeigen, dass das optische Spektrum aus Serien lateraler Moden besteht, welche die Breite des Spektrums dominieren. Um die Vergleichbarkeit mit industriellen Anforderungen zu bestätigen wurde ein Lebensdauertest durchgeführt, bei dem vier Laser 8000h bei 10W überschritten haben. Die relative spektrale Lage des Gewinnmaximums und der Bragg-Wellenlänge des DFB-Gitters hat einen bedeutenden Einfluss auf Schwellengewinn, Anstieg und die spektralen Eigenschaften von leistungsstarken DFB-BA Lasern. Die Effizienz limitierende Faktoren von DFB-BA Lasern wurden identifiziert und im Vergleich zu FP-BA Lasern gemäß dem Stand der Technik überwiegend eliminiert. DFB-BA Laser und FP-BA Referenzlaser weisen nunmehr einen Effizienzunterschied von lediglich 5% auf, wobei die relative spektrale Lage des Gewinnmaximums und der Bragg-Wellenlänge des DFB-Gitters von zentraler Bedeutung ist.
The subject of this thesis is the analysis and mitigation of the factors limiting the efficiency of high power distributed feedback diode lasers. Conclusions drawn from theoretical and experimental analysis of the limits to the electro-optical power conversion efficiency will be finally utilized during the development and fabrication of distributed feedback (DFB) broad area (BA) lasers. High power, high efficiency, wavelength stabilized BA diode lasers can be promising devices for industrial applications such as pumping narrow absorption bands in gain media of solid state lasers, fiber lasers and amplifiers, as well as for power scaling by use of dense spectral beam combining. In order to become reasonable competitors to conventional state-of-the-art BA lasers, DFB-BA must achieve power levels in the 10W-range and a vertical beam divergence below 45° with 95% power content, in addition to having a narrow, wavelength-stabilized optical spectrum. During this work it will be shown how power conversion efficiency in the 60%-range can be achieved from 10W-class 100μm stripe DFB-BA lasers – values close to those of state of the art Fabry-Pérot (FP) BA lasers. This work reviews previously published studies on DFB-BA lasers, where power conversion efficiency was typically reduced compared to appropriate reference FP-BA lasers because of an excessive coupling strength of the DFB grating, additional internal optical loss, radiation loss from higher-order DFB gratings and due to higher voltage drop. In order to identify how design limits the efficiency of DFB-BA lasers, a coupled-mode-theory based numerical calculation of the threshold gain and differential quantum efficiency is presented – with the influence of the facet phases treated by approximation. Based on these calculations it is shown that in weak DFB coupling regime, the differential quantum efficiency and threshold gain can be comparable to FP-BA reference lasers. The reduction in power conversion efficiency can be almost completely eliminated if DFB-BA lasers have the same internal optical loss and electrical series resistance like efficiency-optimized FP-BA laser, as well as negligible radiation loss. Finally, these requirements enable optimizing the power conversion efficiency with the DFB coupling coefficient analogous to optimizing the efficiency of a FP-BA laser with its front facet reflectivity. High efficiency, high power DFB-BA lasers are fabricated making use of successively improved floating grating design, buried overgrowth and in-situ etching technology inside the epitaxy reactor, as are reference FP-BA lasers to the same AlGaAs/InGaAs-based design, grown in a single stage epitaxy. These newly developed DFB-BA lasers have comparable internal optical loss, internal quantum efficiency, as well as exactly the same voltage-current characteristics as obtained from reference FP-BA lasers. Oxygen contamination in the grating region is systematically reduced, which is of particular importance because oxygen can lead to deep level trap states. These newly developed DFB-BA lasers achieve for the first time worldwide 12W continuous mode optical output power and both 62% peak power conversion efficiency and 58% at 10W. Compared to reference devices to the same epitaxy design, the power conversion efficiency is now reduced by only 5%. Wavelength stabilization is demonstrated with these DFB-BA lasers from threshold to 15A with a narrow spectral width <0.8nm with 95% power content. Spectrally resolved lateral near field and far field measurements show, the optical spectrum consist of regular series of lateral modes which dominate the spectral width. To confirm comparability with industrial requirements, a reliability test was performed with four devices operating over >8000h at 10W optical output power. The spectral detuning between the gain peak wavelength and the Bragg wavelength of the DFB grating was found to have an important impact on threshold current, slope efficiency and spectral properties of high power DFB-BA lasers. In conclusion, the factors limiting the efficiency of DFB-BA lasers compared to state of the art 10W-class FP-BA lasers have been identified and largely eliminated. DFB-BA lasers and reference FP-BA lasers now differ in power conversion efficiency by just 5%, with the spectral detuning between the gain peak wavelength and the Bragg wavelength of the DFB grating playing an important role.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-40399
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4054
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3757
Exam Date: 9-Jul-2013
Issue Date: 19-Aug-2013
Date Available: 19-Aug-2013
DDC Class: 530 Physik
Subject(s): Verteilte optische Rückkopplung
Leistungs-Konversionseffizienz
Hochleistungs-Diodenlaser
Distributed feedback
High power diode lasers
Power conversion efficiency
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