Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4445
Main Title: Neuartige Wellenleiterkonzepte für brillante Halbleiterlaser
Translated Title: Novel waveguide concepts for high-brightness semiconductor lasers
Author(s): Posilović, Kristijan
Referee(s): Bimberg, Dieter
Strittmatter, André
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Diese Arbeit handelt von der Entwicklung und Untersuchung von neuartigen Wellenleiterkonzepten für brillante Halbleiterlaser. Sie besteht aus drei Teilen. Der erste Teil beschäftigt sich mit dem vertikalen Wellenleiterkonzept der Photonic Band Crystal (PBC) Laser. Dieses nutzt für eine effektive Modenformung und -diskriminierung eine periodische Abfolge von epitaktischen Schichten mit unterschiedlichem Brechungsindex in einem breiten Wellenleiter. Dadurch werden vertikal sehr große Modendurchmesser und damit hohe Leistungen und geringe Fernfelddivergenzen realisierbar. Mehrmodige Laser emittierend bei 850 nm mit einer Divergenz von 7°, einer Ausgangsleistung von 20 W im gepulsten Betrieb und einer exzellenten Brillanz von 300 MWcm-2sr-1 wurden hergestellt und untersucht. Lateral und transversal grundmodige PBC Laser mit einer Wellenlänge um 980 nm und einer Divergenz von 5° bzw. 6° wurden analysiert. Sie zeigen eine Ausgangsleistung von über 2 W im kontinuierlichen Betrieb. Im gepulsten Betrieb konnte die Ausgangsleistung auf 3,5 W bzw. eine hervorragende Brillanz von 87 MWcm-2sr-1 gesteigert werden. Im gewinngeschalteten Betrieb wurden 100 ps kurze optische Pulse mit einer Pulsspitzenleistung von 10,7 W, einer überragenden Brillanz von 400 MWcm-2sr-1 und einer Pulsenergie von 3 nJ generiert. Die umfassendste Entwicklung der PBC Technologie wurde an Lasern emittierend bei 1060 nm vollzogen. Erstmalig wurden die internen optischen Verluste der Strukturen signifikant von 3,6 cm-1 auf 1,3 cm-1 gesenkt. Damit war eine beachtliche Leistungssteigerung der Laser im cw Betrieb, wie im Falle der 100 µm breiten Laser von 3,9 W auf 9,5 W, möglich. Für lateral grundmodige Rippenwellenleiter mit einer Breite von 9 µm und einer Länge von 2,64 mm wurden Ausgangsleistungen im cw Betrieb von 2,4 W bestimmt. Messungen des Strahlprofils zeigen eine Divergenz von 4° bzw. 6°. Für die Strahlqualität ergaben sich M2 Werte von kleiner 2 bis zu Leistungen von 1,6 W. Hieraus konnte eine hervorragende Brillanz von 72 MWcm-2sr-1 bestimmt werden. Erstmalig wurden Quantenpunkte als aktives Material in PBC Lasern eingesetzt. Die quantenpunktbasierten PBC Laser besitzen im Vergleich zu quantengrabenbasierten PBC Lasern geringere Schwellenströme und geringere interne optische Verluste. Infolge dessen erreichen 100 µm breite und 1 mm lange Laser mit nicht passivierten Facetten eine deutlich höhere Ausgangsleistung im gepulsten Betrieb von 17,7 W gegenüber 8,8 W für quantengrabenbasierte PBC Laser. Die Ausgangsleistung ist in beiden Fällen durch plötzliche irreversible Degradation begrenzt. Untersuchungen der Facetten legen eine geringere Anfälligkeit der quantenpunkt-basierten PBC Laser gegenüber Degradation nahe. Der zweite Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit einem alternativen vertikalen Wellenleiterkonzept auf der Basis von Wellenleitern mit unvollständigem Welleneinschluss, den Tilted Wave Lasern. Diese zeichnen sich durch die Abstrahlung zweier um ±30° verkippter Emissionskeulen mit extrem schmaler Divergenz aus. Optimierte Tilted Wave Laser besitzen dominierende Emissionskeulen mit einer Divergenz von 0,7°. 100 µm breite Laser zeigen eine maximale Ausgangsleistung von 4 W im kontinuierlichen und 8,7 W im gepulsten Betrieb. Strahlqualitätsmessungen ergeben vertikale M2 Werte von 1,9 bis 3,1 und laterale M2 Werte von über 20. Die höchste gemessene Brillanz der Tilted Wave Laser beträgt 3 MWcm2sr-1. Der dritte Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit einem neuartigen, zu den vertikalen Konzepten komplementären, lateralen Wellenleiterkonzept auf Basis von breiten Rippenwellenleitern, modifiziert durch laterale Korrugationen der Seitenränder. Verschiedene Korrugationsmuster wurden an einer vertikalen PBC Struktur hergestellt und auf ihre grundlegenden Eigenschaften untersucht. Es zeigt sich, dass die Korrugationen zusätzliche Wellenleiterverluste von 9 cm-1 bis zu 34 cm-1 generieren. Laser mit einer Breite von 10 µm und einer Länge von 1 mm zeigen dennoch sehr hohe differentielle Effizienzen von über 90%, hohe Ausgangsleistungen im kontinuierlichen Betrieb von über 1 W und maximale Konversionseffizienzen von über 40%. Im Fall der dreieckförmigen Korrugationen beträgt die maximale Ausgangsleistung nahezu 2 W. Das laterale Fernfeld aller untersuchten korrugierten Laser zeigt grundmodige Emissionen mit einer Divergenz von 3° bis 4°.
This thesis introduces three different novel conceptual approaches to development of high-power, high-brightness semiconductor lasers and is composed of three parts. The first part deals with the vertical concept of photonic band crystal (PBC) lasers. An ultra-broad vertical waveguide structure composed of multiple epitaxial layers with different index of refraction exclusively supports the fundamental mode while all higher order modes are effectively suppressed. Since the field diameter is large, the maximum output power is high and the far-field divergence is very narrow. Multi-mode lasers emitting at 850 nm show a vertical divergence of only 7° while the maximum pulsed output power is as high as 20 W. The corresponding brightness is 300 MWcm-2sr-1, presenting an ultra-high value in the 850 nm range. Devices with lateral single-mode operation emitting at 980 nm exhibit a lateral divergence of 5° and a corresponding vertical divergence of 6°. Their maximum continuous-wave output power exceeds 2 W, limited by thermal effects. In pulsed operation the maximum output power and brightness are increased to 3.5 W and 87 MWcm-2sr-1 respectively. Even higher output powers are achieved for devices operating in gain-switching mode. 100 ps wide optical pulses with peak output power of 10.7 W are emitted. Superior brightness values of 400 MWcm-2sr-1 and a pulse energy of 3 nJ are achieved. The highest degree of development is reached with PBC lasers emitting at 1060 nm. For the first time, the internal optical losses are reduced from 3.6 cm-1 to 1.3 cm-1 which leads to a significant enhancement in output power in continuous-wave operation mode. The output power of 100 µm broad area devices increases from 3.9~W to 9.5~W. Single-mode ridge-waveguide lasers with a width of 9 µm and a length of 2.64 mm show a very high output power of 2.4 W and a lateral divergence of 4° and 6° in vertical direction respectively. Beam quality measurements revealed excellent M2 values of less than 2 up to an output power of 1.6 W. A record-high brightness of 72 MWcm-2sr-1 is deduced. Quantum dots are employed as active material of PBC lasers for the first time, enabling outstanding properties of PBC lasers, like lower threshold currents and lower internal optical losses. In pulsed mode 100 µm broad and 1 mm long quantum dot based PBC lasers with not yet passivated facets, generate a much higher output power of 17.7 W compared to 8.8 W provided by quantum well based PBC lasers. Both maximum output powers are limited by sudden irreversible breakdown. Facets of PBC lasers with quantum dots indicate a lower susceptibility to degradation. An alternative approach to generation of high-power and high-brightness laser emission is investigated in the second part of this thesis. A vertical waveguide design based on the leaky-wave laser concept is used to emit ±30° tilted lobes with ultra-narrow vertical beam divergence. Optimized tilted wave lasers (TWL) show a single dominating emission lobe with an extremely low divergence of only 0.7°. Broad-area devices with a width of 100 µm emit a maximum output power of 4 W in continuous-wave operation and 8.7 W in pulsed-mode operation. Beam quality measurements reveal vertical M2 values from 1.9 up to 3.1 and lateral M2 values larger than 20. Consequently, the highest brightness achieved is 3 MWcm-2sr-1. The third part of the thesis deals with a novel lateral waveguide concept that is complementary to the investigated vertical concepts. The concept utilizes broad ridge-waveguide lasers modified by lateral corrugations of the sidewalls. Different variations of corrugations have been processed and analyzed. A huge impact of the corrugations on the internal optical losses is observed. The additional losses range from 9 cm-1 up to 34 cm-1. Nevertheless, 10 µm wide and 1 mm long lasers exhibit very high differential efficiencies of more than 90% and output powers in continuous-wave operation of more than 1 W with maximal conversion efficiencies larger than 40%. In the case of triangular corrugations the maximum con-tinuous-wave output power almost reaches 2 W. Examinations of the lateral far-field distribution of all corrugated lasers reveal single-mode emission with divergences between 3° and 4°.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-65969
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4742
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4445
Exam Date: 29-Apr-2015
Issue Date: 6-May-2015
Date Available: 6-May-2015
DDC Class: 530 Physik
Subject(s): Brillanz
Halbleiterlaser
Hochleistungslaser
Strahlqualität
Wellenleiter
Beam quality
Brightness
High-power lasers
Semiconductor lasers
Waveguide
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by/3.0/de/
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