Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4594
Main Title: Longitudinale Modenfilter für Kantenemitter im roten Spektralbereich
Translated Title: Longitudinal mode filters for edge emitters in the red spectral range
Author(s): Feise, David
Advisor(s): Tränkle, Günther
Kneissl, Michael
Referee(s): Kneissl, Michael
Tränkle, Günther
Hofmann, Martin
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die monolithische Integration longitudinaler Modenfilter in rot-emittierende Kantenemitter, um deren spektrale Selektivität und Stabilität zu verbessern. Rot-emittierende Kantenemitter sind gegenwärtig weit entwickelte Bauelemente und Produkte zahlreicher Hersteller, die eine hohe Effizienz im Dauerstrichbetrieb sowie eine gute Sichtbarkeit, kleine Bauform, Robustheit, geringe Kosten und einfache Anwendbarkeit bieten. In speziellen Anwendungen wie Raman-Spektroskopie, Absolute-Distanz-Interferometrie und holographischer 3-dimensionaler Bildgebung sowie der Lasermetrologie müssen rot-emittierende Diodenlaser allerdings zusätzlich eine stabile, spektral schmale Emission aufweisen. Dies wird bislang durch die aufwendige hybride Integration einer Wellenlängenstabilisierung in einer externen Kavität realisiert. Durch die monolithische Integration der longitudinalen Modenfilterung kann ein miniaturisiertes Bauelement realisiert werden, das in einem Wafer-Level-Prozeß gefertigt werden kann und die inhärenten Vorteile rot-emittierende Kantenemitter mit einer integrierten Wellenlängenstabilisierung kombiniert. Um rot-emittierende Halbleiterlaser mit integrierten Gitterstrukturen zu entwickeln, die für o.g. Anwendungen geeignet sind, werden in dieser Arbeit zunächst die Grundlagen und Besonderheiten rot-emittierender Fabry-Pérot-Kantenemitter und ihre spektrale Selektion erläutert. Alsdann werden die technologischen Randbedingungen und Alternativen wie Distributed-Feedback- und Distributed-Bragg-Reflector-Gitter (DBR-Gitter) diskutiert. Numerische Berechnungen verschiedener Gitterordnungen von DBR-Oberflächengittern führen zu einer Analyse der Technologieoptionen, um einen realisierbaren Lösungsweg mit möglichst geringem Aufwand zu entwerfen (Vermeidung epitaktischen Überwachsens, Vermeidung einer Lithographie von Strukturgrößen im Bereich von hundertstel Mikrometer und Vermeidung mehrstufiger Ätzverfahren). Im ausgewählten Spezialfall eines DBR-Oberflächengitters zehnter Ordnung werden mit Hilfe numerischer Berechnungen wichtige Realisierungsparameter wie Ätztiefe, Gitterlänge, Gitterperiode und Tastverhältnis ermittelt. Im Ergebnis werden Gitterstrukturen zehnter Gitterordnung mit einer Gitterperiode von circa 970 nm für eine Emissionswellenlänge von 635 nm vorgestellt, die durch ein V-förmiges Gitterfurchenprofil ein hohes Tastverhältnis im Wellenleiter aufweisen und die dadurch eine hohe Wirkung auf die überwiegend im Wellenleiter lokalisierte optische Welle haben. Diese DBR-Oberflächengitter können mittels i-line-Projektionslithographie und kapazitiv-gekoppeltem Plasmaätzverfahren realisiert werden: Dazu wird unter Nutzung eines i-line-Wafersteppers ein hochauflösendes und ätzbeständiges Lackbild eines Gitters zehnter Ordnung erzeugt. Das ausgewählte trockenchemische, reaktive Ionenätzverfahren ist in der Lage, ein V-förmiges Ätzprofil kontrolliert einzustellen, indem die Temperaturabhängigkeit der Ätzredeposition genutzt wird, um das gewünschte Ätzprofil der Gitterfurche bei (gemäß Simulation) optimaler Ätztiefe einzustellen. Zur Verifikation der Funktionsweise der entwickelten und implementierten Gitterstrukturen wird ein Kurzprozeß vorgestellt und genutzt, um mit der gemessenen Emissionswellenlänge die Gitterperiode zu eichen und eine Reflektivität von 60% zu ermitteln. Durch die Entwicklung der longitudinalen Modenfilter als interne passive DBR-Gittersektion ist es möglich, diese Gittersektion ohne umfassende Designänderungen in verschiedene bestehende Bauelementkonfigurationen zu integrieren. Die Standard- Prozeßabfolge wird dazu zu Beginn des Bauelementprozesses um die Definition der Oberflächengitter in einem Lithographie- und einem Ätzschritt ergänzt. Im letzten Abschnitt der Arbeit wird die Wirkung solch einer DBR-Gittersektion in DBR-Rippenwellenleiterlasern und DBR-Trapezlasern elektro-optisch und im Dauerstrichbetrieb untersucht: Rippenwellenleiterlaser (RWL) verfügen per se über eine sehr gute laterale Strahlqualität. Durch die Integration einer DBR-Gittersektion verfügt ein DBR-RWL über eine über die Gitterperiode konfigurierbare Emissionswellenlänge und weist eine longitudinal einzelmodige Emission mit hoher Seitenmodenunterdrückung und einer Linienbreite von weniger als 1 MHz auf. Das entspricht einer Kohärenzlänge von mehr als 150 m. Mit diesen monolithisch gitterstabilisierten Halbleiterlasern kann somit eine längere Kohärenz erreicht werden als dies bislang sowohl mit internen wie externen Stabilisierungen möglich war. Der emittierte Strahl dieser DBR-RWL ist nahezu beugungsbegrenzt und erreicht eine Dauerstrich-Ausgangsleistung von zuverlässig 10 bis 20 mW beziehungsweise bis 100 mW bei geringerer Frontfacetten-Reflektivität. Anhand von DBR-RWL werden in dieser Arbeit auch spezifische Gitterparameter wie Gitterlänge und Ätztiefe untersucht. Diese Parameter können mit den Simulationsergebnissen korreliert und für folgende Prozesse optimiert werden. In weiteren Bauelementgenerationen können damit baugleiche Emitter realisiert werden, die eine verbesserte Leistungs-Stromstärke-Charakteristik aufweisen. Der komplexere Bauelementtyp eines Trapezlasers kann ebenfalls mit einer Gittersektion versehen werden. Diese DBR-Trapezlaser zeigen eine spektral stabilisierte, longitudinal einzelmodige Emission mit guter Strahlqualität, so daß sich weltweit führende Werte der spektralen Strahldichte von 18,6 GW/qcm/sr/nm errechnen lassen. Durch die Entwicklung der longitudinalen Modenfilter als Oberflächengitter kann statt einer hochreflektiven, aber breitbandigen Rückfacettenverspiegelung eine hochreflektive und schmalbandige DBR-Sektion verwendet werden. Im Rahmen dieser Arbeit werden folglich zum ersten Mal spektral selektive Diodenlaser mit großer Kohärenzlänge realisiert, die im Dauerstrichbetrieb zuverlässig hohe Leistungen im roten Wellenlängenbereich emittieren. Die dafür entwickelte Chip-Level-Integration bietet dabei einerseits die Möglichkeit zur Serienfertigung, andererseits eine bislang unerreichte Miniaturisierung.
The aim of this thesis is the monolithical integration of longitudinal mode filters into red-emitting edge emitters to enhance their spectral selectivity and stability. Red-emitting edge emitters are currently well developed devices and produced by numerous manufacturers. Such opto-electronic components offer high efficiency in continuous wave operation as well as good visibility, small footprint, robustness, low costs and simple applicability. For certain applications like Raman-spectroscopy, absolute distance interferometry or holographical 3-dimensional imaging as well as laser metrology red-emitting diode lasers additionally have to provide stable, narrow spectral emission. So far, this is realized by means of the elaborate hybride integration of a wavelength stabilization in an external cavity. Through monolithical integration of the longitudinal mode filtering a miniaturized device can be realized which can be manufactured in a wafer-level process and which combines the inherent advantages of red-emitting edge emitters with an integrated wavelength stabilization. To develop red-emitting diode lasers with internal gratings which are well-suited for the above-mentioned applications, this work begins by explaining basics and characteristics of red-emitting Fabry-Pérot edge emitters and their spectral selection. Then, technological constraints and alternatives like Distributed Feedback and Distributed Bragg reflector (DBR) gratings will be discussed. Numerical calculations of different grating orders of DBR-surface gratings are used to evaluate the technological options to sketch a realistic approach with minimal effort (avoiding epitaxial overgrowth, avoiding lithography of tens of nanometer, avoiding multi-step etching). A selected special case of a tenth order DBR-surface grating is used to determine important parameters for realization such as etching depth, grating length, grating period and duty cycle. As a result, tenth order grating structures with a grating period of 970 nm for an emission wavelength of 635 nm are presented which feature a high duty cycle in the waveguiding layers due to a V-shaped grating profile. Therefore, the grating has a great impact on the optical wave located mainly in the waveguide. These DBR-surface gratings can be realized by i-line projection lithography and capacitively coupled plasma etching: for this purpose, a highly resolving and etch-resistant coating mask of a tenth order grating is created by the use of an i-line wafer stepper. The chosen dry-etching reactive ion etching process is able to accurately adjust a V-shaped etch profile by using the temperature dependence of the etch redeposition in order to control the requested etch profile of the grating trench at the (according to simulations) optimal etching depth. To verify the functionality of the developed and implemented grating structures, a short-loop process is presented as well as used to calibrate the grating period with the measured emission wavelength and to determine a reflectivity of 60%. Because of the development of the mode filters as an internal passive DBR-grating section it is possible to integrate such a grating section into different existing device configurations without the need of extensive design changes. Therefore, the definition of the surface gratings in one step for lithography and another for etching is added to the beginning of the standard process sequence. In the last section of this manuscript the effect of such a DBR-grating section on DBR-ridge waveguide lasers and on DBR-tapered lasers is investigated electro-optically and in continuous wave mode: ridge waveguide lasers (RWL) feature a very good lateral beam quality by definition. Due to the integration of a DBR-grating section, a DBR-RWL exhibits an emission wavelength which is configurable by the grating period, and it shows a longitudinal single-mode emission with a high side mode suppression and a linewidth of less than 1 MHz. This corresponds to a coherence length of more than 150 m. Thus, it is possible to obtain a longer coherence with these monolithically grating-stabilized diode lasers than with any other internal or external stabilization so far. The emitted beam of these DBR-RWL is almost diffraction limited and reliably achieves a continuous wave output power of 10 to 20 mW or up to 100 mW when using devices with less front facet reflectivity. By means of DBR-RWL, specific grating parameters such as grating length and etching depth are investigated in this work as well. These parameters can be correlated to simulations and optimized for future processes. Emitters of identical construction can thus be realized in further device generations featuring optimized power-current-characteristics. It is also possible to integrate a grating section into the more complex device of a tapered laser. Such DBR-tapered lasers provide a spectrally stabilized and longitudinal single-mode emission with good beam quality so that world wide leading values for spectral radiance of 18,6 GW/sqcm/sr/nm can be calculated. Because the longitudinal mode filters are developed as a surface grating instead of a highly reflective but broad-band coating of the rear facet, a highly reflective and narrow-band DBR-section can be used. Accordingly, this thesis for the first time presents spectrally selective laser diodes which emit reliably high output power in continuous wave mode in the red spectral range. The accompanying chip-level integration offers potential series manufacturing as well as unprecedented miniaturization.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-69776
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4891
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4594
Exam Date: 7-Jul-2015
Issue Date: 11-Aug-2015
Date Available: 11-Aug-2015
DDC Class: 539 Moderne Physik
Subject(s): Monolithisches Oberflächengitter
Rot-emittierende Diodenlaser
Schmale spektrale Linienbreite
Spektrale Selektivität
Distributed bragg reflector
Monolithic surface grating
Narrow spectral linewidth
Red-emitting diode lasers
Spectral selectivity
Usage rights: Terms of German Copyright Law
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