Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-626
Main Title: Characterization of lasers based on self-organized In(Ga)As quantum dots
Translated Title: Charakterisierung von auf selbstorganisierten In(Ga)As Quantenpunkten basierenden Lasern
Author(s): Ouyang, Dongxun
Advisor(s): Bimberg, Dieter
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: In dieser Arbeit charakterisieren Wir auf In(Ga)As Quantenpunkten (engl. quantum dots, QD) basierende Laser Diode. Intrinsische statische und dynamische Eigenschaften von leistungsstark QD Lasern (QDL) werden unter Variation der Devicegeometrie, der Kavitätsverluste und dem QD-Gewinn sorgfaltig untersucht. Zuerst erfolgt die Analyse der Ladungsträger und des Gewinnprozesses, welche die Temperaturabhängigkeit der QDL bestimmen. Die.Auswertung der charakteristischen Temperatur und der spektralen Charakteristik in verschiedenen Temperaturen Bereichen und bei Bauteilen mit unterschiedlichen Kavitätsverlusten machen es möglich, die grundlegenden Prozesse für das Temperaturabhängige Verhalten herauszustellen. Dabei wird verfolgt eine Designstrategie für eine Erweiterung der Temperaturstabilität in QDL. Weiterhin wird der Einfluss van Wellenleitereffekten in QDL untersucht. Spektrales Lochbrennen wegen Kavitätsresonanzmoden stellt sich als Ursache für spektrale Intensitätsmodulationen in Rippenwellenleiter-QDL heraus. Leistungsfähig Schmalstreifen QDL mit tief durch geatzte Wellenleiter werden demonstriert. Diese Resultate zeigen, dass das Wellenleiterdesign einen entscheidenden Einfluss sowohl auf die räumliche als auch auf die spektrale Modenkontrolle in QDL hat, neuartige Designelemente können mit der aktiven Schicht ohne Nachteile für die Laserperformance vereinigt werden. Grund dafür ist die starke Lokalisierung der Ladungsträger in den QD. Mit der Verwendung neuartiger Herstellungstechniken lasst sich potenziell eine Vielfalt an QD-Bauelementen kostengünstig realisieren, was bei Bauelementen mit herkömmlichem Gewinnmedium nicht anwendbar ist. Die spektrale Dynamik der QDL wird für eine große Auswahl von Bauteilen mit verschiedenen QD-Systemen und Temperaturen erfasst. Bei allen untersuchten Lasern wurde unabhängig davon, ob das Modenspektrum durch den Wellenleitereffekt moduliert wurde, sowohl bei den Monomoden- als auch bei Lasern mit mehreren longitudinal en Moden, eine Antiphasen Modendynamik beobachtet. Anders als bei der mit ansteigenden Strom kleiner werdenden Amplitude der Modenoszillationen in Quantenfilm-Lasern, zeigen die QDL ständige starke Intensitätsoszillationen, und zeichnen sich durch Frequenzdampfungseffekte aus. Sowohl stabile als auch chaotische Oszillationsregimes wurden beobachtet, wobei sich die erwähnte Oszillationsfrequenz- und Amplitudencharakteristik nicht änderten. Diese spektralen dynamischen Eigenschaften werden auf die moden-kreuz-Sättigungs Mechanismen in Fabry-Perot-Lasern (dynamischer Gittereffekt) bezogen; sowie die dynamischen Eigenschaften des Gewinns und der Ladungsträger in den QD, insbesondere Nichtlinearitäten des Gewinns und verschiedenen Gewinnunterdrückungsmechanismen in QD-Gewinn. QDL haben in der Regel mehrere QD-Schichten, deren grundlegenden Lasereigenschaften untersucht werden. Der Einfluss van mehrlagigen QD-Schichten und der bimodalen QD Verteilung auf die Temperaturabhängigkeit wird ergründet. Bei Lasern mit mehreren QDL Schichten in der aktiven Zone werden die Lasereigenschaften bei tiefen Temperaturen stark durch den Ladungsträgertransport beeinflusst. Die eigenartige spektralen Eigenschaften werden auf die Gewinn-Inhomogenitäten und Engpässen beim Transport der Ladungsträger durch die gestapelten QD-Schichten züruckgeführt. Zeitaufgelöste Messungen enthüllen die zugrunde liegende Laserdynamik. Um die Dynamik zu reproduzieren, Selbstorganisierte Prozesse in diesem spezifischen Lasersystem werden analysiert. Auch die transiente Lasercharakteristik von gewinngeführten Schmalstreifen-QDL wird hinsichtlich des dynamischen Instabilitäts Prozesses untersucht. Die Transienten der pn-Übergangserwärmung und des lateralen räumlichen Lochbrennens erweisen sich als kritischen Auslöser für den Destabilisierungsprozess. Schließlich werden die Emissionseigenschaften vierseitiger Laser untersucht. Die Lasercharakteristik wird in Zusammenhang mit verschiedenen Lasermechanismen sowohl für die internen Totalreflektionsmoden als auch für die so genannten 'leaky modes' in der nahezu quadratischen Laserkavität gebracht. Die Auswahlmechanismen für spektrale und azimuthale Moden werden diskutiert. Ergebnisse der Strahlenoptik Analyse legen nahe, dass die Eckenbeugungsverluste verantwortlich für die azimuthale Modenstruktur sind.
In this thesis work, we characterize lasers based on self-organized In(Ga)As quantum dots (QDs). Intrinsic static and dynamic lasing properties of QD lasers are surveyed in high performance devices with a variety of device geometry, cavity loss and QD gain system. At first, the carrier and gain processes are analyzed that affect the temperature dependence of QD lasers. The characteristic temperature and spectral characteristics are correlated in the analysis to pin down the major processes that determine various temperature dependent behaviors in different temperature ranges and in devices with varied cavity losses. The laser design strategy for extended temperature stability in QD lasers are addressed. In the next, the waveguide effects in QD lasers are investigated. The spectral hole burning effects due to the cavity resonances modes are found to be responsible for the spectral intensity modulations in ridge waveguide QD lasers. High performance narrow stripe QD lasers with deep etched through waveguide are demonstrated. These results indicate that laser waveguide design is critical for both spectral and spatial mode control in QD lasers, and novel design elements can be incorporated in the active region without incurring deleterious effects to the laser performance, due to the strong carrier localization effect in QDs. Potentially a variety of QD devices can be realized in a cost-effective way by using novel fabrication techniques that are not suitable for the devices with conventional gain media. The spectral dynamics of QD lasers are surveyed in a wide range of devices with different QD systems and at various temperatures. Antiphase mode dynamics feature all the investigated QD lasers, no matter if the mode spectrum is modulated by the waveguide effect and in both single- and multi-longitudinal-mode cases. Other than the vanishing mode oscillation amplitude in the quantum well lasers with current, the QD lasers show persistent strong oscillation intensity and are characterized by the frequency damping effects. Both stable and chaotic mode oscillation regimes are observed without changing the former oscillation frequency and amplitude characteristics. These spectral dynamic features are related to the mode cross-saturation mechanism in Fabry-Perot lasers, i.e. the dynamic grating effect, and the QD carrier and gain dynamic properties, particularly the gain nonlinearity and various gain suppression mechanisms in QD gain. For the dominance of multi-stacked QD gains, the basic lasing properties are characterized for the multi-stacked QD lasers. The effects of multiple dot layers and bimodal dot distributions on the temperature dependence are addressed. For multi-stacked QD lasers, the low temperature lasing properties are strongly affected by the carrier transport effect. The peculiar spectral features are surveyed with respect to a variety of device parameters and are attributed to the gain inhomogeneity as induced by the bottlenecked carrier transport across the multiple dot layers. The time-resolved study helps reveal the underlying laser dynamics. Self-organization processes in this specific laser system are analyzed to reproduce the dynamics. The transient lasing characteristics of narrow stripe gain-guided QD lasers are also investigated concerning the dynamic instability processes. The transient junction heating and the lateral spatial hole burning are found to be critical for the triggering of destabilization processes. Finally the emission properties of four-sided QD lasers are studied. The mode properties specific to these near-square-shaped laser cavities are analyzed. The lasing characteristics are related to the different lasing mechanisms for both the total-internal-reflection modes and the leaky modes. The selection mechanisms for spectral and azimuthal modes are ddressed, and the results of ray optical analysis support the corner diffraction loss as the major factor that determines the azimuthal mode structure.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-5287
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/923
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-626
Exam Date: 22-Dec-2003
Issue Date: 21-Jan-2004
Date Available: 21-Jan-2004
DDC Class: 530 Physik
Subject(s): Ladungsträgertransport
Laserdynamik
Lasereigenschaften
Quantenpunktlaser
Temperaturabhängigkeit
Vierseitenlaser
Wellenleiter
Carrier transport
Four sided laser
Laser characteristics
Laser dynamics
Quantum dot laser
Temperature dependence
Waveguide
Usage rights: Terms of German Copyright Law
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