Hochleistungsdiodenlaser hoher spektraler Strahldichte mit geneigtem Bragg-Gitter als Modenfilter ( α-DFB-Laser)
Paschke, Katrin
Die Arbeit behandelt Hochleistungsdiodenlaser mit verteilter Rückkopplung für Wellenlängen im Bereich von 1 µm. In den Lasern ist ein Bragg-Gitter integriert, dessen Gitterfurchen um einen kleinen Winkel ag gegen die Facetten-Normale geneigt sind (a-DFB-Laser) und das sowohl als lateraler als auch als longitudinaler Modenfilter wirkt. Zwei neu entwickelte Modellierungsverfahren für a-DFB-Laser werden dargestellt. Mit Hilfe des zweidimensionalen Vierwellen-Modells können optimale Varianten der Laser bestimmt werden. Das zweidimensionale nichtlineare Modell der Wellenausbreitung im a-DFB-Laser unter Einbeziehung der Ladungsträgerbilanz und der Wärme führt zum vollständigen Laserdesign, aus dem sämtliche Messgrößen berechnet werden können. In das Design fließen grundsätzlich neue Erkenntnisse ein, wie beispielsweise die Verluste der Moden höherer Ordnung in Abhängigkeit der Designparameter, tiefe Implantation in den Wellenleiter oder die Optimierung der Reflexionskoeffizienten an den Facetten der Laser. Die speziell für den a-DFB-Laser entwickelten Herstellungstechnologien sowie die notwendige Aufbautechnik werden erläutert. Die Messtechnik wird an die Eigenschaften des a-DFB-Lasers angepasst, um die Messergebnisse wie Ausgangsleistung, Wirkungsgrad und spektrale sowie laterale Strahleigenschaften, mit den Modellierungsergebnissen zu vergleichen. Die durch Modellierung gestützten systematischen experimentellen Untersuchungen des Einflusses der Designparameter, wie Resonatorlänge, Kontaktstreifenbreite, Reflexionskoeffizienten, Gitterperiode und Furchentiefe des integrierten Bragg-Gitters auf die Lasereigenschaften führen zu optimalen Konfigurationen der Laser. Die Beugungsmaßzahlen (M2), der im Rahmen dieser Arbeit hergestellten Laser von beispielsweise M2=1,1 bei einer emittierten optischen Leistung von einem Watt, sind mit den Angaben in der Literatur vergleichbar. Eine maximal erreichte Ausgangsleistung von 3 W (M2=3,3) der elektrisch gepumpten a-DFB-Laser für eine Wellenlänge von 1060 nmentspricht einer Verdoppelung der bisher bekannten Werte. Die Filterung mittels geneigter Bragg-Gitter führt bei anschwingenden höheren Moden im Hochleistungsbereich immer noch zu Emission sehr nahe an der Beugungsbegrenzung. Die spektrale Strahldichte der entwickelten a-DFB-Laser von 14 GW/(cm2 sr nm) übertrifft die vergleichbarer Hochleistungslaser um mehr als eine Größenordnung. Die gemessene Halbwertsbreite des Spektrums von 6 pm entspricht der Auflösungsgrenze des Spektrumanalysators. Komplexere Laserstrukturen, wie der völlig neuartige Kreuzgitterlaser und der hybride " master oscillator power amplifier " mit einem a-DFB-Laser als Pumplaser, zeigen ebenfalls beugungsbegrenzte Emission.
This PhD thesis work treats high power laser diodes with distributed feed-back for wave lengths close to 1 µm. A Bragg grating is integrated into the lasers; the grooves of the grating are slanted towards the normal to the facet by an angle ag (a-DFB laser). The grating hereby acts as a mode filter both in the lateral and the longitudinal direction. I present two modelling techniques for a-DFB lasers. With the help of the two-dimensional four wave model optimal variants of the lasers can be determined. The two-dimensional non-linear model for wave propagation in a-DFB lasers takes the balance of the carriers and the heat into account. It leads to the complete laser design from which all measured quantities can be computed. The basic new understanding includes for example of the damping of the higher order modes in dependence of the design parameters, the deep implantation into the wave guide, or reflection coefficients at the facets of the laser enter into the design. The production technologies developed (particularly for this laser) and the necessary mounting techniques are described. The measuring technique is adapted to the properties of the a-DFB laser in order to compare the measurements such as optical power, efficiency, and spectral and lateral beam properties, to the modelling results. Optimal configurations of the laser are achieved through a systematic, modelling-based experimental investigation of the influence of design parameters such as resonator length, width of the contact stripe, reflection coefficient, grating period, and groove depth of the Bragg-grating. The lasers produced within the framework of this PhD thesis work reach a beam propagation ratio of e.g. M2=1.1 at an emitted optical power of one Watt and are comparable to those in the literature. The maximum output power of 3 W (M2=3.3) of the electrically pumped a-DFB lasers for a wave length of 1060 nm represents a doubling of the previously known values. The finding that the filtration through slanted Bragg gratings at higher order modes in the high power range still leads to emission close to the diffraction limit is of particular interest. The spectral brightness of 14 GW/(cm2 sr nm) for the a-DFB lasers developed here exceeds the comparable high power lasers by more than one order of magnitude. The measured half width of the spectrum of 6pm is at the resolution limit of the spectral analyser. More complex laser structures such as new lasers with cross grating and the hybrid master oscillator power amplifier with an a-DFB laser as a pumping laser also show diffraction limited emission.
