Spektral einmodige Quantenpunktlaser hoher Brillianz

Das zentrale Thema der vorliegenden Arbeit ist die Konzeptionierung und Charakterisierung von Halbleiterlasern, im Speziellen von nahinfraroten Trapezlasern. Ein Trapezlaser ist eine Halbleiterlaserbauform, die einen Strahl von hoher Brillianz erzeugt und effektiv und kompakt auf einem Chip realisiert ist. Eine Neuerung der hier präsentierten Trapezlaser ist ein wellenlängenselektives Element, ein sogenanntes DBR-Gitter (engl.: Distributed-Bragg-Reflector), das direkt in die Laserstruktur implementiert ist. Dadurch besitzen die hier vorgestellten Trapezlaser ein einmodiges Emissionsspektrum. Diese Verschmälerung des Spektrums bedeutet eine Verbesserung der Funktionalität der Laser in Anwendungen und erschließt letztlich sogar neue Anwendungsgebiete, da auf ein externes Filtern der Wellenlänge verzichtet werden kann.

Alle in dieser Arbeit vorgestellten Trapezlaser basieren auf Quantenpunkten als aktivem Medium. Diese quasi-nulldimensionalen Strukturen werden durch selbstorganisiertes Wachstum mittels Molekularstrahlepitaxie hergestellt und besitzen im Vergleich zu dem üblicherweise verwendeten Quantenfilmmaterial viel versprechende Eigenschaften, wie eine hohe Materialverstärkung, einen niedrigen Alpha-Faktor und eine hohe Temperatur-stabilität. Letztere ist Hauptbeweggrund für die Verwendung von Quantenpunkten als aktivem Material für die Hochleistungslaser.

Die vorliegende Arbeit erläutert die Grundlagen des Konzeptes eines Trapezlasers und geht auf theoretische Aspekte zu Halbleiterlasern ein. Zur Beschreibung von Trapezlasern sind im Speziellen der Begriff der Brillianz, die Abstrahleigenschaften eines Halbleiterlasers, thermische Aspekte und die spektrale Modenkontrolle von Bedeutung. Die vorgestellten Laser können durch ihre Emissionswellenlänge verschiedenen Einsatzgebieten zugeordnet werden. Es wurden Trapezlaser bei Wellenlängen um 920nm für die Anwendung in der Telekommunikation und Materialverarbeitung, sowie Laser bei 1080nm zur Frequenzverdopplung und Verwendung in der Display- und Projektionstechnik realisiert. Trapezlaser mit hoher Modulationseffizienz können desweiteren bei der Freistrahldatenübertragung eingesetzt werden. Außerdem werden Trapezlaserdioden behandelt deren spektrale Modenselektion nicht durch ein DBR-Gitter erreicht wird, sondern durch das sogenannte Vernier-Prinzip. Die Kopplung zweier Kavitäten in einem Laser führt hierbei zu spektral einmodiger Emission. Bei den im Rahmen dieser Arbeit hergestellten und untersuchten zwei-segmentigen Trapezlasern ist ein feines Abstimmen der Emissionswellenlänge genauso möglich wie diskrete Modensprünge über einen Wellenlängenbereich von etwa 20nm.

Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der lateralen Strukturierung der Quantenpunktlaser zu Trapezlasern. Ein Trapezlaser besitzt einen komplexen Aufbau, daher wird ausführlich auf verschiedene Variationen der Geometrie eingegangen. Die Zusammenhänge der strukturellen, optischen und thermischen Eigenschaften der Halbleiterheterostruktur zeigen eine starke wechselseitige Beeinflussung und werden für die einzelnen Bestandteile des Lasers anhand von experimentellen Ergebnissen erläutert.