Berlin, Techn. Univ., Diss., 2005. / Computerdatei im Fernzugriff.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei verschiedene Typen von Halbleiterlasern mit verteilter Rückkopplung (DFB-Laser) entwickelt. Die Laser basieren auf Rippenwellenleitern und verfügen zusätzlich über ein dazu senkrecht orientiertes Metallgitter. Der evaneszente Teil der im Rippenwellenleiter geführten Lichtwelle überlappt mit dem Gitter. Durch diese periodische Variation des effektiven Brechungsindex wird die verteilte Rückkopplung gewährleistet, was eine longitudinal monomodige Laseremission zur Folge hat. Beiden Lasertypen ist gemeinsam, dass der Herstellungsprozess auf einem vom Materialsystem unabhängigen Konzept basiert. Diese Tatsache ist von besonderem Interesse, da so entsprechende Laser für unterschiedlichste Wellenlängenbereiche gefertigt werden können, ohne hierfür neue Herstellungsverfahren zu entwickeln. Den ersten Schwerpunkt der Arbeit bilden Untersuchungen zu sog. abstimmbaren Lasern, deren Emissionswellenlänge innerhalb eines relativ großen Bereichs quasikontinuierlich einstellbar ist. Der Abstimmmechanismus kann mit dem Vernier-Prinzip erklärt werden. Der Laser besteht hierbei aus zwei gekoppelten Segmenten, die jeweils über eine Reihe von Moden (Modenkamm) verfügen. Der Abstand der Moden innerhalb eines Segments ist konstant, wohingegen die Modenabstände der beiden Segmente leicht unterschiedlich sind. Die Emissionswellenlänge des Lasers ist bestimmt durch den Überlapp zweier Moden aus den beiden Segmenten, wobei die Modenkämme so ausgelegt sind, dass gleichzeitig maximal ein Modenpaar überlappt. Eine kleine relative Verschiebung der beiden Modenkämme führt zu einer vergleichsweise großen Verschiebung der Emissionswellenlänge auf Grund des veränderten Überlapps. Die Modenkämme wurden durch spezielle DFB-Gitter, sog. binary superimposed gratings (BSG), realisiert, die, anders als bei konventionellen DFB-Lasern, für mehrere Bragg-Wellenlängen konstruktive Interferenz zulassen und erstmalig bei DFB-Lasern eingesetzt wurden. BSGs zeichnen sich durch sehr gute optische Eigenschaften bei gleichzeitig einfacher Herstellung aus. Zum Abstimmen der Wellenlänge wurde der Brechungsindex des Lasers gezielt durch den Injektionsstrom bzw. die Bauteiltemperatur verändert. Im Rahmen dieser Arbeit konnten abstimmbare Laser auf unterschiedlichen Materialsystemen (InGaAs/GaAs, GaInNAs/GaAs, InGaAsP/InP) hergestellt werden. Der maximale diskrete Abstimmbereich beträgt 38 nm bzw. 8,9 THz und ist durch die Breite des Verstärkungsspektrums limitiert. Quasikontinuierlich konnte ein Abstimmbereich von 15 nm bzw. 3,9 THz erreicht werden. Die typische minimale Seitenmodenunterdrückung (SMSR) beträgt 30 bis 35 dB. Durch Hinzufügen eines dritten Segments ohne Gitter konnte die Ausgangsleistung unabhängig von der Wellenlänge konstant gehalten werden. Den zweiten Schwerpunkt der Arbeit bildet die Entwicklung von DFB-Laser-Arrays mit dem Ziel, longitudinal monomodige Laser mit hoher Ausgangsleistung zu erhalten. Die DFB-Laser-Arrays basieren auf dem oben beschriebenen Prinzip von DFB-Lasern mit lateralem Metallgitter und verfügen über mehrere Rippenwellenleiter, die im lateralen Abstand von wenigen Mikrometern angeordnet sind. Für große Abstände zwischen den einzelnen Lasern des Arrays (Elemente) emittieren diese, weitgehend unabhängig von einander, jeweils longitudinal monomodiges Licht (quasimonochromatische Emission). Die spektrale Breite beträgt hierbei typischerweise 50 bis 70 GHz. Für kleine Elementabstände koppeln die einzelnen Lichtwellen miteinander, was zu einer mit einem konventionellen DFB-Laser vergleichbaren Linienbreite führt. Während die ungekoppelten Arrays über ein gaußförmiges Fernfeld verfügen, ergibt sich für die gekoppelten Arrays ein Interferenzmuster, das stark von verschiedenen Laserparametern (wie z. B. dem Elementabstand) abhängt. Bei InGaAs/GaAs basierenden Arrays (Wellenlänge ca. 980 nm) ergibt sich für DFB-Laser-Arrays mit vier Elementen eine Ausgangsleistung von ca. 200 mW pro Facette, die durch die Wärmeabfuhr begrenzt wird. Trotz der starken thermischen Limitierung (die Laser waren nicht aufgebaut) konnte die 3,5-fache Ausgangsleistung eines Referenzlasers erzielt werden. Bei InGaSb/GaSb basierenden Arrays mit vier Elementen (Wellenlänge ca. 2,0 µm) konnte eine Ausgangsleistung von ca. 30 mW pro Facette erreicht werden, was dem 3,3-fachen eines Referenzlasers entspricht. Die Verwendung von DFB-Laser-Arrays führt folglich zu einer signifikanten Leistungssteigerung, die sich durch geeignete Maßnahmen (Facettenvergütung, Montage, Skalierung) noch weiter erhöhen ließe. / This thesis covers the development of two different types of semiconductor lasers with distributed feedback (DFB). The lasers are based on ridge waveguides and possess an additional metal grating that is oriented perpendicular to the ridge waveguide. The evanescent part of the guided light overlaps with the grating. Due to periodic modulation of the effective refractive index a distributed feedback is accomplished which leads to a longitudinal single mode laser emission. Both lasers have in common, that the manufacturing process is independent of the material system. This fact is of particular interest because one can easily fabricate lasers in different wavelength ranges without having to develop a new manufacturing process. The first part of the thesis covers investigations on tunable lasers. The emission wavelength can be tuned quasi continuous within a relatively large range. The tuning mechanism can be described by the Vernier effect. The laser consists of two coupled cavities, each having a series of well defined modes. The modes are equally spaced within a cavity, whereas the mode spacing between the two cavities is slightly different. The emission wavelength of the device is determined by the overlap of two modes from either cavity. By applying this concept, one can use a relatively small shift of the cavity modes to obtain a rather large shift of the emission wavelength of the laser. The mode spectra have been realized by using so called binary superimposed gratings (BSG). This allows constructive interference for several Bragg wavelengths. BSGs show excellent optical properties as well as an easy fabrication process and have been applied to DFB-lasers for the first time. The wavelength tuning is accomplished by a well directed way of varying the injection currents and the device temperature, respectively. In this thesis, tunable lasers have been demonstrated on a variety of material systems (InGaAs/GaAs, GaInNAs/GaAs, InGaAsP/InP). The maximum discrete tuning range is 38 nm and 8.9 THz, respectively and is limited by the width of the gain spectrum. The maximum quasi continuous tuning range is 15 nm and 3,9 THz, respectively. The typical minimum side mode suppression ratio (SMSR) is 30 to 35 dB. By adding a third segment without any grating, one can keep the output power at a constant level independent of the emission wavelength. The second part of this thesis covers the development of DFB laser arrays resulting in a laser source with high output power and small spectral width. The DFB laser arrays are based on the above described principle of a DFB laser with a lateral metal grating and consists of several parallel ridge waveguides with a lateral distance of a few microns. For a relatively large distance between two adjacent lasers (emitters) the lasers are independent, each emitting single mode light. The total spectral width is around 50 to 70 GHz. Regarding smaller distances between two emitters, light from adjacent lasers interacts which leads to a total spectral width comparable to a conventional DFB laser. Regarding an InGaAs/GaAs based DFB laser array (wavelength around 980 nm), an array with four emitters shows a maximum output power of around 200 mW. Despite the strong thermal limitation (the lasers were not mounted), this is 3.5 times the output power of a reference laser with only one emitter. Regarding the InGaSb/GaAs based DFB laser arrays with four emitters (wavelength around 2.0 µm) the output power is around 3.3 times as high as the output power of a reference device. This shows that the proposed concept of DFB laser arrays with lateral gratings is suitable to improve the output power of a DFB laser and can be further enhanced by means of facet coating, proper mounting and scaling.

Ziel der Arbeit war die Entwicklung von lateral gekoppelten DFB-Halbleiterlasern für Hochleistungsanwendungen. Besonderes Augenmerk war dabei auf hohe COD-Schwellen und schmale Fernfeldverteilungen gerichtet. Ausgehend von einem LOC-Design wurden Simulationsrechnungen durchgeführt und ein neues Epitaxiedesign mit einer 2.5 μm dicken LOC, in welcher die aktive Schicht asymmetrisch positioniert ist, entwickelt. Durch die asymmetrische Anordnung der aktiven Schicht kann die im Falle von lateral gekoppelten DFB-Lasern sehr kritische Kopplung der Lichtmode an das modenselektive Gitter gewährleistet werden. Zudem reichen die Ausläufer der Lichtmode in diesem Design weiter in den Wellenleiter hinab als dies bei herkömmlichen Wellenleitern der Fall ist, so dass sich die Fernfeldeigenschaften der Laser verbessern. Die Fernfeldverteilungen solcher Laser weisen Halbwertsbreiten von 14° in lateraler und nur 19° in transversaler Richtung auf. Im Vergleich mit Standardstrukturen konnte die Ausdehnung des transversalen Fernfeldes also um mehr als 50 % reduziert werden. Außerdem ergibt sich eine nahezu runde Abstrahlcharakteristik, was die Einkopplungseffizienz in optische Systeme wie Glasfasern oder Linsen signifikant verbessert. Unter Ausnutzung der entwickelten Epitaxiestruktur mit asymmetrischer LOC wurde ein neues Lateraldesign entwickelt. Es handelt sich hierbei um Wellenleiterstege welche im Bereich der Facetten eine Verjüngung aufweisen. Durch diese wird die optische Mode tief in die 2.5 μm dicke Wellenleiterschicht geführt, welche sie in transversaler Richtung komplett ausfüllt. Durch den größeren Abstand der Lasermode vom Wellenleitersteg ergibt sich zudem eine deutliche schwächere laterale Führung, so dass sich die Mode auch parallel zur aktiven Schicht weiter ausdehnt. Die Lichtmode breitet sich folglich über eine deutlich größere Fläche aus, als dies bei einem gleichbleibend breiten Wellenleitersteg der Fall ist. Die somit signifikant kleinere Leistungsdichte auf der Laserfacette ist gleichbedeutend mit einem Anstieg der COD-Schwelle der Laser der im Einzelnen von den jeweiligen Designparametern von Schicht- und Lateralstruktur abhängig ist. Außerdem bewirkt die in lateraler und transversaler Richtung deutlich schwächere Lokalisation der Mode eine weitere Abnahme der Halbwertsbreiten der Laserfernfelder. Durch die im Vergleich zu herkömmlichen Laserstrukturen schwächere Lokalisation der Lichtmode im Bereich der Facetten ergeben sich äußerst schmale Fernfelder. Ein 1800 μm langer Laser, dessen Stegbreite über 200 μm hinweg auf 0.4 μm verringert wurde, zeigt Halbwertsbreiten von 5.2° in lateraler und 13.0° in transversaler Richtung. Damit sind die Fernfelder dieser Laser bedeutend kleiner als die bislang vorgestellter Laserdioden mit LOC. Die Geometrie der Taperstrukturen bestimmt, wie vollständig sich die Mode in den unteren Wellenleiterbereich ausbreiten kann und nimmt damit Einfluss auf die Laserfernfelder. Im CW-Modus durchgeführte Messungen an Lasern mit Taperstrukturen zeigen maximale Ausgangsleistung von 200 mW bevor die Laser in thermisches Überrollen übergehen. Bei einer Ausgangsleistung von 185 mW beträgt das Seitenmodenunterdrückungsverhältnis 33 dB. Im gepulsten Modus (50 ns Pulsdauer, 1MHz Wiederholungsrate) betriebene Laser zeigen hohe COD-Schwellen von mehreren hundert bis hin zu 1600 mW, die eine deutliche Abhängigkeit von der Endbreite der Taperstrukturen zeigen: Mit abnehmender Taperbreite ergibt sich eine starke Zunahme der COD-Schwelle. An einem 1800 μm langen Laser mit 200 μm langen Taperstrukturen die eine Endbreite von 0.3 μm aufweisen konnte eine COD-Schwelle von 1.6 W nachgewiesen werden. Im Gegensatz zu anderen Ansätzen, die ebenfalls longitudinal und lateral mono-modige DFB-Laser mit hohen Ausgangsleistungen zum Ziel haben, kann jedoch bei dem hier präsentierten Konzept aufgrund des Einsatzes von lateralen DFB-Gittern auf eine Unterbrechung des epitaktischen Wachstums verzichtet werden. Dies vereinfacht die Herstellung der Schichtstrukturen deutlich. Die hier vorgestellten Konzepte sind mit weiteren üblichen Vorgehensweisen zur Herstellung von Hochleistungslaserdioden, wie z.B. speziellen Facettenreinigungs- und Passivierungsverfahren oder Materialdurchmischung im Facettenbereich, kombinierbar. Zudem kann das hier am Beispiel des InGaAs/GaAs Materialsystems entwickelte Konzept auf alle zur Herstellung von Halbleiterlaserdioden üblichen Materialsysteme übertragen werden und eröffnet so eine völlig neue, material- und wellenlängenunabhängige Möglichkeit Abstrahlcharakteristik und Ausgangsleistung von Laserdioden zu optimieren. / The primary objective of this work was the development of laterally coupled DFB semiconductor laser diodes for high-power applications. Special attention was turned to high COD thresholds and narrow farfield distributions. Based on a LOC design, simulations were undertaken and a new epitaxial design was devised featuring an active layer positioned asymmetrically in a LOC with a height of 2.5 μm. This design guarantees good coupling between the light mode and the lateral grating, something that is especially critical in the case of laterally coupled DFB lasers. Furthermore, due to this design the fringes of the light mode extend farther into the waveguide layers than possible in conventional waveguides, thereby improving the farfield characteristics of the devices. The farfield distributions of these laser diodes exhibit FWHM values of 14° in lateral and only 19° in transversal direction. Compared to standard designs the dimension of the transversal farfield could be reduced by more than 50 %, resulting in an almost circular farfield pattern, hence improving the coupling efficiency into optical fibers or lenses significantly. Based on the developed epitaxial design with an asymmetrical LOC, a new ridge design was devised. It features RWGs that are tapered down to a width of only several hundred nanometers at both ends of the laser cavity. Due to this tapered sections, the optical mode is pushed down into the 2.5 μm thick waveguide, filling it out completely in transversal direction. Because of the increased distance between the lasing mode and the RWG, the lateral mode guiding is also decreased, resulting in an expansion parallel to the epitaxial layers as well. Consequently the light spreads over a significantly larger area than in the case of a RWG of constant width. The thusly reduced power density at the laser facet is tantamount to an increase in COD threshold the extent of which depends on the particular design parameters of layer and ridge design respectively. Furthermore, the weaker localisation of the light mode causes a further decrease of the farfields’ FWHM values. Due to the localisation of the light mode being weaker than in conventional laser structures, the measured lasers’ farfield distributions are very narrow. A 1800 μm long laser with a 2.0 μm wide RWG tapered down to 0.4 μm over a length of 200 μm yields FWHM values of 5.2° in lateral and 13.0° in transversal direction. These values are considerably smaller than those achieved with other laser diodes based on LOC structures presented up to now. The layout of the taper structures determines the degree of the spread into the lower waveguide and therefore influences the farfield distributions. When measured in CW mode, the tapered lasers show a maximum optical output power of 200 mW before exhibiting thermal roll-over. Measured at an output power of 185 mW, the spectral characteristics yield a SMSR of 33 dB. Operated in pulsed mode (50 ns pulse length, 1 MHz repetition rate), the laser diodes show high COD thresholds of several hundred up to 1600 mW. The COD thresholds exhibit a strong dependence on the taper width viz. a fast increase of COD threshold with decreasing taper width. Data derived from measurements conducted with a 1800 μm long laser that was tapered down to a ridge width of only 0.3 μm over a length of 200 μm, yield a COD threshold of 1.6 W. Other approaches aiming at laterally and longitudinally mono-mode high-power DFB lasers are based on an epitaxial overgrowth step. This highly risky procedure could be foregone due to the use of DFB gratings positioned laterally to the RWG. The concepts presented here are fully compatible with other procedures usually used for manufacturing high power laser diodes with high COD thresholds, such as special facet cleaning and passivation procedures or quantum-well-intermixing. Above all, although the concept developed in this work was based on the InGaAs/GaAs material system, it can be transferred to virtually every material system used for the fabrication of semiconductor laser diodes. Thus the presented concept establishes a new way of optimizing both farfield and output power of laser diodes that is independent of both material system and emission wavelength.

University, Diss., 2002--München.

Techn. Universiẗat, Diss., 2003--Clausthal.

In der vorliegenden Arbeit wurde angestrebt, die Eigenschaften komplexgekoppelter DFB-Laser bezüglich ihrer Nutzung für metrologische Untersuchungen zu analysieren und zu verbessern. Hierfür wurden die räumlichen Emissionseigenschaften der lateral komplexgekoppelten DFB-Laser in ausgiebigen Studien diskutiert. Für kommerziell erhältliche Laser wurde daraufhin das Fernfeld sowohl in lateraler als auch vertikaler Richtung berechnet. Die entsprechenden Fernfeldmessungen konnten die Theorie bestätigen und wie erwartet, waren die Divergenzwinkel mit 52° FWHM in der Wachstumsrichtung und 12° FWHM in lateraler Richtung (vgl. Abb. 6.4 und 6.5) sehr unterschiedlich und zeugen von einer großen Differenz in den Fernfeldwinkeln. Mit Überlegungen zu dem optischen bzw. elektrischen Einschlusspotential im Hinblick auf die veränderte Fernfeldsituation wurde zunächst die reine Halbleiterlaserschichtfolge optimiert. Der Divergenzwinkel in Wachstumsrichtung wurde um mehr als 50% auf 25° FWHM gesenkt. Damit konnte die Asymmetrie des Fernfeldes um einen Faktor von mehr als 4 reduziert werden. Strahlgüteuntersuchungen zeigten ein nahezu beugungsbegrenztes Gaußsches Strahlprofil in der langsamen Achse mit einem M2-Wert von 1,13 (Abb. 6.3). Eine weitere Untersuchung betraf die Linienbreitenabhängigkeit solcher Laser von ihrer Ausgangsleistung, der Resonatorlänge, der Facettenvergütung und der Gitterkopplung. Die erste Beobachtung betraf die Verschmälerung der Linienbreite mit ansteigender Ausgangsleistung bis hin zu einer erneuten Verbreiterung (Rebroadening) der Linienbreite (siehe Abb. 7.3). Der Einfluss auf die Linienbreite durch eine Veränderung der Resonatorlänge ließ sich sehr gut mit der Theorie vergleichen und so erbrachte eine Verdopplung der Resonatorlänge eine Verschmälerung der Linienbreite um mehr als einen Faktor 3. Die Verlängerung der Kavität begünstigte den negativen Effekt des sog. Rebroadenings nicht, da bei der verwendeten Technologie der lateral komplexen Kopplung der Index-Beitrag an der Rückkopplung sehr klein ist. Im Falle reiner Indexkopplung wäre dies durch die veränderte κ · L-Lage deutlich zu spüren. Ein weiterer, oben auch angesprochener Vorteil der komplexen Kopplung ist, dass die Facettenreflektivitäten einen wesentlich kleineren Einfluss auf die DFB-Ausbeute und auf deren Eigenschaften haben als bei der reinen Indexkopplung. Dies lässt sich ausnutzen, um die Photonenlebensdauer in der Kavität zu erhöhen ohne negativ die DFB-Ausbeute zu beeinflussen. In dieser Arbeit wurde bei verschiedenen Längen die reine gebrochene Facette mit einer vergüteten verglichen und der Einfluss auf die Linienbreite analysiert. Die Frontfacette wurde durch eine Passivierung bei ca. 30% gehalten und die Rückfacette durch einen doppelten Reflektor auf ca. 85% gesetzt. Daraus resultierte eine Reduktion der Linienbreite um mehr als die Hälfte. Neben diesen Ergebnissen wurde auch der Einfluss der komplexen Kopplung untersucht. Da die durch das Gitter zusätzlich eingebrachten Verluste zu einer Vergrößerung der Linienbreiten beitragen, wird bei einem größeren geometrischen Gitterüberlapp das Frequenzrauschen auch entsprechend steigen. Dies ließ sich auch im Experiment bestätigen. Zudem wurde eine Längenabhängigkeit dieses Effektes festgestellt. Die Reduzierung der Linienbreite bei längeren Bauteilen ist deutlich ausgeprägter als bei kürzeren. So ist bei ähnlicher Verringerung des Gitterüberlappes bei einem 900 μm langen Bauteil eine Linienbreitenreduzierung um einen Faktor von „nur“ 1,85 beobachtbar, aber bei der doppelten Kavitätslänge ist dieser Faktor schon auf 3,60 angestiegen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden DFB-Laser hergestellt, die eine Linienbreite von bis zu 198 kHz aufwiesen. Dies stellt für lateral komplexgekoppelte Laser einen absoluten Rekordwert dar. Im Vergleich zu Index-DFB-Lasern ist dieser Wert bzgl. der Linienbreite mit den aktuellsten Ergebnissen aus der Forschung zu vergleichen [CTR+11], bei welchen eine Linienbreite zu 200 kHz bestimmt wurde. In dem letzten Abschnitt dieser Arbeit wurde der Einfluss einer veränderten Phasenlage von Gitter und Facette untersucht. Dabei wurden spezielle Bauteile hergestellt (3-Segment-DFB-Laser) und verschiedene Gitterlängen untersucht. Die Phasenlage kann reversibel über den eingestellten Strom in den gitterfreien Segmenten geregelt werden. Wie vorhergesagt, bestätigen die Experimente, dass diese Phasenbeziehung einen signifikanten Einfluss auf die Ausgangsleistung, die Wellenlänge mit ihrer zugehörigen Seitenmodenunterdrückung und auch auf die Linien-breite hat. Bei der Analyse der Linienbreite konnte eindeutig beobachtet werden, dass für die verschiedenen Längen die inverse Linienbreite sehr gut mit der relativen Seitenmodenunterdrückung gekoppelt ist. Dies stellt eine deutliche Erleichterung der zukünftigen Optimierung der komplexgekoppelten DFB-Laser dar, da eine Linienbreitenuntersuchung meist deutlich zeitaufwendiger ist als eine Analyse mit einem optischen Spektrometer. / The goal of this thesis was to analyze and improve the characteristics of complex-coupled DFB-lasers due to their use for metrological investigations. For this purpose, the spatial properties of the laterally complex-coupled DFB-lasers were discussed in extensive studies. It has been explained why the asymmetry of the far field for this special type of laser diode is typically quite high due to the required coupling strength. For commercially available lasers, the far field was calculated in both lateral and vertical direction. The corresponding far field measurements proofed the theory, and as expected, the divergence angles of 52° FWHM in the epitaxial direction and 12° FWHM in lateral direction (see fig. 6.4 and 6.5) showed very huge differences and confirmed the predicted high far field asymmetry. The layer stack was optimized first with regard to the optical and electrical confinement potential to change the far field situation. The far field in the epitaxial direction has been reduced by more than 50% to a value of 25° FWHM. As a result, the asymmetry of the far field could be reduced by a factor of more than 4. Beam profile measurements showed a nearly diffraction limited Gaussian beam profile in the slow axis with a M2-value of 1.13 (fig. 6.3). Additional investigations were done to determine the dependency between the linewidth of such lasers and their optical output power, resonator length, facet reflectivity and grating coupling strength. The first study was related to the narrowing of the linewidth due to the increased optical output power ending up in a rebroadening (compare fig. 7.3). The influence of the resonator length to the linewidth was very close to theory and thus a doubling of the resonator length led to a linewidth narrowing of more than factor 3. Increasing the cavity length did not favour the negative effect of the so-called rebroadening since the portion of index coupling within the used lateral complex-coupling technology is very small. In case of pure index coupling the influence due to the changed κ·L-condition would be increased. A further advantage of the complex-coupling mentioned above is the fact that the influence of the facet reflectivities on the DFB yield and laser characteristics is significantly smaller compared to pure index coupling. This can be used to increase the photon lifetime in the cavity without decreasing the DFB yield. The influence on the linewidth of as-cleaved facets was compared to coated ones with lasers of different length. The front facet was passivated to hold the as-cleaved reflectivity of about 30%, and the rear facet was coated with a layer stack to end up at about 85% reflectivity. The linewidth was more than halved. In addition to these results, the influence of complex-coupling was also investigated. As extra losses are introduced by the grating itself, the frequency noise, produced by a higher geometric overlap of the grating with the lasing mode will rise. This could also be confirmed in the experiment. It was also observed that this effect has a length driven component. Narrowing the linewidth by reducing the grating overlap has a higher influence on a longer device compared to shorter laser diodes. A factor of 1.85 on a 900 μm long device has been observed, but diodes with doubled length showed a factor of 3.60. Within the scope of this thesis, DFB-lasers were produced showing linewidths down to 198 kHz. Regarding complex-coupled laser diodes, this value for the linewidth is an absolute record. Compared to index-coupled DFB-lasers, this value matches to latest research findings [CTR+11]. In the last chapter of this work the influence of the phasing of grating and facet was discussed. Special laser diodes (3-segment DFB-lasers) with different grating lengths were produced. The phasing was determined by the injection current of the grating-free segments. As predicted, the experimental results proved the significant influence of the phasing to output power, wavelength including SMSR and the linewidth. It was also observed that for different lengths the inverse linewidth is proportional to the SMSR. This relationship could be used for improved and faster optimization of complex-coupled DFB-lasers as an investigation of the linewidth is typically more complex than a simple analysis on an optical spectrometer.

Ulm, Univ. Diss., 2006.

Universiẗat, Diss., 2004--Freiburg (Breisgau).

Techn. Universiẗat, Diss., 2005--Berlin.

Ein neuentwickeltes azobenzenhaltiges Material, das auf einem supramolekularen Konzept basiert, wird bezüglich seiner Strukturbildung während einer holografischen Belichtung bei 488 nm untersucht. Im Mittelpunkt stehen dabei eindimensionale, sinusförmige Reliefs mit Periodizitäten kleiner 500 nm. Es wird gezeigt, wie der Grad der Vernetzung der photosensitiven Schicht die Strukturbildung in diesem Größenbereich beeinflusst. Zur Maximierung der Strukturtiefe werden gezielt Prozessparameter der Belichtung sowie Materialparameter variiert. Unter Standardbedingungen und moderaten Belichtungsintensitäten von ca. 200 mW/cm² bilden sich innerhalb weniger Minuten bei einer Periode von 400 nm Strukturtiefen von bis zu 80nm aus. Durch die Beeinflussung von Materialparametern, wie Oberflächenspannung und Viskosität, wird die maximale Strukturtiefe auf 160nm verdoppelt. Durch Mehrfachbelichtungen wird auch die Bildung von zweidimensionalen Gittern untersucht. Die Originalstrukturen werden in einem Abformverfahren kopiert und in Schichten von unter UV-Licht aushärtenden Polymeren übertragen. Durch das Abformen kommt es zu einer geringfügigen Verschlechterung der Oberflächenqualität sowie Abnahme der Strukturtiefe. Dieser Verlust wird durch eine Verringerung der Prozesstemperatur verringert. Mithilfe kopierter Oberflächengitter werden organische Distributed Feedback-(DFB)-Laser zweiter Ordnung hergestellt, um den Einfluss von Gitterparametern auf die Emissionseigenschaften dieser Laser zu untersuchen. Dazu erfolgt zunächst die Charakterisierung der optischen Verstärkungseigenschaften ausgewählter organischer Emittermaterialien mittels der Variablen Strichlängenmethode. Das mit dem Laserfarbstoff Pyrromthen567 (PM567) dotierte Polystyrol (PS) zeigt dabei trotz konzentrationsbedingter geringer Absorption eine vergleichsweise geringe Gewinnschwelle von 50µJ/cm² bei ca. 575 nm. Das aktive Gast-Wirt-System der konjugierten Polymere MEH-PPV und F8BT* weist eine hohe Absorption und eine kleine Gewinnschwelle von 2,5 µJ/cm² bei 630 nm auf. Dieses Verhalten spiegelt sich auch in den Emissionseigenschaften der damit hergestellten DFB-Laser wieder. Die Dicke der aktiven Schichten liegen im Bereich hunderter Nanometer und wird so eingestellt, dass sich nur die transversalen Grundmoden im Wellenleiter ausbreiten können. Die Gitterperiode sind so gewählt, dass ein Lichtmode im Verstärkungsbereich des Emittermaterials liegt. Die Emissionslinien der Laser sind mit FWHM-Werten von bis zu 0,3 nm spektral sehr schmalbandig und weisen auf eine sehr gute Gitterqualität hin. Die Untersuchungen liefern minimale Laserschwellen und maximale differentielle Effizienzen von 4,0µJ/cm² und 8,4% für MEH-PPV in F8BT* (bei ca. 640nm) sowie 80 µJ/cm² und 0,9% für PM567 in PS (bei ca. 575 nm). Die Vergrößerung der Strukturtiefe von 40nm auf 80nm in mit MEH-PPV dotierten F8BT*-Lasern zu einem deutlichen Anstieg der ausgekoppelten Energie sowie der differentiellen Effizienz und einem geringen Absinken der Laserschwelle. Dies ist ein Resultat der erhöhten Kopplung von Lasermode und Gitter. Die Emission von DFB-Lasern mit zweidimensionalen Oberflächengittern zeigen eine Verringerung der Divergenz aber kein Einfluss auf die Laserschwelle. Abschließend erfolgt eine Vermessung der Photostabilität von DFB-Lasern unter verschiedenen Bedingungen. Das Einbringen eines konjugierten Polymers in eine aktive Matrix sowie der Betrieb in einer Stickstoffatmosphäre führen dabei zu einer Erhöhung der Lebensdauer auf über eine Million Pulse. Durch die Kombination von Oberflächengittern in PDMS-Filmen mit elektroaktiven Substraten wird eine elektrisch steuerbare Deformation des Beugungsgitters erreicht und auf einen DFB-Laser übertragen. Die spannungsinduzierte Verformung wird zunächst in Beugungsexperimenten charakterisiert und ein optimaler Arbeitspunkt bestimmt. Mit den beiden Elastomeren SEBS12 und VHB4910 werden in den Gittern maximale Periodenänderungen von 1,3% bzw. 3,4% bei einer Steuerspannung von 2 kV erreicht. Der Unterschied resultiert aus den verschiedenen Elastizitätsmoduln der Materialien. Übertragen auf DFB-Laser resultiert eine Variation der Gitterperiode senkrecht zu den Gitterlinien in einer kontinuierlichen Verschiebung der Emissionswellenlänge. Mit einem Spannungssignal von 3,25 kV wird die schmalbandige Emission eines elastischen DFB-Lasers kontinuierlich um fast 50nm von 604 nm zu 557 nm hin verschoben. Aus dem Deformationsverhalten sowohl der reinen Beugungsgitter als auch der Laser werden Rückschlüsse auf die Elastizität der verwendeten Materialien gezogen und erlauben Verbesserungen der Bauteile. / The photoinduced surface relief formation in a newly developed azobenzene containing material is investigated. A photosensitive film based on a supramolecular material concept is illuminated in a holographic setup with light at 488 nm leading to sinusoidal surface structures. It can be shown how the degree of network formation within the material influences structure formation at periods below 500nm. Different material and process parameters are varied to determine maximum possible structure amplitude. At moderate recording conditions and illumination intensities of 200 mW/cm² maximum structure amplitudes of 80 nm are formed within several minutes at periods of approximately 400 nm. Changing material parameters like surface tension and viscosity leads to an increase of maximum amplitude to 160 nm. Additionally, twodimensional structures are fabricated by multiple recording steps. Original surface structures are copied by soft lithography methods into films of UV cured polymers. This replication leads to a decrease of structure contrast and increase of surface roughness. It is shown that structure contrast is preserved by reduction of process temperature. Organic second order distributed feedback (DFB) lasers are prepared with the help of replicated surface gratings covered with organic active layers with thicknesses of several hundred nanometers. The lasers are investigated regarding the influence of grating amplitude on laser threshold and slope efficiency. For this, the optical gain of two green/red emitter materials, polystyrene (PS) doped with laser dye pyrromethene567 (PM567) and active guest host system of conjugated polymers MEH-PPV and F8BT*, is measured. PS doped with PM567 shows relatively low gain threshold of 50 µJ/cm² at 575 nm caused by the low dye concentration while F8BT* doped with MEH-PPV shows threshold gain of 2.5 µJ/cm² at 630 nm. Similar behavior is observed during laser action. Following Bragg-condition grating periods at approximately 400nm lead to laser emission within the gain spectra of the materials. DFB lasers show single mode narrow line emission with FWHMs of down to 0.3nm. This is a result of high grating quality. Lasers based on MEH-PPV-F8BT* exhibit laser thresholds and slope efficiencies of 4.0µJ/cm² and 8.4%, respectively. PM567-PS lasers exhibit 80 µJ/cm² and 0.9%. An increase of grating amplitude of a MEH-PPV-F8BT*-DFB laser from 40nm to 80nm leads to a considerable increase of energy output and a slight decrease of laser threshold. This is a result of an increase of coupling between light mode and grating which relates to an increase of reflectivity. The use of a two dimensional grating leads to a decrease of divergence angle of laser emission but shows no influence on laser threshold. Finally, laser lifetime is observed under different conditions. Doping the conjugated polymer MEH-PPV in an active matrix in combination with the allocation of nitrogen atmosphere leads to an prolongation of half life time to several million pulses. The combination of elastic surface relief gratings with electro active substrates enables electrical controlled deformation of the surface structure. This deformation is characterized by diffraction measurements. At optimal working conditions electro active substrates based on elastomers SEBS12 and VHB4910 show maximum grating deformation of 1.3% und 3.4% at actuation voltages of 2kV, respectively. The different results are caused by the different elastic modulus of the elastomer materials. The transfer of deformation principle to elastic DFB lasers leads to a continuously shift of emission wavelength. At an actuation voltage of 3.25kV an elastic DFB laser based on polyvinylacetate doped with PM567 shows a shift of nearly 50 nm, from 604 nm to 557 nm. Deformation behavior of grating and laser allow to draw conclusions on elasticity of the material and with this is tool for the improvement of the device.