Aufgrund der hohen Sensitivität bei der Absorptionsmessung von Gasen im Spektral- bereich des mittleren Infrarot steigt die Nachfrage nach monolithischen, kompakten und energieeffizienten Laserquellen in Wellenlängenfenster zwischen 3 und 6 μm ste- tig. In diesem Bereich liegen zahlreiche Absorptionsbanden von Gasen, welche sowohl in der Industrie als auch in der Medizintechnik von Relevanz sind. Mittels herkömm- licher Diodenlaser konnte dieser Bereich bisher nur unzureichend abgedeckt werden, während Quantenkaskadenlaser infolge ihrer hohen Schwellenleistungen vor allem für portable Anwendungen nur bedingt geeignet sind. Interbandkaskadenlaser kom- binieren die Vorteile des Interbandübergangs von konventionellen Diodenlasern mit der Möglichkeit zur Kaskadierung der Quantenkaskadenlaser und können einen sehr breiten Spektralbereich abdecken. Das übergeordnete Ziel der Arbeit war die Optimierung von molekularstrahlepitak- tisch hergestellten Interbandkaskadenlasern auf GaSb - Basis im Spektralbereich des mittleren Infrarot für den Einsatz in der Gassensorik. Dies impliziert die Ermögli- chung von Dauerstrichbetrieb bei Raumtemperatur, das Erreichen möglichst geringer Schwellenleistungen sowie die Entwicklung eines flexiblen Konzepts zur Selektion von nur einer longitudinalen Mode. Da die Qualität der gewachsenen Schichten die Grundvoraussetzung für die Herstel- lung von performanten Bauteilen darstellt, wurde diese im Rahmen verschiedener Wachstumsserien eingehend untersucht. Nachdem das Flussverhältnis zwischen den Gruppe -V Elementen Sb und As ermittelt werden konnte, bei dem die InAs/AlSb - Übergitter der Mantelschichten verspannungskompensiert hergestellt werden können, wurde die optimale Substrattemperatur beim Wachstum dieser zu 450 ◦C bestimmt. Anhand von PL - sowie HRXRD- Messungen an Testproben konnte auch die opti- male Substrattemperatur beim Wachstum der charakteristischen W- Quantenfilme zu 450 ◦C festgelegt werden. Als weiterer kritischer Parameter konnte der As - Fluss beim Wachstum der darin enthaltenen InAs - Schichten identifiziert werden. Die bes- ten Ergebnisse wurden dabei mit einem As - Fluss von (1.2 ± 0.2) × 10−6 torr erzielt. Darüber hinaus konnte in Kooperation mit der Technischen Universität Breslau eine sehr hohe guteWachstumshomogenität auf den verwendeten 2′′ großen GaSb -Wafern nachgewiesen werden. Im Anschluss an die Optimierung des Wachstums verschiedener funktioneller Be- standteile wurden basierend auf einem in der Literatur veröffentlichten Laserschicht- aufbau diverse Variationen mit dem Ziel der Optimierung der Laserkenndaten unter- sucht. Zum Vergleich wurden 2.0 mm lange und 150 μm breite, durch die aktive Zone geätzte Breitstreifenlaser herangezogen. Eine erhebliche Verbesserung der Kenndaten konnte durch die Anwendung des Kon- zepts des Ladungsträgerausgleichs in der aktiven Zone erreicht werden. Bei einer Si - Dotierkonzentration von 5.0 × 1018 cm−3 in den inneren vier InAs - Filmen des Elektroneninjektors konnte die niedrigste Schwellenleistungsdichte von 491W/cm2 erreicht werden, was einer Verbesserung von 59% gegenüber des Referenzlasers ent- spricht. Mithilfe längenabhängiger Messungen konnte gezeigt werden, dass der Grund für die Verbesserung in der deutlichen Reduzierung der internen Verluste auf nur 11.3 cm−1 liegt. Weiterhin wurde die Abhängigkeit der Laserkenngrößen von der Anzahl der verwendeten Kaskaden in den Grenzen von 1 bis 12 untersucht. Wie das Konzept der Kaskadierung von Quantenfilmen erwarten ließ, wurde eine mo- notone Steigerung des Anstiegs der Strom - Lichtleistungskennlinie sowie eine Pro- portionalität zwischen der Einsatzspannung und der Kaskadenzahl nachgewiesen. Für ICLs mit einer gegebenen Wellenleiterkonfiguration und einer Wellenlänge um 3.6 μm wurde bei einer Temperatur von 20 ◦C mit 326W/cm2 die niedrigste Schwel- lenleistungsdichte bei einem ICL mit vier Kaskaden erreicht. Des Weiteren konnte für einen ICL mit 10 Kaskaden und einer Schwellenstromdichte von unter 100A/cm2 ein Bestwert für Halbleiterlaser in diesem Wellenlängenbereich aufgestellt werden. Eine weitere Reduktion der Schwellenleistungsdichte um 24% konnte anhand von Lasern mit fünf Kaskaden durch die Reduktion der Te - Dotierung von 3 × 1017 cm−3 auf 4 × 1016 cm−3 im inneren Teil der SCLs erreicht werden. Auch hier wurde mit- tels längenabhängiger Messungen eine deutliche Reduktion der internen Verluste nachgewiesen. In einer weiteren Untersuchung wurde der Einfluss der SCL - Dicke auf die spektralen sowie elektro - optischen Eigenschaften untersucht. Darüber hin- aus konnten ICLs realisiert werden, deren Mantelschichten nicht aus kurzperiodigen InAs/AlSb - Übergittern sondern aus quaternärem Al0.85Ga0.15As0.07Sb0.93 bestehen. Für einen derartig hergestellten ICL konnte eine Schwellenstromdichte von 220A/cm2 bei einer Wellenlänge von 3.4 μm gezeigt werden. Mithilfe der durch die verschiedenen Optimierungen gewonnenen Erkenntnisse so- wie Entwurfskriterien aus der Literatur wurden im Rahmen diverser internationaler Kooperationsprojekte ICLs bei verschiedenen Wellenlängen zwischen 2.8 und 5.7 μm hergestellt. Der Vergleich der Kenndaten zeigt einen eindeutigen Trend zu einer stei- genden Schwellenstromdichte mit steigender Wellenlänge. Die charakteristische Tem- peratur der untersuchten Breitstreifenlaser nimmt von circa 65K bei lambda=3.0 μm mit steigender Wellenlänge auf ein Minimum von 35K im Wellenlängenbereich um 4.5 μm ab und steigt mit weiter steigender Wellenlänge wieder auf 45K an. Ein möglicher Grund für dieses Verhalten konnte mithilfe von Simulationen in der Anordnung der Valenzbänder im W-Quantenfilm gefunden werden. Zur Untersuchung der Tauglichkeit der epitaktisch hergestellten Schichten für den in der Anwendung hilfreichen Dauerstrichbetrieb oberhalb von Raumtemperatur wur- den Laser in Stegwellenleitergeometrie mit einer aufgalvanisierten Goldschicht zur verbesserten Wärmeabfuhr hergestellt. Nach dem Aufbau der Laser auf Wärmesen- ken wurde der Einfluss der Kavitätslänge sowie der Stegbreite auf diverse Kennda- ten untersucht. Des Weiteren wurden eine Gleichung verifiziert, welche es erlaubt die maximal erreichbare Betriebstemperatur im Dauerstrichbetrieb aus der auf die Schwellenleistung bezogenen charakteristischen Temperatur sowie dem thermischen Widerstand des Bauteils zu berechnen. Mithilfe von optimierten Bauteilen konn- ten Betriebstemperaturen von mehr als 90 ◦C und Ausgangsleistungen von mehr als 100mW bei einer Betriebstemperatur von 20 ◦C erreicht werden. Im Hinblick auf die Anwendung der Laser in der Absorptionsspektroskopie wurde ab- schließend ein DFB-Konzept, welches zuvor bereits in konventionellen Diodenlasern zur Anwendung kam, erfolgreich auf das ICL - Material übertragen. Dabei kommt ein periodisches Metallgitter zum Einsatz, welches seitlich der geätzten Stege aufge- bracht wird und aufgrund von Verlustkopplung eine longitudinale Mode bevorzugt. Durch den Einsatz von unterschiedlichen Gitterperioden konnten monomodige ICLs basierend auf dem selben Epitaxiematerial in einem spektralen Bereich von mehr als 100nm hergestellt werden. Ein 2.4mm langer DFB- Laser konnte einen Abstimmbe- reich von mehr als 10nm bei Verschiebungsraten von 0.310nm/K und 0.065nm/mA abdecken. Der DFB- ICL zeigte im Dauerstrichbetrieb in einem Temperaturbereich zwischen 10 und 35 ◦C monomodigen Betrieb mit einer Ausgangsleistung von mehre- ren mW. Basierend auf dem in dieser Arbeit gewachsenem Material und dem DFB- Konzept konnte im Rahmen verschiedener Entwicklungsprojekte bereits erfolgreich Absorptionsspektroskopie in einem breiten Spektralbereich des mittleren Infrarot be- trieben werden. / Due to the high sensitivity regarding absorption spectroscopy in the mid infrared spectral range the demand for monolithic, compact and energy efficient laser sourcesin the wavelength window between 3 and 6 μm is steadily increasing. Numerous absorption bands of gases relevant in industrial and medical applications are situated in this window. Utilizing conventional diode lasers this range could not be sufficiently covered, whereas quantum cascade lasers are of limited suitability for portable applications due to their high threshold power. Interband cascade lasers combine the advantage of interband transitions with the possibility of cascading from quantum cascade lasers and can cover a very wide spectral range. The main objective of this work was the optimization of molecular epitaxially grown mid infrared interband cascade lasers based on GaSb substrates for their utilization in gas sensing. This implies the realization of continuous wave operation at room temperature, to achieve as low threshold powers as possible and also the development of a flexible concept that realizes the selection of a single longitudinal mode. Since the quality of epitaxially grown layers is of high importance for the fabrication of high performance devices it was investigated and optimized in various growth series. After the flux ratio between the group -V elements Sb and As, that enables strain compensation in InAs/AlSb superlattices, was found the optimal substrate temperature during growth of these was determined to 450 °C. Using PL - as well as HRXRD- measurements of test samples the optimal substrate temperature during growth of the characteristic W- quantum wells was also set to 450 ◦C. The As - flux during the growth of the InAs layers inside these wells could be identified as a critical parameter as well. The best results could be achieved at an As - flux of (1.2 ± 0.2) × 10−6 torr. Moreover a very high growth homogeneity on the GaSb wafers of 2′′ size could be verified in cooperation with the Wrocław University of Science and Technology. Subsequently to the growth optimizations of the different functional groups of the laser structure various variations based on a published laser design were investigated in order to optimize the laser characteristics. To compare the results 2.0mm long and 150 μm wide broad area lasers were processed and characterized. A significant improvement of the laser characteristics could be achieved due to the implementation of the carrier rebalancing concept inside the active region. A Si -doping concentration of 5.0 × 1018 cm−3 in the inner four InAs - layers of the electron injector lead to a threshold power density as low as 491 W/cm2. This equals a 59% reduction from the value of the reference structure. By conducting cavity length dependent measurements the reason for this improvement could be found in the reduction of the internal losses to a value of only 11.3 cm−1. Furthermore the dependence of different characteristic variables on the number of cascades inside the active region was investigated within the limits of 1 to 12 cascades. As expected from the concept of cascading a monotonic increase of the slope of the current - output power characteristic with the number of cascades and a proportionality between set in voltage and the number of cascades was found. For ICLs with a given waveguide configuration and a wavelength of 3.6 μm the lowest threshold power density of 326 W/cm2 at a temperature of 20 °C was achieved for a four stage ICL. Beyond that a threshold current density of less than 100 A/cm2 could be found for a device with 10 cascades - a record for semiconductor lasers in this wavelength range. Additionally a reduction of the threshold power density in five stage ICLs of 24% could be achieved with the reduction of the doping density in the inner part of the separate confinement layers from 3 × 1017 cm−3 to 4 × 1016 cm−3. The reason for this was also found in a significant reduction of the internal loss. In a further test series the influence of the separate confinement layer - thickness on the spectral and electro - optic properties was investigated. Additionally ICLs were realized with cladding layers made of quaternary Al0.85Ga0.15As0.07Sb0.93 instead of InAs/AlSb - superlattices. For an ICL of this kind a threshold current density of 220 A/cm2 at a wavelength of 3.4 μm could be reached. Based on the before mentioned improvements and design rules from literature several ICLs in the wavelength window between 2.8 and 5.7 μm were fabricated in the framework of different international projects. Comparing these results a clear trend towards an increase in threshold current density with increasing wavelength was found. The characteristic temperature of the processed broad area lasers decreases from 65 K at λ = 3.0 μm to a minimum of 35K in the wavelength region around 4.5 μm and increases again for ICLs with even longer wavelengths. A possible reason for this was found in the arrangement of the valence bands in the W-quantum well. To investigate the capability of continuous wave operation above room temperature, which brings a clear benefit in applications, ridge waveguide lasers with a thick electroplated gold layer for improved heat dissipation were processed. After mounting the lasers on heat sinks the influence of the device length and width on several characteristics was determined. Furthermore an equation was verified which allows predicting the maximum operation temperature in continuous wave operation from the threshold power based characteristic temperature and the thermal resistance of a laser device. Optimized devices could reach a maximum operation temperature in continuous wave mode of more than 90 ◦C and an output power of more than 100 mW at an operation temperature of 20 ◦C. With regard to the application in absorption spectroscopy a DFB concept, which has already been demonstrated in conventional diode lasers, could be successfully adapted for ICLs. The concept is based on a metal grating that is placed on the side of the laser ridge and favours one longitudinal mode due to loss coupling. By utilizing different grating periods single mode ICLs based on the same epitaxial material could be fabricated in a spectral range of more than 100 nm width. A 2.4 mm long DFB - laser could cover a tuning range of more than 10nm with temperature and current tuning rates of 0.310 nm/K and 0.065 nm/mA respectively. The DFB- ICL device showed single mode operation in a temperature range from 10 to 35 °C with an output power of several mW. Based on the epitaxial material grown in this work and the DFB- concept a variety of absorption spectroscopy experiments in the framework of several projects could be carried out in a wide range of the mid infrared spectral region.

Stuttgart, Univ., Diss., 2001.

Stuttgart, Univ., Diss., 2004.

Universiẗat, Diss., 2004--Würzburg.

Techn. University, Diss., 2003--Berlin.

Im Rahmen der Arbeit wurden Halbleiterlaser aus photonischen Kristallen (PK) im Wellenlängenbereich von 1,3 und 1,5 µm untersucht. Insbesondere die Integration der Laser mit weiteren Bauelementen für die optische Telekommunikation stand im Vordergrund der Untersuchungen. Neben den versch. Anwendungen unterscheidet sich auch das Grundmaterial. Der kurzwellige Bereich um 1,3 µm wurde auf GaAs-basierten Material bearbeitet, die langwelligen Laser wurden auf InP-Basis bearbeitet. Photonische Kristalle bestehen aus einer periodisch angeordneten Brechungsindexvariation zwischen Luftlöchern in einer Halbleitermatrixstruktur. Die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen wird durch das periodische Potential beeinflusst und es können z. B. Spiegel hergestellt werden. Die Reflektivität kann durch Variation der PK-Struktur angepasst werden. Weiterhin können Liniendefekte als effektive Wellenleiter benutzt werden. Es wurden mehrstufige Y-Kombinierer zur Zusammenführung der Emission mehrerer Laser auf der komplett aktiven Laserstruktur hergestellt. Die Definition der Bauteile erfolgte durch optische bzw. Elektronenstrahllithographie, die Strukturierung wurde mittels nass- und trockenchemischer Ätzverfahren sichergestellt. Weiterhin wurden Stegwellenleiter basierte Mikrolaser auf GaInNAs-Material hergestellt. Um abstimmbare Laser mit einem möglichst grossen Abstimmbereich herzustellen, wurden zwei Resonatoren mit unterschiedlicher Länge hergestellt. Zwischen beide Resonatoren wurde ein PK-Spiegel aus 2 bzw. 3 Lochreihen prozessiert. Dies ermöglicht das Abstimmen der Laser von 1307 bis 1340 nm. Im weiteren Verlauf wurden aktive und passive PK-Strukturen auf GaAs-Basis integriert. Hierzu wurden DWELL-Strukturen auf Basis von InGaAs/GaAs Quantenpunkten verwendet. Durch das Ankoppeln der Glasfaser an die Frontfacette des Lasers ist der laterale Abstand der Laserstrukturen durch die Dicke der Glasfaser auf 250 µm festgelegt. Durch die verlustarme Kopplung mehrerer Laser in einen Auskoppelwellenleiter kann die Flächenausnutzung deutlich gesteigert werden. Im Rahmen der Arbeit wurden vier Halbleiterlaser über PK Wellenleiter miteinander verbunden. Die gezeigten Laserstrukturen weisen eine Länge von unter 1,5 mm bei einer Gesamtbreite von 160 µm auf. Dies bedeutet, dass ein komplettes Modul schmaler als eine Glasfaser realisiert werden kann. Es konnte gezeigt werden, dass alle 4 Laser unabhängig von einander wellenlängenstabil ansteuerbar und abstimmbar sind. Die Seitenmodenunterdrückung im parallelen cw-Betrieb aller vier Laser liegt für den Laser mit der geringsten Seitenmodenunterdrückung immer noch bei mehr als 20 dB und der Leistungsunterschied zwischen den vier Lasern ist unter 2,5 dB. Weiterhin wurden PK-Strukturen bei einer Wellenlänge von 1,5 µm auf einem InP-Basis untersucht. Im Bereich der passiven Charakterisierung wurden W3-Wellenleiter spektral vermessen. Zu Beginn wurde das sog. Ministopband (MSB) des W3-Wellenleiters untersucht, um im Anschluss die Kopplung von zwei Wellenleitern mit Hilfe des Übersprechens im Bereich des MSB´s zu analysieren. Hierzu wurden zwei W3-Wellenleiter parallel zueinander strukturiert. Im Wellenlängenbereich des MSB erfolgt eine Übertragung vom Referenz- in den Monitorkanal. Durch die geometrischen Parameter der PK-Strukturen kann die spektrale Lage und Breite des Filters eingestellt werden. Die Filterung durch Übersprechen vom Referenz- in den Monitorkanal ist mit einer spektralen Breite von mehr als 10 nm noch relativ breitbandig. Daher wurden PK-Resonatoren hergestellt. Hierzu wurden Spiegel in die Wellenleiter prozessiert. Es wurden Filter mit einer spektralen Breite von weniger als 0,5 nm und Güten von über 9000 erreicht. Im Anschluss wurden die aktiven und passiven Bauteile auf einem Chip integriert. Die Laser erreichten eine max. Leistung von 28 mW. Die Integration zusätzlicher Funktionen hinter den Laser bedeutet eine Erhöhung der Komplexität und des Funktionsumfangs, ohne die Emissionsleistung des Lasers zu senken. Zusätzlich vereinfacht sich der Aufbau zur Charakterisierung und zum Betrieb der Laser. In den gezeigten Bauteilen wurde die durch den Laserrückspiegel transmittierte Lichtmode mittels eines Tapers in einen PK Wellenleiter geführt. Seitlich und am Ende des Wellenleiters wurde die erreichte Intensität mittels zweier getrennter Photodioden (PD) gemessen. Damit wird das Konzept der passiv untersuchten Wellenleiter zusammen mit den Lasern integriert. Bei konstanter Leistung und Wellenlänge müssen die beiden Photoströme konstant sein. Durch die sehr kompakte Bauform am Ende des Lasers mit einer zusätzlichen Länge von weniger als 100 µm ist das Bauelement sehr Verlustarm. Ändert sich die Wellenlänge ungewollt, so ändert sich das Verhältnis der Ströme in den PD. Für die Charakterisierung des Wellenlängenmonitors beträgt der Abstimmbereich 30 nm. / This work presents fabricated and characterized semiconductor lasers with photonic crystal (PhC) structures in the wavelength ranges of 1.3 and 1.5 µm. Especially the integration of lasers with optical components, based on PhC-structures, relevant for future telecommunication applications have been investigated. Lasers at 1.3 µm wavelength have been fabricated on GaAs-substrates. Photonic Crystals consist of a periodic variation of the refractive index between air holes in a semiconductor matrix. The propagation of electromagnetic waves can be affected by the periodic potential and e. g. mirrors for electromagnetic waves can be fabricated. The reflectivity of PhC-structures used as mirrors for lasers can be adapted by varying the geometry. Line defects, designed into the triangular, periodic structure can be further used as effective, low loss waveguides. This work shows the integration of multi-level Y-coupler on all active material. The patterning of the elements is done by optical- or electron-beam-lithography. Etching into the semiconductor is done by using wet- and dry-etching processes. The fabrication and characterization of ridge waveguide based microlasers on GaInNAs-material together with high reflectivity PhC mirrors at the front and rear end of a ridge-waveguide was also investigated. Two resonators with different lengths were defined for the realization of widely tunable semiconductor lasers. PhC-mirrors with 2 or 3 rows of holes are fabricated between both resonators. The reflectivity is between 40 and 60%. The coupling between both resonators ensures effective lasing in cw-mode with a tuning range from 1307 to 1340 nm. The following part describes the integration of active and passive PhC-structures, based on GaAs-material. The laser emission is generated by InGaAs/GaAs-quantum dots embedded in a DWELL-structure. The semiconductor chip is coupled to an optical fiber with a lateral distance of about 250 µm (the fiber diameter). Semiconductor lasers are much smaller than that. The efficient coupling of multiple lasers into one waveguide increases the yield of the semiconductor without additional process complexity. To increase the yield of the semiconductor, four lasers are coupled into one waveguide by use of PhC Y-couplers. The lasers have a length of less than 1.5 mm and a width which is less than 160 µm. This means that one complete laser module with four independently tunable lasers, can be coupled into one optical fiber. It was possible to operate and tune all four lasers independent from each other. The SMSR of the parallel operated lasers in cw-mode is above 20 dB for the laser with the smallest SMSR and the difference in the output power between all four lasers is below 2,5 dB. In addition to the integration of active and passive components based on GaAs semiconductors further components were integrated to one functional module on InP. First, the passive components were characterized. The so called mini-stop-band (msb) of a W3-waveguide was measured. After that, two waveguides were processed parallel and the coupling from one into the other waveguide was analyzed. With use of the coupling effect a wavelength selective filter can simply be realized. The wavelength range and the position can be selected by the geometrical parameters of the PhC structures. The wavelength selectivity is too wide for a practical use in the optical telecommunication with a width of about 10 nm. Further effort was made to increase the spectral resolution of the filter by the investigation of resonators that were fabricated as mirrors in PhC-waveguides. With the approach, the resolution of the characterized resonators is better than 0,5 nm and the Q-factor which was measured being better than 9000. After that the passive components were integrated with active components. The laser structures were completely fabricated wit PhC structures. The maximum output power is up to 28 mW. After the characterization of the laser structure was completed, the described passive components were fabricated behind the rear mirror of the laser. The fabrication of additional components behind the rear mirror of the laser leads to a higher functionality of the module. The laser power which is transmitted through the rear mirror of the laser is collected by a PhC-taper-structure and guided into a PhC-waveguide. Two separate photodiodes (PD) measure the laser intensity. The already characterized passive component is integrated with lasers. A constant power of the laser at a constant wavelengths leads to a constant current relation of both PDs. The coupling relation is only defined by the geometry. The passive component is less than 100 µm long and less than 80 µm wide. Therefore the component has only low losses inside the waveguide. Changes of the laser wavelength change the relation between the two PDs. Lasers with a tuning range of 30 nm were made.

Zusammenfassung Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Herstellung und Untersuchung von neuartigen nanostrukturierten Halbleiterbauelementen. Es wird gezeigt, dass durch den Einsatz von optischer und hochauflösender Elektronenstrahl- und Ionenstrahllithographie verschiedene optoelektronische Bauelemente (Laser und Filter) definiert werden können. Die Kombination dieser Definitionsprozesse mit speziellen nass- und trockenchemischen Ätzverfahren erlaubt die Herstellung von Bauelementen mit sehr hoher Genauigkeit, Reproduzierbarkeit und monolithischer Integrationsfähigkeit mit verschiedensten Geometrien und Bereichen innerhalb der Bauelemente. Die Grundlagen zum Verständnis der Funktionsweise und der Hochfrequenzeigenschaften der einzelnen Resonatorarten, Gitterstrukturen und der Laser mit diesen Gitterstrukturen sind in Kapitel 2 zusammen gefasst. Nach einer kurzen Abhandlung des Laserprinzips und des Aufbaus einer Laserdiode, werden die statischen und dynamischen Kenngrößen und Prozesse in den Lasern ausführlich vorgestellt. Besonderes Augenmerk gilt dabei den dynamischen Grundlagen und der Erläuterung eines zusätzlichen Wechselwirkungsprinzips, genannt „Detuned Loading“, im Laser und die sich daraus ergebenden neuen Eigenschaften. Die Auswirkungen der Resonatorgeometrien und Gitterstrukturen auf die spektralen Eigenschaften der Laser sind Bestandteil des zweiten Teiles von Kapitel 2. In Kapitel 3 werden die technologischen Prozesse zur Herstellung der verschiedensten präsentierten Bauelemente im Detail vorgestellt. Die Vorstellung der Charakterisierungsmethoden und der verwendeten Messplätze schließen dieses Kapitel ab. Kapitel 4 beschäftigt sich ausschließlich mit den elektrischen und spektralen Eigenschaften der einzel- und gekoppelten Quadrat-Resonator-Lasern. Kapitel 5 beschäftigt sich mit monomodige DFB- oder DBR-Lasern für Wellenlängenmultiplexsysteme im Wellenlängenbereich um 1.55 µm, als Einzelkomponenten oder in Arrays, die eine exakt einstellbarere Wellenlänge und hoher Modenstabilität aufweisen. Durch die Verwendung des DBR-Prinzips kann eine signifikante Verbesserung der statischen und dynamischen Eigenschaften gegenüber dem DFB-Prinzip erreicht werden. Die Verbesserungen der statischen Eigenschaften beruhen hauptsächlich auf der räumlichen Trennung von Verstärkungs- und Gitterbereich im Fall des DBR-Lasers und der damit verbundenen Erhöhung der Reflexion des Rückfacettenbereiches. Die Trennung bewirkt eine Reduktion der Absorption im Verstärkungsbereich, keine gitterimplantationsbedingten Erhöhung der internen Absorption wie im DFB-Fall, und damit eine Erhöhung der Effizienz was sich wiederum in einer geringern Wärmeproduktion äußert. Aufgrund der aufgeführten Ursachen ist es möglich durch Größenoptimierung der jeweiligen Bereiche Schwellenströme von 8 mA, Effizienzen von 0.375 W/A, Ausgangsleistungen bis zu 70 mW, Betriebsbereiche bis zum 12fachen des Schwellenstromes, Verschiebungen der Wellenlänge mit dem Betriebsstrom von 0.01 nm/mA, eine thermische Belastbarkeiten bis zu 120°C und Seitenmodenunterdrückungen bis zu 67 dB durch das DBR-Laserprinzip zu realisieren. In Kapitel 6 wird ein neues Konzept eines hochfrequenzoptimierten Lasers vorgestellt. Das Prinzip des „Detuned Loading“ ist sehr sensitiv auf die Phasenlage der umlaufenden Welle im Laser und auf die Lage der Hauptmode auf der Reflexionsfunktion des Gitters. Da eine Phasenänderung von 2einer Längenänderung von einigen 100 nm entspricht und dies außerhalb der Herstellungstoleranz liegt, ist eine gezielte Kontrolle dieses Prinzips im DBR-Laser nicht möglich. Dies führte zu einer Weiterentwicklung des DBR-Lasers in einem Laser der einer Phasenkontrolle ermöglicht, genannt CCIG-Laser. Dieser Laser besteht aus einer Lasersektion, einer zentralen Gittersektion und einer angeschlossenen Phasensektion. Durch Strominjektion in die Phasensektion ist es möglich über eine Änderung des Brechungsindexes eine gezielte Einstellung der Phasenlage zu gewährleisten. Die Phasensektion hat keine Auswirkungen auf die statischen elektrischen und spektralen Eigenschaften der Laser. Diese sind sehr gut mit denen der DBR-Laser vergleichbar. Damit war es möglich durch einen CCIG-Laser mit Sektionsgrößen von 500 µm für jede Sektion eine Steigerung der Bandbreite auf einen Rekordwert von 37 GHz, dass entspricht einem Steigerungsfaktor von 4.5 gegenüber Fabry-Perot-Lasern gleicher Länge, zu steigern. / Summary This dissertation occupies with the fabrication and investigation of new types ofnanostructured semiconductor devices. It will be shown that the use of high resolution e-beam and focused ion beam technologies enables the fabrication of several types of optoelectronic devices (laser and filter). The combination of these methods with specific wet- and drychemical etching procedures allows the fabrication of devices with high accuracy, reproducibility and the potential of monolithic integration. The theoretical background for a better understanding of the functionality and the high frequency properties of the several resonator types, grating structures and lasers with these gratings will be given in chapter 2. After a short explanation of the laser principle and the geometry of a laser diode the static and dynamic parameters and processes inside the lasers will be explained. The main focus of this chapter is the explanation of the detuned loading principle in the lasers. This principle is responsible for the new dynamic properties of these lasers. In the second part of chapter 2 the affects of the resonator geometries and grating structures at the spectral properties will be discussed. The technological processes for the fabrication of the several-presented devices will be discussed in detail in chapter 3. Also the measurement methods and setups will be presented in this chapter. Exclusive in chapter 4 the spectral and electrical properties of the single- and coupled squareresonator lasers will be shown. The specific analysis of the geometrical parameters (width, radius) allows a reduction of the size of these lasers down to diameters of D = 30 µm. The square like geometry of these lasers with the four 45° facets results in 8 singularities at the corners of these facets. The content of chapter 5 are the single mode emitting DFB- and DBR-lasers for dense wavelength division multiplexing systems at the 1.55 µm wavelength region. These lasers have a high potential as single devices or in arrays. Based at the in fabrication technology presented in chapter 3 these types of lasers were fabricated at InGaAsP/InP quantum well and InGaAlAs/InAs/InP quantum dash laser structures. Using the FIB technology a wavelength tuning of the emission wavelength over a 100 nm wide wavelength region could be obtained. The DBR-principle leads to a significant improvement of the static and dynamic properties in comparison to the DFB-principle. The enhancement of the static properties results in the separation of the gain- a grating-section and the higher reflectivity of this section. Further this separation leads to a reduction of the absorption inside the gain-section due to the absent of the grating like in the DFB case. A lower absorption results in a higher efficiency and this leads to a lower heat production. Using all these effects it is possible to fabricate DBR-lasers with threshold currents of 8 mA, efficiencies of 0.375 W/A, output powers of more than 70 mW, side mode suppression ratios up to 67 dB and a three times thermal stability. Due to the fact that lasers are key components for telecommunication applications their dynamic properties are of major importance. To get access to the high frequency properties small signal measurements are necessary. Out of these measurements the resonance frequency and the modulation bandwidth can be determined. DBR-lasers show resonance frequencies up to 14 GHz and modulation bandwidths up to 22.5 GHz, which is a rise of 2.5 in comparison to Fabry-Perot-lasers. In chapter 6 the detuned loading principle will be presented in a new type of laser called “CCIG-laser “ (coupled cavity injected grating). This laser consists of three sections: the gain-, the grating- and the phase-section. Due to the fact that this principle is very sensitive to the phase conditions of the waves at the facets a phase section was added. By current injection in this section the phase conditions can be controlled by a variation of the refractive index via the injected current. The spectral and electrical properties of the CCIG-laser are the same like the DBR-laser. Due to the complexity of the CCIG-laser exist a lot of cavities inside of them, which are correlated to the current level of each section. These cavities are of major importance because of the position of the photon-photon-resonance depended on them. For an increase of the modulation bandwidth the three current levels must optimized. The exact influence of each section at the bandwidth will be given in detail in chapter 6. With the CCIG-laser it was able to increase the modulation bandwidth by a factor of 4.5 in comparison to Fabry-Perot-lasers. The best value was 37 GHz which is the highest value world wide up today on InP.

Im Vergleich zu Quantenfilmlasern haben Quantenpunktlaser (unter anderem) die Vorteile, dass kleinere Schwellenströme zu erreichen sind und die Emissionswellenlänge über einen größeren Bereich abgestimmt werden kann, da diese aufgrund der Größenfluktuation im Quantenpunktensemble über ein breites Verstärkungsspektrum verfügen. Ziel des ersten Teils der Arbeit war es, monomodige 1.3 µm Quantenpunktlaser für Telekommunikationsanwendungen herzustellen und deren Eigenschaften zu optimieren. Es wurden sechs Quantenpunktschichten als aktive Zone in Laserstrukturen mit verbreitertem Wellenleiter eingebettet. Eine Messung der optischen Verstärkung einer solchen Laserstruktur mit sechs Quantenpunktschichten ergab einen Wert von 16.6 1/cm (für den Grundzustandsübergang) bei einer Stromdichte von 850 A/cm^2. Dadurch ist Laserbetrieb auf dem Grundzustand bis zu einer Resonatorlänge von 0.8 mm möglich. Für eine Laserstruktur mit sechs asymmetrischen DWELL-Schichten und optimierten Wachstumsparametern ergab sich eine Transparenzstromdichte von etwa 20 A/cm^2 pro Quantenpunktschicht und eine interne Quanteneffizienz von 0.47 bei einer internen Absorption von 1.0 1/cm. Aus den Laserproben wurden außerdem Stegwellenleiterlaser hergestellt. Mit einem 0.8 mm x 4 µm großen Bauteil konnte im gepulsten Betrieb Laseroszillation bis zu einer Rekordtemperatur von 156 °C gezeigt werden. 400 µm x 4 µm große Bauteile mit hochreflektierenden Spiegelvergütungen wiesen im Dauerstrichbetrieb Schwellenströme um 6 mA und externe Quanteneffizienzen an der Frontfacette von 0.23 W/A auf. Für Telekommunikationsanwendungen werden Bauteile benötigt, die lateral und longitudinal monomodig emittieren. Bei kantenemittierenden Lasern kann dies durch das DFB-Prinzip (DFB: distributed feedback) erreicht werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die weltweit ersten DFB-Laser auf der Basis von 1.3 µm Quantenpunktlaserstrukturen hergestellt. Dazu wurden lateral zu den Stegen durch Elektronenstrahllithographie Metallgitter definiert, die durch Absorption die Modenselektion bewirken. Dank des etwa 100 nm breiten Verstärkungsspektrums der Laserstrukturen konnte eine Verstimmung der Emissionswellenlänge über einen Wellenlängenbereich von 80 nm ohne signifikante Verschlechterung der Bauteildaten erzielt werden. Anhand der 0.8 mm langen Bauteile wurden die weltweit ersten ochfrequenzmessungen an Lasern dieser Art durchgeführt. Für Quantenpunktlaser sind theoretisch aufgrund der hohen differentiellen Verstärkung kleine statische Linienbreiten und ein kleiner Chirp zu erwarten. Dies zeigte sich auch im Experiment. Der zweite Teil der Arbeit befasst sich mit vertikal emittierenden Quantenpunktstrukturen. Ziel dieses Teils der Arbeit war es, Quantenpunkt-VCSEL mit dotierten Spiegeln zunächst im Wellenlängenbereich um 1 µm herzustellen und auf dieser Basis die Realisierbarkeit von 1.3 µm Quantenpunkt-VCSELn zu untersuchen. Zunächst wurden undotierte Mikroresonatorstrukturen für Grundlagenuntersuchungen hergestellt, um die Qualität der Spiegelschichten zu testen und zu optimieren. Diese Strukturen bestanden aus 23.5 Perioden von Spiegelschichten aus AlAs und GaAs im unteren DBR (DBR: Distributed Bragg Reflector), einer lambda-dicken Kavität aus GaAs mit einer Quantenpunktschicht im Zentrum und einem oberen DBR mit 20 Perioden. Es konnten Resonatoren mit sehr hohen Güten über 8000 realisiert werden. Für die weiteren Arbeiten hinsichtlich der Herstellung von Quantenpunkt-VCSEL-Strukturen haben die Untersuchungen an den Mikroresonatorstrukturen gezeigt, dass es an der verwendeten MBE-Anlage möglich ist, qualitativ sehr hochwertige Spiegelstrukturen herzustellen. Aufbauend auf den Ergebnissen, die aus der Herstellung und Charakterisierung der Mikroresonatorstrukturen gewonnen worden waren, wurden nun Quantenpunkt-VCSEL-Strukturen hergestellt. Es wurden Strukturen mit 17.5 Perioden im unteren und 21 Perioden im oberen DBR sowie mit 20.5 Perioden im unteren und 30 Perioden im oberen DBR hergestellt. Erwartungsgemäß zeigten die VCSEL mit der höheren Spiegelanzahl auch die besseren Bauteildaten. Um VCSEL auch im Dauerstrich betreiben zu können, wurden Bauteile mit Oxidapertur hergestellt. Dazu wurden bei 30 µm großen Mesen die beiden Aperturschichten aus AlAs auf beiden Seiten der Kavität zur Strompfadbegrenzung bis auf 6 µm einoxidiert. Es konnte gezeigt werden, dass die Realisierung von Quantenpunkt-VCSELn im Wellenlängenbereich um 1 µm mit komplett dotierten Spiegeln ohne größere Abstriche bei den Bauteildaten möglich ist. Bei der Realisierung von 1.3 µm Quantenpunkt-VCSELn mit dotierten Spiegeln bereitet die im Vergleich zu den Absorptionsverlusten geringe optische Verstärkung Probleme. / In comparison to quantum well lasers, quantum dot lasers provide (among others) the advantages that lower threshold currents are achievable and that the emission wavelength can be tuned over a larger range because the gain spectrum is wider due to the inhomogeneous broadening of the size distribution. The first part of the thesis deals with the theoretical basics and the preliminary investigations which were done before the fabrication of 1.3 µm quantum dot lasers as well as the characteristics of these lasers. The objective of this part of the thesis was the fabrication of single mode 1.3 µm quantum dot lasers for telecommunication applications and the optimization of their properties. Six quantum dot layers were included in the active region of a laser structure with a large optical cavity. The measurement of the optical gain of such a laser structure with six quantum dot layers yielded a value of 16.6 1/cm (for the ground state transition) at a current density of 850 A/cm^2. Thus, laser operation on the ground state is possible down to a cavity length of 0.8 mm. For a laser structure with six asymmetric DWELL layers and optimized growth parameters, a transparency current density of about 20 A/cm^2 per quantum dot layer and an internal quantum efficiency of 0.47 at an internal absorption as low as 1.0 1/cm could be obtained. Based on the laser structures ridge waveguide lasers were processed. With a 0.8 mm x 4 µm large device, laser operation in pulsed mode until 156 °C could be demonstrated. 400 µm x 4 µm large devices with highly reflective mirror coatings operated in continuous wave mode showed threshold currents as low as 6 mA and external quantum efficiencies at the front facet of 0.23 W/A. With these devices continuous wave operation up to 80 °C at an output power above 1 mW is possible. For telecommunication applications devices are needed that show lateral and longitudinal single mode emission. In the case of edge emitting lasers this can be realized with the DFB principle (DFB: distributed feedback). In the scope of this thesis the worldwide first DFB lasers on 1.3 µm quantum dot laser structures were fabricated. During the process, metal gratings lateral to the ridges were defined by electron beam lithography which cause the mode selection by absorption. Due to the 100 nm broad gain spectrum of the laser structures, the emission wavelength could be tuned over a range of about 80 nm without a significant degradation of the device properties. With 0.8 mm long DFB lasers the worldwide first high frequency measurements on lasers of this kind were performed. For quantum dot lasers one theoretically expects a small static linewidth and a small chirp because of the high differential gain. This was confirmed by the experiment. The second part of the thesis deals with vertical cavity surface emitting quantum dot structures. The main objective of this part of the thesis was to fabricate quantum dot VCSELs with doped mirrors in wavelength range around 1 µm and to examine on this basis the realizability of 1.3 µm quantum dot VCSELs. At first, undoped microresonator structures for fundamental studies were fabricated in order to test and to optimize the quality of the mirror layers. These structures consisted of 23.5 periods of AlAs and GaAs mirror layers in the lower DBR (DBR: Distributed Bragg Reflector), a lambda thick GaAs cavity with a single quantum dot layer in the center and an upper DBR with 20 periods. Resonators with high quality factors well above 8000 could be realized. For the further workings concerning the fabrication of quantum dot VCSEL structures the investigations on the microresonator samples have shown that with the MBE system used it is possible to fabricate high quality mirror structures. Based on the results from the fabrication and characterization of the microresonator structures, quantum dot VCSEL structures were fabricated. The VCSEL structures were designed as bottom emitters, which means that they emit from the substrate side. This design permits the epi-side down mounting of the samples on a heat sink. Samples with 17.5 periods in the lower and 21 periods in the upper DBR as well as samples with 20.5 periods in the lower and 30 periods in the upper DBR were fabricated. To be able to operate the VCSELs in continuous wave mode, devices with oxide aperture were processed. For that purpose, on 30 µm pillars both aperture layers consisting of AlAs adjacent to the cavity were oxidized down to a diameter of 6 µm to confine the current path. It could be demonstrated that the realization of quantum dot VCSELs in the 1 µm wavelength range with doped mirrors is possible without having to accept a trade-off as to the device performance. When trying to realize 1.3 µm quantum dot VCSELs with doped mirrors one runs into problems with the optical gain which is rather low as compared to the absorption losses.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Herstellung und Charakterisierung von niedrigdimensionalen Strukturen für den Einsatz als aktive Schicht in InP-Halbleiterlasern. Quantenpunktstrukturen als Lasermedium weisen gegenüber herkömmlichen Quantenfilmlasern einige Vorteile auf, wie beispielsweise geringe Schwellenstromdichten, breites Verstärkungsspektrum und geringe Temperatursensitivität der Emissionswellenlänge. Ziel dieser Arbeit ist es, diese speziellen Vorteile, die im GaAs-System größtenteils nachgewiesen sind, auch auf das InP-System zu übertragen, da dieses für die Telekommunikationswellenlänge 1.55 µm prädestiniert ist. Die vorgestellten Strukturen wurden mittels einer Gasquellen-Molekularstrahlepitaxie-Anlage unter Verwendung der alternativen Gruppe-V-Precursor Tertiärbutylphosphin (TBP) und -arsin (TBA) hergestellt. Die Bildung der Quantenpunktstrukturen wurde zunächst an Hand von Teststrukturen optimiert. Scheidet man InAs auf einem InP(100)-Substrat ab, so bilden sich – anders als auf GaAs – keine runden InAs-Quantenpunkte, sondern unregelmäßige, strichförmige Strukturen mit einer klaren Vorzugsorientierung, sogenannte Dashes. Verschiedene Wachstumsparameter, wie die Menge an deponiertem InAs, der Strukturaufbau oder der Wachstumsmodus, lassen eine Beeinflussung der Emissionseigenschaften zu, die mittels Photolumineszenz (PL)-Spektroskopie untersucht wurden. So kann die Emissionswellenlänge der Dashes sehr genau und über einen großen Bereich zwischen 1.2 und 2.0 µm über die nominelle Dicke der Dash-Schicht festgelegt werden. Dieser Zusammenhang lässt sich auch nutzen, um durch die Kombination von Schichten unterschiedlicher Dash-Größe eine extreme Verbreiterung des Verstärkungsspektrums auf über 300 nm zu erzielen. Neben der Hauptanwendung als Telekommunikationslaser sind auch Einsatzmöglichkeiten in der Gassensorik für einen Wellenlängenbereich zwischen 1.8 und 2.0 µm denkbar. Dieser ist neben der Verwendung extrem dicker Schichten durch das Prinzip des migrationsunterstützten Wachstums (engl. migration enhanced epitaxy) oder durch die Einbettung der Dash-Schichten in einen InGaAs-Quantenfilm ("Dash-in-a-Well"-Struktur) realisierbar. Letzteres zieht eine starke Rotverschiebung um etwa 130 meV bei gleichzeitiger schmaler und intensiver Emission nach sich. Da die Dashes einige sehr interessante Eigenschaften aufweisen, wurde ihre Eignung als aktive Schicht eines InP-Halbleiterlasers untersucht. Zunächst wurden der genaue Schichtaufbau, speziell die Fernfeldcharakteristik, und die Wachstumsparameter optimiert. Ebenso wurde der Effekt eines nachträglichen Ausheilschritts diskutiert. Da die speziellen Vorteile der Quanten-Dash(QD)-Strukturen nur Relevanz haben, wenn auch ihre Grunddaten einem Quantenfilmlaser (QW-Laser) auf InP ebenbürtig sind, wurde besonderer Wert auf einen entsprechenden Vergleich gelegt. Dabei zeigt sich, dass die Effizienzen ebenso wie die Absorption der QD-Laser nahezu identisch mit QW-Lasern sind. Die Schwellenstromdichten weisen eine stärkere Abhängigkeit von der Länge des Laserresonators auf, was dazu führt, dass ab einer Länge von 1.2 mm QD-Laser geringere Werte zeigen. Die Temperaturabhängigkeit der Schwellenstromdichte, die sich in der charakteristischen Temperatur T0 äussert, zeigt dagegen für QD-Laser eine stärkere Sensitivität mit maximalen T0-Werten von knapp über 100 K. Betrachtet man das Emissionsspektrum der QD-Laser, so fällt die starke Blauverschiebung mit abnehmender Bauteillänge auf. Gleichzeitig zeigen diese Laser im Vergleich zu QW-Lasern eine deutlich größere Temperaturstabilität der Emissionswellenlänge. Beide Eigenschaften haben ihre Ursache in der flachen Form des Verstärkungsspektrums. Zusätzlich wurden einige der an Hand der Teststrukturen gezeigten Dash-Eigenschaften auch an Laserstrukturen nachgewiesen. So lässt sich durch Variation der Dash-Schichtdicke von 5 auf 7.5 ML eine Verschiebung der Emissionswellenlänge um bis zu 230 nm realisieren, wobei dieses Verfahren damit noch nicht ausgereizt ist. Ebenso wurde auch ein Überlapp aus sechs jeweils verschieden dicken Dash-Schichten in eine Laserstruktur eingebaut. An Hand von Subschwellspektren wurde eine Verstärkungsbreite von etwa 220 nm nachgewiesen, die eine Abdeckung des gesamten Telekommunikationsbandes durch eine einzige Laserstruktur erlauben würde. Aus Quanten-Dash-Material prozessierte Stegwellenleiter (RWG)-Laser weisen sehr vielversprechende Daten mit hohen Ausgangsleistungen bis 15 mW pro Facette und niedrigen Schwellenströmen auf. Damit schafft diese Arbeit die Grundvoraussetzungen, um InAs-Quanten-Dashes als echte Alternative zu herkömmlichen Quantenfilmen in InP-Halbleiterlasern zu etablieren. Besonders das breite Verstärkungsspektrum und die hohe Temperaturstabilität der Emissionswellenlänge zeichnen dieses Material aus. / In this work the fabrication and characterisation of low-dimensional structures that can be used as active regions in InP semiconductor lasers are presented. Compared to conventional quantum well lasers quantum dot material shows some advantages like low threshold current density, broad gain spectrum and low temperature sensitivity of the emission wavelength. Most of these special advantages have already been demonstrated in the GaAs system and should be transferred to the InP system which is the material of choice for the telecommunication wavelength 1.55 µm. The presented structures were grown in a gas source molecular beam epitaxy system using the alternative group-V-precursors tertiarybutylphosphine (TBP) and tertiarybutylarsine (TBA). In a first step the formation of the quantum dot-like structures was optimised in test samples. When InAs is deposited on an InP(100) substrate unlike on GaAs there are no circular InAs quantum dots formed, but irregular dash-like structures with a preferred orientation. Growth parameters like the amount of InAs deposited, the design of the structure or the growth mode allow an influence on the emission properties which were investigated by photoluminescence (PL) spectroscopy. Thus the emission wavelength of the dashes can be defined very accurately over a large region between 1.2 and 2.0 µm by varying the thickness of the dash layer. This dependence can be used to achieve an extreme broadening of the gain spectrum of over 300 nm by overlapping layers with different thicknesses. Beside the major application in telecommunication lasers the usage for gas sensing detectors in the wavelength range between 1.8 and 2.0 µm is also possible. In addition to the employment of extremely thick dash layers this region can be reached by the growth principle of migration enhanced epitaxy or by embedding the dash layers in an InGaAs quantum well in a so-called DWell structure. The latter involves a large red-shift of about 130 meV accompanied by a small and intense emission. With the dashes showing a very interesting behaviour their suitability as an active layer of an InP semiconductor laser needs to be investigated. The exact layer design, especially the farfield characteristic, and the growth parameters had to be optimised. Also the effect of a subsequent annealing step was discussed. As the special advantages of quantum dash (QD) lasers are only of importance if their basic data are comparable to a quantum well (QW) laser on InP much attention was paid to a corresponding comparison. It can be shown that the efficiencies and the absorption of the QD lasers are nearly similar to QW lasers. The threshold current densities have a stronger dependence on the resonator length resulting in lower values for quantum dash lasers above 1.2 mm cavity length. The temperature dependence of the threshold current density corresponding to the characteristic temperature T0 shows a stronger sensitivity for QD lasers with maximum T0 values of about 100 K. In the emission spectra of the dash lasers a strong blue-shift with decreasing device length is recognised. At the same time these lasers have a much larger temperature stability of the emission wavelength. Both effects have their reason in the smaller slope of the gain spectrum. Some of the dash properties shown for test structures were also demonstrated for laser structures. By varying the thickness of the dash layers from 5 to 7.5 MLs a shift of the emission wavelength of about 230 nm was realised bearing potential for an even further extension of this method. Also a stack of six dash layers all slightly different in thickness was embedded in a laser structure. Using subthreshold spectra a gain width of 220 nm was measured giving the opportunity to cover the whole telecommunication band with a single device. Ridge waveguide lasers processed from quantum dash material show promising results with high maximum output powers of up to 15 mW per facet and low threshold currents. This work creates the basis for establishing InAs quantum dash lasers as an alternative for conventional quantum well lasers in the InP system. Especially the broad gain spectrum and the high temperature stability of the emission wavelength distinguish this material.

Ein Ziel der Arbeit war die Entwicklung spektral monomodiger DFB-Lasern im Wellenlängenbereich von 3,0-3,4µm. Diese sollten auf spezielle Anwendungen in der Absorptionsspektroskopie an Kohlenwasserstoffen gezielt angepasst werden. Hierfür wurden zwei auf GaSb-Material basierende Lasertypen untersucht - Interbandkaskadenlaser (ICL) und Diodenlaser mit quinären AlGaInAsSb-Barrieren- und Wellenleiter-Schichten. Für das ICL-Material wurde ein DFB-Prozess basierend auf vertikalen Seitengittern entwickelt. Dieser Ansatz ermöglichte monomodigen Laserbetrieb bei Realisierung der Laser mit Kopplungsgitter in nur einem Ätzschritt und ohne epitaktischen Überwachstumsschritt. Maximal mögliche Betriebstemperaturen von ~0°C für die auf dem verfügbaren epitaktischen Material entwickelten Laser wurden bestimmt. Eine Diskussion der thermischen Eigenschaften der Laser deckte Gründe für die Limitierung der Betriebstemperatur auf. Möglichkeiten zur Optimierung der Leistungsfähigkeit und Steigerung der Betriebstemperatur beim ICL-Ansatz wurden hierauf basierend vorgestellt. Als kritischster Parameter wurde hier die epitaxiebestimmte Temperaturstabilität der Laserschwelle ausgemacht. Weitere Entwicklungen umfassten die Herstellung von DFB-Lasern mit dem erwähnten Diodenlasermaterial mit quinären Barrieren. Es kam eine Prozessierung der Bauteile ohne Überwachstum unter Verwendung von lateralen Metallgittern zur Modenselektion zum Einsatz. Die Bestimmung optischer Parameter zur Entwicklung von Lasern mit guter DFB-Ausbeute wurde für das Epitaxiematerial mit quinären Barrieren >3,0µm von Wellenleiter-Simulationen unterstützt. Die Definition der Gitterstrukturen wurde auf niedrige Absorptionsverluste optimiert. So hergestellte Laser zeigten exzellente Eigenschaften mit maximalen Betriebstemperaturen im Dauerstrichbetrieb von >50°C und spektral monomodiger Emission um 2,95µm mit Seitenmodenunterdrückungen (SMSR) bis 50dB. Diesem Konzept entsprechend wurden DFB-Laser speziell für die Acetylen-Detektion bei Wellenlängen von 3,03µm und 3,06µm entwickelt. Die für ~3,0µm entwickelte und erfolgreich angewendete DFB-Prozessierung wurde daraufhin auf den Wellenlängenbereich bis 3,4µm angepasst. Ein Prozesslauf mit verbesserter Wärmeabfuhr, ohne die Verwendung eines Polymers, wurde entwickelt. Es konnten DFB-Laser hergestellt werden, die fast den gesamten Wellenlängenbereich von 3,3-3,4µm abdeckten. Maximale Betriebstemperaturen dieser Laser lagen bei >20°C in Dauerstrichbetrieb bei ausgezeichneten spektralen Eigenschaften (SMSR 45dB). Spezielle Bauteile im Bereich 3,34-3,38µm, u.a. für die Detektion von Methan, Ethan und Propan, wurden entwickelt. Die in dieser Arbeit auf Diodenlasermaterial mit quinären Barrieren entwickelten DFB-Laser definieren für den gesamten Wellenlängenbereich von 2,8-3,4µm den aktuellen Stand der Technik für monomodige Laseremission durch direkte strahlende Übergänge. Sie stellen außerdem für den Wellenlängenbereich von 3,02-3,41µm die einzigen veröffentlichten DFB-Laser in cw-Betrieb bei Raumtemperatur dar. Eine maximale monomodige Emissionswellenlänge für Diodenlaser von 3412,1nm wurde erreicht. Ein weiteres Ziel der Arbeit war die Entwicklung weit abstimmbarer Laser von 3,3-3,4µm zur Ermöglichung erweiterter Anwendungen in der Kohlenwasserstoff-Gassensorik. Hierfür wurde ein Konzept zweisegmentiger Laser mit binären, überlagerten Gittern verwendet. Für diese sogenannten BSG-Laser konnte durch Simulationen unterstützt der Einfluss des kritischen Parameters der Phase der Bragg-Moden an den Facetten untersucht werden. Ein dementsprechend phasenoptimiertes Design der Gitterstrukturen wurde in den Segmenten der Laser angewendet. Simulationen des Durchstimmverhaltens der Laser wurden diskutiert und Einschätzungen über das reale Verhalten in hergestellten Bauteilen gegeben. Die entwickelten Laser wiesen Emission in bis zu vier ansteuerbaren, monomodigen Wellenlängenkanälen auf. Sie zeigten ein den Simulationen entsprechendes, sehr gutes Durchstimmverhalten in den Kanälen (bis zu ~30nm). Die Entwicklung eines bestimmten Lasers in dieser Arbeit war speziell auf die industrielle Anwendung in einem Sensorsystem mit monomodigen Emissionen um 3333nm und 3357nm ausgelegt. Für diese Wellenlängenkanäle wurden spektrale Messungen mit hohem Dynamikbereich gemacht. Mit SMSR bis 45dB war eine hervorragende Anwendbarkeit in einem Sensorsystem gewährleistet. Der Aufbau mit nur zwei Lasersegmenten garantiert eine einfache Ansteuerung ohne komplexe Elektronik. Die in dieser Arbeit entwickelten weit abstimmbaren Laser stellen die bisher langwelligsten, monolithisch hergestellten, weit abstimmbaren Laser dar. Sie sind außerdem die bislang einzigen zweisegmentigen BSG-Laser, die in durch simultane Stromveränderung durchstimmbaren Wellenlängenkanälen ein Abstimmverhalten mit konstant hoher Seitenmodenunterdrückung und ohne Modensprünge zeigen. / A major goal of this work was the development of spectrally monomode DFB lasers in the wavelength range around 3.0-3.4µm. It was intended to specifically adapt them to certain applications in absorption spectroscopy of hydrocarbons. To attain this goal, two types of laser concepts based on GaSb material were investigated - Interband Cascade Lasers and Diode Lasers with quinary AlGaInAsSb barrier and waveguide layers. A DFB process run based on vertical sidewall gratings was developed on the Interband Casade Laser material. This approach enabled monomode laser operation by processing of the lasers along with their feedback gratings in a single etch step and without an epitaxial overgrowth step. Possible maximum operating temperatures of ~0°C for the lasers developed by the applied processing route on the available epitaxial material were determined. A discussion of thermal properties for the lasers revealed reasons for the limitation of operating temperatures. Based on this, options for the optimization of performance and increase of operating temperatures with the Interband Cascade Laser approach were presented. The epitaxially determined temperature stability of the laser threshold was made out as the most critical parameter. Further developments comprised the fabrication of DFB lasers with the prementioned Diode Laser material with quinary barriers. A processing concept without overgrowth employing lateral metal gratings for mode selection was applied. The determination of optical parameters for the development of lasers with a good DFB yield was supported by waveguide simulations of the epitaxial material with quinary barriers >3.0µm. The definition of grating structures was optimized for low absorption losses. Correspondingly fabricated lasers showed outstanding characteristics, operating up to temperatures of >50°C in continuous mode with spectrally monomode emission of up to 50dB at ~2.95µm. Following this concept, DFB lasers were specifically developed for acetylene detection at wavelengths of 3.03µm and 3.06µm. The DFB processing route developed and successfully implemented for ~3.0µm was subsequently further optimized for the wavelength range up to 3.4µm. A process run with improved heat removal and without application of a polymer was established. DFB lasers that covered almost the entire wavelength range from 3.3-3.4µm, could be successfully developed. Maximum operating temperatures of these lasers amounted to >20°C in continuous mode, their spectral characteristics were excellent (side-mode suppression ratio 45dB). Specific devices in the range 3.34-3.38µm were developed, for example, for detection of methane, ethane and propane. The DFB lasers based on Diode Laser material with quinary barriers developed in this work define the current state of the art for monomode laser emission by direct radiative transitions for the entire wavelength range from 2.8-3.4µm. They also represent the only published DFB lasers operating in cw operation at room temperature in the wavelength range from 3.02-3.41µm. A maximum monomode emission wavelength for Diode Lasers of 3412.1nm has been reached. A further goal of this work was the development of widely tunable lasers from 3.3-3.4µm, to enable extended applications in hydrocarbon gas spectroscopy. Therefore a concept of two-segment lasers with Binary Superimposed Gratings (BSG) was applied. Supported by simulations, the influence of the critical parameter of the phase of the Bragg modes at the positions of the facets could be investigated for these BSG lasers. An according phase-optimized design of the grating structures was employed in the laser segments. Simulations of the lasers' tuning behaviour were discussed and estimations on the real behaviour of fabricated devices were given. The developed lasers exhibited emission in up to four addressable monomode wavelength channels. According to the simulations, they showed very good tuning behaviour within the channels (up to ~30nm). The development of a specific laser in this work was designed for industrial application in a sensor system with monomode emission around 3333nm and 3357nm. Spectral characterization of these channels was performed with a high dynamic range. Side-mode suppression ratios of up to 45dB guaranteed an outstanding applicability in a sensor system. The design with only two laser segments makes an easy control without the use of complex electronics possible. The widely tunable lasers developed in this work represent the monolithic widely tunable lasers with the highest emission wavelength so far. They are also so far the only two-segment BSG lasers with verified high monomode quality and mode-hop free tuning behaviour in channels tuned by co-directional current shifting in the segments.