In dieser Dissertation werden verschiedene Methoden zur Simulation der Dynamik der optischen Moden einer Fabry-Pérot-Laserdiode diskutiert. Experimentell lässt sich hierbei der Effekt des Modenrollens oder Modenhüpfens beobachten. Hier sind zu einem gegebenem Zeitpunkt nur ein oder zwei longitudinale Moden aktiv, dabei wechseln sich die Moden in einem bestimmten Wellenlängenbereich ab. Eine Erklärung für diesen Effekt sind Vibrationen der Ladungsträgerdichten in den aktiven Schichten bzw. den Quantenfilmen. So werden in der ersten betrachteten Methode die Ladungsträgerdichten bzw. die Besetzungsfunktionen zunächst als ortsabhängig betrachtet, um die Ladungsträger-Vibrationen direkt zu bestimmen. Bei diesem Vorgehen wird eine hohe Rechenzeit benötigt, welche bei einer anderen Methode mithilfe eines effektiven Modenwechselwirkungsterms allerdings erheblich reduziert wird. Im ersten Teil dieser Arbeit wird gezeigt, dass diese beiden Methoden sehr ähnliche Ergebnisse liefern, außerdem wird der effektive Modenwechselwirkungsterm unter Berücksichtigung verschiedener Streuprozesse hergeleitet. Bei Strukturen mit mehreren Quantenfilmen oder größeren Stegbreiten spielt der Transport der Ladungsträger von den Kontakten zu den Quantenfilmen eine große Rolle, welcher in dieser Arbeit mithilfe der Drift-Diffusions-Gleichungen untersucht wird. Abschließend wird die Modendynamik mithilfe des Traveling-Wave-Modells simuliert. Im Gegensatz zu den bisher in dieser Arbeit verwendeten Methoden wird das optische Feld hierbei nicht mehr in die einzelnen Moden aufgeschlüsselt, sondern es wird partielle Differentialgleichung gelöst. / In this thesis different methods for the simulation of the mode dynamics in Fabry-Pérot laser diodes are discussed. These laser diodes show the effect of mode rolling, where the currently active longitudinal mode changes over time. This effect can be observed experimentally and can be explained by beating vibrations of the carrier densities in the quantum wells. In the first method used in this work the location dependence of the carrier densities and the distribution functions is considered. This procedure requires a lot of computing time, which is significantly reduced in another method using an effective mode interaction term. In the first part of this thesis it is shown that these two methods give very similar results, and the effective mode interaction term is derived taking into account various scattering processes. For structures with multiple quantum wells or broad ridge widths the transport of the charge carriers from the contacts to the quantum wells is important, which is examined in this work using the Drift-diffusion equations. Finally, the mode dynamics is simulated using the traveling wave model. In contrast to the methods used so far in this work the optical field is no longer broken down into the individual modes, instead a partial differential equation is solved.

The aim of this project was to produce an integrate-able free space optical transceiver for Specks. Specks are tiny computing units that together can form a powerful network called a SpeckNet. The SpeckNet platform is developed by the SpeckNet consortium, which consists of five Scottish Universities and combines computer science, electrical engineering and digital signal processing groups. The principal goal of creating an optical transceiver was achieved by integrating in-house fabricated VCSELs (with lasing thresholds below 400 uA) and custom designed detectors on the SpeckNet platform. The transceiver has a very low power consumption (approximately 100 uW), which removes the need for synchronous communication through the SpeckNet thus making the network more efficient. I describe both static and dynamic beam control techniques. For static control, I used micro-lenses. I fabricated the lenses by greyscale electron beam lithography and integrated them directly on VCSEL arrays. I achieved a steering angle of 10 degrees with this design. I also looked at integrated gratings etched straight into a VCSEL and observed beam steering with an efficiency of 60% For dynamic control, I implemented a liquid crystal (LC) design. I built a LC cell with 30 individually controlled pixels, but I only achieved a steering angle of 1 degree. Furthermore, I investigated two different techniques for achieving beam steering by interference, using coupled VCSELs (a phased array approach). Firstly, using photonic crystals etched into the surface of the VCSEL, I built coupled laser cavities. Secondly, I designed and built bow-tie type VCSELs that were optically coupled but electrically isolated. These designs work by differential current injection causing an interference effect in the VCSELs far field. This technique is the first stepping stone towards realising a phased optical array. Finally, I considered signal detection. Using the same VCSEL material, I built a resonant-cavity detector. This detector had a better background rejection ratio than commercially available silicon devices.

La plasmonique est un domaine de la nano-photonique qui étudie le comportement de la lumière à des échelles sub-longueurs d'ondes en présence de métaux. Les plasmons polaritons de surface (SPPs) sont des modes électromagnétiques qui se propagent à l'interface entre un diélectrique et un métal. Les SPPs trouvent des applications dans plusieurs domaines comme la communication et le traitement tout-optique du signal, la spectroscopie, la détection en biologie et en chimie. De nombreux composants plasmoniques (modulateurs, coupleurs, détecteurs ...) ont été démontrés ces dernières années. Cependant, leur l'intégration reste conditionnée par l'absence d'un générateur compact (pompage électrique, dimensions réduites) et par les grandes pertes ohmiques. Les techniques standards de génération de SPs nécessitent l'alignement d'un laser externe sur un prisme ou un réseau de diffraction afin d'adapter le vecteur d'onde incident avec celui du plasmon. L'approche que nous avons choisie est basée sur l'utilisation de lasers à semiconducteur ayant une polarisation transverse magnétique (TM) comme source d'excitation et de gain. Notre approche, permet d'obtenir des dispositifs compacts et facilement intégrables sur puce. Pendant ma thèse j'ai étudié expérimentalement et numériquement les performances d'un laser en fonction rapprochement du contact métallique à sa région active. La proximité du gain optique au métal est nécessaire pour la réalisation de dispositifs plasmoniques actifs. J'ai démontré la génération et l'amplification des plasmons de surface dans la bande télécom (λ=1.3µm), avec des dispositifs compacts, à base de semiconducteurs, fonctionnant par injection électrique et à température ambiante. Notamment, j'ai réalisé une architecture élégante, avec coupleur intégré, pour la génération de SPPs accessibles sur le sommet du dispositif. Un dispositif avec gaine superficielle ultrafine a permis de démontrer un mode hybride plasmonique avec une fraction consistante de champ électrique à l'interface métal/semiconducteur. Finalement, j'ai montrée que la structuration nanométrique du contact métallique réduit les pertes du mode laser. Les résultats sont renforcés par une nouvelle technique de imagerie de champ proche (SNOM) qui a permis de mesurer les SPPs à l'interface métal/or et à l'interface métal/ semiconducteur. Grâce aux mesures SNOM, il a aussi été possible de démontrer sans aucune ambiguïté l'effet de la structuration du métal sur le mode optique. / The field of plasmonics is experiencing a rapid development, due to the interest in studying the behavior of light at the nanometer scale. Key ingredients of plasmonics are the surface plasmons (SPs), electromagnetic modes localized at the interface between a metal and a dielectric. SPs rely on the interaction between electromagnetic radiation and conduction electrons at metallic interfaces or in "small" metallic nanostructures. The recent intense activity on plasmonics has been also enabled by state-of-the-art nano fabrication techniques and by high-sensitivity optical characterization techniques. These tools pave the way to promising applications (integration in electronics, chemical and biological detection...), which exploit the SP peculiarity of confining optical fields over sub-wavelength mode volumes. The number of publications concerning plasmonics has been continuously increasing over the last twenty years giving rise to a dynamic research context. Several plasmonic devices have been demonstrated during the last years (modulators, couplers, detectors ...). However their integration is limited by the absence of a compact generator (electrical pumping, small dimensions) and by the huge ohmic losses. Standard techniques for surface plasmon polariton (SPP) generation need an external alignment with a laser source on a prism or on a grating. Our approach is based on semiconductor lasers sources with a transverse magnetic (TM) polarization. Therefore, it is possible to obtain compact semiconductor devices suitable for the on chip integration. During my thesis I studied experimentally and numerically the performance of a diode laser as a function of the metal distance from its active region. The proximity of the gain to the metal is necessary to realize active plasmonic devices. I demonstrated the generation and the amplification of SPP in the telecom range (λ=1.3µm) with compact semiconductor based devices, operating at room temperature and by electrical injection. I realized an elegant architecture with an integrated coupler grating for the SPP generation. The SPPs are directly accessible at the device surface. An ultra-thin cladding device allowed the demonstration of a hybrid plasmonic laser with a consistent fraction of electric field at the metal/semiconductor interface. Finally I demonstrated that the metal patterning allows a loss reduction, decreasing the laser threshold. The results are strengthened by a new near-field technique (NSOM) which permitted to measure the SPPs at the metal/air interface and at the metal/semiconductor interface. Thanks to the NSOM we showed unambiguously the effect of the metal patterning on the optical mode.

Ce travail de thèse présente une étude sur les propriétés de nanostructures de type bâtonnets quantiques et de leur application pour les télécommunications optiques. Durant la dernière décennie, ces nanostructures, ont démontré des propriétés optiques et électroniques intéressantes en raison notamment d’un fort confinement quantique dans les trois dimensions d'espace. Cette thèse porte sur la conception et la fabrication d'émetteurs optiques intégrés à base de ce matériau et de leur implémentation dans des systèmes de communication. La première partie de ce travail analyse les propriétés de ces nanostructures, théorique et expérimentale. Elles sont utilisées comme matériau actif de lasers modulés directement en amplitude. Les propriétés dynamiques de ces lasers sont ensuite évaluées et des transmissions sur fibre optique entre 0 et 100 km sont ensuite démontrées en utilisant un filtre étalon permettant d’augmenter en particulier le taux d’extinction dynamique. En s’appuyant sur cette démonstration basée sur des éléments discrets, une version monolithique intégrant un laser et un résonateur en anneaux a été réalisée. La dernière partie de ce travail porte sur des lasers à blocage de mode à base de ce matériau et en particulier sur les méthodes d’intégration sur substrat InP. En particulier, un design de miroir de Bragg innovant a été développé à cet effet et une démonstration d'un laser a blocage de mode intégré avec un amplificateur optique à semi-conducteur a finalement été réalisée / This PhD dissertation presents a study on the properties of the novel quantum dash nanostructures and their properties for application in optical telecommunications. Over the last decade, scientific community has gained considerable interest over these nanostructures and several demonstrations have been made on their interesting optical and electronic properties, notably owing to their strong quantum confinement. This dissertation focuses on conception, fabrication and system demonstration of integrated optical transmitters based on quantum dash material. A first part of this work analyses the properties of qdashes theoretically and experimentally for their use as an active material in directly modulated lasers. The dynamic properties of this material are then evaluated leading to an optical transmission distances in range of 0-100km under direct modulation. The transmission is particularly studied with a passive optical filter to enhance the dynamic extinction ratio, the use of such passive filters is studied in detail. An innovative and fully integrated optical transmitter is finally demonstrated by integrating a ring-resonator filter to a distributed feedback laser. The second part of this work focuses on mode locked lasers based on this material and in particular the methods of integration of such devices on InP are explored. Thus an innovative Bragg mirror design is developed leading to a mode locked laser integrated with a semiconductor optical amplifier

Abstract Although gain-switching is a simple, well-established technique for obtaining ultrashort optical pulses generated with laser diodes, the optical energy in a pulse achievable from commercial structures using this technique is no more than moderate and the ‘spiking’ behaviour seen at turn-on is likely to evolve into trailing oscillations. This thesis investigates, develops and improves laser diodes in order to offer experimentally verified solutions for maximizing the optical energy so as to achieve a peak power of several watts in a single optical pulse of picosecond-range duration in the gain-switching operation regime, and for suppressing the energy located in any trailing pulses to a negligible level relative to the total optical pulse energy. This was addressed by means of either (i) an ultrashort pump current pulse with an amplitude range ~(1–10) A or (ii) custom laser diode structures, both options being capable of operating uncooled at room temperature (23±3°C). For the first solution a unique superfast gallium arsenide (GaAs) avalanche transistor was utilized as a switch in order to achieve an injection current pulse with a duration of < 1 ns, which is short enough to generate only a first optical ‘spike’ when pumping a commercial laser diode. The most promising structure with regard to the second solution was an edge-emitting semiconductor laser having a strongly asymmetric broadened double heterostructure with a relatively thick active layer. Laser pulses with full width at half maximum (FWHM) of ~100 ps and an optical energy of >3 nJ but with some trailing oscillations were achieved in experiments employing injection current pulses in the nanosecond range with an amplitude of ≤17 A, generated using inexpensive silicon (Si) electronics. The performance was improved by introducing a saturable absorber (SA) into the laser cavity, which suppressed the formation of trailing oscillations, resulting in a single optical pulse. / Tiivistelmä ”Gain switching” (vahvistuskytkentä) on tunnettu tekniikka lyhyiden (<100 ps) optisten pulssien generoimiseen laserdiodeilla. Kaupallisia laserdiodirakenteita käyttäen optinen energia rajoittuu kuitenkin 10…100 pJ:n tasolle. Tällöinkin, erityisesti suurilla energiatasoilla, optisessa pulssissa ilmenee voimakkaita jälkioskillaatioita. Tässä väitöskirjassa tutkittiin ja kehitettiin kokeellisesti varmennettuja laserdiodilähetinrakenteita tavoitteena saavuttaa >1 nJ:n optisen pulssin energia ja ~100 ps:n pulssinpituus gain-switching -toimintamoodissa. Tavoitteena oli myös minimoida jälkipulssien energia. Tutkimuksen pääsisältönä on kaksi toimintaperiaatetta: Toisessa tekniikassa päähuomio kohdistuu laseridiodin virta-ajuriin, johon kehitettiin elektroniikka, joka kykenee tuottamaan nopeita virtapulsseja laajalla pulssivirta-alueella. Virtapulssin nopeuden kasvattamisen (<1 ns) osoitettiin edistävän gain switching -ilmiötä. Toisena tekniikkana tutkittiin räätälöityä laserdiodirakennetta, joka sisäisen toimintansa perusteella tuottaa dynaamisessa ohjaustilanteessa tehokkaan ja nopean laserpulssin. Kummankin periaatteen osoitettiin toimivan huonelämpötilassa (23±3°C) ilman erillistä jäähdytystä. Ensimmäisessä ratkaisussa käytettiin nopeaa gallium-arsenidi (GaAs) -avalanchetransistoria virtakytkimenä, jolla saavutettiin <1 ns FWHM injektiovirtapulssi 10 A:n virtatasolla. Tällainen virtapulssi on riittävän lyhyt virittämään ”gain switching” -ilmiön nJ-energiatasolla. Lupaavin rakenne toiseksi ratkaisuksi oli reunaemittoiva puolijohdelaseri, jossa epäsymmetrinen aaltoputki ja aktiivinen alue ovat sijoitettu normaalista laserdiodirakenteesta poiketen rinnakkain. Tällä rakenteella voitiin tuottaa ~100 ps levyisiä (FWHM) ja >3 nJ optisen kokonaisenergian omavia laserpulsseja edullisella pii-pohjaisella (Si) elektroniikalla luoduilla 1.5–2 ns:n (FWHM) ≤17 A injektiovirtapulsseilla. Suorituskykyä saatiin edelleen parannettua istuttamalla saturoiva absorbaattori (SA) laserin optiseen onteloon. Tämän osoitettiin vähentävän jälkioskillaatioiden muodostumista.

La croissance continue et rapide du trafic de données dans les infrastructures de télécommunications, impose des niveaux de débit de transmission ainsi que de puissance de traitement de l’information, que les capacités intrinsèques des systèmes et microcircuits électroniques ne seront plus en mesure d’assurer à brève échéance : le développement de nouveaux scenarii technologiques s’avère indispensable pour répondre à la demande de bande passante imposée notamment par la révolution de l’internet, tout en préservant une consommation énergétique raisonnable. Dans ce contexte, l’intégration hétérogène fonctionnelle sur silicium de dispositifs photoniques à émission par la surface de type VCSEL utilisant des miroirs large-bandes ultra-compacts à cristaux photoniques constitue une stratégie prometteuse pour surmonter l’impasse technologique actuelle, tout en ouvrant la voie à un développement rapide d’architectures et de systèmes de communications innovants dans le cadre du mariage entre photonique et micro-nano-électronique. / The ever-growing demand for high-volume fast data transmission and processing is nowadays rapidly attaining the intrinsic limit of microelectronic circuits to offer high modulation bandwidth at reasonable power dissipation. Silicon photonics is set to break the technological deadlock aiming at a functional photonics-on-CMOS integration for innovative optoelectronic systems paving the way towards next-era communication architectures. Among the others photonic building blocks such as photodiodes, optical modulators and couplers, power-efficient compact semiconductors sources in the near-infrared telecommunication bands, characterized by performing modal features as well as thermal resiliency constitute an essential landmark to be achieved. Within such context, InP-based long-wavelength vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSELs) using one-dimensional Si/SiO2 photonic crystals as wideband compact mirrors are proposed as next generation emitters for CMOS integration.

Les systèmes « excitables » sont omniprésents dans la nature, le plus paradigmatique d'entre eux étant le neurone, qui répond de façon « tout ou rien » aux perturbations externes. Cette particularité étant clairement établie comme l'un des points clé pour le fonctionnement des systèmes nerveux, son analyse dans des systèmes modèles (mathématiques ou physiques) peut d'une part aider à la compréhension de la dynamique d'ensembles de neurones couplés et d'autre part ouvrir des voies pour un traitement neuromimétique de l'information. C'est dans cette logique que s'inscrit la préparation de cette thèse de doctorat. Dans ce mémoire, nous utilisons des systèmes basés sur des lasers à semiconducteur pour d'une part modéliser des systèmes excitables ou des ensembles de systèmes neuromimétiques couplés et d'autre part pour contrôler (grâce à l'optogénétique) des canaux ioniques impliqués dans l'émission de potentiels d'action par des neurones de mammifères. Le long du premier chapitre, nous présentons de manière synthétique les concepts dynamiques sur lesquels nous nous appuierons dans la suite du manuscrit. Par la suite, nous décrivons brièvement le contexte de ce travail du point de vue de la synchronisation, notamment de cellules excitables. Enfin, nous discutons le contexte applicatif potentiel de ces travaux, c’est-à-dire l'utilisation de systèmes photoniques dits « neuromimétiques » dans le but de traiter de l'information. Dans le chapitre 2, nous analysons tout d'abord du point de vue théorique et bibliographique le caractère excitable d'un laser à semiconducteur sous l'influence d'un forçage optique cohérent. Par la suite, nous détaillons nos travaux expérimentaux d'abord, puis numériques et théoriques, sur la réponse de ce système « neuromimétique » à des perturbations répétées dans le temps. Tandis que le modèle mathématique simplifié prévoit un comportement de type intégrateur en réponse a des perturbations répétées, nous montrons que le comportement est en fait souvent résonateur, ce qui confère à ce système la propriété étonnante d'émettre une impulsion seulement s'il reçoit deux perturbations séparées d'un intervalle de temps bien précis. Nous montrons également que ce système peut convertir des perturbations de différente intensité en une série d'impulsions toutes identiques mais dont le nombre dépend de l'intensité de la perturbation incidente. Dans le chapitre 3, nous analysons (de nouveau expérimentalement, puis numériquement et théoriquement) le comportement dynamique d'un réseau de lasers à semiconducteur couplés dans un régime de chaos lent-rapide. Nous nous basons sur une étude antérieure montrant qu'un seul de ces éléments peut présenter une dynamique neuromimétique (en particulier l'émission chaotique d'impulsions originant du phénomène de canard). De façon surprenante pour un système ayant un si grand nombre de degrés de liberté, nous observons une dynamique qui semble chaotique de basse dimension. Nous examinons l'impact des propriétés statistiques de la population considérée sur la dynamique et relions nos observations expérimentales et numériques à l'existence d'une variété critique calculable analytiquement pour le champ moyen et près duquel converge la dynamique grâce au caractère lent-rapide du système. Dans le chapitre 4 enfin, nous présentons une brève étude expérimentale de la réponse de cellules biologiques à des perturbations lumineuses. En effet, les techniques optogénétiques permettent de rendre des cellules (en particulier des neurones) sensibles à la lumière grâce au contrôle optique de l'ouverture et de la fermeture de canaux ioniques. Ainsi, après avoir étudié dans les chapitres précédents des systèmes optiques sur la base de considérations provenant de systèmes biologiques, nous amenons matériellement un système laser vers un système biologique. / Excitable systems are everywhere in Nature, and among them the neuron, which responds to an external stimulus with an all-or-none type of response, is often regarded as the most typical example. This excitability behaviour is clearly established as to be one of the underlying operating mechanisms of the nervous system and its analysis in model systems (being them mathematical of physical) can, from one hand, shed some light on the dynamics of neural networks, and from the other, open novel ways for a neuro-mimetic treatment of information. The work presented in this PhD thesis was realized in this perspective. In this dissertation we will consider systems based on semiconductor lasers both for modelling excitable systems or coupled neuromorphic networks and for controlling (in an optogenetic outlook) ionic channels that are involved in the emission of action potentials of neurons in mammals. During the first chapter, we will briefly present the dynamical concepts on which we will build our understanding for the rest of the manuscript. Thereafter, we will describe the context of this work from the point of view of synchronized systems, in particular excitable cells. Finally, we will discuss in this context the applications potential of this work, namely the possibility of using “neuromimetic” photonic systems as a was to treat information. In chapter 2 we will firstly analyse from a theoretical and bibliographical standpoint the excitable character of a laser with coherent injection. Later, we will firstly detail our results, firstly experimental and subsequently numerical and theoretical, on the response of this “neuromimetic” system to perturbations repeated in time. Whereas the simplified mathematical model envisions an integrator behaviour in response to repeated perturbations, we will show that the system often acts as a resonator, thus imparting the remarkable property of being able to emit a single pulse only if it receives two perturbations that are separated by a specific time interval. We will also illustrate how this system can convert perturbations of different intensity in a series of all identical pulses whose number depends on the intensity of the incoming perturbation. In the third chapter we will analyse, first experimentally and later numerically and theoretically, the dynamical behaviour of a network of coupled semiconductor lasers in a slow-fast chaotic regime. We will rely on a previous study documenting that a single such element can present a neuromimetic dynamics (in particular, the emission of chaotic pulses originating from a canard phenomenon). Surprisingly for a system having such a large number of degrees of freedom, we observe a dynamics which seems low dimensional chaotic. We will examine the impact of statistical properties of the selected population on the dynamics, and we will link our experimental and numerical observations to the existence of a slow manifold for the mean field, computable analytically, and towards whom the dynamics converges thanks to the slow-fact nature of the system. Finally, in chapter 4 we will present a short experimental study on the response of biological cells to light perturbations. Indeed, optogenetic techniques enables to render the cells (in particular neurons) sensitive to light due to the optical control of the opening and closing of ionic channels. Hence, after having studied in the previous chapters optical systems on the basis of observations derived from biological systems, we will physically transfer an optical system towards a biological one. Here we lay the groundwork of a photonic system which allows, with a moderate complexity, to realize cell measurements in response to spatially localized optical perturbations.

Breitstreifenlaser haben eine breite Emissionsapertur, die es ermöglicht eine hohe Ausgangsleistung zu erreichen. Gleichzeitig führt sie jedoch zu einer Verringerung der lateralen Strahlqualität und zu ihrem nicht-stationären Verhalten. Forschung in diesem Gebiet ist anwendungsgetrieben und somit ist das Hauptziel eine Erhöhung der Brillanz, die sowohl die Ausgangsleistung als auch die laterale Strahlqualität beinhaltet. Um die zugrunde liegenden raumzeitlichen Phänomene zu verstehen und dieses Wissen zu nutzen, um die Kosten der Brillanz-Optimierung zu minimieren, ist ein selbst-konsistentes Simulationstool notwendig, welches die wichtigsten Prozesse beinhaltet. Zunächst wird in dieser Arbeit ein quasi-dreidimensionales elektro-optisch-thermisches Model präsentiert, welches wesentliche qualitative Eigenschaften von realen Bauteilen gut beschreibt. Zeitabhängige Wanderwellen-Gleichungen werden genutzt, um die inhärent nicht-stationären optischen Felder zu beschreiben, welche an eine Ratengleichung für die Überschussladungsträger in der aktiven Zone gekoppelt sind. Das Model wird in dieser Arbeit um eine Injektionsstromdichte erweitert, die laterale Stromspreizung und räumliches Lochbrennen korrekt beschreibt. Des Weiteren wird ein Temperaturmodel präsentiert, das kurzzeitige lokale Aufheizungen in der Nähe der aktiven Zone und die Formierung einer stationären Temperaturverteilung beinhalten. Im zweiten Teil wird das beschriebene Modell genutzt, um die Gründe von Brillanz-Degradierung, das heißt sowohl die Ursprünge der Leistungssättigung als auch des nicht diffraktionslimitierten Fernfeldes zu untersuchen. Abschließend werden im letzten Teil Laserentwürfe besprochen, welche die laterale Brillanz verbessern. Hierzu gehört ein neuartiges “Schachbrettlaser” Design, bei dem longitudinal-laterale Gewinn-Verlust-Modulation mit zusätzlicher Phasenanpassung ausgenutzt wird, um eine sehr geringe Fernfeld-Divergenz zu erhalten. / Broad-area lasers are edge-emitting semiconductor lasers with a wide lateral emission aperture that enables high output powers, but also diminishes the lateral beam quality and results in their inherently non-stationary behavior. Research in the area is driven by application and the main objective is to increase the brightness which includes both the output power and lateral beam quality. To understand the underlying spatio-temporal phenomena and to apply this knowledge in order to reduce costs for brightness optimization, a self-consistent simulation tool taking into account all essential processes is vital. Firstly, in this work a quasi-three-dimensional opto-electronic and thermal model is presented, that describes well essential qualitative characteristics of real devices. Time-dependent traveling-wave equations are utilized to describe the inherently non-stationary optical fields, which are coupled to dynamic rate equations for the excess carriers in the active region. This model is extended by an injection current density model to accurately include lateral current spreading and spatial hole burning. Furthermore a temperature model is presented that includes short-time local heating near the active region as well as the formation of a stationary temperature profile. Secondly, the reasons of brightness degradation, i.e. the origins of power saturation and the spatially modulated field profile are investigated and lastly, designs that mitigate those effects that limit the lateral brightness under pulsed and continuous-wave operation are discussed. Amongst those designs a novel “chessboard laser” is presented that utilizes longitudinal-lateral gain-loss modulation and an additional phase tailoring to obtain a very low far-field divergence.