Ring cavity surface emitting semiconductor lasers

Abstract

Die vorliegende Dissertation besch¨aftigt sich mit der Entwicklung, der Herstellung und der Charakterisierung neuartiger Resonatormodelle für Halbleiterlaser. Die dazu verwendeten unipolaren Quantenkaskadenlaser (QCLs) sind elektrisch gepumpte Halbleiterlaser für Wellenlängen im mittleren und fernen Infrarot (3-300 mym). Die Attraktivität dieser Lichtquellen unterliegt einem enormen Freiheitsgrad bezüglich der Wahl der Emissionswellenlänge innerhalb eines Materialsystems, sowie der Kompaktheit und der geringeren Temperaturabhängigkeit im Vergleich zu konventionellen Laserdioden. Alle diese Eigenschaften haben das Interesse zahlreicher Anwendungen geweckt, wie Spurenanalyse chemischer Verbindungen in Flüssigkeiten und Gasen, optische Freiraumübertragung und optische Bildgebung. Für alle diese Anwendungen wäre eine kohärente Lichtquelle wünschenswert, die sowohl Eigenschaften wie hohe optische Leistung, Dauerstrich- und Raumtemperaturbetrieb, niedrige Strahldivergenz als auch Monomodenbetrieb in sich vereint. Da dieses durch konventionelle kantenemittierende Laser nicht gewährleistet ist, wurde die Entwicklung oberflächenemittierender Lichtquellen stark vorangetrieben. Der prominenteste Repr¨asentant dieses Lasertyps ist der Vertical Cavity Surface Emitting Laser (VCSEL). Mit ihrem kreisrundem Strahlprofil, der Möglichkeit zur zwei-dimensionalen Anordnung einzelner Lichtquellen und der Funktions-überprüfung am Wafer haben VCSELs zur Reduktion der Herstellungskosten als auch des Fertigungsaufwandes beigetragen. Aufgrund quantenmechanischer Auswahlregeln kann in QCLs nur Licht erzeugt werden, welches sich parallel zu den epitaktischen Schichten ausbreitet. Aus diesem Grund ist die Herstellung von QCLs in der Form von VCSELs jedoch nicht realisierbar. Die Thematik dieser Arbeit ist das Design und die Realisierung des "Ring Cavity Surface Emitting Lasers" (ring-CSEL). Dieser Lasertyp kombiniert einen ringförmigen optischen Resonator mit einem resonanten Distributed-Feedback-Gitter an der Oberfläche zur vertikalen Lichtauskopplung. Die Experimente wurden mit verschiedenen Heterostrukturen, mit Emissionswellenlängen zwischen 4 mym und 93 mym durchgeführt, um die breitbandige Einsetzbarkeit dieses Resonatortyps zu demonstrieren. Die Charakterisierung von hergestellten ring-CSELs ergab eine Reduktion der Schwellstromdichte um 35% im Vergleich zu konventionellen Fabry-Perot Lasern. Des Weiteren konnte eine um 50K höhere Maximalemperatur für den Dauerstrichbetrieb gemessen werden als beim FP Emitter. Eine zweifache Verbesserung der gemessenen optischen Leistung wurde beobachtet. Das Oberflächengitter führt zum monomodigem Emissionsspektrum, wobei ein spektrales Schieben der einzelnen Linie durch die Herstellung unterschiedlicher Gitterperioden als auch durch die Temperaturveränderung erreicht wurde. Der kreissymmetrische oberflächenemittierende Resonator produziert symmetrische Lichtstrahlen mit einer geringer Divergenz und azimutaler Polarisation.<br />Strahlformung konnte mittels eines verstimmbaren Gitters erreicht werden, wobei durch das Verändern der Gitterperiode oder der Emissionswellenlänge punkt- oder ringförmige Strahlprofile realisiert wurden.<br />

Quantum cascade lasers (QCLs) are electrically driven semiconductor lasers, which have undergone a steady improvement since the first demonstration in 1994. These are now well established as reliable sources of coherent light in the mid-infrared (MIR) and terahertz (THz)range of the electromagnetic spectrum (3-300 mym). The rapid progress of this type of lasers is based on a high degree of freedom in tailoring the emission wavelength within a large variety of semiconductor heterostructure designs and materials. These properties have attracted the attention of various applications such as gas analysis, chemical sensing, spectral imaging and free-space telecommunication. In order to improve the selectivity, sensitivity and efficiency of today's sensor systems, high optical power, continuous wave and room temperature performance, single-mode operation and low divergence optical beams, are highly desirable qualities of a compact laser source in this field of research. Since all of these features cannot be provided by a conventional edge-emitting device at the same time, research has put focus on the development of surface emitting devices. Nowadays, the vertical cavity surface emitting lasers (VCSELs) are the most prominent representative for this type of light emitters.<br />With its capability of producing narrow circular beams, the feasibility of two-dimensional arrays and on-wafer testing, such a coherent light source results in a reduction of the fabrication effort and production costs. Since the radiation in QCLs is strictly polarized normal to the epitaxial layer plane, fabrication of VCSELs based on QC structures is not viable. The subject of this work is the design and realization of "ring cavity surface emitting lasers" (ring-CSELs). This type of lasers employs a circular ring cavity and a resonant distributed feedback (DFB) surface grating. Ring-CSELs were fabricated on the basis of MIR and THz QC structures, which cover a wavelength range from 4 mym to 93 mym. Characterizations indicate a high temperature operation of MIR ring-CSELs along with a reduction in threshold current density of MIR devices by 35% as compared to Fabry-Perot devices. The lower operating currents in ring-CSELs became noticeable in continuous wave (CW) operation with a 50K higher maximum temperature than in FP lasers. A two-fold enhancement in radiation efficiency was obtained in MIR and THz ring-CSELs as compared to FP emitters. The DFB grating on top of the resonator gives rise to a single-mode operation of ring-CSELs for all operation currents. Linear wavelength tuning is achieved by fabricating different gratings periods as well as by a variation in temperature. The slope efficiency and the threshold current density does not seem to significantly depend on the grating period, which is attributed to the absence of mirrors. The incorporated circular waveguide geometry along with the surface emitting character gives rise to symmetric and low divergence azimuthally polarized optical beams. The recorded far-fields indicate a ring shaped interference patterns with lobe separations of 1.34◦ and 14.14◦ for MIR and THz ring-CSELs, respectively. Fabrication of detuned gratings led to a grating period induced as well as to a tunable wavelength induced beam shaping, with beam patterns ranging from spot to wide ring cross sections.