Untersuchungen der spektralen Eigenschaften von solitären Lasern mit integriertem Gitterresonator

In der vorliegenden Arbeit wurden die Eigenschaften von Hochleistungs-DFB-Diodenlasern untersucht, die bei 780 nm emittieren. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der Realisierung von DFB-Lasern, die gleichzeitig eine hohe Ausgangsleistung und eine hohe spektrale Kurzzeitstabilität (geringe Kurzzeitliniebreite) besitzen. Im ersten Schritt wurden die Diodenlaser mit den am FBH implementierten Standard-Messverfahren optisch und elektro-optisch charakterisiert. Damit konnte die Performance individueller Chips ermittelt und optimale Bereiche der Laser-Betriebsparameter für weiterführende Untersuchungen bestimmt werden. Dann wurden mit heterodyne und self-delayed-heterodyne Methoden die Kurzzeitlinienbreite der DFB-Laser analysiert, wobei deren Abhängigkeit von der Ausgangsleistung von wesentlichem Interesse ist. Einfache Modelle sagen eine umgekehrt-proportionale Abhängigkeit der Linienbreite von der Ausgangsleistung voraus. Die experimentellen Ergebnisse hingegen zeigen bei hohen Ausgangsleistungen ein linewidth rebroadening bzw. einen linewidth floor. Dies wird hauptsächlich dem Auftreten von räumlichen Lochbrennen zugeschrieben, side mode partition noise und non-linear gain Effekte spielen dabei eine untergeordnete Rolle. · Die DFB laser zeigten einmodige Emission bis zu Leistungen von über 300 mW mit einem Seitenmodenunterdrückungsfaktor von mehr als 50 dB. Bei der Wellenlänge von 780 nm emittierten die besten Laser mit einer Kurzzeitlinienbreite von 40 kHz bei einer Ausgangsleistung von 190 mW. · Eine Vergrößerung der Chiplänge (Verdopplung) führte zu einer deutlichen Reduktion der Linienbreite (um den Faktor 4). Diese Linienbreitenreduktion wurde zu sehr langen Kavitätslängen hin begrenzt durch das Auftreten von räumlichem Lochbrennen bei hohen Ausgangsleistungen. Eine Kavitätslänge von 3 mm erwies sich als optimal im Hinblick auf eine geringe Linienbreite bei gleichzeitig hoher maximaler Ausgangsleistung. · Die experimentellen Ergebnisse zeigten, dass eine Erhöhung des Koppelkoeffizienten (k) um den Faktor 2 einen wesentlich geringeren Einfluss hat, als die Erhöhung der Kavitätslänge um den gleichen Faktor. · Eine Frontfacetten-Reflektivität von 5% bei einer Rückfacetten-Reflektivität von 95% lieferte die beste Performance im Hinblick auf stabilen single-mode Betrieb bei hoher Ausgangsleistung und geringer Linienbreite. · Die experimentellen Ergebnisse weisen darauf hin, dass in TO3 oder SOT verbaute Laser eine bessere spektrale Performance bei hoher Ausgangsleistung besitzen als auf C-mount aufgebaute Laser. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen eine Strategie auf, nach der DFB-Laser im Hinblick af hohe Ausgangsleistung und hohe spektrale Kurzzeitstabilität optimiert werden können. Die beste Performance, sowohl im Hinblick auf zuverlässigen single-mode Betrieb bei hoher Ausgangsleistung sowie bezüglich einer geringen Linienbreite zeigen Lasersysteme mit einer Chiplänge von 3 mm, einem Koppelkoeffizienten von 2 cm-1 und einer Frontfacetten-Reflektivität von 5%. Diese Systeme lieferten eine Kurzzeitlinienbreite von 20 kHz bei einer Ausgangsleistung von 270 mW. Dies sind, nach bestem Wissen, die besten in der internationalen Literatur dokumentierten Leistungsdaten vergleichbarer Lasersysteme. Die in dieser Arbeit gewonnenen Ergebnisse lassen sich auf die Entwicklung von schmalbandigen GaAs-DFB Laser hoher Ausgangsleistung übertragen, die bei anderen Wellenlängen emittieren sollen. Die folgenden Aspekte müssen in nachfolgenden Forschungsarbeiten untersucht werden, um ein vollständigeres Verständnis und eine genauere Kontrolle der spektralen Eigenschaften von schmalbandigen Hochleistungslaserdioden zu erreichen: · Die Phase des DFB-Gitters an der Rückfacette wird zufällig beim Brechen der Halbleiterbauelemente festgelegt und hat einen signifikanten Einfluss auf die Kurzzeitlinienbreite der DFB-Laser. Dies hat zweierlei Konsequenzen. Zum einen ist Ausbeute von Lasern mit ähnlich, näherungsweise optimaler Gitterphase an der Rückfacette gering. Zum anderen sind Laser verschiedener Riegel nicht unbedingt vergleichbar, da der Einfluss zufälliger Unterschiede zwischen den Gitterphasen auf die Linienbreite den Einfluss eines zu untersuchenden Effektes überdecken könnte. Wichtige Herausforderungen sind daher die Entwicklung geeigneter Prozesstechnologien, die zu definierte Gitterphasen an den Rückfacetten führen, sowie die Entwicklung detaillierter Modelle, die den Einfluss der Gitterphase quantitativ adäquat beschreiben. · Weitere experimentelle Untersuchungen müssen ergeben, ob sich der Aufbau der Laser in geschlossenen Gehäusen als vorteilhaft gegenüber dem Aufbau auf offenen Trägern erweist, wenn man die Linienbreite der Lasersysteme vergleicht.This thesis provided a systematic investigation of the properties of solitary high power DFB diode lasers, that emit near 780 nm. The main focus was placed on narrow linewidth and high power emission. First, standard characterization of the lasers was carried out to assess the general performance of the devices and to define suitable operating regimes for spectral linewidth characterization. Second, heterodyne and self-delayed heterodyne linewidth characterization methods were applied to characterize the short-term linewidth of the lasers. This characterization focused on the analysis of the linewidth-power dependence. According to a simple theoretical model, the linewidth monotonically decreases when the optical power increases. However, the experimental results showed, that at or above a certain power level linewidth rebroadening and a linewidth floor develop. This is mainly attributed to spatial hole burning, with some minor contributions from weak side mode partition noise and nonlinear gain effects. · The DFB lasers have shown single mode operation in excess of 300 mW with SMSR larger than 50 dB. At the wavelength of rubidium (780 nm), the best-performance DFB lasers provided a linewidth of 40 kHz at an output power of 190 mW. · A substantial reduction (by a factor of 4) of the linewidth was observed, when the cavity length was increased (doubled). The linewidth reduction by extension of cavity length is limited by the evolution of spatial hole burning effects at high output power. The cavity length of 3 mm optimally combines both, high power and narrow linewidth emission. · The experimental results showed that increasing the coupling coefficient by a factor of two leads to a linewidth reduction that is significantly less pronounced than a doubling of the cavity length · Based on the characterization carried out for this thesis work we found that a front facet reflectivity of 5% (rear facet of 95%) provides the best performance in terms of stable single-mode operation at high output power and narrow spectral emission. · The experimental results suggest that devices in TO3 and SOT packages provide better spectral performance at high output power than devices packaged on C-mount. The results of this thesis work point out a strategy for the development and realization of high-power, narrow linewidth DFB lasers. The best performance, both in terms of single-mode operation at high output power and narrow linewidth emission, belongs to a laser type with a cavity length of 3 mm, a coupling coefficient of 2 cm-1, and front facet reflectivity of 5%. These devices provided a spectral short-term linewidth of 20 kHz at an output power of 270 mW which, to our best knowledge, are record values for this type of laser. The conclusions drawn from the investigation carries out for this thesis work can be transferred to the design of high power, narrow linewidth GaAs-based DFB lasers emitting at other wavelengths. The following issues have to be addressed by future work to fully understand and/or control the spectral behavior of high power, narrow linewidth DFB lasers: · The grating phase at the rear facet, randomly defined by the cleaving process, strongly affects the linewidth of DFB lasers. This has a two-fold effect. Firstly, the yield of lasers with similar, close-to-optimum grating phase at the rear facet is small. Secondly, a comparison of lasers from different bars is difficult to perform as the potential difference between the grating phases may mask the effect under study. The precise control of the grating phase at the rear facet is hence an important request. Progress in process technology has to be complemented by theoretical work that provides a better understanding on how the spectral performance of the lasers depends on the phase of the grating at the facets. · Further experimental investigations have to be carried out to clarify the influence of the packaging type on the DFB laser performance, specifically on the short term spectral linewidth. The main task here will be to compare sealed versus open mounts