Modeling of the lateral emission characteristics of high-power edge-emitting semiconductor lasers

Düren / Shaker (2019) [Buch, Doktorarbeit]

Seite(n): 263 Seiten : Illustrationen, Diagramme

Kurzfassung

Im Rahmen dieser Arbeit werden numerische Methoden zur Simulation von Breitstreifen-Kantenemitter Halbleiterlasern entwickelt und untersucht. Dazu werden Modelle in der Frequenz-Domäne und in der Zeit-Domäne herangezogen, um die Propagation des filamentierten optischen Feldes im Halbleiterlaser vorherzusagen und Abstrahlcharakteristiken, wie Nah- und Fernfeldprofile, Strahlbreite, Divergenzwinkel und Ausgangsleistung über Betriebsstrom zu bestimmen. Für die Modelle werden wellenoptische Propagationsmethoden eingesetzt und die Kopplung des optischen Feldes mit dem räumlich (und zeitlich) variierenden Ladungsträger- und Temperatur-Verteilungen in der Kavität des Halbleiterlasers berechnet. Nach Kalibration werden, basierend auf dem Model in der Frequenz-Domäne, Abstrahlcharakteristiken von Einzelemittern und von Emittern aus Laserbarren berechnet, die sich in geometrischen Eigenschaften (Injektionskontaktbreite, Kavitätslänge oder Emitterabstand ), der epitaktischen Struktur oder der Facettenreflektivität unterscheiden. Durch Vergleich mit experimentellen Daten von acht unterschiedlichen Diodenlasern wird demonstriert, dass das Model in der Frequenz-Domäne die Vorhersage von lateralen Fernfeldwinkeln und Nahfeldbreiten in Abhängigkeit des Betriebsstroms und der Temperatur des Kantenemitters erlaubt. Um den Polarisationsgrad von Einzelemittern oder Laserbarren zu berechnen, wird ein opto-mechanisches Model entwickelt. Unter denen in Betracht gezogenen mechanischen Einflüssen sind Verspannungen durch den Lötprozess, Aufheizen des Lasers im Betrieb und durch unterschiedliche Gitterkonstanten im Halbleiter. Das Verhältnis von Scherspannung zu lateralen (und vertikalen) Spannungskomponenten bestimmt den Polarisationsgrad des emittierten Feldes. Zusätzlich zum Model in der Frequenz-Domäne, wird basierend auf der traveling-wave Methode ein Zeit-Domänen Model implementiert und angewendet, um die räumliche und zeitliche Entwicklung des optischen Feldes in der Quantengraben-Ebene eines Halbleiterlaser-Kantenemitters zu berechnen. Dabei umfassen die Berechnungen die durch Ladungsträger und Temperatur induzierten Brechungsindexvariationen. Die Evolution des optischen Feldes entlang der Laserkavität erfolgt iterativ für transversale Querschnitte. Die Ergebnisse, die mit dem Model in der Zeit-Domäne berechnet werden, gleichen denen des Frequenz-Domänen Modells im Hinblick auf Filamentierung des optischen Feldes. Zusammenfassend agiert das numerische Modell als Digitaler-Zwilling des realen opto-elektronischen Bauteils. Mit den Simulationswerkzeugen, die im Rahmen dieser Arbeit vorgestellt werden, können die lateralen Abstrahlcharakteristiken von Hochleistungsdiodenlaser-Kantenemittern so präzise vorhergesagt werden, dass in Zukunft Entscheidungen für neue Designs aus der Simulation abgeleitet werden können.

Autorinnen und Autoren

Autorinnen und Autoren

Holly, Carlo

Gutachterinnen und Gutachter

Poprawe, Reinhart
Tränkle, Günther

Identifikationsnummern

  • ISBN: 978-3-8440-6923-5
  • REPORT NUMBER: RWTH-2019-08745

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