Vertikal oberflächenemittierender Laser mit externem Resonator basierend auf einem neuartigen GaInP/AlGaInP-Gitterwellenleiter für einen effizienten Hochleistungsbetrieb

• Antragsteller: Dr. Marwan Abdou Ahmed; Dr. Michael Jetter
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 444786281

Die Leistungsskalierung für Halbleiterscheibenlaser (VCSEL), speziell im sichtbaren roten Spektralbereich, stellt immer noch eine Herausforderung dar. Die Verstärkerstruktur im Materialsystem GaInP/AlGaInP reagiert auf Temperaturerhöhungen die üblicherweise durch die Absorption des Pumplichts entstehen, mit einer Leistungsverringerung, welche eine Kühlung innerhalb des Resonators erfordert, da die Wärme nur sehr ineffektiv durch den DBR Spiegels abgeführt werden kann. Es konnte gezeigt werden, dass durch gezieltes Pumpen in die Quantenfilme dieser Wärmeeintrag effizient verringert werden kann. Dadurch reduziert sich aber auch die Absorption des Pumplichts, was wiederum eine komplexe Multi-Pass Pumpgeometrie benötigt um diese auszugleichen.Das Hauptziel des Forschungsvorhabens ist es diese Einschränkungen zu Überwinden und einen Leistungs-skalierbaren vertikalemittierenden Halbleiterlaser herzustellen. Hierfür wird der klassische Halbleiterverstärkerspiegel ersetzt durch eine aktive Gitter-Wellenleiter-Struktur (GWS) um damit zum ersten Mal einen Gitter-Wellenleiter basierten VECSEL im sichtbaren roten Spektralbereich zu demonstrieren. Hierfür muss der Gitter-Wellenleiter die folgenden Eigenschaften aufweisen:– hochreflektierend für die Lasermode und gleichzeitig effizient für die Kopplung des Pumplichts an die Wellenleiterstruktur– erhöhte Verstärkung beim Laserübergang und Absorption bei der Pumpwellenlänge– Wärmesenke außerhalb des Resonators in unmittelbarer Nähe zu den Quantenfilm-/Quantenpunkt-Strukturen für eine effiziente KühlungIm Forschungsvorhaben werden verschiedene Optionen von GWS verfolgt, um diese Eigenschaften zu realisieren, wie z.B. eine Gitterstruktur mit hohem Kontrast oder nur schwach gekoppelte resonante Gitter-Wellenleiter-Strukturen. Unterschiedliche Polarisationszustände und/oder Wellenlängen können auch durch zweidimensionale Gitterstrukturen (photonische Kristalle) adressiert werden. Um das erfolgversprechendste Design zu finden, werden sowohl in der Simulation, der Prozesstechnologie (Epitaxie und Gitter-Prozessierung) als auch in der Charakterisierung (spektroskopisch und Laseruntersuchung) Bauelemente mit steigender Komplexität untersucht:– Hoch reflektierende passive GWS bei der Zielwellenlänge, – Quantenfilme oder Quantenpunkte integriert für aktive GWS und – Eine voll funktionsfähige Laserstruktur, einen GWS-VECSEL, gebondet auf einem Diamantwärmespreizer.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortliche: Professor Dr. Thomas Graf; Professor Dr. Peter Michler