23. Februar 2011 | Aktuelles

SPEKTRALAS: Leistungsstarke DFB-Breitstreifenlaser erzielen erstmalig mehr als 60% Konversionseffizienz

Leistungsstarke Breitstreifenlaser mit internen, epitaktisch überwachsenen distributed feedback (DFB) Gittern für die Stabilisierung auf eine geringe spektrale Breite, zeigen signifikante Verbesserungen: Zum ersten Mal konnte eine elektro-optische Konversionseffizienz hc > 60% und eine maximale Ausgangsleistung Pmax > 12W demonstriert werden. Die verbesserte Effizienz- und Leistungscharakteristik basiert auf Fortschritten beim Design und im Bereich der Herstellungstechnologie. Drei Schlüsselfaktoren wurden dafür bearbeitet. Zum ersten wurde eine verbesserte Technologie zum Ätzen der Gitterstruktur und deren epitaktisches Überwachsen angewendet. Zum zweiten wurde die Dicke der Gitterschicht auf 10 nm reduziert, ausreichend um ein Tunneln der Ladungsträger durch diese Schicht zugunsten eines geringeren elektrischen Widerstands zu ermöglichen. Schließlich wurde die Gitterwirkung durch eine Verschiebung des Gitters weiter von der aktiven Zone weg reduziert, wodurch der Koppelkoeffizient k auf nur 0,5cm-1 verringert werden konnte.

Abbildung 1(a) zeigt, dass die Spannung, über einen solchen 3 mm langen und 90 µm breiten DFBBA-Laser nun die gleiche Charakteristik zeigt wie die Spannung über einem BA-Laser von einem Referenz-Wafer, der bis auf die Gitterschicht das gleiche Epitaxiedesign besitzt. Zuvor wurden bei 15A um wenigstens 90 mV erhöhte Spannungen für DFB-BA-Laser gemessen [1]. Die Beseitigung der zusätzlichen Spannung ergänzt nun die zuvor erzielte Beseitigung zusätzlicher optischer Verluste aufgrund der Gitterschicht [1]. Die Spaltfacetten der Laser wurden antireflektierend (AR) < 0,1% und hochreflektierend (HR) > 95% beschichtet und mit der Epitaxieseite auf CuW-Wärmesenken gelötet. Die Messungen wurden bei einer Temperatur von 15C und 25C an der Wärmesenke unter Konstantstrom-Bedingungen (cw) durchgeführt.

FBH News 2011-1 Fig_1 neu

Abb. 1: (a) Flussspannung von drei DFB-BA-Diodenlasern von drei gemeinsam prozessierten Wafern und eines Referenz-BA-Diodenlasers mit gleichem Design ohne Gitterbereich. (b) Flussspannung, opt. Ausgangsleistung und Konversionseffizienz eines DFB-BA-Diodenlasers bei 15C und 25C Trägertemperatur.

Abbildung 1(b) zeigt die Kennlinien hinsichtlich Leistung, Spannung und Konversionseffizienz eines 3 mm langen DFB-BA-Lasers mit einer Streifenbreite von 100 µm. Die Konversionseffizienz erreicht einen Maximalwert von 63,3% bei 15C und 62,2% bei 25C an der Wärmesenke. Bisher lag die höchste publizierte Konversionseffizienz eines DFB-BA-Lasers bei 58% [1]. Bei 10 W Ausgangsleistung liegt die Konversionseffizienz bei 59,2% bei 15C und 57,6% bei 25C. Der Laser erzielt eine Spitzenleistung von mehr als 12 W. Eine derart hohe Ausgangsleistung bei zugleich hohem Konversionswirkungsgrad wurde damit weltweit erstmalig bei einem DFB-BA-Laser erreicht.

FBH News 2011-1 Fig_2 neu

Fig 2: (a) Spektren der DFB-BA Diodenlaser von Abb. 1 (b) bei 15°C Trägertemperatur. Zwischen 1A und 8A, Emission von einer optisch Obermode ist um 962nm zu sehen. (b) Spektren der DFB-BA Diodenlaser bei 25°C Trägertemperatur. Die Spektren sind weder von Fabry-Pérot Moden noch optische Obermoden beeinflusst.

Die integrierte Spektralbreite des DFB-BA-Lasers wurde ebenfalls reduziert. Bei 10 W Ausgangsleistung und 25°C, liegt die Spektralbreite mit 95% Leistungseinschluss bei 0,7 nm; frühere Werte lagen bei 1 nm [1]. Abb. 2 zeigt die Spektren des DFB-BA-Lasers zwischen 0 und 15A bei 15C (a) und 25C (b); die Intensität ist in einer linear abgestuften Falschfarbenabbildung dargestellt.

Der optische Verlust und elektrische Widerstand des Gitterbereichs sind nun vollständig eliminiert. Weitere Verbesserungen von Konversionseffizienz und Spitzenleistung sind durch eine optimierte vertikale Schichtstruktur zu erwarten.

[1] Schultz, C. M., Crump, P., Wenzel, H., Brox, O., Maaßdorf, A., Erbert, G. and Tränkle, G., “11W broad area 976 nm DFB lasers with 58% power conversion efficiency”, Electron. Lett. 46(8), 580-581 (2010).

Autoren:
C. M. Schultz*, P. Crump and G. Erbert
Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik,
Gustav-Kirchhoff-Straße 4, 12489 Berlin

Kontakt:
christoph.schultz@fbh-berlin.de