Monolithically Integrated Wavelength Locked and High-Brightness Laser Diodes

Abstract

Tämä väitöskirja esittelee tutkimustuloksia monoliittisesti aallonpituuslukittujen suuren kirkkauden laserdiodien valmistuksesta ja karakterisoinnista. Tutkimuksen aiheena on kahdella sovelluskohteiden mukaan valitulla aallonpituusalueella, 1,5 µm ja 1,18 µm, toimivat laserdiodit. Aallonpituusalueen 1,5 µm laserdiodit on suunnattu erityisesti silmäturvallisiin LIDAR-sovelluksiin (<i>li</i>ght <i>d</i>etection <i>a</i>nd <i>r</i>anging, "valotutka", joukko erilaisia 3D-skannausteknologioita). Aallonpituuden 1,18 µm diodit ovat tärkeitä taajuuskahdennettuja kelta–oransseja lasereita varten, joita käytetään erityisesti lääketieteellisissä sovelluksissa. Näitä aallonpituuksia on hyvin vaikeaa tuottaa diodilaserin suoralla emissiolla käytössä olevien puolijohdemateriaalien ominaisuuksien vuoksi, ja taajuuskahdennuksella tätä rajoitusta saadaan kierrettyä.

Sovellusvaatimusten täyttämiseksi on tutkittu kahta erilaista laserdiodiarkkitehtuuria, kapenevia hajautetun Braggin peilin lasereita (kapeneva DBR) ja leveitä hajautetun Braggin peilin lasereita (leveä DBR). Molemmissa komponenttityypeissä hajautettu Braggin peili on liitetty sirun aktiiviseen alueeseen monoliittisesti, jolloin laseria komponenttina käyttävistä järjestelmistä saadaan pienikokoisempia ja järjestelmien valmistus on edullisempaa. Kapenevat DBR-laserit koostuvat kolmesta osasta: kolmiomaisesta optisen moodin laajennusosasta, harjanneaaltojohdeosasta, joka suodattaa pois korkeampia poikittaisia moodeja, ja hajautetusta Braggin peilistä, joka valitsee yhden pitkittäisen optisen moodin. Leveissä DBR-lasereissa on leveä aktiivialue sekä hajautettu Braggin peili. Kapenevissa DBR-lasereissa on parempi säteenlaatu sellaisia sovelluksia varten, joissa tarvitaan Gaussista lasersädettä, kun puolestaan leveissä DBR-lasereissa on suurempi teho, helpompi käytettävyys ja huonompi säteenlaatu.

1,18 µm laserit tuottivat suurimmillaan 4,04 W tehon. Kapenevat ja leveät 1,5 µm DBR-laserit tuottivat parhaimmillaan 4,6 W ja 6,1 W tehon. Aallonpituuslukitus vähensi lämpötilan muutoksesta johtuvan aallonpituussiirtymän arvoon 0,1 nm/<SUP>◦</SUP>C ja spektrin puoliarvonleveyden arvoon 0,3 nm tai sen alle. Väitöskirjan tuloksia vertaillaan kvantitatiivisesti muiden julkaisemiin tuloksiin. Julkaisuaikanaan nämä tulokset edustivat alansa huippua ja ovat sittemmin johtaneet uuteen tutkimukseen ja tuloksiin korkeatehoisten, aallonpituuslukittujen laserien saralla.

This thesis presents the fabrication and characterization of high brightness laser diodes with monolithically integrated wavelength locking. The work focuses on two wavelength ranges, 1.5 µm and 1.18 µm, relevant to specific application targets. The lasers emitting around 1.5 µm are primarily aimed at eye-safe LIDAR (<i>li</i>ght <i>d</i>etection <i>a</i>nd <i>r</i>anging, a group of 3D scanning technologies) applications. 1.18 µm wavelength region is important for frequency doubling into yellow–orange wavelength range. These wavelengths have especially medical applications and are practically unreachable with direct emission using current semiconductor material technology.

Application requirements are approached using two component variants: tapered distributed Bragg reflector laser diodes (tapered DBR-LDs) and broad area DBR-LDs. In both variants, the wavelength locking DBR element is integrated monolithically on the same chip as the active region, enabling smaller component assembly footprints and cost-effective fabrication. Tapered DBR-LDs comprise three sections: tapered mode expansion and power amplification section, ridge waveguide section providing lateral mode filtering, and DBR grating section providing longitudinal mode filtering. Broad area DBR-LDs comprise wide active region and DBR grating. The tapered design provides better beam quality for the applications where a Gaussian beam is required, while the broad area design provides higher output power and easier device operation with a reduced beam quality.

1.18 µm tapered DBR-LDs reached a continuous wave (CW) output power of 4.04 W, while 1.5 µm tapered and broad area DBR-LDs reached pulsed peak output powers of 4.6 W and 6.1 W, respectively. Wavelength locking reduced temperature change induced wavelength drift to 0.1 nm/<SUP>◦</SUP>C and spectral full width at half-maximum to 0.3 nm or below. The results are compared quantitatively to results published by others. At the time of publication, these results progressed the state of the art in their own respective categories and have served as the stepping stone for further research and results in the field of high-brightness, wavelength locked lasers.