Riemenschneider, Frank (2009)
Mikromechanisch abstimmbare, vertikal emittierende Laserdioden.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung von mikromechanisch abstimmbaren, oberflächenemittierenden Laserdioden (VCSEL) für den Emissionswellenlängenbereich um 1,5 µm. Langwellige Laser, deren Wellenlänge sich in weiten Bereichen abstimmen lassen, ermöglichen eine Vielzahl von neuen Anwendungen in zukünftigen optischen Datenübertragungssystemen oder auch auf dem Gebiet der optischen Sensorik und Messtechnik. In dieser Arbeit wird ein neuartiger Ansatz für die Integration von Mikrosystemtechnik in einer vertikal emittierenden Laserdiode vorgestellt. Die Abstimmung der Laserwellenlänge erfolgt durch mikromechanische Auslenkung einer Spiegelmembran, die zusammen mit einem unbeweglichen zweiten Spiegel den optischen Mikroresonator des Lasers bildet. Der abstimmbare VCSEL beruht auf einem sogenannten Zwei-Chip-Konzept. Dieses für VCSEL Bauelemente neuartige Konzept sieht die separate Herstellung der Spiegelmembran auf einem eigenen Trägersubstrat und deren spätere Zusammenführung mit dem restlichen Bauelement vor. Die Trennung der Mikromechanik-Technologie von dem Herstellungsprozess der Laserdiode ermöglicht eine kompromisslose Optimierung der mikromechanischen Strukturen und der Laserkomponenten hinsichtlich eines großen Abstimmbereichs und einer hohen optischen Ausgangsleistung. Die wichtigsten theoretischen Grundlagen für das Verständnis und das Design von Laserresonatoren werden eingangs zusammengefasst. Nachfolgend werden Modelle zur numerischen Simulation der optischen, elektrischen und thermischen Eigenschaften eines solchen Zwei-Chip-Bauelements vorgestellt. Die Simulationen erlauben einen tieferen Einblick in die komplexen physikalischen Zusammenhänge innerhalb des Laserresonators und führen damit zu einem besseren Verständnis des Bauelements. Die Modellierung trägt damit wesentlich zur Optimierung der Bauelementeigenschaften bei. Ein weiterer Fokus dieser Arbeit liegt auf der Entwicklung der Technologie zur Herstellung der Mikromechanik. Es werden alternative Spiegelmembrankonzepte für den Einsatz im VCSEL in Bezug auf Herstellung und Auslenkung der Membranen untersucht und bewertet. Die Spiegelmembrantechnologie wurde parallel auf dem halbleitenden Materialsysteme GaAs/AlGaAs sowie auf dem dielektrische Materialsystem Si3N4/SiO2 entwickelt. Diverse Möglichkeiten zur Charakterisierung der Spiegelmembraneigenschaften, die eine Charakterisierung bereits vor der Laserintegration erlauben, werden vorgestellt. Das neu entwickelte Konzept eines abstimmbaren VCSELs findet sowohl in optisch gepumpten Laserbauelementen als auch in elektrisch gepumpten VCSEL Anwendung. Schwerpunktmäßig werden hier die Integration der Mikromechanik sowie die anschließende optische und mechanische Charakterisierung des fertigen Bauelements behandelt. Die Realisierbarkeit des neuartigen Konzepts wird durch die Herstellung von Prototypen, die bis hin zu dem Einbau des Bauelements in einem handelsüblichen Gehäuse vorangetrieben wurde, demonstriert. Als herausragenden Erfolg dieser Arbeit ist insbesondere der Rekord-Abstimmbereich eines elektrisch gepumpten VCSELs von 42 µm im Langwellenbereich bei Raumtemperatur zu erwähnen, der weit über bislang veröffentlichten Werten lag.

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