Laserdioden mit verteilter Rückkopplung und mehrfach gestapelten pn-Übergängen zur Erzeugung hoher optischer Leistung in einer optischen Mode

• Antragsteller: Professor Dr. Ulrich Theodor Schwarz
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 544925332

Am Ende des beantragen Projekts steht die Demonstration einer DFB Laserdiode mit mehreren übereinandergestapelten pn-Übergängen (multi-junction DFB Laserdiode, MJ DFB-LD) als neuartiges optoelektronisches Bauelement. Eine MJ DFB-LD ermöglicht eine hohe optische Ausgangsleistung in einer einzelnen optischen Wellenleitermode, in Kombination mit den Vorteilen eines kompakten und robusten Halbleiter-Bauelements. Die Laserdiode wird im Materialsystem der Gruppe-III-Nitride realisiert, um Licht im sichtbaren Bereich des Spektrums zu emittieren. Mögliche Anwendungen sind Datenkommunikation mit Plastik-Fasern für die „letzte Meile“, Licht-basierte Drahtlosübertragung „Li-Fi“, Laser-Entfernungsmessung (LIDAR), 3D-Scanner, Unterwasserkommunikation und Umweltüberwachsungssysteme. In der geplanten MJ DFB-LD werden mehrere übereinander gestapelte pn-Übergänge mit jeweils einer aktiven Laser-Bereich mit Tunnelübergängen verbunden. Der Strom fließt vertikal durch alle pn-Übergänge und damit durch alle aktiven Laser-Bereiche. Das führt prinzipiell zu einer N-fachen Steigerung der optischen Ausgangleistung für eine Laserdiode mit N gestapelten pn-Übergängen. Dem entspricht eine differenzielle Effizienz von über 100%, bei einer Vorwärtsspannung, die ebenfalls mit der Anzahl der Übergänge skaliert. MJ-LD wurden für die Verbindungshalbleiter der Gruppe-III-Arsenide und -Phosphide bereits realisiert. Diese emittieren Licht im Spektralbereich von 800 bis 2000 nm und werden kommerzielle vor allem für die Laser-Entfernungsmessung in LIDAR Systemen entwickelt. Im sichtbaren Spektralbereich emittierende MJ-LD mit zwei und mit drei gestapelten pn- und Tunnel-Übergängen wurden erst vor kurzem am Institute of High Pressure Physics Polish Academy of Sciences (IHPP PAS), dem Partner-Institut im vorliegenden Weave Antrag, demonstriert. Im beantragten Projekt sollen MJ DFB-LD realisiert werden, die schmalbandig und spektral stabil auf einer longitudinalen Mode emittieren. Dazu soll ein Beugungsgitter über die volle Länge der Oberfläche des Wellenleiter-Resonators der LD strukturiert werden. Die transversale Mode des gestapelten Wellenleiters ist höherer Ordnung und hat Minima an den vertikalen Positionen der Tunnel-Übergänge, um die internen Verluste zu minimieren. Damit erfährt die Wellenleitermode Verstärkung von allen drei Übergängen und koppelt an das DFB Gitter, um die hohe Ausgangsleistung in einer optischen Mode zu erzielen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Polen
• Kooperationspartner: Dr.-Ing. Grzegorz Muziol