title: Fundamental analysis and optimization of barrier-pumped GaAs-based VECSELs
title: Fundamentale Analyse und Optimierung von barrieregepumpten GaAs-basierten VECSELn
Creators: name: Möller, Christoph
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2016
Subjects: Laser, Semiconductor
Infrared
Laser
Halbleiter
VECSEL
Physics
Physik
Infrarot , VECSEL

description: The first laser, built from a flash
      lamp pumped ruby, was reported in 1960 by T. H. Maiman [1].
      Its demonstration was a great success in an emergent research
      field. In the end of the same year, the demonstration of the
      more popular helium neon laser followed, which is still found
      in many laboratories or used as a practical laser model in
      lectures [2]. Still in the 60’s, also attention is drawn to
      semiconductor lasers. Pioneering work was performed by H.
      Krömer and Z. I. Alferov who obtained the Nobel prize for the
      development of the double heterostructure diode lasers [3].
      Then, in the 70’s, it was realized that the semiconductor
      lasers could be significantly improved, if quantum wells
      (QWs) are employed as gain media. However, the underlying
      physical mechanisms were not well known and subject of
      ongoing research. Especially, the growth of QWs and the
      therewith connected development of the epitaxy was a
      challenge. The next milestone in the development of
      semiconductor lasers was accompanied by the research on
      epitaxy techniques. In 1975, the first optically pumped QW
      laser was demonstrated by J. P. van der Ziel et al. [4]. The
      laser gain region comprises 50 GaAs/(AlGa)As QWs and had to
      be cooled to a temperature of 15°K in order to achieve
      threshold with pump intensities of 36 kW/cm². First
      electrical pumped devices were also demonstrated at the end
      of the 70’s. For instance, in 1979, room temperature
      operation was reported with a single QW as gain medium and
      with a threshold current of 2 kA/cm² by Tsang et al. [5]. To
      date, QW lasers have been steadily improved concerning the
      thresholds, output powers, power consumption, and also
      concerning the range of accessible emission wavelength. Laser
      operation has been demonstrated from the ultraviolet, to the
      optical, near- and mid-infrared wavelength regime. In
      particular, diode lasers have become a mass product and are
      found in many everyday life’s electronics. For example, they
      are used for sensors in computer mice, barcode scanners, CD,
      DVD or Blu-ray disk drives, and smartphones [6]. However, the
      most important application today is their utilization as
      transmitters in fiber-optic communications, which satisfies
      the need for the transmission of high data volumes. The by
      far widest spread diode laser is the vertical-cavity
      surface-emitting laser (VCSEL). In 2014 it was estimated that
      the number of sold VCSELs, since its invention in the late
      80’s, has passed the one billion mark [7]. The term VCSEL is
      related to its basic operation principle and its
      differentiation to edge emitting diode lasers. In an
      edge-emitter, the laser resonator is formed by inherently
      existing edges of the cleaved semiconductor structure.
      Consequently, the directionality of the laser is in the plane
      of the QWs and perpendicular to these edges. In contrast, the
      VCSEL comprises monolithically grown high reflective laser
      mirrors, which form a laser cavity perpendicular, or
      vertical, to the QW planes. The laser light is emitted from
      the surface instead from the edges. This thesis is dedicated
      to a very similar kind of semiconductor laser, namely the
      vertical-external-cavity surface-emitting laser (VECSEL). In
      comparison to a VCSEL, one of the monolithic laser mirrors is
      removed and replaced by an external mirror. Moreover, VECSELs
      are optically pumped, resulting in a scheme which is similar
      to other solid state disk lasers. Accordingly, the VECSEL is
      also often referred to as semiconductor disk laser (SDL), or
      optical-pumped semiconductor laser (OPSL) [8, 9]. Although
      VECSELs are also commercially available, the market is not
      comparable to the above-mentioned scale in case of VCSELs.
      The reasons are essentially higher manufacturing costs and
      more specific fields of application. Instead, a VECSEL can
      provide a unique, highly specialized laser source, optimized
      for a desired application. Since the first demonstration of
      the VECSEL in 1997 by Kuznetsov et al. [10], several reviews
      and text books have been published, which summarize the
      achieved results in these fields [8, 9, 11–14]. Owing to the
      external cavity, it combines the great wavelength versatility
      of semiconductor lasers with outstanding properties of other
      solid state lasers. Examples are their high beam quality with
      almost ideal circular beam profile, or a low intensity noise.
      Moreover, the intra-cavity elements can be used to manipulate
      the VECSELs operation mode. Birefringent filters can be
      applied to force single-frequency operation, saturable
      absorbing mirrors for mode-locking, or nonlinear crystals for
      highly efficient intra-cavity frequency conversion. Selected
      highlights of these results will also be presented at the
      relevant sections in the course of this thesis. As mentioned,
      a VECSEL is usually optically pumped. Depending on the
      application, the requirement of an additional pump source in
      comparison to electrical pumped diode lasers is not
      necessarily a disadvantage. A VECSEL can also be regarded as
      a converter between the pump light and the actually emitted
      VECSEL light. This kind of conversion cannot only involve the
      above-mentioned features, like a rectification of the beam
      quality or intensity noise of a pump laser, mode-locking or
      single-frequency operation. More importantly, also the
      emission wavelength of the pump laser can be converted. This
      enables the application of a pump device, which is not
      necessarily bound to a specific wavelength, but
      cost-efficient. A mature and cost-efficient laser technology
      is for instance provided by fiber-coupled GaAs/Al(GaAs) laser
      diodes with emission wavelength at 808 nm and which is used
      for most VECSEL devices. However, to obtain an efficient
      device, a strong absorption of the pump light is required,
      which is not provided by the absorption of the thin quantum
      wells. Instead, a high absorption can be provided by the
      barriers which enclose the QWs. This concept is called
      barrier-pumping, accordingly, and turned out to be very
      effective. At room temperature operation optical input to
      output efficiencies close to 60 % are achieved [15]. The
      opposite concept, namely “in-well” pumping, involves
      critically reduced laser efficiencies and, thus, is less
      attractive and has been studied to a smaller extent [8,
      16–18]. In the present thesis, 808 nm barrier-pumped VECSELs
      on GaAs-substrates are investigated. A QW design for these
      devices is the well-explored (GaIn)As/GaAs system. The
      functionality, physics and capabilities of these devices are
      introduced in chapter 2. In fundamental operation, i.e.
      without intra-cavity frequency conversion, the accessible
      wavelength range with this material system reaches from 920
      nm to 1.2 μm [15, 19]. However, close to the borders of this
      range, the output powers are significantly impaired due to
      fundamental limitations. At 1 μm, the most powerful VECSELs
      have been reported, so far. Output powers in excess of 100 W
      could be achieved [20, 21]. In contrast, a maximum output
      power of 12 W is achieved at 920 nm [15] and an output power
      of 50 W at 1180 nm [19]. Interestingly, there are no reports
      of (GaIn)As/GaAs VECSELs emitting either below 920 nm, or
      beyond 1.2 μm. The interest in efficient devices in the
      mentioned wavelength range, is primarily driven by highly
      efficient intra-cavity frequency-doubling, which gives access
      to Watt level output powers in the visible range. So far,
      output powers in the order of 20 W can be achieved with
      VECSELs emitting green and yellow wavelength [22, 23].
      Nevertheless, due to the restriction of the fundamental
      emission from the (GaIn)As/GaAs QWs, there is still a lack of
      high-power devices in the blue and red. In this thesis, it is
      investigated how VECSELs can be optimized to provide more
      powerful devices in the future. VECSELs from three regimes
      within the mentioned wavelength range are investigated in
      chapters 3 – 6. A mature 1 μm emitting sample used is to
      demonstrate the experimental methods for fundamental studies
      on VECSELs (chapter 3). The methods comprise the evaluation
      of laser power curves and spectra, detailed structural
      studies using photoluminescence and reflectance measurements,
      modal gain studies, and also thermal resistance analysis.
      Such complete study of a 1 μm sample yields a reference which
      enables detailed comparisons to the samples at other
      wavelengths, also applying other design concepts (chapters 5
      and 6). Accordingly, these studies will also be carried out
      for all other samples throughout the chapters 4 – 6. One key
      parameter in VECSELs is the so called detuning (cf. chapter
      2). Due to its importance, its influence is discussed and
      studied in chapter 4, also by means of a mature 1 μm emitting
      sample. The knowledge of its impact on the VECSEL’s
      performance will also help to identify or exclude performance
      limitations in chapters 5 and 6. Chapter 5 deals with the
      short-wavelength limitation of barrier-pumped GaAs-based
      VECSEL structures around 920 nm. It is discussed that the
      shallow QW depth is a factor which fundamentally limits the
      material gain, as charge carriers can be thermally reemitted
      from the QWs into the barriers. Possible QW designs for
      emission wavelength between 920 nm – 950 nm are discussed.
      The performances and properties of VECSELs with the discussed
      designs are studied and compared to the 1 μm emitting
      reference sample. The other border of accessible wavelength
      with the (GaIn)As/GaAs system is at the wavelength of about
      1.2 μm. Indeed, an excellent confinement potential is found
      here, but it is the crystal strain which sets stringent
      limitations to the growth of the QWs. An alternative QW
      design on GaAs substrates and for the emission at 1.2 μm and
      beyond is provided by a type-II QW. In such a QW, electrons
      and holes are spatially separated. If designed appropriately,
      their recombination happens across the material interfaces
      which causes a reduced transition energy in comparison to the
      materials band gaps. Although diode lasers based on type-II
      QW designs have already been realized and studied, this
      concept is not explored yet for the application in VECSELs.
      Instead, other approaches have been followed in the past,
      such as (GaIn)(NAs)/GaAs QWs or QDs. In chapter 6, the
      approach with type-II QWs is studied by means of the
      (GaIn)As/Ga(AsSb)/GaAs system. The design is discussed in
      detail and preliminary photoluminescence studies are carried
      out to evaluate the potential for the use as gain medium.
      Afterwards, the first type-II VECSEL is demonstrated and
      studied by the methods from chapter 3. Overall, this thesis
      presents novel design concepts to increase the already
      stunning wavelength range of VECSELs even further.
description: Im Jahr 1960 berichten T. H.
      Maiman et al. von dem ersten Laser, ein mit einer Blitzlampe
      optisch gepumpter Rubinlaser [1]. Die Demonstration dieses
      ersten Lasers war ein großer Erfolg für ein neues
      Wissenschaftsgebiet. Noch im selben Jahr wird der elektrisch
      gepumpte Helium-Neon-Laser demonstriert, der auch heute noch
      in Laboren zu finden ist und oft als Beispielmodell in
      Vorlesungen präsentiert wird [2]. Im weiteren Verlauf der
      60er Jahre rücken auch Halbleiterlaser immer mehr in den
      Fokus. Pionierarbeit leisten hier H. Krömer und Z. I.
      Alferov, die die Entwicklung von Halbleiterlasern mit
      Doppelheterostruktur nachhaltig geprägt haben und dafür im
      Jahr 2000 den Nobelpreis erhielten [3]. Die nächste
      Entwicklung bei den Halbleiterlasern war die Realisierung von
      Quantenfilmen als optisches Gewinnmedium in den 70er Jahren
      [25]. Dieser Entwicklungsschritt war zudem auch eng mit den
      großen Fortschritten in der Wachstumstechnologie von
      Halbleiterschichten verknüpft. Im Jahr 1975 wird schließlich
      der erste optisch gepumpte Quantenfilm-Laser von J. P. van
      der Ziel realisiert [4]. Das Gewinnmedium beinhaltet dabei 50
      GaAs/(AlGa)As Quantenfilme, musste zu der Zeit aber noch auf
      15 K gekühlt werden und das Erreichen der Laserschwelle
      erforderte hohe optische Pumpintensitäten von 36 kW/cm².
      Erste elektrische Quantenfilm-Laser wurden ebenfalls in den
      70er Jahren demonstriert, hier lag der Schwellenstrom aber
      bereits in Größenordnungen, die nicht fernab von heutigen
      Lasern sind. Bis heute wurden Halbleiterlaser stetig
      weiterentwickelt. Insbesondere konnten nicht nur die
      Laserschwelle, -Effizienz und Ausgangsleistung verbessert
      werden, sondern es wird mittlerweile auch ein sehr großer
      Wellenlängenbereich durch Halbleiterlaser abgedeckt, der sich
      vom ultravioletten über den gesamten sichtbaren und nah- bis
      ferninfraroten Bereich erstreckt. Weiterhin wird heutzutage
      mit Diodenlasern ein Massenmarkt bedient. Sie sind, oft
      unmerklich, in den Alltag integriert. Typische Anwendungen
      finden sich in Computermäusen, in Bar-Code-Scannern, in CD-,
      DVD- oder Blu-ray-Laufwerken und in Smartphones [6].
      Hervorzuheben ist allerdings die Verwendung als Transmitter
      in glasfasergestützten Netzwerken für Telekommunikation und
      Datentransfer. Der mit Abstand am weitesten verbreitete
      Halbleiterlaser ist der VCSEL (englisch: vertical-cavity
      surface-emitting laser). Im Jahr 2014 wird die Zahl der
      verkauften VCSEL, seit der Erfindung in den 80ern, auf über
      eine Milliarde geschätzt [7]. Das Akronym VCSEL beschreibt
      wesentliche Merkmale dieses Lasers. Gleichzeitig dient es als
      Abgrenzung von einem Kantenemitter, bei dem die
      Laser-Strahlung in der Ebene der Quantenfilme propagiert und
      senkrecht zu den Bruchkanten der Halbleiterstruktur austritt.
      Ein VCSEL besitzt hingegen monolithisch gewachsene
      Laserspiegel, die einen Resonator (Kavität) senkrecht, bzw.
      vertikal, zu den Quantenfilmebenen bilden. Die Laserstrahlung
      tritt demzufolge vorzugsweise aus der Oberfläche anstatt aus
      den Kanten der Struktur aus. Diese Arbeit befasst sich mit
      einem dem VCSEL sehr ähnlichen Laser, dem VECSEL (englisch:
      vertical-external-cavity surface-emitting laser). Im
      Vergleich zum VCSEL besitzt der VECSEL nur einen monolitisch
      gewachsenen Spiegel. Der nun fehlende zweite Resonatorspiegel
      wird dafür durch einen externen Laserspiegel ersetzt. Zudem
      werden die meisten VECSEL mittels eines anderen Lasers
      optisch gepumpt. Die resultierende Anordnung entspricht somit
      der eines Scheibenlasers, weswegen der VECSEL alternativ auch
      oft SDL (englisch: semiconductor disk laser) oder OPSL
      (english: optically pumped semiconductor laser) genannt wird
      [8, 9]. Auch wenn VECSEL bereits kommerziell erhältlich sind,
      ist der Markt bei weitem nicht vergleichbar mit dem der
      VCSEL. Gründe dafür sind unter anderem höhere
      Produktionskosten und das durch die Erfordernis des
      Pumplasers auch komplexere und größere Produkt. Dafür hat der
      VECSEL aber andere vorteilhafte Eigenschaften, die sich in
      einzigartiger Weise kombinieren lassen. Beispielsweise
      eröffnen sich vielfältige Möglichkeiten durch den externen
      Resonator. Zum einen können Variationen der Spiegel genutzt
      werden, um den Laserstrahl in seiner Strahlqualität zu
      optimieren. Andererseits können aber auch optische Elemente
      in dem Resonator arrangiert werden, wie etwa doppelbrechende
      Filter, um schmale Linienbreiten zu erzwingen, nichtlineare
      optische Kristalle für die hocheffiziente intra-kavitäre
      Frequenzverdopplung oder auch sättigbare Absorber-Spiegel für
      Modenkopplung. Diese Vielfalt trifft nun auf den bereits
      erwähnten großen Wellenlängenbereich, der durch
      Halbleiterlaser erreicht wird. Entsprechend wurde seit der
      ersten Demonstration des VECSELs im Jahr 1997 von M.
      Kuznetsov et al. [10] eine Vielzahl unterschiedlicher VECSEL
      Systeme präsentiert. Einen sehr guten Überblick über die
      bisher realisierten Emissionswellenlängen und
      Lasereigenschaften geben die bereits (zu unterschiedlichen
      Themen) erschienenen Reviews [8–9, 11–14]. In Abhängigkeit
      von der Anwendung ist die Erfordernis der optischen
      Pumpquelle im Gegensatz zu elektrischem Pumpen nicht zwingend
      ein Nachteil. Ein VECSEL kann als ein Konverter von dem
      Pumplicht zu der eigentlich emittierten VECSEL Strahlung
      gesehen werden. Diese Umwandlung betrifft aber nicht nur die
      Strahlqualität oder beispielsweise die Linienbreite, sondern
      insbesondere auch die Wellenlänge. Dies ermöglicht die Wahl
      eines Pumplasers, der nicht zwingend eine bestimmte
      Wellenlänge besitzen muss, aber dafür kosteneffizient sein
      kann. Eine ausgereifte und kosteneffiziente Lasertechnologie
      ist beispielsweise in Form von (AlGa)As/GaAs Diodenlasern mit
      einer Emissionswellenlänge bei 808 nm verfügbar. Viele der
      bisher erforschten VECSEL sind daher auf diese
      Pumpwellenlänge optimiert. Um einen effizienten Laser zu
      erhalten, muss ein möglichst großer Teil des Pumplichts von
      dem VECSEL Chip absorbiert und in Ladungsträger umgewandelt
      werden, die dann für den Laserprozess zur Verfügung stehen.
      Durch die geringe Schichtdicke von nur einigen Nanometern
      absorbieren die Quantenfilme allerdings nur einen Bruchteil
      des Pumplichts. Das führt zu dem häufig verwendeten Prinzip
      des Barrierepumpens, also des Pumpens der Schichten, welche
      die Quantenfilme umschließen und um ein vielfaches dicker als
      die Quantenfilme sind. Die Bandlücke des Barrierenmaterials
      kann zudem so gewählt werden, dass eine hinreichende
      Absorption des Pumplichts vorhanden ist. Mit dieser Methode
      konnte beispielsweise eine Lasereffizienz von 60 % erreicht
      werden [15]. Der alternative Ansatz, das direkte Pumpen der
      Quantenfilme, ist also mit einer deutlich geringeren
      Lasereffizienz verbunden und wurde daher auch weitaus weniger
      erforscht [8, 16–18 ]. In der vorliegenden Arbeit, werden 808
      nm barrierengepumpte VECSEL auf GaAs-Basis untersucht. Ein
      etabliertes Quantenfilmdesign ist das (GaIn)As/GaAs
      Materialsystem. Hiermit wurden bisher Emissionswellenlängen
      zwischen 920 nm – 1.2 μm realisiert. Dieser Bereich ist
      allerdings auf der kurzwelligen und langwelligen Seite
      fundamental begrenzt. Je kurzwelliger die
      Emissionswellenlänge etwa wird, desto flacher werden die
      Potentialtöpfe für die Elektronen und Löcher in den
      Quantenfilmen. Dies kann zu einer erheblichen Reduktion der
      Ladungsträgerlebensdauer führen, die dann nicht mehr
      strahlend über den Laserübergang rekombinieren. Auf der
      langwelligen Seite ist das System hingegen durch die
      Kristallverspannung begrenzt, die das Wachstum von
      hochqualititativen Quantenfilmen nur bis zu einer gewissen
      Indiumkonzentration ermöglicht. Ziel dieser Arbeit ist die
      Optimierung von VECSELn in drei verschiedenen
      Wellenlängenbereichen aus dem genannten Spektrum zwischen 920
      nm – 1.2 μm. Zunächst werden dafür VECSEL bei 1 μm
      Emissionswellenlänge untersucht. Bei dieser Wellenlänge
      wurden die effizientesten und leistungsstärksten VECSEL
      demonstriert. Die Rekordausgangsleistung liegt bei über 100 W
      [20, 21]. Die maximale Ausgangsleistung bei 920 nm hingegen
      ist 12 W [15], und bei 1180 nm 50 W [19]. Daher dient die
      bereits ausführlich untersuchte Schichtkonfiguration für 1 μm
      Emissionswellenlänge in dieser Arbeit als Referenz. In
      Kapitel 2 werden hierfür zunächst die Grundlagen des VECSELs
      zusammengefasst. Anschließend, in Kapitel 3, wird ein
      experimentelles Analyseverfahren entwickelt, um eine
      vollständige Charakterisierung von VECSEL Chips zu
      ermöglichen. Eine besondere Größe eines VECSELs ist das
      sogenannte Detuning. Kapitel 3 widmet sich ebenfalls der
      experimentellen Bestimmung dieses Parameters anhand von
      temperatur-abhängigen Reflexions- und
      Photolumineszenzmessungen. Der Einfluss des Detunings auf die
      Lasereffizienz wird insbesondere in Kapitel 4 untersucht.
      Hierfür wird ein Experiment entwickelt, in dem das Detuning
      gezielt manipuliert werden kann. Mit einer für dieses
      Experiment ausgewählten Probe wird so der starke Einfluss des
      Detunings auf die Lasereffizienz quantifiziert. Kapitel 5
      befasst sich mit VECSELn für Emissionwellenlängen zwischen
      920 nm – 950 nm. Dafür werden zwei verschiedene
      Quantenfilmdesigns und die damit verbundenen
      Quantentopftiefen diskutiert und experimentell untersucht.
      Der entscheidende Parameter, bei dem sich die Designs
      unterscheiden, ist daher die Zusammensetzung der Barriere.
      Als Resultat können leistungslimitierende Faktoren
      identifiziert werden, auf dessen Grundlage in Zukunft
      optimierte VECSEL für diesen Wellenlängenbereich realisiert
      werden können. Der letzte Teil der Arbeit, Kapitel 6, befasst
      sich mit VECSELn für Emissionswellenlängen um 1.2 μm. Im
      Speziellen wird hier ein Typ-II Quantenfilmdesign untersucht,
      das sogar Emissionswellenlängen über 1.4 μm ermöglicht. In
      einem solchen Design sind Elektronen und Löcher räumlich
      voneinander getrennt. Das hier vorgestellte Design besteht
      aus zwei (GaIn)As Quantenfilmen, die einen Ga(AsSb)
      Quantenfilm umschließen. Der Verlauf des Leitungsbands über
      die drei Quantenfilme gleicht einem „W“, worin der Name
      „W“-Quantenfilm seinen Ursprung hat. Dementsprechend ist die
      Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Elektronen in den beiden
      äußeren (GaIn)As Quantenfilmen konzentriert, wohingegen sie
      im mittleren Ga(AsSb) Quantenfilm deutlich reduziert ist.
      Genau der gegenteilige Verlauf liegt im Valenzband vor, d.h.
      die Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Löcher ist in dem
      Ga(AsSb) Quantenfilm konzentriert. Insgesamt ist aber ein
      ausreichender Überlapp der Elektron- und Lochwellenfunktionen
      vorhanden, sodass die Ladungsträger bildlich gesprochen über
      die Grenzfläche der Quantenfilme rekombinieren können. Die
      Energie dieses räumlich indirekten Übergangs ist aber, wie in
      Kapitel 6 gezeigt wird, deutlich kleiner als die der direkten
      Übergänge in den separaten Quantenfilmen. Dieses Prinzip
      ermöglicht es, Materialien mit großer Bandlücke zu
      kombinieren, um eine langwellige Emission zu erhalten. Das
      Konzept ist besonders attraktiv für Emissionswellenlängen im
      mittleren Infrarotbereich, für den es ursprünglich auch
      konzipiert wurde. Obwohl bereits einige Laser mit solch einem
      Quantenfilmdesign demonstriert wurden, ist dessen Anwendung
      für VECSEL noch unerforscht. Der erste VECSEL mit dem
      beschriebenen Quantenfilmdesign wird in dieser Arbeit
      demonstriert. Die Methoden aus Kapitel 3 werden angewandt, um
      das neue Lasersystem vollständig zu charakterisieren. Es wird
      offengelegt, dass ein Typ-II VECSEL fundamental andere
      Funktionsmechanismen im Vergleich zu Typ-I VECSELn besitzt.
      Dies bezieht sich insbesondere auf die Abhängigkeit der
      Lasereffizienz vom Detuning. Das Ergebnis des Kapitels sind
      Optimierungsvorschläge für künftige Typ-II VECSEL, mit denen
      die Entwicklung effizienter Typ-II VECSEL mit
      Emissionswellenlängen über 1.2 μm als erfolgversprechend
      angesehen werden kann.