Theorie und Simulation des Doppelstreifen-Lasers (PDF)

In der heutigen Welt ist der Informationsaustausch einer der stärksten Motoren der Wirtschaft und der Entwicklung der Gesellschaft. Dementsprechend spielt die Kommunikationstechnik eine immer wichtigere und bedeutendere Rolle im Bereich der Forschung, der Technik und der Ausbildung. Neue Systeme werden entwickelt, die existierenden werden ständig verbessert, und ihre Datenübertragungsgeschwindigkeit überschreitet weitere Grenzen. Diese Prozesse sind die Antwort auf den wächsenden Bedarf an technischen Lösungen, die das Wachstum der oben genannten wirtschaftlichen und technologischen Welt unterstützen.
Unter diesen Lösungen sind optische übertragungssysteme diejenigen, die höchste Geschwindigkeiten zur Datenübertragung ermöglichen. Auf sehr langen Strecken können optische Fasern analoge sowie digitale Information übertragen. Der Einsatz von optischen Verstärkern (EDFA) hat den Umfang dieses Informationsaustausches auf bisher unbekannte Größe gebracht.

Als Quelle dieser Systeme werden Laserdioden verwendet, die mit den unterschiedlichsten Technologien entworfen und aufgebaut werden können. Diese Dioden (Fabry- Pérot- und DFB-Laserdiode, Homoübergang-, Heteroübergang- und Quantenbrunnenlaserdiode) werden meist mit modulierten Strömen angeregt, sodass die Information im Basisband übertragen wird. Der Einsatz dieser Quellen zur Erzeugung von Mikrowellenund Millimeterwellenoszillationen ist jedoch ein weniger bekanntes Anwendungsgebiet.
Doppelstreifen-Laser sind Halbleiterstrukturen, in denen nicht nur eine aktive Schicht, sondern zwei parallele aktive Streifen vergraben sind. Die Existenz dieser zwei aktiven Bereiche ermöglicht das Entstehen einer Schwingung des vom Halbleiter abgestrahlten Lichts. Dieses Licht könnte unter bestimmten Bedingungen moduliert oder als Mikrowellen- bzw. Millimeterwellenoszillator benutzt werden.

Diese Arbeit befasst sich mit dieser Art von Strukturen. Die Einleitung der Arbeit stellt die Prinzipien der Erzeugung kohärenten Lichts vor, sowie die meist verbreiteten Arten von Laserdioden.
Darauffolgend werden die theoretischen Grundlagen der Arbeit präsentiert. Das Ziel unserer Forschung ist die Entwicklung einer Modellierung, die zum theoretischen Begreifen des Doppelstreifen-Lasers beiträgt. Dieses Verständnis soll zur Optimierung dieser Struktur führen. Die Erzeugung einer rauscharmen Oszillation im Bereich von Gigahertz ist der endgültige Zweck der Optimierung.
Diese Arbeit geht von der Anwendung eines Wanderwellenmodells aus. Herkömmliche Modellierungen wurden jedoch auf die Simulation von gewöhnlichen Lasern mit einem einzigen aktiven Streifen angewendet. Auf der Theorie dieser Modelle basierend, wurde ein Wanderwellenmodell für Doppelstreifen-Laser entwickelt. Das Entstehen von zwei gleichzeitig existierenden lateralen Moden (als symmetrische bzw. antisymmetrische Mode bezeichnet), die leicht unterschiedliche Brechungsindices aufweisen, ermöglicht die Erzeugung der angestrebten Oszillation.
Unseren überlegungen zu Folge sind zwei nachrichtentechnische Anwendungen dieses Phänomens von Bedeutung:

• Ein Laser kann nur im Basisband moduliert werden. Wird eine vom Bauteil abhängende Frequenz erreicht (fc), fällt die Leistung des Lichts stark ab. Die Bandbreite der modulierenden Signale kann aus diesem Grund nur einige Gigahertz betragen. Die Erzeugung einer Oszillation im Bereich von Gigahertz ermöglicht jedoch die Modulation des Lasers um diese Schwingung, was eine zusätzliche Bandbreite zur Signalübertragung bietet, wie diese Arbeit bewiesen hat.

• Eine besonders wichtige Anwendung eines Doppelstreifen-Lasers kann durch die Optimierung der erzeugten Oszillation erreicht werden. Dies führt zu einer rauscharmen Schwingung, die eine sehr niedrige Linienbreite aufweist. Solche Oszillationen können als Mikro- und Millimeterwellenquellen zum Einsatz kommen, die über lange Strecken mittels Glasfaser übertragen und verteilt werden, was aus nachrichtentechnischer Sicht sehr attraktiv ist. Solche engen Linienbreiten können bisher nur mittels komplizierter Systeme (z. B. über optische Injektion) erreicht werden. Die vorliegende Arbeit hat gezeigt, dass die dem Doppelstreifen-Laser inhärente optische Kopplung eine technisch machbare Reduktion der Linienbreite ermöglicht.

Die Erweiterung des Wanderwellenmodells und die theoretische Erklärung der zweiten der oben genannten Anwendungen bilden die wichtigsten Ergebnisse der vorliegenden Arbeit, die zu einer zukünftigen, praktischen Entwicklung solcher Quellen als Grundlage dienen könnten.