Mehrere Supermoden

Im vorherigen Abschnitt wurde die laterale Feld- und Phasenverteilung einer einzel-nen Supermode, bestehend aus vier gekoppelten Filamenten, anhand ihrer Propaga-tion vom Nahfeld ins Fernfeld rekonstruiert. Dazu wurde eine Messung gew¨ahlt bei der die gesamte Lasermode koh¨arent ist und somit nur diese eine Supermode existiert.

Wie jedoch in Kapitel 6.2 gezeigt wurde, kommt es bei h¨oheren Str¨omen zu einer in-koh¨arenten ¨Uberlagerung mehrerer Supermoden, was zu Ver¨anderungen im Nahfeld f¨uhrt. Im Folgenden sollen nun die entsprechenden Auswirkungen dieser inkoh¨arenten Uberlagerung mehrerer Supermoden auf das Fernfeld diskutiert werden. Dazu wird¨ eine Messung an Probe 17 bei einem Strom vonI= 1,54Ithherangezogen.

Wie bereits anhand von Abb. 6.3 gezeigt wurde, existieren bei dieser Probe in die-sem Fall zwei Supermoden, genannt X und Y. Der ¨Ubersichtlichkeit halber ist diese Abbildung hier als Abb. 7.10 nochmals gezeigt, wobei nun zus¨atzlich in (e-g) die ent-sprechenden Fernfeld-Messungen hinzugef¨ugt sind. Um die beiden Supermoden X und Y mit unterschiedlichen Propagationskonstanten auch im Fernfeld r¨aumlich zu tren-nen, integriert man wiederum das entsprechende r¨aumlich aufgel¨oste Spektrum in Abb.

7.10(f) ¨uber die in Abb. 7.10(a) jeweils blau bzw. rot markierten Bereiche. Auf diese Weise l¨asst sich das laterale Fernfeldprofil (schwarze Linie Abb. 7.10(g)) als eine ¨ Uber-lagerung der beiden Supermoden X (blau) und Y (rot) darstellen.

Die beiden Supermoden haben unterschiedliche FP-Modenk¨amme und daher auch un-terschiedliche Propagationskonstanten, somit sind sie nicht gekoppelt und propagieren unabh¨angig voneinander. Aus diesem Grund wird die in Abschnitt 7.3.1 beschriebene Fitprozedur f¨ur die beiden Supermoden getrennt durchgef¨uhrt. Abbildung 7.11(a) und (b) zeigt jeweils die simulierte Propagation der Supermoden X und Y f¨ur den Bereich 0µm< z <200µm. Die Normierung der Farbskalen in den Teilen (a) und (b) richtet sich nach den relativen Intensit¨aten der beiden Supermoden X und Y.

Die Richtigkeit der in Abb. 7.11(a) und (b) gezeigten Propagationen kann nun nicht direkt mit experimentellen Daten ¨uberpr¨uft werden. Eine direkte Messung der Propa-gation der unterschiedlichen Supermoden w¨are zu aufw¨andig, da an jedem Punkt (x, z) des Scans ein komplettes Spektrum aufgenommen werden m¨usste, um die beiden Su-permoden unterscheiden zu k¨onnen. Aber man kann nat¨urlich die spektral integrierte Intensit¨at w¨ahrend der Propagation messen, in derselben Art wie f¨ur den Fall nur einer Supermode. Diese Messung ist in Abb. 7.11(c) dargestellt und kann nun mit der Sum-me der Intensit¨aten der simulierten Propagationen von Supermode X und Y verglichen werden. Beim Aufsummieren muss nat¨urlich die unterschiedliche Intensit¨at der beiden Supermoden ber¨ucksichtigt werden. Das Ergebnis dieser inkoh¨arenten ¨Uberlagerung der beiden Supermoden ist in Abb.7.11(d) zu sehen und zeigt erneut eine sehr gute Ubereinstimmung mit dem nebenan dargestellten experimentell beobachteten Propa-¨

Wellenlänge [nm]

444,3 444,5 444,7

LateralePosition[µm]x

6 4 2 0 -2 -4 -6

Supermode X Supermode Y

(b) (c) (d)

(a)

(e) (f) (g)

-10 -5 0 5 10

LateralerFernfeldwinkel[°]

Abbildung 7.10.: (a) R¨aumlich integriertes Spektrum von Probe 17 bei einem Strom von I = 1,54I_th. (b, e) Intensit¨atsverteilung im Nahfeld bzw. Fernfeld. (c, f) Entsprechende r¨aumlich aufgel¨oste Spektren des jeweiligen lateralen Modenprofils. (d, g) Laterale Inten-sit¨atsprofile (schwarz) im Nahfeld bzw. Fernfeld. Die Lasermode ist eine ¨Uberlagerung der beiden Supermoden X (blau) und Y (rot), entsprechend der Markierung in (a).

gationsmuster f¨ur diesen Strom.

Man beachte, dass der zweite St¨utzpunkt f¨ur die simulierte Propagation in diesem Fall die lateralen Fernfeldprofile der beiden Supermoden aus Abb. 7.10(g) sind. Diese wurden in einem Abstandz₁von einigen Millimetern aufgenommen, wohingegen Abb.

7.11 nur die ersten 200µm der gemessenen und simulierten Propagation zeigt.

Interessanterweise ¨ahnelt die Propagation der Supermode X bei I= 1.54I_th, zu se-hen in Abb. 7.11(a), sehr dem Fall der einzigen Supermode bei niedrigerem Strom, siehe Abb. 7.7. Dies bedeutet, dass diese Supermode nicht oder nur sehr wenig von der zweiten Supermode Y beeinflusst wird, obwohl die beiden Supermoden sich r¨aum-lich ¨uberlagern. Wir beobachten also keine koh¨arente Kopplung verschiedener lateraler Moden mit unterschiedlichen Propagationskonstanten, wie sie zum Beispiel in [Herz00]

oder [Sche95] beschrieben wird.

Wie in Kapitel 6.2 beschrieben wurde, kommt es bei noch h¨oheren Str¨omen zum Auftreten weiterer Supermoden. Dies f¨uhrt dazu, dass das laterale Fernfeldprofil in

7.3. Rekonstruktion des Feldes und der Phase 147

10 µm 20 µm

10 µm 20 µm

(a) (b)

x z x

z

10 µm 20 µm (c)

10 µm 20 µm (d)

x z

x z

Abbildung 7.11.: Rekonstruierte Propagation der lateralen Intensit¨atsprofile von (a) Super-mode X und (b) SuperSuper-mode Y von Probe 17 beiI= 1.54I_th. Die experimentellen Daten f¨ur die jeweiligen Fits sind die Nahfeld- und Fernfeldprofile der beiden Supermoden aus Abb.

7.10(d) und (g). (c) Gemessene Propagation des spektral integrierten Intensit¨atsprofils dersel-ben Probe unter identischen Bedingungen. (c) Inkoh¨arente ¨Uberlagerung der rekonstruierten Propagation der beiden Supermoden X und Y aus den Teilen (a) und (b).

¨ahnlicher Weise wie der Wellenleiter im Nahfeld ”aufgef¨ullt” wird. Die ausgepr¨agten Keulen im lateralen Fernfeldprofil bei der Existenz einer einzelnen Supermode wer-den also durch das Hinzukommen zus¨atzlicher Supermower-den abgeschw¨acht. Somit ist also die Abwesenheit eines ausgepr¨agten Interferenzmusters im spektral integrierten Fernfeld keineswegs ein Beweis f¨ur die Abwesenheit von Supermoden, vielmehr kann es sich genauso gut um eine inkoh¨arente ¨Uberlagerung mehrerer Supermoden handeln, wodurch einzelnen Interferenzmuster verschleiert werden.

Zusammenfassend l¨asst sich also feststellen, dass die Form des lateralen Fernfeldpro-fils von (Al,In)GaN Breitstreifenlasern somit eine starke Stromabh¨angigkeit zeigt. Wie in Kapitel 5 gezeigt wurde, haben auch thermische Effekte einen Einfluss auf das

Modenverhalten im Wellenleiter. Somit ist anzunehmen dass auch das Fernfeld von thermischen Einfl¨ussen abh¨angig ist. Da ein solches Verhalten nat¨urlich in Hinsicht auf m¨ogliche Anwendungen unerw¨unscht ist, stellt sich die Frage, wie bei (Al,In)GaN Breitstreifenlasern ein stabiles Fernfeld bei guter Strahlqualit¨at realisierbar w¨are.

Meiner Meinung nach kann das Auftreten von Filamenten an sich in (Al,In)GaN Laser-dioden nicht verhindert werden. Daher sollte eher nach M¨oglichkeiten gesucht werden, den Prozess der Filamentierung zu kontrollieren. Dies k¨onnte zum Beispiel in Form einer periodischen St¨orung der Wellenleiterstruktur in lateraler Richtung geschehen.

Prinzipiell gibt es dazu zwei verschiedene Ans¨atze, n¨amlich entweder den Realteil oder den Imagin¨arteil des lateralen Brechungsindexprofils innerhalb des Wellenleiters zu modulieren und somit eine zus¨atzliche indexgef¨uhrte bzw. gewinngef¨uhrte Struktur zu erzeugen. In [Salz86] wird beispielsweise beschrieben, wie durch eine periodische Modulation der Spiegelreflektivit¨at eines GaAs Breitstreifenlasers eine phasengleiche Kopplung der einzelnen Filamente erreicht wird.

Diese Herangehensweise ¨ahnelt nat¨urlich in gewisser Weise der Idee von Array-Struktu-ren. Darunter versteht man eine regelm¨aßige Anordnung mehrerer Laserdioden, die in entsprechend kleinem Abstand voneinander angeordnet sind, so dass die Lasermoden der einzelnen Laserdioden ein gemeinsames Fernfeld bilden. Solche Array-Strukturen wurden auch im (Al,In)GaN Materialsystem bereits realisiert [Goto03, Holc09], al-lerdings reicht deren Ausgangsleistung bei weitem noch nicht an die in [Br¨un09] de-monstrierte Leistung einzelner (Al,In)GaN Breitstreifenlaser heran. Bei diesen Array-Strukturen stellt sich dann nat¨urlich die Frage, ob eine phasengleiche Kopplung, wie sie zum Beispiel in [Kish92] f¨ur GaAs Array-Strukturen gezeigt wird, oder aber eine inkoh¨arente ¨Uberlagerung der einzelnen Lasermoden erreicht werden will. Ziel muss es auf jeden Fall sein, ein ¨uber einen weiten Strombereich stabiles Strahlprofil zu erzeu-gen.