Membran-DFB-Laser mit seitlicher Injektion

• Antragsteller: Dr. Markus Kantner; Professor Dr. Martin Schell
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 567090370

Ziel des Projekts "Lateral Current Injection Membrane DFB Lasers" (Membran DFB-Laser mit seitlicher Injektion, DFB: distributed feedback) ist die Erforschung und Entwicklung neuartiger Laserdioden, die im Hinblick auf eine hohe Modulationsbandbreite und eines geringen Laser-Schwellstroms aufgrund ihres speziellen Designs neue Rekordwerte versprechen. Dies wird durch eine bisher noch wenig verbreitete Membranstruktur ermöglicht, mit der eine signifikante Miniaturisierung ohne Verlust der optischen Modenführung erreicht werden kann. In einer Kooperation zwischen der Technischen Universität Berlin (TUB) und dem Weierstrass Institut für Angewandte Analysis und Stochastik (WIAS) soll das Potenzial dieser Bauelemente in einem mehrstufigen Prozess sowohl theoretisch als auch experimentell erforscht und schließlich maximal ausgereizt werden. Da existierende Simulations-Tools für Halbleiterlaser vornehmlich für die klassische vertikale Strominjektion ausgelegt sind, ist zur vollständigen Erfassung des komplexen Zusammenspiels der thermischen, elektronischen und optischen Effekte im Laser die Neuentwicklung eines Simulations-Modells erforderlich, welches auf die Besonderheiten von LCI-Membranlasern (LCI: lateral current injection) zugeschnitten ist und im Rahmen des Projekts am WIAS vorgenommen wird. Das Multi-Physik-Simulations-Tool ermöglicht sowohl die Untersuchung des Zusammenspiels der zahlreichen Design-Parameter als auch die Optimierung des Bauelemente-Designs im Hinblick auf verschiedene Kennwerte mittels mathematischer Optimierungsmethoden. Parallel werden an der TUB die technologischen Grundlagen zur Herstellung von LCIMembranlasern auf Basis von Indium-Phosphid-Halbleitermaterialen erarbeitet. Durch die experimentelle Charakterisierung und Untersuchung verschiedener hergestellter Design-Varianten u.a. auf Schwellstrom, Ausgangsleistung und Modulationsverhalten soll das am WIAS entwickelte Simulations-Modell mittels Messdaten kalibriert und verifiziert werden. Umfangreiche numerische Simulationen und modellgestützte Optimierungsstudien werden anschließend wichtige Design-Entscheidungen für die nachfolgenden Iterationen der Bauelemente-Herstellung leiten. Am Ende des Projekts soll auf der einen Seite ein vollständiges Simulationswerkzeug stehen, mit dem zu einer gewünschten Anforderung an einen LCI-Membranlaser der dafür optimale Satz von Design-Parametern bestimmt werden kann. Zum anderen sollen LCI-Membran-DFB-Laser mit einem Schwellstrom von deutlich unter 1 mA und einer Modulationsfrequenz von über 40 GHz (ohne Ausnutzung von Photon-Photon-Resonanz) entstehen. Eine an der TUB erstmalig umgesetzte Design-Variante, bei der die Membranlaser (im Gegensatz zu allen bisherigen Publikationen) während der gesamten Prozessierung auf ihrem ursprünglichen Substrat verbleiben, bietet den Ausgangspunkt für die monolithische Integration mit weiteren optischen Halbleiter-Bauelementen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortliche: Privatdozent Dr. Martin Eigel; Dr. Martin Möhrle