DE102016115723A1

DE102016115723A1 - Wellenleiterstruktur und optisches System mit Wellenleiterstruktur

Info

Publication number: DE102016115723A1
Application number: DE102016115723.6A
Authority: DE
Inventors: Andre Müller; Götz Erbert; Jörg Fricke; Hans Wenzel; Bernd Sumpf; Katrin Paschke
Original assignee: Forschungsverbund Berlin FVB eV
Current assignee: Ferdinand Braun Institut GgmbH Leibniz Inst Fuer Hoechstfrequenztechnik
Priority date: 2016-08-24
Filing date: 2016-08-24
Publication date: 2018-03-01
Also published as: WO2018036964A1; US20190273359A1; US10833478B2; DE102016115723A8; EP3501069A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wellenleiterstruktur und ein optisches System mit einer Wellenleiterstruktur. Die erfindungsgemäße Wellenleiterstruktur (100) umfasst einen ersten Wellenleiterbereich (10) mit einer konstanten ersten Breite (w1), dazu ausgebildet, elektromagnetische Wellen modenerhaltend entlang seiner Längsachse (L10) zu führen; einen zweiten Wellenleiterbereich (20), dazu ausgebildet, elektromagnetische Wellen modenerhaltend entlang seiner Längsachse (L20) zu führen, wobei die Längsachse (L10) des ersten Wellenleiterbereichs (10) und die Längsachse (L20) des zweiten Wellenleiterbereichs (20) eine gemeinsame Längsachse (L10, L20) der Wellenleiterstruktur (100) ausbilden, wobei eine erste Stirnfläche des ersten Wellenleiterbereichs (10) und eine erste Stirnfläche des zweiten Wellenleiterbereichs (20) zueinander ausgerichtet sind, wobei die Breite der ersten Stirnfläche des zweiten Wellenleiterbereichs (20) der ersten Breite (w1) entspricht, und sich die Breite (w) des zweiten Wellenleiterbereichs (20) entlang seiner Längsachse (L20) von der ersten Stirnfläche zu einer zweiten Stirnfläche auf eine zweite Breite (w2) größer als die erste Breite (w1) aufweitet; und ein Gitter (40) mit einer Vielzahl von Stegen (42) und Gräben (44), wobei das Gitter (40) entlang der gemeinsamen Längsachse (L10, L20) im zweiten Wellenleiterbereich (20) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wellenleiterstruktur und ein optisches System mit einer Wellenleiterstruktur. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung die Verbesserung der Reflektivität einer Wellenleiterstruktur mit einem integrierten Reflexionsgitter innerhalb des optischen Systems eines Halbleiterlasers.
Technologischer Hintergrund der Erfindung
Für den Einsatz von Halbleiterlasern in vielen Anwendungsgebieten, wie z.B. der Materialanalyse (Spektroskopie), der interferometrischen Vermessungstechnik, in LIDAR-Systemen sowie in der Telekommunikation und in der Materialbearbeitung muss die Lichtemission einzel- bzw. monomodig bei einer möglichst geringen spektralen Bandbreite erfolgen. Oberflächengitter, d.h. periodische Oberflächenstrukturen, die durch teilweisen Abtrag (Ätzen) des Halbleitermaterials der Wellenleiterschichten erzeugt werden, sind eine häufig in Halbleiterlasern verwendete Art von Bragg-Gittern zur Wellenlängenstabilisierung des emittierten Laserlichtes. Diese Bragg-Gitter werden als Reflektoren in den Halbleiterlasern eingesetzt. Aufgrund der periodischen Struktur ist das Reflexionsvermögen stark von der Wellenlänge abhängig und in Verbindung mit dem optischen Gewinn des Materials kann das gewünschte spektrale Verhalten erreicht werden. Die beste Wellenlängenstabilität, insbesondere über einen großen Temperaturbereich, kann erreicht werden, wenn das Gitter auf der Rückseite des Resonators eingesetzt wird. Für einen effizienten Laserbetrieb mit geringer Laserstromschwelle sowie hoher Steilheit auf der Auskoppelseite ist eine hohe Reflektivität der Bragg-Gitter, typischerweise von 80% und mehr, notwendig.
Für die meisten der oben genannten Anwendungen muss der Halbleiterlaser auch räumlich im Grundmodenbetrieb anschwingen. Dabei werden zur Führung der elektromagnetischen Wellen innerhalb des Halbleiterlasers zumeist schmale Rippen- oder Streifenwellenleiter mit Breiten um etwa 5 µm eingesetzt. Es zeigte sich jedoch, dass das Reflexionsvermögen der oben beschriebenen Oberflächengitter, wenn diese in Lasern mit derartig schmalen Streifenbreiten eingesetzt werden, nur Werte von maximal 60%, typischerweise aber nur Werte um 30% und kleiner, erreicht. Es ist anzunehmen, dass es in den schmalen Wellenleitern zu einer Wechselwirkung des Gitters mit der lateralen Wellenführung kommt, so dass Abstrahlverluste auftreten, die das Reflexionsvermögen einschränken.
Rauter et al. („Single-mode tapered quantum cascade lasers", Appl. Phys. Lett. 102, 181102 (2013)) offenbart, dass durch eine Verringerung der Breite des Rippenwellenleiters im DBR-Bereich eines Quantenkaskaden-Trapezlasers eine longitudinale und transversale Filterung von Lasermoden für einen entsprechenden Einzelmodenbetrieb des Trapezlasers erfolgen kann. DBR-Trapezlaser werden durch Paschke et al. („High power single mode 980 nm DBR tapered diode lasers with integrated sixth order surface gratings based on simplified fabrication process", Proc. SPIE 6184, Semiconductor Lasers and Laser Dynamics II, 618401 (April 14, 2006)) offenbart.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Wellenleiterstruktur und ein optisches System mit Wellenleiterstruktur mit einem integrierten Gitter zur Verfügung zu stellen, welche die beschriebenen Nachteile des Standes der Technik überwinden und die es insbesondere ermöglichen, die Reflektivität des Bragg-Gitters speziell bei für einen auf Einzelmodenbetrieb ausgelegten Rippenwellenleiterlaser auf Werte größer 80% zu erhöhen. Eine erfindungsgemäße Wellenleiterstruktur mit erhöhter Gitter-Reflektivität soll neben Halbleiterlasern auch für allgemeine optische Systeme anwendbar sein.
Zusammenfassung der Erfindung
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch die unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.
Die erfindungsgemäße Wellenleiterstruktur umfasst einen ersten Wellenleiterbereich mit einer konstanten ersten Breite, dazu ausgebildet, elektromagnetische Wellen modenerhaltend entlang seiner Längsachse zu führen; einen zweiten Wellenleiterbereich, dazu ausgebildet, elektromagnetische Wellen modenerhaltend entlang seiner Längsachse zu führen, wobei die Längsachse des ersten Wellenleiterbereichs und die Längsachse des zweiten Wellenleiterbereichs eine gemeinsame Längsachse der Wellenleiterstruktur ausbilden, wobei eine erste Stirnfläche des ersten Wellenleiterbereichs und eine erste Stirnfläche des zweiten Wellenleiterbereichs zueinander ausgerichtet sind, wobei die Breite der ersten Stirnfläche des zweiten Wellenleiterbereichs der ersten Breite entspricht, und sich die Breite des zweiten Wellenleiterbereichs entlang seiner Längsachse von der ersten Stirnfläche zu einer zweiten Stirnfläche auf eine zweite Breite größer als die erste Breite aufweitet; und ein Gitter mit einer Vielzahl von Stegen und Gräben, wobei das Gitter entlang der gemeinsamen Längsachse im zweiten Wellenleiterbereich angeordnet ist. Der zweite Wellenleiterbereich und das Gitter sind ausgebildet, elektromagnetische Wellen im zweiten Wellenleiterbereich modenerhaltend entlang der gemeinsamen Längsachse zu führen und modenerhaltend zu reflektieren. Der erste Wellenleiterbereich, der zweite Wellenleiterbereich und das Gitter sind ausgebildet, elektromagnetische Wellen im ersten Wellenleiterbereich und im zweiten Wellenleiterbereich modenerhaltend entlang der gemeinsamen Längsachse zu führen und modenerhaltend zu reflektieren.
Die Breite eines Wellenleiters entspricht dem Abstand einander gegenüberliegender Seitenbereiche des Wellenleiters und wird senkrecht zur Längsachse des Wellenleiters bestimmt. Konstante Breite bedeutet dabei, dass die Breite des Wellenleiters für jede Position entlang der Längsachse des Wellenleiters im Wesentlichen gleich ist und Schwankungen in der Breite des Wellenleiters vernachlässigbar sind. Vorzugsweise schwankt die Breite des Wellenleiters gegenüber einer mittleren Breite des Wellenleiters dabei um maximal 0,1%, unter 1% oder unter 5%. Modenerhaltende Führung bedeutet, dass ein Wellenleiter eine elektromagnetische Welle in mindestens einer transversalen Ausbreitungsmode im Wesentlichen stabil entlang der Längsachse des Wellenleiters führen kann. Dabei bedeutet im Wesentlichen stabil, dass bei der Führung der elektromagnetischen Welle in mindestens einer transversalen Ausbreitungsmode nur eine vernachlässigbare Kopplung an andere Wellenleitermoden erfolgt. Vorzugsweise verbleiben bei der Propagation elektromagnetischer Wellen entlang der Längsachse eines Wellenleiters in der mindestens eine modenerhaltend geführte transversalen Ausbreitungsmode mindestens 99,9%, mindestens 98%, mindestens 95% oder mindestens 90% der in diese Ausbreitungsmode eingekoppelten Energie in den jeweiligen Moden.
Als Stirnflächen oder Facetten eines Wellenleiters werden die zur Ein- und Auskopplung von elektromagnetischen Wellen ausgebildeten Bereiche des Wellenleiters bezeichnet. Wenn eine erste Stirnfläche des ersten Wellenleiterbereichs und eine erste Stirnfläche des zweiten Wellenleiterbereichs zueinander ausgerichtet sind, so kann eine Kopplung zwischen den Ausbreitungsmoden der beiden Wellenleiterbereiche erfolgen. Die Stirnflächen können dabei unmittelbar aneinandergrenzen oder voneinander beabstandet sein. Vorzugsweise ist der Abstand kleiner als die Wellenlänge einer im Wellenleiter geführten elektromagnetischen Welle. Bevorzugt ist ein Abstand größer als 1/10 der Wellenlänge einer im Wellenleiter geführten elektromagnetischen Welle.
Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Wellenleiterstruktur dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Breite die erste Breite um mehr als 20%, mehr als 25%, mehr als 50%, übersteigt.
Besonders bevorzugt übersteigt die zweite Breite die erste Breite um mehr als 100%, mehr als 200%, mehr als 500%, mehr als 1000%, oder mehr als 2500%. Vorzugsweise weist der zweite Wellenleiterbereich eine Gesamtlänge von größer als 200 µm, größer als 500 µm, größer als 1000 µm oder größer als 2500 µm auf. Vorzugsweise weist der erste Wellenleiterbereich eine konstante erste Breite von größer als 1 µm, größer als 2 µm, größer als 5 µm, größer als 10 µm oder größer als 25 µm auf. Bevorzugt kann eine erfindungsgemäße Wellenleiterstruktur eine erste Breite zwischen 2 µm und 5 µm und eine zweite Breite zwischen 18 µm und 22 µm aufweisen. Ebenfalls bevorzugt ist eine erfindungsgemäße Wellenleiterstruktur mit einer ersten Breite zwischen 3 µm und 7 µm und einer zweiten Breite zwischen 25 µm und 35 µm. Vorzugsweise ist die Wellenleiterstruktur zur Führung elektromagnetischer Wellen aus dem sichtbaren Spektralbereich ausgebildet. Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Wellenleiterstruktur zur Führung elektromagnetischer Wellen aus dem infraroten oder ultravioletten Spektralbereich ausgebildet. Besonders bevorzugt ist die Wellenleiterstruktur zur Führung elektromagnetischer Wellen aus dem Spektralbereich zwischen 0,6 µm und 1,1 µm ausgebildet. Vorzugsweise ist der erste Wellenleiterbereich dazu ausgebildet, nur eine einzelne transversale Ausbreitungsmode führen.
Bei dem Gitter handelt es sich bevorzugt um ein Bragg-Reflexionsgitter. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Bragg-Reflexionsgitter um ein Oberflächengitter. Die Form der Gräben ist vorzugsweise rechtwinklig oder zu einem Grabenminimum spitz zulaufend (Furchen). Die Stege sind dadurch gekennzeichnet, dass die Stege die Grabenmaxima benachbarter Gräben miteinander verbinden. Im Fall von maximal dicht aneinander angeordneten Furchen kann ein Steg auch über den Berührungspunkt zweier aneinander anliegenden Furchenkanten definiert werden.
Der zweite Wellenleiterbereich und das Gitter sind ausgebildet, elektromagnetische Wellen im zweiten Wellenleiterbereich modenerhaltend entlang der gemeinsamen Längsachse zu führen und modenerhaltend zu reflektieren. Wird also beispielsweise die räumliche Grundmode des ersten Wellenleiterbereichs an der freien (zweiten) Stirnfläche des ersten Wellenleiterbereichs angeregt, so wird die entsprechende elektromagnetische Wellen modenerhaltend als räumliche Grundmode entlang der Längsachse des ersten Wellenleiterbereichs geführt, modenerhaltend in den zweiten Wellenleiterbereich eingekoppelt und dort ebenfalls jeweils lokal als räumliche Grundmode weitergeführt. Durch eine Reflexion am Gitter wird die Ausbreitungsrichtung der Mode umgekehrt, so dass nach einem erneuten Rückkoppeln in den ersten Wellenleiterbereich an der freien (zweiten) Stirnfläche des ersten Wellenleiterbereichs ebenfalls wieder die räumliche Grundmode des ersten Wellenleiterbereichs emittiert wird. Der erste Wellenleiterbereich, der zweite Wellenleiterbereich und das Gitter sind somit dazu ausgebildet, für mindestens eine an der freien (zweiten) Stirnfläche des ersten Wellenleiterbereichs angeregte transversale Ausbreitungsmode des ersten Wellenleiterbereichs eine modenerhaltende Richtungsumkehr zu bewirken. Eine modenerhaltende Führung und Reflexion kann auch für Ausbreitungsmoden höherer Ordnung sowie beliebige Superpositionen von solchen modenerhaltend geführten und reflektierten Ausbreitungsmoden vorliegen.
Die Wellenleiterstruktur umfasst somit einen ersten Wellenleiterbereich mit einer konstanten ersten Breite und einen daran mittel- oder unmittelbar angrenzenden zweiten Wellenleiterbereich mit einem zumindest abschnittsweise integrierten Reflexionsgitter, wobei sich die Breite des zweiten Wellenleiterbereichs entlang seiner Längsachse von der ersten Breite auf eine zweite Breite größer als die erste Breite aufweitet. Der zweite Wellenleiterbereich kann dabei Abschnitte konstanter Breite, insbesondere einen ausgedehnten Längenabschnitt mit einer konstanten zweiten Breite umfassen. Die Wellenleiterstruktur und insbesondere der Übergangsbereich von der ersten Breite zur zweiten Breite der Wellenleiterstruktur müssen zur Modenerhaltung das sogenannte Adiabatizitätskriterium für die Modenerhaltung in sich verjüngender (oder aufweitender) Wellenleiterstrukturen erfüllen. Das Adiabatizitätskriterium wird beispielsweise in Yunfei Fu et. al., „Efficient adiabatic silicon-on-insulator waveguide taper", Photon. Res. 2(3) (2014) definiert.
Die Idee der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass die Reflektivität einer in einen Wellenleiter integrierten Gittersektion, beispielsweise eines in einen Rippenwellenleiter integrierten Bragg-Gitters, von dessen Breite abhängt, wobei die Reflektivität des Gitters mit der Breite des Rippenwellenleiters ansteigt (siehe 4). Allerdings sind Wellenleiter geringer Breite insbesondere in auf Einzelmodenbetrieb ausgelegten Rippenwellenleiterlasern eine Voraussetzung dafür, um Einzelmodenbetrieb mit extrem schmalen Emissionsbreiten realisieren zu können. Da für einen möglichst kompakten und zuverlässigen Resonatoraufbau die effektive Länge eines in den Wellenleiter integrierten Gitters möglichst gering gehalten werden muss, kann durch eine Erhöhung der Reflektivität des Gitters die erforderliche Gitterlänge reduziert werden.
Insbesondere kann eine erfindungsgemäße Wellenleiterstruktur dazu genutzt werden, die Reflektivität des rückseitigen Gitters des Resonators eines Halbleiterlasers zu maximieren und damit die gegenüber einem konventionellen Laseraufbau zur Erreichung einer bestimmten Reflektivität insgesamt benötigte Gitterlänge zu reduzieren bzw. bei vergleichbarer Gitterlänge eine erhöhte Reflektivität zu erreichen. Eine erfindungsgemäße Wellenleiterstruktur kann jedoch beispielsweise auch mit geringerer Reflektivität als Auskoppelgitter an der Frontseite eines solchen Halbleiterlasers angeordnet werden. Dadurch ergibt sich der technische Vorteil, dass durch die verbesserte Effizienz des Gitters der passive Bereich des Lasers auch in diesem Bereich weiter verkürzt werden kann.
Erfindungsgemäß wird eine Erhöhung der Reflektivität des Gitters dadurch erreicht, dass die Breite einer Wellenleiterstruktur ausschließlich im Bereich des Gitters erhöht wird, wobei ein Übergang von einem Wellenleiterbereich mit geringer Breite zu einem Wellenleiterbereich mit hoher Breite erfolgt. Dabei muss jedoch stets gewährleistet bleiben, dass keine oder nur eine vernachlässigbar geringe Kopplung zwischen unterschiedlichen transversalen Ausbreitungsmoden der Wellenleiterstruktur auftreten, da es ansonsten zu spektralen Instabilitäten und einem Verlust der Einzelmodigkeit des Lasers kommen kann. Weiterhin kann es hohen Leistungsverlusten im Resonator und damit zu einer verminderten Effizienz des Lasers kommen. Eine entsprechende Wellenleiterstruktur sollte daher eine modenerhaltende Führung und Reflexion elektromagnetischer Wellen ermöglichen. Diese Bedingung wird erfindungsgemäß dadurch erfüllt, dass der Übergang von einem Wellenleiterbereich geringer Breite zu einem Wellenleiterbereich mit hoher Breite über einen ausgedehnten Längenabschnitt adiabatisch (siehe Yunfei Fu et. al., „Efficient adiabatic silicon-on-insulator waveguide taper", Photon. Res. 2(3) (2014)) erfolgt. Dadurch wird gewährleistet, dass die Wellenleiterstruktur als kompakter und effizienter Retroreflektor für in die Wellenleiterstruktur eingekoppelte elektromagnetische Wellen fungieren kann. Die effektive Länge eines in die Wellenleiterstruktur integrierten Gitters kann dadurch erheblich reduziert werden. Vorzugsweise entspricht die Breite der Wellenleiterstruktur im Bereich des Gitters einem Vielfachen einer Breite der Wellenleiterstruktur in einem Bereich außerhalb des Gitters.
Eine erfindungsgemäße Wellenleiterstruktur kann überall dort zur Reflexion einer in einem Wellenleiter geführten elektromagnetischen Welle eingesetzt werden, wo es auf die Art der geführten transversalen Ausbreitungsmode sowie eine besonders kompakte Bauweise des damit verbundenen optischen Systems ankommt. Optische Systeme, die entsprechende Wellenleiterstrukturen umfassen können, sind beispielsweise allgemeine wellenleiterbasierte Interferometerstrukturen, optische Koppler, Modulatoren, Multiplexer/De-Multiplexer, Phasenschieber oder Signalverzögerer. Vorzugsweise ist eine erfindungsgemäße Wellenleiterstruktur als kompaktes, hochreflektives und modenerhaltendes frequenzselektives Rückkopplungselement in den Resonator eines Halbleiterlasers integriert.
Vorzugsweise umfasst der zweite Wellenleiterbereich entlang seiner Längsachse einen ausgedehnten Längenabschnitt mit einer konstanten zweiten Breite. Vorzugsweise grenzt dieser Bereich unmittelbar an die zweite Stirnfläche mit der zweiten Breite des zweiten Wellenleiterbereichs an. Weiterhin kann der zweite Wellenleiterbereich auch entlang seiner Längsachse mehrere solcher ausgedehnten Längenabschnitte aufweisen. Beispielsweise kann sich die Breite des zweiten Wellenleiterbereichs entlang seiner Längsachse von der ersten Stirnfläche zu einer zweiten Stirnfläche auf eine zweite Breite größer als die erste Breite aufweiten, wobei die Aufweitung einzelne dazwischenliegende Abschnitte mit einer konstanten dritten Breite und einer konstanten vierten Breite aufweist, wobei die dritte Breite und die vierte Breite jeweils größer als die erste Breite und kleiner als die zweite Breite sind.
Vorzugsweise ist das Gitter ausschließlich in dem ausgedehnten Längenabschnitt mit der zweiten Breite des zweiten Wellenleiterbereichs angeordnet. Ebenfalls bevorzugt ist, dass das Gitter über den gesamten zweiten Wellenleiterbereich verteilt angeordnet ist. Besonders bevorzugt befindet sich das Gitter ausschließlich in einem Abschnitt des zweiten Wellenleiterbereichs mit einer nicht konstanten Breite.
Vorzugsweise erstreckt sich die Vielzahl von Stegen und Gräben des Gitters über die gesamte Breite des zweiten Wellenleiterbereichs. In einer ebenfalls bevorzugten Ausführungsform des Gitters erstreckt sich die Vielzahl von Stegen und Gräben des Gitters zumindest abschnittsweise nicht über die gesamte Breite des zweiten Wellenleiterbereichs. Dabei ist bevorzugt, dass die Stege und Gräben des Gitters ausschließlich im Bereich der Außenseiten des zweiten Wellenleiterbereichs angeordnet sind, wobei sich die Breite eines solchen Steges bzw. Grabens aus der Summe der einzelnen Segmente des betreffenden Steges bzw. Grabens ergibt. Ebenfalls bevorzugt ist, dass die Stege und Gräben des Gitters ausschließlich im Bereich der Mitte des zweiten Wellenleiterbereichs angeordnet sind. Beide Ausführungsformen bei der Anordnung der Stege und Gräben des Gitters können auch abschnittsweise abwechselnd auftreten.
Vorzugsweise weisen die Tiefe der Gräben und/oder die Breite der Stege der Vielzahl von Stegen und Gräben des Gitters jeweils konstante oder sich entlang des Gitters monoton ändernde (Nominal-)Werte auf. Insbesondere kann es sich hierbei um apodisierte Gitter bzw. sogenannte „zwitschernde“ Gitter (chirped gratings) handeln.
Besonders bevorzugt verlaufen die Stege und Gräben des Gitters parallel zu einer Stirnfläche des zweiten Wellenleiterbereichs. Weiterhin bevorzugt ist, dass die Stege und Gräben des Gitters einen Winkel größer als 1°, größer als 5° oder größer als 10° zu einer Stirnfläche des zweiten Wellenleiterbereichs einschließen. Vorzugsweise ist dieser Winkel kleiner als 15°.
Vorzugsweise handelt es sich bei den Wellenleitern im ersten und zweiten Wellenleiterbereich um Streifenwellenleiter (stripe waveguides) oder Rippenwellenleiter (ridge waveguides).
Vorzugsweise weitet sich die Breite w des zweiten Wellenleiterbereichs entlang seiner Längsachse von der ersten Breite w₁ auf die zweite Breite w₂ gemäß w(x) = w₁ + (a·(1 – e^b·x + c·x^d); w(0) = w₁ und w(1) = w₂ auf, wobei x einer linearen Parametrisierung der Aufweitungslänge von 0 bis 1 entspricht und a, b, c, d positive reelle Zahlen (einschließlich 0) darstellen. Der Parameterwert 0 entspricht dem Ursprung der Längsachse an der ersten Stirnfläche des zweiten Wellenleiterbereichs. Der Parameterwert 1 entspricht der Aufweitungslänge als maximaler Länge des Längsachsenabschnittes des zweiten Wellenleiterbereichs, auf dem sich die Breite w des zweiten Wellenleiterbereichs entlang seiner Längsachse von der ersten Stirnfläche zu der zweiten Stirnfläche auf eine zweite Breite w₂ größer als die erste Breite w₁ aufweitet. Die Aufweitung erfolgt daher vorzugsweise mit potenziellen oder exponentiellen Wachstumsanteilen für die Breite des zweiten Wellenleiterbereichs. Dabei bestimmen b und c die Stärke des jeweiligen Wachstumsanteils, während a und c entsprechende Vorfaktoren zum Erfüllen der jeweiligen Randbedingungen darstellen. Besonders bevorzugt erfolgt eine Aufweitung linear, rein potenziell, rein quadratisch oder einfach exponentiell. Insbesondere eine rein potenzielle Aufweitung mit a = 0 und d ≥ 1 ist aufgrund ihrer einfachen Herstellbarkeit und einem mit der Breite eines sich verjüngenden oder aufweitenden Wellenleiters deutlich abnehmenden Einfluss der Breite auf die Modenerhaltung besonders bevorzugt. Weiterhin ist besonders bevorzugt, dass sich die Breite w des zweiten Wellenleiterbereichs entlang seiner Längsachse von der ersten Breite w₁ auf die zweite Breite w₂ mit a = 0, c = 1 und d = 1 aufweitet. Ebenfalls besonders bevorzugt sind Aufweitungen mit a = 0, c = 0 und d = 2 sowie a = 1, b = 1 und c = 0.
Kurzbeschreibung der Figuren
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wellenleiterstruktur in Seitenansicht und Aufsicht;
2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wellenleiterstruktur;
3 schematische Darstellungen weiterer Ausführungsformen erfindungsgemäßer Wellenleiterstrukturen;
4 eine schematische Darstellung einer gekrümmten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wellenleiterstruktur;
5 eine grafische Darstellung der Abhängigkeit zwischen der Reflektivität des Gitters und der Wellenleiterbreite;
6 eine grafische Darstellung der minimal erforderlichen Aufweitungslänge in Abhängigkeit von der Wellenlänge und der Wellenleiterbreite bei trapezförmiger Aufweitung;
7 grafische Darstellungen der Reflektivitäten verschiedener Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Halbleiterlasers;
8 Kennlinien aus Pulsmessungen an Riegeln verschiedener Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Halbleiterlasers einer ersten Wellenlänge; und
9 Kennlinien aus Pulsmessungen an Riegeln verschiedener Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Halbleiterlasers einer zweiten Wellenlänge.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wellenleiterstruktur 100 in Seitenansicht und Aufsicht. An eine erste Stirnfläche eines ersten Wellenleiterbereichs 10 mit einer konstanten ersten Breite w₁ schließt sich eine erste Stirnfläche eines zweiten Wellenleiterbereichs 20 mit einer Breite w₁ gleich der ersten Breite w₁ des ersten Wellenleiterbereichs 10. Der erste Wellenleiterbereich 10 und der zweite Wellenleiterbereich 20 sind dazu ausgebildet, elektromagnetische Wellen entlang einer ersten Längsachse L10 des ersten Wellenleiterbereichs 10 und einer zweiten Längsachse L20 des zweiten Wellenleiterbereichs 20 zu führen. Ein Übergang einer in mindestens einer Ausbreitungsmode geführten elektromagnetischen Welle vom ersten Wellenleiterbereich 10 in den zweiten Wellenleiterbereich 20 (und vice versa) findet dabei modenerhaltend statt.
Die Breite w des zweiten Wellenleiterbereichs 20 weitet sich entlang seiner Längsachse L20 von der ersten Stirnfläche zu einer zweiten Stirnfläche auf eine zweite Breite w₂ größer als die erste Breite w₁ trapezförmig auf, wobei der zweite Wellenleiterbereich 20 entlang seiner Längsachse L20 einen ausgedehnten Längenabschnitt mit einer konstanten zweiten Breite w₂ umfasst. Innerhalb dieses Längenabschnitts ist ein Gitter 40 mit einer Vielzahl von Stegen 42 und Gräben 44 angeordnet. Vorzugsweise handelt es sich bei der dargestellten Wellenleiterstruktur 100 um einen Rippenwellenleiter. Die einzelnen Gräben 44 des Gitters 40 können bevorzugt in die Rippe des Rippenwellenleiters, beispielsweise durch selektives Ätzen, eingebracht werden.
Die gezeigte Wellenleiterstruktur 100 ist derart ausgerichtet, dass sich eine gemeinsame Längsachse L10, L20 der Wellenleiterstruktur 100 als geradlinige Verbindung zwischen der ersten Längsachse L10 des ersten Wellenleiterbereichs 10 und der zweiten Längsachse L20 des zweiten Wellenleiterbereichs 20 ergibt.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wellenleiterstruktur 100. Die Darstellung entspricht weitgehend der in 1 gezeigten Ausführungsform. Die einzelnen Bezugszeichen und deren Zuordnung gelten entsprechend. Die Breite w des zweiten Wellenleiterbereichs 20 weitet sich entlang seiner Längsachse L20 ebenfalls von einer ersten Stirnfläche zu einer zweiten Stirnfläche auf eine zweite Breite w₂ größer als die erste Breite w₁ trapezförmig auf, wobei der zweite Wellenleiterbereich 20 jedoch entlang seiner Längsachse L20 keinen ausgedehnten Längenabschnitt mit einer konstanten zweiten Breite w₂ umfasst. Das Gitter 40 erstreckt sich bei dieser Ausführungsform vollständig entlang der Längsachse L20 des zweiten Wellenleiterbereichs 20.
3 zeigt schematische Darstellungen weiterer Ausführungsformen erfindungsgemäßer Wellenleiterstrukturen 100. Die Darstellungen entsprechen weitgehend den in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsformen erfindungsgemäßer Wellenleiterstrukturen 100. Die einzelnen Bezugszeichen und deren Zuordnung gelten entsprechend. Unterschiede ergeben sich insbesondere in der Form der Aufweitung der Breite (Oben und Mitte) des zweiten Wellenleiterbereichs 20 und in der Anordnung (Unten) des Gitters (40) innerhalb des zweiten Wellenleiterbereichs 20.
4 zeigt eine schematische Darstellung einer gekrümmten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wellenleiterstruktur 100. Die Darstellungen entsprechen weitgehend der in 2 gezeigten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wellenleiterstruktur 100. Die einzelnen Bezugszeichen und deren Zuordnung gelten entsprechend. Die Längsachse L10 des ersten Wellenleiterbereichs 10 sowie die Längsachse L20 des zweiten Wellenleiterbereichs 20 sind hierbei jeweils gekrümmt dargestellt. Die gemeinsame Längsachse L10, L20 der Wellenleiterstruktur 100 ist dadurch ebenfalls gekrümmt. Eine solche gekrümmte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wellenleiterstruktur 100 kann insbesondere dazu genutzt werden, die aus einem Richtungskoppler abzweigenden Wellenleiterpfade räumlich voneinander zu trennen. Die Art der Krümmung kann dabei frei variiert werden, wobei jedoch die Bedingung einer modenerhaltenden Führung elektromagnetischer Wellen erfindungsgemäß erfüllt sein muss. Im Hinblick auf eine daraus folgende Bestimmung eines maximal zulässigen Krümmungsradius gilt das für die Aufweitung genannte Adiabitizitätskriterium entsprechend einem Übergang zwischen einzelnen geführten Moden (guided modes) und verlustbehafteten Randmoden (leaky modes) eines Wellenleiterbereichs.
5 zeigt eine grafische Darstellung der Abhängigkeit zwischen der Reflektivität R des Gitters und der Wellenleiterbreite w. Es handelt sich hierbei um das Ergebnis von Messungen an DBR-RW-Lasern mit einer Wellenlänge von λ = 975 nm, wobei verschiedene Breite des Rippenwellenleiters im Bereich des Gitters untersucht wurden. Bei den Gittern handelte es sich um in die Rippenwellenleiter integrierte Reflexionsgitter 3. Ordnung (○) und 8. Ordnung (♦) mit einer Gitterlänge von insgesamt 1 mm. Die gezeigten Reflektivitäten wurden dabei aus dem Verhältnis der Leistungen an der Rück- und Frontseite der Rippenwellenleiter bestimmt. Die Reflektivität der Gitter nimmt mit der Breite des Rippenwellenleiters zu, wobei bei einer Wellenleiterbreite von 100 µm (~100λ) die Reflektivität auf knapp unter 80% (♦) bzw. 90% (○) ansteigt. Bei einer Wellenleiterbreite von etwa 2 µm (~20λ) werden lediglich knapp 8% (♦) bzw. 24% (○) Reflektivität erreicht. Vorzugsweise liegt die Wellenleiterbreite demnach in einem Bereich zwischen ~20λ und ~40λ.
6 zeigt eine grafische Darstellung der minimal erforderlichen Aufweitungslänge L_min in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ und der Wellenleiterbreite bei trapezförmiger Aufweitung. Die gezeigten Berechnungen basieren auf den Ergebnissen von Yunfei Fu et. al. („Efficient adiabatic silicon-on-insulator waveguide taper", Photon. Res. 2(3) (2014)) und zeigen die Anforderungen an die Länge eines trapezförmig aufgeweiteten zweiten Wellenleiterbereichs für eine modenerhaltende Wellenleitung bei unterschiedlichen Wellenlängen. Bei einer Wellenlänge von etwa 1 µm ergibt sich bei einer trapezförmigen Aufweitung für einen Wellenleiter mit einer ersten Breite w₁ = 3 µm (a) auf eine zweite Breite w₂ = 20 µm (~20λ) eine minimal erforderliche Aufweitungslänge von etwa 700 µm, (b) auf eine zweite Breite w₂ = 15 µm (~15λ) eine minimal erforderliche Aufweitungslänge von etwa 350 µm und (c) auf eine zweite Breite w₂ = 10 µm (~10λ) eine minimal erforderliche Aufweitungslänge von etwa 100 µm. Vorzugsweise liegt die Aufweitungslänge in einem Bereich zwischen 500 µm und 1500 µm.
7 zeigt grafische Darstellungen der Reflektivitäten R verschiedener Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Halbleiterlasers. Insbesondere werden die erzielten Reflektivitäten von Gittern in Standardausführung (DBR-RW, linke Abb.), in der in 1 dargestellten erfindungsgemäßen ersten Variante (Trapez-RW, mittleres Bild) und in der in 2 dargestellten erfindungsgemäßen zweiten Variante (Trapez-DBR, rechte Abb.) verglichen. Dabei ist zu beachten, dass sich hinter der entlang der x-Achse aufgetragenen Lacköffnung B indirekt die Ätztiefe des Gitters verbirgt (je größer die Lacköffnung B, desto größer die Ätztiefe). Zu erkennen ist, dass sich gegenüber der Standard-DBR-RW-Ausführung die Reflektivität durch Aufweitung der Gitter deutlich erhöhen lässt. Den einzelnen Abbildungen kann weiterhin entnommen werden, dass das jeweilige Reflexionsmaximum bei einer mittleren Lacköffnung B erreicht wird. Die Wellenlänge der einzelnen Laser lag jeweils bei λ = 1030 nm. Bei den in die erfindungsgemäßen Wellenleiterstrukturen integrierten Gittern handelte es sich um Gitter für die 3. Ordnung und die 7. Ordnung.
Die 8 zeigt Kennlinien aus Pulsmessungen an Riegeln verschiedener Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Halbleiterlasers einer ersten Wellenlänge von λ = 660 nm. Eine Messung erfolgte sowohl an der Front- als auch an der Rückseite des Halbleiterlasers.
Die 9 zeigt Kennlinien aus Pulsmessungen an Riegeln verschiedener Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Halbleiterlasers einer zweiten Wellenlänge von λ = 635 nm. In beiden Diagrammen werden jeweils mehrere Kennlinien desselben Typs von Halbleiterlaser gemittelt dargestellt, um den Effekt der aufgeweiteten Gitter klar herauszuarbeiten und höhere statistische Sicherheit zu gewinnen. Die als Sorten A und C benannten Laserdioden haben jeweils nicht aufgeweitete Gitter, während die Sorten B und D trapezförmig von 5 µm auf 10 µm bei 500 μm Aufweitungslänge aufgeweitet wurden. Bei den Typen B und D sind durch eine verbesserte Reflektivität der Gitter jeweils die erreichten Ausgangsleistungen höher, während gleichzeitig die aus der Rückseite (Gitterseite) emittierte Leistung am geringsten ist (siehe 8).
Bezugszeichenliste

10: erster Wellenleiterbereich
20: zweiter Wellenleiterbereich
40: Gitter
42: Stege
44: Gräben
100: Wellenleiterstruktur
B: Lacköffnung
L10: Längsachse des erster Wellenleiterbereichs
L20: Längsachse des zweiten Wellenleiterbereichs
w: Breite

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

Rauter et al. („Single-mode tapered quantum cascade lasers“, Appl. Phys. Lett. 102, 181102 (2013)) [0004]
Paschke et al. („High power single mode 980 nm DBR tapered diode lasers with integrated sixth order surface gratings based on simplified fabrication process“, Proc. SPIE 6184, Semiconductor Lasers and Laser Dynamics II, 618401 (April 14, 2006)) [0004]
Yunfei Fu et. al., „Efficient adiabatic silicon-on-insulator waveguide taper“, Photon. Res. 2(3) (2014) [0014]
Yunfei Fu et. al., „Efficient adiabatic silicon-on-insulator waveguide taper“, Photon. Res. 2(3) (2014) [0017]
Yunfei Fu et. al. („Efficient adiabatic silicon-on-insulator waveguide taper“, Photon. Res. 2(3) (2014)) [0043]

Claims

Wellenleiterstruktur (100) umfassend, a) einen ersten Wellenleiterbereich (10) mit einer konstanten ersten Breite (w₁), dazu ausgebildet, elektromagnetische Wellen modenerhaltend entlang seiner Längsachse (L10) zu führen; b) einen zweiten Wellenleiterbereich (20), dazu ausgebildet, elektromagnetische Wellen modenerhaltend entlang seiner Längsachse (L20) zu führen, wobei die Längsachse (L10) des ersten Wellenleiterbereichs (10) und die Längsachse (L20) des zweiten Wellenleiterbereichs (20) eine gemeinsame Längsachse (L10, L20) der Wellenleiterstruktur (100) ausbilden, wobei eine erste Stirnfläche des ersten Wellenleiterbereichs (10) und eine erste Stirnfläche des zweiten Wellenleiterbereichs (20) zueinander ausgerichtet sind, wobei die Breite der ersten Stirnfläche des zweiten Wellenleiterbereichs (20) der ersten Breite (w₁) entspricht, und sich die Breite (w) des zweiten Wellenleiterbereichs (20) entlang seiner Längsachse (L20) von der ersten Stirnfläche zu einer zweiten Stirnfläche auf eine zweite Breite (w₂) größer als die erste Breite (w₁) aufweitet; und c) ein Gitter (40) mit einer Vielzahl von Stegen (42) und Gräben (44), wobei das Gitter (40) entlang der gemeinsame Längsachse (L10, L20) im zweiten Wellenleiterbereich (20) angeordnet ist; dadurch gekennzeichnet, dass d) der zweite Wellenleiterbereich (20) und das Gitter (40) dazu ausgebildet sind, elektromagnetische Wellen im zweiten Wellenleiterbereich (20) modenerhaltend entlang der gemeinsamen Längsachse (L10, L20) zu führen und modenerhaltend zu reflektieren; und e) der erste Wellenleiterbereich (10), der zweite Wellenleiterbereich (20) und das Gitter (40) dazu ausgebildet sind, elektromagnetische Wellen im ersten Wellenleiterbereich (10) und im zweiten Wellenleiterbereich (20) modenerhaltend entlang der gemeinsamen Längsachse (L10, L20) zu führen und modenerhaltend zu reflektieren.
Wellenleiterstruktur (100) gemäß Anspruch 1, wobei der zweite Wellenleiterbereich (20) entlang seiner Längsachse (L20) einen ausgedehnten Längenabschnitt mit einer konstanten zweiten Breite (w₂) umfasst.
Wellenleiterstruktur (100) gemäß Anspruch 2, wobei das Gitter (40) ausschließlich in dem ausgedehnten Längenabschnitt mit der zweiten Breite (w₂) des zweiten Wellenleiterbereichs (20) angeordnet ist.
Wellenleiterstruktur (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die Vielzahl von Stegen (42) und Gräben (44) des Gitters (40) über die gesamte Breite (w) des zweiten Wellenleiterbereichs (20) erstreckt oder sich zumindest abschnittsweise nicht über die gesamte Breite (w) des zweiten Wellenleiterbereichs (20) erstreckt.
Wellenleiterstruktur (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vielzahl von Stegen (42) und Gräben (44) des Gitters (40) parallel zu einer Stirnfläche des zweiten Wellenleiterbereichs (20) angeordnet sind.
Wellenleiterstruktur (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich bei den Wellenleitern im ersten und zweiten Wellenleiterbereich (10, 20) um Streifenwellenleiter oder Rippenwellenleiter handelt.
Wellenleiterstruktur (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Tiefe der Gräben (42) und die Breite der Stege (44) der Vielzahl von Stegen (42) und Gräben (44) des Gitters (40) jeweils konstant sind.
Wellenleiterstruktur (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Breite w des zweiten Wellenleiterbereichs (20) sich entlang seiner Längsachse (L20) von der ersten Breite w₁ auf die zweite Breite w₂ gemäß Formel (1) w(x) = w₁ + (a·(1 – e^b·x + c·x^d); w(0) = w₁ und w(1) = w₂ (1) aufweitet, wobei x einer linearen Parametrisierung der Aufweitungsstrecke von 0 bis 1 entspricht und a, b, c, d positive reelle Zahlen darstellen.
Halbleiterlaser (200) mit Resonator, wobei der Resonator eine Wellenleiterstruktur (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8 umfasst.
Optisches System (300), umfassend eine Wellenleiterstruktur gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8.