DE102021132717A1

DE102021132717A1 - Diodenlaser-Bauelement mit erweiterter Kavität sowie Verfahren zur Herstellung

Info

Publication number: DE102021132717A1
Application number: DE102021132717.2A
Authority: DE
Inventors: Bassem Arar; Olaf Brox; Sergey Nechayev; Hans Wenzel; Sten Wenzel; Andreas Wicht; Pietro Della Casa
Original assignee: Ferdinand Braun Institut GgmbH Leibniz Institut fuer Hoechstfrequenztechnik
Current assignee: Ferdinand Braun Institut GgmbH Leibniz Institut fuer Hoechstfrequenztechnik
Priority date: 2021-02-12
Filing date: 2021-12-10
Publication date: 2022-08-18

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Diodenlaser-Bauelement mit erweiterter Kavität, insbesondere einen monolithisch integrierten ECDL (mECDL) mit einer ein Oberflächengitter umfassenden Bragg-Sektion, sowie ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung.Ein erfindungsgemäßes Diodenlaser-Bauelement umfasst in longitudinaler Richtung (Z) eine Verstärker-Sektion (VS); eine passive Propagations-Sektion (PS); und eine Bragg-Sektion (BS); wobei die Verstärker-Sektion (VS), die Propagations-Sektion (PS) und die Bragg-Sektion (BS) zwischen einer Frontfacette (22) und einer Rückfacette (24) angeordnet sind, wobei eine aktive Schicht (15) in der Verstärker-Sektion (VS) über die gesamte Länge der Verstärker-Sektion (VS) ausgebildet ist; und wobei sich in der Bragg-Sektion (BS) ein Oberflächengitter (30) über die gesamte Länge der Bragg-Sektion (BS) erstreckt, wobei das Oberflächengitter (30) durch eine Vielzahl von in longitudinaler Richtung (Z) voneinander beabstandet angeordneter Furchen (32) ausgebildet wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Diodenlaser-Bauelement mit erweiterter Kavität, insbesondere einen monolithisch integrierten ECDL (mECDL) mit einer ein Oberflächengitter umfassenden Bragg-Sektion, sowie ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung.
Stand der Technik
Zur Realisierung sehr schmalbandiger Laser, z. B. für den Einsatz in der kohärenten Kommunikation, in der Interferometrie, in der Quantensensorik oder für optische Atomuhren, werden in der Regel Diodenlaser mit erweiterter Kavität (engl. extended cavity diode laser, ECDL) eingesetzt. Diese bestehen aus einem halbleitertechnologisch realisierten optischen Verstärker und aus externen Elementen, die eine schmalbandige, also frequenzselektive, optische Rückkopplung in den Laserchip erzwingen. Entscheidend für die spektrale Schmalbandigkeit von ECDL im Vergleich zu monolithischen (d. h. halbleitertechnologisch komplett in einem einzigen optoelektronischen Halbleiterbauelement integrierten) Lösungen ist, dass sich dadurch eine relativ große effektive Resonatorlänge realisieren lässt, welche durch Auswahl der zugehörigen Propagationsstrecke (z. B. Luft) eingestellt werden kann.
Kommerziell verfügbare diskret realisierte ECDL sind in der Regel nur für den stationären Betrieb in Laboren geeignet. Sie sind zu groß und zu schwer und nicht robust genug für einen mobilen Einsatz, da Vibrationen und mechanischer Schock zu einer Dejustage des optischen Aufbaues und damit zu einer signifikanten Degradation der elektrooptischen Leistungsparameter, u. a. der Laserschwelle, der Ausgangsleistung, der Seitenmodenunterdrückung und der spektralen Leistungsdichte des Frequenzrauschens, führen können.
Es existieren auch monolithisch integrierte technische Lösungen für schmalbandige Strahlquellen. Bei diesen Diodenlaser-Bauelementen wird eine Wellenleitung mittels Rippenwelleiter in der transversalen Grundmode erzwungen. Als frequenzselektives Element kommt ein in den Wellenleiter integriertes Gitter zum Einsatz (sog. Wellenleiter-basierte Bragg-Gitter oder Bragg-Wellenleiter). In einer etablierten Ausführungsform ist das Gitter über die gesamte Länge des Wellenleiters ausgebildet. Der gesamte Wellenleiter wird dabei elektrisch gepumpt und verstärkt die optische Strahlung. In diesem Fall spricht man von einem Distributed-Feedback (DFB) Diodenlaser-Bauelement. In einer anderen Ausführungsform ist das Gitter nur an einem Ende des Rippenwellenleiters realisiert. Die dem Bragg-Wellenleiter gegenüberliegende Facette des Bauelementes ist teilverspiegelt und formt zusammen mit dem Bragg-Wellenleiter den optischen Resonator des Lasers. Solche Ausführungsformen werden als Distributed-Bragg-Reflektor (DBR) Diodenlaser-Bauelemente bezeichnet. Auch hierbei wird der gesamte Wellenleiter elektrisch gepumpt und verstärkt die optische Strahlung. In einer weiteren Ausführungsform ist die elektrische Kontaktierung des Bauelementes so ausgeführt, dass Strom unabhängig von anderen Wellenleitersektionen in die Sektion des Diodenlaser-Bauelements mit dem Bragg-Wellenleiter injiziert werden kann. Dabei kann der Bragg-Wellenleiter entweder elektrisch gepumpt werden oder diese wird optisch durch das im Resonator umlaufende Feld transparent gepumpt.
Monolithische Lösungen bieten den geringsten Formfaktor, ermöglichen den höchsten Grad der Miniaturisierung und erlauben eine Fertigung zu minimalen Kosten. Wegen ihrer Kompaktheit besitzt eine monolithisch integrierte Lösung außerdem die größtmögliche Robustheit gegenüber mechanischen Belastungen (Vibration und Schock).
DFB und DBR Diodenlaser-Bauelemente erreichen in der Regel nicht die spektralen Linienbreiten, die für die Präzisionsspektroskopie und kohärente Kommunikation erforderlich sind, insbesondere nicht die mit ECDL erreichbaren Linienbreiten. Gründe hierfür sind:

(i) Die frequenzselektive Wellenleiter-Sektion wird elektrisch gepumpt, so dass das Stromrauschen der Stromquelle zu einem Frequenzrauschen der Resonanzfrequenz des frequenzselektiven Elementes und damit zu einem Frequenzrauschen des Lasers führt.
(ii) Die frequenzselektive Wellenleitersektion muss optisch transparent gepumpt werden. Dieser Prozess ist mit Dissipation verbunden und erhöht die Linienbreite des Lasers. Wegen der Kopplung von optischer Intensität und effektivem Brechungsindex im Halbleiterbauelement führt die mit der Dissipation verbundene Leistungsfluktuation auch zu einer Fluktuation des effektiven Brechungsindex und damit zu einer Fluktuation der Laserfrequenz. Das optische Pumpen zur Transparenz nutzt ferner nichtlineare Eigenschaften des Bauelementes und kann zu instabilem Verhalten (Ausbildung eines Pulsbetriebs) führen.
(iii) Die Resonatorlänge kann nicht unabhängig von den Verstärkungseigenschaften eingestellt werden, da die gesamte Resonatorlänge (ggf. bis auf den Bragg-Wellenleiter) elektrisch gepumpt wird. Da die das optische Feld verstärkende Sektion, die sogenannte aktive Wellenleitersektion bzw. Verstärker-Sektion, in der Regel deutlich oberhalb der Transparenzstromdichte betrieben werden muss, um eine schmalbandige Emission zu erreichen, müssten lange Diodenlaser-Bauelemente mit einem hohen Injektionsstrom betrieben werden, bei dem ein optisch stabiler Betrieb aber nicht mehr möglich ist. Daher sind mit den DFB und DBR Diodenlaser-Bauelementen gemäß Stand der Technik keine Resonatorlängen möglich, die eine Länge von 1 mm bis 2 mm übertreffen.

Für den Einsatz in der Telekommunikation (1200 ... 1600 nm) wurden Integrationsansätze entwickelt, die auf Methoden der halbleitertechnologischen Heterointegration von aktiven InAlGaAs-Schichten mit photonischen silicon-on-insulator (SOI-)Strukturen (z. B. Huang et al., Optica 6, 745 (2019)) beruhen und Chip-basierte Lösungen liefern. Diese Ansätze sind nicht auf den mit GaAs-Bauelementen erreichbaren Wellenlängenbereich (630 ... 1180 nm) übertragbar, da die entsprechenden Heterointegrationstechnologien nicht existieren und Silizium in diesem Wellenlängenbereich nicht transparent ist.
Li et al. (Li et al., Chin. Phys. B 22, 054211 (2013)) beschreiben einen monolithischen Integrationsansatz für ein komplexes Diodenlaser-Bauelement, bei dem aktive und passive Wellenleiter im gleichen Materialsystem realisiert werden. Hierbei wird zunächst das Schichtsystem für ein aktives Diodenlaser-Bauelement epitaktisch gewachsen, dann selektiv die aktive Schicht (Multi-Quantum-Well-Schicht) entfernt und schließlich die Epitaxie des Gesamt-Schichtsystems abgeschlossen. Das Bauelement wird in InGaAsP/lnP-Technologie für die Emission bei 1,55 µm realisiert. Die Bragg-Reflektoren sind als vergrabene Gitter (engl. buried grating) ausgeführt: bei vergrabenen Gittern wird die Modulation des effektiven Brechungsindex durch den Einbau einer räumlich-periodisch modulierten Halbleitermaterialschicht in den Wellenleiterkern realisiert. Das gezeigte Bauelement besteht aus vier aktiven DFB Wellenleitersektionen, die Laseremission bei vier unterschiedlichen Frequenzen erzeugen, sowie aus passiven Wellenleitersektionen, die die Emission der vier DFB Wellenleitersektionen in einen gemeinsamen Wellenleiter koppeln und die Strahlung in eine aktive Wellenleitersektion injizieren.
Der Ansatz der selektiven Entfernung der aktiven Schicht wurde bereits genutzt, um GaAsbasierte, 2,5 mm lange DBR Diodenlaser-Bauelemente für den Betrieb bei 970 nm zu realisieren, bei denen die spektrale Stabilisierung mit Hilfe zweier Abtastgitter (engl. sampled gratings) erreicht wird, die die beiden Reflektoren des optischen Resonators bilden (z. B. Tawfieq et al., IET Optoelectron. 11, 73-78 (2017); Brox et al., Electron. Lett. 53, 744-746 (2017)). Die Abtastgitter sind als vergrabene Gitter in passiven Wellenleitersektionen ausgeführt. Es wird ferner der Einsatz einer kurzen, passiven Wellenleitersektion innerhalb des Resonators (engl. intra-cavity passive waveguide section) zur Kontrolle der Umlaufphase (engl. round trip-phase) des Resonators vorgeschlagen.
Alle bislang verfügbaren monolithischen Bauelemente, auch solche mit aktiven und passiven Wellenleitern, erreichen lediglich Linienbreiten, wie sie mit DBR oder DFB Diodenlaser-Bauelementen erzielt werden. Diese sind für den Einsatz in den eingangs genannten Anwendungen somit ebenfalls nicht geeignet.
Für eine Reduktion der Linienbreite des Diodenlasers-Bauelements muss die Umlaufzeit des Lichtes im Resonator vergrößert werden. Dies kann mit Hilfe von verlustarmen Wellenleitersektionen erreicht werden, die in den Resonator integriert werden. Um dabei einen stabilen Einfrequenzbetrieb des Lasers zu garantieren, muss die spektrale Bandbreite des Bragg-Wellenleiters reduziert werden. Dies erfordert eine Verlängerung der Bragg-Wellenleitersektion. Bei gleichbleibendem Design der das Bragg-Gitter realisierenden Struktur führt diese Verlängerung jedoch zu einer Erhöhung der Beugungseffizienz über den optimalen Wert von einigen 10% hinaus. Bei einer Erhöhung der Effizienz deutlich über 50% hinaus kommt es zu einer Reduktion der spektralen Selektivität des Bragg-Wellenleiters, so dass ein stabiler Einfrequenzbetrieb nicht mehr möglich ist. Daher muss mit zunehmender Länge des Bragg-Wellenleiters die Beugungseffizienz je Einheitslänge, der sogenannte Kopplungskoeffizient (engl. coupling coefficient) reduziert werden. Für die Realisierung schmalbandiger Diodenlaser-Bauelemente werden daher mehrere Millimeter lange Bragg-Wellenleiter mit einem geringen Kopplungskoeffizienten benötigt. Geringe Kopplungskoeffizienten können mit vergrabenen Gittern aufgrund der großen räumlichen Überlappung des optischen Feldes mit der periodischen Gitterschicht jedoch nicht zuverlässig realisiert werden.
Geringere Kopplungskoeffizienten lassen sich im Prinzip mit Oberflächengittern (engl. surface grating) erreichen, da hier die Überlappung des Feldes mit dem räumlichen Bereich der periodischen Modulation sehr klein gewählt werden kann. Im Gegensatz zu vergrabenen Gittern wird bei einem Oberflächengitter die räumlich-periodische Modulation des effektiven Brechungsindex entlang des Wellenleiters nicht durch eine räumlich-periodisch in den Wellenleiter integrierte Halbleiterschicht realisiert, sondern durch das Einätzen von Furchen in den Wellenleiter. Oberflächengitter wurden in GaAs- und GaN-Technologie bisher ausschließlich in aktive Bragg-Wellenleiter eingeschrieben.
Offenbarung der Erfindung
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Diodenlaser-Bauelement zur Verfügung zu stellen, welches eine für die zuvor erwähnten mobilen Anwendungen hinreichende spektrale Stabilität (hinreichend geringe spektrale Leistungsdichte des Frequenzrauschens) besitzt. Weiterhin soll ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung eines solchen Diodenlaser-Bauelement bereitgestellt werden.
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 15 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen enthalten. Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung und/oder Details aus den Figuren ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden.
Ein erfindungsgemäßes Diodenlaser-Bauelement umfasst eine Verstärker-Sektion und eine Bragg-Sektion, wobei die Verstärker-Sektion und die Bragg-Sektion zur Ausbildung eines Resonators für eine optische Strahlung entlang einer longitudinalen Richtung zwischen einer Frontfacette und einer Rückfacette angeordnet sind; wobei das Diodenlaser-Bauelement entlang einer vertikalen Richtung senkrecht zur longitudinalen Richtung eine zur Wellenleitung der optische Strahlung ausgebildete Schichtstruktur aufweist, wobei das Diodenlaser-Bauelement in einer transversalen Richtung senkrecht zur vertikalen Richtung und zur longitudinalen Richtung eine Wellenleiterstruktur aufweist, wobei in der Verstärker-Sektion eine aktive Schicht über die gesamte Länge der Verstärker-Sektion in der Schichtstruktur ausgebildet ist. Das Diodenlaser-Bauelement umfasst in longitudinaler Richtung weiterhin eine passive Propagations-Sektion zur Propagation der optischen Strahlung, wobei die Propagations-Sektion zwischen der Frontfacette und der Bragg-Sektion angeordnet ist; und sich in der Bragg-Sektion ein Oberflächengitter über die gesamte Länge der Bragg-Sektion erstreckt, wobei das Oberflächengitter durch eine Vielzahl von in longitudinaler Richtung voneinander beabstandet angeordneter Furchen ausgebildet wird. Zur Führung der optischen Strahlung in lateraler Richtung können in bevorzugter Ausführung entsprechende Wellenleiterstrukturen (z. B. Rippenwellenleiter) in den Sektionen ausgebildet sein.
Vorzugsweise ist die aktive Schicht nicht über die gesamte Länge des Resonators ausgebildet, sondern in der Schichtstruktur nur abschnittsweise vorhanden. Besonders bevorzugt ist ausschließlich in der Verstärker-Sektion (bzw. im Wesentlichen nur in der Verstärker-Sektion) eine aktive Schicht über die gesamte Länge der Verstärker-Sektion in der Schichtstruktur ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass die optische Strahlung in Sektionen, die keine Verstärker-Sektionen sind, verlustärmer geführt werden kann. Das in diesen Segmenten vorhandene, nicht aktiv gepumpte Material der aktiven Schicht kann ansonsten durch dessen Wechselwirkung mit der im Resonator geführten optischen Strahlung zusätzliche optische Verluste induzieren. Im Wesentlichen nur in der Verstärker-Sektion bedeutet dabei, dass auch bei einem nur geringen Anteil eines auch außerhalb der Verstärker-Sektion vorhanden aktiven Schichtabschnitts dennoch eine erheblich Reduzierung der optischen Verluste gegenüber einer Ausführung mit einer über die gesamte Länge des Resonators ausgebildeten aktiven Schicht erreicht werden kann.
In einer konkreten Ausführungsform weist ein erfindungsgemäßes Diodenlaser-Bauelement beispielsweise in vertikaler Richtung ein Schichtsystem auf einem n-Substrat auf, wobei das Schichtsystem umfasst: eine n-Mantelschicht, wobei die n-Mantelschicht auf dem n-Substrat angeordnet ist; eine n-Wellenleiterschicht, wobei die n-Wellenleiterschicht auf der n-Mantelschicht angeordnet ist; eine p-Wellenleiterschicht, wobei die p-Wellenleiterschicht auf der n-Wellenleiterschicht angeordnet ist; eine p-Mantelschicht, wobei die p-Mantelschicht auf der p-Wellenleiterschicht angeordnet ist; und eine p-Kontaktschicht, wobei die p-Kontaktschicht auf der p-Mantelschicht angeordnet ist. In longitudinaler Richtung weist diese Ausführungsform eine Verstärker-Sektion; eine Propagations-Sektion; und eine Bragg-Sektion auf; wobei die Verstärker-Sektion, die Propagations-Sektion und die Bragg-Sektion zwischen einer Frontfacette und einer Rückfacette angeordnet sind, wobei zwischen der n-Wellenleiterschicht und der p-Wellenleiterschicht eine aktive Schicht in der Verstärker-Sektion über die gesamte Länge ausgebildet ist; und wobei sich in der Bragg-Sektion ein Oberflächengitter über die gesamte Länge erstreckt, wobei das Oberflächengitter durch eine Vielzahl von in longitudinaler Richtung voneinander beabstandet angeordnete Furchen ausgebildet wird, wobei die Furchen sich durch die p-Kontaktschicht hindurch bis in die p-Mantelschicht erstrecken.
Ein erfindungsgemäßes Diodenlaser-Bauelement besteht somit aus mindestens drei Sektionen. Eine Führung der optischen Strahlung in lateraler Richtung mit entsprechenden Wellenleiterstrukturen erfolgt bevorzugt transversal grundmodig. In der Verstärker-Sektion wird das optische Feld verstärkt. Sie ist bevorzugt zwischen 0,5 mm und 1,5 mm lang. Die Verstärker-Sektion wird bevorzugt elektrisch gepumpt. Die Kathode kann dabei durch das Substrat des Halbleiterbauelementes gebildet werden. Die Propagations-Sektion kann durch einen langen und verlustarmen passiven Wellenleiter gebildet werden. Sie ist bevorzugt zwischen 1 mm und 5 mm lang, bevorzugter zwischen 2 mm und 4 mm. Die Bragg-Sektion kann durch einen langen und verlustarmen passiven Bragg-Wellenleiter mit geringem Kopplungskoeffizienten gebildet werden. Sie ist bevorzugt zwischen 1 mm und 5 mm lang, bevorzugter zwischen 3 mm und 5 mm. Bevorzugt wird eine resonante Beugungseffizienz zwischen 10 % und 60 %, insbesondere bei etwa 50 %. Die Bragg-Sektion ist als Oberflächengitter (bevorzugt an Luft) ausgebildet.
Eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Diodenlaser-Bauelements umfasst beispielsweise AlGaAs-Mantelschichten und GaAs-Wellenleiterschichten, in welche innerhalb der Verstärker-Sektion (vorzugsweise ausschließlich innerhalb der Verstärker-Sektion) eine aus zwei InGaAs-Quantenfilmen bestehende aktive Schicht eingebettet ist. Beispielsweise kann in einem ersten MOVPE-Wachstumsschritt die Vertikalstruktur bis zu einer 20 nm dicken GaAs-Schicht oberhalb der aktiven Schicht gewachsen werden. Diese GaAs-Schicht sowie die aktive Schicht kann dann in den als passive Sektionen vorgesehenen Sektionen des Bauelements (d. h. für die Propagations-Sektion und die Bragg-Sektion) mit nasschemischen Ätzschritten entfernt werden. In lateraler Richtung können die geätzten Gebiete um vorzugsweise 3° geneigt ausgelegt werden, um Reflexionen zwischen Bereichen mit (aktiv) und ohne (passiv) aktive Schicht zu minimieren.
Die Vervollständigung der erzeugten Vertikalstruktur kann dann in einem zweiten Wachstumsschritt erfolgen.
Danach kann das Oberflächengitter beispielsweise mittels Elektronenstrahllithografie (E-Beam) und einem Hartmaskenprozess definiert werden. Die Gitterfurchen im E-Beam-Lack können beispielsweise auf eine Breite von 170 nm eingestellt werden bei einer Periode von 1554 nm, was in der gewählten Vertikalstruktur einem Gitter 10-ter Ordnung für die Emission bei 1064 nm entspricht. Bevorzugt sind Oberflächengitter 5-ter bis 20-ter Ordnung. Die Furchentiefe kann beispielsweise 1330 nm betragen. Im Übrigen kann das Herstellungsverfahren dem eines Standardprozesses zur Herstellung von Rippenwellenleiter-Lasern (RW-Lasern) entsprechen. Bei einer realisierten Ausführungsform war der Rippenwellenleiter beispielsweise 1,1 µm tief und 4 µm breit. Der Rippenwellenleiter verlief dabei über das gesamte 8 mm lange Bauelement. Die longitudinalen Sektionen waren (von der Rückseite beginnend) ein 2 mm langes DBR Gitter in der Bragg-Sektion, eine 5 mm lange passive Propagations-Sektion sowie eine 1 mm lange aktive Verstärker-Sektion.
Vorzugsweise ist die Länge der Propagations-Sektion derart gewählt, dass das Diodenlaser-Bauelement einen freien Spektralbereich von höchstens 6 GHz aufweist. Vorzugsweise ist die spektrale Bandbreite des Oberflächengitters kleiner oder gleich dem freien Spektralbereich des Diodenlaser-Bauelementes. Vorzugsweise weist das Oberflächengitter einen Kopplungskoeffizienten von wenigen 0,1 mm^-1, bevorzugt zwischen 0,1 mm^-1 und 0,9 mm^-1, auf, insbesondere einen Kopplungskoeffizienten zwischen 0,4 mm^-1 und 0,7 mm^-1. Vorzugsweise erstrecken sich die Furchen des Oberflächengitters in das Schichtsystem hinein. Vorzugsweise ist die Bragg-Sektion passiv.
Vorzugsweise ist die Frontfacette für eine Leistungsreflektivität zwischen 1 % und 35 % teilverspiegelt. Bevorzugt ist die Rückfacette entspiegelt. Ebenfalls bevorzugt ist, dass die resonante Beugungseffizienz des Oberflächengitters zwischen 10 % und 60 % liegt, besonders bevorzugt um 50 %.
Die Frontfacette des Bauelementes ist bevorzugt geeignet teilverspiegelt. Eine bevorzugte Leistungsreflektivität für Ausführungen in GaAs-Technologie beträgt 5 %. Eine andere bevorzugte Leistungsreflektivität für Ausführungen in GaAs-Technologie beträgt 30 %. Die Rückfacette des Bauelementes ist bevorzugt entspiegelt. Bei diesen Ausführungsformen wird der größte Teil der optischen Leistung durch die Frontfacette aus dem Bauelement ausgekoppelt.
Vorzugsweise ist die Frontfacette für eine Leistungsreflektivität größer 95 % verspiegelt. Bevorzugt ist die Rückfacette entspiegelt. Ebenfalls bevorzugt ist, dass die resonante Beugungseffizienz des Oberflächengitters zwischen 3 % und 30 % liegt, besonders bevorzugt um 5 %.
Die Frontfacette des Bauelements ist hierbei hochreflektierend (bevorzugt R > 95%) verspiegelt und das Oberflächengitter wird mit einer geringeren resonanten Beugungseffizienz, bevorzugt 5 %, ausgeführt. Bei diesen Ausführungsformen wird der größte Teil der optischen Leistung somit durch die Rückfacette aus dem Bauelement ausgekoppelt.
Vorzugsweise erfolgt eine Verstimmung der Emissionsfrequenz eines erfindungsgemäßen Diodenlaser-Bauelements durch ein resistives Heizelement in der Verstärker-Sektion, der Propagations-Sektion und/oder der Bragg-Sektion.
Insbesondere kann in der Propagations-Sektion mindestens eine in der Nähe zur Resonatorachse (bzw. zum Wellenleiter) verlaufende resistive Heizung halbleitertechnologisch integriert sein (sog. Wellenleiterheizung). Mit einer resistiven Heizung kann die optische Länge der Propagations-Sektion und damit die Emissionsfrequenz des Lasers thermisch kontinuierlich verändert werden. Die Kontrolle des Stromes durch die Heizelemente ermöglicht eine kontinuierliche Variation der Emissionswellenlänge in einem Frequenzbereich in der Größenordnung des freien Spektralbereichs.
Alternativ oder zusätzlich kann auch in der Bragg-Sektion mindestens eine in der Nähe zur Resonatorachse (bzw. zum Wellenleiter) verlaufende resistive Heizung halbleitertechnologisch integriert sein. Mit ihr kann die Bragg-Resonanzfrequenz des Oberflächengitters und damit die Emissionsfrequenz des Lasers thermisch verändert werden. Die Kontrolle des Stromes durch die Heizelemente ermöglicht eine Auswahl der longitudinalen Mode des Lasers, also die Variation der Emissionswellenlänge hauptsächlich in Schritten von der Größe des freien Spektralbereichs.
Bei geeignet abgestimmter Kontrolle der Ströme durch die Heizelemente kann somit eine kontinuierliche Verstimmung der Emissionsfrequenz des Lasers über einen Frequenzbereich erreicht werden, der ein Vielfaches des freien Spektralbereichs beträgt.
Vorzugsweise umfasst ein erfindungsgemäßes Diodenlaser-Bauelement in longitudinaler Richtung eine zweite Verstärker-Sektion, wobei die zweite Verstärker-Sektion kürzer als die Verstärker-Sektion ist. Da die zweite Verstärker-Sektion kürzer ausgeführt ist, erlaubt diese wegen der geringen elektrischen Kapazität eine schnellere Modulation des Injektionsstromes und somit eine schnellere Modulation der Frequenz und optischen Leistung der emittierten Strahlung. Die zweite Verstärker-Sektion kann in longitudinaler Richtung an beliebiger Stelle im Diodenlaser-Bauelement integriert sein.
Bei einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Funktion einer Facette als Resonatorspiegel durch einen weiteren, vor der Facette integrierten Bragg-Wellenleiter in einer zweiten Bragg-Sektion ersetzt werden, so dass der optische Resonator durch zwei Bragg-Wellenleiter ausgebildet wird. In diesem Fall können in bevorzugten Ausführungsformen auch beide Facetten entspiegelt werden. Alternativ kann eine Facette unbeschichtet sein oder es können beide Facetten unbeschichtet sein.
Vorzugsweise kann eine Auskopplung der erzeugten Laserstrahlung durch zu einer Facettenauskopplung alternative Koppler erfolgen. Beispielsweise kann (i) eine vertikale Auskopplung mit Bragg-Gitter, z. B. nach oben oder nach unten, oder durch (ii) evaneszente Kopplung in einen Wellenleiter erfolgen.
Vorzugsweise umfasst das Diodenlaser-Bauelement in longitudinaler Richtung eine zweite Propagations-Sektion, wobei sich die zweite Propagations-Sektion unmittelbar an die Frontfacette anschließt. Damit kann die thermische Belastung der Frontfacette reduziert werden.
Vorzugsweise weist zumindest eine Propagations-Sektion und/oder zumindest eine Bragg-Sektion einen elektrischen Kontakt auf, über den durch Anlegen einer Spannung in Sperrrichtung der effektive Brechungsindex der entsprechenden Sektion geändert werden kann. Insbesondere kann der Wellenleiter der ersten und/oder zweiten Propagations-Sektion mit einem elektrischen Kontakt ausgebildet sein. Durch Anlegen einer Spannung in Sperrrichtung zwischen Anode (z. B. über ein Kontaktpad) und Kathode (z. B. Substrat) kann durch Ausnutzung des elektrooptischen Effektes der effektive Brechungsindex des passiven Wellenleiters der entsprechenden Propagations-Sektion verändert werden. Dadurch ändert sich die optische Länge des Resonators und damit die Emissionsfrequenz. Wegen der sehr geringen Zeitkonstanten des elektrooptischen Effektes können so sehr schnelle kontinuierliche Frequenzänderungen erreicht werden. Wenn die zweite Propagations-Sektion kurz ausgeführt wird, ist die elektrische Kapazität der Sektion gering, so dass eine sehr schnelle und breitbandige Modulation ermöglicht wird.
Alternativ oder zusätzlich kann auch die Bragg-Sektion mit einem elektrischen Kontakt ausgebildet sein. Durch Anlegen einer Spannung in Sperrrichtung zwischen Anode (z. B. über ein Kontaktpad) und Kathode (z. B. Substrat) kann durch Ausnutzung des elektrooptischen Effektes der effektive Brechungsindex des passiven Wellenleiters der Bragg-Sektion verändert werden. Dadurch ändert sich die Resonanzfrequenz des Bragg-Wellenleiters. Wegen der sehr geringen Zeitkonstanten des elektrooptischen Effektes kann so sehr schnell die Resonanzfrequenz verändert werden.
Vorzugsweise schließt die Flächennormale der Stoßfläche zwischen zwei benachbarten Sektionen einen Winkel α mit einer Ausbreitungsrichtung der optischen Strahlung im Resonator ein. Bevorzugt können in lateraler Richtung die geätzten Gebiete um 1 ° bis 10 °, vorzugsweise um 3 °, geneigt ausgebildet werden, um bei einem erfindungsgemäßen Diodenlaser-Bauelement Reflexionen zwischen Bereichen mit (aktiv) und ohne (passiv) aktive Schicht zu minimieren.
Bevorzugt kann eine durch die Bragg-Sektion transmittierte optische Strahlung durch einen in einer dritten Propagations-Sektion gekrümmt und verlustarm ausgebildeten passiven Wellenleiter aus dem Bauelement hinausgeführt werden. Durch die Krümmung des Wellenleiters kann erreicht werden, dass der Wellenleiter unter geeignetem Winkel die Rückfacette trifft, so dass eine Rückkopplung des optischen Feldes durch Reflexion an der Rückfacette minimiert wird. Die Rückfacette kann entspiegelt sein, um die Rückkopplung des optischen Feldes durch Reflexion an der Rückfacette weiter zu reduzieren. Dies ist vor allem relevant, wenn der größte Teil der optischen Leistung aus dem Bauelement über die Rückfacette ausgekoppelt wird.
Vorzugsweise wird die aktive Schicht als Single- oder Multi-Quantum-Well-Struktur, oder als Quantum-Dot-Struktur in einem GaAs-, InP- oder GaN-Materialsystem ausgebildet. Durch das Materialsystem lassen sich unterschiedliche Wellenlängenbereiche realisieren. Die vorgeschlagenen Struktursysteme für die aktive Schicht sind dabei zur Anregung einer möglichst schmalbandigen Emission bevorzugt.
Die genannten Ausführungsformen können mit Vorteil ganz oder teilweise miteinander kombiniert werden.
Insbesondere kann bei einem erfindungsgemäßen Diodenlaser-Bauelement in der Bragg-Sektion ein langer und verlustarmer passiver Bragg-Wellenleiter mit geringem Kopplungskoeffizienten ausgebildet sein. Seine Länge sollte möglichst groß gewählt sein, damit der Bragg-Wellenleiter ein spektral möglichst schmalbandiges Reflexionsspektrum besitzt. Begrenzt wird die sinnvolle Länge u. a. durch die Restverluste des passiven Wellenleiters und technisch nicht vermeidbare Inhomogenitäten bei der Periodizität des Gitters des Bragg-Wellenleiters. Der Bragg-Wellenleiter besitzt bevorzugt eine resonante Beugungseffizienz zwischen 10 % und 60 %, besonders bevorzugt zwischen 15 % und 25 %. Eine bevorzugte Länge der Bragg-Sektion ist zwischen 1 mm und 5 mm, insbesondere zwischen 3 mm und 5 mm.
Das durch den Bragg-Wellenleiter transmittierte optische Feld kann durch einen in einer dritten Propagations-Sektion ausgebildeten, gebogenen, passiven, verlustarmen Wellenleiter aus dem Bauelement hinausgeführt werden.
In der Propagations-Sektion kann ein langer und verlustarmer passiver Wellenleiter ausgebildet sein. Die Länge des Wellenleiters sollte möglichst groß gewählt sein, so dass eine möglichst große Umlaufzeit für das Lichtfeld im Resonator, also ein möglichst kleiner freier Spektralbereich und damit eine möglichst geringe fundamentale Linienbreite erreicht werden kann. Begrenzt wird die sinnvolle Länge u. a. durch die Restverluste des passiven Wellenleiters sowie durch die spektrale Bandbreite des Bragg-Wellenleiters; ist der freie Spektralbereich im Verhältnis zur spektralen Bandbreite des Bragg-Wellenleiters zu klein, ist kein stabiler Einfrequenzbetrieb garantiert. Eine bevorzugte Länge der Propagations-Sektion ist zwischen 1 mm und 5 mm, insbesondere zwischen 3 mm und 4 mm.
Das optische Feld kann in den aktiven Wellenleitern der Verstärker-Sektion und einer zweiten Verstärker-Sektion verstärkt werden. Die Gesamtlänge der Verstärker-Sektion und der zweiten Verstärker-Sektion sollte so gewählt werden, dass das Bauelement die gewünschte Ausgangsleistung erreicht. Eine bevorzugte Gesamtlänge der Verstärker-Sektion und der zweiten Verstärker-Sektion ist zwischen 1 mm und 5 mm, insbesondere zwischen 1 mm und 2 mm. Die Länge des aktiven Wellenleiters der zweiten Verstärker-Sektion sollte möglichst kurz gewählt werden. Damit wird die elektrische Kapazität der zweiten Verstärker-Sektion deutlich kleiner als die Summe der elektrischen Kapazitäten der beiden Sektionen mit aktivem Wellenleiter, so dass eine schnelle Modulation des Stromes möglich wird. Über elektrische Kontakte kann der Strom in die Anode der aktiven Wellenleiter injiziert werden. Die gemeinsame Kathode kann durch das Substrat gebildet werden.
In einer zweiten Propagations-Sektion kann ein kurzer, passiver, verlustarmer Wellenleiter ausgebildet sein. Die Integration eines passiven Wellenleiters an der Frontfacette reduziert deren thermische Belastung. In der zweiten Propagations-Sektion kann ein elektrischer Kontakt ausgebildet sein. Durch Anlegen einer Spannung in Sperrrichtung zwischen Anode und Kathode kann durch Ausnutzung des elektrooptischen Effektes der effektive Brechungsindex des passiven Wellenleiters der zweiten Propagations-Sektion verändert werden. Dadurch ändert sich die optische Länge des Resonators und damit die Emissionsfrequenz. Wegen der geringen Zeitkonstanten des elektrooptischen Effektes können so sehr schnell kontinuierliche Frequenzänderungen erreicht werden. Da die zweite Propagations-Sektion kurz ausgeführt wird, ist die elektrische Kapazität der Sektion gering, so dass eine breitbandige Modulation ermöglicht wird. Eine bevorzugte Länge der zweiten Propagations-Sektion ist zwischen 0,1 mm und 1 mm, bevorzugter zwischen 0,4 mm und 0,6 mm. Die Frontfacette ist vorzugsweise verspiegelt (bevorzugt R > 95%).
In der Propagations-Sektion kann in der Nähe zum Wellenleiter eine entlang des Wellenleiters verlaufende resistive Heizung halbleitertechnologisch ausgebildet sein. Mit ihr kann die optische Länge des passiven Wellenleiters und damit die Emissionsfrequenz des Lasers thermisch kontinuierlich verändert werden. In der Propagations-Sektion kann ein elektrischer Kontakt ausgebildet sein. Durch Anlegen einer Spannung in Sperrrichtung zwischen Anode und Kathode kann durch Ausnutzung des elektrooptischen Effektes der effektive Brechungsindex des passiven Wellenleiters der Propagations-Sektion verändert werden. Dadurch ändert sich die optische Länge des Resonators und damit die Emissionsfrequenz. Wegen der geringen Zeitkonstanten des elektrooptischen Effektes können so sehr schnell kontinuierliche Frequenzänderungen erreicht werden. Hier wird prinzipiell die gleiche Funktionalität wie in einer vorstehend beschriebenen zweiten Propagations-Sektion erreicht. Wegen der im Vergleich zur zweiten Propagations-Sektion größeren Länge der Propagations-Sektion kann bei gleicher Spannung ein größere Frequenzhub dargestellt werden, allerdings ist die elektrische Kapazität größer und die elektrisch erreichbare Bandbreite daher geringer als bei der zweiten Propagations-Sektion.
In der Bragg-Sektion kann in der Nähe zum Wellenleiter eine entlang des Wellenleiters verlaufende resistive Heizung halbleitertechnologisch ausgebildet sein. Mit ihr kann die Bragg-Resonanzfrequenz des Bragg-Wellenleiters und damit die Emissionsfrequenz des Lasers thermisch verändert werden. Bei geeigneter Synchronisation der Heizströme für die Wellenleiterheizungen kann die Emission des Lasers kontinuierlich um deutlich mehr als einen freien Spektralbereich verstellt werden. In der Bragg-Sektion kann ein elektrischer Kontakt ausgebildet sein. Durch Anlegen einer Spannung in Sperrrichtung zwischen Anode und Kathode kann durch Ausnutzung des elektrooptischen Effektes der effektive Brechungsindex des Bragg-Wellenleiters und damit die Resonanzfrequenz des Bragg-Wellenleiters verändert werden. Im Vergleich zur Veränderung mittels Wellenleiterheizungen ist die Veränderung mittels des elektrooptischen Effekts wegen der deutlich kürzeren Zeitkonstanten des elektrooptischen Effektes deutlich schneller, allerdings ist der erreichbare Frequenzänderung wegen der relativ geringen Stärke des elektrooptischen Effektes deutlich kleiner.
In einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Diodenlaser-Bauelements, umfassend die Ausbildung einer Verstärker-Sektion und einer Bragg-Sektion, wobei die Verstärker-Sektion und die Bragg-Sektion zur Ausbildung eines Resonators für eine optische Strahlung entlang einer longitudinalen Richtung zwischen einer Frontfacette und einer Rückfacette angeordnet werden; wobei das Diodenlaser-Bauelement entlang einer vertikalen Richtung senkrecht zur longitudinalen Richtung eine zur Wellenleitung der optische Strahlung ausgebildete Schichtstruktur aufweist, wobei das Diodenlaser-Bauelement in einer transversalen Richtung senkrecht zur vertikalen Richtung und zur longitudinalen Richtung eine Wellenleiterstruktur aufweist, wobei in der Verstärker-Sektion eine aktive Schicht über die gesamte Länge der Verstärker-Sektion in der Schichtstruktur ausgebildet wird; wobei das Diodenlaser-Bauelement in longitudinaler Richtung eine passive Propagations-Sektion zur Propagation der optischen Strahlung umfasst, wobei die Propagations-Sektion zwischen der Frontfacette und der Bragg-Sektion angeordnet ist; und sich in der Bragg-Sektion ein Oberflächengitter über die gesamte Länge der Bragg-Sektion erstreckt, wobei das Oberflächengitter durch eine Vielzahl von in longitudinaler Richtung voneinander beabstandet angeordneter Furchen ausgebildet wird.
Vorzugsweise ist die aktive Schicht nicht über die gesamte Länge der Schichtstruktur ausgebildet, sondern in der Schichtstruktur nur abschnittsweise vorhanden. Besonders bevorzugt ist ausschließlich in der Verstärker-Sektion (bzw. im Wesentlichen nur in der Verstärker-Sektion) eine aktive Schicht über die gesamte Länge der Verstärker-Sektion in der Schichtstruktur ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass die optische Strahlung in Sektionen, die keine Verstärker-Sektionen sind, verlustärmer geführt werden kann. Das in diesen Segmenten vorhandene, nicht aktiv gepumpte Material der aktiven Schicht kann ansonsten durch dessen Wechselwirkung mit der im Resonator geführten optischen Strahlung zusätzliche optische Verluste induzieren. Im Wesentlichen nur in der Verstärker-Sektion bedeutet dabei, dass auch bei einem nur geringen Anteil eines auch außerhalb der Verstärker-Sektion vorhanden aktiven Schichtabschnitts dennoch eine erheblich Reduzierung der optischen Verluste gegenüber einer Ausführung mit einer übe die gesamte Länge der Schichtstruktur ausgebildeten aktiven Schicht erreicht werden kann.
Eine nur abschnittsweise vorhandene aktive Schicht kann insbesondere durch eine direktes selektives Ausbilden einer lokal eingeschränkten aktiven Schicht während der Erzeugung der Schichtstruktur bereitgestellt werden. Alternativ kann nach einer nicht selektiven räumlichen Ausbildung der aktiven Schicht über die gesamte Länge der Schichtstruktur diese außerhalb der Verstärker-Sektionen auch entsprechend selektiv entfernt werden. Weiterhin kann durch Ionen-Implantation mittels Quantum-Well Intermixing (z. B. D. Hofstetter et al., IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron 4, 794-802, (1998); Tan et al, A. Integrated Photonics Research and Applications/Nanophotonics, Technical Digest (CD) (Optical Society of America, 2006), paper ITuE2) eine selektive Deaktivierung bzw. Passivierung bei einer nicht selektiv ausgebildeten aktiven Schicht zu deren nachträglicher Umwandlung in Bereichen außerhalb der Verstärker-Sektion vorgenommen werden.
In einer konkreten Ausführungsform umfassend ein erfindungsgemäßes Verfahren das Bereitstellen eines n-Substrats; und die Ausbildung des Schichtsystems, wobei die aktive Schicht einer Verstärker-Sektion durch selektives Ausbilden der aktiven Schicht integriert wird, oder nach einer nicht selektiven Ausbildung der aktiven Schicht außerhalb der Verstärker-Sektion selektiv entfernt wird oder durch Ionen-Implantation mittels Interbandselektiv deaktiviert wird. Bei einer nicht selektiven Ausbildung der aktiven Schicht wird das Schichtsystem nach Abschluss der Strukturierung der aktiven Schicht vervollständigt.
Im Übrigen ergeben sich weitere bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens unmittelbar aus den zur Vorrichtung in der Beschreibung genannten Merkmalen.
Für die Realisierung sehr schmalbandiger Diodenlaser werden somit die im Abschnitt zum Stand der Technik beschriebenen und bisher diskret realisierten ECDL-Ansätze für einen integrierten Aufbau genutzt. Für Anwendungen in der Telekommunikation stehen Ansätze der Heterointegration von aktiven InAlGaAs- oder InP-Schichten mit silicon-on-insulator (SOI-)Wellenleiterstrukturen zur Verfügung, die nicht auf den mit GaAs-Technologie erreichbaren Wellenlängenbereich übertragbar sind. Ein monolithisches Pendant zum ECDL, also eine Integration eines DBR Lasers mit einem langen optischen Resonator (freier Spektralbereich typischerweise 6 GHz) in einem einheitlichen Materialsystem mit einer fundamentalen Linienbreite, die der eines diskret integrierten ECDL entspricht, ist bisher in keinem Materialsystem (z. B. GaAs-, InP-, GaN-Materialsystem) bekannt, insbesondere nicht im GaAs-Materialsystem. Weiterhin ist die zuverlässig kontrollierte Realisierung von langen passiven Bragg-Wellenleitern, bei denen der Kopplungskoeffizient so gering ist, dass die resonante Beugungseffizienz des Bragg-Wellenleiters bei wenigen 10 % liegt, weder in GaAs-, InP- noch in GaN-Technologie bekannt.
In der vorliegenden Erfindung wird somit erstmals ein monolithisch integriertes Diodenlaser-Bauelement offenbart, welches eine fundamentale Linienbreite besitzt, die der von diskret integrierten ECDL entspricht. Ein erfindungsgemäßes Diodenlaser-Bauelement wird daher auch als monolithisch integrierter ECDL (mECDL) bezeichnet. Hierbei werden folgende Merkmale miteinander kombiniert:

(i) Das Diodenlaser-Bauelement kann grundsätzlich als Distributed-Bragg-Reflektor (DBR) Laser beschrieben werden (DBR Laserkonzept).
(ii) Es wird ein möglichst langer und verlustarmer passiver Wellenleiter in den Laserresonator integriert. Damit wird die Umlaufzeit des Lichtes im optischen Resonator im Vergleich zu bekannten DBR Diodenlaser-Bauelementen erhöht und eine Voraussetzung für die Ausbildung einer geringen fundamentalen Linienbreite geschaffen. Die maximal mögliche sinnvolle Länge wird dabei u. a. begrenzt durch die optischen Verluste in dem passiven Wellenleitern und technisch umsetzbare Bauelementlängen (z. Z. maximal etwa 8 ...10 mm). Sie wird auch begrenzt durch die minimal erreichbare spektrale Bandbreite des Bragg-Wellenleiters (siehe Punkt (iii)): wird der freie Spektralbereich deutlich kleiner als die spektrale Bandbreite des Bragg-Wellenleiters, ist ein zuverlässig einmodiger Betrieb des Diodenlaser-Bauelements nicht mehr möglich. Zur Einstellung der Umlaufzeit des Lichtes im optischen Resonator kann die Länge des verlustarmen passiven Wellenleiters derart groß gewählt werden, dass ein bevorzugter freier Spektralbereich von 6 GHz erreicht wird. Bevorzugt sind auch größere Längen, die dann zu kleineren freien Spektralbereichen führen.
(iii) Es wird ein langer und verlustarmer passiver Bragg-Wellenleiter mit einer resonanten Beugungseffizienz von bevorzugt 50 % als einer der beiden Reflektoren des Resonators in das Diodenlaser-Bauelement integriert. Der Bragg-Wellenleiter sollte dabei vorzugsweise so lang sein, dass die spektrale Bandbreite des Bragg-Reflektors vergleichbar mit oder kleiner als der freie Spektralbereich des Diodenlaser-Bauelementes ist. Damit kann der Bragg-Wellenleiter so schmalbandig ausgeführt werden, dass ein stabiler Einfrequenzbetrieb des Diodenlaser-Bauelementes auch bei kleinem freien Spektralbereich garantiert werden kann (siehe Punkt (ii)). Für die Realisierung von langen Bragg-Wellenleitern müssen sehr geringe Kopplungskoeffizienten (vorzugsweise wenige 0,1 mm^-1) realisiert werden.
(iv) Zur Realisierung von Bragg-Wellenleitern mit einem geringen Kopplungskoeffizienten wird ein Oberflächengitter realisiert. Im Gegensatz zu vergrabenen Gittern wird bei einem Oberflächengitter die räumlich-periodische Modulation des effektiven Brechungsindex entlang des Wellenleiters nicht durch eine räumlich-periodisch in den Wellenleiter integrierte Halbleiterschicht realisiert, sondern durch das Einätzen von Furchen in den Wellenleiter. Da die Feldstärke des optischen Feldes an der Oberfläche des Wellenleiters sehr gering ist, kann durch geeignete geometrische Ausgestaltung der Furchen, insbesondere der Furchentiefe, ein kleiner Kopplungskoeffizient zuverlässig eingestellt werden.

Ein erfindungsgemäßes Diodenlaser-Bauelement weist die für den Einsatz in der Präzisionsspektroskopie erforderliche Funktionalität auf. Aus elektrooptischer Sicht wird ein vollständiger optischer Resonator ausgebildet (optischer Resonator und intra-cavity optischer Verstärker). Bei einem zusätzlichen Einsatz von synchronisierten Wellenleiterheizungen kann die Emissionsfrequenz des Lasers mit Zeitkonstanten deutlich kleiner als 1 ms kontinuierlich um mehrere freie Spektralbereiche verändert werden. Sehr schnelle Frequenzänderungen mit Zeitkonstanten um etwa einigen µs können durch schnelle Ansteuerung des Injektionsstromes der Verstärker-Sektion oder durch Ausnutzung des elektrooptischen Effektes durch Anlegen einer elektrischen Spannung in Sperrrichtung in den passiven Wellenleiter-Sektionen erreicht werden. Damit sind auch die hohen Anforderungen an die Bandbreite einer Laser-Frequenzreglung für den Einsatz in optischen Atomuhren oder in der kohärenten Satellitenkommunikation erfüllbar.
Insbesondere kann das erfindungsgemäße Diodenlaser-Bauelement als monolithisch integrierter ECDL (mECDL) bzgl. Funktion und elektrooptischer Performance diskret integrierte, spektral schmalbandige ECDL für den mit GaAs erreichbaren Spektralbereich von 630 ... 1180 nm ersetzen. Damit werden gegenüber allen bisher bestehenden Lösungen, die alle diskret makroskopisch oder diskret mikrooptisch miniaturisiert realisiert sind, folgende Vorteile erreicht:

(i) Der Formfaktor des Lasers (Volumen) wird signifikant reduziert, je nach diskret integriertem Vergleichssystem sogar um mehrere Größenordnungen.
(ii) Wegen der Reduktion des Formfaktors und der monolithischen Realisierung weist das erfindungsgemäße Lasersystem im akustischen Frequenzbereich (bis wenige 10kHz) keine mechanischen Resonanzfrequenzen auf. Mechanische Störungen der Betriebsumgebung (Vibration und Schock) wirken sich daher deutlich geringer auf die spektrale Stabilität des Diodenlasers aus als bei diskret integrierten Lasern. Die erfindungsgemäßen Diodenlaser-Bauelemente sind daher deutlich besser für den Einsatz unter Beschleunigung und Vibration geeignet, d. h. insbesondere für einen mobilen Einsatz.
(iii) Die für die Frequenzreglung erreichbaren Bandbreiten werden durch die erfindungsgemäße Nutzung von Wellenleiterheizungen und dem elektrooptischen Effekt im Vergleich zu den mit diskret integrierten Systemen thermisch oder piezoelektrisch erreichbaren Bandbreiten vergrößert. Mit dem elektrooptischen Effekt sind Zeitkonstanten deutlich unterhalb von 1 µs erreichbar, mit Wellenleiterheizungen sind Zeitkonstanten von unterhalb 1 ms möglich. Bei diskret integrierten Systemen erfolgt die schnelle Frequenzregelung über den Injektionsstrom mit Zeitkonstanten von minimal 1 µs, im akustischen Frequenzbereich piezoelektrisch mit Zeitkonstanten deutlich größer als 10 µs (typischerweise 100 µs) und thermisch mit Zeitkonstanten deutlich größer als 1 s. Das erfindungsgemäße Diodenlaser-Bauelement ist daher deutlich agiler bzgl. der Frequenzsteuerung. Dies erleichtert die Frequenzstabilisierung und reduziert den erreichbaren minimalen Frequenzfehler bei der Frequenzstabilisierung.
(iv) Die Herstellungskosten werden bei einem erfindungsgemäßen mECDL um mindestens 1 Größenordnung gegenüber herkömmlichen ECDL-Systemen reduziert.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Figurenliste
Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die angeführten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung zu kombinieren. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Diodenlaser-Bauelements in der Schnittdarstellung;
2 eine schematische Darstellung der ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Diodenlaser-Bauelements nach 1 in einer strukturellen Aufsicht;
3 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Diodenlaser-Bauelements in einer strukturellen Aufsicht; und
4 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Diodenlaser-Bauelements in einer strukturellen Aufsicht.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Diodenlaser-Bauelements in der Schnittdarstellung. Das gezeigte Diodenlaser-Bauelement weist in vertikaler Richtung Y ein auf ein n-Substrat 10 aufgebrachtes Schichtsystem S auf. Das Schichtsystem S umfasst eine n-Mantelschicht 12, wobei die n-Mantelschicht 12 auf dem n-Substrat 10 angeordnet ist; eine n-Wellenleiterschicht 14, wobei die n-Wellenleiterschicht 14 auf der n-Mantelschicht 12 angeordnet ist; eine p-Wellenleiterschicht 16, wobei die p-Wellenleiterschicht 16 auf der n-Wellenleiterschicht 14 angeordnet ist; eine p-Mantelschicht 18, wobei die p-Mantelschicht 18 auf der p-Wellenleiterschicht 16 angeordnet ist; und eine p-Kontaktschicht 20, wobei die p-Kontaktschicht 20 auf der p-Mantelschicht 18 angeordnet ist. In longitudinaler Richtung Z umfasst das Diodenlaser-Bauelement eine Verstärker-Sektion VS, eine Propagations-Sektion PS und eine Bragg-Sektion BS; wobei die Verstärker-Sektion VS, die Propagations-Sektion PS und die Bragg-Sektion BS zwischen einer Frontfacette 22 und einer Rückfacette 24 angeordnet sind; wobei zwischen der n-Wellenleiterschicht 14 und der p-Wellenleiterschicht 18 eine aktive Schicht 15 ausschließlich in der Verstärker-Sektion VS über die gesamte Länge ausgebildet ist; und wobei sich ausschließlich in der Bragg-Sektion BS ein Oberflächengitter 30 über die gesamte Länge der Bragg-Sektion BS erstreckt, wobei das Oberflächengitter 30 durch eine Vielzahl von in longitudinaler Richtung Z voneinander beabstandet angeordneter Furchen 32 ausgebildet wird, wobei die Furchen 32 sich durch die p-Kontaktschicht 20 hindurch bis in die p-Mantelschicht 18 hinein erstrecken.
2 zeigt eine schematische Darstellung der ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Diodenlaser-Bauelements nach 1 in einer strukturellen Aufsicht. Die gezeigte Ansicht gibt dabei eine mögliche Anordnung von Strukturen an der Oberseite (d. h. der p-Seite) des Diodenlaser-Bauelements an, wobei der zentrale Bereich mit dem durchgehenden Wellenleiter lediglich zur Veranschaulichung mit eingezeichnet ist und bei einer realen Aufsicht in der Strukturierung eventuell gar nicht erkennbar ist. Die Verstärker-Sektion VS weist in dieser rein beispielhaften Darstellung einen elektrischen Kontakt A (Kontaktpad) zur Ladungsträgerinjektion auf. Eine Verstimmung der Emissionsfrequenz des Diodenlaser-Bauelements kann durch zwei resistive Heizelemente H1-H4 in der Verstärker-Sektion VS und/oder der Bragg-Sektion BS über weitere elektrische Kontakte (Kontaktpads) erfolgen. Vorzugsweise ist die aktive Schicht 15 als Single- oder Multi-Quantum-Well-Struktur, oder als Quantum-Dot-Struktur in einem GaAs-, InP- oder GaN-Materialsystem ausgebildet.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Diodenlaser-Bauelements in der Aufsicht. Diese Ausführungsform entspricht bis auf eine Erweiterung der Sektionenanzahl im Grunde der in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsform. Die Bezugszeichen und deren Zuordnung zu den einzelnen Merkmalen gelten daher entsprechend. Das gezeigte Diodenlaser-Bauelement umfasst in longitudinaler Richtung Z eine zweite Verstärker-Sektion VS2, wobei die zweite Verstärker-Sektion VS2 kürzer als die Verstärker-Sektion VS ist. Die Verstärker-Sektion VS und die zweite Verstärker-Sektion VS2 weisen dadurch unterschiedliche elektrische Kapazitäten auf. Vorzugsweise erfolgt über die zugehörigen elektrischen Kontakte A, A2 eine Ladungsträgerinjektion, worüber sich die Modulationseffizienz bei hohen Modulationsfrequenzen für beide Verstärker-Sektionen VS, VS2 durch das Betreiben des Diodenlaser-Bauelements bei einer kleineren elektrischen Kapazität erhöhen lässt. Unmittelbar an die Frontfacette 22 schließt sich eine zweite Propagations-Sektion PS2 an. Damit kann die thermische Belastung der Frontfacette 22 reduziert werden. Weiterhin ist eine dritte Propagations-Sektion PS3 als gekrümmte Wellenleiter-Sektion ausgebildet. Die Krümmung dient als Modenfilter zur Abstrahlung unerwünschter Transversal-Moden höherer Ordnung in das Material des Schichtsystems S sowie zur Reduktion einer optischen Rückkopplung durch Reflektion an der Rückfacette 24.
4 zeigt eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Diodenlaser-Bauelements in einer strukturellen Aufsicht. Diese Ausführungsform entspricht weitgehend der in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsform. Die Bezugszeichen und deren Zuordnung zu den einzelnen Merkmalen gelten daher entsprechend. Die Flächennormale der Stoßfläche zwischen der Verstärker-Sektion VS und der sich unmittelbar anschließenden Propagations-Sektion PS schließt jedoch einen Winkel α mit einer Ausbreitungsrichtung der optischen Strahlung im Resonator ein. Eine entsprechende gegenseitige Verkippung von Stoßflächen kann jedoch auch weitere benachbarte bzw. aneinandergrenzende Sektionen betreffen. Eine solche Verkippung dient der internen Unterdrückung von unerwünschten Rückreflexen an der jeweiligen Stoßfläche. Bevorzugt beträgt der Winkel α einige wenige Grad (z. B. α = 3°).
Bezugszeichenliste

10: n-Substrat
12: n-Mantelschicht
14: n-Wellenleiterschicht
15: aktive Schicht
16: p-Wellenleiterschicht
18: p-Mantelschicht
20: p-Kontaktschicht
22: Frontfacette
24: Rückfacette
30: Oberflächengitter
32: Furchen
S: Schichtstruktur
VS: Verstärkungs-Sektion (VS)
VS2: zweite Verstärkungs-Sektion
VS3: dritte Verstärkungs-Sektion
PS: Propagations-Sektion (PS)
PS2: zweite Propagations-Sektion
PS3: dritte Propagations-Sektion
BS: Bragg-Sektion (BS)
A, A2-A5: elektrische Kontakte
H1-H4: resistive Heizelemente (mit elektrischen Kontakten)
Y: vertikale Richtung
Z: longitudinale Richtung
α: Winkel

Claims

Diodenlaser-Bauelement mit einer Verstärker-Sektion (VS) und einer Bragg-Sektion (BS), wobei die Verstärker-Sektion (VS) und die Bragg-Sektion (BS) zur Ausbildung eines Resonators für eine optische Strahlung entlang einer longitudinalen Richtung (Z) zwischen einer Frontfacette (22) und einer Rückfacette (24) angeordnet sind; wobei das Diodenlaser-Bauelement entlang einer vertikalen Richtung (Y) senkrecht zur longitudinalen Richtung (Z) eine zur Wellenleitung der optische Strahlung ausgebildete Schichtstruktur (S) aufweist, wobei das Diodenlaser-Bauelement in einer transversalen Richtung (X) senkrecht zur vertikalen Richtung (Y) und zur longitudinalen Richtung (Z) eine Wellenleiterstruktur aufweist, wobei in der Verstärker-Sektion (VS) eine aktive Schicht (15) über die gesamte Länge der Verstärker-Sektion (VS) in der Schichtstruktur (S) ausgebildet ist; dadurch gekennzeichnet, dass das Diodenlaser-Bauelement in longitudinaler Richtung (Z) eine passive Propagations-Sektion (PS) zur Propagation der optischen Strahlung umfasst, wobei die Propagations-Sektion (PS) zwischen der Frontfacette (22) und der Bragg-Sektion (BS) angeordnet ist; und sich in der Bragg-Sektion (BS) ein Oberflächengitter (30) über die gesamte Länge der Bragg-Sektion (BS) erstreckt, wobei das Oberflächengitter (30) durch eine Vielzahl von in longitudinaler Richtung (Z) voneinander beabstandet angeordneter Furchen (32) ausgebildet wird.
Diodenlaser-Bauelement nach Anspruch 1, wobei die Länge der Propagations-Sektion (PS) derart gewählt ist, dass das Diodenlaser-Bauelement einen freien Spektralbereich von höchstens 6 GHz aufweist.
Diodenlaser-Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei die spektrale Bandbreite des Oberflächengitters (30) kleiner oder gleich dem freien Spektralbereich des Diodenlaser-Bauelementes ist.
Diodenlaser-Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Oberflächengitter (30) einen Kopplungskoeffizienten von wenigen 0,1 mm^-1 aufweist.
Diodenlaser-Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die Furchen (32) des Oberflächengitters (30) in das Schichtsystem (S) hinein erstrecken.
Diodenlaser-Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Bragg-Sektion (BS) passiv ist.
Diodenlaser-Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Frontfacette (22) für eine Leistungsreflektivität zwischen 1 % und 35 % teilverspiegelt ist, die Rückfacette (24) entspiegelt ist, und die resonante Beugungseffizienz des Oberflächengitters (30) zwischen 10 % und 60 % ist.
Diodenlaser-Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Frontfacette (22) für eine Leistungsreflektivität größer 95 % verspiegelt ist, die Rückfacette (24) entspiegelt ist, und die resonante Beugungseffizienz des Oberflächengitters (30) zwischen 3 % und 30 % ist.
Diodenlaser-Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Verstimmung der Emissionsfrequenz des Diodenlaser-Bauelements durch ein resistives Heizelement (H1, H2, H3, H4) in der Verstärker-Sektion (VS) und/oder der Bragg-Sektion (BS) erfolgt.
Diodenlaser-Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Diodenlaser-Bauelement in longitudinaler Richtung (Z) eine zweite Verstärker-Sektion (VS2) umfasst, wobei die zweite Verstärker-Sektion (VS2) kürzer als die Verstärker-Sektion (VS) ist.
Diodenlaser-Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Diodenlaser-Bauelement in longitudinaler Richtung (Z) eine zweite Propagations-Sektion (PS2) umfasst, wobei sich die zweite Propagations-Sektion (PS2) unmittelbar an die Frontfacette (26) anschließt.
Diodenlaser-Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Propagations-Sektion (PS, PS2, PS3) und/oder eine Bragg-Sektion (BS) einen elektrischen Kontakt (A2, A4, A5) aufweist, über den durch Anlegen einer Spannung in Sperrrichtung der effektive Brechungsindex der Sektion (PS, PS2, PS3, BS) geändert werden kann.
Diodenlaser-Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Flächennormale der Stoßfläche zwischen zwei benachbarten Sektionen (VS, VS2, PS, PS2, PS3, BS) einen Winkel (a) mit einer Ausbreitungsrichtung der optischen Strahlung im Resonator einschließt.
Diodenlaser-Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die aktive Schicht (15) als Single- oder Multi-Quantum-Well-Struktur, oder als Quantum-Dot-Struktur in einem GaAs-, InP- oder GaN-Materialsystem ausgebildet ist.
Verfahren zur Herstellung eines Diodenlaser-Bauelements nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend die Ausbildung einer Verstärker-Sektion (VS) und einer Bragg-Sektion (BS), wobei die Verstärker-Sektion (VS) und die Bragg-Sektion (BS) zur Ausbildung eines Resonators für eine optische Strahlung entlang einer longitudinalen Richtung (Z) zwischen einer Frontfacette (22) und einer Rückfacette (24) angeordnet werden; wobei das Diodenlaser-Bauelement entlang einer vertikalen Richtung (Y) senkrecht zur longitudinalen Richtung (Z) eine zur Wellenleitung der optische Strahlung ausgebildete Schichtstruktur (S) aufweist, wobei das Diodenlaser-Bauelement in einer transversalen Richtung (X) senkrecht zur vertikalen Richtung (Y) und zur longitudinalen Richtung (Z) eine Wellenleiterstruktur aufweist, wobei in der Verstärker-Sektion (VS) eine aktive Schicht (15) über die gesamte Länge der Verstärker-Sektion (VS) in der Schichtstruktur (S) ausgebildet wird; wobei das Diodenlaser-Bauelement in longitudinaler Richtung (Z) eine passive Propagations-Sektion (PS) zur Propagation der optischen Strahlung umfasst, wobei die Propagations-Sektion (PS) zwischen der Frontfacette (22) und der Bragg-Sektion (BS) angeordnet ist; und wobei sich in der Bragg-Sektion (BS) ein Oberflächengitter (30) über die gesamte Länge der Bragg-Sektion (BS) erstreckt, wobei das Oberflächengitter (30) durch eine Vielzahl von in longitudinaler Richtung (Z) voneinander beabstandet angeordneter Furchen (32) ausgebildet wird.