EP3501069A1 - Wellenleiterstruktur und optisches system mit wellenleiterstruktur - Google Patents

Wellenleiterstruktur und optisches system mit wellenleiterstruktur

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EP3501069A1
EP3501069A1 EP17758120.4A EP17758120A EP3501069A1 EP 3501069 A1 EP3501069 A1 EP 3501069A1 EP 17758120 A EP17758120 A EP 17758120A EP 3501069 A1 EP3501069 A1 EP 3501069A1
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EP
European Patent Office
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waveguide
width
waveguide region
longitudinal axis
region
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP17758120.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Götz ERBERT
Jörg Fricke
Andre Müller
Hans Wenzel
Bernd Sumpf
Katrin Paschke
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Forschungsverbund Berlin FVB eV
Original Assignee
Forschungsverbund Berlin FVB eV
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Filing date
Publication date
Application filed by Forschungsverbund Berlin FVB eV filed Critical Forschungsverbund Berlin FVB eV
Publication of EP3501069A1 publication Critical patent/EP3501069A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01S5/1014—Tapered waveguide, e.g. spotsize converter
    • G—PHYSICS
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    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
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    • G02B6/122—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
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    • H01S2301/166—Single transverse or lateral mode

Definitions

  • the invention relates to a waveguide structure and an optical system having a waveguide structure.
  • the present invention relates to improving the reflectivity of a waveguide structure having an integrated reflection grating within the optical system of a semiconductor laser.
  • the light emission must be mono- or single-mode with the lowest possible spectral bandwidth.
  • Surface grating i. Periodic surface structures, which are produced by partial removal (etching) of the semiconductor material of the waveguide layers, are a type of Bragg gratings commonly used in semiconductor lasers for wavelength stabilization of the emitted laser light. These Bragg gratings are used as reflectors in the semiconductor lasers. Due to the periodic structure, the reflectivity strongly depends on the wavelength, and in conjunction with the optical gain of the material, the desired spectral response can be achieved.
  • the best wavelength stability can be achieved when the grating is placed on the back of the resonator.
  • a high reflectivity of the Bragg gratings typically of 80% and more, is necessary.
  • the semiconductor laser must also resonate spatially in basic mode operation.
  • Narrow rib or strip waveguides with widths of approximately 5 ⁇ m are used to guide the electromagnetic waves within the semiconductor laser.
  • the reflectivity of the surface gratings described above when used in lasers having such narrow strip widths, only reaches values of at most 60%, but typically only values of 30% and smaller. It is likely that it is in the narrow waveguides too an interaction of the grid with the lateral waveguide comes so that radiation losses occur, which limit the reflectivity.
  • a waveguide structure according to the invention with increased grating reflectivity should be applicable in addition to semiconductor lasers for general optical systems.
  • the waveguide structure comprises a first waveguide region having a constant first width, adapted to guide electromagnetic waves in a fashion-sustaining manner along its longitudinal axis; a second waveguide region adapted to guide electromagnetic waves modenatively along its longitudinal axis, wherein the longitudinal axis of the first waveguide region and the longitudinal axis of the second waveguide region form a common longitudinal axis of the waveguide structure, a first end surface of the first waveguide region and a first end surface of the second waveguide region wherein the width of the first end surface of the second waveguide region corresponds to the first width, and the width of the second waveguide region widens along its longitudinal axis from the first end surface to a second end surface to a second width greater than the first width; and a grid with a plurality of lands and trenches, with the grid along the common longitudinal axis is arranged in the second waveguide region.
  • the second waveguide region and the grating are designed to guide electromagnetic waves in the second waveguide region in a fashion-sustaining manner along the common longitudinal axis and to reflect in a fashion-preserving manner.
  • the first waveguide region, the second waveguide region and the grating are configured to guide electromagnetic waves in the first waveguide region and in the second waveguide region in a fashion-sustaining manner along the common longitudinal axis and to reflect in a fashion-preserving manner.
  • the width of a waveguide corresponds to the distance of opposing side regions of the waveguide and is determined perpendicular to the longitudinal axis of the waveguide. Constant width means that the width of the waveguide is substantially the same for each position along the longitudinal axis of the waveguide, and variations in the width of the waveguide are negligible.
  • the width of the waveguide with respect to a mean width of the waveguide varies by a maximum of 0.1%, less than 1% or less than 5%.
  • Mode-retaining guidance means that a waveguide can guide an electromagnetic wave in at least one transverse propagation mode substantially stable along the longitudinal axis of the waveguide.
  • essentially stable means that when the electromagnetic wave is guided in at least one transverse propagation mode, only a negligible coupling to other waveguide modes takes place.
  • at least 99.9%, at least 98%, at least 95% or at least 90% of the energy coupled into this propagation mode in the respective modes preferably remain in the at least one mode-guided transverse propagation mode.
  • the end faces or facets of a waveguide are the regions of the waveguide which are designed for coupling and decoupling electromagnetic waves. If a first end face of the first waveguide region and a first end face of the second waveguide region are aligned with one another, a coupling between the propagation modes of the two waveguide regions can take place.
  • the end surfaces can be directly adjacent or spaced from each other. Preferably, the distance is smaller than the wavelength of an electromagnetic wave guided in the waveguide. Preferably, a distance greater than 1/10 of the wavelength of a guided in the waveguide electromagnetic wave.
  • the waveguide structure according to the invention is characterized in that the second width exceeds the first width by more than 20%, more than 25%, more than 50%. More preferably, the second width exceeds the first width by more than 100%, more than 200%, more than 500%, more than 1000%, or more than 2500%.
  • the second waveguide region preferably has an overall length of greater than 200 ⁇ m, greater than 500 ⁇ m, greater than 1000 ⁇ m or greater than 2500 ⁇ m.
  • the first waveguide region preferably has a constant first width of greater than 1 ⁇ , greater than 2 ⁇ , greater than 5 ⁇ , greater than 10 ⁇ or greater than 25 ⁇ .
  • a waveguide structure according to the invention may preferably have a first width between 2 ⁇ and 5 ⁇ and a second width between 18 ⁇ and 22 ⁇ . Also preferred is a waveguide structure according to the invention having a first width between 3 ⁇ and 7 ⁇ and a second width between 25 ⁇ and 35 ⁇ .
  • the waveguide structure for guiding electromagnetic waves from the visible spectral range is formed.
  • the waveguide structure according to the invention is designed to guide electromagnetic waves from the infrared or ultraviolet spectral range.
  • the waveguide structure for guiding electromagnetic waves from the spectral range between 0.6 ⁇ and 1, 1 ⁇ is formed.
  • the first waveguide region is configured to guide only a single transverse propagation mode.
  • the grating is preferably a Bragg reflection grating.
  • the Bragg reflection grating is a surface grating.
  • the shape of the trenches is preferably right-angled or tapering to a trench minimum (furrows).
  • the webs are characterized in that the webs connect the trench maxima of adjacent trenches with each other. In the case of furrows arranged maximally close to one another, a web can also be defined via the point of contact of two adjoining furrow edges.
  • the second waveguide region and the grating are designed to guide electromagnetic waves in the second waveguide region in a fashion-sustaining manner along the common longitudinal axis and to reflect in a fashion-preserving manner. If, for example, the spatial fundamental mode of the first waveguide region is excited at the free (second) end face of the first waveguide region, the corresponding electromagnetic wave is guided in a mode-retaining manner as a spatial fundamental mode along the longitudinal axis of the first waveguide region, coupled to the second waveguide region in a fashion-preserving manner and likewise locally there continued as a basic spatial fashion.
  • the propagation direction of the mode is reversed, so that after a renewed feedback in the first waveguide region at the free (second) end face of the first waveguide region also the spatial fundamental mode of the first waveguide region is emitted again.
  • the first waveguide region, the second waveguide region and the grating are thus designed to effect a mode-preserving direction reversal for at least one transverse propagation mode of the first waveguide region excited at the free (second) end face of the first waveguide region.
  • Mode-preserving guidance and reflection may also be present for higher-order propagation modes as well as arbitrary superpositions of such modal-conserved and reflected propagation modes.
  • the waveguide structure thus comprises a first waveguide region with a constant first width and a second waveguide region directly or indirectly adjacent thereto with an at least partially integrated reflection grating, wherein the width of the second waveguide region increases from the first width to a second width along its longitudinal axis first width widens.
  • the second waveguide region may comprise sections of constant width, in particular an extended length section with a constant second width.
  • the waveguide structure and in particular the transition region from the first width to the second width of the waveguide structure must meet the so-called adiabaticity criterion for mode preservation in tapering (or expanding) waveguide structures for mode preservation.
  • the adiabaticity criterion is described, for example, in Yunfei Fu et. al., "Efficient adiabatic silicon-on-insulator waveguide taper", Photon Res. 2 (3) (2014).
  • the reflectivity of a grating section integrated into a waveguide depends on its width, the reflectivity of the grating increasing with the width of the ridge waveguide (see FIG. 4).
  • waveguides of small width particularly in ridge waveguide lasers designed for single-mode operation, are a prerequisite for realizing single-mode operation with extremely narrow emission widths. Since the effective length of a grating integrated in the waveguide must be kept as low as possible for the most compact and reliable resonator structure, the required grating length can be reduced by increasing the reflectivity of the grating.
  • a waveguide structure according to the invention can be used to maximize the reflectivity of the back grating of the resonator of a semiconductor laser and thus to reduce the total required compared to a conventional laser structure to achieve a certain reflectivity grid length or to achieve an increased reflectivity with a comparable grating length.
  • a waveguide structure according to the invention can also, for example, with less reflectivity than Auskoppelgitter be arranged on the front side of such a semiconductor laser. This results in the technical advantage that due to the improved efficiency of the grating, the passive range of the laser can be further reduced even in this area.
  • an increase in the reflectivity of the grating is achieved by increasing the width of a waveguide structure exclusively in the region of the grating, with a transition from a waveguide region having a narrow width to a waveguide region having a high width.
  • it must always be ensured that no or only negligibly small coupling occurs between different transverse propagation modes of the waveguide structure, since otherwise it can lead to spectral instabilities and a loss of the single-mode capability of the laser.
  • it can lead to high power losses in the resonator and thus to a reduced efficiency of the laser.
  • a corresponding waveguide structure should therefore enable a mode-preserving guidance and reflection of electromagnetic waves.
  • a waveguide structure according to the invention can be used everywhere for reflection of an electromagnetic wave guided in a waveguide, where it depends on the type of guided transverse propagation mode and a particularly compact design of the associated optical system.
  • Optical systems that may include corresponding waveguide structures include, for example, general waveguide-based interferometer structures, optical couplers, modulators, multiplexers / de-multiplexers, phase shifters, or signal retarders.
  • a waveguide structure according to the invention is integrated into the resonator of a semiconductor laser as a compact, highly-reflective and mode-preserving frequency-selective feedback element.
  • the second waveguide region comprises an extended length portion having a constant second width along its longitudinal axis.
  • this borders Area directly to the second end face with the second width of the second waveguide region.
  • the second waveguide region may also have a plurality of such extended longitudinal sections along its longitudinal axis.
  • the width of the second waveguide region may widen along its longitudinal axis from the first end face to a second end face to a second width greater than the first width, wherein the widening has individual intermediate portions having a constant third width and a constant fourth width third width and fourth width are larger than the first width and smaller than the second width, respectively.
  • the grating is arranged exclusively in the extended length portion having the second width of the second waveguide region. It is likewise preferred that the grating is distributed over the entire second waveguide region. Particularly preferably, the grating is located exclusively in a section of the second waveguide region with a non-constant width.
  • the plurality of ridges and trenches of the grating extend over the entire width of the second waveguide region.
  • the plurality of webs and trenches of the grating do not extend, at least in sections, over the entire width of the second waveguide region. It is preferred that the webs and trenches of the grating are arranged exclusively in the region of the outer sides of the second waveguide region, wherein the width of such a web or trench results from the sum of the individual segments of the respective web or trench. It is also preferred that the webs and trenches of the grating are arranged exclusively in the region of the middle of the second waveguide region. Both embodiments in the arrangement of the webs and trenches of the grid can also occur alternately in sections.
  • the depth of the trenches and / or the width of the lands of the plurality of lands and trenches of the grid each have constant (nominal) values or monotonically varying along the grid.
  • these may be apodized gratings or so-called “chirped gratings”.
  • the webs and trenches of the grid extend parallel to an end face of the second waveguide region. It is further preferred that the webs and trenches of the grating include an angle greater than 1 °, greater than 5 ° or greater than 10 ° to an end face of the second waveguide region. Preferably, this angle is less than 15 °.
  • the waveguides in the first and second waveguide regions are stripe waveguides or ridge wave guides.
  • the parameter value 0 corresponds to the origin of the longitudinal axis at the first end face of the second waveguide region.
  • the parameter value 1 corresponds to the expansion length as the maximum length of the longitudinal axis portion of the second waveguide region on which the width w of the second waveguide region widens along its longitudinal axis from the first end surface to the second end surface to a second width w 2 greater than the first width Wi.
  • the expansion therefore preferably occurs with potential or exponential growth rates for the width of the second waveguide region.
  • b and c determine the strength of the respective growth component, while a and c represent corresponding preconditions for fulfilling the respective boundary conditions.
  • an expansion takes place linearly, purely potentially, purely quadratically or simply exponentially.
  • Figure 1 is a schematic representation of a first embodiment of a waveguide structure according to the invention in side view and top view;
  • Figure 2 is a schematic representation of a second embodiment of a waveguide structure according to the invention;
  • FIG. 3 shows schematic representations of further embodiments of waveguide structures according to the invention.
  • Figure 4 is a schematic representation of a curved embodiment of a waveguide structure according to the invention.
  • FIG. 5 is a graphic representation of the relationship between the reflectivity of the
  • FIG. 6 is a graphic representation of the minimum required expansion length in FIG.
  • FIG. 7 shows graphic representations of the reflectivities of various embodiments of a semiconductor laser according to the invention.
  • FIG. 8 shows characteristic curves from pulse measurements on bars of various embodiments of a semiconductor laser according to the invention of a first wavelength
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a first embodiment of a waveguide structure 100 according to the invention in side view and top view.
  • a first end face of a second waveguide region 20 having a width w-1 is equal to the first width w-1 of the first waveguide region 10.
  • the first waveguide region 10 and the second waveguide region 10 Waveguide regions 20 are configured to guide electromagnetic waves along a first longitudinal axis L10 of the first waveguide region 10 and a second longitudinal axis L20 of the second waveguide region 20.
  • a transition in at least one Propagation mode guided electromagnetic wave from the first waveguide region 10 in the second waveguide region 20 takes place modenhaltend instead.
  • the width w of the second waveguide region 20 widens trapezoidally along its longitudinal axis L20 from the first end face to a second end face to a second width w 2 greater than the first width w, wherein the second waveguide region 20 has an extended longitudinal section along its longitudinal axis L20 comprising a constant second width w 2 .
  • a grid 40 with a plurality of webs 42 and trenches 44 is arranged within this length section.
  • the illustrated waveguide structure 100 is a ridge waveguide.
  • the individual trenches 44 of the grating 40 can preferably be introduced into the rib of the rib waveguide, for example by selective etching.
  • the illustrated waveguide structure 100 is oriented such that a common longitudinal axis L10, L20 of the waveguide structure 100 results as a straight-line connection between the first longitudinal axis L10 of the first waveguide region 10 and the second longitudinal axis L20 of the second waveguide region 20.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a second embodiment of a waveguide structure 100 according to the invention.
  • the representation largely corresponds to the embodiment shown in FIG.
  • the individual reference signs and their assignment apply accordingly.
  • the width w of the second waveguide region 20 also widens trapezoidally along its longitudinal axis L20 from a first end face to a second end face to a second width w 2 greater than the first width w, wherein the second waveguide region 20 does not have any along its longitudinal axis L20 extended length portion with a constant second width w 2 includes.
  • the grating 40 extends completely along the longitudinal axis L20 of the second waveguide region 20 in this embodiment.
  • FIG. 3 shows schematic illustrations of further embodiments of waveguide structures 100 according to the invention.
  • the illustrations largely correspond to the embodiments of inventive waveguide structures 100 shown in FIGS. 1 and 2.
  • the individual reference symbols and their assignment apply correspondingly. Differences arise in particular in the form of the widening of the width (top and middle) of the second waveguide region 20 and in the arrangement (bottom) of the grating (40) within the second waveguide region 20.
  • FIG. 4 shows a schematic illustration of a curved embodiment of a waveguide structure 100 according to the invention.
  • the illustrations largely correspond to the embodiment of a waveguide structure 100 according to the invention shown in FIG. 2.
  • the individual reference symbols and their assignment apply correspondingly.
  • the longitudinal axis L10 of the first waveguide region 10 and the longitudinal axis L20 of the second waveguide region 20 are each shown curved.
  • the common longitudinal axis L10, L20 of the waveguide structure 100 is thereby also curved.
  • Such a curved embodiment of a waveguide structure 100 according to the invention can in particular be used to spatially separate the waveguide paths branching from a directional coupler.
  • the type of curvature can be freely varied, but the condition of a modal-retaining guidance electromagnetic waves must be met according to the invention.
  • the adiabiticity criterion mentioned for the expansion applies correspondingly to a transition between guided modes and leaky modes of a waveguide region.
  • the gratings were reflection gratings of 3rd order (o) and 8th order ( ⁇ ) integrated into the rib waveguides with a total grid length of 1 mm.
  • the reflectivities shown were determined from the ratio of the powers on the rear and front side of the rib waveguide.
  • the reflectivity of the gratings increases with the width of the rib waveguide, wherein at a waveguide width of 100 ⁇ ( ⁇ 100 ⁇ ), the reflectivity rises to just below 80% ( ⁇ ) or 90% (o). With a waveguide width of about 2 ⁇ ( ⁇ 20 ⁇ ), only just under 8% ( ⁇ ) or 24% (o) reflectivity is achieved. Thus, the waveguide width is preferably in a range between ⁇ 20 ⁇ and ⁇ 40 ⁇ .
  • FIG. 6 shows a graph of the minimum required expansion length L min as a function of the wavelength ⁇ and the waveguide width in the case of a trapezoidal expansion. The calculations shown are based on the results of Yunfei Fu et. al. ("Efficient adiabatic silicon-on-insulator waveguide taper", Photon Res.
  • the expansion length is in a range between 500 ⁇ and 1500 ⁇ .
  • FIG. 7 shows graphic representations of the reflectivities R of various embodiments of a semiconductor laser according to the invention.
  • the reflectivities achieved by grids in standard design DBR-RW, left Fig.
  • Fig. 1 trapezoidal RW, middle image
  • Fig. 2 trapezoid -DBR, right figure
  • the etching depth of the grating indirectly hides behind the lacquer opening B applied along the x-axis (the larger the lacquer opening B, the greater the etching depth). It can be seen that, compared with the standard DBR-RW design, the reflectivity can be increased significantly by widening the grids.
  • the respective reflection maximum is achieved at a middle paint opening B.
  • the gratings integrated in the waveguide structures according to the invention were lattices for the 3rd order and the 7th order.
  • the designated as grades A and C laser diodes each have not widened grating, while the types B and D were trapezoidal expanded from 5 ⁇ to 10 ⁇ at 500 ⁇ expansion length.
  • the achieved output powers are higher in each case due to improved reflectivity of the gratings, while at the same time the power emitted from the rear side (grating side) is lowest (see FIG. 8).

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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

Beschreibung
Wellenleiterstruktur und optisches System mit Wellenleiterstruktur Beschreibung
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 μηη 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, 181 102 (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 μηη, größer als 500 μηη, größer als 1000 μηη oder größer als 2500 μηη auf. Vorzugsweise weist der erste Wellenleiterbereich eine konstante erste Breite von größer als 1 μηη, größer als 2 μηη, größer als 5 μηη, größer als 10 μηη oder größer als 25 μηη auf. Bevorzugt kann eine erfindungsgemäße Wellenleiterstruktur eine erste Breite zwischen 2 μηη und 5 μηη und eine zweite Breite zwischen 18 μηη und 22 μηη aufweisen. Ebenfalls bevorzugt ist eine erfindungsgemäße Wellenleiterstruktur mit einer ersten Breite zwischen 3 μηη und 7 μηη und einer zweiten Breite zwischen 25 μηη und 35 μηη. 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 μηη und 1 ,1 μηη 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 Figur 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 wave- guides).
Vorzugsweise weitet sich die Breite w des zweiten Wellenleiterbereichs entlang seiner Längsachse von der ersten Breite Wi auf die zweite Breite w2 gemäß w(x) = W-L + (α * (1 - eb*x) + c * xd); w(0) = wt und w(l) = 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 Wi 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 Wi 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:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wellenleiterstruktur in Seitenansicht und Aufsicht; Figur 2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wellenleiterstruktur;
Figur 3 schematische Darstellungen weiterer Ausführungsformen erfindungsgemäßer Wellenleiterstrukturen;
Figur 4 eine schematische Darstellung einer gekrümmten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wellenleiterstruktur;
Figur 5 eine grafische Darstellung der Abhängigkeit zwischen der Reflektivität des
Gitters und der Wellenleiterbreite;
Figur 6 eine grafische Darstellung der minimal erforderlichen Aufweitungslänge in
Abhängigkeit von der Wellenlänge und der Wellenleiterbreite bei trapezförmiger Aufweitung;
Figur 7 grafische Darstellungen der Reflektivitäten verschiedener Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Halbleiterlasers;
Figur 8 Kennlinien aus Pulsmessungen an Riegeln verschiedener Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Halbleiterlasers einer ersten Wellenlänge; und
Figur 9 Kennlinien aus Pulsmessungen an Riegeln verschiedener Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Halbleiterlasers einer zweiten Wellenlänge.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Figur 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 w-ι schließt sich eine erste Stirnfläche eines zweiten Wellenleiterbereichs 20 mit einer Breite w-ι gleich der ersten Breite w-ι 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 w-ι 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.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wellenleiterstruktur 100. Die Darstellung entspricht weitgehend der in Figur 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 w-ι 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.
Figur 3 zeigt schematische Darstellungen weiterer Ausführungsformen erfindungsgemäßer Wellenleiterstrukturen 100. Die Darstellungen entsprechen weitgehend den in den Figuren 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. Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung einer gekrümmten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wellenleiterstruktur 100. Die Darstellungen entsprechen weitgehend der in Figur 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 Adiabitizitäts- kriterium entsprechend einem Übergang zwischen einzelnen geführten Moden (guided modes) und verlustbehafteten Randmoden (leaky modes) eines Wellenleiterbereichs.
Figur 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 (o) 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 μηη (~100λ) die Reflektivität auf knapp unter 80% (♦) bzw. 90% (o) ansteigt. Bei einer Wellenleiterbreite von etwa 2 μηη (~20λ) werden lediglich knapp 8% (♦) bzw. 24% (o) Reflektivität erreicht. Vorzugsweise liegt die Wellenleiterbreite demnach in einem Bereich zwischen ~20λ und ~40λ.
Figur 6 zeigt eine grafische Darstellung der minimal erforderlichen Aufweitungslänge Lmin 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 μηη ergibt sich bei einer trapezförmigen Aufweitung für einen Wellenleiter mit einer ersten Breite Wi = 3 μηη (a) auf eine zweite Breite w2 = 20 μηη (~20λ) eine minimal erforderliche Aufweitungslänge von etwa 700 μηη, (b) auf eine zweite Breite w2 = 15 μηη (~15λ) eine minimal erforderliche Aufweitungslänge von etwa 350 μηη und (c) auf eine zweite Breite w2 = (~10λ) eine minimal erforderliche Aufweitungslänge von etwa 100 μηη. Vorzugsweise liegt die Aufweitungslänge in einem Bereich zwischen 500 μηη und 1500 μηη.
Figur 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 Fig. 1 dargestellten erfindungsgemäßen ersten Variante (Trapez-RW, mittleres Bild) und in der in Fig. 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 Figur 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 Figur 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 μηη auf 10 μηη bei 500 μηη 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 Fig. 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

Claims

Patentansprüche
1 . Wellenleiterstruktur (100) umfassend,
a) einen ersten Wellenleiterbereich (10) mit einer konstanten ersten Breite (w-ι), 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 (w-i) 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 (w-ι) 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.
2. Wellenleiterstruktur (100) gemäß Anspruch 1 , wobei der zweite Wellenleiterbereich (20) entlang seiner Längsachse (L20) einen ausgedehnten Längenabschnitt mit einer konstanten zweiten Breite (w2) umfasst.
3. 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.
4. 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.
5. 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.
6. 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.
7. 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.
8. Wellenleiterstruktur (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Breite w des zweiten Wellenleiterbereichs (20) sich entlang seiner Längsachse (L20) von der ersten Breite Wi auf die zweite Breite w2 gemäß Formel (1 ) w(x) = W-L + (α * (1 - eb*x) + c * xd); w(0) = wt und w(l) = w2 (1 ) aufweitet, wobei x einer linearen Parametrisierung der Aufweitungsstrecke von 0 bis 1 entspricht und a, b, c, d positive reelle Zahlen darstellen.
9. Halbleiterlaser (200) mit Resonator, wobei der Resonator eine Wellenleiterstruktur (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8 umfasst.
10. Optisches System (300), umfassend eine Wellenleiterstruktur gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8.
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