WO2022171375A1 - Diodenlaser-bauelement mit erweiterter kavität sowie verfahren zur herstellung - Google Patents

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Olaf Brox
Sergey NECHAYEV
Hans Wenzel
Sten WENZEL
Andreas Wicht
Pietro Della Casa
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Ferdinand-Braun-Institut Ggmbh Leibniz-Institut Für Höchstfrequenztechnik
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    • H01S5/1085—Oblique facets

Definitions

  • the present invention relates to a diode laser component with an extended cavity, in particular a monolithically integrated ECDL (mECDL) with a Bragg section comprising a surface grating, and a corresponding method for production.
  • mECDL monolithically integrated ECDL
  • diode lasers with an extended cavity are generally used. These consist of an optical amplifier implemented using semiconductor technology and external elements that force narrow-band, i.e. frequency-selective, optical feedback into the laser chip.
  • ECDL extended cavity diode lasers
  • the decisive factor for the spectral narrow band of ECDL compared to monolithic solutions is that a relatively large effective resonator length can be realized, which can be set by selecting the associated propagation path (e.g. air). can be.
  • a grating integrated into the waveguide is used as a frequency-selective element (so-called waveguide-based Bragg grating or Bragg waveguide).
  • the grating is formed along the entire length of the waveguide.
  • the entire waveguide is electrically pumped and amplifies the optical radiation.
  • the grating is only implemented at one end of the rib waveguide.
  • the facet of the component opposite the Bragg waveguide is partially mirrored and together with the Bragg waveguide, forms the optical resonator of the laser.
  • Such embodiments are referred to as distributed Bragg reflector (DBR) diode laser devices.
  • DBR distributed Bragg reflector
  • the entire waveguide is electrically pumped and amplifies the optical radiation.
  • the electrical contacting of the component is implemented in such a way that current can be injected into the section of the diode laser component with the Bragg waveguide independently of other waveguide sections.
  • the Bragg waveguide can either be pumped electrically or it is optically pumped transparently by the field circulating in the resonator.
  • Monolithic solutions offer the smallest form factor, allow for the highest degree of miniaturization, and allow manufacturing at minimal cost. Because of its compactness, a monolithically integrated solution also has the greatest possible robustness to mechanical loads (vibration and shock).
  • DFB and DBR diode laser devices typically do not achieve the spectral linewidths required for precision spectroscopy and coherent communication, particularly the linewidths achievable with ECDL.
  • Reasons for this are:
  • the frequency-selective waveguide section is electrically pumped, so that the current noise of the power source leads to a frequency noise of the resonant frequency of the frequency-selective element and thus to a frequency noise of the laser.
  • the frequency selective waveguide section must be pumped optically transparent. This process involves dissipation and increases the linewidth of the laser. Due to the coupling of optical intensity and effective refractive index in the semiconductor component, the power fluctuation associated with the dissipation also leads to a fluctuation in the effective refractive index and thus to a fluctuation in the laser frequency.
  • the optical pumping for transparency also uses non-linear properties of the component and can lead to unstable behavior (formation of pulsed operation).
  • the cavity length cannot be adjusted independently of the amplification properties, since the entire cavity length (possibly up to the Bragg waveguide) is electrically pumped. Since the section that amplifies the optical field, the so-called active waveguide section or amplifier section, usually has to be operated well above the transparency current density in order to achieve narrow-band emission, long diode laser components would have to be operated with a high injection current at which optically stable operation is no longer possible. Therefore, with the DFB and DBR diode laser Components according to the prior art no resonator lengths possible that exceed a length of 1 mm to 2 mm.
  • Integration approaches were developed for use in telecommunications (1200 ... 1600 nm) which are based on methods of semiconductor technological heterointegration of active InAlGaAs layers with photonic silicon-on-insulator (SOI) structures (e.g. Huang et al. , Optica 6, 745 (2019)) and provide chip-based solutions. These approaches cannot be transferred to the wavelength range (630 ... 1180 nm) that can be achieved with GaAs components, since the corresponding heterointegration technologies do not exist and silicon is not transparent in this wavelength range.
  • SOI silicon-on-insulator
  • Li et al. Li et al. (Li et al., Chin. Phys. B 22, 054211 (2013)) describe a monolithic integration approach for a complex diode laser component in which active and passive waveguides are realized in the same material system.
  • the layer system for an active diode laser component is first grown epitaxially, then the active layer (multi-quantum well layer) is selectively removed and finally the epitaxy of the entire layer system is completed.
  • the component is realized in InGaAsP/InP technology for the emission at 1.55 pm.
  • the Bragg reflectors are designed as buried gratings: in buried gratings, the modulation of the effective refractive index is realized by installing a spatially-periodically modulated semiconductor material layer in the waveguide core.
  • the device shown consists of four active DFB waveguide sections that generate laser emission at four different frequencies, and passive waveguide sections that couple the emission of the four DFB waveguide sections into a common waveguide and inject the radiation into an active waveguide section.
  • the approach of selectively removing the active layer has already been used to realize GaAs-based, 2.5 mm long DBR diode laser devices for operation at 970 nm, in which spectral stabilization is achieved using two sampled gratings that form the two reflectors of the optical resonator (e.g. Tawfieq et al., IET Optoelectron. 11, 73-78 (2017); Brox et al., Electron. Lett. 53, 744-746 (2017)) .
  • the scanning gratings are implemented as buried gratings in passive waveguide sections. It also proposes the use of a short intra-cavity passive waveguide section within the resonator to control the round trip-phase of the resonator.
  • a diode laser component comprises an amplifier section and a Bragg section, the amplifier section and the Bragg section being arranged to form a resonator for optical radiation along a longitudinal direction between a front facet and a rear facet; wherein the diode laser component has a waveguide structure formed along a vertical direction perpendicular to the longitudinal direction for the wave conduction of the optical radiation, wherein the diode laser component has a waveguide structure in a transverse direction perpendicular to the vertical direction and to the longitudinal direction, wherein in the amplifier Section an active layer is formed over the entire length of the amplifier section in the layered structure.
  • the diode laser component further comprises, in the longitudinal direction, a passive propagation section for propagating the optical radiation, the propagation section being arranged between the front facet and the Bragg section; and in the Bragg section, a surface grating extends the entire length of the Bragg section, the surface grating being formed by a plurality of longitudinally spaced grooves.
  • corresponding waveguide structures e.g. ribbed waveguides
  • the active layer is preferably not formed over the entire length of the resonator, but is only present in sections in the layer structure.
  • An active layer is particularly preferably formed exclusively in the amplifier section (or essentially only in the amplifier section) over the entire length of the amplifier section in the layer structure. This has the advantage that the optical radiation can be guided with lower losses in sections that are not amplifier sections.
  • the material of the active layer that is present in these segments and is not actively pumped can otherwise induce additional optical losses as a result of its interaction with the optical radiation guided in the resonator.
  • Essentially only in the amplifier section means that even with only a small proportion of an active layer section also present outside the amplifier section, the optical losses are still significantly reduced compared to an embodiment with an active layer formed over the entire length of the resonator can be.
  • a diode laser component according to the invention has a layer system on an n-type substrate, for example in the vertical direction, with the
  • Layer system comprises: an n-cladding layer, wherein the n-cladding layer is arranged on the n-substrate; an n-waveguide layer, the n-waveguide layer on the n-
  • cladding layer is arranged; a p-waveguide layer, the p-waveguide layer on the n-waveguide layer is arranged; a p-cladding layer, the p-cladding layer being disposed on the p-waveguide layer; and a p-contact layer, the p-contact layer being disposed on the p-cladding layer.
  • this embodiment has an amplifier section; a propagation section; and a Bragg section; wherein the amplifier section, the propagation section and the Bragg section are arranged between a front facet and a rear facet, wherein between the n-waveguide layer and the p-waveguide layer an active layer is formed in the amplifier section over the entire length; and wherein the Bragg section has a surface grating extending the entire length, the surface grating being formed by a plurality of longitudinally spaced apart grooves, the grooves extending through the p-contact layer into the p-cladding layer .
  • a diode laser component according to the invention thus consists of at least three sections.
  • the optical radiation is guided in the lateral direction with corresponding waveguide structures, preferably in a transverse fundamental mode.
  • the optical field is amplified in the amplifier section. It is preferably between 0.5 mm and 1.5 mm long.
  • the amplifier section is preferably electrically pumped.
  • the cathode can be formed by the substrate of the semiconductor component.
  • the propagation section can be formed by a long and low-loss passive waveguide. It is preferably between 1mm and 5mm long, more preferably between 2mm and 4mm.
  • the Bragg section can be formed by a long and low-loss passive Bragg waveguide with a low coupling coefficient. It is preferably between 1mm and 5mm long, more preferably between 3mm and 5mm. A resonant diffraction efficiency of between 10% and 60% is preferred, in particular around 50%.
  • the Bragg section is designed as a surface grating (preferably in air).
  • a preferred embodiment of a diode laser component according to the invention comprises, for example, AlGaAs cladding layers and GaAs waveguide layers in which an active layer consisting of two InGaAs quantum wells is embedded within the amplifier section (preferably exclusively within the amplifier section).
  • the vertical structure in a first MOVPE growth step, can be grown up to a 20 nm thick GaAs layer above the active layer. This GaAs layer and the active layer can then be removed with wet-chemical etching steps in the sections of the component provided as passive sections (ie for the propagation section and the Bragg section). In the lateral direction, the etched areas can be laid out inclined by preferably 3° in order to minimize reflections between areas with (active) and without (passive) active layer. The vertical structure produced can then be completed in a second growth step.
  • the surface lattice can then be defined, for example, using electron beam lithography (e-beam) and a hard mask process.
  • the grating grooves in the e-beam resist can, for example, be set to a width of 170 nm with a period of 1554 nm, which corresponds to a 10th-order grating for the emission at 1064 nm in the selected vertical structure. Surface gratings of the 5th to the 20th order are preferred.
  • the groove depth can be 1330 nm, for example.
  • the production process can correspond to that of a standard process for the production of rib waveguide lasers (RW lasers).
  • the ridge waveguide was, for example, 1.1 ⁇ m deep and 4 ⁇ m wide.
  • the rib waveguide ran over the entire 8 mm long component.
  • the longitudinal sections were (starting from the back) a 2 mm long DBR grating in the Bragg section, a 5 mm long passive propagation section and a 1 mm long active amplifier section.
  • the length of the propagation section is preferably selected in such a way that the diode laser component has a free spectral range of at most 6 GHz.
  • the spectral bandwidth of the surface grating is preferably less than or equal to the free spectral range of the diode laser component.
  • the surface grating preferably has a coupling coefficient of a few 0.1 mm -1 , preferably between 0.1 mm -1 and 0.9 mm -1 , in particular a coupling coefficient of between 0.4 mm -1 and 0.7 mm -1 .
  • the furrows of the surface lattice preferably extend into the layer system.
  • the Bragg section is passive.
  • the front facet is preferably partially mirrored for a power reflectivity of between 1% and 35%.
  • the rear facet is preferably antireflective. It is also preferred that the resonant diffraction efficiency of the surface grating is between 10% and 60%, particularly preferably around 50%.
  • the front facet of the component is preferably suitably partially mirrored.
  • a preferred power reflectivity for implementations in GaAs technology is 5%.
  • Another preferred power reflectivity for implementations in GaAs technology is 30%.
  • the rear facet of the component is preferably antireflective. In these embodiments, most of the optical power is coupled out of the device through the front facet.
  • the front facet is preferably mirrored for a power reflectivity greater than 95%.
  • the rear facet is preferably antireflective. It is also preferred that the resonant diffraction efficiency of the surface grating is between 3% and 30%, particularly preferably around 5%.
  • the front facet of the component is mirrored in a highly reflective manner (preferably R>95%) and the surface grating is designed with a lower resonant diffraction efficiency, preferably 5%. In these embodiments, most of the optical power is thus coupled out of the component through the rear facet.
  • the emission frequency of a diode laser component according to the invention is preferably detuned by a resistive heating element in the amplifier section, the propagation section and/or the Bragg section.
  • At least one resistive heater running close to the resonator axis (or to the waveguide) can be integrated in the propagation section using semiconductor technology (so-called waveguide heater).
  • waveguide heater With a resistive heater, the optical length of the propagation section and thus the emission frequency of the laser can be thermally changed continuously.
  • the control of the current through the heating elements allows a continuous variation of the emission wavelength in a frequency range in the order of magnitude of the free spectral range.
  • At least one resistive heater running close to the resonator axis (or to the waveguide) can also be technologically integrated in the Bragg section.
  • the Bragg resonance frequency of the surface grating and thus the emission frequency of the laser can be changed thermally.
  • the control of the current through the heating elements allows a selection of the longitudinal mode of the laser, i.e. the variation of the emission wavelength mainly in steps of the size of the free spectral range.
  • a continuous detuning of the emission frequency of the laser can be achieved over a frequency range that is a multiple of the free spectral range.
  • a diode laser component according to the invention preferably comprises a second amplifier section in the longitudinal direction, the second amplifier section being shorter than the amplifier section. Since the second amplifier section is shorter, it allows faster modulation of the injection current due to the low electrical capacitance and thus faster modulation of the frequency and optical power of the emitted radiation.
  • the second amplifier section can be integrated at any point in the diode laser component in the longitudinal direction.
  • the function of a facet as a resonator mirror can be replaced by a further Bragg waveguide integrated in front of the facet in a second Bragg section, so that the optical resonator is formed by two Bragg waveguides.
  • both facets can also be anti-reflective.
  • one facet can be uncoated or both facets can be uncoated.
  • the generated laser radiation can be decoupled by couplers that are alternative to facet decoupling.
  • couplers that are alternative to facet decoupling.
  • the diode laser component preferably comprises a second propagation section in the longitudinal direction, with the second propagation section directly adjoining the front facet. The thermal load on the front facet can thus be reduced.
  • At least one propagation section and/or at least one Bragg section preferably has an electrical contact via which the effective refractive index of the corresponding section can be changed by applying a voltage in the reverse direction.
  • the waveguide of the first and/or second propagation section can be formed with an electrical contact.
  • the effective refractive index of the passive waveguide of the corresponding propagation section can be changed by utilizing the electro-optical effect. This changes the optical length of the resonator and thus the emission frequency. Because of the very low time constants of the electro-optical effect, very fast, continuous frequency changes can be achieved in this way. If the second propagation section is short, the electrical capacity of the section is low, so that a very fast and broadband modulation is made possible.
  • the Bragg section can also be designed with an electrical contact.
  • the effective refractive index of the passive waveguide of the Bragg section can be changed by utilizing the electro-optical effect. This changes the resonant frequency of the Bragg waveguide. Because of the very low time constant of the electro-optical effect, the resonant frequency can be changed very quickly.
  • the surface normal of the abutting surface between two adjacent sections encloses an angle ⁇ with a direction of propagation of the optical radiation in the resonator.
  • the etched areas can be inclined by 1° to 10°, preferably by 3°, in the lateral direction in order to minimize reflections between areas with (active) and without (passive) active layer in a diode laser component according to the invention.
  • Optical radiation transmitted through the Bragg section can preferably be guided out of the component through a passive waveguide that is curved and low-loss in a third propagation section.
  • the curvature of the waveguide allows the waveguide to meet the rear facet at a suitable angle, so that feedback of the optical field due to reflection at the rear facet is minimized.
  • the back facet may be anti-reflective to further reduce optical field feedback from reflection at the back facet. This is particularly relevant when most of the optical power is coupled out of the component via the rear facet.
  • the active layer is preferably formed as a single or multi-quantum well structure, or as a quantum dot structure in a GaAs, InP or GaN material system.
  • the material system allows different wavelength ranges to be implemented.
  • the proposed structure systems for the active layer are preferred for exciting an emission that is as narrow-band as possible.
  • a long and low-loss passive Bragg waveguide with a low coupling coefficient can be formed in a diode laser component according to the invention in the Bragg section.
  • Its length should be chosen to be as large as possible so that the Bragg waveguide has a spectrally narrow-band reflection spectrum. The reasonable length is limited e.g. due to the residual losses of the passive waveguide and technically unavoidable inhomogeneities in the periodicity of the grating of the Bragg waveguide.
  • the Bragg waveguide preferably has a resonant diffraction efficiency between 10% and 60%, particularly preferably between 15% and 25%.
  • a preferred length of the Bragg section is between 1 mm and 5 mm, in particular between 3 mm and 5 mm.
  • the optical field transmitted through the Bragg waveguide can be led out of the component through a curved, passive, low-loss waveguide formed in a third propagation section.
  • a long and low-loss passive waveguide can be formed in the propagation section.
  • the length of the waveguide should be as large as possible so that the longest possible round trip time for the light field in the resonator, i.e. the smallest possible free spectral range and thus the smallest possible fundamental linewidth, can be achieved.
  • the useful length is limited, among other things, by the residual losses of the passive waveguide and by the spectral bandwidth of the Bragg waveguide; if the free spectral range is too small in relation to the spectral bandwidth of the Bragg waveguide stable single-frequency operation is not guaranteed.
  • a preferred length of the propagation section is between 1 mm and 5 mm, in particular between 3 mm and 4 mm.
  • the optical field can be amplified in the active waveguides of the amplifier section and a second amplifier section.
  • the overall length of the amplifier section and the second amplifier section should be chosen so that the component achieves the desired output power.
  • a preferred overall length of the amplifier section and the second amplifier section is between 1 mm and 5 mm, in particular between 1 mm and 2 mm.
  • the length of the active waveguide of the second amplifier section should be as short as possible. This means that the electrical capacitance of the second amplifier section is significantly smaller than the sum of the electrical capacitances of the two sections with an active waveguide, so that rapid modulation of the current is possible.
  • the current can be injected into the anode of the active waveguide via electrical contacts.
  • the common cathode can be formed by the substrate.
  • a short, passive, low-loss waveguide can be formed in a second propagation section.
  • the integration of a passive waveguide on the front facet reduces its thermal load.
  • An electrical contact can be formed in the second propagation section.
  • the effective refractive index of the passive waveguide of the second propagation section can be changed by utilizing the electro-optical effect. This changes the optical length of the resonator and thus the emission frequency. Due to the low time constant of the electro-optical effect, continuous frequency changes can be achieved very quickly. Since the second propagation section is short, the electrical capacity of the section is low, so that broadband modulation is possible.
  • a preferred length of the second propagation section is between 0.1 mm and 1 mm, more preferably between 0.4 mm and 0.6 mm.
  • the front facet is preferably mirrored (preferably R > 95%).
  • Waveguide running resistive heating can be designed using semiconductor technology. With it, the optical length of the passive waveguide and thus the emission frequency of the
  • Lasers are thermally changed continuously.
  • An electrical contact can be formed in the propagation section.
  • the effective refractive index of the passive waveguide of the propagation section can be changed by utilizing the electro-optical effect. This changes the optical length of the resonator and thus the
  • a resistive heater running along the waveguide can be designed using semiconductor technology in the vicinity of the waveguide. With it, the Bragg resonance frequency of the Bragg waveguide and thus the emission frequency of the laser can be changed thermally. If the heating currents for the waveguide heating are suitably synchronized, the emission of the laser can be continuously adjusted by significantly more than one free spectral range.
  • An electrical contact can be formed in the Bragg section.
  • the effective refractive index of the Bragg waveguide and thus the resonant frequency of the Bragg waveguide can be changed by utilizing the electro-optical effect.
  • the change using the electro-optical effect is significantly faster because of the significantly shorter time constant of the electro-optical effect, but the achievable frequency change is significantly smaller because of the relatively low strength of the electro-optical effect.
  • the invention in a second aspect, relates to a method for producing a diode laser component according to the invention, comprising the formation of an amplifier section and a Bragg section, the amplifier section and the Bragg section for forming a resonator for optical radiation along a longitudinal direction between a front facet and a rear facet; wherein the diode laser component has, along a vertical direction perpendicular to the longitudinal direction, a layer structure designed for waveguiding the optical radiation, wherein the diode laser component has a waveguide structure in a transverse direction perpendicular to the vertical direction and to the longitudinal direction, wherein in the amplifier section an active layer is formed over the entire length of the amplifier section in the layered structure; wherein the diode laser component comprises a passive propagation section for propagating the optical radiation in the longitudinal direction, the propagation section being arranged between the front facet and the Bragg section; and in the Bragg section, a surface grating extends the entire length of the Bragg section, the surface grating being formed by a
  • the active layer is preferably not formed over the entire length of the layer structure, but is only present in sections of the layer structure. Particularly preferred is exclusively in the amplifier section (or essentially only in the Amplifier section) an active layer is formed over the entire length of the amplifier section in the layered structure.
  • This has the advantage that the optical radiation can be guided with lower losses in sections that are not amplifier sections.
  • the material of the active layer that is present in these segments and is not actively pumped can otherwise induce additional optical losses as a result of its interaction with the optical radiation guided in the resonator.
  • Essentially only in the amplifier section means that even with only a small proportion of an active layer section also present outside the amplifier section, the optical losses are still significantly reduced compared to an embodiment with an active layer formed over the entire length of the layer structure can be.
  • An active layer that is only present in sections can be provided, in particular, by direct, selective formation of a locally restricted active layer during the production of the layer structure.
  • quantum well intermixing e.g. D. Hofstetter et al., IEEE J. Sei. Top. Quantum Electron 4, 794-802, (1998); Tan et al, A.
  • a selective deactivation or passivation can be carried out in a non-selectively formed active layer for its subsequent conversion in areas outside of the amplifier section.
  • a method according to the invention comprises the provision of an n-substrate; and the formation of the layer system, wherein the active layer of an amplifier section is integrated by selectively forming the active layer, or is selectively removed after non-selective formation of the active layer outside of the amplifier section, or is selectively deactivated by ion implantation using interband .
  • the layer system is completed after the structuring of the active layer has been completed.
  • the ECDL approaches described in the section on the prior art and previously implemented discretely are used for an integrated structure.
  • SOI silicon-on-insulator
  • a monolithic counterpart to the ECDL i.e. an integration of a DBR laser with a long optical resonator (free spectral range typically 6 GHz) in a uniform material system with a fundamental linewidth that corresponds to that of a discretely integrated ECDL has not been possible in any material system (e.g.
  • GaAs, InP -, GaN material system known, especially not in the GaAs material system. Furthermore, the reliably controlled realization of long passive Bragg waveguides, in which the coupling coefficient is so low that the resonant diffraction efficiency of the Bragg waveguide is a few 10%, is not known either in GaAs, InP or in GaN technology.
  • a monolithically integrated diode laser component for the first time which has a fundamental line width which corresponds to that of discretely integrated ECDL.
  • a diode laser component according to the invention is therefore also referred to as a monolithically integrated ECDL (mECDL). The following features are combined here:
  • the diode laser component can basically be described as a distributed Bragg reflector (DBR) laser (DBR laser concept).
  • DBR distributed Bragg reflector
  • a passive waveguide that is as long and low-loss as possible is integrated into the laser resonator. This increases the transit time of the light in the optical resonator compared to known DBR diode laser components and creates a prerequisite for the formation of a small fundamental line width.
  • the maximum possible reasonable length is e.g. limited by the optical losses in the passive waveguides and technically feasible component lengths (currently a maximum of about 8 ... 10 mm). It is also limited by the minimum achievable spectral bandwidth of the Bragg waveguide (see point (iii)): if the free spectral range is significantly smaller than the spectral bandwidth of the Bragg waveguide, reliable single-mode operation of the diode laser component is no longer possible.
  • the length of the low-loss passive waveguide can be chosen so large that a preferred free spectral range of 6 GHz is achieved. Greater lengths are also preferred, which then lead to smaller free spectral ranges.
  • a long and low-loss passive Bragg waveguide with a resonant diffraction efficiency of preferably 50% is integrated into the diode laser component as one of the two reflectors of the resonator.
  • the Bragg waveguide should preferably be long enough for the spectral bandwidth of the Bragg reflector to be comparable to or smaller than the free spectral range of the diode laser component.
  • the Bragg waveguide can thus be designed with such a narrow band that a stable single-frequency operation of the diode laser component can be guaranteed even with a small free spectral range (see point (ii)).
  • Very low coupling coefficients (preferably a few 0.1 mm -1 ) must be realized for the realization of long Bragg waveguides.
  • a surface grating is implemented to implement Bragg waveguides with a low coupling coefficient.
  • the spatial-periodic modulation of the effective refractive index along the waveguide is not realized by a semiconductor layer that is spatially-periodically integrated into the waveguide, but rather by etching grooves into the waveguide. Since the field strength of the optical field at the surface of the waveguide is very low, a small coupling coefficient can be reliably set by suitable geometric design of the grooves, in particular the depth of the grooves.
  • a diode laser component according to the invention has the functionality required for use in precision spectroscopy. From an electro-optical point of view, a complete optical resonator is formed (optical resonator and intra-cavity optical amplifier). With the additional use of synchronized waveguide heating, the emission frequency of the laser can be changed continuously by several free spectral ranges with time constants significantly less than 1 ms. Very fast frequency changes with time constants of around a few ps can be achieved by rapidly controlling the injection current of the amplifier section or by utilizing the electro-optical effect by applying an electrical voltage in the reverse direction in the passive waveguide sections. This means that the high bandwidth requirements of laser frequency control for use in optical atomic clocks or in coherent satellite communication can also be met.
  • the diode laser component according to the invention as a monolithically integrated ECDL can replace discretely integrated, spectrally narrow-band ECDL for the spectral range of 630 to 1180 nm that can be achieved with GaAs with regard to function and electro-optical performance.
  • mECDL monolithically integrated ECDL
  • the laser system according to the invention has no mechanical resonance frequencies in the acoustic frequency range (up to a few 10 kHz). Mechanical disturbances
  • the operating environment (vibration and shock) therefore has a significantly lower impact on the spectral stability of the diode laser than with discretely integrated lasers.
  • the diode laser components according to the invention are therefore significantly better suited for use under acceleration and vibration, ie in particular for mobile use.
  • the bandwidths that can be achieved for the frequency control are increased by the use of waveguide heating and the electro-optical effect according to the invention compared to the bandwidths that can be achieved thermally or piezoelectrically with discretely integrated systems.
  • the electro-optical effect time constants well below 1 ps can be achieved, with waveguide heating time constants of below 1 ms are possible.
  • the rapid frequency control is via the injection current with time constants of at least 1 ps, in the acoustic frequency range piezoelectrically with time constants significantly greater than 10 ps (typically 100 ps) and thermally with time constants significantly greater than 1 s.
  • the diode laser component according to the invention is therefore significantly more agile in terms of frequency control. This facilitates frequency stabilization and reduces the achievable minimum frequency error in frequency stabilization.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a first embodiment of a diode laser component according to the invention in a sectional representation
  • FIG. 2 shows a schematic representation of the first embodiment of a diode laser component according to the invention according to FIG. 1 in a structural top view
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a second embodiment of a diode laser component according to the invention in a structural top view
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a third embodiment of a diode laser component according to the invention in a structural top view.
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of a first embodiment of a diode laser component according to the invention in a sectional illustration.
  • the diode laser component shown has, in the vertical direction Y, a layer system S applied to an n-type substrate 10 .
  • the layer system S comprises an n-cladding layer 12, the n-cladding layer 12 being arranged on the n-substrate 10; an n-waveguide layer 14, the n-waveguide layer 14 being disposed on the n-cladding layer 12; a p-type waveguide layer 16, the p-type waveguide layer 16 being disposed on the n-type waveguide layer 14; a p-cladding layer 18, the p-cladding layer 18 being disposed on the p-waveguide layer 16; and a p-contact layer 20, the p-contact layer 20 being disposed on the p-cladding layer 18.
  • the diode laser component comprises an amplifier section VS, a propagation section PS and a Bragg section BS; wherein the amplifier section VS, the propagation section PS and the Bragg section BS are arranged between a front facet 22 and a rear facet 24; between the n-waveguide layer 14 and the p-waveguide layer 18, an active layer 15 is formed over the entire length only in the amplifier section VS; and wherein a surface grating 30 extends over the entire length of the Bragg section BS exclusively in the Bragg section BS, the surface grating 30 being formed by a multiplicity of furrows 32 spaced apart from one another in the longitudinal direction Z, the furrows 32 passing through extend through the p-contact layer 20 into the p-cladding layer 18 .
  • FIG. 2 shows a schematic representation of the first embodiment of a diode laser component according to the invention according to FIG. 1 in a structural plan view.
  • the view shown indicates a possible arrangement of structures on the upper side (ie the p-side) of the diode laser component, the central region with the continuous waveguide being drawn in for illustration purposes only and possibly even in a real view of the structure is not recognizable.
  • the amplifier section VS has an electrical contact A (contact pad). charge carrier injection.
  • the emission frequency of the diode laser component can be detuned by two resistive heating elements H1-H4 in the amplifier section VS and/or the Bragg section BS via further electrical contacts (contact pads).
  • the active layer 15 is preferably formed as a single or multi-quantum well structure, or as a quantum dot structure in a GaAs, InP or GaN material system.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a second embodiment of a diode laser component according to the invention in plan view.
  • This embodiment basically corresponds to the embodiment shown in FIGS. 1 and 2, except for an increase in the number of sections.
  • the reference symbols and their assignment to the individual features therefore apply accordingly.
  • the diode laser component shown comprises a second amplifier section VS2 in the longitudinal direction Z, the second amplifier section VS2 being shorter than the amplifier section VS.
  • the amplifier section VS and the second amplifier section VS2 have different electrical capacitances.
  • Charge carrier injection preferably takes place via the associated electrical contacts A, A2, which allows the modulation efficiency to be increased at high modulation frequencies for both amplifier sections VS, VS2 by operating the diode laser component with a smaller electrical capacitance.
  • a second propagation section PS2 is directly connected to the front facet 22 .
  • the thermal load on the front facet 22 can thus be reduced.
  • a third propagation section PS3 is designed as a curved waveguide section. The curvature serves as a mode filter for emitting undesired higher-order transverse modes into the material of the layer system S and for reducing optical feedback due to reflection at the rear facet 24.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a third embodiment of a diode laser component according to the invention in a structural plan view.
  • This embodiment largely corresponds to the embodiment shown in FIGS.
  • the reference signs and their assignment to the individual features therefore apply accordingly.
  • the normal to the surface of the abutting surface between the amplifier section VS and the propagation section PS that immediately follows it encloses an angle ⁇ with a direction of propagation of the optical radiation in the resonator.
  • a corresponding mutual tilting of abutting surfaces can also affect other adjacent or adjacent sections. Such tilting is used for the internal suppression of undesired back reflections at the respective abutting surface.
  • PS Propagation Section PS

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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

Titel
Diodenlaser-Bauelement mit erweiterter Kavität sowie Verfahren zur Herstellung
Beschreibung
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 Seitenmoden unterdrückung 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 einerweiteren 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 InAIGaAs-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 Material System realisiert werden. Hierbei wird zunächst das Schicht system 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 pm 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 Halbleitermaterial schicht 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 GaAs- basierte, 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 Wellenleiter sektionen 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-Wellenleiter- sektion. 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 Kopplungs koeffizient (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 Wellen leitung 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-Kontakt- schicht 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 AIGaAs-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 Herstellungs verfahren dem eines Standardprozesses zur Herstellung von Rippenwellenleiter-Lasern (RW-Lasern) entsprechen. Bei einer realisierten Ausführungsform war der Rippenwellenleiter beispielsweise 1,1 pm tief und 4 pm 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 Spektral bereich von höchstens 6 GHz aufweist. Vorzugsweise ist die spektrale Bandbreite des Oberflächengitters kleiner oder gleich dem freien Spektral bereich 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 Beugungs effizienz, 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 halbleiter technologisch 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 Heiz elemente 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 halbleiter technologisch integriert sein. Mit ihr kann die Bragg-Resonanzfrequenz des Oberflächen gitters 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 Ausführungs- formen 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 a 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 Material System 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 Kopplungs koeffizienten 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, bevorzugterzwischen 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 lonen-lmplantation mittels Quantum-Well Intermixing (z. B. D. Hofstetter et al., IEEE J. Sei. 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 lonen-lmplantation mittels Interband selektiv 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 InAIGaAs- 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 Material System (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 Laser resonator integriert. Damit wird die Umlaufzeit des Lichtes im optischen Resonator im Vergleich zu bekannten DBR Diodenlaser-Bauelementen erhöht und eine Voraus setzung 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 Kopplungs koeffizienten (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 Kopplungs koeffizient zuverlässig eingestellt werden.
Ein erfindungsgemäßes Diodenlaser-Bauelement weist die für den Einsatz in der Präzisions spektroskopie 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 Frequenz änderungen mit Zeitkonstanten um etwa einigen ps 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 10 kHz) 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 erfindungs gemäße 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 Zeit konstanten deutlich unterhalb von 1 ps 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 ps, im akustischen Frequenzbereich piezoelektrisch mit Zeitkonstanten deutlich größer als 10 ps (typischerweise 100 ps) und thermisch mit Zeitkonstanten deutlich größer als 1 s. Das erfindungsgemäße Diodenlaser-Bauelement ist daher deutlich agiler bzgl. der Frequenzsteuerung. Dies erleichtert die Frequenz stabilisierung 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.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Diodenlaser-Bauelements in der Schnittdarstellung; Fig. 2 eine schematische Darstellung der ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Diodenlaser-Bauelements nach Fig. 1 in einer strukturellen Aufsicht;
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Diodenlaser-Bauelements in einer strukturellen Aufsicht; und
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Diodenlaser-Bauelements in einer strukturellen Aufsicht.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungs gemäßen 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-Wellenleiter- schicht 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.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung der ersten Ausführungsform eines erfindungs gemäßen Diodenlaser-Bauelements nach Fig. 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.
Figur 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 Fig. 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 Ladungsträger injektion, 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.
Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform eines erfindungs gemäßen Diodenlaser-Bauelements in einer strukturellen Aufsicht. Diese Ausführungsform entspricht weitgehend der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsform. Die Bezugs zeichen 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 a 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 a einige wenige Grad (z. B. a = 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 a Winkel

Claims

Patentansprüche
1. 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.
2. 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.
3. Diodenlaser-Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei die spektrale Bandbreite des Oberflächengitters (30) kleiner oder gleich dem freien Spektralbereich des Diodenlaser-Bauelementes ist.
4. Diodenlaser-Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Oberflächengitter (30) einen Kopplungskoeffizienten von wenigen 0,1 mm-1 aufweist.
5. Diodenlaser-Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die Furchen (32) des Oberflächengitters (30) in das Schichtsystem (S) hinein erstrecken.
6. Diodenlaser-Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Bragg-Sektion (BS) passiv ist.
7. 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.
8. 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.
9. 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.
10. 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.
11. 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.
12. 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.
13. 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.
14. 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.
15. 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.
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