Breitstreifen-Antimonid-Laser mit integriertem Transversalmodenselektor und Gitter zur Wellenlängenstabilisierung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Breitstreifenlaser (BAL = 'broad area laser(s)') liefern hohe Ausgangsleistungen, aber üblicherweise zeitlich instabil verteilt auf zahlreiche Transversalmoden. Z.B. um die transversale Grundmode eines Rot/Nahinfrarot-BAL zu unterstützen, wurden in der Gruppe des Antragstellers vor dem Projekt, über das hier abschließend berichtet wird, externe Resonatoren verwendet, die eine Fourier-optische Raumfrequenzfilterung in einem 4f-Aufbau (2f plus Rückweg nach Reflexion an reflektierendem Filter) vornahmen. Die Transversalmodenselektion (TMS) bei einseitig teil- bzw. schwach entspiegelten BAL war damit nur bei einem Pumpstrom knapp oberhalb der Laserschwelle möglich. Wurde jedoch ein einseitig hochentspiegelter BAL eingesetzt, wurde eine erfolgreiche Selektion bis zu Pumpströmen des 2- bis 3-fachen der Laserschwelle von uns gezeigt. Der BAL konnte durch den externen 4f-Resonator gezwungen werden, 66-80% der Ausgangsleistung im Nahfeld in der transversalen Grundmode (statt 5% ohne Entspiegelung und ohne externen Resonator) und etwa 99% der Leistung im Fernfeld in einer Gauß-Verteilung zu emittieren. (Wir halten die Nahfeld-Angabe für aussagekräftiger; denn auch höhere Transversalmoden tragen deutlich zu der im Fernfeld ggf. gemessenen Gauß-ähnlichen Intensitätsverteilung bei.) Für die Gesamtbilanz muss berücksichtigt werden, dass der BAL, einseitig entspiegelt, mit externem Resonator nur etwa 50% der Leistung emittiert, die er ohne Entspiegelung und ohne externen Resonator abstrahlen würde. Diese 50% (also maximal 50% Verlust) müssen bei der Berechnung der Konzentration der Leistung in der transversalen Grundmode um einen Faktor von >66/5 ~ >13 gegengerechnet werden. Insgesamt ergibt sich also eine Verbesserung um den minimalen Faktor von 13/2. Der BAL konnte auch gezwungen werden, seine Leistung überwiegend in einer bestimmten höheren Transversalmode zu emittieren, wenn der reflektierende Spalt nicht auf der optischen Achse, sondern um eine bestimmte Entfernung transversal davon positioniert war. Das ist für Anwendungen weniger wichtig, wurde von uns aber zur Verifizierung des Prinzips genutzt. In dem nun auslaufenden Vorhaben sollten wesentliche Neuerungen eingeführt werden: Erstens sollte das Konzept auf Antimonid-Halbleiteriaser mit Emission im mittleren Infrarot (MIR) übertragen werden, wo hohe Ausgangsleistungen für spektroskopische Anwendungen besonders wünschenswert sind. Zweitens sollte der bislang externe Resonator zur Transversalmodenselektion Teil der aktiven Laserkavität werden, was drittens eine monolithische Integration zuließ. Viertens sollten die Raumfrequenzfilter- Spiegelelemente mit geblaztem Beugungsgitter zur Wellenlängenstabilisierung versehen werden. Das Design der elektrisch pumpbaren Breitstreifenlaser selbst ermöglichte gute bis sehr gute typische Laserkennwerte: Breite der aktiven Zone: um 100 pm, Länge aktiver Zone: 1,65 mm (mit geknicktem Resonator), Emissionswellenlänge: um 2,0 |im, Laserschwelle: <98 mA, Schwellstromdichte: <42 A/cm2, emittierte Leistung pro Facette: 0,2 mW, differentieller Quantenwirkungsgrad: >8%, bisher gepulst emittierend bis 150 K (bei 400 ns Impulsdauer und 20 kHz Repetitionsrate). Der Transversalmodenselektor wurde erfolgreich in den laseraktiven Resonator des Breitstreifenlasers integriert. Dazu wurde eine Anordnung mit gefaltetem/geknicktem Resonator gewählt, wobei im Knick ein zylindrischer Fourier-Transformationsspiegel angesiedelt war. Der lithographische Prozess konnte einfach gehalten werden, indem sowohl die Trockenätzung des Fourier-Spiegels als auch die des Fourier-optischen Raumfrequenzfilters in einem einzigen Masken- und Ätzschritt erfolgte. Das dem Projekt zugrunde liegende Konzept konnte verifiziert werden. Dazu wurden nicht nur Filteranordnungen zur Unterstützung der transversalen Grundmode gewählt und erfolgreich getestet, sondern auch Filter zur Unterstützung jeweils einer bestimmten höheren Transversalmode, wie etwa der Mode #8 mit 9 Intensitätsmaxima. In jedem Fall tritt die gewünschte Unterstützung einer bestimmten Transversalmode ein. Allerdings kann die Filamentation der Verstärkung nicht vollständig unterdrückt werden. Das zeigt sich daran, dass einzelne Intensitätsmaxima einer höheren Transversalmode bisweilen in feinere Minima und Maxima „zerfasert" sind. Nichtsdestotrotz wird die jeweils „eingestellte" Transversalmode stabil emittiert. Bei der Untersuchung der Breitstreifenlaser mit Transversalmodenselektor wurde in dem Temperaturbereich >140 K eine doppelte Bistabllität in der Ausgangsleistung entdeckt. Zunächst war die Vermutung, dass jeder Arm des geknickten Resonators für sich als Laser fungiert und zwischen den beiden potentiellen Lasern ein gegenseitiges 'injection locking' stattfindet, ähnlich wie bei den früher wichtigen C3-Lasern ('cleaved coupled cavity lasers'). Diese Vermutung konnte ausgeschlossen werden, da die Leistungs-Bistabilitäten jenseits beider Facetten des geknickten Resonators denselben Verlauf zeigen, sowohl hinsichtlich des Umlaufsinns der Hysteresen als auch bezüglich der Leistungshöhe (auf beiden Seiten ist die Leistung entweder gleichzeitig hoch oder gleichzeitig gering). Der Grund für die Hysterese konnte in dem zeitlichen Rahmen nicht abschließend geklärt werden. Doch gibt es Indizien, wonach die (meistens drei) aktiven Quantenfilme durch leicht unterschiedliches epitaktisches Wachstum ab unterschiedlichen Schwellströmen und bei unterschiedlichen Wellenlängen emittieren (-> Mehrwellenlängenlaser) und die Longitudinalmoden-Wechselwirkung sich in den Bistabilltäten äußert. Ein weiterer Grund könnte sein, dass die Laser-Armlängen nicht exakt der Brennweite des zylindrischen Fourier-Transformationsspiegels entsprechen und sich in Abhängigkeit von der Temperatur quadratische Phasenfehler über den Querkoordinaten (i.e. Astigmatismen) ergeben. Ursprünglich enthielt das Projekt ein viertes Ziel, nämlich die zusätzliche Integration eines Beugungsgitters zur Wellenlängenstabilisierung zusammen mit dem Raumfrequenzfilter. Diesem vierten Punkt wurde nicht weiter nachgegangen, nachdem der Gruppe klar geworden war, dass die Anordnung dann gleichzeitig eine Pulsformer-Anordnung nach dem 'direct space-to-time'-Pulsfomiungskonzept /4-10/ darstellen würde. Pulse könnten durch Modeninstabilitäten initiiert werden und hätten die Ergebnisse zur Transversalmodenselektion sehr wahrscheinlich gestört. Hier ergibt sich aber ein interessanter Ansatz für künftige Arbeiten.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Self Q-switching and mode-locking in broad area lasers subject to transverse mode selecfive feedback. SPIE Proceedings Photonics Europe 2006 Semiconductor Laser & Laser Dynamics 1 Vol. 6184 Strasbourg 61841U, 1-11 (2006)
Chr. Doering, S. Wolff, A. Rodionov, V. Sherstobitov, D. Xiao, H. Fouckhardt
- Self-pulsafion in broad area lasers with transverse-mode selecfive feedback. Opt. Comm. 265 (2006) 642-648
S. Wolff, A. Rodionov, V. Sherstobitov, Chr. Doering, H. Fouckhardt
- Advantages and disadvantages of sulfur passivafion of InAs/GaSb superiattice waveguide photodiodes. Semicond. Sci. Technol. 24 (2009) 065008
J. Hoffmann, T. Lehnert, D. Hoffmann, H. Fouckhardt
- Waveguide based InAs/GaSb superiattice photodetectors with gain. J. Opt. Comm. 30,2 (2009) 62-66
J. Hoffmann, D. Hoffmann, H. Fouckhardt
