1 W "Master Oscillator Power Amplifier" Lasermodul mit geringer Linienbreite für Weltraumanwendungen
Abb. 1: Miro-integriertes MOPA-Modul mit einem DBR-Laser als Oszillator und einem "tapered" Verstärker. Die Strahlformung wird durch Mikrolinsen realisiert. Im Zoom ist die Kollimation des Oszillators besser zu erkennen.
Abb. 2: FWHM und intrinsische Linienbreite in Abhängigkeit der optischen Leistung des Oszillators. Die FWHM-Linienbreite ist konstant, die intrinsische Linienbreite dagegen zeigt das theoretisch erwartete 1/P-Verhalten.
Laser mit geringer Linienbreite und hoher Ausgangsleistung werden für eine Vielzahl von Anwendungen, wie kohärente optische Kommunikation, Präzisionsmessungen, Spektroskopie oder auch Laserkühlung, verwendet. Für einige dieser Applikationen wurden Halbleiterlaser aufgrund ihrer relativ großen Linienbreite, möglicher Probleme durch Modeninstabilitäten oder durch ungewollte optische Rückkopplung noch nicht in größerem Maße verwendet. Stattdessen kamen optisch gepumpte Festkörper- oder Faserlaser zum Einsatz, beispielsweise bei der optischen Freiraumkommunikation im All. Die Verwendung von Halbleiterlasern wäre jedoch vorteilhaft, da sich diese durch ein geringeres Gewicht, eine höhere Konversionseffizienz und eine höhere mechanische Stabilität auszeichnen. Dem FBH ist es nun gelungen, einen kompakten und stabilen mikro-integrierten "Master Oscillator Power Amplifier" zu realisieren, der sowohl eine geringe Linienbreite als auch eine hohe Ausgangsleistung besitzt.
Das MOPA-Modul ist ein Abb. 1 abgebildet. Der Oszillator (MO) ist ein "Distributed Bragg Reflector Laser", welcher auf das Erreichen einer geringen Linienbreite optimiert wurde. Der Verstärker (PA) besitzt eine "tapered" Verstärkersektion und eine Rippenwellenleiter-Eingangssektion. Der emittierte Strahl des MO wird durch ein asphärisches Mikrozylinderlinsenpaar kollimiert. Anschließend wird der kollimierte Strahl durch einen Mikroisolator geführt, um optische Rückkopplungseffekte zu unterdrücken, und anschließend in den Verstärker durch ein weiteres Mikrolinsenpaar eingekoppelt. Der Ausgangsstrahl des MOPAs wird durch ein Drei-Linsen-System kollimiert, um einen runden Strahl zu erhalten. Alle Halbleiterkomponenten und Optiken sind auf einer Fläche von 50 x 10 mm2 integriert. Das Modul liefert eine Ausgangsleistung von mehr als einem Watt in einem stabilen Monomode-Betrieb mit einer Konversionseffizienz von 25%. Die Ergebnisse einer heterodynen Linienbreitenmessung sind in Abb. 2 dargestellt. Die volle Halbwertsbreite (FWHM) der Linienbreite beträgt ungefähr 100 kHz für den gesamten Leistungsbereich. Die intrinsische Linienbreite - ein Maß für die Linienbreite ohne technisches Rauschen - besitzt das theoretisch erwartete 1/P-Verhalten mit einer minimalen Linienbreite von 3,6 kHz bei einer Gesamtausgangsleistung des MOPAs (Pout, MOPA) von 1,25 W (Ausgangsleistung des Oszillators Pout,MO = 85 mW).
Soweit uns bekannt, ist die dies das erste mikro-integrierte MOPA-Konzept mit geringer Linienbreite, das eine Ausgangsleistung im Watt-Bereich liefert und die anspruchsvollen Anforderungen von Weltraumapplikationen wie mechanische Stabilität, kleine Abmessungen und Effizienz berücksichtigt. Dieses Konzept lässt sich auch auf jede andere Wellenlänge übertragen, die mit Halbleiterlasern erreicht wird.
Publikationen:
S. Spießberger, M. Schiemangk, A. Sahm, A. Wicht, H. Wenzel, A. Peters, G. Erbert, G. Tränkle, "Micro-integrated 1 Watt semiconductor laser system with a linewidth of 3.6 kHz", Optics Express, 2011.
S. Spießberger, M. Schiemangk, A. Sahm, A. Wicht, H. Wenzel, J. Fricke, G. Erbert, "1 W semiconductor based laser module with a narrow linewidth emitting near 1064 nm", Photonics West, SPIE, 7953-36, 2011.
S. Spießberger, M. Schiemangk, A. Sahm, A. Wicht, H. Wenzel, J. Fricke, G. Erbert, G. Tränkle, "1 W narrow linewidth semiconductor-based laser module emitting near 1064 nm for coherent optical communication in space", IEEE ICSOS, 2011.
S. Spießberger, M. Schiemangk, A. Wicht, G. Erbert, "Compact narrow linewidth laser sources for coherent optical communication", Laser Optics Berlin, Berlin, 2010.
S. Spießberger, M. Schiemangk, A. Wicht, G. Erbert, "Narrow linewidth DBR-RW lasers emitting near 1064 nm", Conference on Lasers and Electro-Optics, OSA, CtuKK6, 2010.
S. Spießberger, M. Schiemangk, A. Wicht, H. Wenzel, O. Brox, G. Erbert, "Narrow linewidth DFB lasers emitting near a wavelength of 1064 nm", Journal of Lightwave Technology, vol. 28, pp. 2611-2616, 2010.
FBH-Forschung: 14.03.2011