24-Wellenlängen-DBR-Laserarray mit Oberflächengittern für optische Systeme

Arrays aus Diodenlasern, die mit definierten räumlichen Abständen auf einem Chip angeordnet sind, sind wichtige Komponenten z.B. für optische Systeme zur präzisen Oberflächendetektion wie etwa 3D-Scanner. Diodenlaser sind für derartige Anwendungen ideal geeignet; dank ihrer geringen Abmessungen und hohen Konversionseffizienzen ermöglichen sie sogar die Miniaturisierung dieser Systeme. Da sie die Interferenz ausnutzen, müssen die einzelnen Laser neben einer genau definierten Emissionswellenlänge auch eine kleine spektrale Linienbreite besitzen. Das erfordert zusätzliche technologische Maßnahmen bei der Herstellung der Halbleiterlaser wie etwa das Einbringen von optischen Gittern in den Laserchip. Damit lässt sich die Wellenlänge genau einstellen und die Linienbreite minimieren.

Am FBH wurde ein 3 x 3 mm² großes, AlGaAs-basiertes Diodenlaser-Array entwickelt, auf dem 24 Einzellaser mit Stegwellenleitern (engl. ridge waveguide; RW) mit integrierten Bragg-Reflektoren (engl. Distributed Bragg Reflector; DBR) platziert sind (Abb. 1). Die 24 DBR-RW-Laser mit einer RW-Breite von 2,5 µm haben einen Abstand von 87 µm. Jeder Laser besteht aus einer 1 mm langen Gewinnsektion und einer 1 mm langen DBR-Sektion. Der rückseitige 1 mm lange Bereich des Laserarrays dient zur Auffächerung der Metallkontakte, die es erlauben jeden RW-DBR-Laser getrennt anzusteuern. Zur Herstellung der Bragg-Reflektoren wurden mittels Elektronenstrahl zunächst 150 nm breite, periodisch angeordnete Gitterfurchen im Lack definiert und anschließend 1,2 µm tief in die Halbleiterschichten übertragen. Um eine möglichst hohe Reflektivität der Gitter zu erhalten, wird der trockenchemische Ätzprozess dabei so gesteuert, dass sich die Gitterfurchen zur aktiven Zone hin verjüngen. Die Perioden der eingebrachten Oberflächengitter dritter Ordnung liegen zwischen 406,3 nm (24. DBR-RW-Laser) und 412,2 nm (1. RW-DBR-Laser). Um einen konstanten Wellenlängenabstand von 0,5 nm zwischen den jeweils benachbarten Laserdioden zu erhalten, musste die Dispersion des effektiven Index berücksichtigt werden. Der Abstand zwischen benachbarten Gitterperioden steigt so von 0,25 nm zwischen den Laserdioden mit den kleinsten Emissionswellenlängen bis auf 0,26 nm bei Laserdioden mit den größten Wellenlängen an.

Zur Charakterisierung wurden die Facetten der Laserarrays beschichtet (die Reflektivitäten von Front- bzw. Rückfacette betragen 0,6 bzw. < 10^-3). Anschließend wurden die Chips auf C-Mount gelötet (Abb. 2). Die optischen Spektren bei einem Pumpstrom von 40 mA sind in Abb. 3 zusammengefasst. Alle Spektren zeigen eine hohe Seitenmodenunterdrückung > 50 dB mit Abständen der Emissionswellenlängen benachbarter DBR-RW-Laser zwischen 0,41 nm und 0,56 nm. Die Schwellenströme aller Einzelemitter auf dem Array sind kleiner als 16 mA. Die optischen Leistungen liegen über 17 mW bei einem Pumpstrom von 40 mA. Messungen der Laser-Linienbreiten mit einem Fabry-Perot-Interferometer ergeben Werte unterhalb der Nachweisgrenze des Messsystems von 5,7 MHz. Wegen der kleinen Abmessungen, der hohen Konversionseffizienz und der hohen spektralen Reinheit eignet sich das hergestellte Halbleiterlaserarray für den Einsatz in optischen Systemen, z.B. zur präzisen Oberflächendetektion.

Publikationen

O Brox, J Fricke, A Klehr, A Maaßdorf, M Matalla, H Wenzel, G Erbert “24-wavelength distributed Bragg reflector laser array with surface gratings” Electronics Letters 51 (17), 1352-1354 (2015).

O Brox, J Fricke, A Klehr, A Maaβdorf, M Matalla, H Wenzel, G Erbert „Array with 24 distributed Bragg reflector lasers for scanning applications: Fabrication and characterisation” The European Conference on Lasers and Electro-Optics, CB_11_5, Munich 2015