Halbleiterlaser mit resonanter Rückkopplung erreichen intrinsische Linienbreiten unter 20 Hz
Abb. 1. Schema DFB-Laserdiode mit resonanter optischer Rückkopplung aus externem Fabry-Pérot-Resonator, re: eingesetzter monolithischer Resonator
Abb. 2. RF-Spektrum eines heterodyn erzeugten Schwebungssignals eines DFB-Diodenlasers frei laufend (rot) und mit Rückkopplung (blau)
Abb. 3. Spektrale Leistungsdichte des Frequenzrauschens: freilaufender DFB-Diodenlaser (rot), gleicher Laser mit resonanter optischer Rückkopplung (blau) und gitterstabilisierter Diodenlaser – ECDL – (grün)
Atomuhren höchster Präzision, atominterferometrische Experimente für die immer präzisere Messung von Naturkonstanten sowie die kohärente Freiraumkommunikation in der Raumfahrt brauchen Laserstrahlquellen, die Licht liefern, das sich bezüglich spektraler Eigenschaften nahezu wie eine ideale Sinuswelle verhält. Um derartige Applikationen für Halbleiterlaser basierte Strahlquellen zu erschließen, werden derzeit weltweit verschiedene Möglichkeiten einer optischen Rückkopplung für die Stabilisierung untersucht. Dem FBH ist es gelungen, in der Kombination eines DFB-Halbleiterlaser mit resonanter Rückkopplung von einem monolithischen Resonator die Linienbreite im Vergleich zu anderen Konfigurationen deutlich zu reduzieren.
Die Idee der resonanten optischen Rückkopplung ist in Abb. 1 dargestellt. Sobald die Frequenz des freilaufenden Lasers einer Resonanz des externen Resonators entspricht, wird Licht aus dem Resonator zurück in den Laser injiziert. Dabei koppelt die Laserfrequenz an die Resonanzfrequenz des externen Resonators.
Durch die resonante optische Rückkopplung wird das optische Spektrum des Lasers wesentlich schmaler. Abb. 2 zeigt das RF-Spektrum eines mit einer Verzögerungsstrecke erzeugten heterodynen Schwebungssignals. Bei dieser Messung wird die Strahlung des Lasers in ein Mach-Zehnder-Interferometer injiziert, dessen einer Arm eine um 3 km größere optische Länge besitzt und um eine fixe Frequenz (hier: 78 MHz) verschoben wird. Am Ausgang des Interferometers wird die Strahlung der beiden Arme überlagert und mit einem schnellen Fotodetektor aufgenommen. Abb. 2 zeigt das Fourier-Spektrum dieses Fotodetektorsignals.
Die volle Information über das spektrale Rauschen des Lasers wird durch die Messung der spektralen Leistungsdichte des Frequenzrauschens ermittelt, wie in Abb. 3 dargestellt. Das Frequenzrauschen eines 1,5 mm langen DFB-Lasers wird durch resonantes optisches Feedback um mehr als fünf Größenordnungen reduziert. Damit ist es etwa 100-mal kleiner als bei den schmalbandigsten Diodenlasern, die mit klassischen Konzepten realisiert werden, den sogenannten Extended Cavity Diode Lasern (ECDL). Der weiße Rauschuntergrund liegt bei S0 = 5 Hz2/Hz, was einer intrinsischen Lorentz-Linienbreite von nur Δ∨ = S0∏ = 15,7 Hz entspricht.
Im Ergebnis lassen sich die spektralen Eigenschaften von Halbleiterlasern durch das resonante optische Feedback derart verbessern, dass sich ihre Frequenzrauschspektren dem Spektrum der rauschärmsten Festkörperlaser nähern. Darüber hinaus kann durch den Einsatz des kompakten monolitischen Resonators das komplette Lasersystem auf einer Fläche von 1×5 cm2 realisiert werden, was die mechanische Stabilität wesentlich verbessert.
Publikation
W. Lewoczko-Adamczyk, C. Pyrlik, J. Häger, S. Schwertfeger, A. Wicht, A. Peters, G. Erbert, and G. Tränkle, "Ultra-narrow linewidth DFB-laser with optical feedback from a monolithic confocal Fabry-Pérot cavity", Opt. Express, 23, 9705 (2015)