Mikroresonatorsystem für hochstabile Diodenlaser – erster Meilenstein im Projekt iMILQ erreicht

Im Projekt "Integrierte Mikroresonator-stabilisierte Lichtquellen für die (Quanten-)metrologie", kurz iMILQ, wird derzeit ein spezielles Lasermodul bei einer Wellenlänge von 1064 nm entwickelt. Ein thermisch kontrollierter DFB-Laser, der optisch an einen Mikroresonator gekoppelt ist, sorgt dafür, dass das Modul extrem schmalbandig emittiert – mit Linienbreiten im sub-kHz-Bereich. Die relative Frequenzstabilisierung von DFB-Laser und Mikroresonator wird dabei aktiv geregelt. Das Modul wird von den Projektpartnern mit allen optischen und elektrischen Durchkontaktierungen so aufgebaut, dass es einfach in komplexe optische Systeme integriert und für Anwendungen genutzt werden kann. Zu diesen zählen etwa die kohärente optische (Freiraum-) Kommunikation, höchst-präzise interferometrische Längenmessungen und quantenoptische Präzisionsmessungen. Das Lasermodul ist eine Weiterentwicklung größerer Systeme, mit denen das Funktionsprinzip bereits demonstriert wurde [1].

In dem auf drei Jahre ausgelegten Projekt wird zum ersten Mal ein am Ferdinand-Braun-Institut (FBH) entwickeltes und hergestelltes, passives optisches Mikrobauelement eingesetzt. Es ist eines der zentralen Bauelemente, das aus einem Mikroresonator von wenigen 10 µm Durchmesser mit einem benachbarten Lichtwellenleiter besteht, die optisch miteinander koppeln. Solche Mikroresonatoren zeigten bereits in früheren Tests hohe Güte-Werte von bis zu 10⁶. Hiermit lässt sich eine sehr schmalbandige Resonanz erzeugen, die zur Stabilisierung des Lasers verwendet wird. Dazu müssen die Abmessungen des Mikroresonators und des Wellenleiters, besonders ihr Abstand zueinander, präzise aufeinander und auf das verwendete Materialsystem abgestimmt werden. Dies ist notwendig, da in einem monolithisch aufgebauten System keine nachträgliche Anpassung möglich ist.

Ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg zu dem mikrooptischen Bauelement ist nun am FBH gelungen. Die ersten Mikroresonatorsysteme im Materialsystem Siliziumoxid auf Silizium wurden im Reinraum erfolgreich gefertigt. Abb. 1 zeigt eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer solchen Struktur. Man erkennt eine Kreisscheibe mit einem Durchmesser von 40 µm und einen Wellenleiter von 2 µm Breite, der in einem Abstand von 500 nm platziert ist. Die dunklen Löcher, die um die Strukturen herum angeordnet sind, wurden zum Unterätzen der Siliziumoxidmembran verwendet.

iMILQ wird im Rahmen des Förderprogramms ProFIT der Investitionsbank Berlin drei Jahre lang gefördert. Weitere Partner in iMILQ sind die Humboldt Universität zu Berlin, FBH-Ausgründung Brilliance Fab Berlin und Picoquant.

Publikation

[1] W. Lewoczko-Adamczyk, C. Pyrlik, J. Häger, S. Schwertfeger, A. Wicht, A. Peters, G. Erbert, G. Tränkle, "Ultra-narrow linewidth DFB-laser with optical feedback from a monolithic confocal Fabry-Pérot cavity", Opt. Express 23, pp. 9705-9709 (2015).