Optische Halbleiterverstärker der Watt-Klasse basierend auf Rippenwellenleiterstrukturen

Anwendungen wie etwa die nichtlineare Frequenzkonversion und kohärente optische Nachrichtenübertragung benötigen kompakte Strahlquellen mit beugungsbegrenzter, spektral stabilisierter Laserstrahlung und zugleich hoher Leistung. Diese Anforderungen erfüllen halbleiterbasierte Masteroszillatoren (MO), die zusammen mit optischen Leistungsverstärkern (PA) zu MOPA-Systemen kombiniert werden. Der MO, realisiert z.B. durch einen Distributed-Feedback- (DFB) oder Distributed-Bragg-Reflector (DBR)-Laser, wird im Dauerstrichbetrieb (CW) betrieben und emittiert einen spektral stabilen und beugungsbegrenzten Laserstrahl mit geringer Leistung. Durch Einkopplung in einen Trapez- oder einen Rippenwellenleiterverstärker wird dann die Leistung des Strahls um das Mehrfache erhöht – unter Beibehaltung der spektralen und räumlichen Eigenschaften. Bei niedrigeren Leistungswerten ist ein RW-Verstärker effizienter. Er benötigt eine geringere Eingangsleistung und die Ausgangsstrahlung kann im Vergleich zum Trapezverstärker aufgrund des nicht vorhandenen Astigmatismus einfacher kollimiert und fokussiert werden. Am FBH ist es nun gelungen, die Leistung von RW-Verstärkern drastisch zu erhöhen: Mithilfe einer speziell entwickelten Epitaxiestruktur wird eine effiziente Verstärkung über Längen von 4 und mehr Millimetern möglich und die Facettenreflektivität minimiert, um das Selbstlasern des Verstärkers zu vermeiden.

Abb. 1a zeigt einen 6 mm langen auf einen CuW Zwischenträger gelöteten RW-Verstärker. Die 4 µm breite Rippe ist bezüglich der Resonatorachse geneigt. Die Abhängigkeit des Reflexionskoeffizienten der Grundmode vom Neigungswinkel und der Rippenbreite ist in Abb. 2a dargestellt. Je größer die Rippenbreite, umso geringer ist die Reflektivität. Bei einem Neigungswinkel von 3° und einer Rippen-Breite von 4 µm beträgt die Reflektivität der unbeschichteten Laserfacette nur noch 10^-4. Eine weitere Reduktion wird durch eine zusätzliche Antireflexionsbeschichtung erreicht, mit der das Selbstlasern effektiv unterdrückt wird. Ein kleiner Neigungswinkel erleichtert zudem die Ein- und Auskopplung des Laserstrahls erheblich.

Um die Leistungsfähigkeit des RW-Verstärkers zu demonstrieren, wurde ein am FBH entwickelter 4 mm langer DBR-RW-Laser als MO benutzt. Abb. 2 zeigt die Abhängigkeit der Ausgangsleistung des Verstärkers als Funktion der Eingangsleistung. Der RW-Verstärker wird mit einem konstanten Strom von I_PA = 1,5 W betrieben. Bei einer Eingangsleistung von P_MO = 0,2 mW kann eine abrupte Erhöhung der Ausgangsleistung des Verstärkers beobachtet werden. Eine weitere Erhöhung von P_MO führt nur noch zu einer geringfügigen Steigerung der Ausgangleistung, welche durch den in den Verstärker injizierten Strom von I_PA = 1,5 A begrenzt wird.

Abb. 3a zeigt den zeitlichen Verlauf der optischen Leistung wenn kurze (5 ns lange) Stromimpulse in den Verstärker in injiziert werden. Bei einer Stromamplitude von I_PA = 8 A wird eine Spitzenleistung von P_PA = 4 W erreicht. Im Vergleich zu einem direkt gepulst betriebenen Diodenlaser treten keine Relaxationsoszillationen auf und die Wellenlänge der emittierten Pulse ist unabhängig vom Injektionsstrom durch den Verstärker, wie Abb. 3b zeigt. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass durch die Kombination eines CW-betriebenen Masteroszillators und eines CW oder gepulst betriebenen optischen Leistungsverstärkers sowohl spektral stabile als auch beugungsbegrenzte Laserstrahlung im Watt-Bereich erzeugt werden kann, die für eine Reihe von Anwendungen interessant ist.

Publikation

A. Klehr, H. Wenzel, O. Brox, S. Schwertfeger, R. Staske, and G. Erbert, "Dynamics of a gain-switched distributed feedback ridge waveguide laser in nanoseconds time scale under very high current injection conditions", Opt. Express, vol. 21, no. 3, pp. 2777-2786 (2013).

FBH-Forschung: 09.01.2015