Verbesserte Simulation von Oberflächengittern höherer Bragg-Ordnung
Abb. 1: REM-Aufnahme eines trockenchemisch geätzten Oberflächengitters
Abb. 2: Berechnete maximale Reflektivität für Bragg-Gitters 10. Ordnung als Funktion der Zahl der Flanken-Stufen für 35° Ätzwinkel
Abb. 3: Berechnete maximale Reflektivität Bragg-Gitter 10. Ordnung als Funktion der Zahl der Flanken-Stufen für 10° Ätzwinkel
Die Emissionsbandbreite von Halbleiterlasern – diese liegen typischerweise im Nanometerbereich – lässt sich durch Einbringen von periodischen Strukturen (Bragg-Gitter) in den Resonator bis in den Femtometerbereich reduzieren. Damit werden die effizienten Lichtquellen auch für Anwendungen wie etwa die Spektroskopie, die eine schmalbandige Emission erfordern, attraktiv. Eine etablierte Methode der Gitterintegration am FBH ist das Einbringen von Furchen mit definierter Tiefe, Form und Periode in die Laseroberfläche. Die Gitter lassen sich sowohl mit i-line-Waferstepper- als auch mit Elektronenstrahl-Lithografie definieren und werden trockenchemisch in die Halbleiteroberfläche geätzt.
Der Einsatz der Gitter an der rückwärtigen Facette der Laser erfordert eine möglichst hohe Gitterreflektivität. Um diese zu erreichen, muss deren Form und Tiefe mithilfe von Simulationsrechnungen optimiert werden. Dazu werden entsprechende Reflexionsspektren durch eine exakte Lösung der Maxwell-Gleichungen in zwei räumlichen Dimensionen berechnet. Die dazu verwendete Streumatrixmethode, die auf einer Entwicklung des optischen Feldes nach den lokalen Wellenleitermoden basiert, lässt sich am effizientesten für rechteckig geformte Gitterfurchen numerisch implementieren. Die so erhaltenen Simulationsergebnisse zeigen, dass sich mit Gittern höherer Bragg-Ordnungen (> 3) nur dann hohe Reflektivitäten erreichen lassen, wenn das Tastverhältnis der Gitter größer 90% beträgt. Die Gitterfurchen müssen daher schmaler als 100 nm sein. Aufgrund der Auflösungsgrenzen der Lithografie und der notwendigen großen Ätztiefen von mehr als 1000 nm können solche Gitter nur schwer realisiert werden. Daher werden typischerweise die Gitterfurchen V-förmig, zur aktiven Zone hin spitz zulaufend, geätzt. Bisher war es allerdings am FBH nicht möglich, die Reflektivität derartiger Gitter zu simulieren.
Deshalb wurde am FBH das vorhandene Tool zur Simulation von Oberflächengittern dahingehend erweitert, dass auch Reflexionsspektren V-förmiger Gitterfurchen berechnet werden können. Dazu werden die beiden Flanken der Gitterfurchen stufenförmig angenähert, wobei die Zahl der Stufen beliebig wählbar ist. Die Simulationen zeigen, dass jede Flanke durch mindestens 20 Stufen approximiert werden muss, um korrekte Werte für den Reflexionskoeffizienten zu erhalten. Die Zunahme der Gitterreflektivität mit abnehmendem Ätzwinkel kann auf eine Erhöhung des effektiven Tastverhältnisses zurückgeführt werden.
Publikationen:
J. Fricke, A. Klehr, O. Brox, W. John, A. Ginolas, P. Ressel, L. Weixelbaum, G. Erbert, "Y-branch coupled DFB-lasers based on high-order Bragg gratings for wavelength stabilization", Semicond. Sci. Technol., 28, 035009 (2013).
J. Fricke, H. Wenzel, F. Bugge, O.P. Brox, A. Ginolas, W. John, P. Ressel, L. Weixelbaum, G. Erbert, "High-Power Distributed Feedback Lasers With Surface Gratings", IEEE Photonics Technol. Lett., vol. 24 , no. 16, pp. 1443-1445 (2012).
J. Fricke, W. John, A. Klehr, P. Ressel, L. Weixelbaum, H. Wenzel, G. Erbert, "Properties and fabrication of high-order Bragg gratings for wavelength stabilization of diode lasers", Semicond. Sci. Technol., vol. 27, no. 055009 (2012).
FBH-Forschung: 25.03.2014