Verbesserung der spektralen Performance von Extended Cavity Diodenlasern durch den Einsatz von Laserchips mit gebogenem Rippenwellenleiter
Abb. 1 Schema eines ECDLs mit Laserchip (a) mit geradem und (b) mit gebogenem Rippenwellenleiter.
Abb. 2 (a) Falschfarbenplot der RF-Spektren und (b) die Höhe der Seitenmodenunterdrückung der +1-ten und -1-ten Seitenmode des ECDLs mit geradem Rippenwellenleiter-Laserchip.
Abb. 3 (a) Falschfarbenplot der RF-Spektren und (b) die Höhe der Seitenmodenunterdrückung der +1-ten und -1-ten Seitenmode des ECDLs mit gebogenem Rippenwellenleiter-Laserchip.
Extended Cavity Diodenlaser (ECDLs) zeigen typischerweise optische Linienbreiten (full-width-at-half-maximum, FWHM) im Bereich von einigen kHz. Daher werden ECDLs beispielsweise für die kohärente optische Kommunikation und die kohärente Manipulation von Atomen und Molekülen, die beispielsweise in optischen Atomuhren oder Materiewellen-Interferometern verwendet werden, immer attraktiver.
Für die Performance der ECDLs ist die spektrale Reinheit einer der fundamentalen Parameter. Sowohl experimentell als auch in Simulationen konnte das simultane Auftreten mehrerer stabiler Moden gezeigt werden [1, 2]. Sind die neben der Hauptmode auftretenden Seitenmoden stark genug, werden dadurch die optische Linienbreite der ECDLs und das Frequenzrauschen der Hauptmode effektiv vergrößert.
Ein Ansatz zur Verbesserung der Seitenmodenunterdrückung bei ECDLs ist der Einsatz von Diodenlaserchips mit unterschiedlicher Struktur der Rippenwellenleiter (RW), wie sie in Abb. 1 schematisch skizziert sind.
Die untersuchten ECDLs nutzen 2 mm lange, Double-Quantum-Well AlGaAs-RW-Diodenlaserchips mit einer Rippenbreite von 5 µm und ein volumenholographisches Bragg-Gitter (VHBG) mit einer Bragg-Wellenlänge von 1064,125 nm für das optische Feedback. Die RW-Diodenlaserchips weisen eine unterschiedliche RW-Struktur auf, d.h. der eine Laserchip besitzt einen geraden (Abb. 1a) und der andere einen gebogenen Rippenwellenleiter (Abb. 1b). Durch das Biegen des Rippenwellenleiters ist eine Facette rechtwinklig zum Wellenleiter orientiert, wohingegen die Normale der anderen Facette einen Winkel zum Wellenleiter aufweist. Dadurch wird bei letzterer Facette die effektive, unerwünschte Rückreflexion von RR = 10-3…10-4, die mit einer Antireflex-Beschichtung erreichbar ist, um weitere Größenordnungen reduziert [3]. Damit werden die parasitären Fabry-Pérot-Moden des Laserchips stark unterdrückt. Die Reflektivität der Fronfacetten entspricht RF = 30%. Die Länge der Resonatoren der ECDLs wird so gewählt, dass der freie Spektralbereich 4 GHz beträgt.
Zur Bestimmung der Höhe der Seitenmodenunterdrückung von ECDLs wird deren optisches Spektrum mithilfe eines zweiten Lasers (in diesem Fall ein DFB-Laser) in den RF-Bereich heruntergemischt. Es wird das Verhältnis zwischen der Leistung in der Hauptmode und der Leistung in der entsprechenden Seitenmode im RF-Spektrum ermittelt.
In Abb. 2a ist ein Falschfarbenplot der RF-Spektren für verschiedene Injektionsströme ab 30 mA (unterhalb der Laserschwelle) für den ECDL mit Laserchip mit geradem Rippenwellenleiter dargestellt. Die RF-Spektren sind auf die höchste Leistung im Falschfarbenplot normiert. Die Höhe der Seitenmodenunterdrückung der +1-ten und -1-ten Seitenmode sind in Abb. 2b dargestellt. Seitenmoden treten immer kurz vor einem Modensprung auf. Dabei liegen für einige Injektionsströme die auftretenden Seitenmoden nur 3,3 dB unterhalb des Trägers. Nach einem Modensprung ist die Höhe der Seitenmodenunterdrückung größer als 60 dB.
Abb. 3a und b zeigen den Falschfarbenplot der RF-Spektren und die Höhe der Seitenmodenunterdrückung der +1-ten und -1-ten Seitenmode für den ECDL mit Laserchip mit gebogenem Rippenwellenleiter. Zwischen der Laserschwelle und einem Injektionsstrom von 220 mA sind die Seitenmoden mit mehr als 46 dB unterdrückt.
Im Vergleich zum ECDL mit geradem Rippenwellenleiter-Laserchip weist der ECDL mit gebogenem Rippenwellenleiter-Laserchip eine größere Seitenmodenunterdrückung, verbesserte spektrale Stabilität und spektrale Reinheit auf.
Publikationen
[1] M. Radziunas, V.Z. Tronciu, E. Luvsandamdin, C. Kürbis, A. Wicht, H. Wenzel, “Study of Microintegrated External-Cavity Diode Lasers: Simulations, Analysis, and Experiments”, IEEE J. Quantum Electron., vol. 51, no. 2, 2000408 (2015).
[2] V.Z. Tronciu, M. Radziunas, Ch. Kürbis, H. Wenzel, A. Wicht, “Numerical and experimental investigations of micro-integrated external cavity diode lasers”, Opt. Quant. Electron., vol. 47, no. 6, pp. 1459-1464 (2015).
[3] A. Klehr, H. Wenzel, J. Fricke, F. Bugge, G. Erbert, “Generation of spectrally stable continuous-wave emission and ns pulses with peak power of 4 W using a distributed Bragg reflector laser and a ridge-waveguide power amplifier”, Opt. Express, vol. 22, no 20, pp. 23980-23989 (2014).