Teil 16 - WueCampus2

4.4. Laser mit Distributed Bragg Reflektor (DBR)
Beim Laser mit Distributed Bragg Reflector (DBR) werden eine oder beide Facetten durch ein
Gitter ersetzt. Das Gitter kann z.B. in die obere Grenze zwischen Wellenleiterkern und
Cladding geätzt werden, diese Bauform ist in Abb. 4.4.1 dargestellt. Die Abbildung ist nicht
maßstabsgetreu! Die Dicke von n- und p-Cladding beträgt 1-2 µm, die Länge des gesamten
Bauelements einige 100 µm. Weiterhin hat das Gitter nicht wenige, sondern einige tausend
Perioden. Bei dieser Bauform muss neben dem aktiven Segment auch das Gitter über einen
Kontakt mit Strom gepumpt werden, da ansonsten der dort noch vorhandene Quantenfilm das
Licht absorbieren würde.
Abbildung 4.5.1: DBR-Laser mit durchgehendem Quantenfilm. Das Gitter verfügt über einen
separaten Kontakt zur Strominjektion. Um den Stromfluss zwischen den beiden Segmenten zu
unterdrücken ist die hochdotierte p-Kontaktschicht zwischen aktivem Segment und Gitter
durchgeätzt.
Das Gitter kann auch als rein passives Segment (d.h. ohne Quantenfilm) hergestellt werden.
In diesem Fall ist die Prozessierung der Laser allerdings komplizierter, da das aktive und
passive Segment in zwei separaten Epitaxieschritten hergestellt werden müssen. Auch in
diesem Fall kann eine Kontaktierung und Strominjektion in das Gittersegment sinnvoll sein,
nun allerdings zur Kontrolle der Emissionswellenlänge. Abb. 4.4.2 zeigt schematisch diese
Bauform eines DBR-Lasers.
Abbildung 4.5.2: DBR-Laser mit aktivem und passivem Segment.
- 122 -
Manchmal wird zwischen aktivem Segment und Gitter noch drittes (Phasen-) Segment
eingefügt, das auch mit einem separaten Kontakt versehen ist. Diese Variante ist in Abb. 4.5.3
dargestellt. Auf die Funktion dieses Segments wird bei der Beschreibung der Modenselektion
in DBR-Lasern näher eingegangen. Bei allen Bauformen wird im Allgemeinen die Facette
hinter dem Gitter entspiegelt, da es sonst zu unerwünschten Inferferenzen zwischen dem vom
Gitter und von der Facette reflektierten Licht kommen kann.
Abbildung 4.5.3: DBR-Laser mit aktivem Segment, Phasensegment und Gitter.
Die Modenselektion im DBR-Laser erfolgt durch die Kombination einer ausreichend
schmalen Reflektivitätskurve des Gitters und der Phasenbedingung für den Umlauf des Lichts
im Resonator. Die Phasenbedingung fordert, dass sich die Phase des Lichts beim Umlauf im
Resonator um ein ganzzahliges Vielfaches von 2 ändert. Bei einem Laser mit zwei Facetten
führt dies zum bekannten Fabry-Perot Modenspektrum.
Wir betrachten nun zunächst einen DBR-Laser mit einem Gitter, das ein zu breites
Reflektionsspektrum aufweist. Die Reflektivitätskurve des Gitters und die Position der Moden
sind in Abb. 4.5.4 dargestellt.
Abbildung 4.5.4: Reflektivitätskurve und Position der Resonatormoden (vertikale Linien).
Für die fünf markierten Moden besitzt das Gitter eine annähernd gleich hohe Reflektivität,
der Laser wird daher nicht einmodig emittieren.
Berechnet man für den in Abb. 4.5.4 dargestellten Fall (Reflektivitätskurve des Gitters zu
breit) die Schwellenverstärkungen der Moden, so ergibt sich die in Abb. 4.5.5 dargestellte
Situation. Einige der Moden fallen mit Minima der Gitterreflektivität zusammen und haben
- 123 -
daher eine sehr hohe Schwellenverstärkung. Wichtig sind jedoch die Moden mit der kleinsten
Schwellenverstärkung und davon gibt es leider zu viele. Dieser Laser wird also nicht auf nur
einer Mode emittieren, sondern auf vier bis fünf Moden.
-1
Schwellenverstärkung (cm )
100
80
60
40
20
0
0.996
0.998
1.000
1.002
1.004
Wellenlänge (a.u.)
Abbildung 4.5.5: Schwellenverstärkungen der Moden in einem DBR-Laser mit zu breiter
Reflektionskurve des Gitters.
Bei der Dimensionierung des Gitters ist also zu beachten, dass dessen Reflektivitätskurve
vergleichbar oder kleiner als der Modenabstand des Resonators ist. Dieser Fall ist in Abb.
4.5.6 dargestellt. Nun ist die Reflektivität des Gitters für die markierte Mode am höchsten,
und diese wird auch die Laseremission dominieren. Doch was bestimmt eigentlich die relative
Position von Resonatormoden und Reflektivitätskurve des Gitters?
Abbildung 4.5.6: Optimale Form und Lage der Reflektivitätskurve relativ zur den
Resonatormoden (vertikale Linien)
Die relative Position ist durch die Gesamtlänge des Resonators und dessen Brechungsindex
gegeben. Die Kontrolle über diese Parameter ist nicht so genau, dass man immer den in Abb.
4.5.6 dargestellten optimalen Fall erreicht. Die Lage von Reflektivitätskurve und
Resonatormoden kann auch wie in Abb. 4.5.7 aussehen. In diesem Fall haben die beiden
markierten Moden die gleiche Schwellenverstärkung und der Laser wird nicht auf nur einer
Mode emittieren. Man spricht in diesem Fall auch von einer Entartung der Moden. Eine
schmale Reflektivitätskurve ist also eine notwendige, aber keine hinreichende Bedingung für
die Selektion einer Mode in einem DBR-Laser. Hier kommt das in Abb. 4.5.3 dargestellte
dritte Segment ins Spiel. Durch eine Änderung des Stroms im Phasensegment kann dessen
Brechungsindex (über Änderung von Temperatur und Ladungsträgerdichte) eingestellt
werden. Damit verschiebt man die Position der Resonatormoden relativ zur Reflektivitätskurve des Gitters und stellt den in Abb. 4.5.6 dargestellten Betriebszustand ein. Da sich die
Moden auch bei einer Änderung des Stroms durch das aktive Segment verschieben (auch hier
ändert sich der Brechungsindex), muss der Strom durch das Phasensegment mit angepasst
werden.
- 124 -
Abbildung 4.5.7: Lage der Reflektivitätskurve bei Modenentartung: Die Reflektivität des
Gitters ist für die beiden markierten Moden gleich groß.
Erfolgt dies nicht, so verschieben sich die Resonatormoden bei einer Stromerhöhung im
aktiven Segment relativ zur Reflektivitätskurve und es kommt wie in Abb. 4.5.8 dargestellt zu
Modensprüngen.
b) Graph aus: J. Fricke et al, “980-nm DBR lasers using higher
order gratings defined by i-line lithography”, Semicond. Sci.
Technol. 20, 1149-1152 (2005)
a)
Abbildung 4.5.8: a) Verschiebung von Reflektivitätskurve und Modenposition beim Erhöhen
des Stroms im aktiven Segment b) Kennlinien von DBR Lasern mit unterschiedlich langem
Gitter, gemessen an der vorderen und hinteren Facette.
Sobald die Reflektivität bei der Lasermode kleiner wird als die Reflektivität der benachbarten
Mode springt die Emissionwellenlänge des Lasers. Die Kennlinie weist wie in Abb. 4.5.8 b)
dargestellt eine Welligkeit auf, da sich mit der Position der Mode relativ zur Reflektivitätskurve des Gitters die Spiegelverluste des Lasers und damit die externe Quanteneffizienz
ändern.
- 125 -

Download Report