Monolithically integrated extended cavity diode laser (mECDL)

Für bestimmte Anwendungsgebiete wie beispielsweise weltraumgestützte Messtechnik oder die Atominterferometrie sind spezielle technologische Lösungen notwendig, die den Erschütterungen und Temperaturschwankungen standhalten können. Auf diese Weise sorgen sie für reibungslose Abläufe, z. B. bei Messungen. Unter anderem kommen in solchen Umgebungen frequenzstabilisierte Diodenlaser mit erweitertem Resonator (extended cavity diode laser, ECDL) zum Einsatz. Sie liefern eine schmale spektrale Linienbreite der emittierten Laserstrahlung und sind gleichzeitig kompakt, robust und effizient. Forschenden des Ferdinand-Braun-Instituts, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (Leibniz FBH) ist es gelungen, das Konzept eines ECDL mittels eines speziellen Fertigungsverfahrens auf einem einzelnen Chip – und daher monolithisch – zu integrieren (mECDL). Hierbei wurde die passive Sektion des erweiterten Resonators, in der kein Licht erzeugt wird, im Rahmen einer Zwei-Schritt-Epitaxie realisiert.

Monolithische ECDL (mECDL) kombinieren die Vorteile einer sehr geringen Linienbreite von Diodenlasern mit erweitertem Resonator mit der mechanischen Stabilität und Baugröße monolithisch integrierter Laser. Für die Herstellung eines solchen mECDL ist ein zweistufiges Epitaxie-Verfahren notwendig: Nach Vollendung des ersten Epitaxie-Schrittes wird ein Teil der aktiven Zone, in der das Licht erzeugt und verstärkt wird, durch Ätzen selektiv entfernt. Anschließend wird im zweiten Epitaxie-Schritt der vertikale Schichtaufbau abgeschlossen. Der Bereich mit selektiv entfernter aktiver Zone bildet den passiven und somit verlustarmen Wellenleiterabschnitt des optischen Resonators. Dahinter steht, vereinfacht dargestellt, folgende Funktionslogik: Die spektrale Linienbreite eines Lasers ist umgekehrt proportional zur Güte seines Resonators. Um einen hohen Gütefaktor zu realisieren, wird die Umlaufzeit des Lichtes im Resonator vergrößert, was durch die Erweiterung des Resonators bei gleichzeitiger Minimierung der optischen Verluste erreicht wird.

Zusätzlich zu den eingangs erwähnten Vorteilen lassen sich monolithische ECDL schneller auf Zeitskalen von Millisekunden thermisch durchstimmen. Darüber hinaus verursachen sie geringere Fertigungskosten, da sie auf Wafern in großer Stückzahl hergestellt werden können.

Angewendet werden mECDLs in diversen Bereichen, u. a.:

• Atominterferometrie (physikalische Grundlagenforschung, Erdbeobachtung und Erkundung natürlicher Ressourcen)
• Laserkommunikationsterminals für die kohärente Datenübertragung im freien Raum
• optische Atomuhren für die globale Satellitennavigation