Polarisationskontrolle grund- und mehrmodiger Vertikallaserdioden durch monolithisch integrierte, dielektrische Oberflächengitter

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Rainer Michalzik
• Subject Area: Electronic Semiconductors, Components and Circuits, Integrated Systems, Sensor Technology, Theoretical Electrical Engineering
• Term: from 2004 to 2008
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 5423535

• Final Report Year: 2007

Final Report Abstract

2.1 Ergebnisse und erzielte Fortschritte Nach 15 Jahren intensiver Forschung auf dem Gebiet der Polarisationskontrolle von Vertikallaserdioden (engl. vertical-cavity surface-emitting lasers, VCSELs) gelang es in diesem Projekt, eine Technik zu entwickeln, die nicht nur die Polarisation von VCSELn in einem bisher nicht gekannten Maße definiert, sondern die auch unmittelbar kommerziell eingesetzt werden kann. Letzteres zeigt sich darin, dass die U-L-M photonics GmbH in Ulm bereits zum heutigen Zeitpunkt auf den hier erzielten Forschungsergebnissen basierende polarisationsstabile VCSEL als ein Massenprodukt vertreibt. Aufgrund ihres zylindersymmetrischen Resonators, ihrer Bragg-Spiegel mit einer polarisationsunabhängigen Reflektivität und des polarisationsunabhängigen Gewinns der Quantenfilme ist die Polarisation herkömmlicher monolithischer VCSEL nicht wohl definiert. Die durch den elektrooptischen Effekt hervorgerufene Doppelbrechung zeichnet zwar die beiden Hauptkristallachsen [011] und [011] aus, aber dieser Effekt ist zu schwach, um die Orientierung der in erster Näherung linearen Polarisation von VCSELn festzulegen. Ohne eine besondere Maßnahme zur Polarisationskontrolle ist deshalb im voraus nicht bekannt, entlang welcher der beiden Hauptkristallachsen ein VCSEL polarisiert ist. Die Orientierung der Polarisation variiert deshalb nicht nur innerhalb einer Bauelementcharge, sondern springt häufig sogar im Betrieb von der einen Hauptkristallachse zur anderen. Aus der Vielzahl der früheren Ansätze für die Polarisationskontrolle von VCSELn ragt besonders der Versuch heraus, einen polarisationsabhängigen Gewinn zu erzeugen, indem Substrate mit höheren Kristallindizes für die Epitaxie verwendet und zudem die Quantenfilme verspannt werden. Allerdings ist ein hoher technologischer Aufwand mit diesem Konzept verbunden, da VCSEL regulär auf (lOO)-orientierten Substraten hergestellt werden. Zudem konnte mit dieser Technik nur bei Wellenlängen um 960 nm vielversprechende Resultate erreicht werden, die aber bei Lasern mit anderen Emissionswellenlängen nicht bestätigt werden konnten. Das Konzept für die Polarisationskontrolle von VCSELn setzte deshalb in diesem Projekt nicht beim Gewinn sondern beim Resonator und dort speziell an dem oberen Bragg-Spiegel an. Ein monolithisch in die Oberfläche des Spiegels integriertes optisches Gitter wird verwendet, um dessen zunächst polarisationsunabhängige Reflektivität polarisationsabhängig zu machen und damit diejenige Polarisationsrichtung auszuwählen, für die der modifizierte Bragg-Spiegel die höhere Reflektivität aufweist. Dieses Konzept war überaus erfolgreich, wie die nachfolgende Auflistung exemplarischer Ergebnisse des Projektes verdeutlichen soll: • Demonstration des ersten polarisationsstabilen VCSELs mit einem Oberflächengitter. • Höchstes jemals berichtetes Unterdrückungsverhältnis der orthogonalen Polarisation: 26 dB in der Leistung, 37 dB in der relativen spektralen Intensität. • Höchste jemals berichtete Anzahl und Ausbeute an polarisationsstabilen VCSELn auf einer Probe: 1374 von 1374 VCSELn. • Erstmalige Demonstration von Polarisationskontrolle unter hochfrequenter Modulation, Verspannung und optischer Rückwirkung. • Höchster jemals berichteter linearer modaler Dichroismus (Differenz im Schwellgewinn der beiden Polarisationen) in einem VCSEL: mehr als 20cm"1. • Höchste jemals berichtete Ausgangsleistungen polarisationsstabiler VCSEL: 4.2 mW einmodig, etwa 20 mW mehrmodig. Ein besonderer Vorteil der hier eingesetzten Oberflächengitter zur Polarisationskontrolle liegt darin, dass sie sehr einfach auf andere Wellenlängenbereiche übertragen werden können. Alle entscheidenden Gitterparameter skalieren mit der Emissionswellenlänge des Lasers. Überhaupt hat sich die Herstellung der Oberflächengitter als relativ einfach erwiesen. Die geforderte Genauigkeit der Gittertiefen lässt sich sowohl mit nasschemischem Ätzen als auch mit Trockenätzen gut erzielen. Um durch das Gitter hervorgerufene Beugung im Fernfeld der VCSEL auszuschließen, müssen allerdings kleine Gitterperioden verwendet werden. Dies erforderte im Projekt den Einsatz von Elektronenstrahllithographie. Das Hauptproblem beim Einsatz von Oberflächengittern liegt in der bereits erwähnten Beugung am Gitter und in den damit einhergehenden Verlusten. Während die Beugung beim Einsatz von Gitterperioden größer als die Emissionswellenlänge im Fernfeld auftritt, erzeugen Gitterperioden kleiner als die Wellenlänge eine Beugung zurück in Richtung des Substrates. Diese Beugung lässt sich vollständig nur durch den Einsatz von Gitterperioden deutlich kleiner als die Material weilenlänge der Laseremission verhindern. Der Nachweis, dass derart kleine Gitterperioden auch zuverlässig die Polarisation kontrollieren, ist aber noch nicht erbracht. Zudem ist die Herstellung solcher Gitter deutlich anspruchsvoller und damit teurer. Als Alternative wurde in diesem Projekt gezeigt, dass bereits durch eine geschickt gewählte Position des Oberflächengitters im Stehwellenfeld des Laserresonators eine sehr deutliche Verringerung der Beugung erreicht werden kann. Eine gleichzeitige Kontrolle der transversalen Moden und der Polarisation in VCSELn konnte durch die Kombination des Oberflächengitters mit einem Oberflächenrelief erreicht werden. Die resultierenden einmodigen, polarisationsstabilen VCSEL sind vor allem für den Einsatz in der Spektroskopie und in Messsystemen zur Ortsbestimmung, zum Beispiel in optischen Computermäusen, sehr interessant. 2.2 Ausblick und Anwendungen Die weiteren Arbeitsschritte jenseits des Projekts bis hin zu einer erfolgreichen Markteinführung von VCSELn mit Oberflächengitter liegen besonders in einer Design- und Prozessoptimierung, um die Herstellungskosten den Markterfordernissen anzupassen. Diese Schritte wurden von U-L-M photonics bereits unternommen. In der Zukunft sollte aus Kostengründen komplett auf Elektronenstrahllithographie verzichtet werden. Eine mehr wissenschaftlich orientierte, aber doch für den praktischen Einsatz höchst relevante und nicht abschließend geklärte Fragestellung zielt auf die erreichbare Unterdrückung der orthogonalen Polarisation ab. Im Verlauf des durchgeführten Projekts konnte klar gezeigt werden, dass diese nur zu einem Teil von der Stabilität der Polarisationskontrolle bestimmt wird.

Publications

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• R. Michalzik, J.M. Ostermann, M. Riedl, F. Rinaldi, H. Röscher, and M. Stach, "Novel VCSEL designs for optical interconnect applications" (invited), in Proc. The 10th OptoElectronics and Communications Conf., OECC2005, pp. 328-329. Seoul, Korea, July 2005.
  
  
• R. Michalzik, J.M. Ostermann, P. Debernardi, C. Jalics, A. Kroner, M. Feneberg, and M. Riedl, "Polarization-controlled monolithic oxide-confined VCSELs" (invited), in Micro-Optics, VCSELs and Photonic Interconnects, H. Thienpont, K.D. Choquette, M.R. Taghizadeh (Eds.), Proc. SPIE 5453, pp. 182-196, 2004.
  
  
• R. Michalzik, M. Stach, H. Röscher, F. Rinaldi, M. Riedl, and J.M. Ostermann, "Advanced short-wavelength vertical-cavity lasers and arrays for optical interconnection", in Proc. The Fourth International Conf. on Optical Communications and Networks, ICOCN2005, pp. 116-119. Bangkok, Thailand, Dec. 2005.