Mikromechanisch weit abstimmbare Oberflächen-emittierende Laserdioden für Sensoranwendungen (PDF)

Laser mit abstimmbarer Wellenlänge sind die Schlüsselkomponenten zukünftiger optischer Kommunikationssysteme. Darüber hinaus ist ein breitbandig und kontinuierlich abstimmbarer Laser mit hoch-reinem Emissionsspektrum ein vielseitiges Werkzeug für verschiedene Sensoranwendungen. So kann z.B. die Emission von Treibhausgasen durch Absorptionsspektroskopie oder die Deformation von Bauwerken durch die Abfrage von Faser-Bragg-Gittern (FBG-Messwandlern) überwacht werden. Aufgrund ihres monomodalen Verhaltens, der geringen Leistungsaufnahme und Kompaktheit sind Oberflächen-emittierende Laser mit Vertikalresonator (engl. vertical-cavity surface-emitting laser, VCSEL) hierfür besonders geeignet.

Im Rahmen dieser Arbeit werden der Entwurf, die Technologie und Charakterisierung sowie Sensoranwendungen von mikromechanisch weit abstimmbaren VCSELn mit Wellenlängen um 1,55 µm vorgestellt. Der entwickelte Laser besteht aus einer aktiven optischen Komponente (Halb-VCSEL) und einer beweglichen mikromechanischen Komponente (engl. micro-electro-mechanical system, MEMS), die in einem hybriden Aufbau zusammengefügt werden. Mittels elektro-thermischer Aktorik kann die Spiegelmembran ausgelenkt, der zwischen beiden Komponenten eingeschlossene Luftspalt vergrößert und so die Resonanzwellenlänge kontinuierlich abgestimmt werden.
In einem neuartigen Resonatorentwurf werden die Elemente des MEMS-VCSELs entkoppelt und der Abstimmbereich auf 60 nm gesteigert. Dabei wird eine gekrümmte Spiegelmembran eingesetzt, um ausschließlich den gewünschten Grundmode (Gaußstrahl) anzuregen. Hierdurch werden monomodal Ausgangsleistungen bis 2,8 mW erzielt, die, sogar im Vergleich mit nicht-abstimmbaren VCSELn bei dieser Wellenlänge, einen internationalen Bestwert darstellen. Wegen der zylindrischen Resonatorgeometrie ist die Stabilität der Polarisation ein grundsätzliches Problem von VCSELn. Durch Verwendung einer elliptischen Spiegelmembran wird diese Symmetrie aufgehoben und gezielt eine lineare Polarisation eingestellt. Eine schmale Emissionslinie und eine hohe Abstimmgeschwindigkeit sind zwei gegensätzliche Eigenschaften, da flinke mechanische Komponenten thermischem Rauschen unterliegen. Durch Erhöhung der Federkonstante (Steifigkeit) des MEMS können Linienbreiten <40 MHz und die Abstimmung mit Wiederholraten von >100 Hz nachgewiesen werden.
Abschließend werden die Absorptionsspektroskopie u.a. von Kohlenmonoxid und -dioxid sowie die FBG-Messtechnik als zwei Anwendungen demonstriert, bei denen der einzigartige Vorzug der breitbandigen und kontinuierlichen Abstimmbarkeit des MEMS-VCSELs besonders zum Tragen kommt.