Prof. Dr.-Ing. Markus-Christian Amann
Technische Universität München
Walter Schottky Institut

Prof. Dr. Constance Chang-Hasnain
University of California, Berkeley
EECS - Electrical Engineering and Computer Science

Der Lehrstuhl für Halbleitertechnologie am Walter Schottky Institut, TUM befasst sich mit der Herstellung neuartiger, langwelliger, oberflächen-emittierender Laserdioden mit Vertikalresonator (VCSEL). Diese Bauelemente decken die Kommunikations-Wellenlängen von 1,3 bis 1,6 µm ab und liefern höchste Modulations-Bandbreiten über 10 GHz. Prof. Chang-Hasnains Gruppe an der Universität von Kalifornien, Berkeley, stellte kürzlich eine neue Klasse von VCSEL bei 850 nm vor. Dieses Bauelement, hergestellt auf einer zugelieferten Epitaxiescheibe, verwendet neuartige Sub-Wellenängen-Gitter anstatt klassischer DBR-Spiegel, die hohe Reflektivität und Polarisationsstabilität aufweisen. Beide Gruppen starteten eine wissenschaftliche Zusammenarbeit auf der Entwicklung, Herstellung und Charakterisierung von breitbandigen Lasern bei 1.55 µm mit Sub-Wellenlängen Gittern. Diese neuartigen Laser lassen bessere Modulationseigenschaften gepaart mit erhöhter Polarisationsmodenstabilität erwarten, was entscheidende Fortschritte für diese Laserklasse darstellen wird.

Abschlussbericht:

Trotz der ambitionierten Projektziele konnten diese letztendlich vollumfänglich erreicht werden. Da sich während des Projekts herausstellte, dass sich voraussichtlich nicht alle Projektziele während der Laufzeit desselben realisieren lassen, wurde die Zusammenarbeit zu diesem Thema mittels eines nachfolgenden Postdoc-Fellowships (DAAD) von Herrn Dr. Werner Hofmann fortgesetzt. Die im Projekt eingesetzten Subwellenlängengitter (Periode ca. 700nm) mit großem Index-Kontrast (high-contrast gratings: HCG) von z. B. 3.2 (InP, Si) : 1 (Luft) weisen je nach Polarisation des einfallenden Lichts eine sehr breitbandige und hohe Reflektivität auf. Sie sind damit ideale Spiegel für VCSEL, da sie gleichzeitig auch die Polarisation sehr effektiv stabilisieren. Darüber hinaus weisen sie auch eine ausgeprägte Bevorzugung der fundamentalen transversalen Lasermode auf und ermöglichen damit die Herstellung einmodiger VCSEL mit größeren Aperturen im Vergleich zu den Bragg-Reflektoren. Tatsächlich erzielen HCGs mit ca. 0,5µm Dicke dieselben Reflektivitäten wie über 10µm dicke Bragg-Spiegel.

Die im Rahmen dieses BaCaTeC-Projekts entwickelten, sogenannten short-cavity VCSEL basieren auf den neuesten breitbandigen BCB-VCSEL für 1.320 nm Wellenlänge [1]. Diese Wellenlänge wurde gewählt, weil sie für den 10G IEEE Ethernet-Standard besonders interessant ist. Gemäß Projektplan wurden die HCG-Reflektoren in Berkeley auf die langwelligen VCSEL-Strukturen aus München aufgebracht. Die HCG-Reflektoren bestanden aus amorphen Silizium-Gittern, die mit Elektronenstrahlverdampfung auf eine SiO₂-Zwischenschicht aufgebracht wurden. Erstmalig wurden keine zusätzlichen Bragg-Reflektorschichten zur Erhöhung der Gesamtreflektivität verwendet [3]. Zwar wurden hier die HCG mittels Elektronenstrahlschreiben an der Universität Berkeley hergestellt, in der Massenproduktion könnte aber auch gewöhnliche Maskentechnik dafür eingesetzt werden.

Die fertigen HCG-VCSEL konnten im Dauerstrichbetrieb bis 18°C und im Pulsbetrieb bis 60°C arbeiten. Die Single-Mode-Spektren weisen die erwartete Polarisationsstabilität auf, d. h. es sind keine Neben-Peaks der orthogonalen Polarisation zu erkennen. Dieses Projekt resultiert damit in der erfolgreichen Anwendung nanophotonischer Konzepte und Komponenten in moderne Laserdioden. Diese vielversprechende Technologie wird seit her von dem damaligen BaCaTeC-Austauschwissenschaftler, Werner Hofmann, erfolgreich in seiner derzeitigen Position als Juniorprofessor an der TU Berlin fortgeführt.

Zusammenfassung:

Eine neuartige Technologie für BCB-passivierte Breitband-VCSEL basierend auf Subwellenlängengittern wurde in Kooperation der beiden Arbeitsgruppen in Berkeley/Kalifornien und München (Bayern) erfolgreich entwickelt. Dabei konnten nicht nur alle Projektziele erreicht werden, sondern auch eine längerfristige Kooperation und die Karriere eines Nachwuchswissenschaftlers wurden damit gefördert.

Referenzen:

[1] Müller M, Hofmann W, Böhm G, and Amann M 2009, Short-Cavity Long-Wavelength VCSELs with Modulation-Bandwidth in Excess of 15 GHz, IEEE Photon. Technol. Lett. 21 1615-1617.

[2] Hofmann W, 2011, Evolution of high-speed long-wavelength vertical-cavity surface-emitting lasers, Semicond. Sci. Technol. 26 014011.

[3] Hofmann W, Chase C, Müller M, Rao Y, Grasse C, Böhm G, Amann M, and Chang-Hasnain C, 2010, Long- Wavelength High-Contrast Grating Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser, IEEE Photon. J. 2 415-422.