DE69400905T2 - Mehrmoden-abbildungsbauelement und ringlaser mit einem mehrmoden-abbildungsbauelement - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein Mehrmoden-Abbildungsbauelement zum Aufteilen oder Koppeln von Laserstrahlung, mit einem Wellenleiter, der ein Ende hat, das zumindest mit einem Fenster zum Durchlassen von Laserstrahlung in den oder aus dem Wellenleiter versehen ist, wobei das genannte Ende auch einen Teil hat, der nicht von dem genannten zumindest einen Fenster eingenommen wird. Die Erfindung betrifft auch einen Ringlaser mit einem Mehrmoden-Abbildungsbauelement.
• Ein Mehrmoden-Abbildungsbauelement ist auch unter der Bezeichnung Mehrmoden-Interferenzbauelement und Mehrmoden-Wellenleiter bekannt. Der Ausdruck "Mehrmoden-Abbildung" soll im folgenden als MMI ("multimode imaging") abgekürzt werden.
• Ein MMI-Bauelement ist unter anderem aus der deutschen Patentschrift DE 25 06 272 bekannt. Dieses Bauelement ist wegen seiner genügenden Eignung zur Integration mit anderen Bauelementen, großen Fertigungstoleranzen, Unempfindlichkeit gegenüber Polarisation und Strahlungswellenlänge, niedrigen Strahlungsverlusten und seiner vielseitigen Einsetzbarkeit sehr geeignet zur Verwendung in einem Strahlteiler oder -Koppler in integrierten optischen Systemen.
• Eine Anwendung eines MMI-Bauelements wird in dem Beitrag "Design and fabrication of integrated InGaAsP ring lasers with MMI outcouplers" von M.J.N. van Stralen et al. auf S.2-24 und 2-25 des Tagungsberichts der ECIO '93 in Neuchätel, Schweiz, beschrieben. Das MMI-Bauelement wird in dieser Anwendung zur Einkopplung von Strahlung aus einem Ringlaser in zwei Ausgangswellenleiter verwendet. Das MMI-Bauelement hat zwei Enden, die jeweils mit zwei Fenstern versehen sind und in dem Ringlaser so angeordnet sind, daß das MMI-Bauelement Teil des Laserringes ist, in dem die Strahlung erzeugt wird. Die Strahlung des Laserringes wird über zwei Fenster, eines an jedem Ende, zu den Ausgangswellenleitern durchgelassen. Der Ringlaser, der den Laserring, das MMI-Bauelement und den Wellenleiter umfaßt, ist auf einem einzigen Substrat integriert.
• Ein Nachteil dieser bekannten Konstruktion ist, daß das Spektrum der Strahlung in den Ausgangswellenleitern nicht unter allen Umständen nur die gewünschte Lasermode des Ringlasers umfaßt, sondern auch eine Vielzahl anderer, unerwünschter Spektralkomponenten.
• Der Erfindung liegt als Aufgabe zugrunde, unter anderem ein MMI-Bauelement zu verschaffen, daß das genannte Problem nicht aufweist.
• Diese Aufgabe wird mit einem MMI-Bauelement wie eingangs beschrieben gelöst, wobei das erfindungsgemaße MMI-Bauelement dadurch gekennzeichnet ist, daß der genannte, nicht von dem genannten zumindest einen Fenster eingenommene Teil des Endes mit Mitteln zum Reduzieren von Reflexion von Laserstrahlung in Richtung der Längsachse des Wellenleiters versehen ist.
• Die Erfindung beruht auf der kürzlich erworbenen Erkenntnis, daß die Probleme des bekannten Ringlasers durch Reflexion von Laserstrahlung innerhalb des MMI-Bauelements an solchen nicht von Fenstern eingenommenen Teilen der beiden Enden bewirkt werden. Die betreffenden Teile reflektieren die einfallende Strahlung in Richtung der Längsachse des MMI-Wellenleiters, so daß eine stehende Welle zwischen den beiden Enden erzeugt werden kann. Für diese Anwendung in dem Ringlaser wird der innere Raum des MMI-Wellenleiters mit einem laseraktiven Medium gefüllt, wobei die beiden Enden die Spiegel eines Resonators bilden. Die in diesem Resonator erzeugte Strahlung führt zu den unerwünschten Spektralkomponenten in den Ausgangswellenleitern des Ringlasers. Durch Reduzierung der Reflexionen an den Enden wird in dem Resonator weniger Laserwirkung auftreten und sind die unerwünschten Spektralkomponenten geringer.
• Auch in Anwendungen des MMI-Bauelements, bei denen der Wellenleiter kein laseraktives Medium umfaßt, kann die erfindungsgemaße Maßnahme sehr vorteilhaft verwendet werden, beispielsweise zur Reduzierung innerer Reflexionen, die zu einer unerwünschten Verteilung von Strahlung über die Eingangs- und Ausgangswellenleiter führen.
• Die Mittel zur Reduzierung von Reflexion umfassen vorzugsweise eine Anti-Reflexionsbeschichtung, eine strahlungsabsorbierende Beschichtung, eine diffus streuende Fläche oder eine schräge Fläche, die die reflektierte Strahlung in einer Richtung lenkt, wo sie die gewünschte Strahlungsverteilung nicht stört.
• Es sei bemerkt, daß Fig. 16 der genannten deutschen Patentschrift MMI- Bauelemente zeigt, die an den Enden schräge Flächen haben. Diese Flächen sind jedoch die Fenster und nicht Gebiete zwischen den Fenstern. Bei den gezeigten MMI-Bauelementen bedecken die Fenster die gesamte Oberfläche der Enden. Außerdem haben die schrägen Flächen nicht die Funktion, die Reflexion in Richtung der Ungsachse des Wellenleiters zu reduzieren.
• Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen
• Fig. 1 einen bekannten Ringlaser;
• Fig. 2 das Spektrum des bekannten Ringlasers;
• Fig. 3a und 3b eine gewünschte Intensitätsverteilung und eine unerwünschte Intensitätsverteilung in einem bekannten MMI-Bauelement;
• Fig. 4a, 4b, 4c und 4d vier Ausführungsbeispiele für den erfindungsgemäßen MMI-Koppler, und
• Fig. 5 einen MMI-Koppler als Leistungssummierer.
• Fig. 1 zeigt einen Ringlaser 1, wie er aus unter anderem dem genannten Beitrag "Design and fabrication of integrated InGaAsP ring lasers with MMI outcouplers" bekannt ist, in dem die gesamte Ausgangsleistung in einem einzelnen Wellenleiter zur Verfügung steht. Die Laserstrahlung wird in einem ringförmigen Wellenleiter erzeugt, das heißt einem Laserring 2, in dem zwei Strahlungsbündel in entgegengesetzten Richtungen verlaufen. Ein MMI-Koppler 3 koppelt einen Teil der Strahlungsbündel aus dem Lasaserring 2 in die Wellenleiter 4 und 5 ein. Ein MMI-Summierer 6 führt die Strahlung der Wellenleiter 4 und 5 in einem Ausgangswellenleiter 7 zusammen. Der Ringlaser 1 wird in einer Halbleiterstruktur integriert. Die gesamte von den Bauelementen 2 bis 7 eingenommene Fläche ist laseraktiv, das heißt wenn ein den gegebenen Resonanzkriterien entsprechender Resonator in dem Bereich vorhanden ist, wird in diesem Resonator Laserstrahlung erzeugt.
• Fig. 2 zeigt ein Beispiel für ein Spektrum der Strahlung in dem Ausgangswellenleiter 7 des bekannten Ringlasers. Die Wellenlänge λ wird in Mikrometern auf der horizontalen Achse in der Figur aufgetragen, und die Intensität der Spektralkomponenten ist in Dezibel auf der vertikalen Achse aufgetragen. Das Spektrum erweist sich als stark abhängig von der Geometrie des Ringlasers und den Arbeitsbedingungen, wie der Stärke des Stroms, mit dem der Ringlaser aktiviert wird. Die Spektralkomponente ist die gewünschte Lasermode des Ringlasers. Die Spektralkomponenten 11 bilden unerwünschte Strahlungsmoden. Der Abstand zwischen den einzelnen Spektralkomponenten 11 entspricht eine Resonatorlänge von ungefähr 250 µm.
• Die Erzeugung unerwünschter Strahlungsmoden in dem MMI-Koppler 3 kann anhand der Intensitätsverteilungen der Strahlung in einem solchen Koppler verstanden werden. Fig. 3a zeigt die Intensitätsverteilung in dem rechteckigen MMI-Wellenleiter 14 des Kopplers 3, mit zwei Enden 15, 19, die jeweils mit Fenstern 16, 18 und 20, 22 und mit Zwischenflächen 17 bzw. 21 zwischen den Fenstern versehen sind. Da der MMI-Koppler und die damit verbundenen Eingangs- und Ausgangswellenleiter im allgemeinen aus ein und demselben Material hergestellt sind, sind die Fenster fiktive Flächen, die eine Grenze des MMI-Wellenleiters 14 angeben. Ein für Strahlung bei einer Wellenlänge von 1,6 µm geeigneter typischer MMI-Koppler hat eine Länge von 233 µm, eine Breite von 7 µm und eine aktive Schichtdicke, senkrecht zur Zeichenebene, von 0,2 µm, während der Durchmesser eines Fensters an einem Ende 2,5 µm beträgt.
• Die Figur gibt die Intensitätsverteilung der Strahlung für den Fall wieder, in dem Strahlung aus dem Laserring 2 durch das Fenster 16 des MMI-Wellenleiters eintritt und über die beiden Fenster 20 und 22 gleich verteilt wird. In den hellen Flächen in dem Wellenleiter ist die Strahlungsintensität hoch, in den dunklen Flächen ist sie niedrig. Die Funktionsweise des MMI-Kopplers beruht auf der Erkenntnis, daß durch die verschiedenen durch den Wellenleiter geleiteten transversalen Strahlungsmoden mit ihren spezifischen Fortpflanzungseigenschaften, abhängig von den Abmessungen des Wellenleiters, am Ort sowohl des Fensters 20 als auch des Fensters 22 eine Intensitätsverteilung entsprechend der in das Fenster 16 tretenden Strahlung gebildet wird, mit anderen Worten, die Intensitätsverteilung des Eingangsfensters 16 wird auf jedes der Ausgangsfenster 20, 22 abgebildet. Infolgedessen wird die in den MMI-Wellenleiter 14 durch das Fenster 16 eintretende Strahlungsleistung über die beiden Fenster 20 und 22 verteilt.
• Fig. 3b zeigt denselben MMI-Wellenleiter 14 wie Fig. 3a, aber jetzt mit einer unerwünschten Intensitätsverteilung, so daß unerwünschte geführte Moden erzeugt werden. Der Wellenleiter 14, der als der in Fig. 3a gezeigte Koppler arbeitet, hat offenbar solche Abmessungen, daß die Zwischenfläche 17 von den Strahlungsmoden in dem Wellenleiter auf die Zwischenfläche 21 abgebildet wird. Die beiden Zwischenflächen mit einem gegenseitigen Abstand von 233 µm bilden die Spiegel eines Resonators. Der Reflexionskoeffizient eines solchen Spiegels beträgt ungefähr 0,30 für einen Resonator mit einem von Luft umgebenen Halbleitermaterial. Wenn der Resonator ein laseraktives Medium enthält, wird in diesem Resonator Laserstrahlung erzeugt, deren Intensität mit der Reflexion der Zwischenflächen zunimmt. Daher werden in dem Spektrum des Ringlasers 1 unerwünschte Spektralkomponenten erzeugt, die in Fig. 2 mit 11 bezeichnet werden.
• Fig. 4a zeigt einen erfindungsgemaßen MMI-Koppler. Die beiden Zwischenflächen 17 und 21 des Wellenleiters 14', d.h. die Teile der nicht von Fenstern eingenommenen Wellenleiterenden sind mit Anti-Reflexionsbeschichtungen 24 bzw. 25 versehen. Diese Beschichtungen befinden sich in einem Bereich des Wellenleiters, in dem die Strahlungsintensität für die in Fig. 3a gezeigte Verteilung klein ist. Folglich werden die Anti-Reflexionsbeschichtungen diese Verteilung wenig beeinflussen, und die Kopplungsfunktion des in Fig. 3a gezeigten Wellenleiters wird gleich der Kopplungsfunktion des in Fig. 3a gezeigten Wellenleiters sein. Die unerwünschte Strahlungsverteilung von Fig. 3b hat am Ort der Anti-Reflexionsbeschichtungen eine hohe Intensität. Folglich haben die Beschichtungen einen großen Einfluß auf diese Verteilung. Da die Beschichtungen anti-reflektierend sind, wird der Resonator, dessen Zwischenflächen 14 und 21 die Spiegel bilden, einen geringen Qualitätsfaktor haben, so daß erheblich weniger Laserwirkung in diesem Resonator auftritt als in dem Resonator von Fig. 3a. Ein mit einem solchen MMI-Koppler versehener Ringlaser wird daher ein Spektrum aufweisen, das hauptsächlich die gewünschte Spektralkomponente des Laserringes umfaßt. Im wesentlichen wird die Herstellung eines solchen Ringlasers in dem genannten Beitrag "Design and fabrication of integrated InGaAsP ring lasers with MMI outcouplers" beschrieben, wo erfindungsgemaß zwei Anti-Reflexionsbeschichtungen hinzugefügt werden müssen.
• Das Aufbringen dieser Schichten ist nur eine geringe Ergänzung des Herstellungsprozesses für das MMI-Bauelement. Die Beschichtungen können beispielsweise das Material SiOX oder HfOX umfassen, mit einer Dicke von einer viertel Wellenlänge. Es ist auch möglich, eine Mehrschichtbeschichtung auf jeder Zwischenfläche aufzubringen. Das Aufbringen der Schichten wird vereinfacht, wenn diese nicht nur an den Enden, sondern auf der gesamten Struktur des MMI-Wellenleiters aufgebracht werden. Die Anti-Reflexionsbeschichtungen an den Längsseiten des Wellenleiters beeinflussen den Betrieb des MMI-Bauelements kaum. Die Anti-Reflexionsbeschichtungen wirken auch als dielektrische Beschichtungen um den Resonator herum, die in einigen Herstellungsprozessen notwendig sind.
• Fig. 4b zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel für den erfindungsgemaßen MMI-Koppler. Die beiden Zwischenflächen 17 und 21 sind mit strahlungsabsorbierenden Schichten 26 bzw. 27 versehen. Diese Schichten beeinflussen die unerwünschte Strahlungsmoden des Wellenleiters 14" in einer Weise, die mit den Anti-Reflexionsbeschichtungen 24 und 25 vergleichbar ist, so daß in dem Koppler erheblich weniger Laserwirkung auftritt. Die Absorptionsschichten können beispielsweise eine Schicht aus laseraktivierbarem Material umfassen, das nicht gepumpt wird.
• Fig. 4c und 4d zeigen ein drittes und ein viertes Ausführungsbeispiel für den erfindungsgemaßen MMI-Koppler. Die beiden Zwischenflächen 17' und 21' in Fig. 4c werden bezüglich der Längsachse 23 des Wellenleiters 14'" schräg angeordnet. Wenn die Zwischenfläche 17' von den unerwünschten Strahlungsmoden nicht auf die Zwischenfläche 21' abgebildet wird, erfüllt der von dem Wellenleiter zwischen den Flächen gebildete Resonator die Resonanzkriterien nicht mehr, und in dem Wellenleiter wird wenig Laserwirkung auftreten. Das gleiche gilt, wenn die Zwischenflächen aus zwei Flächen 27, 28 und 29, 30 bestehen, die zusammen ein Dach bilden, wie es in Fig. 4d gezeigt wird. Diese Dächer, wie sie in Fig. 4d gezeigt werden, können einfacher hergestellt werden als die bekannten ebenen Zwischenflächen 17, 21, wie sie in Fig. 3a gezeigt werden. In den in den Figuren 4c und 4d gezeigten Ausführungsbeispielen liegen die Normalen der schrägen Flächen in der Zeichenebene. Die Ebenen können jedoch auch so schräg sein, daß ihre Normalen nicht mehr in der Zeichenebene liegen.
• Wenn die Flächen 17', 21', 27-30 genügend schräg sind, werden unerwünschte Strahlungsmoden abgeschwächt, weil die auf die Flächen einfallende Strahlung in einer Richtung reflektiert wird, in der keine geführten Moden des MMI-Wellenleiters generiert werden können. Die Reflexion der Enden kann auch verringert werden, indem die nicht von Fenstern eingenommenen Teile der Enden des MMI-Wellenleiters aufgerauht werden, so daß keinerlei spiegelnde Reflexion mehr auftritt.
• Alle anhand von Fig. 4 beschriebenen Ausführungsbeispiele für den MMI- Koppier haben in dem Wellenleiter 14 ein laseraktives Medium. Die Erfindung kann jedoch auch in einem MMI-Koppler, in dem kein laseraktives Medium in dem Wellenleiter vorhanden ist, mit großem Vorteil verwendet werden. In diesem Falle unterdrükken die erfindungsgemäßen reflexionsreduzierenden Mittel diejenigen Reflexionen in dem Wellenleiter, die zu einer unerwünschten Neuverteilung der Strahlung über die Fenster führen können. Nur ein sehr geringer Anteil der dem Eingangsfenster 16 zugeführten Leistung wird von einem MMI-Bauelement, wie in Fig. 3 gezeigt, mit einer Länge und Breite, die genau gleich den Entwurfswerten sind, zu demselben Fenster reflektiert werden. Wenn jedoch infolge von Fertigungstoleranzen die Länge oder Breite beispielsweise um 5% von dem Entwurfswert abweicht, wird die von dem MMI-Bauelement zum Fenster 16 reflektierte Leistung um einen Faktor 100 ansteigen. Mehrere Anwendungen von MMI-Bauelementen erfordern eine außerordentlich niedrige Reflexion in Richtung eines Eingangsfensters, beispielsweise die Anwendung eines MMI- Bauelements als Leistungssummierer und die Verwendung in Kohärenzdetektionsgeräten.
• Ein Beispiel für die zuerst genannte Anwendung ist die Zusammenführung von Strahlungsleistungen aus verschiedenen Lasern. Fig. 5 zeigt ein MMI-Bauelement in Form eines Leistungssummierers 32, der die von zwei Lasern 30, 34 gelieferte Strahlung zusammenführt. Die Leser und der Leistungssummierer können auf einem einzigen Substrat integriert sein. Die Strahlung der Laser wird über zwei Wellenleiter 35, 36 zu den Eingangsfenstern 37, 38 des Leistungssummierers geführt. Der Leistungssummierer hat eine solche Konfiguration, daß sowohl das Eingangsfenster 37 als auch das Eingangsfenster 38 auf ein einziges Ausgangsfenster 39 abgebildet werden. Die Strahlungsleistungen, die den Eingangsfenstern zugeführt werden, werden somit in dem Ausgangsfenster zusammengeführt, von dem aus ein Wellenleiter 40 die Leistungen weiter leitet. Ein kleiner Teil der aus den Eingangsfenstern kommenden Strahlung wird die Oberflächen 41, 42 entlang dem Ausgangsfenster 39 erreichen. Der herkömmliche Leistungssummierer reflektiert diesen Teil der Strahlung zu den Eingangsfenstern, wo ein Teil dieser Strahlung über die Wellenleiter 35, 36 in die Laser 33, 34 zurückgekoppelt wird. Eine solche Rückkopplung von Strahlung hat einen nachteiligen Einfluß auf die Leistung und das Spektrum der Laser. DFB-Laser sind so empfindlich gegenüber Rückkopplung, daß bei Verwendung herkömmlicher Leistungssummierer ein doppelter Isolator mit mehr als 60 dB Isolation zwischen jedem Laser und dem Leistungssummierer angeordnet werden sollte. Die Rückkopplungsstärke wird erheblich verringert, wenn der Leistungssummierer 32 erfindungsgemaß abgewandelt wird, das heißt wenn die Oberflächen 41, 42 und 43 des Summierers anti-reflektierend oder absorbierend gemacht werden oder schräg angeordnet oder als Dach ausgeführt werden.
• Obwohl die Erfindung anhand von MMI-Bauelementen mit zwei Enden erläutert worden ist, wird deutlich sein, daß die Mittel zum Reduzieren von Reflexion in einem MMI-Koppler, wie in Fig. 4 gezeigt, in allen Typen von MMI-Bauelementen verwendet werden können, die eins, zwei oder mehrere Enden haben. Dies schließt Richtkoppler, 90º-Hybride, NxN-Leistungsteiler, Sternkoppler, auf einem Mach-Zehnder-Interferometer beruhende NxN-Schalter, Multiplexer und Demultiplexer ein.

Claims (6)

1. Mehrmoden-Abbildungsbauelement (3, 32) zum Aufteilen oder Koppeln von Laserstrahlung, mit einem Wellenleiter (14; 14'; 14"; 14 '"), der ein Ende hat, das zumindest mit einem Fenster (16, 18, 20, 22, 37, 38, 39) zum Durchlassen von Laserstrahlung in den oder aus dem Wellenleiter versehen ist, wobei das genannte Ende auch einen Teil (17, 21; 27, 28, 29, 30; 41, 42, 43) hat, der nicht von dem genannten zumindest einen Fenster eingenommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte, nicht von dem genannten zumindest einen Fenster eingenommene Teil (17, 21; 17', 21'; 27, 28, 29, 30; 41, 42, 43) des Endes mit Mitteln (24, 25; 26, 27) zum Reduzieren von Reflexion von Laserstrahlung in Richtung der Längsachse des Wellenleiters versehen ist.

2. Mehrmoden-Abbildungsbauelement (3, 32) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Mittel eine Anti-Reflexionsbeschichtung umfassen.

3. Mehrmoden-Abbildungsbauelement (3, 32) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Mittel eine Absorptionsbeschichtung umfassen.

4. Mehrmoden-Abbildungsbauelement (3, 32) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der nicht von dem genannten zumindest einen Fenster eingenommene Teil (17, 21; 17', 21'; 27, 28, 29, 30; 41, 42, 43) des Endes bezüglich der Längsachse schräg angeordnet ist.

5. Mehrmoden-Abbildungsbauelement (3, 32) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Raum des Wellenleiters (14; 14'; 14"; 14'") ein laseraktives Medium umfaßt.

6. Ringlaser mit einem Mehrmoden-Abbildungsbauelement (3, 32) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.