SM-VCSEL mit „Polarization Lock“

Die SM-VCSEL Laserdiode hat einen noch im Jahr 2000 in dieser Dimension kaum für möglich gehaltenen kommerziellen Durchbruch erzielt. Dieser ist letztlich Tracking-Anwendungen zu verdanken – d.h. der optischen PC-Maus. Neben den üblichen Vorteilen des VCSEL wie geringer Strombedarf und niedrige Herstellungskosten bei hohen Stückzahlen hängt die Applikation vor allem an der Modensprungfreiheit dieser speziellen Laserdiode. Mit konventionellen Kantenemittern wäre diese Applikation technisch nicht in dieser Form realisierbar gewesen.

Die nächste Generation der Tracking-Systeme fordert eine noch höhere Auflösung. Hier steht die Forderung nach Polarisationssprungfreiheit. Wie äußert sich ein Polarisationssprung, auch „Polflip“ genannt?
Hierzu hilft Abb.1: Dargestellt ist die optische Leistung eines konventionellen SM-VCSELs über die Zeit, wobei der Laserstrahl einen Polarisationsfilter durchläuft. Der Laser wird hierbei gepulst betrieben. Auffällig ist, dass in manchen Pulsen die Leistung plötzlich zusammenbricht. Dies ist einem plötzlichen Wechsel der Polarisation zuzuschreiben, eben einem Polflip. Dieser Effekt ist seit Langem bekannt.

In der Vergangenheit haben Polflips vor allem bei spektroskopischen Sauerstoffmessungen gestört. Hier behalf man sich bisher durch Selektion der VCSEL, da nur ein bestimmter Prozentsatz der Devices den Effekt zeigt. Bei Massen-Anwendungen ist dieser Weg nicht gangbar. Dem Polflip muss per Design der Kampf angesagt werden.

Warum gibt es Polflips bei herkömmlichen SM-VCSEL? Grundsätzlich ist dieser Effekt der hohen Symmetrie im SM-VCSEL geschuldet; der Polarisationszustand ist instabil. In der Konsequenz muss die Symmetrie gebrochen werden. In [1] wurden hierfür zehn mögliche Methoden zusammengetragen.

Gitterstruktur verhindert Polflip
Erfolgreich realisiert wurde das zusätzliche Aufbringen eines  „Subwellenlängengitters“ auf den Auskoppelspiegel (siehe Abb. 2) durch die Wissenschaftler von ULM-Photonics [2].  ULM hat sich für dieses Verfahren entschieden, da so die etablierte Produktionsplattform für SM-VCSEL unverändert bleibt. Physikalisch kann man sich den Mechanismus wie folgt vorstellen: Das Gitter strukturiert die Reflexion des Auskoppelspiegels. Da die laterale Ausdehnung der Polarisationsanteile des optischen Feldes unterschiedlich ist, ist auch die Reflektivität des Auskoppelspiegels für die beiden Polarisationsanteile verschieden und somit die optische Verstärkung. Im Ergebnis kann immer nur ein- und derselbe Polarisationsanteil anschwingen. Dies bedeutet, die Polarisation ist per Design stabilisiert, aber leider noch nicht definiert. Pikanterweise wurde in [1] ausgerechnet dieser Weg für die Massenfertigung als weniger aussichtsreich angesehen.

Derartig polarisationsstabilisierte SM-VCSEL-Laserdioden sind bei 850 nm lieferbar. In der Bauteil-Bezeichnung können sie an dem Kürzel „PL“ für „Polarization Lock“ identifiziert werden.

Neben dem bei SM-VCSELn selbstverständlichen Gauß‘schem Strahlprofil, dem geringen Stromverbrauch, der Polarisations- und Modensprungfreiheit bestechen die Laser der PL-Baureihe auch durch eine Lebensdauer von über 100.000 Betriebsstunden bei einer Betriebstemperatur von 40°C. Daher werden die Bauteile für alle interferometrischen und spektroskopischen Anwendungen sowie alle optischen Systeme mit dielektrischen Spiegeln empfohlen.

Referenz:
[1] F. Monti di Sopra, Optical properties of VCSELs and phase-coupled VCSEL arrays, Osnabrück, Der Andere Verlag, 2002, ISBN 3-936231-00-1
[2] M. Grabherr, R. King, R. Jäger, D. Wiedenmann, P. Gerlach, D. Duckeck, C. Wimmer, Volume production of polarization controlled single-mode VCSELs, 2008