GaAs-basierte Phasenmodulatoren bei 780 nm Wellenlänge – eine Alternative zu kristallbasierten Modulatoren
Abb. 1. REM-Querschnitt eines am FBH hergestellten Phasenmodulators,
Abb. 2. Fabry-Perot-Aufbau (re.) und Oszilloskop-Foto (li.) der FP-Messung eines 2 mm Phasenmodulators mit 1 kHz Sägezahn-Signal (0 bis -20 V) zur Modulation. Vπ wird aus der Differenz zwischen zwei Maxima (oder Minima) des detektierten Signals (blau) bestimmt.
Das Interesse an photonischen Schaltungen für die Atomspektroskopie bei einer Wellenlänge von 780 nm ist in den letzten Jahren stark gestiegen. Phasenmodulatoren sind beispielsweise notwendig für die Frequenzmodulationsspektroskopie sowie für die ultra-schnelle Phasensteuerung in optischen Phasenregelkreisen. Chipbasierte Phasenmodulatoren ermöglichen es, Phasensteuerung und Modulation in hybride Lasersyteme und Spektroskopiemodule zu mikrointegrieren. Phasenmodulatoren auf Basis von GaAs/AlGaAs-Doppelheterostrukturen sind dabei besonders interessant, da sie monolithisch mit elektronischen Komponenten integriert werden können.
Der am FBH hergestellte Phasenmodulator bei 780 nm hat eine AlGaAs-Heterostruktur auf einem (001)-GaAs-Substrat. Die vertikale Struktur bildet einen W-Wellenleiter mit sehr geringen optischen Verlusten (1,4 dB/cm), mit dem lange Strukturen hergestellt werden können. Der Rippenwellenleiter ist senkrecht zur [110] kristallographischen Richtung orientiert, was die Verwendung des linearen elektrooptischen (LEO) Effektes ermöglicht.
Abb. 1 zeigt den REM-Querschnitt eines Phasenmodulators. Die epitaktische Schichtstruktur des P-p-n-N-Wellenleiters wurde auf einem 3-Zoll-(001)-n-GaAs-Substrat mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie (MOVPE) aufgewachsen. Als n-und p-Typ-Dotierstoffe kamen Si und C zum Einsatz. Al0,35Ga0,65As wurde für den Wellenleiterkern ausgewählt, so dass die Bandlücke von 1,90 eV ausreichend größer als die Photonenenergie von 1,59 eV ist. Der Rippenwellenleiter ist durch reaktives Ionenätzen (RIE) definiert und mit einer 100 nm dicken SiNx-Schicht eingekapselt. Die Isolationsschicht wurde auf der Oberseite des Wellenleiters selektiv zur lateralen Ladungsträgerbegrenzung geöffnet. Ti/Pt/Au-Schichten wurden auf den p- Kontakt abgeschieden. Vor Prozessierung der n-Metallisierung wurde der Wafer auf 150 µm abgedünnt.
Die Modulationseffizienz wurde mithilfe der Fabry-Perot (FP)-Interferenz Methode (siehe Abb. 2) mit 16°/(V ∙ mm) bestimmt. Die gesamte Modulator-Kapazität beträgt 250 pF bei 0 V. Sie begrenzt die direkte Modulation mit einer 50 Ω-Quelle auf 13 MHz. Indem Polymer-Benzocyclobuten (BCB) statt SiNx in der Passierungsschicht zum Einsatz kommt, soll es künftig möglich sein, die Modulator-Kapazität um bis zu zwei Größenordnungen zu reduzieren. Damit wären GaAs/AlGaAs-basierte Phasenmodulatoren bis zu Frequenzen über 1 GHz direkt modulierbar. Dies zeigt, dass GaAs/AlGaAs-basierte Phasenmodulatoren eine kompakte und robuste Alternative zu kristallbasierten Modulatoren bieten können.
Publikation:
B. Arar, H. Wenzel, R. Güther, O. Brox, A. Maaßdorf, A. Wicht, G. Erbert, M. Weyers, G. Tränkle, H.N.J. Fernando, A. Peters, "Double-heterostructure ridge-waveguide GaAs/AlGaAs phase modulator for 780 nm lasers", Appl. Phys. B, vol. 116, no. 1, pp. 175-181 (2014).
FBH-Forschung: 28.01.2014