"Vertikalemittierende Oberflächenlaser hoher Leistung, monomodig und stabilisiert" im Verbund Qyro

Abstract

Das Projekt Qyro erforscht die Grundlagen eines Kernspingyroskops zum Einsatz in Satelliten einschließlich einer Demonstration im Weltraum. Die Anregung und Auslese der quantenmechanischen Zustände erfolgt dabei durch oberflächenemittierende Laser mit einer vertikalen Kavität (VCSEL). Der Projektpartner TRUMPF Photonic Components hat dafür neuartige VCSEL bei der geforderten Wellenlänge von 795nm erstellt. Die Skalierung der monomodigen Leistung auf die geforderten 2mW für die Auslese und 10mW für die Anregung überschreitet deutlich die bisherigen Grenzen und wurde durch die Anwendung neuartiger, konstruktiver Maßnahmen erreicht. Die Stabilisierung einer ausgewählten Mode und des Polarisationszustandes wurde durch ein in die Auskoppelfacette integriertes Relief mit einer Gitterstruktur im Subwellenlängenbereich erreicht. Die Integration in den Herstellungsprozess beinhaltet die Passivierung der Halbleiterstruktur durch dielektrische Schutzschichten zum Schutz vor äußeren Einflüssen. Die für die Auslese erforderliche Ausgangsleistung von 2mW kann durch einen VCSEL in der Grundmode erreicht werden. Die für die Anregung geforderten 10mW sind in der begrenzten Fläche der Grundmode nicht darstellbar. Daher wurde der neuartige Ansatz mit einer höheren Mode gewählt, die durch ein spezielles Relief stabilisiert wird. Konkret wurde eine in einer Richtung linear ausgedehnte Mode mit 8 Maxima durch ein angepasstes Relief mit Gitterstruktur bevorzugt. Bei der geforderten Leistung schwingt nur diese Mode an, während andere Moden mit z.B. 7 oder 9 Maxima unterdrückt werden. Des Weiteren wurde der VCSEL mit einer dielektrischen Struktur zur Phasenkorrektur versehen. Dadurch gelang es, die abgestrahlte Leistung entlang der optischen Achse, senkrecht zur Chipoberfläche zu emittieren. Im Gegensatz zur genuinen Emission der Mode höherer Ordnung mit zwei separaten Maxima außerhalb der optischen Achse ermöglicht das neue Konzept die einfache Nutzung der optischen Leistung im Gyroskop ohne zusätzliche, komplexe optische Systeme. Damit stehen sowohl für die Auslese als auch die Pumpquelle einfache Oberflächenemitter zur Verfügung. Dies vereinfacht den Aufbau und senkt die Kosten für ein Gyroskop. Im Rahmen des Projekts wurde gezeigt, dass die geforderte Lebensdauer von 4500h im Dauerbetrieb deutlich überschritten wird. Tatsächlich zeigen die in mehreren Iterationen verbesserten Bauelemente eine so geringe Degradation, dass in Lebensdauertests noch keine Grenze der Lebensdauer ableitbar ist, sondern lediglich eine Untergrenze von >12000h angegeben werden kann. Als Möglichkeit zur weiteren Erhöhung der Leistung wurden mehrere, vertikal gestapelte Aktivschichten untersucht und erfolgreich eingesetzt. Die besonderen Herausforderungen der relativ kurzen Wellenlänge von 795nm bedingen die Verwendung aluminiumhaltiger Schichten und damit einhergehender Verluste. Diese konnten so weit reduziert werden, dass auch im geforderten, kontinuierlichen Betrieb eine Verbesserung der maximalen Leistung erzielt wurde. Für den Einsatz im Gyroskop werden höhere Leistungen nicht benötigt und diese Technologie kam nicht zum Einsatz. Andere Anwendungen, insbesondere im gepulsten Betrieb, können aber in Zukunft von den erzielten Fortschritten profitieren. Durch die Erfolge des Qyro Projekts stehen damit VCSEL für Kernspingyroskope zur Verfügung. Die Möglichkeit der kostengünstigen Massenproduktion und die Kompaktheit der VCSEL ermöglichen in Zukunft den Einsatz solcher Gyroskope auch in alltäglicheren Anwendungen wie z.B. als Lagesensoren für autonome Fahrzeuge.