Laser mit der Fähigkeit gleichzeitig auf zwei Wellenlängen zu emittieren sind in verschiedenen Anwendungen, ausgehend von der Datenkommunikation über das Gebiet der THz Generierung bis hin zu optischen Messeinrichtungen äußerst attraktiv, ihre Herstellung erweist sich jedoch als schwierig. Aktuelle Lösungen lassen sich in zwei Gruppen unterteilen. Einerseits kann externes triggern verwendet werden, um einen multi-modalen Laser auf nur zwei Wellenlängen emittieren zu lassen. Diese Lösungen sind äußerst vielseitig und flexibel, benötigen jedoch in der Regel ausreichend Platz und resultieren in komplexen Aufbauten. Andererseits scheinen Laserstrukturen mit intrinsischer Wellenlängenselektion robuster zu sein, jedoch mangelt es ihnen an externer Kontrolle und Flexibilität, da sie nicht feinabgestimmt werden können. In dieser Doktorarbeit wird eine einfache Methode zur Steuerung der Ausgangsleistung von Lasern mit zwei Wellenlängen vorgeschlagen, implementiert sowie experimentell demonstriert. Dabei wird eine kompakte externe Kavität verwendet, die monolithisch mit dem Laser integriert werden kann.

Dieser neue Ansatz basiert auf dem Fabry-Perot-Effekt einer phasen-gesteuerten externen Rückkopplung. Resonante Moden werden durch die externe Kavität bevorzugt, während die anti-resonanten Moden erhöhte Verluste erleiden. Die Phasensteuerung ermöglicht dann die Auswahl der resonanten Moden. Durch justieren der Kavitätslänge kann sichergestellt werden, dass die zwei von dem Laser emittierten Wellenlängen nach einem Durchlauf der externen Kavität phasenverschoben sind und entweder die eine oder die andere Wellenlänge bei Bedarf selektiv bevorzugt oder unterdrückt werden kann.

Um die Machbarkeit und Relevanz des Ansatzes zu demonstrieren, werden zunächst Laser mit zwei Wellenlängen auf einem optischen integrierten Schaltkreis unter Verwendung einer generischen Plattform entworfen und implementiert. Die vorgeschlagene Steuerungsmethode hat den Vorteil besonders kompakt zu sein, um auch Kompaktheit für die Laser zu erreichen, werden Bragg-Reflektoren als wellenlängenselektive Elemente genutzt. Verschiedene Laser wurden unter der Verwendung dieser Reflektoren entwickelt, die entweder sequentiell oder parallel angeordnet sind, um eine Emission auf zwei Wellenlängen in Kombination mit einem Breitbandreflektor oder einem dritten Bragg-Reflektor zu erzielen. Diese Laser wurden dann mit individuell angepassten externen Kavitäten gekoppelt, einschließlich eines elektrooptischen Phasenmodulators und eines optischen Halbleiterverstärkers, um sowohl die Rückkopplungsstärke als auch die Rückkopplungsphase zu steuern.

Nach einer detaillierten Charakterisierung der Laser und insbesondere einer Bestätigung, dass diese tatsächlich auf zwei unterschiedlichen Wellenlängen emittieren, wurde der Effekt der phasengesteuerten optischen Rückkopplung auf die Laseremission untersucht. Auf diese Weise konnte die vorgeschlagene Methode in unterschiedlichen Lasern experimentell demonstriert werden, um eine vollständige Unterdrückung der Wellenlängen mit Unterdrückungsverhältnissen von bis zu 50 dB zu erreichen. Trotz unterschiedlicher Leistungen der verschiedenen Laser war das Schalten gegenüber den meisten experimentellen Variablen robust. Darüber hinaus konnten Schaltzeiten von unter 4 ns demonstriert werden, die größtenteils durch die eigene Reaktionszeit des Phasenmodulators begrenzt zu sein scheinen und die möglicherweise unter die Nanosekunden-Zeitskala reduziert werden könnten, was ihn zu einer der schnellsten derzeit verfügbaren Schalttechniken macht. Als nächstes wurden die Einschränkungen sowohl des Zweiwellenlängenlasers als auch der Steuerungsmethode untersucht. Dank einer Vielzahl von Messungen, die an mehreren optischen integrierten Schaltkreisen und Lasern durchgeführt wurden, sowie einer theoretischen Untersuchung des Parameterraums, konnten unterschiedliche Aspekte für weitere Optimierungen identifiziert werden. Verbesserungen der Bragg-Reflektoren könnten zu einer besseren Abstimmbarkeit der Wellenlängen führen, die die externen Kavität kompensieren könnte, während die Laser- und externe Kavität optimiert werden könnten um eine höhere Ausgangsleistung, ein höheres Unterdrückungsverhältnis für die Seitenmoden und ein kompakteres Design zu erzielen. Zuletzt deuten die aktuellen Ergebnisse darauf hin, dass der Übergang von Lasern mit zwei zu mehreren Wellenlängen (≥ 3) ohne wesentliche konzeptionelle Änderungen in Betracht gezogen werden könnte.

Zusammenfassend wird in dieser Arbeit eine neue Methode zur Steuerung von Lasern mit zwei Wellenlängen durch eine kompakte und effiziente externe Kavität vorgeschlagen, die es ermöglicht die Wellenlängenemission nach Belieben mithilfe eines einzigen Steuerparameters auszugleichen oder umzuschalten: der optischen Rückkopplungsphase.