Fabrication and Characterization of Monocrystalline Sesquioxide Waveguide Lasers

Abstract

The development of integrated optical devices based on rare-earth doped sesquioxides is very promising for applications that require lasers with high frequency stability. Thus, the subject of this work is the fabrication of rare-earth doped sesquioxide waveguiding films by pulsed laser deposition (PLD) and their characterization as well as the realization of rib-channel waveguide lasers based on these films.

Nd3+ and Er3+ doped sesquioxide films with thicknesses of 1 to 3 µm were deposited on sapphire as well as sesquioxide substrates. The growth was monitored using reflection high-energy electron diffraction. The structure of the films was characterized by use of X-ray diffraction and atomic force microscopy, and their fluorescence lifetimes as well as their absorption and emission cross-sections were determined.

Highly-textured polycrystalline Sc2O3 and Y2O3 films with surface roughnesses as low as 2 nm and spectroscopic properties similar to those of bulk crystals were fabricated on sapphire substrates. Epitaxial two-dimensional growth up to a film thickness of 3 µm has been realized for lattice matched (Gd,Lu)2O3 films deposited on Y2O3 substrates. The surface structure of these monocrystalline films consists of nearly atomically flat terraces and step edges with typical heights of a single monolayer. The fluorescence lifetimes of the lattice matched (Gd,Lu)2O3 films are comparable to those of correspondingly doped Y2O3 bulk crystals, whereas their emission and absorption spectra are slightly broadened.

Using a newly developed loss-measurement technique, the propagation losses within the waveguiding films have been determined to be between 1.4 dB/cm and 14.8 dB/cm at wavelengths of approximately 800 nm. These relatively high losses can be explained by scattering at parasitic particulates, which typically occur during PLD.

Several films were structured by Ar-ion etching, resulting in 2 to 5 µm wide and 6 to 7 mm long rib-channel waveguides. Gain measurements performed with the 0.6 at.% doped Er:(Gd,Lu)2O3 rib-channel waveguides resulted in signal enhancements up to 5.9 dB/cm at 1536 nm upon in-band pumping at 1480 nm. While room-temperature continuous-wave laser emission at 1.58 µm has been demonstrated for a 0.2 at.% doped Er:Sc2O3 bulk crystal pumped at either 975 nm or 1536 nm, laser experiments performed with the Er3+ doped waveguides have not been successful.

Continuous-wave laser emission at 1075 nm and 1080 nm has however been realized with a monocrystalline Nd(0.5 at.%):(Gd,Lu)2O3 rib-channel waveguide upon pumping at 820 nm. The experiments were performed at room temperature and the waveguide end-facets were directly coated with reflective mirrors, which resulted in an output coupling of about 1 to 2%. A laser threshold of 1 mW and a slope efficiency of 0.5%, each with respect to the incident pump power, have been obtained. For an incident pump power of 410 mW, a maximum output power of 1.8 mW has been achieved. While the laser performance is yet to be improved, laser action has for the first time been demonstrated in a rare-earth doped sesquioxide waveguide.

Die Entwicklung von integriert-optischen Bauelementen aus Seltenerd-dotierten Sesquioxiden ist vielverspechend für Anwendungen, die Laser hoher Frequenzstabilität erfordern. Gegenstand dieser Arbeit ist daher die Herstellung von Seltenerd-dotierten Sesquioxid-Wellenleiterschichten mittels Pulsed Laser Deposition (PLD) und deren Charakterisierung sowie ihre Verwendung für Rippenwellenleiter-Laser.

Nd3+- und Er3+-dotierte Sesquioxidschichten mit Schichtdicken von 1 bis 3 µm wurden sowohl auf Saphir- als auch auf Sesquioxid-Substrate aufgewachsen und das Wachstum mit Reflection High-Energy Electron Diffraction verfolgt. Die hergestellten Schichten wurden mittels Röntgendiffraktometrie und Rasterkraftmikroskopie untersucht. Weiterhin sind ihre Fluoreszenzlebensdauern sowie die Wirkungsquerschnitte für stimulierte Emission und Absorption bestimmt worden.

Auf Saphir-Substraten wurden hochtexturierte polykristalline Sc2O3- und Y2O3-Schichten mit Oberflächenrauigkeiten bis unter 2 nm hergestellt, deren spektroskopische Eigenschaften nahezu identisch mit denen von Volumeneinkristallen sind. Auf Y2O3-Substraten konnte hingegen zweidimensionales epitaktisches Schichtwachstum von gitterangepassten (Gd,Lu)2O3-Schichten realisiert werden. Die Oberflächenstruktur dieser bis zu 3 µm dicken einkristallinen Schichten besteht aus nahezu atomar glatten Terrassen, deren Stufenkanten typischerweise Höhen von nur einer Monolage aufweisen. Während die Fluoreszenzlebensdauern der gitterangepassten Schichten mit denen von entsprechend dotierten Y2O3-Volumeneinkristallen vergleichbar sind, zeigte sich eine leichte Verbreiterung ihrer Emissions- und Absorptionsbanden.

Die Wellenleiterverluste in den hergestellten Schichten wurden mittels einer eigens dafür entwickelten Messmethode bei Wellenlängen um 800 nm bestimmt. Die relativ hohen Verluste von 1,4 dB/cm bis 14,8 dB/cm werden auf Partikel zurückgeführt, die üblicherweise beim PLD-Prozess entstehen.

Mittels Ar-Ionen wurden in einige dieser Schichten 2 bis 5 µm breite und 6 bis 7 mm lange Rippenwellenleiter geätzt. Bei einer Wellenlänge von 1536 nm ist für einen 0,6 at.% dotierten (Gd,Lu)2O3-Streifenwellenleiter eine Signalerhöhung um 5,9 dB/cm durch Pumpen bei 1480 nm gemessen worden. Während mit einem Er(0,2 at.%):Sc2O3-Volumeneinkristall sowohl durch Pumpen bei 975 nm als auch bei 1536 nm Dauerstrichlaser mit Emissionswellenlängen von 1,58 µm realisiert worden sind, waren die Laserexperimente mit den Erbium-dotierten Wellenleitern nicht erfolgreich.

Mit einem einkristallinen Nd(0,5 at.%):(Gd,Lu)2O3 Rippenwellenleiter ist hingegen Lasertätigkeit im Dauerstrichbetrieb erzielt worden. Die Experimente wurden bei Raumtemperatur, mit direktverspiegelten Wellenleiterendflächen und einem Auskoppelgrad von ungefähr 1 bis 2% durchgeführt. Der Laser emittierte bei Wellenlängen von 1075 nm und 1080 nm. Es ergab sich eine Schwellpumpleistung von 1 mW und ein differenzieller Wirkungsgrad von 0,5%, jeweils bezogen auf die eingestrahlte Pumpleistung. Die maximale Ausgangsleistung betrug 1,8 mW bei einer eingestrahlten Pumpleistung von 410 mW. Während die Lasereffizienz noch zu steigern ist, ist hiermit erstmals Lasertätigkeit in einem Seltenerd-dotierten Sesquioxidwellenleiter erzielt worden.