DE10009309A1 - Sättigbarer Halbleiterabsorber - Google Patents
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Abstract
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung für einen sättigbaren Halbleiterabsorber anzugeben, dessen sättigbaren Verluste groß und dessen nicht sättigbaren Verluste klein sind. DOLLAR A Der erfindungsgemäße sättigbare Halbleiterabsorber besitzt die Form einer Fabry-Perot Anordnung für einen Laser mit der Wellenlänge Lambda. Eine sättigbare Absobierschicht (3) der optischen Dicke einer halben Wellenlänge oder eines ganzzahligen Vielfachen davon ist zwischen zwei Bragg-Spiegeln (4, 5) mit wesentlich unterschiedlicher Anzahl von Lambda-Viertel Schichten (L, H) so angeordnet ist, dass die Fabry-Perot Anordnung in Resonanz ist. Der Bragg-Spiegel (4) mit der geringen Schichtzahl bildet die Frontseite (1) der Fabry-Perot Anordnung und der Bragg-Spiegel (5) mit der großen Schichtzahl die Rückseite (2) der Fabry-Perot Anordnung. Der Bragg-Spiegel (4) auf der Frontseite (1) schließt mit einer hochbrechenden Lambda-Viertel Schicht (H) ab. DOLLAR A Der erfindungsgemäße sättigbare Halbleiterabsorber kann als intensitätsabhängiger Reflektor in Lasern mit modelocking Regime zur Erzeugung kurzer Pulse eingesetzt werden.
Description
Die Erfindung betrifft einen sättigbaren Halbleiterabsorber, der als
intensitätsabhängiger Reflektor in Lasern mit modelocking Regime zur Erzeugung
kurzer Pulse eingesetzt werden kann.
Kurze Laserpulse, die im modelocking Regime eines Festkörperlasers erzeugt
werden, sind für die Frequenzkonversion von Licht und für hohe optische
Übertragungsraten in der Technik von Bedeutung. Es hat sich gezeigt, dass
Festkörperlaser durch passives modelocking mittels sättigbarer Halbleiteransorber
sehr kurze Pulse im Sub-Nanosekundenbereich erzeugen können (Journal of
Applied Physics Vol. 85, 1998, Seite 6272). Zweckmäßig wird dazu der sättigbare
Absorber mit dem 100%-Spiegel des Laseresonators zu einer Einheit kombiniert.
Die englische Bezeichnung solcher Bauelemente ist "semiconductor saturable
absorber mirror - SESAM". Mit solchen Bauelementen kann ein sehr einfacher
Gesamtaufbau eines gepulsten Festkörperlasers realisiert werden.
Ein sättigbarer Absorber besitzt eine intensitätsabhängige, nichtlineare Absorption
und - kombiniert mit einem Reflektor - auch eine intensitätsabhängige,
nichtlineare Reflexion. Eine geringe Strahlungsintensität des Lasers wird
absorbiert, was zu einer geringen Reflexion der Gesamtanordnung führt. Eine hohe
Strahlungsintensität sättigt die Absorption und führt so zu einer erhöhten Reflexion
der Anordnung.
Sättigbare Halbleiterabsorber können aus einer homogenen Halbleiterschicht mit
einer großen Defektdichte bestehen, die durch Ionenimplantation (Applied Physics
Letters Vol. 72, 1998, Seite 759) oder durch Niedrigtemperatur-
Molekularstrahlepitaxie (MBE) realisiert wird (Applied Physics Letters Vol. 68,
1996, Seite 2544). Es werden auch Halbleiterschichten verwendet, die ein oder
mehrere Quantum Wells (QWs) besitzen, welche das Licht der Laserwellenlänge
absorbieren und aus Material mit einer hohen Defektdichte bestehen (Applied
Physics Letters Vol. 76, 2000, Seite 921). Bei der Kombination der sättigbaren
Absorberschicht mit dem Reflektorspiegel des Lasers spielt die elektrische
Feldstärke in der Absorberschicht eine wesentliche Rolle, weil die absorbierte
Energie mit der Feldstärke anwächst. Die Feldstärkeverteilung wird wiederum
durch die Interferenzeigenschaften der Kombination von Absorberschicht und dem
Spiegelschichtsystem bestimmt.
Bekannt ist eine Anordnung (US 5 627 854, EP 0 732 613), bei der die sättigbare
Absorberschicht in der Form eines Quantum Wells (QWs) direkt in einen Bragg-
Reflektorspiegel eingebaut ist. Diese Anordnung besitzt den Nachteil, dass die
elektrische Feldstärke am QW geringer ist als vor dem Bragg-Spiegel. Dies führt
zu einer geringeren sättigbaren Absorption. Die Ursache für die geringere
elektrische Feldstärke am QW liegt einerseits darin, dass generell die Feldstärke
im Bragg-Spiegel geringer ist als im Außenraum vor dem Spiegel und andererseits
darin, dass die Feldstärke innerhalb des Lambda-Viertel-Schichtsystems des
Bragg-Spiegels gerade an den Schichtgrenzen zwischen benachbarten Lambda-
Viertel-Schichten maximal ist und nicht an der Position des QWs innerhalb einer
Lambda-Viertel-Schicht.
Weiterhin ist ein sättigbarer Halbleiterabsorber bekannt (US 5 701 327, EP 0 805 529),
der aus einer sättigbaren Absorberschicht (mit QW) der optischen Dicke
einer halben Wellenlänge oder einem ungeraden Vielfachen davon besteht, wobei
die Absorberschicht auf einem Bragg-Spiegel aufgebracht ist. Diese Anordnung ist
bezüglich der elektrischen Feldstärke am QW günstiger als die oben beschriebene
Anordnung, jedoch ist das Feld am QW maximal ebenso groß wie im Raum vor
der Anordnung.
Es ist auch ein sättigbarer Halbleiterabsorber in der Anordnung eines
antiresonanten Fabry-Perots bekannt (US 5 237 577, EP 0 541 304). Bei dieser
Anordnung befindet sich die sättigbare Absorberschicht mit einer optischen Dicke
von Lambda-Viertel oder Lambda-Viertel plus einem Vielfachen von Lambda-
Halbe als Abstandsschicht in einem Fabry-Perot Resonantor mit zwei Bragg-
Spiegeln. Bei dieser Anordnung ist zwar die erreichbare Reflexion sehr hoch,
jedoch ist die elektrische Feldstärke in der sättigbaren Absorberschicht wesentlich
geringer als im Raum vor der Anordnung. Das führt zu einem verhältnismäßig
geringen Effekt der sättigbaren Absorption.
Damit ein sättigbarer Halbleiterabsorber auch weniger leistungsstarke
Festkörperlaser zum Pulsen durch modelocking bringt, muss die sättigbare
Absorption möglichst groß und die nicht sättigbaren Verluste möglichst gering
sein. Die nicht sättigbaren Verluste entstehen durch zu geringe Reflektivität des
Reflektorspiegels und durch optische Absorption in den Schichten des Bragg-
Spiegels. Die sättigbare Absorption ist proportional zur Feldstärke in der
sättigbaren Absorberschicht.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Schichtstruktur
eines sättigbaren Halbleiterabsorbers zum Erzeugen kurzer Pulse von
Festkörperlasern durch modelocking anzugeben. Neben einer hohen Reflexion der
Anordnung soll die sättigbare Absorption bereits bei geringen mittleren
Laserleistungsdichten ausreichen, um ein stabiles Pulsen mittels modelocking zu
erreichen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Bei einer detaillierten Analyse der Feldverteilung in Bragg-Spiegeln und Fabry-
Perot-Anordnungen kann man feststellen, dass generell ein gegenläufiges
Verhalten zwischen der Reflexion der Anordnung und der Feldstärke in der
sättigbaren Absorberschicht existiert. So ist die Feldstärke in einer Schicht eines
Bragg-Spiegels immer geringer als im Außenraum vor dem Spiegel und die
Feldstärke in der Abstandsschicht einer antiresonanten Fabry-Perot-Anordnung ist
ebenfalls wesentlich geringer als im Außenraum. Andererseits besitzen beide
Anordnungen gute Reflexionseigenschaften bei der Designwellenlänge und
demzufolge auch geringe nichtsättigbare Verluste.
Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, die sättigbare
Absorberschicht mit der optischen Dicke von Lambda-Halbe als Abstandsschicht
in ein stark unsymmetrisches, aber resonantes Fabry-Perot einzusetzen. Dadurch,
dass das Fabry-Perot bei der Laserwellenlänge in Resonanz ist, ist die Feldstärke in
der sättigbaren Absorberschicht gegenüber dem Außenraum erhöht, was wiederum
zu einer starken sättigbaren Absorption führt. Um jedoch bei Resonanz des Fabry-
Perots die für den Laserbetrieb erforderliche hohe Reflexion und die damit
verbundenen geringen nicht sättigbaren Verluste zu gewährleisten, muss dieses
stark unsymmetrisch sein. Das bedeutet, dass der vordere, dem Laser zugewandte
Bragg-Spiegel eine wesentlich geringere Zahl von Lambda-Viertel-Schichten und
damit auch eine geringere Reflexion als der hintere, dem Laser abgewandte Bragg-
Spiegel besitzen muss.
Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht die Realisierung sättigbarer
Halbleiterabsorber mit großer sättigbarer Absorption und geringen nicht
sättigbaren Verlusten. Solche sättigbaren Halbleiterabsorber können in den
Resonator von Festkörperlasern anstelle des 100% Spiegels eingebaut werden, um
kurze Laserpulse durch modelocking zu erzeugen.
Der erfindungsgemäße Aufbau eines sättigbaren Absorbers soll im folgenden an
Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. In der zugehörigen
Zeichnung zeigt die
Fig. 1 den Querschnitt durch einen sättigbaren Halbleiterabsorber in der Form
einer resonanten Fabry-Perot Anordnung für eine Laserwellenlänge von
1,064 µm.
Der sättigbare Halbleiterabsorber besteht aus einem Schichtsystem, das auf einem
Halbleitersubstrat 1 aus einem GaAs-Wafer angeordnet ist (Fig. 1). Das
Schichtsystem bildet ein stark unsymmetrisches, resonantes Fabry-Perot, dessen
Abstandsschicht von der sättigbaren Absorberschicht 3 gebildet wird. Die
sättigbare Absorberschicht 3 besitzt eine optische Dicke von Lambda-Halbe der
Laserwellenlänge. Sie besteht aus einer 144,7 nm dicken GaAs-Schicht mit einem
in der Mitte der Schicht angeordneten QW aus InXGa1-XAs (x = 0,29) der Dicke
von 8,7 nm, das bei niedriger Temperatur von 300°C in einer MBE-Anlage
gewachsen wurde. Die beiden Resonatorspiegel des Fabry-Perots bestehen jeweils
aus Schichtpaaren der Substanzen GaAs und AlAs, deren Brechungsindex bei der
Laserwellenlänge 3,482 beziehungsweise 2,939 beträgt. Die optische Dicke dieser
Schichten H, L beträgt jeweils Lambda-Viertel, also 266 nm. Die geometrische
Dicke der GaAs-Schichten H beträgt demzufolge jeweils 76,4 nm und die der
AlAs-Schichten L beträgt 90,5 nm. Auf dem Substrat 6 befindet sich der Bragg-
Spiegel 5 mit einer großen Zahl von insgesamt 29 Paaren aus AlAs- und GaAs-
Lambda-Viertel Schichten. Er bildet die Rückseite 2 des sättigbaren Absorbers.
Auf der dem Laser zugewandten Frontseite 1 des sättigbaren Halbleiterabsorbers
ist der Bragg-Spiegel 4 mit einer geringeren Zahl von insgesamt drei Paaren von
AlAs- und GaAs-Lambda-Viertel Schichten L, H angeordnet. Zusätzlich ist noch
eine hochbrechende Lambda-Viertel Schicht H aus GaAs als oberste Schicht auf
dem Bragg-Spiegel 4 angebracht. In Fig. 1 sind nicht alle Schichten dieses
Ausführungsbeispiels eingezeichnet.
Die Reflexion dieses sättigbaren Halbleiterabsorbers beträgt bei der
Laserwellenlänge 99,5% und ist damit hinreichend groß, um die nicht-sättigbaren
Verluste genügend klein zu halten. Die Feldstärke in der Mitte der sättigbaren
Absorberschicht (3) an der Position des QWs ist um den Faktor 1,6 höher als im
Raum vor der Anordnung. Im Vergleich zu einer antiresonanten Fabry-Perot
Anordung ist die Feldstärke etwa um einen Faktor 5 höher. Damit sind bei der
erfindungsgemäßen Anordnung die sättigbaren Verluste der Anordnung besonders
hoch und die nichtsättigbaren Verluste hinreichend klein.
1
Frontseite
2
Rückseite
3
sättigbare Absorberschicht
4
Bragg-Spiegel geringer Schichtzahl
5
Bragg-Spiegel mit großer Schichtzahl
6
Substrat
L optisch niedrigbrechende Lambda-Viertel Schicht
H optisch hochbrechende Lambda-Viertel Schicht
L optisch niedrigbrechende Lambda-Viertel Schicht
H optisch hochbrechende Lambda-Viertel Schicht
Claims (3)
1. Sättigbarer Halbleiterabsorber in der Form einer Fabry-Perot Anordnung mit
der Frontseite (1) zum Laser mit der Wellenlänge Lambda,
dadurch gekennzeichnet,
- - dass eine sättigbare Absorberschicht (3) der optischen Dicke einer halben Wellenlänge oder eines ganzzahligen Vielfachen davon zwischen zwei Bragg-Spiegeln (4, 5) mit wesentlich unterschiedlicher Anzahl von niedrigbrechenden Lambda-Viertel Schichten (L) und hochbrechenden Lambda-Viertel Schichten (H) so angeordnet ist, dass die Fabry-Perot Anordnung in Resonanz ist,
- - dass der Bragg-Spiegel (4) mit der geringen Schichtzahl die Frontseite (1) der Fabry-Perot-Anordnung bildet und der Bragg- Spiegel (5) mit der großen Schichtzahl die Rückseite (2) der Fabry- Perot Anordnung bildet
- - und dass der Bragg-Spiegel (4) auf der Frontseite (1) mit einer hochbrechenden Lambda-Viertel Schicht (H) abschließt.
2. Anordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass in der sättigbaren Absorberschicht (3) ein oder mehrere Quantum Wells
angeordnet sind, deren Absorptionswellenlänge mit der
Resonanzwellenlänge der Fabry-Perot-Anordnung übereinstimmt.
3. Anordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Lambda-Viertel Schichten (L, H) der beiden Bragg-Spiegel (4, 5) aus
Aluminiumarsenid beziehungsweise Galliumarsenid bestehen und dass die
sättigbare Absorberschicht (3) aus Galliumarsenid mit einem oder mehreren
Quantum Wells aus Indium-Galliumarsenid besteht.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE10009309A DE10009309B4 (de) | 2000-02-26 | 2000-02-26 | Sättigbarer Halbleiterabsorber |
Applications Claiming Priority (1)
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Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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DE10009309B4 DE10009309B4 (de) | 2004-05-19 |
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Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE10009309A Expired - Lifetime DE10009309B4 (de) | 2000-02-26 | 2000-02-26 | Sättigbarer Halbleiterabsorber |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE10009309B4 (de) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2006120301A1 (en) * | 2005-05-10 | 2006-11-16 | Reflekron Oy | A mode-locked fiber laser |
DE102008013925B3 (de) * | 2008-03-12 | 2009-05-07 | Batop Gmbh | Sättigbarer Absorberspiegel mit einem Luftspalt |
Family Cites Families (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5237577A (en) * | 1991-11-06 | 1993-08-17 | At&T Bell Laboratories | Monolithically integrated fabry-perot saturable absorber |
-
2000
- 2000-02-26 DE DE10009309A patent/DE10009309B4/de not_active Expired - Lifetime
Cited By (2)
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WO2006120301A1 (en) * | 2005-05-10 | 2006-11-16 | Reflekron Oy | A mode-locked fiber laser |
DE102008013925B3 (de) * | 2008-03-12 | 2009-05-07 | Batop Gmbh | Sättigbarer Absorberspiegel mit einem Luftspalt |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE10009309B4 (de) | 2004-05-19 |
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