DE10009309B4 - Saturable semiconductor absorber - Google Patents

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Abstract

Sättigbarer Halbleiterabsorber in der Form einer Fabry-Perot Anordnung mit der Frontseite (1) zum Laser mit der Wellenlänge Lambda,
dadurch gekennzeichnet,
a) 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) angeordnet ist, wobei die Fabry-Perot Anordnung bei der Wellenlänge Lambda in Resonanz ist,
b) dass der Bragg-Spiegel (4) mit der vergleichsweise geringen Schichtzahl die Frontseite (1) der Fabry-Perot-Anordnung bildet und der Bragg-Spiegel (5) mit der vergleichsweise großen Schichtzahl die Rückseite (2) der Fabry-Perot Anordnung bildet
c) und dass der Bragg-Spiegel (4) auf der Frontseite (1) mit einer hochbrechenden Lambda-Viertel Schicht (H) abschließt.Saturable semiconductor absorber in the form of a Fabry-Perot arrangement with the front (1) to the laser with the wavelength lambda,
characterized,
a) that a saturable absorber layer (3) with the optical thickness of half a wavelength or an integer multiple thereof between two Bragg mirrors (4, 5) with a significantly different number of low-refractive lambda quarter layers (L) and high-refractive lambda quarter layers ( H) is arranged, the Fabry-Perot arrangement being in resonance at the wavelength lambda,
b) that the Bragg mirror (4) with the comparatively small number of layers forms the front (1) of the Fabry-Perot arrangement and the Bragg mirror (5) with the comparatively large number of layers forms the rear (2) of the Fabry-Perot arrangement forms
c) and that the Bragg mirror (4) on the front (1) ends with a highly refractive lambda quarter layer (H).

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Die Erfindung betrifft einen sättigbaren Halbleiterabsorber nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a saturable Semiconductor absorber according to the preamble of claim 1.

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 Halbleiterabsorber sehr kurze Pulse im Sub-Nanosekundenbereich erzeugen können (Journal of Applied Physics Vol. 85, 1999 Seite 6259). 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.Short laser pulses in modelocking Solid state laser regime are generated for the Frequency conversion of light and for high optical transmission rates important in technology. It has been shown that solid-state lasers through passive modelocking using saturable semiconductor absorbers can generate very short pulses in the sub-nanosecond range (Journal of Applied Physics Vol. 85, 1999 page 6259). Will be expedient plus the saturable one Absorber with the 100% level of the laser resonator in one unit combined. The English term for such components is “semiconductor saturable absorber mirror - SESAM ". With such components can be a very simple overall construction of a pulsed solid-state laser will be realized.

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.Has a saturable absorber an intensity-dependent, non-linear Absorption and - combined with a reflector - too an intensity-dependent, non-linear Reflection. A low radiation intensity from the laser is absorbed, which leads to a low reflection of the overall arrangement. A high radiation intensity saturates the absorption and leads so to an increased Reflection of the arrangement.

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.saturable Semiconductor absorbers can from a homogeneous semiconductor layer with a large defect density exist, which by ion implantation (Applied Physics Letters Vol. 72, 1998, page 759) or by low temperature molecular beam epitaxy (MBE) is realized (Applied Physics Letters Vol. 68, 1996, page 2544). Semiconductor layers are also used, the one or have several quantum wells (QWs) that absorb the light of the laser wavelength and consist of material with a high defect density (Applied Physics Letters Vol. 76, 2000, page 921). When combining the saturable The absorber layer with the reflector mirror of the laser plays the electric field strength in the Absorber layer plays an essential role because of the absorbed energy with the field strength increases. The field strength distribution is in turn due to the interference properties of the combination determined by the absorber layer and the mirror layer system.

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.An arrangement is known ( US 5,627,854 . EP 0 732 613 ), in which the saturable absorber layer in the form of a quantum well (QWs) is built directly into a Bragg reflector mirror. This arrangement has the disadvantage that the electric field strength at the QW is lower than before the Bragg mirror. This leads to a lower saturable absorption. The reason for the lower electrical field strength at the QW is, on the one hand, that the field strength in the Bragg mirror is generally lower than in the outside area in front of the mirror and, on the other hand, that the field strength within the Lambda quarter layer system of the Bragg mirror is precisely on the Layer boundaries between adjacent quarter-wave layers is maximum and not at the position of the QW within a quarter-wave layer.

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.A saturable semiconductor absorber is also known ( US 5,701,327 . EP 0 805 529 ), which consists of a saturable absorber layer (with QW) of optical thickness of half a wavelength or an odd multiple thereof, the absorber layer being applied to a Bragg mirror. This arrangement is cheaper in terms of the electrical field strength at the QW than the arrangement described above, but the field at the QW is at most as large as in the space in front of the arrangement.

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.A saturable semiconductor absorber in the arrangement of an antiresonant Fabry-Perot is also known ( US 5,237,577 . EP 0 541 304 ). With this arrangement, the saturable absorber layer with an optical thickness of lambda quarter or lambda quarter plus a multiple of lambda half is located as a spacer layer in a Fabry-Perot resonant with two Bragg mirrors. With this arrangement, the achievable reflection is very high, but the electric field strength in the saturable absorber layer is significantly lower than in the space in front of the arrangement. This leads to a relatively small effect of the saturable absorption.

Damit ein sätigbarer 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.This means that a semiconductor absorber that can be actuated less powerful solid-state lasers for pulsing through modelocking brings, the saturable Absorption if possible big and the unsaturated ones Losses as possible be small. The unsaturated ones Losses occur due to insufficient reflectivity of the reflector mirror and through optical absorption in the layers of the Bragg mirror. The saturable Absorption is proportional to the field strength in the saturable Absorber layer.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Schichtstruktur eines sätigbaren 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.It is the task of the present Invention, an improved layer structure of a settable Semiconductor absorber for generating short pulses from solid-state lasers to be indicated by modelocking. In addition to a high reflection of the arrangement the saturable Absorption even at low average laser power densities are sufficient to achieve stable pulsing by means of modelocking.

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 anti-resonanten 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.According to the invention, this object is achieved with the features of claim 1. A detailed analysis of the field distribution in Bragg mirrors and Fabry-Perot arrangements shows that there is generally a contrary behavior between the reflection of the arrangement and the field starch exists in the saturable absorber layer. The field strength in a layer of a Bragg mirror is always lower than in the outer space in front of the mirror and the field strength in the spacer layer of an anti-resonant Fabry-Perot arrangement is also significantly lower than in the outer space. On the other hand, both arrangements have good reflection properties at the design wavelength and consequently also low unsaturated losses.

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.The basic idea of the present The invention now consists in using the saturable absorber layer the optical thickness of lambda half as a spacer in one strongly asymmetrical but resonant Fabry-Perot. Because the Fabry-Perot resonates at the laser wavelength is the field strength in the saturable Opposite absorber layer the outside space increases what turn to a strong saturable Absorption leads. However, in response to the resonance of the Fabry-Perot for the Laser operation required high reflection and the associated low non-saturable To ensure losses this must be very asymmetrical. That means that the front, the Laser-facing Bragg mirrors have a much smaller number Lambda quarter layers and therefore less reflection than the rear Bragg mirror facing away from the laser must have.

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.The arrangement according to the invention enables Realization more saturated Semiconductor absorber with large saturable Absorption and low non-saturable Losses. Such saturable Semiconductor absorbers can in the resonator of solid-state lasers instead of the 100% mirror can be built in to short laser pulses to generate through modelocking.

Der erfindungsgemäße Aufbau eines sättigbaren Absorbers soll im folgenden an Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigt dieThe structure of a saturable according to the invention Absorbers will be explained in more detail below using an exemplary embodiment. In the associated Drawing shows the

1 den Querschnitt durch einen sättigbaren Halbleiterabsorber in der Form einer resonanten Fabry-Perot Anordnung für eine Laserwellenlänge von 1,064 μm. 1 the cross section through a saturable semiconductor absorber in the form of a resonant Fabry-Perot arrangement for a laser wavelength of 1.064 microns.

Der sättigbare Halbleiterabsorber besteht aus einem Schichtsystem, das auf einem Halbleitersubstrat 1 aus einem GaAs-Wafer angeordnet ist (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 266nm. 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 l sind nicht alle Schichten dieses Ausführungsbeispiels eingezeichnet.The saturable semiconductor absorber consists of a layer system, which is on a semiconductor substrate 1 is arranged from a GaAs wafer ( 1 ). The layer system forms a strongly asymmetrical, resonant Fabry-Perot, whose spacer layer from the saturable absorber layer 3 is formed. The saturable absorber layer 3 has an optical thickness of half a lambda of the laser wavelength. It consists of a 144.7 nm thick GaAs layer with a QW in the middle of the layer made of In x Ga 1 - x As (x = 0.29) with a thickness of 8.7 nm, which at a low temperature of 300 ° C in an MBE plant. The two resonator mirrors of the Fabry-Perot each consist of layer pairs of the substances GaAs and AlAs, whose refractive index at the laser wavelength is 3.482 and 2.939, respectively. The optical thickness of these layers H, L is each lambda quarter, that is 266nm. The geometrical thickness of the GaAs layers H is accordingly 76.4 nm and that of the AlAs layers L is 90.5 nm. On the substrate 6 is the Bragg mirror 5 with a large number of a total of 29 pairs of AlAs and GaAs lambda quarter layers. It forms the back 2 of the saturable absorber. On the front facing the laser 1 of the saturable semiconductor absorber is the Bragg mirror 4 with a smaller number of three pairs of AlAs and GaAs lambda quarters layers L, H arranged. In addition, there is a high refractive index quarter layer H made of GaAs as the top layer on the Bragg mirror 4 appropriate. In l not all layers of this embodiment are shown.

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.The reflection of this saturable semiconductor absorber is 99.5% at the laser wavelength and is therefore sufficiently large to keep the non-saturable losses sufficiently small. The field strength in the middle of the saturable absorber layer ( 3 ) at the position of the QW is 1.6 times higher than in the space in front of the arrangement. Compared to an anti-resonant Fabry-Perot arrangement, the field strength is about a factor 5 higher. In the arrangement according to the invention, the saturable losses of the arrangement are particularly high and the unsaturated losses are sufficiently small.

11
Frontseitefront
22
Rückseiteback
33
sättigbare Absorberschichtsaturable absorber layer
44
Bragg-Spiegel geringer SchichtzahlBragg mirror low number of shifts
55
Bragg-Spiegel mit großer SchichtzahlBragg mirror with great number of layers
66
Substratsubstratum
LL
optisch niedrigbrechende Lambda-Viertel Schichtoptical low refractive index quarter layer
HH
optisch hochbrechende Lambda-Viertel Schichtoptical high refractive index quarter layer

Claims (3)

Sättigbarer Halbleiterabsorber in der Form einer Fabry-Perot Anordnung mit der Frontseite (1) zum Laser mit der Wellenlänge Lambda, dadurch gekennzeichnet, a) 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) angeordnet ist, wobei die Fabry-Perot Anordnung bei der Wellenlänge Lambda in Resonanz ist, b) dass der Bragg-Spiegel (4) mit der vergleichsweise geringen Schichtzahl die Frontseite (1) der Fabry-Perot-Anordnung bildet und der Bragg-Spiegel (5) mit der vergleichsweise großen Schichtzahl die Rückseite (2) der Fabry-Perot Anordnung bildet c) und dass der Bragg-Spiegel (4) auf der Frontseite (1) mit einer hochbrechenden Lambda-Viertel Schicht (H) abschließt.Saturable semiconductor absorber in the form of a Fabry-Perot arrangement with the front ( 1 ) to the laser with the wavelength lambda, characterized in that a) that a saturable absorber layer ( 3 ) the optical thickness of half a wavelength or an integer multiple thereof between two Bragg mirrors ( 4 . 5 ) with a significantly different number of low refractive index quarter layers (L) and high refractive index quarter layers (H), the Fabry-Perot Arrangement at the wavelength lambda in resonance, b) that the Bragg mirror ( 4 ) with the comparatively small number of layers the front ( 1 ) of the Fabry-Perot arrangement and the Bragg mirror ( 5 ) with the comparatively large number of layers the back ( 2 ) of the Fabry-Perot arrangement forms c) and that the Bragg mirror ( 4 ) on the front ( 1 ) with a high refractive index quarter layer (H). Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der sättigbaren Absorberschicht (3) ein oder mehrere Quantum Wells angeordnet sind, deren Absorptionswellenlänge mit der Wellenlänge Lambda übereinstimmt.Arrangement according to claim 1, characterized in that in the saturable absorber layer ( 3 ) one or more quantum wells are arranged, the absorption wavelength of which corresponds to the wavelength of lambda. 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.Arrangement according to claim 1, characterized in that the lambda quarter layers (L, H) of the two Bragg mirrors ( 4 . 5 ) consist of aluminum arsenide or gallium arsenide and that the saturable absorber layer ( 3 ) consists of gallium arsenide with one or more quantum wells of indium gallium arsenide.
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