DE10134825A1 - Photonen-Emitter und Datenübertragungsvorrichtung - Google Patents

Photonen-Emitter und Datenübertragungsvorrichtung

Info

Publication number
DE10134825A1
DE10134825A1 DE10134825A DE10134825A DE10134825A1 DE 10134825 A1 DE10134825 A1 DE 10134825A1 DE 10134825 A DE10134825 A DE 10134825A DE 10134825 A DE10134825 A DE 10134825A DE 10134825 A1 DE10134825 A1 DE 10134825A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
resonator
layer
photon emitter
quantum dot
reflector
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
DE10134825A
Other languages
English (en)
Inventor
Peter Michler
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Infineon Technologies AG
Original Assignee
Infineon Technologies AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Infineon Technologies AG filed Critical Infineon Technologies AG
Priority to DE10134825A priority Critical patent/DE10134825A1/de
Priority to DE50203770T priority patent/DE50203770D1/de
Priority to PCT/DE2002/001895 priority patent/WO2003001636A1/de
Priority to EP02747173A priority patent/EP1399994B1/de
Priority to TW091112363A priority patent/TW560121B/zh
Publication of DE10134825A1 publication Critical patent/DE10134825A1/de
Priority to US10/742,601 priority patent/US7030407B2/en
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/04—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping, e.g. by electron beams
    • H01S5/041—Optical pumping
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/40—Arrangement of two or more semiconductor lasers, not provided for in groups H01S5/02 - H01S5/30
    • H01S5/42—Arrays of surface emitting lasers
    • H01S5/423—Arrays of surface emitting lasers having a vertical cavity
    • H01S5/426—Vertically stacked cavities
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/06—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
    • H01S5/0607—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium by varying physical parameters other than the potential of the electrodes, e.g. by an electric or magnetic field, mechanical deformation, pressure, light, temperature
    • H01S5/0614—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium by varying physical parameters other than the potential of the electrodes, e.g. by an electric or magnetic field, mechanical deformation, pressure, light, temperature controlled by electric field, i.e. whereby an additional electric field is used to tune the bandgap, e.g. using the Stark-effect
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/06—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
    • H01S5/062—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium by varying the potential of the electrodes
    • H01S5/06203—Transistor-type lasers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
    • H01S5/18308—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL] having a special structure for lateral current or light confinement
    • H01S5/18322—Position of the structure
    • H01S5/1833—Position of the structure with more than one structure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
    • H01S5/341—Structures having reduced dimensionality, e.g. quantum wires
    • H01S5/3412—Structures having reduced dimensionality, e.g. quantum wires quantum box or quantum dash

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)

Abstract

Ein zweiter Resonator ist in Emissionsrichtung eines strahlungsemittierenden ersten Resonators derart angeordnet, dass ein in dem zweiten Resonator enthaltener Quantenpunkt von der emittierten Strahlung des ersten Resonators energetisch anregbar ist. Mit einer Steuerungseinheit wird der exzitonische Grundzustand des Quantenpunkts in Resonanz mit einer vorgegebenen Resonatormode des zweiten Resonators gebracht.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Photonen-Emitter eine Datenübertragungsvorrichtung.
  • Ein solcher Photonen-Emitter ist aus [1] bekannt.
  • Bei diesem aus [1] bekannten Bauelement wurde beschrieben, dass bei einer Betriebstemperatur von 50 mK einzelne Photonen mit einer Frequenz von 10 MHz emittiert werden können. Der Photonen-Emitter gemäß [1] ist ein Bauelement, welches einen mesoskopischen Doppelbarrieren-pn-Heteroübergang mit einem Quantenfilm als aktiver Schicht zum Emittieren der Photonen aufweist. Dieser Photonen-Emitter basiert auf dem Prinzip der Coulomb-Blockade für Elektronen und Löcher. Die Coulomb- Blockade verhindert, dass mehr als ein Elektron in den aktiven Quantenfilm tunneln kann. Bei dem Photonen-Emitter gemäß [1] muss die Ladungsenergie eines einzelnen Elektrons größer sein als die thermische Hintergrundenergie. Aus diesem Grund ist die Anwendbarkeit dieses bekannten Bauelements auf sehr tiefe Temperaturen im Bereich von mK beschränkt.
  • Weiterhin ist es aus [2] bekannt, dass ein in einem Halbleiter sich befindender Quantenpunkt in einem Resonator zur Erzeugung einzelner Photonen genutzt werden könnte.
  • In [3] ist experimentell nachgewiesen, dass dies auch bei nicht resonantem, optischem Pumpen des Quantenpunkts, anders ausgedrückt durch ein Anregen des Quantenpunkts durch optisches Pumpen, möglich ist.
  • In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, dass der exzitonische Grundzustand eines Quantenpunkts, welcher durch selbstorganisiertes Wachstum hergestellt wird, nur innerhalb der inhomogenen Linienbreite des Quantenpunktarrays vorhergesagt werden kann. Aus diesem Grund stimmen die exzitonische Grundzustandsenergie eines Quantenpunkts und die Energie der Resonatormode eines Resonators nur zufällig und somit nicht deterministisch vorhersagbar überein.
  • Aus diesem Grund sind die Photonen-Emitter aus [2] oder [3] nicht für die Massenanwendung geeignet.
  • Somit liegt der Erfindung das Problem zugrunde, einen Photonen-Emitter sowie eine Datenübertragungsvorrichtung mit einem Photonen-Emitter anzugeben, welcher für den Einsatz auch bei höheren Temperaturen geeignet ist.
  • Das Problem wird durch den Photonen-Emitter mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch gelöst.
  • Ein Photonen-Emitter weist einen strahlungsemittierenden ersten Resonator auf sowie einen zweiten Resonator, der mindestens einen Quantenpunkt enthält. Der zweite Resonator ist in Emissionsrichtung der von dem ersten Resonator emittierten Strahlung angeordnet derart, dass der Quantenpunkt in dem zweiten Resonator von der emittierten Strahlung energetisch angeregt werden kann. Ferner weist der Photonen-Emitter eine Steuerungseinheit auf, die mit dem zweiten Resonator gekoppelt ist und die derart eingerichtet ist, dass der exzitonische Grundzustand des Quantenpunkts in dem zweiten Resonator derart eingestellt werden kann, dass er in Resonanz mit einer vorgegebenen Resonatormode des zweiten Resonators gebracht werden kann.
  • Die Einstellung erfolgt vorzugsweise unter Verwendung eines elektrischen Feldes, welches mittels der Steuerungseinheit an den zweiten Resonator und somit an den Quantenpunkt bzw. eine Mehrzahl von Quantenpunkten in dem zweiten Resonator angelegt wird.
  • Anschaulich basiert das Verschieben des exzitonischen Grundzustands auf dem sogenannten "Quantum Confined Stark Effect" (QCSE), der anschaulich darin besteht, dass die Grundenergie eines Quantenpunkts mittels Anlegen eines elektrischen Feldes veränderbar ist.
  • Anschaulich kann die Erfindung in einem Einzel-Photonen- Emitter gesehen werden, der zwei Resonatoren aufweist, wobei ein Resonator als optische Pumpe für den zweiten Resonator ausgestaltet ist. In dem zweiten Resonator vorhandene Quantenpunkte können mittels des optischen Pumpens der von dem ersten Resonator emittierten Strahlung angeregt werden, so dass einzelne Photonen von dem zweiten Resonator emittiert werden.
  • Wird genau ein Quantenpunkt der in dem zweiten Resonator vorhandenen Vielzahl von Quantenpunkten in Resonanz mit dem zweiten Resonator gebracht, d. h. wenn der exzitonische Grundzustand genau eines Quantenpunkts in dem zweiten Resonator derart eingestellt wird, dass er in Resonanz mit dem zweiten Resonator ist, wird pro elektrischem Anregungspuls genau ein Photon von dem Photonen-Emitter emittiert, d. h. der Photonen-Emitter stellt in diesem Fall einen insbesondere in der sicheren Datenübertragung sehr vorteilhaft einsetzbaren Einzel-Photonen-Emitter dar.
  • Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
  • Der erste Resonator ist gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ein vertikal emittierendes Laserelement.
  • Ist der erste Resonator ein vertikal emittierendes Laserelement, so ergibt sich für den Photonen-Emitter ein äußerst kompakter und mit Standardprozessen sehr kostengünstig herstellbares Bauelement als Photonen-Emitter.
  • Die Steuerungseinheit ist gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung derart eingerichtet, dass der exzitonische Grundzustand des aktiven Quantenpunkts in dem zweiten Resonator mittels Anlegen eines elektrischen Feldes einstellbar ist.
  • Der erste Resonator und/oder der zweite Resonator können als DBR-Resonatoren (Distributed Bragg Resonator) ausgestaltet sein.
  • Durch diese Weiterbildung der Erfindung ist ein sehr einfacher und kompakter Photonen-Emitter angegeben.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist/sind der erste Resonator und/oder der zweite Resonator als Resonator aus Aluminium-Gallium-Arsenid hergestellt.
  • Der erste Resonator kann folgenden Aufbau haben:
    • - Eine erste Reflektorschicht,
    • - eine auf der ersten Reflektorschicht aufgebrachte erste Begrenzungsschicht,
    • - eine auf der ersten Begrenzungsschicht aufgebrachte aktive Schicht,
    • - eine auf der aktiven Schicht aufgebrachte zweite Begrenzungsschicht, und
    • - eine auf der zweiten Begrenzungsschicht aufgebrachte zweite Reflektorschicht.
  • Die erste Reflektorschicht, die erste Begrenzungsschicht, die zweite Begrenzungsschicht und die zweite Reflektorschicht können aus Aluminium-Gallium-Arsenid hergestellt sein.
  • Die aktive Schicht kann Gallium-Arsenid enthalten.
  • Alternativ können für die aktive Schicht ternäre Halbleiterverbindungen aus Zink-Cadmium-Selenid, Indium- Gallium-Nitrid, Indim-Gallium-Phosphid Verwendung finden.
  • Bei Verwendung von Zink-Cadmium-Selenid als aktiver Schicht kann Zink-Selenid oder eine quaternäre Halbleiterverbindung aus Magnesium-Zink-Schwefel-Selen, bei Indium-Gallium-Nitrid als aktiver Schicht kann Aluminum-Gallium-Nitrid, bei Indim- Gallium-Phosphid als aktiver Schicht kann ein quaternäre Halbleiterverbindung aus Aluminium-Gallium-Indium-Phosphor jeweils als Reflektorschicht verwendet werden.
  • Allgemein kann jede beliebige und geeignete Halbleiterstruktur verwendet werden, die einen entsprechenden für einen Photonen-Emitter geeignete Energiebandverlauf aufweist.
  • Es kann insbesondere jedes beliebige Halbleiterelement, vorzugsweise jede geeignete III-V-Halbleiter-Heterostruktur oder II-VI-Halbleiter-Heterostruktur verwendet werden.
  • Der zweite Resonator kann folgende Struktur aufweisen:
    • - Eine dritte Reflektorschicht,
    • - eine auf der dritten Reflektorschicht aufgebrachte dritte Begrenzungsschicht,
    • - eine auf der dritten Begrenzungsschicht aufgebrachte Quantenpunkt-Schicht mit mindestens einem Quantenpunkt, vorzugsweise mit mehreren Quantenpunkten,
    • - eine auf der Quantenpunkt-Schicht aufgebrachte vierte Begrenzungsschicht, und
    • - eine auf der vierten Begrenzungsschicht aufgebrachte vierte Reflektorschicht.
  • Die dritte Reflektorschicht, die dritte Begrenzungsschicht, die vierte Begrenzungsschicht und die vierte Reflektorschicht können Aluminium-Gallium-Arsenid enthalten, alternativ die gleichen Materialien wie die erste Reflektorschicht, die erste Begrenzungsschicht, die zweite Begrenzungsschicht und die zweite Reflektorschicht des ersten Resonators.
  • Die Quantenpunkt-Schicht kann gemäß dieser Ausgestaltung der Erfindung Indium-Arsenid oder Indium-Gallium-Arsenid enthalten.
  • Alternativ kann die Quantenpunkt-Schicht Cadmium-Selenid oder Zink-Cadmium-Selenid für den Fall aufweisen, dass die Reflektorschichten und die Begrenzungsschichten des zweiten Resonators Zink-Selenid und/oder Zink-Sulfid-Selenid und/oder Zink-Magnesium-Sulfid-Selenid enthalten.
  • Sind die Reflektorschichten und die Begrenzungsschichten des zweiten Resonators aus Aluminium-Gallium-Indium-Phosphid gefertigt, so weist die Quantenpunkt-Schicht vorzugsweise Indium-Phosphid oder Indium-Gallium-Phospid auf.
  • Sind die Reflektorschichten und die Begrenzungsschichten des zweiten Resonators aus Aluminium-Gallium-Nitrid gefertigt, so weist die Quantenpunkt-Schicht vorzugsweise Gallium-Nitrid oder Indium-Gallium-Nitrid auf.
  • Zwischen der dritten Reflektorschicht und der Quantenpunkt- Schicht und/oder zwischen der Quantenpunkt-Schicht und der vierten Reflektorschicht ist gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung eine Tunnelbarrieren-Schicht vorgesehen, um ein Tunneln der Ladungsträger aus den Quantenpunkten in die Begrenzungsschichten zu verhindern.
  • Durch diese Ausgestaltung der Erfindung wird der Wirkungsgrad des Photonen-Emitters weiter erhöht.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist an zumindest einer Seitenwand des zweiten Resonators, vorzugsweise um den gesamten Umfang des zweiten Resonators mindestens ein optischer Seitenspiegel angebracht.
  • Vorzugsweise ist der gesamte Umfang des zweiten Resonators mit optischen Seitenspiegeln versehen, um den Wirkungsgrad des Photonen-Emitters weiter zu erhöhen.
  • Der Photonen-Emitter kann sehr vorteilhaft eingesetzt werden im Bereich der Datenkommunikation, insbesondere im Bereich der abhörsicheren Datenkommunikation, die im Bereich der weltweiten digitalen Kommunikationsnetze sehr große Bedeutung gewinnt, insbesondere im Bereich des Internets.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Weiteren näher erläutert.
  • Es zeigen
  • Fig. 1 eine Querschnittsansicht eines Photonen-Emitter gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
  • Fig. 2 eine Querschnittsansicht eines Photonen-Emitters gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
  • Fig. 3 ein Diagramm, in dem die Abstimmung der des exzitonischen Grundzustands eines Quantenpunkts in dem zweiten Resonator mit der vorgegebenen Resonatormode dargestellt ist. Des weiteren ist die Resonatormode des ersten Resonators bzgl. der energetischen Lage zum zweiten Resonator dargestellt.
  • Fig. 1 zeigt eine Querschnittsansicht eines Photonen-Emitters 100 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • Auf einem Substrat 101 aus Gallium-Arsenid mit einer Dicke von bis zu einem halben Millimeter, grundsätzlich einer beliebigen Dicke, ist ein erster Resonator 102 aufgebracht, dessen Struktur im Weiteren noch näher erläutert wird.
  • Auf dem ersten Resonator, der als vertikal emittierendes Laserelement ausgestaltet ist, ist ein zweiter Resonator 103, der ebenfalls im Weiteren näher erläutert wird, aufgebracht, derart, dass in einer durch einen Pfeil 104 symbolisierten Emissionsrichtung einzelne Photonen emittiert werden können.
  • Der erste Resonator 102 weist als vertikal emittierendes Laserelement eine ersten Reflektorschicht, ausgestaltet als Bragg-Reflektor der Dicke zwischen einem bis zwei µm auf, abhängig von der Wellenlänge des von dem Laserelement zu emittierenden Lichtstrahls, allgemein mit einer Schichtdicke einer Einzelschicht des Braggreflektors von einem Viertel der Wellenlänge des zu emittierenden Lichtstrahls.
  • Die erste Reflektorschicht 105, ausgestaltet als DBR- Reflektorschicht, ist aus folgender Materialkombination gefertigt:

    Al0.1Ga0.9As/Al0.4Ga0.6As.
  • Auf der ersten Reflektorschicht 105 ist eine erste Begrenzungsschicht 106 aus Al0.1Ga0.9As der Dicke von ca. 100 nm aufgebracht. Allgemein entspricht die Summe der Dicken der Begrenzungsschichten und der aktiven Schicht einer Wellenlänge oder ein Vielfaches der Wellenlänge des emittierten Lichts.
  • Auf der ersten Begrenzungsschicht 106 ist eine aktive Schicht 107 der Dicke von 10 bis 20 nm, allgemein abhängig wiederum von der Wellenlänge λ des von dem ersten Resonator 102 emittierten Lichtstrahls aufgewachsen derart, dass gilt:

    h × ν < Eg (Al0.1Ga0.9As).

    wobei mit
    • - h die Plancksche Konstante,
    • - ν die Frequenz des von dem ersten Resonator 102 emittierten Lichtstrahls, und
    • - Eg der Bandabstand zwischen dem Valenzband und dem Leitungsband des Materials der aktiven Schicht 107, bezeichnet wird.
  • Auf der aktiven Schicht 107 ist eine zweite Begrenzungsschicht 108 ebenfalls der Dicke 100 nm aufgewachsen, wobei die zweite Begrenzungsschicht 108 aus dem gleichen Material gefertigt ist wie die zweite Begrenzungsschicht 106, das heißt gemäß diesem ersten Ausführungsbeispiel aus Al0.1Ga0.9As.
  • Auf der zweiten Begrenzungsschicht 108 ist wiederum eine Reflektorschicht, die zweite Reflektorschicht 109, ebenfalls ausgestaltet als DBR-Reflektorschicht, aufgewachsen der Dicke 1 bis 2 µm, welche aus dem gleichen Material gefertigt ist wie die erste Reflektorschicht 105, das heißt gemäß diesem Ausführungsbeispiel aus Al0.1Ga0.9As/Al0.4Ga0.6As.
  • Ferner ist in der ersten Reflektorschicht 105 eine erste Blende 110 eingebracht mit einer Öffnung 111 der Breite zwischen einem bis drei µm. In der zweiten Reflektorschicht 109 ist eine zweite Blende 112 eingebracht, ebenfalls mit einer Öffnung der Breite 113 zwischen einem und drei µm.
  • Die Blenden 110, 112 dienen zur Stromeinschnürung. Die Emissionsrichtung des von dem ersten Resonator 102 emittierten Lichtstrahls ist in Fig. 1 durch einen weiteren Pfeil 114 symbolisiert.
  • Der erste Resonator 102 wird unter Verwendung üblicher Halbleiterprozessschritte gefertigt.
  • Auf der zweiten Reflektorschicht 109 ist ein erster elektrischer Kontakt 115 aufgebracht, an den eine Steuerungseinheit 116 angeschlossen ist zum Anlegen eines elektrischen Feldes zwischen dem ersten elektrischen Kontakt 115 und einem im weiteren beschriebenen zweiten elektrischen Kontakt 117.
  • Auf dem ersten Resonator 102 ist ein zweiter Resonator 103 aufgewachsen, dessen Aufbau im Weiteren näher erläutert wird.
  • Direkt auf der zweiten Reflektorschicht 109 des ersten Resonators 102 ist eine dritte Reflektorschicht 118 des zweiten Resonators 103 aufgewachsen, wobei die dritte Reflektorschicht 118 in gleicher Weise ausgestaltet ist, das heißt aus dem gleichen Material gefertigt ist, wie die erste und die zweite Reflektorschicht 105, 109 und ebenfalls ausgestaltet ist als DBR-Reflektorschicht. Dies bedeutet, dass die dritte Reflektorschicht 118 aus Al0.1Ga0.9As/Al0.4Ga0.6As gefertigt ist.
  • Die Dicke der dritten Reflektorschicht beträgt ebenfalls 1 bis 2 µm.
  • Auf der dritten Reflektorschicht 118 ist eine dritte Begrenzungsschicht 119 aufgewachsen aus Gallium-Arsenid (GaAs) der Dicke von ungefähr 100 nm.
  • Auf der dritten Begrenzungsschicht ist eine Quantenpunkt- Schicht 120 aufgewachsen mittels des sogenannten Stranski- Krastanov-Verfahrens derart, dass in der Quantenpunkt-Schicht 120 Quantenpunkte 121 gebildet werden.
  • Die Quantenpunkt-Schicht 120 wird gemäß diesem Ausführungsbeispiel aus InAs oder (InGa)As gefertigt, wobei die Quantenpunkt-Schicht 120 eine Dicke von ungefähr 2-7 nm aufweist.
  • Auf der Quantenpunkt-Schicht 120 ist eine vierte Begrenzungsschicht 122 aufgewachsen, ebenfalls aus GaAs, das heißt in entsprechender Weise wie die dritte Begrenzungsschicht 119.
  • Abschließend ist auf der vierten Begrenzungsschicht 122 eine vierte Reflektorschicht 123 aufgewachsen, die als DBR- Reflektorschicht ausgestaltet ist und somit ebenfalls als Bragg-Reflektor dient. Die vierte Begrenzungsschicht 122 ist ebenfalls aus Al0.1Ga0.9As/Al0.4Ga0.6As gefertigt.
  • Die Dicke der vierten Reflektorschicht 123 beträgt ebenfalls 1 bis 2 µm.
  • Auf der vierten Reflektorschicht 123 ist der zweite elektrische Kontakt 117 aufgebracht.
  • Die Emission von Photonen, die von den Quantenpunkten 121 emittiert werden, werden in Richtung des durch den Pfeil 104 symbolisierten Strahlprofils emittiert.
  • Erfindungsgemäß ergibt sich ein rundes Strahlprofil, welches sich sehr gut zur Einkopplung in einen Lichtwellenleiter eignet.
  • Der exzitonische Grundzustand eines jeweiligen Quantenpunkts 121 in der Quantenpunkt-Schicht 120 wird mittels der Steuerungseinrichtung 116 mit einer frei vorgebbaren Resonatormode des zweiten Resonators 103 in Resonanz gebracht.
  • Dies erfolgt anschaulich aufgrund des sogenannten "Quantum Confined Stark Effects" (QCSE), das heißt durch Anlegen eines veränderbaren elektrischen Feldes zwischen den beiden elektrischen Kontakten des Photonen-Emitters 100, gemäß diesem Ausführungsbeispiel durch Anlegen einer veränderbaren elektrischen Spannung zwischen den ersten elektrischen Kontakt 115 und den zweiten elektrischen Kontakt 117.
  • In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, dass gemäß diesem Ausführungsbeispiel die Reflektivität R der dritten Reflektorschicht 118 größer ist als die Reflektivität R der vierten Reflektorschicht 123.
  • Ferner ist zwischen den elektrischer Kontakt 115 und einem weiteren elektrischen Kontakt 124 am Substrat 101 eine weitere Steuerungseinheit 125 geschaltet, mittels der Strompulse in den ersten Resonator 102 gespeist werden. Auf diese Weise werden von dem ersten Resonator 102 Laserpulse erzeugt, welche die Quantenpunkte 121 in der Quantenpunkt- Schicht 120 des zweiten Resonators 103 anregen.
  • Fig. 3 zeigt das der Erfindung zugrunde liegende Prinzip in einem Resonanzdiagramm 300, welches über einer Energieachse 301 die Reflektivität R 302 des ersten 102 und des zweiten Resonators 103 darstellt.
  • Gezeigt sind Reflexionskurven 304, 303 des ersten 102 und des zweiten Resonators 103. Der Peak 306 zeigt die Energie der Lasermode des ersten Resonators während der Peak 305 die exzitonischen Grundzustandsenergie eines Quantenpunkts in der Quantenpunkt-Schicht 120 des zweiten Resonators 103 zeigt.
  • Fig. 2 zeigt einen Photonen-Emitter 200 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • Bei dem Photonen-Emitter 200 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die mit dem Photonen- Emitter 100 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung identischen Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen.
  • Der erste Resonator 102 entspricht dem ersten Resonator 102 des Photonen-Emitters 100 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel; es unterscheidet sich lediglich der Aufbau des zweiten Resonators 201 des Photonen-Emitters 200von dem zweiten Resonator 103 des Photonen-Emitters 100 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.
  • Im Unterschied zu dem zweiten Resonator 218 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist auf der dritten Begrenzungsschicht 119 gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine erste Tunnelbarrieren-Schicht 202 der Dicke von 10 bis 20 nm aus Aluminium-Arsenid aufgewachsen, die einen Tunneleffekt von Ladungsträgern aus den Quantenpunkten 121 der Quantenpunkt-Schicht 120 verhindert. Ebenso verhindert den Tunneleffekt eine auf der Quantenpunkt-Schicht 120 aufgebrachte zweite Tunnelbarrieren-Schicht 203, ebenfalls aus Aluminium-Arsenid der Dicke 10 bis 20 nm.
  • Auf der zweiten Tunnelbarrieren-Schicht 203 ist nunmehr die vierte Begrenzungsschicht 122 aufgewachsen und darauf die vierte Reflektorschicht 123.
  • Weiterhin ist an den Seitenwänden 204 des zweiten Resonators 201 eine Spiegelschicht 205, allgemein eine Verspiegelung aufgebracht, wodurch der Wirkungsgrad des zweiten Resonators 201 weiter erhöht wird.
  • Im Weiteren wird beispielhaft eine Abschätzung der benötigten Flächendichte NQ der Quantenpunkte im Photonen-Emitter angegeben, damit statistisch nur ein Quantenpunkt räumlich und spektral innerhalb der Resonatormode [-2σC, 2σC] liegt. Für die Abschätzung wird jeweils ein Gaußprofil für die spektrale Form der Mode und die spektrale Verteilung der Quantenpunkte mit den Standartabweichungen σC und σE angenommen.
  • Des weiteren werden Designparameter für den Mikroresonator gemäß der Veröffentlichung [4] zugrunde gelegt.
    • Angenommene Parameter
    • 1. Durchmesser des zweiten Resonators: d = 3 µm
    • 2. Güte des zweiten Resonators: Q = 5000 → Linienbreite ΔE = 0.26 mey (bei 1.305 eV)
    • 3. Emissionswellenlänge: λ = 950 nm → E = 1.305 eV
    • 4. Effektive Fläche der Grundmode: A = πd2/16 = 1.77 µm2
    • 5. Halbwertsbreite der Quantenpunkt-Photolumineszenz: 50 meV
    • 6. Linienbreite der Quantenpunkte ist schmäler als 0.26 meV
      (Ist für tiefe Temperaturen im InAs/GaAs System immer erfüllt (ΔE < 0.07 meV)
  • Mit Hilfe der standardisierten Form der Normalverteilung lässt sich mit obigen Parametern die gesuchte Flächendichte abschätzen. Ergebnis für obige Parameter

  • Es ergibt sich somit bei einer Flächendichte von NQ = 7 × 109 Quantenpunkten/cm2 statistisch ein Quantenpunkt innerhalb der Resonatormode. Mit Hilfe des Quanten-Confined-Stark Effekts lässt sich dann die genaue Resonanzbedingung (exakter Überlapp) herstellen.
  • In diesem Dokument sind folgende Veröffentlichungen zitiert:
    [1] J. Kim et al., A Single Photon-Turnstile Device, Letters to Nature, Vol. 397, S. 500-503, Februar 1999
    [2] J.-M. Gerard und B. Gayral, Strong Percell Effect for InAs Quantum Boxes in a Three-Dimensional Solid-State Microcavity, IEEE Journal of Lightwave Technology, Vol. 17, Nr. 11, S. 2089-2095, November 1999
    [3] P. Michler et al., A Quantum Dot Single-Photon Turnstile-Device, Science, Vol. 290, S. 2282-2285, Dezember 2000
    [4] J.-M. Gerard et al., Phys. Rev. Lett. 81, 1110, 1998 Bezugszeichenliste 100 Photonen-Emitter
    101 Substrat
    102 Erster Resonator
    103 Zweiter Resonator
    104 Pfeil
    105 Erste Resonatorschicht
    106 Erste Begrenzungsschicht
    107 Aktive Schicht
    108 Zweite Begrenzungsschicht
    109 Zweite Resonatorschicht
    110 Erste Blende
    111 Erste Öffnung
    112 Zweite Blende
    113 Zweite Öffnung
    114 Pfeil
    115 Erster elektrischer Kontakt
    116 Steuerungseinheit
    117 Zweiter elektrischer Kontakt
    118 Dritte Resonatorschicht
    119 Dritte Begrenzungsschicht
    120 Quantenpunktschicht
    121 Quantenpunkt
    122 Vierte Begrenzungsschicht
    123 Vierte Resonatorschicht
    124 Weiterer elektrischer Kontakt
    125 Weitere Steuerungseinheit
    200 Photonen-Emitter
    201 Zweiter Resonator
    202 Erste Tunnelbarrieren-Schicht
    203 Zweite Tunnelbarrieren-Schicht
    204 Oberfläche zweiter Resonator
    205 Spiegelschicht
    300 Reflexionsdiagramm
    301 Energie
    302 Reflektivität
    303 Reflexionskurve zweiter Resonator
    304 Reflexionskurve erster Resonator
    305 Energie der Lasermode erster Resonator
    306 Exzitonischer Grundzustand Quantenpunkt

Claims (12)

1. Photonen-Emitter
mit einem strahlungsemittierenden ersten Resonator,
mit einem zweiten Resonator, mit mindestens einem Quantenpunkt,
wobei der zweite Resonator derart in Emissionsrichtung der von dem ersten Resonator emittierten Strahlung angeordnet ist, dass der Quantenpunkt in dem zweiten Resonator von der emittierten Strahlung energetisch anregbar ist,
mit einer Steuerungseinheit, die mit dem zweiten Resonator gekoppelt zum Einstellen des exzitonischen Grundzustands des Quantenpunkts in dem zweiten Resonator, und die derart eingerichtet ist, dass der exzitonische Grundzustand des Quantenpunkts in dem zweiten Resonator in Resonanz mit einer vorgegebenen Resonatormode des zweiten Resonators bringbar ist.
2. Photonen-Emitter nach Anspruch 1, bei dem der erste Resonator ein vertikal emittierendes Laserelement ist.
3. Photonen-Emitter nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Steuerungseinheit derart eingerichtet ist, dass der exzitonische Grundzustand des aktiven Quantenpunkts in dem zweiten Resonator mittels Anlegen eines elektrischen Feldes einstellbar ist.
4. Photonen-Emitter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der erste Resonator und/oder der zweite Resonator als DBR-Resonator ausgestaltet ist/sind.
5. Photonen-Emitter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der erste Resonator und/oder der zweite Resonator als Resonator als Aluminium-Gallium-Arsenid ausgestaltet ist/sind.
6. Photonen-Emitter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der erste Resonator folgende Struktur aufweist:
eine erste Reflektorschicht,
eine auf der ersten Reflektorschicht aufgebrachte erste Begrenzungsschicht,
eine auf der ersten Begrenzungsschicht aufgebrachte aktive Schicht,
7 eine auf der aktiven Schicht aufgebrachte zweite Begrenzungsschicht, und
eine auf der zweiten Begrenzungsschicht aufgebrachte zweite Reflektorschicht.
7. Photonen-Emitter nach Anspruch 6,
bei dem die erste Reflektorschicht, die erste Begrenzungsschicht, die zweite Begrenzungsschicht und die zweite Reflektorschicht Aluminium-Gallium-Arsenid enthält, und
bei dem die aktive Schicht Gallium-Arsenid enthält.
8. Photonen-Emitter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der zweite Resonator folgende Struktur aufweist:
eine dritte Reflektorschicht,
eine auf der dritten Reflektorschicht aufgebrachte dritte Begrenzungsschicht,
eine auf der dritten Begrenzungsschicht aufgebrachte Quantenpunkt-Schicht mit dem mindestens einen Quantenpunkt,
eine auf der Quantenpunkt-Schicht aufgebrachte vierte Begrenzungsschicht, und
eine auf der vierten Begrenzungsschicht aufgebrachte vierte Reflektorschicht.
9. Photonen-Emitter nach Anspruch 8,
bei dem die dritte Reflektorschicht, die dritte Begrenzungsschicht, die vierte Begrenzungsschicht und die vierte Reflektorschicht Aluminium-Gallium-Arsenid enthält, und
bei dem die Quantenpunkt-Schicht Indium-Arsenid oder Indium-Gallium-Arsenid enthält.
10. Photonen-Emitter nach Anspruch 8 oder 9, bei dem zwischen der dritte Reflektorschicht und der Quantenpunkt-Schicht und/oder zwischen der Quantenpunkt- Schicht und der vierten Reflektorschicht eine weitere Tunnelbarrieren-Schicht vorgesehen ist/sind.
11. Photonen-Emitter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, mit mindestens einem an mindestens einer Seitenwand des zweiten Resonators angebrachten optischen Seitenspiegel.
12. Datenübertragungsvorrichtung mit einem Photonen-Emitter nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
DE10134825A 2001-06-20 2001-07-17 Photonen-Emitter und Datenübertragungsvorrichtung Ceased DE10134825A1 (de)

Priority Applications (6)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE10134825A DE10134825A1 (de) 2001-06-20 2001-07-17 Photonen-Emitter und Datenübertragungsvorrichtung
DE50203770T DE50203770D1 (de) 2001-06-20 2002-05-23 Photonen-emitter und datenübertragungsvorrichtung
PCT/DE2002/001895 WO2003001636A1 (de) 2001-06-20 2002-05-23 Photonen-emitter und datenübertragungsvorrichtung
EP02747173A EP1399994B1 (de) 2001-06-20 2002-05-23 Photonen-emitter und datenübertragungsvorrichtung
TW091112363A TW560121B (en) 2001-06-20 2002-06-07 Photon emitter and data transmission device
US10/742,601 US7030407B2 (en) 2001-06-20 2003-12-19 Photon emitter and data transmission device

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE10129587 2001-06-20
DE10134825A DE10134825A1 (de) 2001-06-20 2001-07-17 Photonen-Emitter und Datenübertragungsvorrichtung

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE10134825A1 true DE10134825A1 (de) 2003-01-09

Family

ID=7688730

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE10134825A Ceased DE10134825A1 (de) 2001-06-20 2001-07-17 Photonen-Emitter und Datenübertragungsvorrichtung
DE50203770T Expired - Lifetime DE50203770D1 (de) 2001-06-20 2002-05-23 Photonen-emitter und datenübertragungsvorrichtung

Family Applications After (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE50203770T Expired - Lifetime DE50203770D1 (de) 2001-06-20 2002-05-23 Photonen-emitter und datenübertragungsvorrichtung

Country Status (1)

Country Link
DE (2) DE10134825A1 (de)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10209572A (ja) * 1997-01-21 1998-08-07 Matsushita Electric Ind Co Ltd 半導体発光素子およびその製造方法
DE19947853A1 (de) * 1998-10-17 2000-04-20 Mitel Semiconductor Ab Vertikaler Langwellen-Laserresonator mit integriertem Kurzwellen-Pumplaser
EP1037341A2 (de) * 1999-03-05 2000-09-20 Agilent Technologies Inc Optisch gepumpter VCSEL

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10209572A (ja) * 1997-01-21 1998-08-07 Matsushita Electric Ind Co Ltd 半導体発光素子およびその製造方法
DE19947853A1 (de) * 1998-10-17 2000-04-20 Mitel Semiconductor Ab Vertikaler Langwellen-Laserresonator mit integriertem Kurzwellen-Pumplaser
EP1037341A2 (de) * 1999-03-05 2000-09-20 Agilent Technologies Inc Optisch gepumpter VCSEL

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Electron. Lett. 36, No. 16, (2000), S. 1384-1385 *

Also Published As

Publication number Publication date
DE50203770D1 (de) 2005-09-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1399994B1 (de) Photonen-emitter und datenübertragungsvorrichtung
DE4135813C2 (de) Oberflächenemittierende Halbleiter-Laservorrichtung
DE112014004277T5 (de) Terahertz-Lichtquellenchip, Lichtquellenvorrichtung, Lichtquellenanordnung und ihr Herstellungsverfahren
DE102005057800B4 (de) Einzelphotonenquelle und Verfahren zu deren Herstellung und Betrieb
DE69924439T2 (de) Quantenkaskadierte Lichtemissionsquelle mit vorgespanntem internem elektronischem Potential
EP1630915A2 (de) Strahlungsemittierendes optoelektronisches Bauelement mit einer Quantentopfstruktur und Verfahren zu dessen Herstellung
DE60119470T2 (de) Halbleiterlaser mit Gebiet ohne Stromzuführung in der Nähe einer Resonatorendfläche und zugehöriges Herstellungsverfahren
DE112019003277B4 (de) Optoelektronische einheiten auf grundlage von intrinsischen plasmon-exziton-polaritonen
EP1906496B1 (de) Halbleiterlaser und Verfahren zur Herstellung eines solchen
DE2643503B2 (de) Verfahren zur Herstellung eines Injektionslasers
DE60102343T2 (de) Intersubband Übergitter lichtemittierende Vorrichtung
EP2666213B1 (de) Diodenlaser mit hoher effizienz
DE112005001569B4 (de) Verfahren zum Erhöhen einer maximalen Modulationsgeschwindigkeit einer Licht emittierenden Vorrichtung und Quantenmuldenstruktur für eine solche Lichtemittierende Vorrichtung
DE102007061458A1 (de) Verfahren zur Herstellung eines strahlungsemittierenden Bauelements und strahlungsemittierendes Bauelement
EP2255422B1 (de) Infrarot-halbleiterlaser
DE102011075502A1 (de) Breitstreifen-Diodenlaser mit hoher Effizienz und geringer Fernfelddivergenz
DE10134825A1 (de) Photonen-Emitter und Datenübertragungsvorrichtung
EP3694005B1 (de) Vorrichtung und verfahren zur erzeugung einer einzelphotonenemission
EP2650985B1 (de) System zur Frequenzkonversion sowie Halbleiterbauelement
DE102017101422B4 (de) Diodenlaser mit verbessertem Modenprofil
DE102011122169B4 (de) Einzelphotonenquelle
EP0372421A2 (de) Lichtemittierendes Bauelement aus Verbindungshalbleiter
EP3365922B1 (de) Quantenpunkt-basierter lichtemitter, insbesondere zur einzelphotonenemission, und verfahren zu dessen herstellung
DE102021214311A1 (de) Oberflächenemittierender photonischer-kristall-laser, optoelektronisches system und verfahren zur herstellung eines oberflächenemittierenden photonischer-kristall-lasers
DE102022105668A1 (de) Laseranordnung, optoelektronisches system und verfahren zur herstellung einer laseranordnung

Legal Events

Date Code Title Description
OP8 Request for examination as to paragraph 44 patent law
8131 Rejection