Die
Erfindung betrifft einen sättigbaren
Absorberspiegel mit Multi Quantum Wells zur Regeneration oder Modulation
optischer Signale.The
The invention relates to a saturable
Absorber mirror with Multi Quantum Wells for regeneration or modulation
optical signals.
Optische
digitale Signale, die über
längere Datenleitungen
und über
mehrere Verknüpfungsstellen
geführt
werden, erleiden Intensitätsverluste
und müssen
deshalb zwischenverstärkt
werden ( US 5519526 A .
Alle Typen optischer Verstärker,
wie beispielsweise optisch gepumpte Faserverstärker oder auch elektrisch gepumpte
Halbleiterverstärker
verstärken
jedoch nicht nur das Eingangssignal infolge stimulierter Emission,
sondern liefern außerdem noch
spontan emittiertes Licht, das nichts mit dem eigentlichen optischen
Signal zu tun hat und einen Rauschuntergrund bildet. Im Ergebnis
einer mehrmaligen optischen Verstärkung eines Signals, das über längere Strecken
transportiert wird, hat sich das Signal/Rausch-Verhältnis so
weit verschlechtert, dass die Information nicht mehr sicher ermittelt
werden kann. Um das zu vermeiden, muss das optische Signal wieder
regeneriert werden. Dazu muss der Rauschuntergrund unterdrückt werden,
um die Pulse wieder eindeutig vom optischen Empfänger nachgewiesen werden können.Optical digital signals, which are routed over longer data lines and over several connection points, suffer intensity losses and must therefore be amplified ( US 5519526 A , However, all types of optical amplifiers, such as optically pumped fiber amplifiers or electrically pumped semiconductor amplifiers, not only amplify the input signal due to stimulated emission, but also provide spontaneously emitted light that has nothing to do with the actual optical signal and forms a noise floor. As a result of a multiple optical amplification of a signal that is transported over longer distances, the signal / noise ratio has deteriorated so much that the information can no longer be determined with certainty. To avoid this, the optical signal must be regenerated again. For this, the noise background must be suppressed, in order to be able to clearly detect the pulses again from the optical receiver.
Eine
Regeneration eines optischen Signals nach der bisher üblichen
Methode erfordert folgende Schritte: optoelektronische Signalwandlung,
elektronische Signalaufbereitung und Rückwandlung in ein optisches
Signal. Das regenerierte optische Signal kann mittels eines Lasers
als aufbereitetes, verstärktes
Signal wieder gesendet werden. Die Kosten für eine solche Regeneration
optischer Signale sind hoch, weil infolge der üblichen hohen Bit-Raten optischer
Signale alle Baugruppen für
sehr hohe Frequenzen ausgelegt werden müssen.A
Regeneration of an optical signal according to the usual
Method requires the following steps: opto-electronic signal conversion,
electronic signal conditioning and reconversion into an optical
Signal. The regenerated optical signal can be generated by means of a laser
as processed, fortified
Signal to be sent again. The cost of such a regeneration
optical signals are high, because due to the usual high bit rates optical
Signals all modules for
very high frequencies must be designed.
Es
sind deshalb Vorschläge
unterbreitet worden, die eine rein optische Regenerierung der Pulse ohne
die Umwandlung in elektrische Signale ermöglichen.It
are therefore suggestions
been submitted, which is a purely optical regeneration of the pulses without
allow conversion to electrical signals.
Eine
Regenerierung optischer Pulse kann mit einem sättigbaren Absorberspiegel erreicht
werden. Eine solche Anordnung absorbiert schwache optische Signale
wie beispielsweise den Rauschuntergrund stärker als die leistungsstärkeren Pulse.
Dadurch wird das Signal/Rausch-Verhältnis beim Durchgang des Lichtes durch
einen sättigbaren
Absorber vergrößert. Die
Schwelle, oberhalb derer die Pulse durch Absorption weniger geschwächt werden als
der Rauschuntergrund, ist durch die Sättigungsintensität Is des sättigbaren
Absorbers gegeben. Die Intensitätsabhängigkeit
der Absorption A(I) wird durch die Funktion A = A0/(1
+ I/Is) beschrieben, wobei A0 die
Absorption für
geringe Intensitäten
(ungesättigter Absorber)
ist.A regeneration of optical pulses can be achieved with a saturable absorber mirror. Such an arrangement absorbs weak optical signals such as the noise floor more than the more powerful pulses. This increases the signal-to-noise ratio as the light passes through a saturable absorber. The threshold above which the pulses are less attenuated by absorption than the noise background is given by the saturation intensity I s of the saturable absorber. The intensity dependence of the absorption A (I) is described by the function A = A 0 / (1 + I / I s ), where A 0 is the absorption for low intensities (unsaturated absorber).
Damit
auch hochfrequente optische Pulsfolgen mit einem sättigbaren
Absorber regeneriert werden können,
muss dieser außerdem
eine geringe Relaxationszeit im Bereich von ps besitzen. Derart
kurze Relaxationszeiten können
in Halbleiterschichten durch geeignete Präparationsmethoden wie beispielsweise
Niedrigtemperatur-Epitaxie (Applied Physics B 65 (1997) S. 137),
Ionenimplantation (Opt. Lett. 2003 March 15, 28(6) S. 483; IEEE
Journal of Quantum Electronics Vol. 24, No. 11, S. 2150) oder spannungsinduzierte
Kristalldefekte ( EP
0805524 A2 ) erreicht werden. Diesbezügliche Verfahren wurden bei
der Entwicklung sättigbarer
Absorberspiegel zum mode locking von Pulslasern erarbeitet ( US 5627854 A ).In order to be able to regenerate high-frequency optical pulse sequences with a saturable absorber, the latter must also have a low relaxation time in the range of ps. Such short relaxation times can be achieved in semiconductor layers by suitable preparation methods such as low-temperature epitaxy (Applied Physics B 65 (1997) p. 137), ion implantation (Opt Lett 2003 March 15, 28 (6) p 483, IEEE Journal of Quantum Electronics Vol. 24, No. 11, p. 2150) or stress-induced crystal defects ( EP 0805524 A2 ) can be achieved. Related methods have been developed in the development of saturable absorber levels for the mode locking of pulsed lasers ( US 5627854 A ).
Ein
wesentliches Problem beim Einsatz sättigbarer Absorber zur Regenerierung
optischer Pulse ist deren relativ hohe Sättigungsintensität, die größer ist
als die Intensität üblicher
Pulse in optischen Datenleitungen. Die Sättigungsintensität ist eine
Materialeigenschaft, die man nicht direkt ändern kann.One
major problem when using saturable absorbers for regeneration
Optical pulses is their relatively high saturation intensity, which is greater
as the intensity more usual
Pulse in optical data lines. The saturation intensity is one
Material property that can not be changed directly.
In
den Patentschriften WO 03 063307 A1 (US 2005/0007285) und EP 1291707 A1 sowie
in den Artikeln Optical and Quantum Electronics Vol. 33, No. 7-10,
S. 999, 2001 und Applied Optics Vol. 36, No. 23, S. 5706, 1997 sind
sättigbare
Absorberspiegel mit Multi Quantum Wells beschrieben, die in ähnlicher
Weise wie die bekannten sättigbaren
Absorberspiegel zum mode locking von Pulslasern ( US 5237577 A , US 5701327 A , DE 10009309 A1 , DE 19934639 A1 ,
WO 03055014 A2, US
6560268 B1 , EP
0541304 A1 ) die Möglichkeit
der Intensitätserhöhung in
der Cavity zwischen den beiden Spiegeln eines asymmetrischen, resonanten
Fabry-Perot Interferometers nutzen. Eine ähnliche Anordnung mit absorbierenden
Multi Quantum Wells wird auch in der Patentschrift DE 69126781 T2 ( EP 0531377 B1 )
beschrieben. In der Cavity befindet sich das sättigbare Absorbermaterial.
Durch die Resonanz wird die Feldstärke in der Cavity erhöht und die
Sättigungsintensität abgesenkt.
Um eine effiziente Rauschunterdrückung
zu gewährleisten,
wird zweckmäßigerweise die
Impedanz des Absorberspiegels an das umgebende Medium angepasst.
Das kann dadurch erreicht werden, dass die Absorption A für den zweimaligen
Durchgang durch die Cavity den Betrag A = In(Rr/Rv) besitzt, wobei
Rr die Reflexion des rückseitigen
Spiegels und Rv die Reflexion des vorderen Spiegels bedeuten (Appl.
Phys. Lett. 58 (25), 24 June 1991, S. 2877; IEEE Journal of Quantum
Electronics, Vol.25, No.3, March 1989, S. 289).In the patents WO 03 063307 A1 (US 2005/0007285) and EP 1291707 A1 as well as in the articles Optical and Quantum Electronics Vol. 33, no. 7-10, p. 999, 2001 and Applied Optics Vol. 36, no. 23, p. 5706, 1997, saturable absorber mirrors with multi quantum wells are described which, in a manner similar to the known saturable absorber mirrors, are used for the mode locking of pulse lasers (US Pat. US 5237577 A . US 5701327 A . DE 10009309 A1 . DE 19934639 A1 , WO 03055014 A2, US Pat. No. 6560268 B1 . EP 0541304 A1 ) use the possibility of increasing the intensity in the cavity between the two mirrors of an asymmetric, resonant Fabry-Perot interferometer. A similar arrangement with absorbing multi quantum wells is also disclosed in the patent DE 69126781 T2 ( EP 0531377 B1 ). In the cavity is the saturable absorber material. The resonance increases the field strength in the cavity and lowers the saturation intensity. To ensure efficient noise suppression, the impedance of the absorber mirror is expediently adapted to the surrounding medium. This can be achieved by having the absorbance A for the passage through the cavity twice the amount A = In (Rr / Rv), where Rr is the reflection of the back mirror and Rv is the reflection of the front mirror (Appl Phys. Lett 58 (25), 24 June 1991, p. 2877; IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol.25, No.3, March 1989, p. 289).
Wie
bereits erwähnt,
besteht das wesentliche Problem sättigbarer Absorberspiegel zur
Regeneration oder Modulation optischer Signale darin, dass sie eine
relativ große
Sättigungsintensität besitzen. Übliche optische
WDM Signale in einer Monomode Faser besitzen eine mittlere Leistung
von etwa 10 mW pro Kanal. Die typische Sättigungsintensität eines
nicht resonanten Quantum Well Absorbers an der Bandkante beträgt etwa
1012 W/m2, was in
einer Monomodefaser bei einer Wellenlänge von 1550 nm einer Leistung
von etwa 50 W entspricht Entsprechend den Patentvorschlägen WO 03063307
A1 oder EP 129170 A1 kann
die Resonanz des absorbierenden Fabry-Perots im Prinzip so weit
erhöht werden,
dass ein Teil der absorbierenden Quantum Wells infolge der Feldüberhöhung in
der Cavity mit den üblichen
optischen Leistungen gesättigt
wird. Diejenigen Quantum Wells jedoch, die in der Nähe der Knoten
des elektrischen Feldes in der Cavity platziert sind, werden infolge
des schwächeren
Feldes nicht gesättigt
und vermindern den erreichbaren Kontrast bei der Signalregeneration
beziehungsweise Modulation. Um diese Quantum Wells zu sättigen, müsste die
Finesse des Fabry-Perots noch weiter erhöht werden. Das führt aber
zu einer extrem geringen spektralen Bandbreite und zu der Forderung,
dass nur paralleles Licht verwendet werden kann. Angesichts einer
typischen numerischen Apertur von 0,13 in einer Monomode Faser ist
das aber nicht realisierbar.As already mentioned, the essential problem of saturable absorber levels is the regeneration or modulation of optical signals, that they have a relatively high saturation intensity. Typical optical WDM signals in a single-mode fiber have an average power of about 10 mW per channel. The typical saturation intensity of a non-resonant quantum well absorber at the band edge is about 10 12 W / m 2 , which corresponds to a power of about 50 W in a monomode fiber at a wavelength of 1550 nm According to the patent proposals WO 03063307 A1 or EP 129170 A1 In principle, the resonance of the absorbing Fabry-Perot can be increased so much that a part of the absorbing Quantum Wells is saturated with the usual optical powers as a result of the field increase in the cavity. However, those quantum wells placed in the vicinity of the nodes of the electric field in the cavity are not saturated due to the weaker field and reduce the achievable contrast in the signal regeneration or modulation. To saturate these quantum wells, the finesse of the Fabry Perot would have to be further increased. However, this leads to an extremely low spectral bandwidth and the requirement that only parallel light can be used. However, this is not feasible given a typical numerical aperture of 0.13 in a single-mode fiber.
Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen sättigbaren
Absorberspiegel mit Multi Quantum Wells zur Regeneration oder Modulation optischer
Signale anzugeben, der eine sehr geringe Sättigungsintensität besitzt.It
It is the object of the present invention to provide a saturable
Absorber mirror with multi quantum wells for regeneration or modulation optical
Indicate signals that have a very low saturation intensity.
Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch den Aufbau des sättigbaren
Absorberspiegels nach Patentanspruch 1 gelöst. Der erfindungsgemäße sättigbare
Absorberspiegel besteht aus einem resonanten, asymmetrischen Fabry-Perot
Interferometer mit einem hochreflektierenden rückseitigen Spiegel (1) und
einem teildurchlässigen
vorderen Spiegel (2), zwischen denen mehrere dünne sättigbare
Absorberschichten in der Form von Quantum Wells (3) in
einem bei der Designwellenlänge
optisch nicht absorbierenden Material (4) eingebettet sind.
Der wesentliche Aspekt der Erfindung besteht darin, dass die Quantum
Wells (3) in der Cavity (5) zwischen dem hochreflektierenden
rückseitigen
Spiegel (1) und dem teildurchlässigen vorderen Spiegel (2)
nicht gleichmäßig verteilt
angeordnet sind. Vielmehr sind die Quantum Wells (3) jeweils
um die Maxima (6) der elektrischen Feldstärke des
stehenden Wellenfeldes (7) in der Cavity (5) zwischen
dem hochreflektierenden rückseitigen
Spiegel (1) und dem teildurchlässigen vorderen Spiegel (2)
gruppiert. Demzufolge befinden sich an den Knoten des elektrischen
Feldes in der Cavity keine Quantum Wells, sondern nur die transparenten
Barriereschichten aus nicht absorbierendem Material (4).According to the invention this object is achieved by the structure of the saturable absorber mirror according to claim 1. The saturable absorber mirror according to the invention consists of a resonant, asymmetrical Fabry-Perot interferometer with a highly reflective rear mirror ( 1 ) and a partially transparent front mirror ( 2 ), between which several thin saturable absorber layers in the form of Quantum Wells ( 3 ) in a non-optically absorbing material at the design wavelength ( 4 ) are embedded. The essential aspect of the invention is that the quantum wells ( 3 ) in the cavity ( 5 ) between the highly reflective rear mirror ( 1 ) and the partially transparent front mirror ( 2 ) are not evenly distributed. Rather, the Quantum Wells ( 3 ) in each case around the maxima ( 6 ) of the electric field strength of the standing wave field ( 7 ) in the cavity ( 5 ) between the highly reflective rear mirror ( 1 ) and the partially transparent front mirror ( 2 ) grouped. Consequently, there are no quantum wells at the nodes of the electric field in the cavity, only the transparent barrier layers of non-absorbent material ( 4 ).
Der
mit der Erfindung erreichte Vorteil des sättigbaren Absorberspiegels
besteht darin, dass alle absorbierenden Quantum Wells (3)
nahezu der gleichen maximalen Intensität des optischen Feldes ausgesetzt
sind und dadurch die Sättigungsintensität des Absorberspiegels
sehr gering ist. Demzufolge ist der erreichbare Kontrast des Absorberspiegels
sehr groß.The advantage of the saturable absorber mirror achieved with the invention is that all absorbing quantum wells ( 3 ) are exposed to almost the same maximum intensity of the optical field and thus the saturation intensity of the absorber mirror is very low. As a result, the achievable contrast of the absorber mirror is very large.
Der
erfindungsgemäße sättigbare
Absorberspiegel kann vorteilhaft zur Regeneration oder Modulation
optischer Signale eingesetzt werden.Of the
saturable according to the invention
Absorber levels can be beneficial for regeneration or modulation
optical signals are used.
Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch 2
angegeben. Die Weiterbildung nach Patentanspruch 2 ermöglicht es,
den sättigbaren
Absorberspiegel dadurch kostengünstig zu
fertigen, dass der teildurchlässige
vordere Spiegel (2) aus dielektrischen Schichten besteht.
Diese Schichten können
mit einem effizienten Verfahren aufgesputtert werden und besitzen
außerdem
eine hohe Stabilität.An advantageous embodiment of the invention is specified in claim 2. The development according to claim 2 makes it possible to manufacture the saturable absorber mirror cost-effective, that the partially transparent front mirror ( 2 ) consists of dielectric layers. These layers can be sputtered by an efficient process and also have high stability.
Die
im Patentanspruch 3 angegebene Möglichkeit
der Herstellung des hochreflektierenden rückseitigen Spiegels (1),
der Quantum Wells und der transparenten Barriereschichten aus einkristallinen Halbleitermaterialien
besitzt den Vorteil, dass eine kostengünstige Herstellung in einem
Prozess realisiert werden kann und dass außerdem der rückseitige
Spiegel in Form eines Bragg- Spiegels
eine sehr hohe Reflexion erreichen kann.The specified in claim 3 possibility of producing the highly reflective rear mirror ( 1 ), the quantum wells and the transparent barrier layers of monocrystalline semiconductor materials has the advantage that cost-effective production can be realized in one process and that, moreover, the rear mirror in the form of a Bragg mirror can achieve very high reflection.
Im
Patentanspruch 4 ist ein sättigbarer
Absorberspiegel mit maximalem Kontrast angegeben. Dabei wird die
Reflexion Rv des teildurchlässigen vorderen
Spiegels (2) so gewählt,
dass für
optische Signale mit geringer Intensität wie beispielsweise optisches
Rauschen die Reflexion des sättigbaren
Absorberspiegels gerade Null ist. Diese Bedingung wird auch als
Impedanzanpassung bezeichnet. Wenn die Reflexion Rr des hochreflektierenden
rückseitigen Spiegels
(1) nahezu Eins ist, muss der natürliche Logarithmus des Kehrwertes
von Rv gerade gleich der Absorption der Schichten in der Cavity
bei einem vollen Umlauf des Lichtes sein.In claim 4, a saturable absorber mirror is specified with maximum contrast. The reflection Rv of the partially transparent front mirror ( 2 ) is selected such that for low intensity optical signals such as optical noise, the reflection of the saturable absorber mirror is just zero. This condition is also referred to as impedance matching. When the reflection Rr of the high-reflectance back mirror ( 1 ) is nearly one, the natural logarithm of the inverse of Rv must be just equal to the absorption of the layers in the cavity in one full turn of light.
Der
erfindungsgemäße sättigbare
Absorberspiegel mit Multi Quantum Wells wird nachfolgend an Hand
eines Ausführungsbeispiels
näher erläutert. In den
zugehörigen
Zeichnungen zeigen:Of the
saturable according to the invention
Absorber Mirror with Multi Quantum Wells will be on hand below
an embodiment
explained in more detail. In the
associated
Drawings show:
1 ein
Ausführungsbeispiel
eines sättigbaren
Absorberspiegels mit 10 Quantum Wells. 1 an embodiment of a saturable absorber mirror with 10 quantum wells.
2a den
Betrag des elektrischen Feldes im sättigbaren Absorberspiegel. 2a the amount of electric field in the saturable absorber mirror.
2b den
Brechungsindex n der verschiedenen Schichten des sättigbaren
Absorberspiegels. 2 B the refractive index n of the different layers of the saturable absorber mirror.
3a den
Betrag des elektrischen Feldes im Bereich der Cavity und des teildurchlässigen vorderseitigen
Spiegels. 3a the amount of electric field in the region of the cavity and the partially transparent front mirror.
3b den
Brechungsindex n der Schichten im Bereich der Cavity und des teildurchlässigen vorderseitigen
Spiegels. 3b the refractive index n of the layers in the region of the cavity and the partially transparent front mirror.
4 die
spektrale Reflexion des sättigbaren
Absorberspiegels für
verschiedene Sättigungswerte. 4 the spectral reflection of the saturable absorber mirror for different saturation values.
In 1 ist
ein Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen sättigbaren
Absorberspiegels mit 10 Quantum Wells dargestellt. Der sättigbare
Absorberspiegel ist zur Regeneration optischer Pulse bei einer Wellenlänge von
1550 nm vorgesehen.In 1 An exemplary embodiment of a saturable absorber mirror according to the invention with 10 quantum wells is shown. The saturable absorber mirror is intended for the regeneration of optical pulses at a wavelength of 1550 nm.
Zwischen
dem hochreflektierenden rückseitigen
Spiegel 1 und dem teildurchlässigen vorderseitigen Spiegel 2 des
sättigbaren
Absorberspiegels befindet sich die Cavity 5 aus optisch
nicht absorbierendem Material 4, in die 10 sättigbare
Absorberschichten in Form von Quantum Wells 3 eingebettet
sind. In dem Ausführungsbeispiel
besteht der rückseitige Spiegel 1 aus
insgesamt 29,5 Schichtpaaren AIAs/GaAs, deren jeweilige optische
Schichtdicke eine Viertelwellenlänge
beträgt.
Die Wellenlänge
beträgt
in dem gewählten
Beispiel 1550 nm. Eine solche Anordnung ist als Bragg-Spiegel bekannt.
Es ist wesentlich, dass die Reflexion dieses rückseitigen Spiegels sehr nahe
bei Eins liegt, weil der sättigbare
Absorber in Resonanz betrieben wird. Bei einer zu geringen Reflexion
des rückseitigen
Spiegels würde
ein Teil des Lichtes durch Transmission verloren gehen. Deshalb
ist es zweckmäßig, diesen
Spiegel nicht als Metallspiegel, sondern als Bragg-Spiegel auszuführen.Between the highly reflective rear mirror 1 and the semitransparent front mirror 2 of the saturable absorber mirror is the cavity 5 made of optically non-absorbent material 4 into which 10 saturable absorber layers in the form of Quantum Wells 3 are embedded. In the embodiment, the back mirror 1 from a total of 29.5 layer pairs AIAs / GaAs whose respective optical layer thickness is a quarter wavelength. The wavelength in the example chosen is 1550 nm. Such an arrangement is known as Bragg mirror. It is essential that the reflection of this backside mirror be very close to unity because the saturable absorber operates in resonance. With too little reflection of the back mirror, some of the light would be lost through transmission. Therefore, it is expedient to perform this mirror not as a metal mirror, but as a Bragg mirror.
Die
Cavity 5 des resonanten Fabry-Perots wird durch die Dicke
des optisch nicht absorbierenden Materials 4 mit den eingebetteten
10 Quantum Wells 3 zuzüglich
einer Viertelwellenschicht 8 aus GaAs bestimmt. Die Dicke
der Cavity beträgt 3 Halbwellenschichten.
Dadurch ist gewährleistet,
dass das Fabry-Perot Interferometer sich in Resonanz befindet. Die
allgemeine Bedingung für
Resonanz ist erfüllt,
wenn die optische Dicke der Cavity 5 ein ganzzahliges Vielfaches
einer Halbwellendicke ist. Der Bragg-Spiegel aus AIAs/GaAs ist auf
einem GaAs-Substrat 9 epitaktisch aufgewachsen und besteht
ebenso wie die übrigen
halbleitenden Schichten aus einkristallinem Material.The Cavity 5 of the resonant Fabry-Perot is determined by the thickness of the optically non-absorbing material 4 with the embedded 10 quantum wells 3 plus a quarter wave layer 8th determined from GaAs. The thickness of the cavity is 3 Half-wave layers. This ensures that the Fabry-Perot interferometer is in resonance. The general condition for resonance is met when the optical thickness of the cavity 5 is an integer multiple of a half-wave thickness. The AIAs / GaAs Bragg mirror is on a GaAs substrate 9 grown epitaxially and consists, like the other semiconductive layers of single crystal material.
Die
10 Quantum Wells bestehen aus InxGa1-xAs mit einem In-Gehalt von x = 0,55. Ihre
geometrische Schichtdicke beträgt
12 nm. Die Quantum Wells sind in einem optisch nicht absorbierenden Material 4 der
Zusammensetzung InyAl1-yAs
mit y = 0,52 eingebettet. Diese Schichten sind bei einer geringen
Epitaxietemperatur von 350 °C
aufgewachsen. Dadurch besitzen sie Kristallbaufehler, die eine schnelle
nichtstrahlende Rekombination der Ladungsträger nach der Absorption des
Lichtes im Zeitbereich von etwa 10 ps gewährleisten.The 10 quantum wells consist of In x Ga 1-x As with an In content of x = 0.55. Its geometrical layer thickness is 12 nm. The Quantum Wells are in a non-absorbing material 4 of the composition embedded in y Al 1-y As with y = 0.52. These layers are grown at a low epitaxy temperature of 350 ° C. As a result, they have crystal defects that ensure fast non-radiative recombination of the carriers after absorption of the light in the time domain of about 10 ps.
2a zeigt
den Betrag des stehenden Wellenfeldes 7 im sättigbaren
Absorberspiegel. Aufgrund der Resonanz des Spiegels ergibt sich
eine Feldüberhöhung zwischen
dem rückseitigen
Spiegel 1 und dem vorderseitigen Spiegel 2. 2a shows the amount of the standing wave field 7 in saturable absorber level. Due to the resonance of the mirror results in a field increase between the rear mirror 1 and the front mirror 2 ,
2b zeigt
den Brechungsindex n der Schichten des sättigbaren Absorberspiegels.
Der Brechungsindex der AIAs-Schichten des rückseitigen Bragg-Spiegels 1 beträgt 2,94.
Der Brechungsindex der GaAs-Schichten dieses Spiegels beträgt 3,38. Die
insgesamt 3 Gruppen der 10 Quantum Wells 3 sind an den
Maxima des elektrischen Feldes 6 (2a) positioniert.
Der teildurchlässige
vorderseitige Spiegel 2 ist ein dielektrischer Bragg-Spiegel
und besteht aus je zwei Viertelwellenschichten SiO2 (Brechzahl
1,46) und Ta2O5 (Brechzahl
2,03). 2 B shows the refractive index n of the layers of the saturable absorber mirror. The refractive index of the AIAs layers of the back Bragg mirror 1 is 2.94. The refractive index of the GaAs layers of this mirror is 3.38. The total of 3 groups of the 10 Quantum Wells 3 are at the maxima of the electric field 6 ( 2a ). The semi-transparent front mirror 2 is a dielectric Bragg mirror and consists of two quarter wave layers SiO 2 (refractive index 1.46) and Ta 2 O 5 (refractive index 2.03).
Die 3a und 3b zeigen
den Betrag des elektrischen Feldes beziehungsweise den Brechzahlverlauf
im Bereich der Cavity 5 und des teildurchlässigen vorderseitigen
Spiegels 2. Die drei Gruppen der insgesamt 10 Quantum Wells 3 sind
in 3b erkennbar. Die Cavity 5 ersteckt sich
von der 59. bis zur 64. Viertelwellenschicht. Die erste Schicht 8 (59.
Viertelwellenschicht) der Cavity 5 besteht aus GaAs. Ihre
geometrische Schichtdicke beträgt
114 nm. In den daran anschließenden
5 Viertelwellenschichten der Cavity 5 sind jeweils 2 Quantum
Wells 3 eingebettet. Die Schichtdicke des nichtabsorbierenden
Materials 4 zwischen zwei unmittelbar benachbarten Quantum
Wells 3 beträgt
nur 10 nm, während
die Schichtdicke des nichtabsorbierenden Materials 4 zwischen
den Quantum Well Gruppen 136 nm beträgt. Durch diese ungleichmäßige Verteilung
der Quantum Wells in der Cavity 5 wird erreicht, dass der
maximale Unterschied der elektrischen Feldstärke zwischen den Quantum Wells
nur 15% beträgt.
Das entspricht einem Intensitäts-
sowie einem Absorptions-Unterschied von 27%. Werden dagegen entsprechend
dem bisherigen Stand der Technik die Quantum Wells gleichmäßig in der
Cavity verteilt, so treten zwischen den Quantum Wells Intensitäts- sowie
Absorptions-Unterschiede bis zu einem Faktor von 100 auf, wodurch
die erforderliche Sättigungsintensität erheblich
größer ist.The 3a and 3b show the amount of the electric field or the refractive index profile in the region of the cavity 5 and the semitransparent front mirror 2 , The three groups of the 10 Quantum Wells 3 are in 3b recognizable. The Cavity 5 extends from the 59th to the 64th quarter wave layer. The first shift 8th (59th quarter wave layer) of the cavity 5 consists of GaAs. Its geometric layer thickness is 114 nm. In the adjoining 5 quarter wave layers of the cavity 5 are each 2 quantum wells 3 embedded. The layer thickness of the nonabsorbent material 4 between two immediately adjacent quantum wells 3 is only 10 nm, while the layer thickness of the nonabsorbent material 4 between the quantum well groups is 136 nm. Due to this uneven distribution of the Quantum Wells in the Cavity 5 it is achieved that the maximum difference of the electric field strength between the Quantum Wells is only 15%. This corresponds to an intensity and an absorption difference of 27%. If, however, according to the prior art, the Quantum Wells evenly distributed in the cavity, so occur between the Quantum Wells intensity and absorption differences up to a factor of 100, whereby the required saturation intensity is considerably greater.
4 zeigt
die spektrale Reflexion des erfindungsgemäßen sättigbaren Absorberspiegels
mit 10 Quantum Wells entsprechend dem Ausführungsbeispiel. Die Sättigungsenergie
der Anordnung beträgt 500
fJ. Bei einer geringen Eingangsintensität (optisches Rauschen) des
auf den Absorberspiegel auffallenden Signals ist die Reflexion des
Spiegels nahezu Null. Abweichungen von Null entstehen einerseits
durch eine endliche Apertur (Winkelverteilung) des auftreffenden
Lichtes sowie durch Fertigungstoleranzen bezüglich der Einhaltung der Bedingung
zur Anpassung der Eingangsimpedanz. Das Rauschsignal wird vom Spiegel
nahezu vollständig
absorbiert und nicht reflektiert. Bei einem Eingangsimpuls der Energie
von 5 pJ, der eine Sättigung
der Quantum Wells um 90% bewirkt, steigt die Reflexion des Spiegels
auf 70 %. Dieser Puls wird demzufolge mit einem Verlust von nur
30% reflektiert. Auf diese Weise wird bei einer Reflexion eines
verrauschten amplitudenmodulierten Signals durch den sättigbaren
Absorberspiegel das Signal/Rausch-Verhältnis verbessert. Durch die
ungleichmäßige Verteilung
der Quantum Wells 3 in der Cavity 5 wird die geringe
Sättigungsenergie
erreicht. 4 shows the spectral reflectance of the saturable absorber mirror 10 according to the invention Quantum wells according to the embodiment. The saturation energy of the device is 500 fJ. At a low input intensity (optical noise) of the signal striking the absorber mirror, the reflection of the mirror is almost zero. Deviations from zero arise on the one hand by a finite aperture (angular distribution) of the incident light and by manufacturing tolerances with regard to compliance with the condition for adapting the input impedance. The noise signal is almost completely absorbed by the mirror and not reflected. With an input pulse of energy of 5 pJ, which causes saturation of the quantum wells by 90%, the reflection of the mirror increases to 70%. This pulse is therefore reflected with a loss of only 30%. In this way, the reflection of a noisy amplitude-modulated signal by the saturable absorber mirror improves the signal-to-noise ratio. Due to the uneven distribution of the Quantum Wells 3 in the cavity 5 the low saturation energy is achieved.
Die
Erfindung beschränkt
sich nicht auf die gezeigte Ausführungsform,
bei der das Substrat 9, der hochreflektierende rückseitige
Absorberspiegel 1 und die Schichten der Cavity 5 aus
einkristallinem Halbleitermaterial bestehen. Die Erfindung lässt sich auch
in Verbindung mit anderen Materialien wie beispielsweise Oxide für den rückseitigen
Spiegel, 1 das Substrat 9 sowie das optisch nicht
absorbierende Material 4 zwischen den Quantum Wells 3 anwenden.
Weiter beschränkt
sich die Erfindung nicht auf einkristalline halbleitende Materialien
für die
absorbierenden Quantum Wells 3, die beispielsweise auch aus
einem Farbstoff oder aus einer Schicht aus halbleitenden Quantum
Dots bestehen bestehen können.The invention is not limited to the embodiment shown in which the substrate 9 , the highly reflective rear absorber mirror 1 and the layers of the cavity 5 consist of monocrystalline semiconductor material. The invention may also be used in conjunction with other materials such as back mirror oxides, 1 the substrate 9 as well as the optically non-absorbent material 4 between the Quantum Wells 3 apply. Further, the invention is not limited to monocrystalline semiconductive materials for the absorbent quantum wells 3 , which may for example consist of a dye or a layer of semiconducting quantum dots.
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11
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hochreflektierender
rückseitiger
Spiegel highly reflective
back
mirror
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2 2
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teildurchlässiger vorderseitiger
Spiegelsemi-permeable front
mirror
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33
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Quantum
Wellsquantity
Wells
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4 4
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optisch
nicht absorbierendes Materialoptical
non-absorbent material
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55
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Cavitycavity
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66
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Maxima
der elektrischen Feldstärkemaxima
the electric field strength
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77
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stehendes
Wellenfeld standing
wave field
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88th
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ViertelwellenschichtQuarter-wave layer
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99
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Substratsubstratum