-
Die
Erfindung betrifft einen sättigbaren
Absorberspiegel nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
-
Mittels
sättigbarer
Absorberspiegel können Laser
im modengekoppelten Pulsregime betrieben werden. Sättigbare
Absorberspiegel wirken dabei sowohl als Reflektor und ersetzen damit
den in einem Laserresonator erforderlichen hochreflektierenden Spiegel
als auch als nichtlinear-optisches Bauelement mit einer Absorption,
die von der Fluenz des Laserpulses abhängig ist und den Laser zum
Pulsen bringt.
-
Für die Realisierung
eines sättigbaren
Absorberspiegels wird üblicherweise
eine monolithische Schichtanordnung aus einem Bragg-Spiegel und
einem auf diesem Bragg-Spiegel angeordneten Halbleiterschichtsystem
mit eingebetteter Halbleiter-Absorberschicht
gewählt.
Da die absorbierende Halbleiterschicht üblicherweise aus einem einkristallinen III-V-Halbleitermaterial
besteht, muss diese zusammen mit dem Bragg-Spiegel als Schichtsystem
auf einem einkristallinen III-V-Halbleitersubstrat
aus GaAs oder InP epitaktisch aufgewachsen werden. Die Designwellenlänge des
Bragg-Spiegels und die Absorptionskante der sättigbaren Absorberschicht sind durch
die verwendete Laserwellenlänge
bestimmt.
-
Der
wesentliche physikalische Aspekt der monolithischen Integration
von Bragg-Spiegel
und sättigbarem
Absorberschichtsystem besteht darin, dass die Absorberschicht beziehungsweise
das Absorberschichtsystem im stehenden Wellenfeld vor dem Bragg-Spiegel
präzise
positioniert werden kann, so dass eine vorgebbare sättigbare
Absorption realisiert wird.
-
Die üblichen
Bezeichnungen für
derartige sättigbare
Absorberspiegel sind SAM – saturable
absorber mirror und SESAM – semiconductor
saturable absorber mirror, wobei bei der letzteren Bezeichnung explizit
auf die Verwendung einer halbleitenden sättigbaren Absorberschicht hingewiesen
wird.
-
Monolithische
Anordnungen für
sättigbare Absorberspiegel
zum Modenkoppeln von Lasern mit antiresonantem und resonantem Schichtdesign
sind beispielsweise in folgenden Patentschriften beschrieben:
WO 96/36906 A1 ,
WO 2003/055014 A2 ,
US 6 538 298 B1 ,
EP 1 079 483 B1 ,
JP 2002 270929 A ,
JP 2001 068774 A ,
DE 199 34 639 A1 ,
DE 100 30 672 64 ,
DE 100 09 309 A1 .
Es gibt auch Vorschläge
für sättigbare
Absorberspiegel, bei denen außer
dem halbleitenden Bragg-Spiegel und dem halbleitenden Absorberschichtsystem
ein weiteres dielektrisches Spiegelschichtsystem aus einem Isolatormaterial
in das Gesamt-Schichtsystem integriert ist, um spezifische resonante
oder antiresonante Schichtsysteme zu realisieren. Beispiele für solche
sattigbaren Absorberspiegel sind in den Patentschriften
US 5 237 577 A ,
EP 1 130 703 A2 ,
DE 10 2005 010 695
B3 beschrieben.
-
Sättigbare
Absorberspiegel für
Laserwellenlängen
im Bereich von 800 nm bis 1550 nm werden auf der Grundlage der in
den oben angegebenen Patentanmeldungen beschriebenen Schichtsystemen hergestellt
und in modengekoppelten Pulslasern eingesetzt. In letzter Zeit werden
auch Laser mit Emissionswellenlängen
im Bereich von 1900 nm bis etwa 3 μm entwickelt, für deren
Betrieb ein sättigbarer
Absorberspiegel zum Modenkoppeln dieser Laser wünschenswert ist. Im Prinzip
kann auch für
Wellenlängen
größer als
1500 nm ein sättigbarer
Absorberspiegel aus einem epitaktisch gewachsenen Halbleitermaterial
und darauf angeordneten halbleitenden Absorberschichten hergestellt
werden, jedoch ist infolge der großen Gesamtdicke des Halbleiterschichtsystems
von mehr als etwa 8 μm
eine ökonomische
Herstellung mit den bekannten Halbleiterepitaxieverfahren nicht
möglich.
-
Wenn
jedoch aus den genannten Kostengründen auf den integrierten Bragg-Spiegel verzichtet
wird und ein sättigbarer
Absorber ohne integrierten Bragg-Spiegel
im Strahlengang des Laserresonators angeordnet wird, ist die sättigbare
Absorption gering und die Sättigungsfluenz
hoch, weil sich in einem modengekoppelten Kurzpulslaser kein stehendes
Wellenfeld ausbildet, sondern statt dessen ein Puls umläuft. Ein
einfacher sättigbarer
Absorber ohne integrierten Bragg-Spiegel besitzt demzufolge nicht
die geeigneten Parameter für
ein effizientes Modenkoppeln von Pulslasern.
-
Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen sättigbaren
Absorberspiegel für
die Modenkopplung von Pulslasern mit großen Wellenlängen anzugeben, der mit einem
geringen Beschichtungsaufwand herstellbar ist und dessen Absorption auf
den für
den Betrieb des Lasers erforderlichen Wert eingestellt werden kann.
-
Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch den Aufbau des sättigbaren
Absorbers nach Patentanspruch 1 gelöst. Der erfindungsgemäße sättigbare
Absorberspiegel besteht aus einem sättigbaren Absorberschichtsystem
auf einem Halbleitersubstrat und einem hochreflektierenden Spiegel,
wobei jeweils das sättigbare
Absorberschichtsystem und der hochreflektierende Spiegel auf verschiedenen
Trägersubstraten
angeordnet sind und sich zwischen dem sättigbaren Absorberschichtsystem
und dem hochreflektierenden Spiegel ein Luftspalt mit einer Dicke
im Bereich von 1 μm
bis 100 μm
befindet und die Dicke des Luftspaltes mit einem mechanischen Abstandshalter
verändert
werden kann.
-
Die
mit der Erfindung erreichten Vorteile des sättigbaren Absorberspiegels
bestehen darin, dass erstens der hochreflektierende Spiegel aus
einem dielektrischen Schichtsystem als Bragg-Spiegel mittels konventioneller
Sputter- oder Aufdampfverfahren auch
für große Wellenlängen kostengünstig herstellbar
ist, zweitens infolge des geringen Abstandes zwischen hochreflektierendem
Spiegel und Absorberschicht sich letztere im stehenden Wellenfeld
des hochreflektierenden Spiegels befindet und drittens die sättigbare
Absorption beziehungsweise die Sättigungsfluenz
durch Veränderung
der Dicke des Luftspaltes auf einen für den Betrieb des Pulslasers erforderlichen
Wert eingestellt werden kann.
-
Der
erfindungsgemäße sättigbare
Absorberspiegel kann besonders zum Betrieb langwelliger modengekoppelter
Pulslaser eingesetzt werden. Darüber
hinaus ist auch der Einsatz als einstellbarer Modenkoppler für Pulslaser
mit anderen Wellenlängen
vorteilhaft.
-
Vorteilhaft
ist entsprechend dem Unteranspruch 2 die beidseitige Entspiegelung
des Halbleitersubstrats, auf dem das sättigbare Absorberschichtsystem
angeordnet ist. Die Entspiegelung vermeidet Reflexionen auf beiden
Substratseiten, wodurch das Substrat im stehenden Wellenfeld vor
dem hochreflektierenden Spiegel ohne Beeinflussung dieses Feldes
entlang der optischen Achse verschoben werden kann.
-
Eine
zweckmäßige Ausgestaltung
der Erfindung nach Unteranspruch 3 betrifft die mechanische Vorrichtung
zur Veränderung
der Dicke des Luftspaltes. Danach kann der Abstandshalter zur Veränderung
der Dicke des Luftspaltes mit einem piezoelektrischen Stellelement
realisiert werden, wodurch eine präzise Einstellung des Luftspaltes
auf den erforderlichen Wert gewährleistet
werden kann.
-
Entsprechend
dem Unteranspruch 4 ist es zweckmäßig, den hochreflektierenden
Spiegel aus einem Schichtsystem mit abwechselnd hoch- und niedrigbrechenden
oxidischen optischen Schichten auf einem Glassubstrat zu realisieren.
Mit oxidischen optischen Schichten können extrem verlustarme, hochreflektierende
Spiegel beispielsweise mittels Sputterverfahren hergestellt werden.
Die Verwendung von Glassubstraten ist besonders kostengünstig.
-
Eine
einfache Möglichkeit
der Realisierung des sättigbaren
Absorberschichtsystems ist im Unteranspruch 5 angegeben. Dabei besteht
das Absorberschichtsystem aus einem bei der Laserwellenlänge λ absorbierenden
Quantum Well, das beidseitig von absorptionsfreien Halbleiterschichten
umgeben ist. Die Nutzung eines Quantum Wells als absorbierende Schicht
ist deshalb zweckmäßig, weil
dieses infolge einer gegenüber
einer dicken Absorberschicht reduzierten elektronischen Zustandsdichte eine
geringere Sättigungsfluenz
besitzt und somit einen geringen Verlust optischer Energie bei der
Sättigung
gewährleistet.
-
Zur
Erhöhung
der sättigbaren
Absorption kann entsprechend dem Unteranspruch 6 für das sättigbare
Absorberschichtsystem anstelle eines einzelnen Quantum Wells eine
Gruppe von mehreren bei der Laserwellenlänge λ absorbierenden Quantum Wells
mit Barrieren aus absorptionsfreien Halbleiterschichten verwendet
werden. Um sicherzustellen, dass sich die Quantum Wells alle am
Ort einer bestimmten elektrischen Feldamplitude des stehenden Wellenfeldes
vor dem Bragg-Spiegel befinden, muss die gesamte optische Dicke
der Gruppe von Quantum Wells kleiner als λ/4 sein.
-
Gemäß dem Unteranspruch
7 kann zur Erzielung einer größeren sättigbaren
Absorption das sättigbare
Absorberschichtsystem aus mehreren bei der Laserwellenlänge λ absorbierenden
Quantum Wells mit umgebenden absorptionsfreien Halbleiterschichten
bestehen, wobei die Quantum Wells zu Gruppen mit einer optische
Dicke geringer als λ/4
zusammengefasst sind und der optische Abstand dieser Gruppen λ/2 beträgt. Bei
einer derartigen Gruppierung der Quantum Wells ist gesichert, dass
sie sich alle bei einer nahezu gleichen elektrischen Feldamplitude
des stehenden Wellenfeldes vor dem Bragg-Spiegel befinden.
-
Der
erfindungsgemäße sättigbare
Absorberspiegel wird nachfolgend an Hand von zwei Ausführungsbeispielen
näher erläutert. In
den zugehörigen Zeichnungen
zeigen:
-
1 den
Aufbau eines ersten Ausführungsbeispiels
des erfindungsgemäßen sättigbaren
Absorberspiegels im Querschnitt,
-
2 den
Verlauf der elektrischen Feldamplitude entlang der optischen Achse
des sättigbaren Absorberspiegels
des ersten Ausführungsbeispiels mit
einem Luftspalt der optischen Dicke einer viertel Wellenlänge,
-
3 den
Verlauf der elektrischen Feldamplitude entlang der optischen Achse
des sättigbaren Absorberspiegels
des ersten Ausführungsbeispiels mit
einem Luftspalt der optischen Dicke einer halben Wellenlänge,
-
4 die
Abhängigkeit
der Absorption des sättigbaren
Absorberspiegels des ersten Ausführungsbeispiels
von der Dicke des Luftspalts,
-
5 die
Abhängigkeit
der Reflexion des sättigbaren
Absorberspiegels des ersten Ausführungsbeispiels
von der Dicke des Luftspalts,
-
6 den
Verlauf der elektrischen Feldamplitude entlang der optischen Achse
des sättigbaren Absorberspiegels
eines zweiten Ausführungsbeispiels
mit einem Luftspalt der optischen Dicke einer viertel Wellenlänge und
-
7 die
Abhängigkeit
der Absorption des sättigbaren
Absorberspiegels des zweiten Ausführungsbeispiels von der Dicke
des Luftspalts.
-
In 1 ist
ein erstes Ausführungsbeispiel des
erfindungsgemäßen sättigbaren
Absorberspiegels unter Verwendung eines sättigbaren Absorberschichtsystems 1 auf
einem GaAs-Halbleitersubstrat 2 sowie eines hochreflektierenden,
dielektrischen Bragg-Spiegels 3 auf einem Glassubstrat 4 schematisch
dargestellt. Der Laserpuls 5 mit einer Wellenlänge von
2 μm durchläuft zunächst ein
Entspiegelungsschichtsystem 7 für das GaAs-Substrat 2 und
erreicht dann das sättigbare
Absorberschichtsystem 1. Anschließend passiert er das Entspiegelungsschichtsystem 6 und
eine Luftschicht 8 mit einer optischen Dicke von wenigen
Laserwellenlängen,
die durch einen piezoelektrischen Abstandshalter 9 sowie
die Träger 10 und 11 zwischen
dem Halbleitersubstrat 2 und dem Glassubstrat 4 bestimmt
wird. Auf dem Glassubstrat 4 befindet sich der dielektrische Bragg-Spiegel 3 mit
12 Paaren abwechselnd niedrig- und hochbrechender Lambda-Viertel
Schichten aus Siliziumdioxid beziehungsweise Tantalpentoxid, deren
geometrische Dicken 347 nm beziehungsweise 250 nm betragen. Der
Laserpuls 5 wird an diesem Bragg-Spiegel 3 reflektiert.
Der vordere Teil des reflektierten Pulses interferiert mit dem hinteren
Teil dieses Pulses und bildet ein stehendes Wellenfeld, das sich
mit abnehmender Interferenzamplitude in das Halbleitersubstrat hinein
erstreckt.
-
Die
optische Dicke der Luftschicht 8 kann mit dem piezoelektrischen
Abstandshalter 9 kontinuierlich zwischen einem geradzahligen
und einem ungeradzahligen Vielfachen einer Lambda-Viertel Dicke eingestellt
werden. Die Entspiegelungsschichtsysteme 6 und 7 bestehen
jeweils aus einer 97,6 nm dicken Siliziumdioxidschicht auf dem GaAs
und einer 143,5 nm Tantalpentoxidschicht.
-
Das
Absorberschichtsystem 1 besteht aus einem 20 nm InGaAs
Quantum Well 12, welches in GaAs eingebettet ist. Der Indium-Gehalt
des Quantum Wells 12 ist so bemessen, dass es bei der Laserwellenlänge von
2 μm absorbiert.
Das Halbleitersubstrat 2 aus GaAs besitzt üblicherweise
eine Dicke von etwa 400 μm.
Da es beidseitig entspiegelt ist, treten keine durch die Substratdicke
verursachten Interferenzen auf.
-
In 2 ist
der Verlauf der elektrischen Feldamplitude entlang der optischen
Achse des sättigbaren
Absorberspiegels des ersten Ausführungsbeispiels
mit einem Luftspalt 8 der optischen Dicke einer viertel
Wellenlänge
dargestellt. Die optische Dicke des Halbleitersubstrats 2 ist
dabei der Übersichtlichkeit
wegen auf nur fünf
viertel Wellenlängen
beschränkt.
Vor dem Bragg-Spiegel 3 bildet sich ein stehendes Wellenfeld
aus. Das absorbierende Quantum Well 12 befindet sich gerade
in einem Maximum des stehenden Wellenfeldes. Dadurch ergibt sich
eine besonders starke Absorption, die etwa um den Faktor 4 größer ist
als im Falle einer laufenden Welle.
-
In 3 ist
der Verlauf der elektrischen Feldamplitude entlang der optischen
Achse des sättigbaren
Absorberspiegels des ersten Ausführungsbeispiels
mit einem Luftspalt 8 der optischen Dicke einer halben
Wellenlänge
dargestellt. Das absorbierende Quantum Well 12 befindet
sich gerade in einem Minimum des stehenden Wellenfeldes. Dadurch
ergibt sich eine besonders geringe Absorption nahe Null.
-
In 4 ist
die Abhängigkeit
der Absorption des sättigbaren
Absorberspiegels des ersten Ausführungsbeispiels
von der Dicke des Luftspalts 8 bei einer geringen optischen
Intensität,
also ohne Sättigung,
dargestellt. Die periodische Abhängigkeit
von der Dicke des Luftspaltes 8 kommt dadurch zustande,
dass sich die Position des Quantum Wells 12 gegenüber dem
stehenden Wellenfeld vor dem hochreflektierenden Spiegel 3 zwischen
den Maxima und Minima verschiebt. Die räumliche Ausdehnung des Laserpulses
s entlang der optischen Achse wird durch seine Pulsdauer t nach
folgender Beziehung bestimmt: s = c·t. Dabei ist c die Lichtgeschwindigkeit.
Die Ausdehnung des stehenden Wellenfeldes ist deshalb auf einen
Bereich von etwa c·t/2
beschränkt. Für einen
Laserpuls mit der Pulsdauer von 1 ps ergibt sich dadurch eine Ausdehnung
des stehenden Wellenfeldes in Luft von 150 μm. Um unter diesen Bedingungen
die Abhängigkeit
der Absorption des sättigbaren
Absorberspiegels von der Dicke des Luftspaltes 8 im stehenden
Wellenfeld effektiv nutzen zu können,
soll die Dicke des Luftspaltes 8 nicht größer als etwa
ein Zehntel der Ausdehnung des Wellenfeldes, also 15 μm sein. Für geringe
Dicken des Luftspaltes 8 ist die Absorption eine periodische
Funktion seiner Dicke.
-
In 5 ist
die Abhängigkeit
der Reflexion des sättigbaren
Absorberspiegels des ersten Ausführungsbeispiels
von der Dicke des Luftspalts 8 bei einer geringen optischen
Intensität,
also ohne Sättigung,
dargestellt. Die Reflexion R wird durch die Absorption A des Quantum
Wells 12 und die Transmission T des hochreflektierenden
Bragg-Spiegels 3 bestimmt. Es gilt R = 100% – T – A. Die
Transmission des Bragg-Spiegels mit den 12 Schichtpaaren beträgt 0,16%.
Die periodische Abhängigkeit
der Reflexion von der Dicke des Luftspaltes 8 ergibt sich
aus dem in 4 dargestellten Verlauf der
Absorption.
-
Ein
zweites Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen sättigbaren
Absorberspiegels unterscheidet sich vom ersten Ausführungsbeispiel
lediglich im inneren Aufbau des sättigbaren Absorberschichtsystems 1.
Im zweiten Ausführungsbeispiel besteht
das sättigbare
Absorberschichtsystem 1 aus sechs bei der Laserwellenlänge λ = 2 μm absorbierenden
Quantum Wells aus InGaAs mit umgebenden absorptionsfreien Halbleiterschichten
aus GaAs, wobei je drei Quantum Wells zu insgesamt zwei Gruppen 13 zusammengefasst
sind, deren optischer Abstand λ/2
beträgt.
Die Dicke der sechs Quantum Wells beträgt jeweils 15 nm. Die Dicke
der beiden GaAs Barriereschichten zwischen den in einer Gruppe zusammengefassten
Quantum Wells beträgt
jeweils 10 nm.
-
In 6 ist
der Verlauf der elektrischen Feldamplitude entlang der optischen
Achse des sättigbaren
Absorberspiegels des zweiten Ausführungsbeispiels mit einem Luftspalt 8 der
optischen Dicke einer viertel Wellenlänge dargestellt. Die optische
Dicke des Halbleitersubstrats 2 ist dabei der Übersichtlichkeit
wegen auf nur fünf
viertel Wellenlängen
beschränkt.
Vor dem Bragg-Spiegel 3 bildet sich ein stehendes Wellenfeld
aus. Die beiden Gruppen 13 der absorbierenden Quantum Wells
befinden sich in benachbarten Maxima des stehenden Wellenfeldes. Dadurch
ergibt sich eine stärkere
Absorption als im ersten Ausführungsbeispiel
mit nur einem 20 nm breiten InGaAs Quantum Well 12.
-
In 7 ist
die Abhängigkeit
der Absorption des sättigbaren
Absorberspiegels des zweiten Ausführungsbeispiels von der Dicke
des Luftspalts 8 bei einer geringen optischen Intensität, also
ohne Sättigung,
dargestellt. Die periodische Abhängigkeit
von der Dicke des Luftspaltes 8 kommt dadurch zustande,
dass sich die Position der zwei Gruppen 13 von jeweils
drei Quantum Wells gegenüber
dem stehenden Wellenfeld vor dem Bragg-Spiegel zwischen den Maxima
und Minima der elektrischen Feldamplitude verschiebt. Die minimal
Absorption ist in diesem Beispiel etwas größer als Null, weil sich nicht
alle Quantum Wells gleichzeitig in den Minima der elektrischen Feldamplitude
befinden können.
Entsprechendes gilt auch für
die Maxima der elektrischen Feldamplitude. Zur Erreichung eines
großen
Hubs zwischen minimaler und maximaler Absorption bei Veränderung
der optischen Dicke der Luftschicht 8 ist es deshalb zweckmäßig, wenn
die optische Dicke zusammengefasster Quantum Wells wesentlich kleiner
als eine viertel Wellenlänge
ist.
-
Die
Erfindung beschränkt
sich nicht auf die beiden angegebenen Ausführungsformen, deren Gegenstand
ein sättigbarer
Absorberspiegel zur Modenkopplung von Pulslasern ist. So kann beispielsweise das
Absorberschichtsystem auch aus Quantum Dots oder aus einem Farbstoff
bestehen, der hochreflektierende Spiegel kann ein Metallspiegel
sein und der Abstandshalter kann mit einer Stellschraube betätigt werden.
-
- 1
- sättigbares
Absorberschichtsystem
- 2
- Halbleitersubstrat
- 3
- hochreflektierender
Spiegel
- 4
- Glassubstrat
- 5
- Laserpuls
- 6
- Entspiegelungsschichtsystem
- 7
- Entspiegelungsschichtsystem
- 8
- Luftspalt
- 9
- mechanischer
Abstandshalter
- 10
- Träger
- 11
- Träger
- 12
- Quantum
Well
- 13
- Gruppe
von Quantum Wells