DE102009026449B4 - Optical thin film structure with a distributed cavity - Google Patents
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Abstract
Optische Dünnschichtstruktur zum Transmittieren von Licht einer Wellenlänge λ längs einer optischen Achse (1) mit einer periodischen Variation des Brechungsindex längs der optischen Achse (1), – wobei die Variation des Brechungsindex eine Vielzahl von Perioden umfasst, wobei eine optische Länge der Perioden innerhalb der Dünnschichtstruktur (2) gegenüber einer Ausgangslänge der Perioden von λ/2 erhöht ist, – wobei die Mehrzahl der Erhöhungen eine über die optische Dünnschichtstruktur (2) verteilte optische Kavität ausbildet und die Summe der Erhöhungen (2m – 1)λ/4 mit m als positive ganze Zahl beträgt, – wobei die Erhöhungen der optischen Länge zur Ausbildung der verteilten optischen Kavität über mindestens 5 Perioden der Variation des Brechungsindex verteilt sind, – wobei die Erhöhungen der optischen Länge der Perioden der Variation des Brechungsindex längs der optischen Achse eine einhüllende Funktion aufweisen, – wobei die einhüllende Funktion ihr Maximum im Innern der Dünnschichtstruktur (2) aufweist, stetig ist und zu den beiden Enden der optischen Dünnschichtstruktur (2) hin oder davor ausklingt.Optical thin-film structure for transmitting light of a wavelength λ along an optical axis (1) with a periodic variation of the refractive index along the optical axis (1), - wherein the variation of the refractive index comprises a plurality of periods, an optical length of the periods within the Thin layer structure (2) is increased compared to an initial length of the periods of λ / 2, - the majority of the elevations forming an optical cavity distributed over the optical thin layer structure (2) and the sum of the elevations (2m-1) λ / 4 with m as is a positive integer, - the increases in the optical length for forming the distributed optical cavity being distributed over at least 5 periods of variation in the refractive index, - in which the increases in the optical length of the periods in the variation of the refractive index have an enveloping function along the optical axis , - with the enveloping function has its maximum in the interior of the thin-film structure (2), is continuous and fades towards or in front of the two ends of the optical thin-film structure (2).
Description
TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNGTECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
Die Erfindung bezieht sich auf eine optische Dünnschichtstruktur zum Transmittieren von Licht einer Wellenlänge λ längs einer optischen Achse mit einer periodischen Variation des Brechungsindex längs der optischen Achse. Eine derartige optische Dünnschichtstruktur wird auch als vertikal geschichtet bezeichnet, weil die einzelnen Schichten bei ihrer Herstellung übereinander auf ein Substrat aufgebracht werden, und kann insbesondere als optisches Filter Verwendung finden. Sie kann auch als optisches Gitter eingesetzt werden, an das z. B. ausgewählte Moden in einem aktiven Material eines Lasers ankoppeln. Die vorliegende Erfindung betrifft die optische Dünnschichtstruktur als solche, zeigt aber auch spezielle Anwendungsfälle der optischen Dünnschichtstruktur auf.The invention relates to an optical thin-film structure for transmitting light of a wavelength λ along an optical axis with a periodic variation of the refractive index along the optical axis. Such an optical thin-film structure is also referred to as vertically layered, because the individual layers are applied to one another when they are produced on a substrate, and can be used in particular as an optical filter. It can also be used as an optical grating to the z. B. couple selected modes in an active material of a laser. The present invention relates to the optical thin film structure as such, but also has specific applications of the optical thin film structure.
Unter der optischen Länge einer Periode der Variation des Brechungsindex ist die relative Länge der Periode in Bezug auf die Wellenlänge von Licht zu verstehen, welches längs der optischen Achse durch die optische Dünnschichtstruktur hindurch tritt. In diese relative Länge geht der Brechungsindex neben der geometrischen Länge ein.By the optical length of a period of the variation of the refractive index is meant the relative length of the period with respect to the wavelength of light passing through the optical thin film structure along the optical axis. In this relative length of the refractive index is in addition to the geometric length.
Wenn im unabhängigen Patentanspruch 1 von einer periodischen Variation des Brechungsindex die Rede ist, so bedeutet diese Angabe, soweit hier nichts anderes angegeben ist, nicht, dass die einzelnen Perioden der Variation identisch sein müssen oder die einzelnen Perioden einen bezogen auf ihre optische Länge symmetrischen Verlauf des Brechungsindex aufweisen müssen. In etwa ist die Variation des Brechungsindex innerhalb der Perioden der optischen Dünnschichtstruktur jedoch immer symmetrisch, das heißt zusammenhängende Bereiche mit relativ hohem Brechungsindex und relativ niedrigem Brechungsindex machen jeweils etwa die Hälfte der optischen Länge der Perioden aus.If in the
STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART
Als schmalbandige optische Filter werden vielfach Fabry-Pérot-Strukturen verwendet, die aus zwei eine Kavität einschließenden Spiegeln bestehen. Die Länge der Kavität bestimmt hierbei mit der Bedingung Lcav = mλ/2 die Wellenlänge λ der transmittierten Filterlinie. Aufgrund der hohen erreichbaren Reflektivitäten und der geringen Absorption werden als Spiegel oft Multischichtstrukturen, sog. Distributed-Bragg-Reflektoren (DBR), eingesetzt, die eine alternierende Abfolge von Einzelschichten mit unterschiedlichen Brechungsindizes und jeweils optischer Dicke von λ/4 besitzen. Damit beträgt die optische Länge der Variation des Brechungsindex hier λ/2. Derartige Fabry-Pérot-Strukturen werden beispielsweise von Yeh, P., Optical Waves in Layered Media, Wiley (2005) und MacLeod, H. A., Thin Film Optical Filters, Adam Hilger Ltd. (1969) beschrieben.As narrow-band optical filters Fabry-Pérot structures are often used which consist of two mirrors enclosing a cavity. The length of the cavity determines the wavelength λ of the transmitted filter line with the condition L cav = mλ / 2. Because of the high achievable reflectivities and the low absorption, multi-layer structures, so-called distributed Bragg reflectors (DBR), which have an alternating sequence of individual layers with different refractive indices and optical thicknesses of λ / 4 are often used as mirrors. Thus, the optical length of the variation of the refractive index here is λ / 2. Such Fabry-Pérot structures are described, for example, by Yeh, P., Optical Waves in Layered Media, Wiley (2005) and MacLeod, HA, Thin Film Optical Filters, Adam Hilger Ltd. (1969).
Aus der
Distributed-Bragg-Reflektoren mit stark variierenden Einzelschichten werden auch als breitbandige, stark dispersive Spiegelelemente zur Beeinflussung der Pulsform von fs-Lasersystemen (siehe Szipöcs, R. et al., Chirped Multilayer Coatings for Broadband Dispersion Control in Femtosecond Lasers, Optics Letters, Vol. 19 No. 3 (1994)) sowie als spektral selektierende Bauelemente, z. B. in Demultiplexern (siehe Gerken, M. et al., Multilayer Thin-Film Structures with High Spatial Dispersion, Applied Optics, Vol. 42 No. 7 (2003)) verwendet.Distributed Bragg reflectors with widely varying single layers are also used as broadband, highly dispersive mirror elements for influencing the pulse shape of fs laser systems (see Szipöcs, R. et al., Chirped Multilayer Coatings for Broadband Dispersion Control in Femtosecond Lasers, Optics Letters, Vol 19 No. 3 (1994)) as well as spectrally selecting components, eg. In demultiplexers (see Gerken, M. et al., Multilayer Thin-Film Structures with High Spatial Dispersion, Applied Optics, Vol. 42 No. 7 (2003)).
Optische Filter und Reflektoren, bei denen statt diskreter Dünnschichten ein kontinuierlicher, einem harmonischen Verlauf folgender Übergang zwischen den unterschiedlichen Brechungsindizes vorliegt, sind unter dem Namen ”Rugate-Strukturen” bekannt (siehe Bovard, B. G., Rugate Filter Theory: An Overview, Applied Optics, Vol. 32 No. 28 (1993)). Rugate-Strukturen zeichnen sich aufgrund des Fehlens von abrupten Grenzflächen durch eine erhöhte Zerstörschwelle aus. Schmalbandige Rugate-Filter besitzen ebenfalls eine Kavität, die durch eine größere Periodenlänge im mittleren Bereich des Brechzahlprofils erzeugt wird. Alternativ kann eine schmalbandige, allerdings inverse, Charakteristik auch durch eine nur sehr geringe Differenz der Brechungsindizes erreicht werden (siehe Bovard, B. G., Rugate Filter Design: The Modified Fourier Transform Technique, Applied Optics, Vol. 29 No. 1 (1990)), da hierdurch die Stopbandbreite stark abnimmt.Optical filters and reflectors in which, instead of discrete thin layers, there is a continuous transition following a harmonic progression between the different refractive indices are known as "rugate structures" (see Bovard, BG, Rugate Filter Theory: An Overview, Applied Optics,
Sowohl bei Rugate- als auch Multischichtstrukturen bestehen Möglichkeiten zur Beeinflussung der Filtercharakteristik, vor allem der Unterdrückung von Seitenmoden, durch Überlagerung des Brechungsindexprofils mit der einhüllenden Funktion (siehe Abu-Safia, H. A. et al., Rugate Filter Sidelobe Suppression Using Half-Apodization, Applied Optics, Vol. 32 No. 25 (1993) und Wang, X. et al., Helicon Plasma Deposition of a TiO2/SiO2 Multilayer Optical Filter with Graded Refractive Index Profile, Appl. Phys. Lett., Vol. 72 No. 25 (1998)).In both rugate and multilayer structures, there are possibilities for influencing the filter characteristic, especially the suppression of side modes, by superimposing the refractive index profile on the enveloping function (see Abu-Safia, HA et al., Rugate Filter Sidelobe Suppression Using Half-Apodization, Applied Optics,
Die Bedeutung von vertikal emittierenden Laserbauelementen mit Fabry-Pérot-Aufbau, im Folgenden entsprechend ihrer englischen Bezeichnung ”Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser” auch als VCSEL abgekürzt, hat seit den 1980er Jahren sowohl im wissenschaftlichen als auch im wirtschaftlichen Bereich stark zugenommen. Die maßgeblichen Vorteile gegenüber Kantenemitter-Laserstrukturen sind eine geringere Schwelle für die Laseremission, die Möglichkeit runde Strahlprofile zu erzeugen und die Möglichkeit während und nach der Prozessierung die Strukturen auf dem Substrat zu testen und charakterisieren. Nachteilig ist bei bekannten VCSEL vor allem die Konzentration des laseraktiven Materials innerhalb der Kavität, die zur Einhaltung der Bedingung für Monomodigkeit nur eine geringe Dicke im Bereich der Emissionswellenlänge haben darf. Das kleine laseraktive Volumen begrenzt hierbei die maximale erreichbare Leistung durch die limitierte Anzahl von Ladungsträgern. Das laseraktive Material ist allgemein im Maximum der Kavitätsmode positioniert und kann so optimal ausgenutzt werden, allerdings führt dies auch zu stark lokalen Feldstärken und einer Konzentration der Verlustwärme in diesem Bereich. Die hiermit verbundenen unerwünschten Effekte auf die optischen, elektrischen und mechanischen Eigenschaften des Laserbauelements können problematisch sein, insbesondere in Bezug auf das dynamische Verhalten (siehe Wilmsen, C. et al., Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers, Cambridge UP (2001)).The meaning of vertical emitting laser devices with Fabry-Pérot construction, hereafter also abbreviated as VCSEL according to their English term "vertical-cavity surface-emitting laser", has both since the 1980s in the scientific as well as in the economic area increased strongly. The significant advantages over edge-emitting laser structures are a lower threshold for laser emission, the ability to create round beam profiles, and the ability to test and characterize the structures on the substrate during and after processing. Disadvantages of known VCSELs are above all the concentration of the laser-active material within the cavity, which may only have a small thickness in the range of the emission wavelength in order to comply with the condition for single-mode. The small laser-active volume limits the maximum achievable power due to the limited number of charge carriers. The laser-active material is generally positioned in the maximum of the cavity mode and can be optimally utilized, but this also leads to strong local field strengths and a concentration of heat loss in this area. The associated undesirable effects on the optical, electrical and mechanical properties of the laser device can be problematic, especially with regard to dynamic behavior (see Wilmsen, C. et al., Vertical Cavity Surface-Emitting Lasers, Cambridge, UP (2001)). ,
Für kantenemittierende Laserbauelemente mit verteilter Rückkopplung durch ein in eine Oberfläche der Laserstruktur eingeätztes Gitter ist die Wirksamkeit eines verteilten Phasenversatzes gezeigt worden. Insbesondere wird der Effekt des spektralen Lochbrennens effizient unterdrückt (siehe Chen, N. et al., Analysis, Fabrication and Charactarization of Tunable DFB Lasers with Chirped Gratings, IEEE JSTQE, Vol. 3 No. 2 (1997)).For distributed feedback edge emitting laser devices through a grating etched into a surface of the laser structure, the effectiveness of a distributed phase offset has been demonstrated. In particular, the effect of spectral hole burning is efficiently suppressed (see Chen, N. et al., Analysis, Fabrication and Characterization of Tunable DFB Lasers with Chirped Gratings, IEEE JSTQE, Vol. 3 No. 2 (1997)).
Aus der
Weiterhin ist es der
T. Kusserow et al.: 'Weit durchstimmbare Fabry-Pérot-Filter mit InP/Luft-Spiegeln”, Photonik 6/2007, Seiten 64–66, T. Kusserow et al.: ”Durchstimmbare Fabry-Pérot Filter auf der Basis von InP/Luft DBR-Spiegeln”; DGaO Proceedings 2007; ISSN 1614-8436 und die
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AUFGABE DER ERFINDUNG OBJECT OF THE INVENTION
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optische Dünnschichtstruktur zum Transmittieren von Licht einer Wellenlänge λ längs einer optischen Achse mit einer periodischen Variation des Brechungsindex längs der optischen Achse aufzuzeigen, bei der die elektromagnetische Feldstärke nicht wie bei einer üblichen Fabry-Pérot-Struktur auf eine einzige zentrale, die optische Kavität diskret ausbildende Schicht konzentriert ist.The invention has for its object to provide a thin film optical structure for transmitting light of a wavelength λ along an optical axis with a periodic variation of the refractive index along the optical axis, in which the electromagnetic field strength as in a conventional Fabry-Pérot structure on a single central, the optical cavity discretely forming layer is concentrated.
LÖSUNGSOLUTION
Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine optische Dünnschichtstruktur mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Die abhängigen Patentansprüche 2 bis 13 betreffen bevorzugte Ausführungsformen der neuen optischen Dünnschichtstruktur. Der Patentanspruch 14 ist auf ein optisches Filter mit der neuen optischen Dünnschichtstruktur für eine Wellenlänge λ gerichtet. Der Patentanspruch 15 betrifft einen Laser mit aktivem Material und der neuen optischen Dünnschichtstruktur. Die Unteransprüche 16 und 17 betreffen bevorzugte Ausführungsformen dieses Lasers.The object of the invention is achieved by an optical thin-film structure with the features of
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDESCRIPTION OF THE INVENTION
Auch bei der neuen optischen Dünnschichtstruktur ist eine optische Kavität ausgebildet, diese liegt aber nicht diskret zwischen Distributed-Bragg-Reflektoren vor, sondern sie erstreckt sich über mehrere Perioden der Variation des Brechungsindex längs der optischen Achse, indem die Erhöhungen der optischen Länge zur Ausbildung der optischen Kavität über diese mehreren Perioden der Variation des Brechungsindex verteilt sind. Somit gibt es bei der neuen optischen Dünnschichtstruktur keinen Bereich mit erhöhtem oder reduziertem Brechungsindex, der eine deutlich größere optische Länge als die an ihn angrenzenden Bereiche mit niedrigerem bzw. höherem Brechungsindex aufweist und in dem sich die elektromagnetische Feldstärke des eingekoppelten Lichts konzentriert. Vielmehr weisen viele benachbarte Bereiche mit erhöhtem und/oder erniedrigtem Brechungsindex Übermaße, d. h. Erhöhungen ihrer optischen Länge auf, wobei sich diese Übermaße insgesamt zu dem typischen Übermaß der optischen Kavität in einer Fabry-Pérot-Struktur nach dem Stand der Technik aufaddieren, indem die Summe der Erhöhungen (2m – 1)λ/4 mit m als positive ganze Zahl beträgt.An optical cavity is also formed in the novel thin film optical structure, but is not discrete between distributed Bragg reflectors, but extends over several periods of refractive index variation along the optical axis, by increasing the optical length to form the optical fiber optical cavity are distributed over these multiple periods of variation of the refractive index. Thus, in the new optical thin-film structure, there is no region of increased or reduced refractive index which has a significantly longer optical length than the lower and higher refractive index regions adjacent thereto and in which the electromagnetic field strength of the injected light concentrates. Rather, many adjacent regions of increased and / or decreased refractive index have excess dimensions, i. H. Increases in their optical length, these excesses add up to the typical excess of optical cavity in a Fabry-Pérot structure according to the prior art by the sum of the increases (2m - 1) λ / 4 with m as positive whole Number is.
Dass bei einem optischen Aufbau mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 tatsächlich auf ein diskrete Kavität verzichtet werden und diese Kavität über eine große Anzahl von Perioden der Variation des Brechungsindex verteilt werden kann, so dass es zu einer günstigen Verteilung der elektromagnetischen Feldstärke kommt, ohne dass die durch die Abmessungen der Kavität vorhandene Wellenlängenselektivität verlorengeht, ist überraschend.That in an optical structure with the features of the preamble of
Die Erhöhungen der optischen Länge der Perioden der Variation des Brechungsindex zur Ausbildung der optischen Kavität sind bei der neuen Dünnschichstruktur innerhalb ihres Dünnschichtaufbaus längs der optischen Achse lokalisiert. D. h. sie erstreckt sich nur über einen Teilbereich des Dünnschichtaufbaus, und sie liegt normalerweise nicht konzentriert an einem der Enden des Dünnschichtaufbaus längs der optischen Achse. Eine einhüllende Funktion, die die Erhöhungen der optischen Länge der Perioden der Variation des Brechungsindex längs der optischen Achse angibt, hat also ihr Maximum im Inneren des Dünnschichtaufbaus. Zudem ist diese Funktion stetig, so dass die Erhöhung der optischen Länge keine größeren Sprünge aufweist und insbesondere nicht abrupt einsetzt bzw. endet.The increases in the optical length of the periods of refractive index variation for forming the optical cavity are located along the optical axis within the thin film structure within its thin film structure. Ie. it extends only over a portion of the thin film structure and is not normally concentrated at one of the ends of the thin film structure along the optical axis. An enveloping function indicating the increases in optical length of the periods of refractive index variation along the optical axis thus has its maximum in the interior of the thin film structure. In addition, this function is continuous, so that the increase in the optical length has no major jumps and in particular does not start abruptly or ends.
Entsprechend ist es bevorzugt, wenn die Erhöhungen der optischen Länge bei der neuen Dünnschichtstruktur über mehrere einander direkt benachbarte Perioden der Variation des Brechungsindex verteilt sind. Wenn jedoch einzelne Perioden der Variation des Brechungsindex zwischen solchen mit erhöhter optischer Länge keine erhöhte optische Länge aufweisen, ist dies in der Regel unschädlich. Dies gilt insbesondere wenn die Anzahl der Perioden der Variation des Brechungsindex, über die die Erhöhung der optischen Länge bei der neuen Dünnschichtstruktur verteilt ist, vergleichsweise groß ist, so dass die Erhöhung der optischen Länge einer einzelnen Periode der Variation des Brechungsindex vergleichsweise klein ausfällt.Accordingly, it is preferable if the elevations of the optical length in the new thin-film structure are distributed over a plurality of directly adjacent periods of the variation of the refractive index. However, if individual periods of refractive index variation between those of increased optical length do not have an increased optical length, this is usually harmless. This is especially true if the number of periods of refractive index variation over which the increase in optical length is distributed in the new thin-film structure is comparatively large, so that the increase in the optical length of a single period of the refractive index variation is comparatively small.
Die Anzahl der Perioden der Variation des Brechungsindex, über die die Erhöhungen der optischen Länge bei der neuen Dünnschichtstruktur verteilt sind, beträgt allermindestens 5 und in der Regel mindestens 10. Sie kann aber auch noch deutlich größer sein.The number of periods of refractive index variation over which the optical length increases in the new thin-film structure are distributed is at least 5 and typically at least 10. However, it may be significantly greater.
Bezüglich der Erhöhungen der optischen Länge der einzelnen Perioden der Variation des Brechungsindex, über die die Kavität verteilt wird, kann die Umsetzung der vorliegenden Erfindung auf unterschiedliche Weise erfolgen. So kann zur Erhöhung der optischen Länge der einzelnen Perioden die geometrische Länge dieser Perioden erhöht sein. Alternativ oder zusätzlich kann zur Erhöhung der optischen Länge der Perioden die Amplitude und/oder das Tastverhältnis der Variation des Brechungsindex über den Perioden erhöht sein. Im letzteren Fall der Ausweitung der Bereiche der Perioden mit höherem Brechungsindex ergibt sich eine zunehmende Unsymmetrie der Variation des Brechungsindex über den Perioden.With respect to the increases in the optical length of the individual periods of the variation of the refractive index over which the cavity is distributed, the implementation of the present invention can take place in different ways. Thus, to increase the optical length of the individual periods, the geometric length of these periods can be increased. Alternatively or additionally, to increase the optical length of the periods, the amplitude and / or the duty cycle of the variation of the refractive index may be increased over the periods. In the latter case, the expansion of the regions of the higher refractive index periods results in an increasing asymmetry in the variation of the refractive index over the periods.
Die Variation des Brechungsindex kann einer Rechteckfunktion folgen. Zur Ausbildung dieser Rechteckfunktion kann insbesondere ein Schichtaufbau aus zwei in Schichten alternierend aufeinanderfolgen Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes verwendet werden, bei dem dann zur Erhöhung der optischen Länge der Perioden der Variation des Brechungsindex die Schichtdicke mindestens eines der Materialien über die verteilte Kavität hinweg erhöht ist. Ob nur die Schichtdicke eines der beiden Materialien über die verteilte Kavität hinweg erhöht wird oder aber die Schichtdicken beider Materialien in diesem Bereich der optischen Dünnschichtstruktur erhöht werden, ist für die Funktion der optischen Kavität grundsätzlich unerheblich und kann daher von anderen Kriterien, wie beispielsweise der einfachen Herstellung der neuen Dünnschichtstruktur abhängig gemacht werden. The variation of the refractive index can follow a rectangular function. To form this rectangular function, it is possible, in particular, to use a layer structure consisting of two materials with different refractive indices alternating in layers, in which case the layer thickness of at least one of the materials is increased over the distributed cavity in order to increase the optical length of the periods of the refractive index variation. Whether only the layer thickness of one of the two materials is increased over the distributed cavity, or else the layer thicknesses of both materials in this region of the optical thin-film structure is increased, is fundamentally unimportant for the function of the optical cavity and can therefore be distinguished from other criteria such as the simple one Making the new thin-film structure dependent.
Die Dünnschichten eines Schichtaufbaus zur Ausbildung der neuen optischen Dünnschichtstruktur können aus dielektrischen Materialien, Halbleitermaterialien oder organischen Materialien bestehen. Einzelne Dünnschichten können auch ganz oder teilweise als Luftspalt oder als gas- oder flüssigkeitsgefüllter Spalt ausgebildet sein.The thin layers of a layer structure for forming the new optical thin film structure may be made of dielectric materials, semiconductor materials or organic materials. Individual thin films may also be wholly or partially formed as an air gap or as a gas or liquid-filled gap.
Die Variation des Brechungsindex bei der neuen optischen Dünnschichtstruktur kann aber auch stetig sein, insbesondere ist auch eine harmonische Variation nach Art einer Rugate-Struktur möglich.However, the variation of the refractive index in the new optical thin-film structure can also be continuous; in particular, a harmonic variation in the manner of a rugate structure is also possible.
Bevorzugt ist es, wenn die Verteilung der Erhöhungen der optischen Länge über die Perioden der Variation des Brechungsindex stetig und harmonisch und insbesondere auch spiegelsymmetrisch zu einem Mittelpunkt der verteilten Kavität ist. Dabei kann die verteilte Kavität aber nicht nur in der Mitte der optischen Dünnschichtstruktur längs der optischen Achse angeordnet sein, sondern auch einen gezielten Versatz hierzu aufweisen, so dass sie näher an einem Ende der optischen Dünnschichtstruktur längs der optischen Achse liegt. Dadurch wird eine durch die optische Kavität definierte Mode überwiegend in eben dieser Richtung längs der optischen Achse aus der Dünnschichtstruktur ausgekoppelt.It is preferred if the distribution of the elevations of the optical length over the periods of the variation of the refractive index is continuous and harmonious and in particular also mirror-symmetrical to a center of the distributed cavity. However, the distributed cavity may not only be disposed in the center of the optical thin film structure along the optical axis, but may also have a targeted offset therewith so as to be closer to an end of the optical thin film structure along the optical axis. As a result, a mode defined by the optical cavity is coupled out of the thin-film structure predominantly in the same direction along the optical axis.
Vorzugsweise ist die bei der neuen optischen Dünnschichtstruktur über mehrere Perioden verteilte Erhöhung der optischen Länge gleich groß wie eine halbe Ausganglänge der Perioden. Ausgehend von einer Periodenlänge von λ/2, so dass die Bereiche mit erhöhtem bzw. reduziertem Brechungsindex jeweils eine optische Länge von λ/4 aufweisen, beträgt die verteilte Erhöhung der optischen Länge damit weitere λ/4.Preferably, the increase in the optical length distributed in the new optical thin-film structure over several periods is the same as half the output length of the periods. Starting from a period length of λ / 2, so that the regions with increased or reduced refractive index each have an optical length of λ / 4, the distributed increase in the optical length is thus a further λ / 4.
Wie bereits angesprochen wurde, kann die neue optische Dünnschichtstruktur insbesondere als optisches Filter zum Einsatz kommen, und sie weist dabei, wenn sie auf eine Wellenlänge λ abgestimmt ist, trotz der über mehrere Perioden der Variation des Brechungsindex verteilten optischen Kavität eine hohe Filterwirksamkeit für die Wellenlänge λ auf. Grundsätzlich kann die Kavität mit Selektivität für die Wellenlänge λ nicht nur durch eine Erhöhung der optischen Länge um λ/4, sondern auch um ein ungradzahliges Vielfaches von λ/4 erreicht werden. Die Wirksamkeit als optisches Filter für die Wellenlänge λ steigt bei einer Kavität mit der Erhöhung der optischen Länge der Perioden der Variation des Brechungsindex um (2m + 1)λ/4 sogar mit zunehmendem m an; eine solche Kavität ist aber immer mindestens auch auf die Mode mit der Wellenlänge (2m + 1)λ abgestimmt, was nachteilig sein kann.As already mentioned, the new optical thin-film structure can be used, in particular, as an optical filter, and, when tuned to a wavelength λ, has a high filtering efficiency for the wavelength despite the optical cavity distributed over several periods of refractive index variation λ on. In principle, the cavity with selectivity for the wavelength λ can be achieved not only by increasing the optical length by λ / 4, but also by an odd number multiple of λ / 4. The efficiency as an optical filter for the wavelength λ increases in a cavity with the increase in the optical length of the periods of variation of the refractive index by (2m + 1) λ / 4 even with increasing m; However, such a cavity is always tuned at least also to the mode with the wavelength (2m + 1) λ, which can be disadvantageous.
In einer anderen bevorzugten konkreten Ausführungsform der neuen optischen Dünnschichtstruktur ist diese Teil eines Lasers. Dabei kann die neue optische Dünnschichtstruktur ganz allgemein als optisches Gitter verwendet werden, an das gewünschte Moden in einem laseraktiven Material ankoppeln und dadurch selektiert werden.In another preferred specific embodiment of the new optical thin-film structure, this is part of a laser. In this case, the new optical thin-film structure can be used quite generally as an optical grating, be coupled to the desired modes in a laser-active material and thereby selected.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform eines Lasers mit der neuen optischen Dünnschichtstruktur ist der Laser als VCSEL ausgebildet, wobei sein laseraktives Material von der optischen Dünnschichtstruktur in Form eines Hohlzylinders umschlossen ist. Dabei kann der Innendurchmesser des Hohlzylinders alternierend, der Abfolge von Schichten aus Materialen mit unterschiedlichem Brechungsindex entsprechend variiert werden, um eine komplexe Kopplung der Laseremission und der Kavitätsmode der neuen optischen Dünnschichtstruktur zu erreichen. Bei einer speziellen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lasers, bei dem das laseraktive Material und die neue optische Dünnschichtstruktur ineinander eingreifen, ist der Innendurchmesser von Schichten aus einem von zwei Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes über den Bereich der Erhöhung der optischen Länge zur Ausbildung der optischen Kavität ebenfalls mit einer stetigen Variation versehen.In a particularly preferred embodiment of a laser with the new optical thin-film structure, the laser is designed as a VCSEL, its laser-active material being enclosed by the optical thin-film structure in the form of a hollow cylinder. In this case, the inner diameter of the hollow cylinder can be alternately varied according to the sequence of layers of materials with different refractive index, in order to achieve a complex coupling of the laser emission and the cavity mode of the new optical thin-film structure. In a specific embodiment of the laser according to the invention, in which the laser-active material and the new optical thin-film structure intermesh, the inner diameter of layers of one of two materials having different refractive indices over the region of increasing the optical length to form the optical cavity is also one provided continuous variation.
Der Hohlzylinder kann seinerseits von Luft umgeben oder in ein anderes umgebendes Material eingebettet sein, wobei an der äußeren Begrenzung des Hohlzylinders ein Sprung des Brechungsindex erfolgt, der bei ausreichender Größe eine Index-Führung des Lichts in dem Hohlzylinder bewirkt. Die Lichtführung in dem Hohlzylinder kann ansonsten durch ansich bekannte Maßnahmen wie ARROW-Strukturen oder Bragg-Fibre-Guiding bewirkt werden. Die Grundfläche des Hohlzylinders kann eine beliebige polygon- oder kurvenbasierte Form besitzen. Dasselbe gilt auch für die Grundfläche des Innenvolumens des Hohlzylinders.The hollow cylinder may in turn be surrounded by air or embedded in another surrounding material, wherein at the outer boundary of the hollow cylinder, a jump of the refractive index takes place, which causes an index guide of the light in the hollow cylinder with sufficient size. The light guidance in the hollow cylinder can otherwise be effected by means of known measures such as ARROW structures or Bragg fiber guiding. The base of the hollow cylinder may have any polygonal or curve-based shape. The same applies to the base area of the inner volume of the hollow cylinder.
Idealerweise sind die Maße des Hohlzylinders und des von dem laseraktiven Material ausgefüllten Innenvolumens einerseits und der laterale Brechungsindexsprung andererseits derart dimensioniert, dass nur eine einzige transversale Mode ausbreitungsfähig ist. Durch die Abstimmung der Verteilungsfunktion können aber auch gezielt mehrere ausbreitungsfähige Moden nach Anzahl und Art selektiert werden. Ideally, the dimensions of the hollow cylinder and of the inner volume filled by the laser-active material on the one hand and the lateral refractive index jump on the other hand are dimensioned such that only a single transverse mode is capable of propagation. By tuning the distribution function, but also selectively several propagatable modes can be selected by number and type.
Ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Lasers weist typischerweise die Hauptschritte auf:
- – Deponieren der Schichten der optischen Dünnschichtstruktur auf einem Substrat;
- – Strukturieren des Hohlzylinders;
- – selektives chemisches Entfernen eines der Materialien mit unterschiedlichem Brechungsindex zur Gestaltung des Innenvolumens des Hohlzylinders;
- – Füllen des Innenvolumens mit einem laseraktiven Material;
- – Verschließen des Hohlzylinders mit einem Deckglas, einer Abschlussschicht oder mittels Wafer-Bonding. Das Pumpen des erfindungsgemäßen Lasers kann in für VCSEL typischer Weise optisch oder elektrisch erfolgen.
- Depositing the layers of the optical thin-film structure on a substrate;
- - structuring of the hollow cylinder;
- Selective chemical removal of one of the different refractive index materials to form the internal volume of the hollow cylinder;
- - filling the internal volume with a laser-active material;
- - Closing the hollow cylinder with a coverslip, a final layer or by means of wafer bonding. The pumping of the laser according to the invention can take place optically or electrically in VCSEL-typical way.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibungseinleitung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung – zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden.Advantageous developments of the invention will become apparent from the claims, the description and the drawings. The advantages of features and of combinations of several features mentioned in the introduction to the description are merely exemplary and can come into effect alternatively or cumulatively, without the advantages having to be achieved by embodiments according to the invention. Further features are the drawings - in particular the illustrated geometries and the relative dimensions of several components to each other and their relative arrangement and operative connection - refer. The combination of features of different embodiments of the invention or of features of different claims is also possible deviating from the chosen relationships of the claims and is hereby stimulated. This also applies to those features which are shown in separate drawings or are mentioned in their description. These features can also be combined with features of different claims.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGURENBRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von verschiedenen Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert und beschrieben. Dabei ist die Darstellung der erfindungsgemäßen optischen Dünnschichtstruktur in den Zeichnungen nicht maßstabsgetreu, sondern die erfindungsgemäßen Aspekte der optischen Dünnschichtstruktur sind – damit sie in den Zeichnungen zu erkennen sind – übermaßstäblich dargestellt.The invention is explained in more detail below with reference to various embodiments with reference to the accompanying drawings and described. In this case, the representation of the optical thin-film structure according to the invention in the drawings is not to scale, but the inventive aspects of the optical thin-film structure are - so that they can be seen in the drawings - shown to scale.
FIGURENBESCHREIBUNGDESCRIPTION OF THE FIGURES
Die in
Die neue optische Dünnschichtstruktur ist nicht nur bei einer Abstimmung ausgehend von λ/4 und mit verteilten Erhöhungen der Schichtdicke um insgesamt weitere λ/4 funktionsfähig. Die verteilten Erhöhungen der Schichtdicke können auch (2m – 1)λ/4 betragen, wobei m eine positive ganze Zahl ist. Auch hierdurch ergibt sich die Selektivität für Licht der Wellenlänge λ. Bei höheren Werten von m können jedoch auch höhere Harmonische dieser Wellenlänge durch das optische Filter, das von der optischen Dünnschichtstruktur
Während gemäß den bisherigen Figuren immer auch die geometrische Länge der Perioden der Variation des Brechungsindex in der Mitte der neuen optischen Dünnschichtstruktur erhöht war, zeigt
Bei der Ausführungsform der neuen optischen Dünnschichtstruktur, deren Verlauf des Brechungsindex über der optischen Achse in
In
An den Bereich der optischen Dünnschichtstruktur, in dem die optische Länge der Perioden der Variation des Brechungsindex zur Ausbildung der optischen Kavität erhöht ist, können sich ein- oder beidseitig Bereiche der optischen Dünnschichtstruktur ohne diese Erhöhungen anschließen, um dort herkömmliche Distributed-Bragg-Reflektoren auszubilden. Die Reflektoren können aber auch als gechirpte DBR in den Randbereichen der Erhöhungen ausgebildet sein.To the region of the optical thin-film structure in which the optical length of the periods of refractive index variation for the formation of the optical cavity is increased, regions of the optical thin-film structure without these ridges may join on one or both sides to form conventional distributed Bragg reflectors there , However, the reflectors can also be designed as chirped DBR in the edge regions of the elevations.
Hauptvorteil der neuen optischen Dünnschichtstruktur ist die Verteilung der Kavitätsmode über einen größeren Bereich der Dünnschichtstruktur längs deren optischen Achse. Hierdurch können hohe Feldstärken des elektromagnetischen Felds, die im Bereich der optischen Kavität stark lokalisiert sind, vermieden und somit höhere Zerstörungsschwellen beispielsweise eines optischen Filters erreicht werden. Insbesondere ist in dieser Beziehung die Ausführung der neuen optischen Dünnschichtstruktur basierend auf einer Rugate-Struktur von Vorteil, da hier zusätzlich diskrete Grenzflächen zwischen einzelnen diskreten Schichten mit unterschiedlichem Brechungsindex vermieden werden. Weitere Vorteile der neuen optischen Dünnschichtstruktur bestehen darin, dass bei der Verwendung als optisches Filter die Filtercharakteristik mit Hilfe der verschiedenen zur Ausgestaltung der Erhöhung der optischen Länge der Perioden der Variation des Brechungsindex zur Verfügung stehenden Parameter zu beeinflussen ist.The main advantage of the new optical thin-film structure is the distribution of the cavity mode over a larger area of the thin-film structure along its optical axis. As a result, high field strengths of the electromagnetic field, which are strongly localized in the region of the optical cavity, can be avoided, and thus higher destruction thresholds of, for example, an optical filter can be achieved. In particular, in this regard, the implementation of the new optical thin-film structure based on a rugate structure is advantageous, since in this case additionally discrete interfaces between individual discrete layers with different refractive index are avoided. Further advantages of the new optical thin-film structure are that, when used as an optical filter, the filter characteristic is to be influenced by means of the various parameters available for configuring the increase of the optical length of the periods of the variation of the refractive index.
In den folgenden Figuren werden Ausführungsformen der neuen optischen Dünnschichtstruktur
Die
Die
Bei einer weiteren, in den
Zur Herstellung der neuen optischen Dünnschichtstruktur können Dünnschichten auf ein Substrat deponiert werden. Anschließend kann die Strukturierung der Hohlzylinder
Hauptvorteil der Ausführung der Erfindung in Form einer hohlzylinderbasierten Laserstruktur ist die Möglichkeit, ein – im Vergleich zu herkömmlichen VCSEL-Strukturen – größeres laseraktives Volumen ausnutzen zu können. Die Kavitätsmode ist nicht nur im Bereich einer dünnen Kavitätsschicht mit einer optischen Dicke von λ/2 lokalisiert, sondern kann über die Gesamthöhe der Multischichtstruktur verteilt werden, Dies vermindert auch unerwünschte optische thermische, elektrische und mechanische Effekte, wie z. B. das spektrale Lochbrennen oder thermische Linsen, die durch die hohen Feldstärken und Intensitäten in einer herkömmlichen diskreten Kavität auftreten können. Die Verteilung der Erhöhungen der optischen Länge der Perioden der Variation des Brechungsindex ermöglicht es, die Kavitätsmode über ein größeres laseraktives Volumen zu verteilen und damit vertikal emittierende Laserstrukturen mit höheren Ausgangsleistungen und verbesserten Emissionseigenschaften, insbesondere im dynamischen Bereich, bereitzustellen. Zusätzlich können die erweiterten Parameter der Verteilungsmethoden und -funktionen beim Entwurf der optischen Dünnschichtstruktur ausgenutzt werden, um die Emissionseigenschaften des Lasers, z. B. Seitenbandunterdrückung, zu beeinflussen.The main advantage of the embodiment of the invention in the form of a hollow-cylinder-based laser structure is the possibility of being able to exploit a larger laser-active volume compared to conventional VCSEL structures. The cavity mode is not only located in the region of a thin cavity layer with an optical thickness of λ / 2, but can be distributed over the total height of the multilayer structure, this also reduces unwanted optical thermal, electrical and mechanical effects, such. As the spectral hole burning or thermal lenses that can occur due to the high field strengths and intensities in a conventional discrete cavity. The distribution of increases in the optical length of the periods of refractive index variation makes it possible to distribute the cavity mode over a larger laser active volume, thereby providing vertically emitting laser structures with higher output powers and improved emission characteristics, especially in the dynamic range. In addition, the advanced parameters of the distribution methods and functions can be exploited in the design of the optical thin film structure to reduce the emission characteristics of the laser, e.g. As sideband suppression to influence.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- optische Achseoptical axis
- 22
- optische Dünnschichtstrukturoptical thin-film structure
- 33
- Schichtaufbaulayer structure
- 44
- Schichtlayer
- 55
- Schichtlayer
- 66
- Materialmaterial
- 77
- Materialmaterial
- 88th
- Gasgas
- 99
- Spaltgap
- 1010
- Abstandhalterspacer
- 1111
- Hohlzylinderhollow cylinder
- 1212
- Innenvolumeninternal volume
- 1313
- InnendurchmesserInner diameter
- 1414
- Außendurchmesserouter diameter
Claims (17)
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