DE102016014939A1 - Laservorrichtung, basierend auf einem photonischen Kristall mit säulen- oder wandförmigen Halbleiterelementen, und Verfahren zu deren Betrieb und Herstellung - Google Patents

Laservorrichtung, basierend auf einem photonischen Kristall mit säulen- oder wandförmigen Halbleiterelementen, und Verfahren zu deren Betrieb und Herstellung Download PDF

Info

Publication number
DE102016014939A1
DE102016014939A1 DE102016014939.6A DE102016014939A DE102016014939A1 DE 102016014939 A1 DE102016014939 A1 DE 102016014939A1 DE 102016014939 A DE102016014939 A DE 102016014939A DE 102016014939 A1 DE102016014939 A1 DE 102016014939A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
resonator
laser device
semiconductor elements
photonic crystal
waveguide
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102016014939.6A
Other languages
English (en)
Inventor
Ivano Giuntoni
Lutz Geelhaar
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Forschungsverbund Berlin FVB eV
Original Assignee
Forschungsverbund Berlin FVB eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Forschungsverbund Berlin FVB eV filed Critical Forschungsverbund Berlin FVB eV
Priority to DE102016014939.6A priority Critical patent/DE102016014939A1/de
Priority to PCT/EP2017/082530 priority patent/WO2018108970A2/de
Priority to US16/467,719 priority patent/US11955773B2/en
Publication of DE102016014939A1 publication Critical patent/DE102016014939A1/de
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/0206—Substrates, e.g. growth, shape, material, removal or bonding
    • H01S5/021—Silicon based substrates
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/11—Comprising a photonic bandgap structure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/04—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping, e.g. by electron beams
    • H01S5/041—Optical pumping
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/1021—Coupled cavities
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/1028—Coupling to elements in the cavity, e.g. coupling to waveguides adjacent the active region, e.g. forward coupled [DFC] structures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/1042—Optical microcavities, e.g. cavity dimensions comparable to the wavelength
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/1071—Ring-lasers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/12—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region the resonator having a periodic structure, e.g. in distributed feedback [DFB] lasers
    • H01S5/125—Distributed Bragg reflector [DBR] lasers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
    • H01S5/341—Structures having reduced dimensionality, e.g. quantum wires
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
    • H01S5/341—Structures having reduced dimensionality, e.g. quantum wires
    • H01S5/3412—Structures having reduced dimensionality, e.g. quantum wires quantum box or quantum dash
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
    • H01S5/343—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S2304/00—Special growth methods for semiconductor lasers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/0206—Substrates, e.g. growth, shape, material, removal or bonding
    • H01S5/0208—Semi-insulating substrates
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/1003—Waveguide having a modified shape along the axis, e.g. branched, curved, tapered, voids
    • H01S5/101—Curved waveguide
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/40—Arrangement of two or more semiconductor lasers, not provided for in groups H01S5/02 - H01S5/30
    • H01S5/4025—Array arrangements, e.g. constituted by discrete laser diodes or laser bar
    • H01S5/4031—Edge-emitting structures

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)
  • Optical Integrated Circuits (AREA)

Abstract

Eine Laservorrichtung (100) umfasst ein Substrat (10), auf dessen Oberfläche ein optischer Wellenleiter (11) angeordnet ist, der einen optischen Resonator (12, 13) mit einer derartigen Resonatorlänge enthält, dass mindestens eine Resonatormode im Resonator (12, 13) eine stehende Welle bildet, und ein Verstärkungsmedium, das auf einer Oberfläche des optischen Wellenleiters (11) angeordnet ist, wobei das Verstärkungsmedium einen photonischen Kristall (20) mit einer Vielzahl von säulen- und/oder wandförmigen Halbleiterelementen (21) umfasst, die periodisch, von dem optischen Wellenleiter (11) abstehend auf der Oberfläche des optischen Wellenleiters (11) angeordnet sind, und der photonische Kristall (20) für eine optische Wechselwirkung mit der mindestens einen Resonatormode des optischen Resonators (12, 13) und für eine Verstärkung von Licht mit einer Wellenlänge der mindestens einen Resonatormode des optischen Resonators (12, 13) eingerichtet ist. Es werden auch Verfahren zum Betrieb und zur Herstellung der Laservorrichtung beschrieben.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Laservorrichtung, umfassend einen photonischen Kristall mit einer Vielzahl von säulen- und/oder wandförmigen Halbleiterelementen (nanostrukturierte Halbleiterelemente, insbesondere Nanodrähte und/oder Nanowände) und Verfahren zu deren Betrieb und zu deren Herstellung. Anwendungen der Erfindung sind bei der Erzeugung von kohärentem Licht, insbesondere in der Optoelektronik gegeben.
  • Zur Beschreibung des Hintergrunds der Erfindung wird insbesondere auf die folgenden Veröffentlichungen Bezug genommen:
    • [1] J. Van Campenhout et al. in „Opt. Express" 15, 6744-67 49 (2007);
    • [2] G.-H. Duan et al. in „IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron." 20, 6100213 (2014);
    • [3] B. Snyder et al. in „J. Lightw. Technol." 3, 3934-3942 (2013);
    • [4] DE 10 2011 118 273 A1 ;
    • [5] R. Chen et al. in „Nat. Phot." 5,170-175 (2011);
    • [6] T. Stettner et al. in „Appl. Phys. Lett." 108, 011108 (2016);
    • [7] A. C. Scofield et al. in „Nano Lett." 11, 5387-5390 (2011);
    • [8] US 2014/286367 A1 ;
    • [9] H. Kim et al. in „Nano Lett." 16, 1833 (2016);
    • [10] W.-J. Lee et al. in „Appl. Phys. Lett." 108, 081108 (2016);
    • [11] I. Giuntoni et al., „Light coupling between vertical monolithically integrated III-V nanowires and planar silicon waveguides", Abstracts of „European Materials Research Society Fall Meeting", 2015;
    • [12] US 2014/226691 A1 ;
    • [13] D. Korn et al. in „Nature Communications" 7, 10864 (2016); und
    • [14] B. Jang et al. in „Appl. Phys. Expr." 9, 092102 (2016).
  • Die monolithische Integration von Laserquellen auf SiliziumSubstraten stellt einen der wichtigsten Schritte für neue Anwendungen von Silizium (Si) in der Photonik und/oder der Elektronik, wie zum Beispiel die Integration von optischen Bauteilen oder die optische Datenübertragung in Verbindung mit CMOS-Technologie, dar. Silizium weist eine indirekte Bandlücke auf, so dass eine Lichtemission nicht unmittelbar aus Silizium erreicht werden kann. Daher ist die Kombination mit anderen Materialien erforderlich, die eine direkte Bandlücke passender Energie aufweisen. Silizium-Substrate erlauben insbesondere die Integration von Wellenleitern zur Führung von Licht zwischen optischen Bauteilen.
  • Es wurden verschiedene Verfahren zur Integration von Laserquellen auf Silizium vorgeschlagen, wie zum Beispiel ein Bonden von III-V-Halbleiterchips auf der Oberfläche eines Si-Wellenleiters [1, 2] oder eine Hybridintegration durch Verbinden separat vorgefertigter Komponenten [3]. Diese Konzepte haben jedoch Nachteile hinsichtlich einer beschränkten Effektivität der Lichtkopplung in den Wellenleiter, einer komplexen Struktur oder der fehlenden Eignung für eine Massenfabrikation.
  • Es ist ferner bekannt, lichtemittierende Bauelemente aus photonischen Kristallen (periodische Anordnungen nanostrukturierter Halbleiterelemente) herzustellen (siehe z. B. [7]). Die Halbleiterelemente weisen charakteristische Dimensionen im Sub-Mikrometer-bereich auf. Durch selektives Ätzen planarer Halbleiter („Top-down“-Verfahren) oder durch epitaktisches Wachstum nanostrukturierter Halbleiterelemente auf einem Substrat („Bottom-up“-Verfahren) können z. B. säulenförmige Halbleiterelemente (Nanodrähte, Nanosäulen, engl.: nanowire) oder wandförmige Halbleiterelemente (Nanowände, Nanoplatten, Nanoscheiben, engl.: nanowall) auf dem Substrat gebildet werden (siehe z. B. [4] und darin zitierte Publikationen). Von Interesse sind insbesondere derartige Halbleiterelemente mit Heterostrukturen aus Verbindungshalbleitern, basierend auf Arseniden und Phosphiden von Atomen der III. Hauptgruppe (Hauptgruppe-III-Arsenid- bzw. -Phosphid-Halbleiter), die direkte Bandlücken kleiner als die Bandlücke von Si aufweisen und somit für die Aussendung von Licht geeignet sind, das in Si-Wellenleitern ohne große Verluste geführt werden kann.
  • Nanostrukturierte Halbleiterelemente aus Verbindungshalbleitern haben insbesondere bei ihrer Herstellung mit dem „Bottom-up“-Verfahren den Vorteil, dass Beschränkungen in der Planartechnik aufgrund der Gitterfehlanpassung in Bezug auf Si-Substrate überwunden werden können. Basisflächen der nanostrukturierten Halbleiterelemente mit typischen Dimensionen kleiner als einigen hundert Nanometern erlauben die Züchtung von Verbindungshalbleitern auf Si-Substraten in besserer Kristallqualität als planar möglich.
  • Laserquellen, deren Verstärkungsmedium durch einen einzelnen Nanodraht oder eine periodische Anordnung von Nanodrähten gebildet wird, sind zum Beispiel in [5, 6, 7, 8] beschrieben. Diese Laserquellen zeichnen sich jedoch durch eine beschränkte Leistungsfähigkeit und eine beschränkte praktische Anwendbarkeit aus. Beispielsweise sind sie nicht für eine Kombination mit anderen optischen Komponenten ausgelegt.
  • Die Positionierung von III-V-Halbleiter-Nanodrähten auf der Oberfläche eines strukturierten Si-Substrats und die Kopplung von Licht zwischen den Nanodrähten und einem Si-Wellenleiter werden in [9, 10] beschrieben. Bei diesen Anordnungen dient das Si, auf dem die Nanodrähte positioniert sind, nur als mechanischer Träger. Des Weiteren wird mit den in [9, 10] beschriebenen Strukturen keine Emission von kohärentem Laserlicht erzielt. Die Kopplung von Lichtfeldern zwischen einer periodischen Anordnung von vertikalen Halbleiter-Nanodrähten und planaren Si-Wellenleitern wird in [11] beschrieben. Eine Kopplung von Lichtfeldern zwischen einem planaren Si-Wellenleiter und einer darüber befindlichen Halbleiterstruktur lässt sich auch erreichen, wenn letztere als photonischer Kristall durch Ätzen von Löchern aus einem Halbleiterblock eingerichtet wird [12].
  • In [13] wird eine Laserquelle beschrieben, die eine Hybridstruktur mit einem Wellenleiter-Resonator aus Silizium und einer Deckschicht aus einer mit einem Farbstoff dotierten organischen Substanz umfasst. Die Deckschicht bildet ein Verstärkungsmedium für das im Wellenleiter-Resonator geführte Licht. Die Hybridstruktur gemäß [13] hat Nachteile durch eine begrenzte Effizienz der Lichtkopplung zwischen Verstärkungsmedium und Resonator, was eine große Länge des Resonators erforderlich macht, sowie durch eine begrenzte Fähigkeit zur elektrischen Anregung (elektrisches Pumpen) der organischen Deckschicht.
  • In [14] wird eine Laserquelle beschrieben, die eine Hybridstruktur mit einem Wellenleiter-Resonator aus Silizium und einem darauf angebrachten Verstärkungsmedium umfasst. Letzteres besteht aus Quantenpunkten, die epitaktisch in einer Verbindungshalbleiter-Heterostruktur eingebettet sind. Diese Hybridstruktur weist Nachteile durch das geringe Volumen der Quantenpunkte auf, die voneinander getrennt wirken und keinen photonischen Kristall bilden, was eine große Länge des Resonators erforderlich macht. Ein weiterer Nachteil der Laserquelleergibt sich aus deren nicht-monolithischer Herstellung.
  • Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Laservorrichtung, basierend auf einem photonischen Kristall mit einer Vielzahl nanostrukturierter Halbleiterelemente, bereitzustellen, mit der Nachteile herkömmlicher Techniken überwunden werden. Die Laservorrichtung soll sich insbesondere durch eine erhöhte Leistungsfähigkeit, eine Miniaturisierbarkeit, eine elektrische Anregbarkeit der Laseremission und/oder eine verbesserte Integrierbarkeit in Si-basierte Halbleitervorrichtungen, insbesondere Si-basierte Photonik und hochintegrierte Elektronik, auszeichnen. Aufgaben der Erfindung sind es des Weiteren, verbesserte Verfahren zum Betrieb und verbesserte Verfahren zur Herstellung einer derartigen Laservorrichtung bereitzustellen, mit denen Nachteile herkömmlicher Verfahren vermieden werden.
  • Diese Aufgaben werden durch die Laservorrichtung und die Betriebs- und Herstellungsverfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
  • Gemäß einem ersten allgemeinen Gesichtspunkt der Erfindung wird die oben genannte Aufgabe durch eine Laservorrichtung gelöst, die einen optischen Wellenleiter und ein Verstärkungsmedium umfasst. Der optische Wellenleiter enthält einen optischen Resonator mit einer Resonatorlänge, die zur Führung mindestens einer Resonatormode im Resonator geeignet ist. Das Verstärkungsmedium ist auf der Oberfläche des optischen Wellenleiters angeordnet.
  • Gemäß der Erfindung umfasst das Verstärkungsmedium einen photonischen Kristall mit einer Vielzahl von säulen- und/oder wandförmigen Halbleiterelementen, die periodisch, von dem optischen Wellenleiter abstehend auf der Oberfläche des optischen Wellenleiters angeordnet sind. Die Oberfläche des optischen Wellenleiters ist eine unstrukturierte, insbesondere ebene Oberfläche, die unmittelbar eine Begrenzung des optischen Wellenleiters bildet.
  • Des Weiteren ist gemäß der Erfindung der photonische Kristall durch eine Auswahl seiner geometrischen Eigenschaften für eine direkte optische Wechselwirkung mit der mindestens einen Resonatormode des optischen Resonators eingerichtet. Die Erfinder haben festgestellt, dass der photonische Kristall durch eine Auswahl der geometrischen Eigenschaften, insbesondere der Periode (Abstände), des Durchmessers und der Höhe der Halbleiterelemente, so gebildet sein kann, dass die Kopplung zwischen dem photonischen Kristall und dem optischen Wellenleiter maximiert wird. Vorteilhafterweise wird der photonische Kristall als Verstärkungsmedium zum Bestandteil des optischen Resonators.
  • Für die Funktion der Laservorrichtung ist es ausreichend, wenn nur ein Abschnitt des Wellenleiters vorgesehen ist, der als optischer Resonator konfiguriert ist. Ein weiterer wichtiger Vorteil der Erfindung besteht jedoch darin, dass der Wellenleiter, der den optischen Resonator enthält, direkt mit einem Wellenleiter außerhalb der Laservorrichtung koppelbar ist und/oder sich beispielsweise im Fall eines linearen Resonators außerhalb des optischen Resonators fortsetzt.
  • Abweichend von den in [9, 10] beschriebenen Techniken, bei denen ein photonischer Kristall aus Nanodrähten optisch mit einem seitlich herangeführten Wellenleiter nur evaneszent wechselwirkt, ist erfindungsgemäß der photonische Kristall direkt mit einem unmittelbar darunter liegenden Wellenleiter gekoppelt. Vorteilhafterweise werden die Einschränkungen vermieden, die sich bei [9, 10] aus der weniger effizienten optischen Kopplung und der Bereitstellung der Gitterstruktur, auf der die Nanodrähte gezüchtet werden, ergeben.
  • Die Erfinder haben des Weiteren festgestellt, dass sich Nachteile der Hybridstruktur gemäß [13] und [14] aus der Trennung einerseits der Verstärkung in der Deckschicht und andererseits der Führung von Licht im Wellenleiter ergeben. Bei der Hybridstruktur gemäß [13] erfolgt die Kopplung von Licht aus dem Wellenleiter-Resonator in die Deckschicht lediglich evaneszent, so dass die Intensität vom Wellenleiter weg im Verstärkungsmedium einfach abfällt und die Kopplung allein durch die Geometrie des Wellenleiter-Resonators sowie den Brechungsindex der Deckschicht bestimmt wird. Davon abweichend wird erfindungsgemäß die Kopplung vom photonischen Kristall mit dem Resonator diffraktiv insbesondere durch die Periode der Halbleiterelemente in einer Referenzrichtung entlang der Ausrichtung des Lichtfeldes im Wellenleiter, insbesondere parallel zur optischen Achse im Wellenleiter, sowie durch deren Durchmesser und Brechungsindex bestimmt. Stehende Lichtwellen im optischen Resonator des Wellenleiters sind auf den photonischen Kristall ausgedehnt. Diese Art von Kopplung ist vorteilhafterweise deutlich effizienter als evaneszente Kopplung, wodurch die Laservorrichtung erheblich kompakter gestaltet werden kann.
  • Erfindungsgemäß wird Licht auch innerhalb des photonischen Kristalls unter der Wirkung eines Sprungs des Brechungsindex relativ zur Umgebung der Halbleiterelemente und/oder zusätzlich über Metallspiegel auf dem photonischen Kristall geführt. Da die Wechselwirkung gemäß [13] einfach evaneszent und damit schwach ist, muss der Resonator bei der herkömmlichen Technik relativ lang sein (mindestens einige mm), so dass sich viele Resonatormoden und ein sehr breites Wellenlängenspektrum ergeben, wodurch bei [13] die Eignung, bestimmte Ausgangswellenlängen einzustellen, und die Miniaturisierbarkeit für opto-elektronische Anwendungen beschränkt sind.
  • Vorzugsweise ist der Wellenleiter, der den optischen Resonator enthält, auf einem Substrat angeordnet. Das Substrat dient vorteilhafterweise als mechanischer Träger. Besonders bevorzugt wird der Wellenleiter durch Prozessierung aus dem Substrat erzeugt.
  • Vorzugsweise ist der optische Wellenleiter über der Oberfläche des Substrats vorragend gebildet. Der Wellenleiter hat laterale Oberflächen, die senkrecht oder geneigt zur Oberfläche des Substrats ausgerichtet sind, und eine obere Oberfläche, die parallel zur Oberfläche des Substrats ausgerichtet ist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der photonische Kristall auf der oberen Oberfläche des optischen Wellenleiters angeordnet, wobei die Halbleiterelemente senkrecht zur oberen Oberfläche und zur Oberfläche des Substrats ausgerichtet sind. Besonders bevorzugt ist der photonische Kristall ausschließlich auf der oberen Oberfläche des optischen Wellenleiters angeordnet, während die lateralen Oberflächen frei von Halbleiterelementen sind. In [13] wird wegen des Austritts des Lichtfeldes aus dem Wellenleiter hauptsächlich durch die lateralen Oberflächen in die Deckschicht eine allseitige Bedeckung des Wellenleiters mit dem Verstärkungsmedium beschrieben. Die Erfinder haben festgestellt, dass aufgrund der deutlich effizienteren Art der Kopplung eine seitliche Bedeckung des Wellenleiters mit dem photonischen Kristall nicht erforderlich ist.
  • Die Erfinder haben des Weiteren festgestellt, dass einerseits die Resonatorlänge des optischen Resonators, d. h. die Länge des Wellenleiters zwischen den Reflektoren, eine Resonanzwellenlänge definiert und andererseits die Periodizität der Anordnung der Halbleiterelemente eine Koppelwellenlänge definiert, die zwischen Halbleiterelementen und dem Wellenleiter gekoppelt wird. Vorzugsweise werden beide Parameter gleichzeitig so gewählt, dass die Resonanzwellenlänge im Wellenleiter zu der Koppelwellenlänge passt. Hierzu werden die Halbleiterelemente entlang der Referenzrichtung parallel zur optischen Achse im Wellenleiter vorzugsweise an den Positionen angeordnet, an denen sich Feldmaxima der mindestens einen Resonatormode (stehende Welle im Wellenleiter) befinden. Mit anderen Worten, die Periode der Halbleiterelemente ist vorzugsweise ein Vielfaches der Wellenlänge im Wellenleiter.
  • Vorteilhafterweise kann die Laservorrichtung mit verschiedenen Typen von Resonatoren bereitgestellt werden. Beispielsweise kann der Resonator ein Linearresonator mit zwei Reflektoren, die am optischen Wellenleiter gebildet sind (erste Ausführungsform der Erfindung), oder ein geschlossener Resonator ohne Reflektoren sein (zweite Ausführungsform der Erfindung).
  • Der Linearresonator hat vorzugsweise die Gestalt eines langgestreckten Quaders, der auf der Oberfläche des Substrats der Laservorrichtung, insbesondere von dieser vorstehend, gebildet ist. Besonders bevorzugt umfassen die Reflektoren periodische Strukturen im Wellenleiter, die Bragg-Reflektoren für die mindestens eine Resonatormode bilden. Die periodischen Strukturen im Wellenleiter umfassen Brechzahlvariationen, z. B. durch Vertiefungen in der oberen Oberfläche des Wellenleiters, die entlang der optischen Achse des Wellenleiters mit Abständen zur Erfüllung der Bragg-Bedingung für die mindestens eine Resonatormode angeordnet sind.
  • Gemäß einer ersten Variante der ersten Ausführungsform der Erfindung ist es ausreichend, wenn die Halbleiterelemente auf der oberen Oberfläche des Linearresonators als eine einzige gerade Reihe entlang der Referenzrichtung parallel zur optischen Achse des Resonators angeordnet sind. In diesem Fall bilden die Halbleiterelemente einen einreihigen, linearen photonischen Kristall, der sich vorteilhafterweise durch eine vereinfachte Herstellung auszeichnet. Gemäß einer alternativen Variante der ersten Ausführungsform der Erfindung sind mindestens zwei, vorzugsweise mindestens drei parallele Reihen der Halbleiterelemente auf der oberen Oberfläche des Linearresonators entlang der Referenzrichtung parallel zur optischen Achse des Resonators angeordnet. In diesem Fall ist der photonische Kristall insbesondere so konfigurierbar, dass eine optische Kopplung einer mittleren Reihe mit dem Wellenleiter stärker als die optische Kopplung der äußeren Reihen mit dem Wellenleiter ist und die äußeren Reihen für einen lateralen Einschluss des Lichtfeldes im photonischen Kristall angepasst sind. Vorteilhafterweise ergibt sich daraus eine erhöhte Effektivität der Laservorrichtung.
  • Der geschlossene Resonator der zweiten Ausführungsform der Erfindung ist mit einem Kopplungsabschnitt zur Auskopplung von Licht aus dem geschlossenen Resonator ausgestattet. Der Kopplungsabschnitt enthält vorzugsweise einen linearen Wellenleiter, der mit einem Abstand entlang einer Außenseite des geschlossenen Resonators verläuft, wobei der Abstand in Abhängigkeit von der Wellenlänge gewählt ist. Alternativ kann der Kopplungsabschnitt aus einem Multimode-Interferenz-Koppler bestehen.
  • Vorteilhafterweise sind verschiedene Formen geschlossener Resonatoren verfügbar, mit denen die Laservorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung realisierbar ist. Beispielsweise kann der geschlossene Resonator ein Ringresonator mit einer Kreisform sein. In diesem Fall können sich Vorteile für die Formung der mindestens einen Resonatormode im Resonator ergeben. Der photonische Kristall umfasst eine ein- oder mehrreihige, periodische Kreisanordnung der Halbleiterelemente auf der oberen Oberfläche des Ringresonators.
  • Alternativ kann der geschlossene Resonator ein Racetrack-Resonator mit einer aus geraden und gekrümmten Abschnitten zusammengesetzten Form sein, woraus sich Vorteile aus der besonders bevorzugten Anordnung des photonischen Kristalls auf mindestens einem der geraden Abschnitte ergeben können. Bei dieser Variante der Erfindung kann der photonische Kristall, wie oben in Bezug auf den Linearresonator erwähnt, eine oder mehrere (mindestens zwei, insbesondere mindestens drei) gerade Reihen der Halbleiterelemente umfassen, die sich parallel zur optischen Achse im jeweiligen geraden Abschnitt des Wellenleiters erstrecken.
  • Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Laservorrichtung für eine elektrische Anregung des photonischen Kristalls eingerichtet. Die Oberfläche des Substrats trägt vorzugsweise benachbart zu dem photonischen Kristall, insbesondere benachbart zu dem Wellenleiter, eine erste Kontaktelektrode, die zur Verbindung von Fußenden der Halbleiterelemente, die mit dem Substrat verbunden sind, über das Substrat mit einer Spannungsquelleneinrichtung eingerichtet ist.
  • Eine zweite Kontaktelektrode ist zur Verbindung von zu den Fußenden entgegengesetzten Kopfenden der Halbleiterelemente mit der Spannungsquelleneinrichtung eingerichtet. Hierzu sind die Halbleiterelemente des photonischen Kristalls vorzugsweise in einer dielektrischen Einbettungsschicht angeordnet, welche die Halbleiterelemente vorteilhafterweise stabilisiert und mechanisch schützt und einen Träger für die zweite Kontaktelektrode bildet.
  • Besonders bevorzugt wird die zweite Kontaktelektrode durch eine elektrische Kontaktschicht gebildet, die auf der Einbettungsschicht angeordnet und mit den Kopfenden der Halbleiterelemente elektrisch verbunden ist. Wenn die elektrische Kontaktschicht eine lichtundurchlässige Schicht, z. B. aus einem Metall, ist, ergeben sich weitere Vorteile für den Einschluss des Lichtfeldes im photonischen Kristall.
  • Alternativ kann die Laservorrichtung für eine optische Anregung des photonischen Kristalls eingerichtet sein. In diesem Fall sind keine Kontaktelektroden vorgesehen.
  • Gemäß einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Wellenleiter aus Silizium hergestellt. Das Substrat ist vorzugsweise ein SOI-Substrat mit einem Silizium-Trägersubstrat, einer Siliziumdioxid-Schicht und einer Silizium-Deckschicht, die den optischen Wellenleiter enthält. Der Wellenleiter wird besonders bevorzugt aus der Silizium-Deckschicht herausgeätzt. Die Halbleiterelemente sind in unmittelbarem Kontakt mit dem Silizium angeordnet, wobei sich mehrere Vorteile ergeben. Erstens wird die Integration der erfindungsgemäßen Laservorrichtung in einen Si-basierten Aufbau, insbesondere einen Si-basierten opto-elektronischen Chip vereinfacht. Zweitens ist das Silizium bei Dotierung ausreichend elektrisch leitfähig, um die elektrische Kontaktierung der Halbleiterelemente an ihren zum Substrat weisenden Fußenden bereitzustellen. Besonders bevorzugt besteht das Substrat aus Siliziumdioxid mit einer Silizium-Deckschicht, welche die Substratoberfläche bildet und die Halbleiterelemente trägt. Vorteilhafterweise hat das Siliziumdioxid eine besonders große Bandlücke und einen niedrigen Brechungsindex, so dass der Einschluss des im Wellenleiter geführten Lichts durch das Siliziumdioxid unterstützt wird. Neben der hier detailliert beschriebenen Ausführungsform basierend auf einem Wellenleiter aus Silizium sind jedoch auch Ausführungsformen denkbar, bei denen der Wellenleiter aus einem anderen Material, wie z. B. InP, GaAs, GaN oder AlN besteht. Je nach Material des Wellenleiters kann Licht anderer Wellenlängen verlustfrei geführt werden, woraus sich die jeweils vorteilhaften Materialien für das Substrat und die Halbleiterelemente ergeben.
  • Gemäß einem zweiten allgemeinen Gesichtspunkt der Erfindung wird die oben genannte Aufgabe durch ein Verfahren zum Betrieb der erfindungsgemäßen Laservorrichtung gemäß dem ersten allgemeinen Gesichtspunkt der Erfindung gelöst. Beim Betrieb der Laservorrichtung erfolgen eine Kopplung der Laservorrichtung mit einer Pumpeinrichtung, insbesondere einer Spannungsquelleneinrichtung oder einer Pumplichtquelle, eine elektrische oder optische Anregung des photonischen Kristalls, und eine Führung von Laserlicht in dem Wellenleiter und/oder Emission von Laserlicht aus dem Wellenleiter. Vorteilhafterweise wird Laserlicht direkt in den Wellenleiter gekoppelt und damit für photonische Anwendungen bereitgestellt, die auf Wellenleitern basieren. Alternativ kann das Licht aus dem Wellenleiter herausgeführt werden.
  • Gemäß einem dritten allgemeinen Gesichtspunkt der Erfindung wird die oben genannte Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung einer Laservorrichtung gemäß dem ersten allgemeinen Gesichtspunkt der Erfindung gelöst. Auf dem Substrat erfolgt ein Aufwachsen der Halbleiterelemente des photonischen Kristalls. Vorzugsweise wachsen alle Halbleiterelemente gleichzeitig auf. Anschließend erfolgt ein Kontaktieren des photonischen Kristalls über Kontaktelektroden. Vorzugsweise umfasst das Aufwachsen der Halbleiterelemente ein direktes epitaktisches oder ein Gas-Flüssigkeit-Festkörper-basiertes Wachstum der Halbleiterelemente auf dem Substrat und/oder eine maskenbasierte Deposition der Halbleiterelemente auf dem Substrat. Besonders bevorzugt werden die Halbleiterelemente in einer transparenten Einbettungsschicht eingebettet.
  • Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
    • 1: eine schematische Draufsicht auf eine Laservorrichtung mit einem Linearresonator gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;
    • 2: eine schematische Draufsicht auf eine Laservorrichtung mit einem Ringresonator gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung
    • 3 und 4: schematische Perspektivansichten einer Laservorrichtung mit einem Linearresonator gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;
    • 5 und 6: eine schematische Seitenansicht eines Linearresonators und eine Kurvendarstellung des Q-Faktors des Linearresonators in Abhängigkeit von der Periode der Halbleiterelemente;
    • 7 und 8: eine schematische Perspektivansicht eines Bragg-Reflektors des Linearresonators gemäß 1 und eine Kurvendarstellung der Reflektivität und Transmission in Abhängigkeit von der Periodenzahl des Bragg-Reflektors; und
    • 9 und 10: eine weitere schematische Seitenansicht eines Linearresonators und eine Kurvendarstellung der Ausgangsleistung der Laservorrichtung in Abhängigkeit von dem Verstärkungsfaktor der Halbleiterelemente.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden unter beispielhaftem Bezug auf eine Laservorrichtung beschrieben, die mit einer einzigen Reihe von Halbleiterelementen in Gestalt von Nanodrähten ausgestattet ist. Die Verwendung eines einreihigen photonischen Kristalls hat Vorteile für die vereinfachte Herstellung der Laservorrichtung. Die Umsetzung der Erfindung in der Praxis ist jedoch nicht auf diese Ausführungsform beschränkt. Vielmehr kann die Laservorrichtung mit einem mehrreihigen photonischen Kristall realisiert werden. Des Weiteren ist die Erfindung nicht auf die Verwendung von Nanodrähten beschränkt, sondern in entsprechender Weise mit einem photonischen Kristall realisierbar, der aus Nanodrähten und Nanowänden oder ausschließlich aus Nanowänden hergestellt ist. Die Nanowände sind bei diesen Varianten der Erfindung quer zum Lichtweg im Resonator, insbesondere quer zur optischen Achse im Resonator, ausgerichtet.
  • Allgemein umfassen die Halbleiterelemente des photonischen Kristalls bei den Ausführungsformen der Erfindung z. B. die Form einer Säule (oder: Nadel, Draht oder Stab) oder die Form einer Wand (oder: Scheibe). Die Dicke der Halbleiterelemente beträgt vorzugsweise mindestens 1 nm und/oder höchstens 500 nm, und die Höhe der Halbleiterelemente beträgt vorzugsweise mindestens 10 nm und/oder höchstens 10 µm. Die Halbleiterelemente sind vorzugsweise aus einem III-V-Halbleiter, insbesondere GaAs-, GaP- oder GaN-Verbundhalbleiter, hergestellt und optional dotiert, z. B. mit Si, Be, C oder Te (GaAs) oder mit Si, Ge oder Mg (GaN).
  • 1 zeigt die erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laservorrichtung 100 mit einem Linearresonator 12 in schematischer Draufsicht. Die Laservorrichtung 100 umfasst ein Substrat 10, auf dessen Oberfläche vorstehend ein gerader Wellenleiter 11 (siehe 3) gebildet ist. Die Oberfläche des Substrats 10 und der Wellenleiter 11 sind integral aus Silizium hergestellt, insbesondere als Teil einer Siliziumplatte gebildet.
  • Der Wellenleiter 11 hat eine Quaderform mit lateralen Oberflächen senkrecht oder geneigt relativ zur Oberfläche des Substrats 10 und einer oberen Oberfläche parallel zur Oberfläche des Substrats 10. Der Wellenleiter 11 hat eine Breite von z. B. 500 nm und eine Höhe der oberen Oberfläche relativ zur übrigen Oberfläche des Substrats 10 von z. B. 50 nm. In Längsrichtung hat der Wellenleiter 11 eine Länge, die in Abhängigkeit von der konkreten Anwendung der Laservorrichtung 100 gewählt ist und im Bereich von 5 µm bis 5 mm gewählt sein kann. Wenn die Laservorrichtung 100 für eine elektrische Anregung des photonischen Kristalls ausgelegt ist, umfasst das Substrat 10 und insbesondere der Wellenleiter 11 dotiertes Silizium. Das Silizium ist z. B. mit Bor mit einer Konzentration von 1018 cm-3 dotiert. Wenn die Laservorrichtung 100 für eine optische Anregung des photonischen Kristalls ausgelegt ist, wird vorzugsweise nicht-dotiertes Silizium verwendet.
  • Der Wellenleiter 11 weist zwei Reflektoren 14, 15 auf, die den Linearresonator 12 aufspannen. Der Linearresonator 12 hat eine Länge entlang der optischen Achse OA von z. B. 10,2 µm, was einer Resonanzwellenlänge von z. B. 1,3 µm entspricht. Die Länge des Resonators ist somit fast 1000-fach geringer als in [13] und [14], wodurch vorteilhafterweise die Integrierbarkeit der Laservorrichtung 100 in einen opto-elektronischen, integrierten Schaltkreis (Opto-Elektronik-Chip) verbessert wird.
  • Die Reflektoren 14, 15 haben verschiedene Reflektivitäten. Der erste Reflektor 14 hat als Resonatorendspiegel eine Reflektivität von nahezu oder gleich 100 %, z. B. mindestens 99,9 %, während der zweite Reflektor 15 als Resonatorauskoppelspiegel eine geringere Reflektivität im Bereich von 95 % und 98 % aufweist. Die Reflektoren 14, 15 sind Bragg-Reflektoren mit Bragg-Strukturen im Material des Wellenleiters 11 (siehe 7). Alternativ kann mindestens einer der Reflektoren 14, 15 ein dielektrischer Spiegel auf einer Endfläche des Wellenleiters 11 sein.
  • Der photonische Kristall 20 umfasst eine gerade Reihe 22 aus z. B. 10 Halbleiterelementen 21, wie z. B. zylinderförmigen Nanosäulen 21, die auf der oberen Oberfläche des Wellenleiters 11 mit einer Periode von z. B. 750 nm angeordnet sind. Diese Periode ist für eine Koppelwellenlänge von z. B. 1.3 µm optimiert, welche an die o. g. Resonanzwellenlänge angepasst ist. Die Nanosäulen 21 sind z. B. durch ein epitaktisches Wachstum auf dem Wellenleiter 11 gebildet. Vorteilhafterweise enthält jede Nanosäule 21 z. B. eine Heterostruktur mit mindestens einem Quantentopf, -draht oder -punkt, die z. B aus Verbindungshalbleitern mit verschiedenen Dotierungen hergestellt ist. Die Gesamtheit der Nanosäulen 21 des photonischen Kristalls 20 bildet das Verstärkungsmedium und damit gemeinsam mit dem Linearresonator 12 den Gesamtresonator der erfindungsgemäßen Laservorrichtung 100. Bei elektrischer oder optischer Anregung des photonischen Kristalls 20 (siehe 3, 4) erfolgt eine Emission und resonante Verstärkung von Licht und eine Auskopplung in den übrigen Wellenleiter 11 oder in einen angrenzenden Freiraum durch den zweiten Reflektor 15 (siehe Pfeil).
  • Alternativ kann die erfindungsgemäße Laservorrichtung 100 in der zweiten Ausführungsform den in 2 in schematischer Draufsicht gezeigten Ringresonator 13 aufweisen. Der Ringresonator 13 umfasst einen kreisringförmigen Wellenleiter 11 mit einer relativ zur Oberfläche des Substrats 10 rechteckigen Querschnittsfläche. Auf der oberen Oberfläche des Wellenleiters 11 mit einem Durchmesser von z. B. 4 µm ist der photonische Kristall 20 in Gestalt einer kreisförmigen Reihe von z. B. 10 Halbleiterelementen 21, wie z. B. zylinderförmigen Nanosäulen 21, angeordnet. Bei elektrischer oder optischer Anregung des photonischen Kristalls 20 erfolgt eine Emission und resonante Verstärkung von Licht, das entlang des kreisförmigen optischen Weges OP im Ringresonator 13 (symbolisiert durch einen Doppelpfeil) geführt und an einem Kopplungsabschnitt 30 ausgekoppelt wird. Der Kopplungsabschnitt 30 enthält einen Wellenleiter 31, der mit einem Abstand von dem Wellenleiter 11 angeordnet ist.
  • Um Licht zwischen dem geschlossenen Ringresonator 13 und dem Wellenleiter 31 zu koppeln, reicht es aus, den lateralen Abstand zwischen beiden geeignet zu wählen. Alternativ kann durch eine geeignete Halbleiter-Prozessierung der Kopplungsabschnitt 30 mit einer Materialbrücke zwischen dem Ringresonator 13 und dem Wellenleiter 31 konfiguriert sein.
  • Die Herstellung und Charakterisierung der Laservorrichtung 100 wird im Folgenden unter Bezug auf die erste Ausführungsform (Verwendung eines Linearresonators) beschrieben. Die Herstellung und Charakterisierung der zweiten Ausführungsform der Laservorrichtung 100 (Verwendung des Ringresonators) erfolgt in entsprechender Weise mit einer Anpassung der Form des Wellenleiters.
  • Die 3 und 4 zeigen verschiedene Phasen der Herstellung der erfindungsgemäßen Laservorrichtung 100, z. B. mit den folgenden Eigenschaften. Für eine Laser-Emission bei einer Wellenlänge von λ = 1,3 µm, besteht der Wellenleiter 11 aus Silizium (optionale Dotierung: 1018 cm-3), und die Halbleiterelemente 21 sind Nanodrähte aus Gruppe-III-Arseniden und/oder -Phosphiden. Beispielsweise mit einer GaAs-(In,Ga)As-GaAs-Heterostruktur wird in den Halbleiterelementen 21 vorzugsweise als Kern-Mantel-Struktur oder alternativ in der Längsrichtung der Halbleiterelemente 21 ein p-n-Profil gebildet, das eine elektrische Anregung des photonischen Kristalls und ein Confinement der Ladungsträger in den aktiven Abschnitten der Halbleiterelemente 21 erlaubt.
  • In einem ersten Schritt wird das Substrat 10 mit dem optischen Wellenleiter 11 bereitgestellt. Das Substrat 10 weist einen Schichtaufbau aus einem Silizium-Trägersubstrat (nicht gezeigt), einer Siliziumdioxid-Trägerschicht 16 und einer Silizium-Deckschicht 17 auf, auf der der Wellenleiter 11 gebildet ist. Das Silizium-Trägersubstrat stellt den mechanischen Träger der Laservorrichtung 100 dar, der vorteilhafterweise auch elektronische Komponenten enthalten kann. Die Dicken der Siliziumdioxid-Trägerschicht 16 und der Silizium-Deckschicht 17 betragen zum Beispiel 2 µm und 220 nm. Die Herstellung des Substrats 10 erfolgt mit an sich bekannten Methoden der Silizium-Prozessierung, wie zum Beispiel Ionenimplantation oder Wafer-Bonding. Auf dem Wellenleiter 11 werden die Reflektoren 14, 15 gebildet. Es werden in den Wellenleiter 11 Gräben, zum Beispiel durch Ätzen, eingebracht, die Bragg-Strukturen bilden. Die Zahl der Gräben (Periodenzahl) bestimmt die Reflektivität der Reflektoren 14, 15. Beispielsweise umfasst der erste Reflektor 14 (mit einer Reflektivität von nahezu 100%) 100 Gräben mit einem Abstand von 230 nm, während der zweite Reflektor 15 (mit einer Reflektivität von zum Beispiel 95 %) 40 Gräben mit dem gleichen Abstand umfasst.
  • Zur Bildung des photonischen Kristalls 20 werden die Halbleiterelemente 21 durch epitaktisches Wachstum auf der Oberfläche des Wellenleiters 11 abgeschieden. Hierzu wird auf der oberen Oberfläche des Wellenleiters 11 eine SiO2-Maskierungsschicht (nicht dargestellt) gebildet. Die Maskierungsschicht enthält Löcher, an denen der Wellenleiter freiliegt und das Wachstum der Halbleiterelemente 21 erfolgt.
  • Des Weiteren wird auf der Oberfläche des Substrats 10, insbesondere auf der Silizium-Deckschicht 17 neben dem Wellenleiter 11 eine erste Kontaktelektrode 41 abgeschieden. Die Kontaktelektrode 41 umfasst zum Beispiel eine Schicht aus Gold oder Aluminium zur Kopplung über eine elektrische Leitung zu einer Pumpstromquelle (Stromversorgungseinrichtung) 43 (siehe 4).
  • Der photonische Kristall 20 wird anschließend gemäß 4 in einer Einbettungsschicht 23 eingebettet, die vorzugsweise aus einem organischen Polymer, zum Beispiel Benzocyclobuten (BCB) durch Aufschleudern (Spin-Coating) hergestellt wird.
  • Die Einbettungsschicht 23 wird abgetragen, bis die oberen Enden (Kopfenden) der Halbleiterelemente 21 freiliegen.
  • Schließlich wird als zweite Kontaktelektrode 42 auf der Oberfläche der Einbettungsschicht 23 und in elektrischem Kontakt mit den Halbleiterelementen 21 eine Metallschicht, zum Beispiel aus Gold, gebildet. Die zweite Kontaktelektrode 42 erfüllt eine Doppelfunktion in Bezug auf die elektrische Kontaktierung (Verbindung mit der als Pumpeinrichtung wirkenden Pumpstromquelle 43) und als dritter Reflektor, der den photonischen Kristall 20 in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche des Substrats 10 begrenzt. Die zweite Kontaktelektrode 42 besitzt zum Beispiel eine Dicke von 100 nm.
  • Die Laservorrichtung 100 gemäß den 3 und 4 ist für eine elektrische Anregung einer Laser-Emission durch Injektion eines Pumpstroms von der Pumpstromquelle 43 über die ersten und zweiten Kontaktelektroden 41, 42 in den photonischen Kristall 20 ausgelegt. Die Umsetzung der Erfindung ist jedoch nicht auf eine elektrische Anregung des photonischen Kristalls 20 beschränkt, sondern optional mit einer optischen Anregung des photonischen Kristalls 20 möglich. In diesem Fall sind die ersten und zweiten Kontaktelektroden 41, 42 nicht vorgesehen und das Substrat kann aus nicht-dotiertem Silizium hergestellt sein. Die optische Anregung des photonischen Kristalls 20 erfolgt vorzugsweise mit einer Pumplichtquelle (nicht dargestellt, z. B. eine Laserdiode) mittels einer Bestrahlung durch die Einbettungsschicht 23.
  • 5 zeigt eine Seitenansicht der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laservorrichtung 100 mit dem Wellenleiter 11 (ohne das übrige Substrat) und dem photonischen Kristall 20. Der Linearresonator 12 wird durch die Reflektoren 14, 15 und den zwischen diesen liegenden Abschnitt des Wellenleiters 11 gebildet. Die Halbleiterelemente 21 des photonischen Kristalls 20 sind senkrecht stehend auf der Oberfläche des Wellenleiters 11 gebildet und in der Einbettungsschicht 23 eingebettet. Auf der Oberseite der Einbettungsschicht 23 befindet sich die zweite Kontaktelektrode 42 in elektrischem Kontakt mit den Kopfenden der Halbleiterelemente 21.
  • Die zweidimensionale numerische Simulation des Qualitäts-Faktors (Q-Faktor) des Linearresonators 12 mit kommerziell verfügbarer FDTD-Software („Finite-Difference Time-Domain Software“) ergibt die in 6 gezeigte Abhängigkeit des Q-Faktors von der Periode P des photonischen Kristalls 20. Der Q-Faktor ist eine dimensionslose Größe, die anzeigt, nach wie vielen optischen Perioden die Energie innerhalb des Linearresonators 12 um den Faktor exp(-2n) abfällt.
  • Das Simulationsergebnis der 6 wird mit einem photonischen Kristall 20 aus 10 GaAs/(In, Ga)As-Nanodrähten 21 mit p-n-Profil in Kern-Mantel-Geometrie und zwei idealen Reflektoren 14, 15 (Reflektivität für beide 100%) in einem Wellenleiter aus Si mit einer Höhe von 220 nm und einer Länge von 10,2 µm bei einer Höhe der Nanodrähte 21 von 3 µm, einem Durchmesser der Nanodrähte von 260 nm und einer Dicke der (In,Ga)As-Hülle von 20 nm erhalten. Bei einer Periode von P = 0,75 µm ergibt sich ein Q-Faktor oberhalb von 4000.
  • Nach Bestimmung der Länge des Resonators und Auswahl der Periode des photonischen Kristalls 20, basierend auf dem maximalen Q-Faktor, erfolgt die Dimensionierung der Reflektoren 14, 15, insbesondere der Bragg-Strukturen im Wellenleiter 11 gemäß den 7 und 8.
  • Allgemein werden die Reflektivitäten des Resonatorendspiegels 14 und des Resonatorauskoppelspiegels 15 vorzugsweise durch die Wahl der Periodenzahl und der Modulationstiefe der Bragg-Struktur eingestellt. Diese Parameter des Resonatorendspiegels 14 werden, beispielsweise basierend auf Tests oder Simulationen mit dem Verfahren der bidirektionalen Moden-Propagation (BEP-Verfahren), so gewählt, dass eine Reflektivität von nahezu 1 erreicht wird. Die Periodenzahl und die Modulationstiefe des Auskoppelspiegels 15 werden entsprechend und des Weiteren in Abhängigkeit vom Q-Faktor des Linearresonators 12 so gewählt, dass ein vorbestimmter Anteil des im Linearresonators 12 zirkulierenden Lichts durch den Resonatorendspiegel 15 ausgekoppelt wird.
  • 7 illustriert die Bragg-Struktur von einem der Reflektoren 14, 15 in schematischer Perspektivansicht. Die Bragg-Struktur umfasst eine periodische Anordnung von Gräben 18 im Wellenleiter 11 auf dem Substrat 10. Die Gräben 18 erstrecken sich senkrecht zur Längsausdehnung (optische Achse OA) des Wellenleiters 11. Die spektrale Reflektivität der Bragg-Struktur wird durch die Periode Λ (Abstand zwischen den Gräben), die Periodenzahl N (Anzahl der Gräben) und die Modulationstiefe (Tiefe d der Gräben 18) bestimmt.
  • Für das oben genannte Beispiel von Silizium als Material des Wellenleiters und eine Wellenlänge von A = 1,3 µm wird zur Erfüllung der Bragg-Bedingung eine Periode Λ = 227 nm gewählt. Die Tiefe d der Gräben 18 kann sich über einen Teil der Höhe des Wellenleiters 11 relativ zur Oberfläche des Substrats 10 oder über die gesamte Höhe des Wellenleiters 11 erstrecken. Beim genannten Beispiel beträgt die Tiefe d der Gräben 18 50 nm.
  • Durch eine Variation der Periodenzahl N kann die Reflektivität und Transmission der Bragg-Struktur eingestellt werden. Das in 8 illustrierte, mit dem BEP-Verfahren ermittelte Simulationsergebnis zeigt, wie die Reflektivität R mit der zunehmenden Periodenzahl N steigt, während die Transmission T mit der zunehmenden Periodenzahl N sinkt. Für eine Bragg-Struktur mit mehr als 50 Gräben 18 wird eine Reflektivität von nahezu 1 erreicht.
  • Für die Simulation der Laservorrichtung 100 gemäß 9 werden ein idealer Resonatorendspiegel 14 (Reflektivität nahezu 1) und ein teilweise durchlässiger Resonatorauskoppelspiegel 15 mit einer Transmission T = 0,35, basierend auf einer Bragg-Struktur mit 15 Perioden, angenommen. In den Halbleiterelementen 21 wird durch eine elektrische Anregung Licht erzeugt und in Zusammenwirkung mit dem Linearresonator 12 resonant rückgekoppelt und in den Halbleiterelementen 21 verstärkt, wodurch das Licht kohärent wird. Die Berechnung der durch den Auskoppelspiegel 15 austretenden Licht-Ausgangsleistung Pout in Abhängigkeit von der Verstärkung g in den (In,Ga)As-basierten Halbleiterelementen 21 ergibt die in 10 gezeigte Funktion.
  • Um eine Laseremission aus dem Linearresonator 12 zu erzielen, muss die optische Verstärkung des aktiven Materials (photonischer Kristall 20) größer sein als die Resonatorverluste. Hierzu werden durch die elektrische Anregung Ladungsträger in die Halbleiterelemente 21 injiziert. Für Verstärkungswerte oberhalb von 3600 cm-1 wird ein exponentieller Anstieg der Ausgangsleistung erhalten. Um diesen Schwellwert mit möglichst geringen Pumpströmen (Anregungsströmen) zu erhalten, werden die Resonatorverluste möglichst gering gehalten, indem insbesondere der Auskoppelspiegel 15 für eine geringere Transmission, vorzugsweise kleiner als 5%, ausgelegt wird.
  • Die in der vorstehenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in Kombination oder Unterkombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102011118273 A1 [0002]
    • US 2014/286367 A1 [0002]
    • US 2014/226691 A1 [0002]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • J. Van Campenhout et al. in „Opt. Express“ 15, 6744-67 49 (2007) [0002]
    • G.-H. Duan et al. in „IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron.“ 20, 6100213 (2014) [0002]
    • B. Snyder et al. in „J. Lightw. Technol.“ 3, 3934-3942 (2013) [0002]
    • R. Chen et al. in „Nat. Phot.“ 5,170-175 (2011) [0002]
    • T. Stettner et al. in „Appl. Phys. Lett.“ 108, 011108 (2016) [0002]
    • A. C. Scofield et al. in „Nano Lett.“ 11, 5387-5390 (2011) [0002]
    • H. Kim et al. in „Nano Lett.“ 16, 1833 (2016) [0002]
    • W.-J. Lee et al. in „Appl. Phys. Lett.“ 108, 081108 (2016) [0002]
    • I. Giuntoni et al., „Light coupling between vertical monolithically integrated III-V nanowires and planar silicon waveguides“, Abstracts of „European Materials Research Society Fall Meeting“, 2015 [0002]
    • D. Korn et al. in „Nature Communications“ 7, 10864 (2016) [0002]
    • B. Jang et al. in „Appl. Phys. Expr.“ 9, 092102 (2016) [0002]

Claims (20)

  1. Laservorrichtung (100), umfassend - ein Substrat (10), auf dessen Oberfläche ein optischer Wellenleiter (11) angeordnet ist, der einen optischen Resonator (12, 13) mit einer derartigen Resonatorlänge enthält, dass mindestens eine Resonatormode im Resonator (12, 13) eine stehende Welle bildet, und - ein Verstärkungsmedium, das auf einer Oberfläche des optischen Wellenleiters (11) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass - das Verstärkungsmedium einen photonischen Kristall (20) mit einer Vielzahl von säulen- und/oder wandförmigen Halbleiterelementen (21) umfasst, die periodisch, von dem optischen Wellenleiter (11) abstehend auf der Oberfläche des optischen Wellenleiters (11) angeordnet sind, und - der photonische Kristall (20) für eine optische Wechselwirkung mit der mindestens einen Resonatormode des optischen Resonators (12, 13) und für eine Verstärkung von Licht mit einer Wellenlänge der mindestens einen Resonatormode des optischen Resonators (12, 13) eingerichtet ist.
  2. Laservorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der - der photonische Kristall (20) auf einer Oberfläche des optischen Wellenleiters (11) angeordnet ist, die parallel zur Oberfläche des Substrats (10) verläuft, und die Halbleiterelemente (21) senkrecht zur Oberfläche des Substrats (10) ausgerichtet sind.
  3. Laservorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der - die Halbleiterelemente (21) entlang des Resonators (12, 13) an Positionen von Feldmaxima der mindestens einen Resonatormode periodisch angeordnet sind.
  4. Laservorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der - die Halbleiterelemente (21) eine einzige Reihe (22) bilden, die sich entlang des Resonators (12) erstreckt.
  5. Laservorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der - die Halbleiterelemente (21) mindestens zwei Reihen bilden, die sich entlang des Resonators (12, 13) erstrecken.
  6. Laservorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der - der Resonator ein Linearresonator (12) mit zwei Reflektoren (14, 15) am optischen Wellenleiter (11) ist.
  7. Laservorrichtung gemäß Anspruch 6, bei der - die Reflektoren (14, 15) periodische Strukturen des Wellenleiters (11) umfassen, die Bragg-Reflektoren für die mindestens eine Resonatormode bilden.
  8. Laservorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der - der Resonator ein geschlossener Resonator (13) ist, und - ein Kopplungsabschnitt (30) zur Auskopplung von Licht aus dem geschlossenen Resonator (13) vorgesehen ist.
  9. Laservorrichtung gemäß Anspruch 8, bei der - der geschlossene Resonator (13) ein Ringresonator mit einer Kreisform oder ein Racetrack-Resonator mit einer aus geraden und gekrümmten Abschnitten zusammengesetzten Form ist.
  10. Laservorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - das Substrat (10) benachbart zu dem photonischen Kristall (20) eine Kontaktelektrode (41) trägt.
  11. Laservorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - die Halbleiterelemente (21) des photonischen Kristalls (20) in einer dielektrischen Einbettungsschicht (23) angeordnet sind.
  12. Laservorrichtung gemäß Anspruch 11, wobei - die Einbettungsschicht (23) eine elektrische Kontaktschicht (42), insbesondere eine lichtundurchlässige Kontaktschicht (42), trägt.
  13. Laservorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - der optische Wellenleiter (11) Silizium umfasst, und - das Substrat (10) ein SOI-Substrat mit einem Silizium-Trägersubstrat, einer Siliziumdioxid-Schicht (16) und einer Silizium-Deckschicht (17) umfasst, die den optischen Wellenleiter (11) enthält.
  14. Verfahren zum Betrieb einer Laservorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, mit den Schritten - Kopplung der Laservorrichtung (100) mit einer Pumpeinrichtung, - Anregung des photonischen Kristalls (20) mit der Pumpeinrichtung, und - Emission von Laserlicht aus dem photonischen Kristall (20).
  15. Verfahren gemäß Anspruch 14, bei dem - die Pumpeinrichtung eine Pumpstromquelle (43) umfasst, mit der der photonische Kristall (20) elektrisch angeregt wird.
  16. Verfahren gemäß Anspruch 14, bei dem - die Pumpeinrichtung eine Pumplichtquelle umfasst, mit der der photonische Kristall (20) optisch angeregt wird.
  17. Verfahren zur Herstellung einer Laservorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, mit den Schritten - Bereitstellung des Substrats (10) mit dem optischen Wellenleiter (11), und - Aufwachsen der Halbleiterelemente (21) des photonischen Kristalls (20) auf dem optischen Wellenleiter (11).
  18. Verfahren gemäß Anspruch 17, mit dem Schritt - Kontaktieren des photonischen Kristalls (20) mit Kontaktelektroden (41, 42).
  19. Verfahren gemäß Anspruch 17 oder 18, bei dem - das Aufwachsen der Halbleiterelemente (21) ein direktes epitaktisches oder ein Gas-Flüssigkeit-Festkörper-basiertes Wachstum der Halbleiterelemente (21) auf dem optischen Wellenleiter (11) und/oder eine maskenbasierte Deposition der Halbleiterelemente (21) auf dem optischen Wellenleiter (11) umfasst.
  20. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 17 bis 19, bei dem - die Halbleiterelemente (21) in eine transparente Einbettungsschicht (23) eingebettet werden.
DE102016014939.6A 2016-12-14 2016-12-14 Laservorrichtung, basierend auf einem photonischen Kristall mit säulen- oder wandförmigen Halbleiterelementen, und Verfahren zu deren Betrieb und Herstellung Pending DE102016014939A1 (de)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102016014939.6A DE102016014939A1 (de) 2016-12-14 2016-12-14 Laservorrichtung, basierend auf einem photonischen Kristall mit säulen- oder wandförmigen Halbleiterelementen, und Verfahren zu deren Betrieb und Herstellung
PCT/EP2017/082530 WO2018108970A2 (de) 2016-12-14 2017-12-13 Laservorrichtung, basierend auf einem photonischen kristall mit säulen- oder wandförmigen halbleiterelementen, und verfahren zu deren betrieb und herstellung
US16/467,719 US11955773B2 (en) 2016-12-14 2017-12-13 Laser device on the basis of a photonic crystal having pillar-shaped or wall-shaped semiconductor elements, and methods for the operation and production thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102016014939.6A DE102016014939A1 (de) 2016-12-14 2016-12-14 Laservorrichtung, basierend auf einem photonischen Kristall mit säulen- oder wandförmigen Halbleiterelementen, und Verfahren zu deren Betrieb und Herstellung

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102016014939A1 true DE102016014939A1 (de) 2018-06-14

Family

ID=61002969

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102016014939.6A Pending DE102016014939A1 (de) 2016-12-14 2016-12-14 Laservorrichtung, basierend auf einem photonischen Kristall mit säulen- oder wandförmigen Halbleiterelementen, und Verfahren zu deren Betrieb und Herstellung

Country Status (3)

Country Link
US (1) US11955773B2 (de)
DE (1) DE102016014939A1 (de)
WO (1) WO2018108970A2 (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11418008B2 (en) * 2019-03-20 2022-08-16 Electronics And Telecommunications Research Institute Laser device

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102016014938B4 (de) * 2016-12-14 2019-06-27 Forschungsverbund Berlin E.V. Lichtemittervorrichtung, basierend auf einem photonischen Kristall mit säulen- oder wandförmigen Halbleiterelementen, und Verfahren zu deren Betrieb und Herstellung
US11515684B2 (en) * 2019-02-21 2022-11-29 Google Llc Devices to generate light
CN113328338B (zh) * 2021-05-28 2022-10-18 中国科学院半导体研究所 光子晶体微腔硅基激光器及其制备方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110081109A1 (en) * 2009-10-05 2011-04-07 Thylen Lars H Nanoparticle array photonic waveguide
US20120121221A1 (en) * 2010-11-12 2012-05-17 The University Of Electro-Communications Optical nanofiber resonator
DE102011118273A1 (de) 2011-11-11 2013-05-16 Forschungsverbund Berlin E.V. Herstellung einer Halbleitereinrichtung mit mindestens einem säulen- oder wandförmigen Halbleiter-Element
US20140226691A1 (en) 2013-02-11 2014-08-14 California Institute Of Technology Iii-v photonic crystal microlaser bonded on silicon-on-insulator
US20140286367A1 (en) 2012-11-02 2014-09-25 The Regents Of The University Of California Nanopillar photonic crystal lasers

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001111160A (ja) * 1999-04-19 2001-04-20 Canon Inc 半導体素子の製造方法及び半導体素子、リング共振器型半導体レーザ、ジャイロ
JP2002141603A (ja) 2000-11-01 2002-05-17 Ricoh Co Ltd 半導体レーザ装置および半導体レーザアレイおよび半導体レーザ装置の製造方法および送信モジュールおよびローカルエリアネットワークシステムおよび光データリンクシステムおよび光インターコネクションシステム
GB0218548D0 (en) * 2002-08-09 2002-09-18 Intense Photonics Ltd Multi-section laser with photonic crystal mirrors
US20070153864A1 (en) * 2005-11-02 2007-07-05 Luminus Devices, Inc. Lasers and methods associated with the same
EP1804350A1 (de) 2005-12-27 2007-07-04 Interuniversitair Microelektronica Centrum Halbleiterlaser mit langgestreckten Nanostrukturen
US7465954B2 (en) * 2006-04-28 2008-12-16 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Nanowire devices and systems, light-emitting nanowires, and methods of precisely positioning nanoparticles
JP4338211B2 (ja) * 2007-08-08 2009-10-07 キヤノン株式会社 フォトニック結晶を有する構造体、面発光レーザ
KR101771273B1 (ko) * 2010-03-01 2017-08-24 고쿠리츠켄큐카이하츠호진 카가쿠기쥬츠신코키코 포토닉결정 레이저
WO2015080666A1 (en) 2013-11-27 2015-06-04 Agency For Science, Technology And Research Light source including a nanoparticle
WO2017041812A1 (en) 2015-09-11 2017-03-16 Forschungsverbund Berlin E.V. Optoelectronic device, comprising a waveguide and a semiconductor nanowire array, and method of manufacturing thereof
JP7264352B2 (ja) * 2017-04-03 2023-04-25 テクニオン・リサーチ・アンド・ディベロップメント・ファウンデーション・リミテッド トポロジカル絶縁体レーザーシステム
US11569631B2 (en) * 2017-08-03 2023-01-31 The Regents Of The University Of California Non-reciprocal lasing in topological cavities of arbitrary geometries
US10770861B1 (en) * 2018-05-16 2020-09-08 Unm Rainforest Innovations Light-emitting device having self-cooled semiconductor laser
US20220173574A1 (en) * 2019-03-25 2022-06-02 The Regents Of The University Of California System and method for topological lasers generating and multiplexing optical beams with unbounded orbital angular momenta

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110081109A1 (en) * 2009-10-05 2011-04-07 Thylen Lars H Nanoparticle array photonic waveguide
US20120121221A1 (en) * 2010-11-12 2012-05-17 The University Of Electro-Communications Optical nanofiber resonator
DE102011118273A1 (de) 2011-11-11 2013-05-16 Forschungsverbund Berlin E.V. Herstellung einer Halbleitereinrichtung mit mindestens einem säulen- oder wandförmigen Halbleiter-Element
US20140286367A1 (en) 2012-11-02 2014-09-25 The Regents Of The University Of California Nanopillar photonic crystal lasers
US20140226691A1 (en) 2013-02-11 2014-08-14 California Institute Of Technology Iii-v photonic crystal microlaser bonded on silicon-on-insulator

Non-Patent Citations (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
A. C. Scofield et al. in „Nano Lett." 11, 5387-5390 (2011)
B. Jang et al. in „Appl. Phys. Expr." 9, 092102 (2016)
B. Snyder et al. in „J. Lightw. Technol." 3, 3934-3942 (2013)
D. Korn et al. in „Nature Communications" 7, 10864 (2016)
G.-H. Duan et al. in „IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron." 20, 6100213 (2014)
GIUNTONI, Ivano [et al.]: Light coupling between vertical monolithically integrated III-V nanowires and planar silicon waveguides. E-MRS Fall Meeting 2015, European Materials Research Society (Abstracts) *
H. Kim et al. in „Nano Lett." 16, 1833 (2016)
I. Giuntoni et al., „Light coupling between vertical monolithically integrated III-V nanowires and planar silicon waveguides", Abstracts of „European Materials Research Society Fall Meeting", 2015
J. Van Campenhout et al. in „Opt. Express" 15, 6744-67 49 (2007)
JANG, Bongyong [et al.]: A hybrid silicon evanescent quantum dot laser. In: Applied Physics Express, Vol. 9, 2016, No. 9, S. 092102. http://doi.org/10.7567/APEX.9.092102 [abgerufen am 27.03.2017] *
KIM, Hyunseok [et al.]: Monolithically integrated InGaAs nanowires on 3D structured silicon-on-insulator as a new platform for full optical links. In: Nano letters, Vol. 16, 2016, No. 3, S. 1833-1839. - ISSN 1530-6984 *
R. Chen et al. in „Nat. Phot." 5,170-175 (2011)
T. Stettner et al. in „Appl. Phys. Lett." 108, 011108 (2016)
W.-J. Lee et al. in „Appl. Phys. Lett." 108, 081108 (2016)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11418008B2 (en) * 2019-03-20 2022-08-16 Electronics And Telecommunications Research Institute Laser device

Also Published As

Publication number Publication date
US20200091682A1 (en) 2020-03-19
WO2018108970A2 (de) 2018-06-21
WO2018108970A3 (de) 2018-10-04
US11955773B2 (en) 2024-04-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE112013004345B4 (de) Halbleiter-Einheit und Verfahren zu deren Herstellung
DE112008001351B4 (de) Nanodraht-Photodioden und Verfahren zum Herstellen von Nanodraht-Photodioden
EP1807879B1 (de) Optoelektronischer Dünnfilmchip
DE10330843B4 (de) Nitridhalbleiter-Leuchtdiode
EP2248235B1 (de) Kantenemittierender halbleiterlaser und verfahren zur herstellung eines kantenemittierenden halbleiterlasers
DE112014004392T5 (de) Photonische Schaltungseinheit mit On-Chip-Messstrukturen für die optische Verstärkung
DE102016014938B4 (de) Lichtemittervorrichtung, basierend auf einem photonischen Kristall mit säulen- oder wandförmigen Halbleiterelementen, und Verfahren zu deren Betrieb und Herstellung
EP1630915A2 (de) Strahlungsemittierendes optoelektronisches Bauelement mit einer Quantentopfstruktur und Verfahren zu dessen Herstellung
DE102016014939A1 (de) Laservorrichtung, basierend auf einem photonischen Kristall mit säulen- oder wandförmigen Halbleiterelementen, und Verfahren zu deren Betrieb und Herstellung
DE10026734A1 (de) Optisch gepumpte oberflächenemittierende Halbleiterlaservorrichtung und Verfahren zu deren Herstellung
DE102009054564A1 (de) Laserdiodenanordnung und Verfahren zum Herstellen einer Laserdiodenanordnung
DE102010046793B4 (de) Kantenemittierende Halbleiterlaserdiode und Verfahren zu dessen Herstellung
DE102017130582A1 (de) Halbleiterlaser, Laser-Anordnung und Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterlasers
DE102021214910A1 (de) Design und herstellung eines kostengünstigen vcsel mit langer wellenlänge und optischer einbindungssteuerung
JP6919549B2 (ja) ナノワイヤ光デバイス
DE102011075502A1 (de) Breitstreifen-Diodenlaser mit hoher Effizienz und geringer Fernfelddivergenz
DE102018123019A1 (de) Gewinngeführter halbleiterlaser und herstellungsverfahren hierfür
WO2021239407A1 (de) Halbleiterlaser mit horizontalem und vertikalem laserelement, lidar-system und verfahren zur herstellung
DE102021130775A1 (de) Optoelektronisches bauelement und verfahren zum herstellen eines optoelektronischen bauelements
DE112021002126T5 (de) VCSEL mit erhöhter Wellenlängenabhängigkeit von Ansteuerungsstrom
AT511032B1 (de) Zweidimensionales distributed-feedback halbleiter laser array
DE102018125496A1 (de) Halbleiterlaser und Herstellungsverfahren für Halbleiterlaser
DE102021127523A1 (de) Oberflächenemittierender photonischer-kristall-laser und verfahren zur herstellung eines solchen
DE102021100391A1 (de) Kantenemittierende halbleiterlaserdiode und verfahren zur herstellung einer kantenemittierenden halbleiterlaserdiode
DE102021214311A1 (de) Oberflächenemittierender photonischer-kristall-laser, optoelektronisches system und verfahren zur herstellung eines oberflächenemittierenden photonischer-kristall-lasers

Legal Events

Date Code Title Description
R163 Identified publications notified
R012 Request for examination validly filed
R016 Response to examination communication