DE102022125325A1

DE102022125325A1 - Photonische integrierte schaltung mit verstärkungsmedium und optoelektronische vorrichtung

Info

Publication number: DE102022125325A1
Application number: DE102022125325.2A
Authority: DE
Inventors: Joerg Erich Sorg; Norwin von Malm; Johann Ramchen
Original assignee: Ams Osram International GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2022-09-30
Filing date: 2022-09-30
Publication date: 2024-04-04
Also published as: WO2024068344A1

Abstract

Eine photonische integrierte Schaltung (10) umfasst eine Pump-Laserdiode (100), die eingerichtet ist, Pumpstrahlung (11) zu emittieren. Die photonische integrierte Schaltung (10) umfasst ferner ein Verstärkungsmedium (105), welches geeignet ist, die Pumpstrahlung (11) zu absorbieren und Laserstrahlung (12) zu emittieren, sowie einen Wellenleiter (117), der geeignet ist, die Pumpstrahlung (11) dem Verstärkungsmedium (105) zuzuführen. Die photonische integrierte Schaltung (10) umfasst darüber hinaus einen ersten und einen zweiten Resonatorspiegel (108, 109), von denen einer in einem Lichtpfad zwischen der Pump-Laserdiode (100) und dem Verstärkungsmedium (105) und ein weiterer auf einer von der Pump-Laserdiode (100) abgewandten Seite des Verstärkungsmediums (105) angeordnet ist. Ein optischer Resonator (110) bildet sich zwischen dem ersten und dem zweiten Resonatorspiegel (108, 109) aus.

Description

Halbleiterlaser, die beispielsweise auf dem GaN-Materialsystem oder dem InGaAlP-Materialsystem basieren, werden verbreitet als schmalbandige Lichtquelle verwendet. Generell wird nach Konzepten gesucht, mit denen Laserstrahlen in einem großen Wellenlängenbereich und mit größerer spektraler Bandbreite erzeugt werden können.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte photonische integrierte Schaltung sowie eine verbesserte optoelektronische Vorrichtung bereitzustellen.
Gemäß Ausführungsformen wird die Aufgabe durch den Gegenstand der unabhängigen Patentanmeldung gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.
Gemäß Ausführungsformen umfasst eine photonische integrierte Schaltung eine Pump-Laserdiode, die eingerichtet ist, Pumpstrahlung zu emittieren, sowie ein Verstärkungsmedium, welches geeignet ist, die Pumpstrahlung zu absorbieren und Laserstrahlung zu emittieren. Die photonische integrierte Schaltung enthält ferner einen Wellenleiter, der geeignet ist, die Pumpstrahlung dem Verstärkungsmedium zuzuführen. Die photonische integrierte Schaltung enthält darüber hinaus einen ersten und einen zweiten Resonatorspiegel, von denen einer in einem Lichtpfad zwischen der Pump-Laserdiode und dem Verstärkungsmedium und ein weiterer auf einer von der Pump-Laserdiode abgewandten Seite des Verstärkungsmediums angeordnet ist, wobei sich ein optischer Resonator zwischen dem ersten und dem zweiten Resonatorspiegel ausbildet.
Zum Beispiel kann die Pump-Laserdiode eine aktive Zone aufweisen, die ein GaN-haltiges Halbleitermaterial enthält.
Beispielsweise ist das Verstärkungsmaterial ein kristallines Lithiumfluorid-haltiges Verstärkungsmaterial. Gemäß Ausführungsformen enthält das Verstärkungsmedium LiLuF₄ oder LiRhF₄.
Das Verstärkungsmedium kann mit Seltenerd-Ionen dotiert sein.
Gemäß Ausführungsformen ist das Verstärkungsmedium in einem Mantelmaterial mit einem kleineren Brechungsindex als dem Brechungsindex des Verstärkungsmediums eingebettet. Das Mantelmaterial ist an Seitenflächen des Verstärkungsmediums parallel zu einer Erstreckungsrichtung des optischen Resonators angeordnet.
Beispielsweise ist das Mantelmaterial aus dem Material des Verstärkungsmediums aufgebaut und undotiert. Gemäß Ausführungsformen kann das Mantelmaterial weiterhin an den Wellenleiter angrenzen.
Die photonische integrierte Schaltung kann ferner einen Ringresonator aufweisen, der in einem Lichtpfad hinter dem Verstärkungsmedium angeordnet ist und der geeignet ist, die von dem Verstärkungsmedium emittierte Laserstrahlung zu filtern.
Die photonische integrierte Schaltung kann ferner ein aktives optisches Element, das geeignet ist, ein Emissionsspektrum der photonischen integrierten Schaltung zu verändern, enthalten.
Gemäß Ausführungsformen ist das Verstärkungsmedium in mindestens einen ersten und einen zweiten Abschnitt aufgeteilt, die entlang einer Richtung angeordnet sind, die eine Richtung der Pumpstrahlung schneidet. Auf diese Weise kann die photonische integrierte Schaltung besonders kompakt ausgeführt sein.
Dabei kann ein Material des ersten Abschnitts von einem Material des zweiten Abschnitts verschieden sein. Beispielsweise können die Materialien des ersten und des zweiten Abschnitts so ausgewählt sein, dass durch die beiden Abschnitte jeweils Laserstrahlung mit geringfügig unterschiedlicher Wellenlänge emittiert wird. Auf diese Weise lassen sich Speckles vermeiden oder unterdrücken.
Die photonische integrierte Schaltung kann ferner einen Spiegel aufweisen, der geeignet ist, von dem ersten Abschnitt emittierte Laserstrahlung in den zweiten Abschnitt zu lenken.
Gemäß weiteren Ausführungsformen umfasst eine photonische integrierte Schaltung eine Pump-Laserdiode, die eingerichtet ist, Pumpstrahlung zu emittieren, ein erstes Verstärkungsmedium, welches geeignet ist, die Pumpstrahlung zu absorbieren und erste Laserstrahlung zu emittieren, einen ersten und einen zweiten Resonatorspiegel, von denen einer in einem Lichtpfad zwischen der Pump-Laserdiode und dem ersten Verstärkungsmedium und ein weiterer auf einer von der Pump-Laserdiode abgewandten Seite des ersten Verstärkungsmediums angeordnet ist, wobei sich ein erster optischer Resonator zwischen dem ersten und dem zweiten Resonatorspiegel ausbildet. Die photonische integrierte Schaltung umfasst ferner einen zweiten optischen Resonator mit einem zugehörigen ersten und einem zweiten Resonatorspiegel sowie einem zweiten Verstärkungsmedium, welches in dem zweiten optischen Resonator angeordnet ist und geeignet ist, die Pumpstrahlung zu absorbieren und zweite Laserstrahlung mit einer Wellenlänge zu emittieren, die von der Wellenlänge der ersten Laserstrahlung verschieden ist. Die photonische integrierte Schaltung umfasst weiterhin einen optischen Schalter, der geeignet ist, Pumpstrahlung selektiv dem ersten oder dem zweiten optischen Resonator zuzuführen.
Beispielsweise können das erste und das zweite Verstärkungsmedium ein identisches Grundmaterial mit jeweils unterschiedlichem Dotierstoff aufweisen.
Gemäß Ausführungsformen kann das Grundmaterial kristallines Lithiumfluorid enthalten.
Eine optoelektronische Vorrichtung gemäß Ausführungsformen weist die photonische integrierte Schaltung wie vorstehend beschrieben auf.
Die optoelektronische Vorrichtung kann beispielsweise aus einem Sensor und einer AR/VR-Datenbrille ausgewählt sein.
Die begleitenden Zeichnungen dienen dem Verständnis von Ausführungsbeispielen der Erfindung. Die Zeichnungen veranschaulichen Ausführungsbeispiele und dienen zusammen mit der Beschreibung deren Erläuterung. Weitere Ausführungsbeispiele und zahlreiche der beabsichtigten Vorteile ergeben sich unmittelbar aus der nachfolgenden Detailbeschreibung. Die in den Zeichnungen gezeigten Elemente und Strukturen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander dargestellt. Gleiche Bezugszeichen verweisen auf gleiche oder einander entsprechende Elemente und Strukturen.

1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer photonischen integrierten Schaltung gemäß Ausführungsformen.
2A zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer photonischen integrierten Schaltung gemäß weiteren Ausführungsformen.
2B zeigt eine schematische Draufsicht auf eine photonische integrierte Schaltung gemäß Ausführungsformen.
3 zeigt ein in ein Mantelmaterial eingebettetes Verstärkungsmedium.
4A zeigt eine schematische Draufsicht einer photonischen integrierten Schaltung gemäß weiteren Ausführungsformen.
4B zeigt eine schematische Querschnittsansicht der in 4A dargestellten photonischen integrierten Schaltung.
5A zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer photonischen integrierten Schaltung gemäß Ausführungsformen.
5B zeigt eine schematische Draufsicht auf eine photonische integrierte Schaltung gemäß Ausführungsformen.
5C zeigt einen Querschnitt durch ein erstes und ein zweites Verstärkungsmedium, die in einem Mantelmaterial eingebettet sind.
6A zeigt eine schematische Draufsicht auf eine photonische integrierte Schaltung gemäß Ausführungsformen.
6B zeigt eine Querschnittsansicht der in 6A gezeigten photonischen integrierten Schaltung.
7 zeigt eine schematische Ansicht einer optoelektronischen Vorrichtung gemäß Ausführungsformen.

In der folgenden Detailbeschreibung wird auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil der Offenbarung bilden und in denen zu Veranschaulichungszwecken spezifische Ausführungsbeispiele gezeigt sind. In diesem Zusammenhang wird eine Richtungsterminologie wie „Oberseite“, „Boden“, „Vorderseite“, „Rückseite“, „über“, „auf“, „vor“, „hinter“, „vorne“, „hinten“ usw. auf die Ausrichtung der gerade beschriebenen Figuren bezogen. Da die Komponenten der Ausführungsbeispiele in unterschiedlichen Orientierungen positioniert werden können, dient die Richtungsterminologie nur der Erläuterung und ist in keiner Weise einschränkend.
Die Beschreibung der Ausführungsbeispiele ist nicht einschränkend, da auch andere Ausführungsbeispiele existieren und strukturelle oder logische Änderungen gemacht werden können, ohne dass dabei vom durch die Patentansprüche definierten Bereich abgewichen wird. Insbesondere können Elemente von im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen mit Elementen von anderen der beschriebenen Ausführungsbeispiele kombiniert werden, sofern sich aus dem Kontext nichts anderes ergibt.
Die Begriffe „Wafer“ oder „Halbleitersubstrat“, die in der folgenden Beschreibung verwendet sind, können jegliche auf Halbleiter beruhende Struktur umfassen, die eine Halbleiteroberfläche hat. Wafer und Struktur sind so zu verstehen, dass sie dotierte und undotierte Halbleiter, epitaktische Halbleiterschichten, gegebenenfalls getragen durch eine Basisunterlage, und weitere Halbleiterstrukturen einschließen. Beispielsweise kann eine Schicht aus einem ersten Halbleitermaterial auf einem Wachstumssubstrat aus einem zweiten Halbleitermaterial, beispielsweise einem GaAs-Substrat, einem GaN-Substrat oder einem Si-Substrat oder aus einem isolierenden Material, beispielsweise auf einem Saphirsubstrat, gewachsen sein.
Je nach Verwendungszweck kann der Halbleiter auf einem direkten oder einem indirekten Halbleitermaterial basieren. Beispiele für zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung besonders geeignete Halbleitermaterialien umfassen insbesondere Nitrid-Halbleiterverbindungen, durch die beispielsweise ultraviolettes, blaues oder langwelligeres Licht erzeugt werden kann, wie beispielsweise GaN, InGaN, AlN, AlGaN, AlGaInN, AlGaInBN, Phosphid-Halbleiterverbindungen, durch die beispielsweise grünes oder langwelligeres Licht erzeugt werden kann, wie beispielsweise GaAsP, Al-GaInP, GaP, AlGaP, sowie weitere Halbleitermaterialien wie GaAs, Al-GaAs, InGaAs, AlInGaAs, SiC, ZnSe, ZnO, Ga₂O₃, Diamant, hexagonales BN und Kombinationen der genannten Materialien. Das stöchiometrische Verhältnis der Verbindungshalbleitermaterialien kann variieren. Weitere Beispiele für Halbleitermaterialien können Silizium, Silizium-Germanium und Germanium umfassen. Im Kontext der vorliegenden Beschreibung schließt der Begriff „Halbleiter“ auch organische Halbleitermaterialien ein.
Der Begriff „Substrat“ umfasst generell isolierende, leitende oder Halbleitersubstrate.
Die Begriffe „lateral“ und „horizontal“, wie in dieser Beschreibung verwendet, sollen eine Orientierung oder Ausrichtung beschreiben, die im Wesentlichen parallel zu einer ersten Oberfläche eines Substrats oder Halbleiterkörpers verläuft. Dies kann beispielsweise die Oberfläche eines Wafers oder eines Chips (Die) sein.
Die horizontale Richtung kann beispielsweise in einer Ebene senkrecht zu einer Wachstumsrichtung beim Aufwachsen von Schichten liegen.
Der Begriff „vertikal“, wie er in dieser Beschreibung verwendet wird, soll eine Orientierung beschreiben, die im Wesentlichen senkrecht zu der ersten Oberfläche eines Substrats oder Halbleiterkörpers verläuft. Die vertikale Richtung kann beispielsweise einer Wachstumsrichtung beim Aufwachsen von Schichten entsprechen.
1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer photonischen integrierten Schaltung 10 gemäß Ausführungsformen. Die photonische integrierte Schaltung oder Laservorrichtung 10 umfasst eine Pump-Laserdiode 100 mit einer aktiven Zone 103. Die aktive Zone 103 umfasst gemäß Ausführungsformen ein GaN-haltiges Halbleitermaterial. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann die aktive Zone auch ein oder mehrere andere Halbleitermaterialien enthalten, die von GaN verschieden sind. Spezifische Beispiele sind vorstehend erwähnt. Die Pump-Laserdiode 100 ist eingerichtet, Pumpstrahlung 11 zu emittieren. Die photonische integrierte Schaltung 10 umfasst ferner ein Verstärkungsmedium 105, welches geeignetes ist, die Pumpstrahlung 11 zu absorbieren und Laserstrahlung 12 zu emittieren. Beispielsweise kann das Verstärkungsmedium 105 Lithiumfluorid enthalten. Darüber hinaus umfasst die photonische integrierte Schaltung 10 einen ersten und einen zweiten Resonatorspiegel 108, 109, von denen einer in einem Lichtpfad zwischen der Pump-Laserdiode 100 und dem Verstärkungsmedium 105 angeordnet ist. Ein weiterer Resonatorspiegel 109 ist auf einer von der Pump-Laserdiode 100 abgewandten Seite des Verstärkungsmediums 105 angeordnet. Zwischen dem ersten und dem zweiten Resonatorspiegel 108, 109 bildet sich ein optischer Resonator 110 aus.
Der Begriff „Pump-Laserdiode“ wie im Kontext der vorliegenden Offenbarung verwendet, kann sowohl kantenemittierende als auch beispielsweise oberflächenemittierende Halbleiterlaser mit vertikalem Resonator („VCSEL“, „Vertical Cavity Surface Emitting Laser“) umfassen. Der Begriff „Pump-Laserdiode“ kann dabei ein einzelnes Diodenelement oder auch eine Anordnung von einzelnen Diodenelementen umfassen. Wie in 1 dargestellt, kann die Pump-Laserdiode 100 eine erste Halbleiterschicht 101 von einem ersten Leitfähigkeitstyp, beispielsweise n-leitend und eine zweite Halbleiterschicht 102 von einem zweiten Leitfähigkeitstyp, beispielsweise p-leitend aufweisen. Die aktive Zone 103 ist zwischen der ersten und der zweiten Halbleiterschicht 101, 102 angeordnet.
Beispielsweise kann eine aktive Zone zwischen erster und zweiter Halbleiterschicht angeordnet sein. Die aktive Zone kann beispielsweise einen pn-Übergang, eine Doppelheterostruktur, eine Einfach-Quantentopf-Struktur (SQW, single quantum well) oder eine Mehrfach-Quantentopf-Struktur (MQW, multi quantum well) zur Strahlungserzeugung aufweisen. Die Bezeichnung „Quantentopf-Struktur“ entfaltet hierbei keine Bedeutung hinsichtlich der Dimensionalität der Quantisierung. Sie umfasst somit unter anderem Quantentröge, Quantendrähte und Quantenpunkte sowie jede Kombination dieser Schichten.
Beispielsweise kann zur Herstellung der Pump-Laserdiode 100, zunächst die erste Halbleiterschicht 101 über einem geeigneten Wachstumssubstrat aufgewachsen werden, gefolgt von der aktiven Zone 103 und der zweiten Halbleiterschicht 102. Sodann wird die Pump-Laserdiode 100 als sogenannter Flip-Chip auf den Komponenten der photonischen integrierten Schaltung 10 aufgebracht, so dass die zweite Halbleiterschicht 102 beispielsweise einem Träger 107 oder Substrat der photonischen integrierten Schaltung 110 zugewandt ist, und die erste Halbleiterschicht 101 Teil einer Oberfläche der photonischen integrierten Schaltung 110 bildet. Die Pump-Laserdiode 100 ist gemäß 1 als kantenemittierender Laser ausgeführt. Sie kann aber auch in beliebig anderer Weise ausgeführt sein, und elektromagnetische Strahlung kann auch über eine Hauptoberfläche der Pump-Laserdiode emittiert werden.
Eine erste Verbindungsleitung 111 kann mit der ersten Halbleiterschicht 101 elektrisch verbunden sein. Eine zweite Verbindungsleitung 112 kann mit der zweiten Halbleiterschicht 102 elektrisch verbunden sein. Die erste und die zweite Verbindungsleitung 111, 112 sind beispielsweise mit einer Treiberschaltung 113 zum Betreiben der Pump-Laserdiode 100 elektrisch verbunden.
Die erste und die zweite Halbleiterschicht 101, 102 können beispielsweise GaN enthalten. Die aktive Zone 103 enthält beispielsweises ein GaN-haltiges Halbleitermaterial und ist beispielsweise geeignet, elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge kleiner als 600 oder 560 nm zu emittieren.
Das Verstärkungsmedium 105 ist geeignet, die Pumpstrahlung zu absorbieren und Laserstrahlung mit längerer Wellenlänge zu emittieren. Das Verstärkungsmedium 105 kann beispielsweise kristallines Lithiumfluorid enthalten. Das kristalline Lithiumfluorid-haltige Verstärkungsmedium 105 kann beispielsweise ein kristallines Medium mit einem Perowskit-Kristallgitter sein. Beispielsweise kann das Verstärkungsmedium LiLuF₄ oder LiRhF₄ enthalten. Das Verstärkungsmedium kann mit Seltenerdelementen dotiert sein. Gemäß Ausführungsformen kann das Verstärkungsmedium mit Terbium oder Praseodym dotiert sein. Bei Verwendung von Terbium als Dotiermaterial kann sich zum Beispiel ein Wellenlängenbereich der emittierten Laserstrahlung 12 von 540 nm bis 590 nm ergeben. Bei Verwendung von Praseodym als Dotiermaterial kann sich beispielsweise ein Wellenlängenbereich der emittierten Laserstrahlung von 600 nm bis 650 nm ergeben.
Beispielsweise kann, wie in 1 dargestellt ist, die Pumpstrahlung 11 einem Wellenleiter 117 zugeführt werden, über den die Pumpstrahlung 11 dem Verstärkungsmedium 105 zugeführt wird. Weiterhin kann die von dem Verstärkungsmedium 105 emittierte Laserstrahlung 12 einem weiteren Wellenleiter 117 zugeführt werden. Beispielsweise kann ein Wellenleitermaterial LiNbO₃, SiN, Al₂N₃ oder Al₂O₃ umfassen.
Der erste und der zweite Resonatorspiegel 108, 109 können jeweils wellenlängenselektive Spiegel sein, die geeignet sind, elektromagnetische Strahlung in einem vorgegebenen Wellenlängenbereich zu reflektieren. Eine reflexionsvermindernde Beschichtung 114 kann auf einer Austrittsseite des Wellenleiters 117 angeordnet sein.
Beispielsweise können der erste und/oder der zweite Resonatorspiegel 108, 109 die einfallende elektromagnetische Strahlung zu einem großen Grad (beispielsweise >90%) reflektieren und nicht leitende Schichten enthalten sein. Der erste und/oder zweite Resonatorspiegel kann durch eine Abfolge von sehr dünnen dielektrischen Schichten mit jeweils unterschiedlichen Brechungsindizes ausgebildet sein. Beispielsweise können die Schichten abwechselnd einen hohen Brechungsindex (n>n0) und einen niedrigen Brechungsindex (n<n0) haben und als Bragg-Spiegel ausgebildet sein, wobei n0 von den verwendeten Materialien abhängt, insbesondere davon, ob die Spiegel isolierende oder Halbleiterschichten enthalten. Beispielsweise kann die Schichtdicke λ/4 betragen, wobei λ die Wellenlänge des zu reflektierenden Lichts in dem jeweiligen Medium angibt. Die vom einfallenden Licht her gesehene Schicht kann eine größere Schichtdicke, beispielsweise 3A/4 haben. Aufgrund der geringen Schichtdicke und des Unterschieds der jeweiligen Brechungsindices stellen entsprechend aufgebaute Spiegel ein hohes Reflexionsvermögen bereit und sind gleichzeitig beispielsweise nicht leitend. Ein Braggspiegel kann beispielsweise 2 bis 50 reflektierende Schichten aufweisen. Eine typische Schichtdicke der einzelnen Schichten kann etwa 30 bis 90 nm, beispielsweise etwa 50 nm betragen. Der Schichtstapel kann weiterhin eine oder zwei oder mehrere Schichten enthalten, die dicker als etwa 180 nm, beispielsweise dicker als 200 nm sind.
Die in 1 gezeigte Laservorrichtung 10 stellt eine photonische integrierte Schaltung dar, bei der die einzelnen Komponenten beispielsweise auf einem gemeinsamen Träger 107 angeordnet sind. Beispielsweise kann ein Material des Trägers 107 Silizium sein oder umfassen. Die in 1 gezeigte photonische integrierte Schaltung 10 stellt somit eine kompakte Laserquelle dar, die geeignet ist, elektromagnetische Strahlung in einem Wellenlängenbereich zu emittieren, der beispielsweise größere Wellenlängen als die Emissionswellenlänge von GaN und kleinere Wellenlänge als die Emissionswellenlänge von InGaAlP-Materialsystemen umfasst.
Die photonische integrierte Schaltung 10 kann weiterhin zusätzlich ein optisches Element 16, beispielsweise ein aktives optisches Element 116 aufweisen, das geeignet sein kann, ein Emissionsspektrum der photonischen integrierten Schaltung 10 zu verändern. Beispielsweise kann das aktive optische Element 116 ein Modulator sein, der das Emissionsspektrum aktiv verändert. Weiterhin können die optischen Elemente Spiegel sein, die das Licht in dem Verstärkungsmedium einschließen und das optische Confinement verbessern. Gemäß weiteren Ausführungsformen können die Spiegel auch dichroitische Spiegel sein, die zu einer gewünschten Emissionswellenlänge führen.
2A zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer photonischen integrierten Schaltung 10 gemäß weiteren Ausführungsformen. Die in 2A gezeigte photonische integrierte Schaltung umfasst ähnliche Komponenten wie die in 1 gezeigte. Zusätzlich ist ein Ringresonator 122, beispielsweise ein abstimmbarer Ringresonator 122 vorgesehen. Der Ringresonator 122 ist in einen Lichtpfad hinter dem Verstärkungsmedium 105 angeordnet. Der Ringresonator ist geeignet, beispielsweise die von dem Verstärkungsmedium 105 emittierte Laserstrahlung 12 zu filtern. Der Ringresonator 122 kann beispielsweise über ein erstes Verbindungselement 125 und ein zweites Verbindungselement 126 mit einer Steuereinrichtung 127 verbunden sein. Die Steuereinrichtung 127 kann eingerichtet sein, eine oder mehrere von dem Ringresonator 122 durchgelassene Wellenlängen des Laserstrahls 12 einzustellen. Auf diese Weise kann durch Betätigen der Steuereinrichtung 127 eine Emissionswellenlänge des Laserstrahls 12 eingestellt werden. Entsprechend kann beispielsweise das Emissionsspektrum der photonischen integrierten Schaltung 10 abgestimmt werden.
Gemäß weiteren Ausführungsformen kann der Ringresonator 122 auch eingerichtet sein, die Emissionswellenlänge zu stabilisieren. Beispielsweise kann der Ringresonator 122 beheizbar sein. Als Ergebnis kann sich der Brechungsindex des Materials des Ringresonators ändern, wodurch sich eine Durchlasswellenlänge des Ringresonators 122 verändert. Beispielsweise kann bei der in 2A gezeigten photonischen integrierten Schaltung der zweite Resonatorspiegel 109 auf einer Austrittsseite des Ringresonators 122 angeordnet sein. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann der zweite Resonatorspiegel 109 auch zwischen dem Verstärkungsmedium 105 und dem Ringresonator 122 angeordnet sein.
2B zeigt eine Draufsicht auf die in 2A gezeigte photonische integrierte Schaltung. Der von der Pump-Laserdiode 100 emittierte Pumpstrahl 11 wird über einen Wellenleiter 117 dem Verstärkungsmedium 105 zugeführt. Der von dem Verstärkungsmedium 105 emittierte Laserstrahl 12 wird sodann über den Wellenleiter 117 dem Ringresonator 122 zugeführt. Wie bei der Ausführungsform der 1 sind die Komponenten der photonischen integrierten Schaltung 10 über einem geeigneten Träger, beispielsweise einem Siliziumsubstrat 107 angeordnet und können eine photonische integrierte Schaltung ausbilden.
Wie in 3 gezeigt ist, kann gemäß Ausführungsformen das Verstärkungsmedium 105 in ein geeignetes Mantelmaterial 118 eingebettet sein und somit einen Wellenleiter ausbilden. Beispielsweise kann das Mantelmaterial an Seitenflächen des Verstärkungsmediums parallel zu einer Erstreckungsrichtung des optischen Resonators und einem Lichtpfad angeordnet sein. Ein Brechungsindex des Mantelmaterials ist dabei kleiner als der Brechungsindex des Verstärkungsmediums. Beispielsweise kann das Mantelmaterial aus dem Material des Verstärkungsmediums aufgebaut sein und undotiert sein. Entsprechend sind bei der in 3 gezeigten Konfiguration das Verstärkungsmedium 105 und das Mantelmaterial 118 aus demselben Grundmaterial aufgebaut bzw. bestehen aus demselben Grundmaterial. Das Verstärkungsmedium 105 ist zusätzlich dotiert, beispielsweise mit einem Seltenerdelement. Auf diese Weise wirkt das Verstärkungsmedium 105 als Verstärkungsmedium und hat einen höheren Brechungsindex als das umgebende Mantelmaterial 118. Wenn das Verstärkungsmedium 105 und das Mantelmaterial 118 dasselbe Grundmaterial aufweisen, lässt sich das Verstärkungsmedium auf einfache Weise, beispielsweise durch Implantation oder Diffusion herstellen. Beispielsweise kann zur Modenführung das Verstärkungsmedium 105 zu einem Steg 115 strukturiert sein.
4A zeigt eine Draufsicht auf eine photonische integrierte Schaltung 10 gemäß weiteren Ausführungsformen. Wie in 4A dargestellt ist, ist das Verstärkungsmedium 105 in mindestens einen ersten und einen zweiten Abschnitt 131, 132 aufgeteilt. Der erste und der zweite Abschnitt 131, 132 sind jeweils entlang einer Richtung angeordnet, die eine Richtung der Pumpstrahlung 11 schneidet. Beispielsweise können die Abschnitte des Verstärkungsmediums 105 senkrecht zu einer Ausgangsrichtung des Laserstrahls 12 angeordnet sein. Weiterhin können Spiegel 129 angeordnet sein, die geeignet sind, die Pumpstrahlung 11 auf einen ersten Abschnitt 131 des Verstärkungsmediums zu lenken. Weiterhin können Spiegel 129 angeordnet sein, die von dem ersten Abschnitt emittierte Laserstrahlung in den zweiten Abschnitt des Verstärkungsmediums 105 zu lenken.
Beispielsweise können die Spiegel 129 bei einem Winkel von etwa 45° bezogen auf eine Erstreckungsrichtung der Abschnitte 131, 132 des Verstärkungsmediums 105 angeordnet sein. Der Spiegel 129 kann beispielsweise ein metallischer Spiegel, ein dielektrischer Spiegel oder ein hybrider Spiegel sein. Weiterhin kann eine Filterbeschichtung über dem Spiegel 129 aufgebracht sein oder der Spiegel 129 selbst kann eine wellenlängenfilternde Eigenschaft haben, so dass beispielsweise nur von der photonischen integrierten Schaltung 100 zu emittierende Wellenlängen selektiv durchgelassen werden. Wie in 4A dargestellt, wird somit die emittierte Laserstrahlung von dem ersten Abschnitt 131 bis hin zu dem vierten Abschnitt 134 des Verstärkungsmediums 105 gelenkt. Auf diese Weise ist es möglich, einen optischen Resonator 110 mit einer ausreichenden Länge und verringertem Platzbedarf zur Verfügung zu stellen. Dadurch kann die photonische integrierte Schaltung 10 kompakter gestaltet werden.
Es ist selbstverständlich, dass Abschnitte des Verstärkungsmediums 105 nicht notwendigerweise parallel zueinander angeordnet sind. Weiterhin kann eine Emissionsrichtung der Laserstrahlung 12 von einer Emissionsrichtung der Pumpstrahlung 11 abweichen. Beispielsweise können die verschiedenen Abschnitte 131, 132, 133, 134 des Verstärkungsmediums so gestaltet sein, dass sie jeweils leicht unterschiedliche Wellenlängen emittieren. Auf diese Weise können beispielsweise Speckles vermieden werden. Beispielsweise können in den verschiedenen Abschnitten 131, 132, 133, 134 des Verstärkungsmediums jeweils unterschiedliche Wirtskristalle oder Grundmaterialien verwendet werden. In den verschiedenen Abschnitten können auch verschiedene Dotierstoffe verwendet werden. Durch ein geeignetes Design der verwendeten Spiegel ist es möglich, eine Mischung gewünschter Moden zu verstärken. Auf diese Weise ist es möglich, gezielt eine definierte Mischung von Moden zu verstärken und auszukoppeln und damit das Spektrum zu gestalten.
4B zeigt eine schematische Querschnittsansicht der in 4A gezeigten photonischen integrierten Schaltung 10. Die Darstellung in 4B ähnelt der Darstellung in 1. Allerdings sind hier abweichend die Wellenleiter 117 und die Abschnitte des Verstärkungsmediums 105 in das Mantelmaterial 118 eingebettet, wie auch unter Bezugnahme auf 3 beschrieben ist. Insbesondere können das Verstärkungsmedium 105 und das Mantelmaterial 118 dasselbe Grundmaterial enthalten, wobei das Verstärkungsmedium 105 dotiert ist und das Mantelmaterial 118 undotiert ist. Die photonische integrierte Schaltung 10, die in den 4A und 4B gezeigt ist, stellt somit eine photonische integrierte Schaltung, bei der das Verstärkungsmedium in das Mantelmaterials 118 integriert ist, dar. Bei Verwendung von Verstärkungsmedien 105 mit jeweils unterschiedlichem Wirtskristall kann das Mantelmaterial 118 einem der verwendeten Wirtskristalle entsprechen und nicht dotiert sein.
5A zeigt eine Querschnittsansicht einer photonischen integrierten Schaltung 10 gemäß weiteren Ausführungsformen. Bei der in 5A dargestellten photonischen integrierten Schaltung kann ein Verstärkungsmedium 105 des ersten Abschnitts 131 von einem Verstärkungsmedium 106 des zweiten Abschnitts 132 verschieden sein. Die weiteren Elemente der photonischen integrierten Schaltung 10 sind ähnlich oder identisch zu den in den 4A und 4B gezeigten. Ähnlich wie bei den Ausführungsformen, die in 4A bis 4B gezeigt sind, können das erste Verstärkungsmedium 105 und das zweite Verstärkungsmedium 106 in ein Mantelmaterial 118 eingebettet sein. Beispielsweise kann das erste Verstärkungsmedium 105 mit anderen Seltenerdelementen als das zweite Verstärkungsmedium 106 dotiert sein.
5B zeigt eine Draufsicht auf die photonische integrierte Schaltung 10. Wie zu sehen ist, sind der erste und der zweite Abschnitt 131, 132 des Verstärkungsmediums mit einem anderen Material ausgebildet bzw. mit einem anderen Dotierstoff dotiert als der dritte und vierte Abschnitt 133, 134. Das Mantelmaterial kann wiederum dasselbe Grundmaterial aufweisen und undotiert sein. Auf diese Weise ist es möglich, beispielsweise elektromagnetische Strahlung unterschiedlicher Wellenlängen zu erzeugen.
5C zeigt eine Querschnittsansicht des ersten und zweiten Abschnitts 131, 132 des Verstärkungsmediums. Der erste Abschnitt 131 ist mit dem ersten Verstärkungsmedium 105 ausgebildet, der zweite Abschnitt ist mit dem zweiten Verstärkungsmedium 106 ausgebildet. Ähnlich wie in 3 gezeigt, ist zusätzlich das zweite Verstärkungsmedium 106 in das Mantelmaterial 118 eingebettet und bildet zur Modenführung einen Steg 115 aus. Das erste und das zweite Verstärkungsmedium 105, 106 kann jeweils dasselbe Grundmaterial, aber einen jeweils unterschiedlichen Dotierstoff enthalten.
6A zeigt eine Draufsicht auf eine photonische integrierte Schaltung 10 gemäß weiteren Ausführungsformen. Die in 6A gezeigte photonische integrierte Schaltung 10 weist zusätzlich zu den beispielsweise in den 4A und 4B gezeigten Komponenten einen zweiten optischen Resonator 121 mit einem ersten und einem zweiten Resonatorspiegel 108, 109 auf. Der zweite optische Resonator 121 ist anders ausgestaltet als der erste optische Resonator 111. Beispielsweise kann eine Länge des zweiten optischen Resonators 121 von der Länge des ersten optischen Resonators 111 abweichen. Weiterhin kann innerhalb des zweiten optischen Resonators 121 ein Verstärkungsmedium 106 angeordnet sein, welches von dem ersten Verstärkungsmedium 105 verschieden ist. Beispielsweise kann das zweite Verstärkungsmedium dasselbe Grundmaterial aufweisen wie das erste Verstärkungsmedium 105. Zusätzlich kann das zweite Verstärkungsmedium 106 mit einem anderen Dotierstoff dotiert sein.
Die photonische integrierte Schaltung 10 kann darüber hinaus einen optischen oder photonischen Schalter 130 aufweisen. Der optische oder photonische Schalter 130 kann geeignet sein, Pumpstrahlung 11 selektiv dem ersten oder dem zweiten optischen Resonator 111, 121 zuzuführen. Beispielsweise kann durch das zweite Verstärkungsmedium 106 Licht mit einer anderen Wellenlänge emittiert werden als durch das erste Verstärkungsmedium 105. Durch Betätigen des optischen Schalters 130 lässt sich somit eine Emissionswellenlänge der photonischen integrierten Schaltung 10 zwischen verschiedenen Wellenlängen schalten. Beispielsweise kann der optische Schalter 130 auf dem elektrooptischen Effekt basieren. Der optische Schalter 130 kann mit dem Wellenleiter 117 integriert sein.
6B zeigt eine Querschnittsansicht der in 6A gezeigten photonischen integrierten Schaltung 10. Der Wellenleiter 117 und das erste Verstärkungsmedium 105 sind in das Mantelmaterial 118 eingebettet. Selbstverständlich kann die photonische integrierte Schaltung 10 weitere optische Resonatoren mit jeweils unterschiedlichem Verstärkungsmedium oder Länge des Resonators umfassen. Auf diese Weise ist es möglich, die Emissionswellenlänge zwischen mehreren Werten zu schalten.
Wie beschrieben worden ist, lässt sich gemäß Ausführungsformen eine sehr kompakte photonische integrierte Schaltung mit einer hohen Flexibilität bei der Gestaltung der spektralen Bandbreite der Emission bereitstellen. Es können sowohl photonische integrierte Schaltungen mit kleiner spektraler Bandbreite als auch mit großer spektraler Bandbreite erzeugt werden. Dadurch wird ein hohes Niveau der monolithischen Integration bereitgestellt. Beispielsweise können die beschriebenen photonischen integrierten Schaltungen in Sensoren, beispielsweise Industriesensoren, medizinischen Sensoren und anderen verwendet werden. Darüber hinaus können sie in Datenbrillen eingesetzt werden.
7 zeigt eine schematische Ansicht einer optoelektronischen Vorrichtung 15 gemäß Ausführungsformen. Die optoelektronische Vorrichtung 15 enthält die beschriebene photonische integrierte Schaltung. Die optoelektronische Vorrichtung kann beispielsweise ein Sensor oder eine VR/AR-(„Virtual Reality/Augmented Reality“)-Datenbrille sein.
Obwohl hierin spezifische Ausführungsformen veranschaulicht und beschrieben worden sind, werden Fachleute erkennen, dass die gezeigten und beschriebenen spezifischen Ausführungsformen durch eine Vielzahl von alternativen und/oder äquivalenten Ausgestaltungen ersetzt werden können, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Die Anmeldung soll jegliche Anpassungen oder Variationen der hierin diskutierten spezifischen Ausführungsformen abdecken. Daher wird die Erfindung nur durch die Ansprüche und deren Äquivalente beschränkt.
BEZUGSZEICHENLISTE

10: photonische integrierte Schaltung
11: Pumpstrahlung
12: (erste) Laserstrahlung
13: zweite Laserstrahlung
15: Optoelektronische Vorrichtung
100: Pump-Laserdiode
101: erste Halbleiterschicht
102: zweite Halbleiterschicht
103: aktive Zone
105: (erstes) Verstärkungsmedium
106: zweites Verstärkungsmedium
107: Träger
108: erster Resonatorspiegel
109: zweiter Resonatorspiegel
110: (erster) optischer Resonator
111: erste Verbindungsleitung
112: zweite Verbindungsleitung
113: Treiberschaltung
114: reflexionsvermindernde Beschichtung
115: Steg
116: aktives optisches Element
117: Wellenleiter
118: Mantelmaterial
120: photonische integrierte Schaltung
121: zweiter optischer Resonator
122: Ringresonator
125: erstes Verbindungselement
126: zweites Verbindungselement
127: Steuereinrichtung
129: Spiegel
130: Optischer Schalter
131: erster Abschnitt des Verstärkungsmediums
132: zweiter Abschnitt des Verstärkungsmediums
133: dritter Abschnitt des Verstärkungsmediums
134: vierter Abschnitt des Verstärkungsmediums

Claims

Photonische integrierte Schaltung (10), umfassend: eine Pump-Laserdiode (100), die eingerichtet ist, Pumpstrahlung (11) zu emittieren; ein Verstärkungsmedium (105), welches geeignet ist, die Pumpstrahlung (11) zu absorbieren und Laserstrahlung (12) zu emittieren; einen Wellenleiter (117), der geeignet ist, die Pumpstrahlung dem Verstärkungsmedium (105) zuzuführen; einen ersten und einen zweiten Resonatorspiegel (108, 109), von denen einer in einem Lichtpfad zwischen der Pump-Laserdiode (100) und dem Verstärkungsmedium (105) und ein weiterer auf einer von der Pump-Laserdiode (100) abgewandten Seite des Verstärkungsmediums (105) angeordnet ist, wobei sich ein optischer Resonator (110) zwischen dem ersten und dem zweiten Resonatorspiegel (108, 109) ausbildet.
Photonische integrierte Schaltung (10) nach Anspruch 1, wobei die Pump-Laserdiode (100) eine aktive Zone (103) aufweist, die ein GaN-haltiges Halbleitermaterial enthält.
Photonische integrierte Schaltung (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Verstärkungsmaterial (105) ein kristallines Lithiumfluorid-haltiges Verstärkungsmaterial ist.
Photonische integrierte Schaltung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verstärkungsmedium (105) LiLuF₄ oder LiRhF₄ enthält.
Photonische integrierte Schaltung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verstärkungsmedium (105) mit Seltenerd-Ionen dotiert ist.
Photonische integrierte Schaltung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verstärkungsmedium (105) in einem Mantelmaterial (118) mit einem kleineren Brechungsindex als dem Brechungsindex des Verstärkungsmediums (105) eingebettet ist und das Mantelmaterial (118) an Seitenflächen des Verstärkungsmediums (105) parallel zu einer Erstreckungsrichtung des optischen Resonators (110) angeordnet ist.
Photonische integrierte Schaltung (10) nach Anspruch 6, wobei das Mantelmaterial (118) aus dem Material des Verstärkungsmediums (105) aufgebaut ist und undotiert ist.
Photonische integrierte Schaltung (10) nach Anspruch 6 oder 7, wobei das Mantelmaterial (118) weiterhin an den Wellenleiter (117) angrenzt.
Photonische integrierte Schaltung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit einem Ringresonator (122), der in einem Lichtpfad hinter dem Verstärkungsmedium (105) angeordnet ist und der geeignet ist, die von dem Verstärkungsmedium (105) emittierte Laserstrahlung (12) zu filtern.
Photonische integrierte Schaltung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit einem aktiven optischen Element (116), das geeignet ist, ein Emissionsspektrum der photonischen integrierten Schaltung (10) zu verändern.
Photonische integrierte Schaltung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verstärkungsmedium (105) in mindestens einen ersten und einen zweiten Abschnitt (131, 132) aufgeteilt ist, die entlang einer Richtung angeordnet sind, die eine Richtung der Pumpstrahlung (11) schneidet.
Photonische integrierte Schaltung (10) nach Anspruch 11, wobei ein Material des ersten Abschnitts (131) von einem Material des zweiten Abschnitts (132) verschieden ist.
Photonische integrierte Schaltung (10) nach Anspruch 11 oder 12, ferner mit einem Spiegel (129), der geeignet ist, von dem ersten Abschnitt (131) emittierte Laserstrahlung (12) in den zweiten Abschnitt (132) zu lenken.
Photonische integrierte Schaltung (10) umfassend: eine Pump-Laserdiode (100), die eingerichtet ist, Pumpstrahlung (11) zu emittieren; ein erstes Verstärkungsmedium (105), welches geeignet ist, die Pumpstrahlung (11) zu absorbieren und erste Laserstrahlung (12) zu emittieren; einen ersten und einen zweiten Resonatorspiegel (108, 109), von denen einer in einem Lichtpfad zwischen der Pump-Laserdiode (100) und dem ersten Verstärkungsmedium (105) und ein weiterer auf einer von der Pump-Laserdiode (100) abgewandten Seite des ersten Verstärkungsmediums (105) angeordnet ist, wobei sich ein erster optischer Resonator (110) zwischen dem ersten und dem zweiten Resonatorspiegel (108, 109) ausbildet, ferner umfassend: einen zweiten optischen Resonator (121) mit einem zugehörigen ersten und einem zweiten Resonatorspiegel sowie einem zweiten Verstärkungsmedium (106), welches in dem zweiten optischen Resonator (121) angeordnet ist und geeignet ist, die Pumpstrahlung (11) zu absorbieren und zweite Laserstrahlung (13) mit einer Wellenlänge zu emittieren, die von der Wellenlänge der ersten Laserstrahlung (12) verschieden ist; und einem optischen Schalter (130), der geeignet ist, Pumpstrahlung (11) selektiv dem ersten oder dem zweiten optischen Resonator (110, 121) zuzuführen.
Photonische integrierte Schaltung (10) nach Anspruch 14, wobei das erste und das zweite Verstärkungsmedium (105, 106) ein identisches Grundmaterial mit jeweils unterschiedlichem Dotierstoff aufweisen.
Photonische integrierte Schaltung (10) nach Anspruch 15, wobei das Grundmaterial kristallines Lithiumfluorid enthält.
Optoelektronische Vorrichtung (15), die die photonische integrierte Schaltung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.
Optoelektronische Vorrichtung (15) nach Anspruch 17, die aus einem Sensor und einer AR/VR-Datenbrille ausgewählt ist.