DE102022126118A1

DE102022126118A1 - Laserlichtquelle mit einer Halbleitervorrichtung

Info

Publication number: DE102022126118A1
Application number: DE102022126118.2A
Authority: DE
Inventors: Michael Förtsch; Kirill Spasibko
Original assignee: QAnt GmbH
Current assignee: QAnt GmbH
Priority date: 2022-10-10
Filing date: 2022-10-10
Publication date: 2024-04-11
Also published as: WO2024078970A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Laserlichtquelle (30), umfassend eine Halbleitervorrichtung (10) mit wenigstens einem nichtlinearen optischen Medium, insbesondere ein nichtlinearer Kristall, und wenigstens eine Pump-Laserquelle (32) zum Erzeugen eines Pump-Laserstrahls (35) zur Bildung eines Signal-Strahls (37) und/oder eines Idler-Strahls (38) in dem nichtlinearen optischen Medium durch Parametric-Down-Conversion.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laserlichtquelle, umfassend: mindestens ein nichtlineares optisches Medium, insbesondere einen nichtlinearen Kristall, sowie mindestens eine Pump-Laserquelle zum Erzeugen eines Pump-Laserstrahls zur Bildung eines Signal-Strahls und eines ldler-Strahls in dem nichtlinearen optischen Medium durch Parametric-Down-Conversion. Die Erfindung betrifft auch einen Laser-Projektor mit einer solchen Laserlichtquelle.
Lichtquellen, die Licht mit hoher Intensität, Farbtreue, Bündelung und geeigneter Kohärenz erzeugen, sind u. a. für Visualisierungsanwendungen, beispielsweise für Projektoren, von Vorteil. Für Visualisierungsanwendungen, speziell für Projektoren, werden häufig Lichtquellen verwendet, die inkohärentes Licht erzeugen, z. B. Lampen oder LEDs. Derartige Lichtquellen haben aber Nachteile bei Intensität, Farbtreue und Strahlbündelung. Laserlichtquellen sind in allen genannten Aspekten überlegen, emittieren allerdings stark kohärentes Licht, welches in der Anwendung in einem Laser-Projektor zu so genanntem Speckle-Rauschen führt, d.h. zu einem granularen (d.h. körnigen) Interferenzeffekt, der die Bildqualität deutlich reduziert. Speckle-Rauschen tritt nicht nur bei Laser-Projektoren auf, sondern überall dort, wo Laserlichtquellen für bildgebende oder messtechnische Zwecke eingesetzt werden, beispielsweise in der interferometrischen Messtechnik.
In der WO 2006/105259 A2 sind ein System und ein Verfahren zum Betreiben einer Multicolor-Laserquelle beschrieben, die Arrays mit Halbleiterlasern aufweist, um Licht mit unterschiedlichen Farben zu erzeugen. Die einzelnen Emitter bzw. Halbleiterlaser eines jeweiligen Arrays emittieren im Wesentlichen inkohärent, z.B. mit unterschiedlicher Phase, um das Speckle-Rauschen zu unterdrücken. Zur Reduzierung von Speckle-Rauschen kann auch eine spektrale Aufweitung der von den Halbleiterlasern emittierten Laserstrahlung durchgeführt werden. Einem oder mehreren der Arrays kann ein nichtlinearer Frequenzkonverter nachgeschaltet sein, der eine Eingangsfrequenz in eine Ausgangsfrequenz mit einer anderen Farbe konvertiert. Ein solcher nichtlinearer Frequenzkonverter kann beispielsweise eine Parametric-Down-Conversion (PDC) einer grünen Eingangsfrequenz in eine rote Ausgangsfrequenz erzeugen. Die nichtlinearen Frequenzkonverter können innerhalb eines (externen) Resonators eines jeweiligen individuellen Laser-Emitters oder außerhalb eines solchen Resonators angeordnet sein. Für die nichtlineare Frequenzkonversion wird ein nichtlineares Medium benötigt, welches beispielsweise durch eine optische Faser oder einen nichtlinearen Kristall ausgeführt sein kann. Der nichtlineare Kristall einer solchen Laserlichtquelle ist derart auf die Wellenlänge des Pump-Laserstrahls eines jeweiligen Laser-Emitters abgestimmt, dass in dem laseraktiven Kristall ein PDC-Prozess stattfindet. Der PDC-Prozess basiert auf der nichtlinearen Wechselwirkung des Pump-Laserstrahls, der von der kohärenten Pump-Laserquelle erzeugt wird, mit dem nichtlinearen Medium. Bei dieser Wechselwirkung entstehen zwei neue Lichtfelder, welche in der vorliegenden Anmeldung - wie allgemein üblich - als Signal-Strahl und als Idler-Strahl bezeichnet werden. Der Signal-Strahl und der Idler-Strahl erhalten die Energie ω_P und den Impuls k_P des Pump-Laserstrahls, d.h. es gilt für die Energie ω_p = ω_S + ω_I, wobei ω_S die Energie des Signal-Strahls und ω_I die Energie des Idler-Strahls bezeichnen. Entsprechend gilt für den Impuls k_P des Pump-Laserstrahls, den Impuls k_S des Signal-Strahls und den Impuls k_I des Idler-Strahls: k_P = k_S + k_I.
Aufgabe der Erfindung
Einem ersten Aspekt der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Laserlichtquelle bereitzustellen, bei der die Pump-Laserstrahlung der Pump-Laserquelle möglichst effizient zu genutzt wird.
Gegenstand der Erfindung
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Laserlichtquelle gemäß Anspruch 1.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass das nichtlineare optische Medium wenigstens zwei, insbesondere mehrere, Wellenleiter, umfasst, wobei in einem jeweiligen Wellenleiter ein Teil-Signal-Strahl gebildet wird und die wenigstens zwei Teil-Signal-Strahlen zur Addition der Laserleistung der Teil-Signal-Strahlen kombiniert werden.
Die erfindungsgemäße Laserlichtquelle, die auf dem Prozess der Parametric Down Conversion beruht, benötigt keine mechanischen Funktionsbauteile und ist daher sehr kleinbauend. Durch die Parametric Down Conversion kann zudem die Kohärenz des von der Laserlichtquelle erzeugten Laserstrahls zerstört werden, indem entweder nur der Signal-Strahl oder nur der Idler-Strahl den Nutz-Laserstrahl der Laserlichtquelle bildet. Hierbei wird ausgenutzt, dass der Signal-Strahl und der Idler-Strahl durch den gemeinsamen Entstehungsprozess in dem nichtlinearen Medium zwar starke Korrelationen aufweisen, dass der Idler-Strahl bzw. der Signal-Strahl für sich alleine das Fluktuationsverhalten von thermischen Lichtquellen aufweisen. Diese Fluktuationen sind schnell genug, dass das Speckle-Rauschen praktisch vollständig eliminiert wird. Die erfindungsgemäße Laserlichtquelle eignet sich daher für die Erzeugung von brillanter, specklefreier Projektion, z.B. in Datenbrillen, in Head-Up-Displays, für die Belichtung von Mikrochips in der Lithographie und für bildgebende Verfahren (zur Beleuchtung) in der Mikroskopie. Die erfindungsgemäße Lichtquelle kann aufgrund der einstellbaren Kohärenz (s.u.) auch zur Erzeugung von Hologrammen oder für andere optische Anwendungen verwendet werden.
Durch die Kombination von wenigstens zwei, vorzugsweise mehreren, beispielsweise zwischen 2 bis 20 oder mehr, Wellenleitern auf einer gemeinsamen Halbleitervorrichtung kann durch Addition der in den Wellenleitern gebildeten Teil-Signal-Strahlen die Laserleistung der Teil-Signal-Strahlen kombiniert werden, was in einer höheren Gesamtleistung der Halbleitervorrichtung resultiert.
Gleichzeitig muss eine Größe der Halbleitervorrichtung nicht signifikant erhöht werden, da die größte Dimension, nämlich die Erstreckung der Halbleitervorrichtung in Richtung der Länge eines jeweiligen Wellenleiters, auch bei mehreren Wellenleitern nicht vergrößert werden muss.
Zur Herstellung eines Wellenleiters in einem nichtlinearen Kristall können unterschiedliche Verfahren zum Einsatz kommen, beispielsweise Ionenimplantation oder eine lithografisches Verfahren. Der Wellenleiter ist derart ausgelegt, dass er den Pump-Laserstrahl bei der Pump-Wellenlänge, den Signal-Strahl bei der Signal-Wellenlänge und den Idler-Strahl bei der Idler-Wellenlänge in dem nichtlinearen Kristall verlustarm führt.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist es vorteilhaft, wenn die Halbleitervorrichtung jeweils wenigstens zwei Wellenleiter zum Bilden von Teil-Signal-Strahlen einer ersten Farbe und wenigstens zwei Wellenleiter zum Bilden von Teil-Signal-Strahlen wenigstens einer zweiten Farbe umfasst. Zu diesem Zweck ist es erforderlich, die nichtlinearen optischen Medien geeignet auszuwählen bzw. die Länge der nichtlinearen optischen Medien sowie deren periodische Polung, insbesondere die periodische Polung der jeweiligen Wellenleiter geeignet auszulegen, um die jeweils gewünschten Wellenlängen zu erzeugen. Die Teil-Signal-Strahlen der verschiedenen Farben können gleichzeitig erzeugt werden. Es kann vorgesehen sein, dass die Teil-Signal-Strahlen der verschiedenen Farben in mindestens einer Überlagerungseinrichtung zu einem gemeinsamen, aus der Laserlichtquelle austretenden Laserstrahl mit mindestens zwei, oder mehr, beispielsweise mit drei Wellenlängen überlagert werden. Beispielsweise werden drei Wellenlängen (rot, grün und blau) und deren individuelle optische Leistungen, die zu dem austretenden Laserstrahl überlagert werden, idealerweise so gewählt, dass diese in Summe einen für Projektionszwecke geeigneten Weißton ergeben, idealerweise einen Weißton mit 6500 K Farbtemperatur.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist es vorteilhaft, dass ein jeweiliger Wellenleiter einen sich verjüngenden Auskopplungsbereich umfasst. Der Auskopplungsbereich verjüngt sich beispielsweise zu dem Wellenleiter hin oder von dem Wellenleiter weg. Der sich verjüngende Auskopplungsbereich ist beispielsweise abgeschrägt. Mit einem sich zu dem Wellenleiter hin verjüngenden Auskopplungsbereich, also ein sich von dem Wellenleiter weg verbreiternder Auskopplungsbereich, kann beispielsweise an einer Auskopplungsseite der Halbleiterleitervorrichtung durch mehrere nebeneinander angeordnete Wellenleiter eine nahezu homogen-leuchtende Linie erzeugt werden. Durch die vorgeschlagene Ausbildung des Auskoppelbereichs ist es ebenfalls möglich, die Ankopplung des Wellenleiters an optische Elemente, beispielsweise eine optische Faser oder eine Fokussiereinrichtung, beispielweise eine Linseneinrichtung, zu optimieren.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist es vorteilhaft, dass ein jeweiliger Wellenleiter einen sich verjüngenden Einkopplungsbereich umfasst. Der Einkopplungsbereich verjüngt sich beispielsweise zu dem Wellenleiter hin oder von dem Wellenleiter weg. Der sich verjüngende Einkopplungsbereich ist beispielsweise abgeschrägt. Durch die vorgeschlagene Ausbildung des Einkopplungsbereichs ist es möglich, die Ankopplung des Wellenleiters an optische Elemente, beispielsweise eine optische Faser oder eine Fokussiereinrichtung, beispielweise eine Linseneinrichtung, zu optimieren. Insbesondere kann in diesem Fall durch entsprechende Ausbildung des Einkopplungsbereichs des Wellenleiters der (Moden-)Durchmesser der Austrittsfläche der optischen Faser an den (Moden-)Durchmesser des Wellenleiters, genauer gesagt der Eintrittsfläche des Wellenleiters, angepasst werden.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist es vorteilhaft, dass der mittels der wenigstens einen Pump-Laserquelle erzeugte Pump-Laserstrahl auf die wenigstens zwei Wellenleiter, insbesondere unter Nutzung von evaneszenter Kopplung, aufgeteilt wird. Beispielsweise können mehrere Wellenleiter von einer Pump-Laserquelle gespeist werden. Die Ankopplung erfolgt beispielsweise mittels einer Linseneinrichtung, beispielsweise Mikrolinsenarray, oder einer Faserankopplung.
Es kann auch vorgesehen sein, dass die Laserlichtquelle wenigstens zwei Pump-Laserquellen umfasst. Eine jeweilige Pump-Laserquelle kann beispielsweise einen oder mehrere Wellenleiter speisen.
Es kann vorgesehen sein, dass die wenigstens eine Pump-Laserquelle oder die wenigstens zwei Pump-Laserquellen einen Festkörperlaser, insbesondere einen Diodenlaser, aufweisen. Der Diodenlaser kann kontinuierlich (cw) oder gepulst betrieben werden. Bei einem gepulsten Betrieb des Diodenlasers besteht die Möglichkeit, den dem Diodenlaser zur Erzeugung des Pump-Laserstrahls zugeführten Injektionsstrom für die einzelnen Pulse größer zu wählen als den cw-Injektionsstrom, d.h. den Diodenlaser zu überpulsen. Im zeitlichen Mittel ergibt sich beim Überpulsen aufgrund der Pulspausen ein Injektionsstrom, der im Wesentlichen dem cw-Injektionsstrom entspricht.
Vorteilhafterweise kann auch vorgesehen sein, dass die Laserlichtquelle wenigstens eine Seed-Lichtquelle zur Erzeugung eines Seed-Signal-Strahls, und/oder eines Seed-ldler-Strahls, sowie mindestens eine Überlagerungseinrichtung zur Überlagerung des Seed-Signal Strahls und/oder des Seed-ldler-Strahls mit dem Pump-Laserstrahl zur gemeinsamen Einkopplung in das nichtlineare optische Medium, umfasst. Das Emissionsspektrum des Seed-Signal-Strahls bzw. einen Seed-Idler-Strahls enthält die Signal-Wellenlänge des Signal-Strahls bzw. die Idler-Wellenlänge des Idler-Strahls bzw. stimmt im Wesentlichen mit diesen überein. Durch die Verwendung der Seed-Lichtquelle kann die Verstärkung des nichtlinearen Mediums für den Seed-Strahl und/oder den Idler-Strahl erhöht werden (Seedverstärkung). Die Überlagerungseinrichtung kann ausgebildet sein, den Seed-Signal-Strahl und/oder den Seed-Idler-Strahl kollinear (räumlich) zu überlagern, um diese entlang eines gemeinsamen Strahlwegs dem nichtlinearen Medium zuzuführen. Für die kollineare Überlagerung kann beispielsweise ein polarisierender Strahlteiler verwendet werden, der reflektiv für die Polarisationsrichtung des Seed-Signal-Strahls (oder des Idler-Signal-Strahls) und transmissiv für die Polarisationsrichtung des Pump-Laserstrahls ist, oder umgekehrt.
Es können auch andere optische Einrichtungen als Überlagerungseinrichtungen verwendet werden. Beispielsweise können die unterschiedlichen Wellenlängen des Pump-Laserstrahls und des Seed- bzw. des Idler-Signal-Strahls ausgenutzt werden, um die Überlagerung z.B. mit Hilfe eines Beugungsgitters oder eines dichroitischen Strahlteiler oder dergleichen zu realisieren.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Laserlichtquelle wenigstens eine Steuerungseinrichtung zur Steuerung der Leistung des in das nichtlineare optische Medium eingekoppelten Seed-Signal-Strahls und/oder des Pump-Laserstrahls auf. Die Steuerungseinrichtung kann ausgebildet sein, die Leistung der Seed-Lichtquelle und/oder der Pump-Laserquelle einzustellen, um auf diese Weise die Kohärenz des aus dem nichtlinearen Medium ausgekoppelten Signals-Strahls und/oder des Idler-Strahls zu beeinflussen bzw. einzustellen. Alternativ oder zusätzlich kann eine (optische) Filterung mit einem einstellbaren optischen Filter erfolgen, um die in das nichtlineare Medium eingekoppelte Leistung des Seed-Signal-Strahls und/oder des Seed-Idler-Strahls einzustellen. Gleiches gilt für die Einstellung der Leistung der Pump-Laserquelle.
Die Seed-Lichtquelle ist beispielsweise eine LED, Superlumineszenz-Diode oder eine Laserdiode. Eine LED weist typischerweise eine Kohärenzlänge auf, die so groß ist, dass die aus der Seed-Lichtquelle austretende Strahlung als inkohärent bezeichnet wird. Bei der Superlumineszenz-Diode handelt es sich um eine Laserdiode ohne einen Resonator. Eine Superlumineszenz-Diode vereinigt die Helligkeit einer Laserdiode mit der geringen Kohärenz(länge) von Leuchtdioden, was gleichbedeutend mit einer größeren Bandbreite der von der Superlumineszenz-Diode emittierten Strahlung im Vergleich zur von einer Laserdiode emittierten Laserstrahlung ist. Bei der Seed-Lichtquelle in Form der Laserdiode kann es sich insbesondere um eine Multi-Mode-Laserdiode oder um einen unterhalb der Emissionsschwelle betrieben Laser handeln. Auch der von einer solchen Multi-Mode-Laserdiode erzeugte Seed-Signal-Strahl bzw. Seed-Idler-Strahl weist eine geringere Kohärenzlänge auf als ein Pump-Laserstrahl, der von einer Pump-Laserquelle z.B. in Form einer Single-Mode-Laserdiode erzeugt wird.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Pump-Laserquelle zur Erzeugung eines Pump-Laserstrahls mit einer Pump-Wellenlänge von weniger als 460 nm ausgebildet. Die Pump-Wellenlänge der Pump-Laserquelle sollte bei der Verwendung der Laserlichtquelle zur Projektion nicht größer gewählt werden, da bei der Parametric-Down-Conversion in dem nichtlinearen Medium die konvertierten Ausgangs-Wellenlängen größer sind als die Pump-Wellenlänge des Pump-Laserstrahls. Bei einer Pump-Wellenlänge, die beispielsweise bei 450 nm oder weniger, beispielsweise bei ca. 375 nm oder weniger liegt, können die drei Grundfarben blau (zwischen ca. 420 nm und ca. 470 nm), grün (zwischen ca. 520 nm und ca. 540 nm) und rot (zwischen ca. 635 nm und 780 nm) durch Parametric-Down-Conversion erzeugt werden. Zur Erzeugung von beispielweise drei Signal-Strahlen bzw. Idler-Strahlen mit Wellenlängen im blauen, grünen und roten Wellenlängenbereich können drei Pump-Laserquellen verwendet werden, die nicht zwingend dieselbe Pump-Wellenlänge nutzen. Die Erzeugung von drei Signal-Strahlen bzw. Idler-Strahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen kann auch mit Hilfe einer einzigen Pump-Laserquelle erfolgen, indem der Pump-Laserstrahl auf die jeweiligen Wellenleiter aufgeteilt wird.
Es kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass die Laserlichtquelle wenigstens eine Fokussiereinrichtung zur Fokussierung des Pump-Laserstrahls und/oder des Seed-Signal-Strahls und/oder des Seed-ldler-Strahls, insbesondere auf eine jeweilige Eintrittsfläche eines jeweiligen Wellenleiters, umfasst. Bei der Fokussiereinrichtung kann es sich beispielsweise um eine Fokussierlinse handeln. Als Linsen für die Fokussierung können beispielsweise so genannte „Graded index lens" (GRIN-)Linsen zum Einsatz kommen. Die Linsen können insbesondere zu einem monolithischen hybriden Mikrosystem verbunden werden. GRIN-Linsen weisen herstellungsbedingt eine vergleichsweise kleine Dezentrierung auf.
Es kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass der Pump-Laserstrahl und/oder der Seed-Signal-Strahls und/oder der Seed-ldler-Strahl über eine jeweilige optische Faser geführt in einen jeweiligen Wellenleiter eingekoppelt werden. Insbesondere kann in diesem Fall der (Moden-)Durchmesser der Austrittsfläche der optischen Faser an den (Moden-)Durchmesser des Wellenleiters, genauer gesagt der Eintrittsfläche des Wellenleiters, angepasst werden. Alternativ kann z.B. durch eine Blende der Modenfeld-Durchmesser der Pump-Lichtquelle an den Modenfeld-Durchmesser des Wellenleiters und entsprechend auch an den Akzeptanzwinkel des Wellenleiters angepasst werden.
Es kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass ein in einem jeweiligen Wellenleiter gebildeter Teil-Signal-Strahl über eine gemeinsame oder eine jeweilige Kollimationseinrichtung und/oder eine jeweilige optische Faser aus einem jeweiligen Wellenleiter ausgekoppelt wird. Die Kollimationseinrichtung ist beispielweise im Strahlengang nach dem nichtlinearen Medium angeordnet sein, um den typischerweise divergent aus dem Wellenleiter austretenden Pump-Laserstrahl, den Signal-Strahl und/oder den Idler-Strahl zu kollimieren. Als Linsen für die Kollimation können beispielsweise so genannte „Graded index lens" (GRIN-)Linsen zum Einsatz kommen. Die Linsen können insbesondere zu einem monolithischen hybriden Mikrosystem verbunden werden.
In Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Laserlichtquelle wenigstens zwei Halbleitervorrichtungen, umfasst wobei die wenigstens zwei Halbleitervorrichtungen als ein Schichtstapel ausgebildet sind. Zusätzlich (oder sogar anstelle) der Platzierung mehrerer Wellenleiter nebeneinander, kann die gleiche Leistungserhöhung erreicht werden, indem man mehrere Chips mit einem oder mehreren Wellenleitern übereinander platziert (stapelt), so dass man eine zweidimensionale Erhöhung der Leistung und der Anzahl der Wellenleiter erhält, anstatt einer eindimensionalen. In diesem Fall sollten die Wellenleiter auf jedem Chip vor den Chips auf ihrer Oberseite geschützt werden, z.B. durch Aufsputtern einer zusätzlichen Oxidschicht auf die Oberseite des Chips, die die Wellenleiter von oben vollständig abdeckt.
Die Halbleitervorrichtung umfasst beispielsweise ein Substrat umfassend Silizium (Si) oder Siliziumcarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN) und/oder das nichtlineare Kristall umfasst beispielweise Lithiumniobat (LiNbO₃) umfasst. Der nichtlineare Kristall kann aber beispielsweise auch KTP (Kaliumtitanylphosphat), PP-KTP (periodisch gepoltes Kaliumtitanylphosphat), PP-LN (periodisch gepoltes Lithiumniobat), Ti:LN (Titan-Lithiumniobat), AIN (Aluminiumnitrid), LNol (Lithiumniobat auf Isolationssubstrat), BBO (Beta-Barium-Oxid) und LBO (Lithium-Barium Oxid) umfassen. Diese nichtlinearen Kristalle sind für Wellenlängen von mehr als ca. 380 nm transparent. Für die Laserlichtquelle sollte ein nichtlinearer Kristall ausgewählt werden, der sowohl für die Pump-Wellenlänge als auch für die Signal-Wellenlänge und die Idler-Wellenlänge eine geringe Absorption und somit eine hohe Transparenz aufweist.
Weitere Ausführungsformen betreffen eine Halbleitervorrichtung für eine Laserlichtquelle gemäß den beschriebenen Ausführungsformen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Laser-Projektor, der eine Laserlichtquelle gemäß den beschriebenen Ausführungsformen umfasst. Die Laserlichtquelle kann beispielsweise in einem Laser-Projektor eingesetzt werden, um ein annähernd specklefreies Bild auf einer Projektionsfläche zu erzeugen. Für die Erzeugung des Bildes auf der Projektionsfläche kann der Laser-Projektor eine Scannereinrichtung zur zweidimensionalen Ablenkung des Laserstrahls aufweisen, die beispielsweise mindestens einen Spiegel umfassen kann. Ein solcher Laser-Projektor kann insbesondere als Head-Up-Display in einem Kraftfahrzeug verwendet werden, bei dem beispielsweise die Frontscheibe als Projektionsfläche dient. Die Laserlichtquelle kann aber auch als Beleuchtungsquelle für die Projektion von Bildern dienen, für deren Erzeugung ortsauflösende Modulatoren verwendet werden, z.B. so genannte DMDs (Digital Mirror Devices) oder SLMs (Spatial Light Modulators).
Weitere beispielhafte Ausführungsformen betreffen eine Laserlichtquelle umfassend eine Halbleitervorrichtung mit wenigstens einem nichtlinearen optischen Medium wobei das nichtlineare optische Medium nicht wenigstens zwei, sondern nur einen Wellenleiter umfasst. Es ist vorteilhaft vorgesehen, dass die Halbleitervorrichtung ein Substrat umfassend Siliziumcarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN) umfasst. Die Halbleitervorrichtung ist beispielsweise ein optoelektronischer Chip und umfasst beispielsweise einen Schaltkreisabschnitt. Auf dem Schaltkreisabschnitt ist mindestens ein Wellenleiter angeordnet. Der Schaltkreisabschnitt umfasst beispielweise SiC. Auf dem Schaltkreisabschnitt kann vorteilhafterweise eine PufferSchicht, beispielsweise eine Wärmesenke, vorgesehen sein. Die Wärmesenke umfasst beispielsweise SiC.
SiC und GaN haben im Vergleich zu Si deutlich erhöhte Wärmetransporteigenschaften. Die thermische Strahlung von integrierten Schaltkreisen in Silizium führt zu Brechungsindexmodulationen im Lithiumniobat, also in dem Wellenleiter. Diese Modulationen erzeugen zeitlich veränderte Phaseneigenschaften des in dem Wellenleiter geführten Lichts. Dies wiederrum führt zu Ineffizienzen bei der photonischen Berechnung und bedeutet beispielsweise für photonisches Computing unvorhersehbare Verluste und Ungenauigkeiten. Durch die Verwendung von SiC oder GaN anstelle von Si kann dieses Problem umgangen werden. Ein Aufbau eines Stacks aus SiC/PufferLayer/LiNbO3 oder GaN/PufferLayer/LiNbO3 ist daher besonders gut als Ausgangsmaterial für opto-elektronische Chips geeignet. Eine weitere beispielhafte Ausführungsform betrifft demnach eine Laserlichtquelle umfassend eine Halbleitervorrichtung umfassend einen Stack umfassend gestapelte Schichten aus SiC/PufferLayer/LiNbO3 oder GaN/PufferLayer/LiNbO3 mit wenigstens einem nichtlinearen optischen Medium wobei das nichtlineare optische Medium wenigstens einen Wellenleiter umfasst. Die Ausführungsform der Laserlichtquelle mit wenigstens einem Wellenleiter kann soweit anwendbar mit sämtlichen der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen der Laserlichtquelle mit wenigstens zwei, insbesondere mehrere, Wellenleiter, kombiniert werden, mit der Maßgabe, dass nur ein Wellenleiter vorgesehen ist.
Die Erfindung betrifft auch die Verwendung des beschriebenen Laserprojektors und/oder der beschriebenen Halbleitervorrichtungen und/oder der beschriebenen Laserlichtquellen für Quantencomputing in einem Quantenprozessor bzw. Quantencomputer.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. In der folgenden Beschreibung der Zeichnungen werden für gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile identische Bezugszeichen verwendet.
In der Zeichnung zeigt:

1a eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Halbleitervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform,
1b eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Halbleitervorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform,
2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer weiteren Halbleitervorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform,
3 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Laserlichtquelle mit einer Halbleitervorrichtung, einer Pump-Laserquelle und einer Seed-Lichtquelle.

1a zeigt stark schematisch einen beispielhaften Aufbau einer Halbleitervorrichtung 10 für eine Laserlichtquelle in einer Schnittansicht/Ansicht von der Seite. Die Halbleitervorrichtung umfasst ein Substrat 12, beispielsweise umfassend Silizium (Si) oder Siliziumcarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN). Die Vorteile von Siliziumcarbid und Galliumnitrid werden weiter unten in Bezug auf die in 2 dargestellte Ausführungsform erläutert.
Auf dem Substrat 12 ist eine Pufferschicht 14, beispielsweise umfassend Siliziumdioxid (SiO₂) aufgebracht.
Die Halbleitervorrichtung 10 umfasst gemäß der Darstellung in 1a zehn, insbesondere parallel zueinander verlaufende Wellenleiter 16. Die Anzahl der Wellenleiter ist frei wählbar.
Die Wellenleiter 16 können beispielsweise durch IonenImplantation oder eindiffundiertes Titan oder Laserablation oder Trocken- oder Nassätzung in einem nichtlinearen Kristall erzeugt werden. Bei dem nichtlinearen Kristall handelt es sich im Beispiel um periodisch gepoltes Lithiumniobat. Wesentlich für die Auswahl eines nichtlinearen Kristalls ist es, dass in dem nichtlinearen Kristall ein PDC-Prozess stattfinden kann. Um die im Beispiel dargestellte geometrische Außenkontur der Wellenleiter zu erzeugen, kann ein Oberflächenabtrag, beispielsweise mittels Laserstrahlung erfolgen. Eine periodische Polung ist nicht zwingend erforderlich, kann aber die Effizienz nichtlinearer Prozesse erhöhen.
Die Erzeugung von nicht-speckelndem Licht mittels PDC ist mitunter nicht sehr effizient. Beispielsweise können aus mehreren mW Pumpleistung unter optimalen Bedingung parametrisches Licht mit nur wenigen 100 uW Leistung erzeugt. Im Beispiel kann mit jedem Wellenleiter Licht mit einer Leistung von 100 uW erzeugt werden. Durch die parallele Erzeugung und Kombination der Teil-Strahlen kann die Leistung der Laserlichtquelle im Beispiel auf 1 mW erhöht werden.
1b zeigt stark schematisch einen beispielhaften Aufbau einer Halbleitervorrichtung 10 in einer Draufsicht. Im Beispiel sind vereinfacht vier Wellenleiter 16 dargestellt. Die Wellenleiter 16 sind lediglich beispielhaft zur Darstellungszwecken unterschiedlich ausgebildet. Es kann vorgesehen sein, dass in einer Ausführungsform alle Wellenleiter 16 gleich oder unterschiedlich voneinander ausgebildet sind.
Die Wellenleiter 16 werden von einer oder mehreren Pump-Laserquellen und ggf. von einer oder mehreren Seed-Laserquellen gespeist. Dies wird später unter Bezugnahme auf die in 3 dargestellte Ausführungsform erläutert.
Die in 1b dargestellten Wellenleiter umfassen jeweils einen sich verjüngenden Auskopplungsbereich 18 gemäß verschiedener Ausführungsformen. Gemäß dem Beispiel verjüngen sich die Auskopplungsbereiche zu dem Wellenleiter hin. Es ist aber auch möglich den Auskoppelbereich invers auszubilden. Dies ist beispielsweise mit den gestrichtelten Linien für einen Auskopplungsbereich 18a dargestellt. Der sich verjüngende Auskopplungsbereich ist beispielsweise abgeschrägt. Mit einem sich zu dem Wellenleiter hin verjüngenden Auskopplungsbereich, also ein sich von dem Wellenleiter weg verbreiternder Auskopplungsbereich, kann beispielsweise an einer Auskopplungsseite der Halbleiterleitervorrichtung durch mehrere nebeneinander angeordnete Wellenleiter eine nahezu homogen-leuchtende Linie bzw. Fläche erzeugt werden. Im Beispiel sind die Wellenleiter über ihren Auskoppelbereich optimiert an optische Elemente, im Beispiel eine Kollimatoreinrichtung, beispielsweise Linseneinrichtung 20, beispielswiese ausgebildet als Mikrolinsenarray, angekoppelt.
Die in 1b dargestellten Wellenleiter umfassen jeweils einen sich verjüngenden Einkopplungsbereich 22 gemäß verschiedener Ausführungsformen. Bei dem linken Wellenleiter 16 verjüngt sich Einkopplungsbereich 22a beispielhaft von dem Wellenleiter weg. Bei den übrigen Wellenleitern 16 verjüngt sich der Einkopplungsbereich 22 zu dem Wellenleiter 16 hin.
Die beiden linken Wellenleiter 16 sind über ihre Einkopplungsbereiche 22, 22a an eine jeweilige optische Faser 24 angekoppelt. Insbesondere kann in diesem Fall durch entsprechende Ausbildung des Einkopplungsbereichs des Wellenleiters der (Moden-)Durchmesser der Austrittsfläche der optischen Faser an den (Moden-)Durchmesser des Wellenleiters, genauer gesagt der Eintrittsfläche des Wellenleiters, angepasst werden. Die beiden rechten Wellenleiter 16 sind über ihre Einkopplungsbereiche 22, 22a an eine Fokussiereinrichtung 26, beispielweise eine Linseneinrichtung, angekoppelt.
Unterschiedlich ausgebildete Ein- und Auskoppelbereiche können bei einem jeweiligen Wellenleiter in beliebigen Kombinationen vorgesehen werden.
Es kann vorgesehen sein, dass die Wellenleiter 16 der Halbleitervorrichtung 10 ausgebildet sind, Teil-Signal-Strahlen unterschiedlicher Farben zu erzeugen. Beispielsweise sind wenigstens zwei oder mehr Wellenleiter 16 zum Bilden von Teil-Signal-Strahlen einer ersten Farbe und wenigstens zwei oder mehr Wellenleiter 16 zum Bilden von Teil-Signal-Strahlen wenigstens einer zweiten Farbe ausgebildet. Zu diesem Zweck ist es erforderlich, die nichtlinearen optischen Medien geeignet auszuwählen und anzupassen bzw. die Länge der nichtlinearen optischen Medien sowie deren periodische Polung, insbesondere die periodische Polung der jeweiligen Wellenleiter geeignet auszulegen, um die jeweils gewünschten Wellenlängen zu erzeugen. Die Wellenleiter 16 zum Erzeugen von Teil-Signal-Strahlen unterschiedlicher Farben können auch durch verschiedene Pump-Laserquellen gespeist werden.
2 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform einer Halbleitervorrichtung 10 mit einem nichtlinearen optischen Medium wobei das nichtlineare optische Medium nur einen Wellenleiter 16 umfasst. Es ist vorteilhaft vorgesehen, dass die Halbleitervorrichtung 10 ein Substrat 12 umfassend Siliziumcarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN) umfasst. Die Halbleitervorrichtung 10 ist beispielsweise ein optoelektronischer Chip und umfasst beispielsweise einen Schaltkreisabschnitt, insbesondere integriert in die Siliziumcarbid-Schicht 12. Auf dem Schaltkreisabschnitt ist mindestens ein Wellenleiter 16 angeordnet. Der Schaltkreisabschnitt umfasst beispielweise SiC oder GaN. Auf dem Schaltkreisabschnitt kann vorteilhafterweise eine PufferSchicht 14, beispielsweise eine Wärmesenke, vorgesehen sein. Die Wärmesenke umfasst beispielsweise SiC oder GaN.
SiC oder GaN hat im Vergleich zu Si deutlich erhöhte Wärmetransporteigenschaften. Die thermische Strahlung von integrierten Schaltkreisen in Silizium führt zu Brechungsindexmodulationen im Lithiumniobat, also in dem Wellenleiter 16. Diese Modulationen erzeugen zeitlich veränderte Phaseneigenschaften des in dem Wellenleiter 16 geführten Lichts. Dies wiederrum führt zu Ineffizienzen bei der photonischen Berechnung und bedeutet beispielsweise für photonisches Computing unvorhersehbare Verluste und Ungenauigkeiten. Durch die Verwendung von SiC anstelle von Si kann dieses Problem umgangen werden. Ein Aufbau eines Stacks aus SiC/PufferLayer/LiNbO3 oder GaN/PufferLayer/LiNbO3 ist daher besonders gut als Ausgangsmaterial für opto-elektronische Chips geeignet.
3 zeigt stark schematisch einen beispielhaften Aufbau einer Laserlichtquelle 30, die eine Pump-Laserquelle 32 in Form eines Diodenlasers, eine Halbleitervorrichtung 10 sowie eine Seed-Lichtquelle 34 aufweist. Im gezeigten Beispiel ist die Pump-Laserquelle 32 ausgebildet, einen Pump-Laserstrahl 35 mit einer Pump-Wellenlänge λ_P von 375 nm oder größer als 375 nm zu erzeugen. Für Visualisierungsanwendungen unter Verwendung eines Parametric-Down-Conversion (PDC)-Prozesses sollte die Pumpwellenlänge λ_P nicht zu groß gewählt werden und kleiner sein als ca. 460 nm oder ca. 450 nm. Für andere Anwendungen können Wellenlängen in anderen Bereichen gewählt werden. Zum Beispiel kann sowohl die Signal- als auch die Idler-Wellenlänge im Infrarotbereich liegen. Verwendet man beispielsweise die erzeugten Signal- und/oder Idlerstrahlen als Seed für Hochleistungslaser oder in der photonischen Datenverarbeitung, kann die Pumpwellenlänge bis zu 2000 nm betragen, typischerweise im Bereich von 520-540 nm, 750-850 nm oder 1000-1100 nm.
Der Pump-Laserstrahl 35 wird in den nichtlinearen Kristall der Halbleitervorrichtung genauer gesagt in dort gebildeten Wellenleiter 16, im Beispiel vier, eingekoppelt. In dem nichtlinearen Kristall findet der PDC-Prozess statt. Bei dem PDC-Prozess tritt der Pump-Laserstrahl 35 in Wechselwirkung mit dem nichtlinearen Kristall, wobei zwei neue Lichtfelder erzeugt werden, die als Signal-Strahl 37 mit einer Signal-Wellenlänge λ_S und als Idler-Strahl 38 mit einer Idler-Wellenlänge λ_I bezeichnet werden. Bei dem PDC-Prozess wird die Energie ω_P des Pump-Laserstrahls 35 erhalten, d.h. es gilt der Energieerhaltungssatz ω_P = ω_S + ω_S, wobei ω_S die Energie des Signal-Strahls 37 und ω_I die Energie des Idler-Strahls 38 bezeichnen. Um auch den Impulserhaltungssatz k_P = k_S + k_I für den Impuls k_P des Pump-Laserstrahls 35, den Impuls k_S des Signal-Strahls 37 und den Impuls k_I des Idler-Strahls 38 zu erfüllen, ist eine Phasenanpassung erforderlich, die im gezeigten Beispiel durch eine periodische Polung 39 des nichtlinearen Kristalls erreicht wird. Die periodische Polung 39 ist in 3 durch vertikale Striche angedeutet, welche die Grenzflächen zwischen den umgekehrt gepolten ferroelektrischen Domänen des nichtlinearen Kristalls bilden.
Durch die periodische Polung 39 wird auch die Nichtlinearität des Kristalls und somit die Effizienz des PDC-Prozesses erhöht.
Im Strahlweg nach dem nichtlinearen Kristall ist ein erster Strahlteiler 40 angeordnet, der den Idler-Strahl 38 von dem beim PDC-Prozess nicht konvertierten, aus dem nichtlinearen Kristall austretenden Pump-Laserstrahl 35 trennt. Der erste Strahlteiler 40 ist als dichroitischer Strahlteiler ausgebildet, d.h. dieser weist ein wellenlängenselektives Element in Form einer wellenlängenselektiven Beschichtung auf, um den Pump-Laserstrahl 35 mit der Pump-Wellenlänge λ_P vom Idler-Strahl 38 mit der Idler-Wellenlänge λ_I zu trennen. Im Strahlweg nach dem ersten Strahlteiler 40 ist ein zweiter Strahlteiler 41 angeordnet, welcher den Pump-Laserstrahl 35 vom Signal-Strahl 37 trennt. Der zweite Strahlteiler 41 ist als Polarisations-Strahlteiler und/oder dichroitischer Strahlteiler ausgebildet. Die Trennung des Signal-Strahls 37 und des Idler-Strahls 38 in einem Polarisations-Strahlteiler 41 ist möglich, da beide Strahlen bei der vorliegend gewählten Auslegung der Laserlichtquelle 30 senkrecht zueinander polarisiert sind, d.h. es liegt eine Phasenanpassung vom Typ II vor. Alternativ kann auch eine Phasenanpassung realisiert werden, bei welcher der Signal-Strahl 37 und der Idler-Strahl 38 dieselbe Polarisation haben (Typ I). In beiden Fällen (Typ I und Typ II) kann der Strahlteiler auch als optischer Filter oder als wellenlängenselektives optisches Element ausgebildet sein.
Die in 3 gezeigte Laserlichtquelle 30 weist eine Seed-Lichtquelle 34 in Form einer Superlumineszenz oder Laserdiode auf, die zur Erzeugung eines Seed-Signal-Strahls 37' ausgebildet ist. Die Seed-Lichtquelle 34 erzeugt einen Seed-Signal-Strahl 37', dessen Wellenlänge mit der Signal-Wellenlänge λ_S des Signal-Strahls 37 übereinstimmt. Die Seed-Lichtquelle 34 erzeugt den Seed-Signal-Strahl 37' mit einer Kohärenzlänge, die kleiner ist als die Kohärenzlänge des von der Pump-Laserquelle 32 erzeugten Pump-Laserstrahls 35. Der Seed-Signal-Strahl 37' wird in einer Überlagerungseinrichtung 46 in Form eines dichroitischen Spiegels mit dem Pump-Laserstrahl 35 kollinear überlagert. Hierbei wird ausgenutzt, dass die Pump-Laserquelle 32 den Pump-Laserstrahl 35 mit einer (linearen) Polarisation erzeugt, die senkrecht zur (linearen) Polarisation des Seed-Signal-Strahls 37' ausgerichtet ist. Für die Überlagerung in der Überlagerungseinrichtung 16 ist es günstig, wenn der Pump-Laserstrahl 35 und der Seed-Signal-Strahl 37' kollimiert sind. Für die Kollimation des aus der Pump-Laserquelle 32 divergent austretenden Pump-Laserstrahls 5 weist die Laserlichtquelle 30 eine Kollimationslinse 47 auf. Entsprechend ist auch zwischen der Seed-Lichtquelle 34 und der Überlagerungseinrichtung 16 eine weitere Kollimationslinse 48 zur Kollimierung des Seed-Signal-Strahls 37' angeordnet.
Der überlagerte Pump-Laserstrahl 35 und der Seed-Signal-Strahl 37' werden gemäß dem Beispiel auf vier Wellenleiter 16 aufgeteilt. Die Aufteilung erfolgt beispielsweise mittels eines geeigneten Strahlteilers 44, insbesondere umfassend eine Mikrospiegelanordnung. Der Strahlteiler 44 teilt den überlagerten Pump-Laserstrahl 35 und der Seed-Signal-Strahl 37' in vier Teil-Strahlen 35-T, 37'-T auf. Im Beispiel werden die vier Teil-Strahlen 35-T, 37'-T mittels einer jeweiligen Fokussierlinse 26, im Beispiel eine Linsenanordnung, auf eine Eintrittsfläche 21 eines jeweiligen Wellenleiters 16 fokussiert. Die Fokussierlinsen 26 sind derart ausgelegt, dass die jeweiligen Teil-Strahlen 35-T, 37'-T an den Modenfeld-Durchmesser des jeweiligen Wellenleiters 16 angepasst werden. Der Akzeptanzwinkel eines jeweiligen Wellenleiters 16 kann durch eine gemeinsame Führung eines jeweiligen Teil-Strahls 35-T, 37'-T in einer optischen Faser 24, angepasst werden. Die Fokussierlinse 26 und die optische Faser 24 können auch in Form eines einzigen optischen Bauteils realisiert werden, beispielsweise in Form einer GRIN-Linse. Alternativ oder zusätzlich kann die Anpassung an den Modenfeld-Durchmesser bzw. an den Akzeptanzwinkel des Wellenleiters 6 auf andere Weise erfolgen, beispielsweise durch die Verwendung einer Blende oder durch die in Bezug auf 1 beschriebenen verjüngenden Ein-/Auskoppelbereiche 18, 22 der Wellenleiter oder dergleichen.
In einem jeweiligen Wellenleiter 16 wird mittels PDC ein Teil Strahl umfassend einen Teil-Signal-Strahl 37-T und ein Teil-Idler-Strahl 38-T gebildet.
Es kann vorgesehen sein, dass die Teil-Signal-Strahlen 37-T und die Teil-Idler-Strahlen 38-T vor den Strahlteilern 40, 41 mittels einer Überlagerungseinrichtung 42 wieder zu einem gemeinsamen Strahl überlagert werden. Zwischen der Halbleitervorrichtung 10 der Überlagerungseinrichtung 42 können weitere optische Elemente, wie beispielsweise eine gemeinsame oder eine jeweilige Kollimationseinrichtung 20 (wie dies beispielsweise in 1 dargestellt ist) und/oder eine jeweilige optische Faser angeordnet sein. Es kann auch vorgesehen sein, dass im Strahlengang nach den Wellenleitern 16 einem jeweiligen Wellenleiter ein eigener Strahlteiler 40, 41 zugeordnet ist.
Für bestimmte Anwendungen, beispielsweise für die Holographie, kann es sinnvoll sein, wenn die Laserlichtquelle 30 eine schaltbare bzw. eine einstellbare Kohärenz(länge) aufweist. Für die Einstellung der Kohärenzlänge des als Nutz-Laserstrahl verwendeten Signal-Strahls 37 weist die in 3 gezeigte Laserlichtquelle 30 eine Steuerungseinrichtung 52 auf. Die Steuerungseinrichtung 52 ermöglicht es, die Intensität des in den nichtlinearen Kristall eingekoppelten Seed-Signal-Strahls 37' einzustellen, indem der Injektionsstrom gesteuert wird, welcher der Seed-Lichtquelle 34 für die Erzeugung des Seed-Signal-Strahls 37' zugeführt wird. Beispielsweise kann die Kohärenz eingestellt werden, zum Beispiel durch Anpassen der der Stabilität des Pumpstrahls, durch Wechseln von frequenzstabilisierten in nicht frequenzstabilisierten Bereich. Somit kann eine gewünschte Kohärenz des aus der Laserlichtquelle 30 austretenden Signal-Strahls 37 eingestellt werden.
Die Steuerungseinrichtung 52 ist auch ausgebildet, die Leistung der Pump-Laserquelle 32 einzustellen. Dies kann beispielsweise bei Projektionsanwendungen sinnvoll sein, bei denen mehrere Signal-Strahlen 37 überlagert werden, da in diesem Fall durch eine Veränderung der Intensität eines jeweiligen Signal-Strahls 37 die Farbe des bei der Überlagerung erzeugten Lichts verändert werden kann. Die Pump-Laserquelle 32 kann kontinuierlich oder gepulst betrieben werden. Im letzteren Fall kann ein Überpulsen erfolgen, d.h. die (maximale) Leistung der Pump-Laserquelle 32 wird während der Pulsdauer größer gewählt als beim kontinuierlichen Betrieb der Pump-Laserquelle 32. Durch das Überpulsen der Pump-Laserquelle 32 kann die Effizienz des PDC-Prozesses in dem nichtlinearen Kristall gesteigert werden.
Die beschriebene und in 3 dargestellte Anordnung von Pumplaserquelle 32 und Seed-Laserquelle 34 ist lediglich beispielhaft.
Es kann auch nur eine Pumplaserquelle 32 oder mehrere Pumplaserquellen 32 ohne Seed-Laserquelle 34 oder mehrere Pumplaserquellen 32 mit mehreren Seed-Laserquellen 34 vorgesehen werden.
Insbesondere wenn die Wellenleiter 16 der Halbleitervorrichtung 10 ausgebildet sind, Teil-Signal-Strahlen unterschiedlicher Farben zu erzeugen, kann es vorteilhaft sein, wenn die Wellenleiter 16 zum Erzeugen von Teil-Signal-Strahlen unterschiedlicher Farben durch verschiedene Pump-Laserquellen 32 gespeist werden.
Im Beispiel ist dargestellt, dass der nichtlineare Kristall von einem Pump-Laserstrahl in einem Einzeldurchgang durchlaufen wird. Es kann auch vorgesehen sein, dass der Pump-Laserstrahl den nichtlinearen Kristall in einem Doppeldurchgang durchläuft.
In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform umfasst eine Laserlichtquelle 30 eine Halbleitervorrichtung 10 gemäß der unter Bezug auf 2 beschriebenen Ausführungsform.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2006/105259 A2 [0003]

Claims

Laserlichtquelle (30), umfassend eine Halbleitervorrichtung (10) mit wenigstens einem nichtlinearen optischen Medium, insbesondere ein nichtlinearer Kristall, und wenigstens eine Pump-Laserquelle (32) zum Erzeugen eines Pump-Laserstrahls (35) zur Bildung eines Signal-Strahls (37) und/oder eines Idler-Strahls (38) in dem nichtlinearen optischen Medium durch Parametric-Down-Conversion, dadurch gekennzeichnet, dass das nichtlineare optische Medium wenigstens zwei, insbesondere mehrere, Wellenleiter (16), umfasst, wobei in einem jeweiligen Wellenleiter (16) ein Teil-Signal-Strahl (37-T) gebildet wird und die wenigstens zwei Teil-Signal-Strahlen (37-T) zur Addition der Laserleistung der Teil-Signal-Strahlen (37-T) kombiniert werden.
Laserlichtquelle (30) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleitervorrichtung (10) jeweils wenigstens zwei Wellenleiter (16) zum Bilden von Teil-Signal-Strahlen (37-T) einer ersten Farbe und wenigstens zwei Wellenleiter (16) zum Bilden von Teil-Signal-Strahlen (37-T) wenigstens einer zweiten Farbe umfasst.
Laserlichtquelle (30) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein jeweiliger Wellenleiter (16) einen sich verjüngenden Auskopplungsbereich (18) umfasst.
Laserlichtquelle (30) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein jeweiliger Wellenleiter (16) einen sich verjüngenden Einkopplungsbereich (22) umfasst.
Laserlichtquelle (30) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mittels der wenigstens einen Pump-Laserquelle (32) erzeugte Pump-Laserstrahl (35) auf die wenigstens zwei Wellenleiter (16), insbesondere unter Nutzung von evaneszenter Kopplung, aufgeteilt wird.
Laserlichtquelle (30) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserlichtquelle (30) wenigstens zwei Pump-Laserquellen (32) umfasst.
Laserlichtquelle (30) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Pump-Laserquelle (32) oder die wenigstens zwei Pump-Laserquellen (32) einen Festkörperlaser, insbesondere einen Diodenlaser, aufweisen.
Laserlichtquelle (30), nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserlichtquelle (30) wenigstens eine Seed-Lichtquelle (34) zur Erzeugung eines Seed-Signal-Strahls (37') und mindestens eine Überlagerungseinrichtung (46) zur Überlagerung des Seed-Signal Strahls (37') dem Pump-Laserstrahl (35) zur gemeinsamen Einkopplung in das nichtlineare optische Medium, umfasst.
Laserlichtquelle (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserlichtquelle (30) wenigstens eine Fokussiereinrichtung (26) zur Fokussierung des Pump-Laserstrahls (35) und/oder des Seed-Signal-Strahls (37'), insbesondere auf eine jeweilige Eintrittsfläche (21) eines jeweiligen Wellenleiters (16), umfasst.
Laserlichtquelle (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Pump-Laserstrahl (35) und/oder der Seed-Signal-Strahls (37') über eine jeweilige optische Faser (24) geführt in einen jeweiligen Wellenleiter (16) eingekoppelt werden.
Laserlichtquelle (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein in einem jeweiligen Wellenleiter (16) gebildeter Teil-Signal-Strahl (37-T) über eine gemeinsame oder eine jeweilige Kollimationseinrichtung (20) und/oder eine jeweilige optische Faser aus einem jeweiligen Wellenleiter (16) ausgekoppelt wird.
Laserlichtquelle (30) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleitervorrichtung (10) ein Substrat (12) umfassend Silizium (Si) oder Siliziumcarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN) umfasst und/oder dass das nichtlineare Kristall (16) Lithiumniobat (LiNbO₃) umfasst.
Halbleitervorrichtung (10) für eine Laserlichtquelle (30) nach einem Ansprüche 1 bis 12.
Laser-Projektor, umfassend eine Laserlichtquelle (30) nach einem Ansprüche 1 bis 12.
Verwendung eines Laserprojektors nach Anspruch 14 und/oder einer Halbleitervorrichtung nach Anspruch 13 und/oder einer eine Laserlichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 12 für Quantencomputing.