DE10227168A1

DE10227168A1 - Vorrichtung zur optischen Signalübertragung, Verfahren zur optischen Signalübertragung und optischer Modulator

Info

Publication number: DE10227168A1
Application number: DE2002127168
Authority: DE
Inventors: Robert Dr. Averbeck; Bernhard Dr. Stegmüller
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2002-06-18
Filing date: 2002-06-18
Publication date: 2004-01-15
Also published as: WO2003107493A3; EP1514334A2; WO2003107493A2

Abstract

Eine Vorrichtung zur optischen Signalübertragung weist ein Laserelement, ein in dessen Emissionsrichtung angeordnetes Halbleiterelement mit einem zwischen einem ersten und einem zweiten Energieniveau liegenden metastabilen dritten Energieniveau, und Mittel zum Anlegen eines elektrischen Feldes auf. Bei anliegendem elektrischen Feld ist durch Absorption des von dem Laserelement emittierten kohärenten Lichtes eine Besetzungsinversion zwischen dem dritten und dem ersten Energieniveau erzeugbar und kohärentes Licht in einer zweiten Emissionsrichtung emittierbar.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur optischen Signalübertragung, ein Verfahren zur optischen Signalübertragung und einen optischen Modulator.
Eine bekannte Vorrichtung zur optischen Signalübertragung beruht auf einer Modulation des von einem Laserelement emittierten kohärenten Lichtes mit einem Datensignal.
Bei Verwendung eines elektrisch gepumpten Laserelements kann eine direkte Modulation des emittierten kohärenten Lichtes durch entsprechende Änderung des elektrischen Pumpstroms erfolgen. Hierdurch lassen sich jedoch nur Modulationsfrequenzen und damit Datenübertragungsraten von bis zu etwa 10 GHz erreichen. Für künftige Anwendungen sind jedoch immer höhere Datenübertragungsraten von 160 GHz und mehr erforderlich, so dass die mittels einer derartigen Vorrichtung zur optischen Signalübertragung erreichbaren Datenübertragungsraten für künftige Anwendungen nicht mehr ausreichend sind.
Zur Realisierung höherer Datenübertragungsraten ist bekannt, im Strahlengang eines Laserelementes einen externen Modulator vorzusehen, welcher eine Verlustmodulation des von dem Laserelement emittierten kohärenten Laserlichtes dadurch bewirkt, dass er durch Anlegen eines elektrischen Feldes mit einer der gewünschten Datenübertragungsrate entsprechenden Frequenz zwischen einem transparenten und einem absorbierenden Zustand umgeschaltet wird.
Der Modulator ist hierbei üblicherweise als „Quantum well"-Halbleiterstruktur ausgebildet, die eine stufenförmige Zustandsdichte mit diskreten Energiezuständen im Valenz- bzw. Leitungsband aufweist. Diese „Quantum well"-Halbleiterstruktur wird so ausgebildet, dass ihre Absorptionskante, d.h. die niedrigste Übergangsenergie für Ladungsträger im Energiespektrum der Halbleiterstruktur, im feldfreien Zustand geringfügig oberhalb der Energie des zu modulierenden, von dem Laserelement emittierten kohärenten Lichtes liegt.
An diese „Quantum well"-Halbleiterstruktur wird ein elektrisches Feld mit einer der gewünschten Datenübertragungsrate entsprechenden Frequenz angelegt.
Hierbei wird der so genannte „Quantum Confined Stark-Effekt" ausgenutzt, wonach die quantisierten Energiezustände des Valenz- und Leitungsbandes in einer „Quantum Well"-Halbleiterstruktur durch Anlegen eines äußeren elektrischen Feldes senkrecht zur Grenzfläche des Quantum-Wells beeinflusst werden. Ein solches elektrisches Feld führt zu einer energetischen Anhebung der Lochzustände und einer energetischen Absenkung der Elektronenzustände im Energiespektrum der Halbleiterstruktur, so dass die Absorptionskante der Halbleiterstruktur zu niedrigeren Energien verschoben wird.
Die Amplitude des an den „Quantum well"-Halbleiterlaser angelegten elektrischen Feldes wird so gewählt, dass die durch das elektrische Feld bewirkte Absenkung der Absorptionskante ausreicht, um die „Quantum well"- Halbleiterstruktur aus dem transparenten Zustand in den absorbierenden Zustand umzuschalten.
Infolge der absorbierten Laserstrahlung werden in der als Verlustmodulator dienenden „Quantum well"-Halbleiterstruktur Elektron-Loch-Paare erzeugt, die wiederum unter Strahlungsemission rekombinieren können. Die infolgedessen bei geringen Lichtleistungen stattfindende spontane Emission inkohärenter Strahlung schlägt jedoch bei zunehmender Lichtleistung der zu modulierenden Laserstrahlung in eine induzierte Emission kohärenter Laserstrahlung um, so dass der oben beschriebene Effekt der Verlustmodulation und damit die gesamte optische Datenübertragung zum Erliegen kommt. Dieser Effekt wird auch als „Ausbleichen" des Verlustmodulatoos bei höheren Lichtleistungen bezeichnet.
Diese bekannte Vorrichtung zur optischen Datenübertragung hat somit den Nachteil, dass sie nur für relativ geringe Lichtleistungen geeignet ist, die für die unmittelbare Datenfernübertragung nicht ausreichend sind.
Somit liegt der Erfindung das Problem zugrunde, eine Vorrichtung zur optischen Signalübertragung, ein Verfahren zur optischen Signalübertragung und einen optischen Modulator zu schaffen, die zur Datenfernübertragung bei Verwendung hoher Datenübertragungsraten und hoher Lichtleistungen geeignet sind.
Das Problem wird durch die Vorrichtung zur optischen Signalübertragung, das Verfahren zur optischen Signalübertragung und den optischen Modulator gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst.
Eine Vorrichtung zur optischen Signalübertragung weist ein Laserelement, mittels dem kohärentes Licht in einer ersten Emissionsrichtung emittierbar ist, und ein in der ersten Emissionsrichtung angeordnetes Halbleiterelement auf.
Das Laserelement kann ein beliebiger Laser, beispielsweise ein Gallium-Arsenid-Halbleiterlaser oder auch ein Halbleiterlaser mit einer Indium-Gallium-Arsenid/Gallium-Arsenid/Aluminium-Gallium-Arsenid-Heterostruktur (InGaAs/GaAs/AlGaRs-Heterostruktur) oder mit einer Indium-Arsenid/Indium-Gallium-Arsenid/Aluminium-Gallium-Arsenid-Heterostruktur (InAs/InGaAs/AlGaAs-Heterostruktur) sein.
Ferner sind Mittel zum Anlegen eines elektrischen Feldes an das Halbleiterelement vorgesehen, wodurch das Halbleiterelement zwischen einem transparenten und einem absorbierenden Zustand bezüglich des von dem Laserelement emittierten kohärenten Lichtes umschaltbar ist.
Das Halbleiterelement weist zwischen einem ersten Energieniveau und einem über dem ersten Energieniveau liegenden zweiten Energieniveau wenigstens ein metastabiles drittes Energieniveau auf, wobei im absorbierenden Zustand des Halbleiterelementes durch Absorption des von dem Laserelement emittierten kohärenten Lichtes eine Besetzungsinversion zwischen dem metastabilen dritten Energieniveau und dem ersten Energieniveau erzeugbar und kohärentes Licht in einer zweiten Emissionsrichtung von dem Halbleiterelement emittierbar ist.
Zusätzlich zu den genannten drei Energieniveaus im Energieschema des Halbleiterelementes können auch noch ein viertes Energieniveau sowie weitere quantisierte Energieniveaus vorhanden sein.
Infolge der Emission kohärenten Lichtes im absorbierenden Zustand des Halbleiterelementes in einer von der ersten Emissionsrichtung verschiedenen zweiten Emissionsrichtung wird bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein besonders effektiver Absorptionsmechanismus bereitgestellt, bei dem ein „Ausbleichen" des als Verlustmodulator wirkenden Halbleiterelements wirksam verhindert wird.
Die Erzeugung einer Besetzungsinversion zwischen dem metastabilen dritten und dem ersten Energieniveau des Halbleiterelementes ermöglicht hierbei einen effektiven Rekombinationsmechanismus, der bei Absorption des von dem Laserelement emittierten kohärenten Lichtes eine Anreicherung von Elektronen bzw. Löchern in dem zweiten (oberen) Energieniveau verhindert.
Das von dem Halbleiterelement emittierte kohärente Licht wird vorzugsweise in einer von der ersten Emissionsrichtung verschiedenen zweiten Emissionsrichtung emittiert wird, in welchem Fall keine die optische Signalübertragung störende Wechselwirkung mit dem von dem Laserelement emittierten kohärenten Licht stattfindet. Die Vorrichtung gemäß dieser Ausgestaltung der Erfindung ist sehr einfach und damit kostengünstig herstellbar und gewährleistet eine sichere und damit robuste Trennung des in der ersten Emissionsrichtung emittierten Lichts von dem in der zweiten Emissionsrichtung emittierten Lichts.
In einer alternativen Ausführungsform ist es vorgesehen, dass die erste Emissionsrichtung gleich der zweiten Emissionsrichtung ist. In diesem Fall erfolgt aufgrund ihrer unterschiedlichen Wellenlängen beispielsweise mittels eines Prismas, eines Gitters oder eines oder mehreren anderen wellenlängenselektiven Elementen eine Trennung der Signale unterschiedlicher Wellenlängen, das heißt anschaulich eine Trennung des kohärenten Laserlichts des Laserelements von dem kohärenten Licht, welches im absorbierenden Zustand des Halbleiterelements durch Absorption des von dem Laserelement emittierten kohärenten Lichtes erzeugt wird.
Ferner treten auch keine thermischen Probleme infolge einer Aufheizung des als Verlustmodulator wirkenden Halbleiterelementes auf, da die vom Halbleiterelement absorbierte Energie weitgehend abgestrahlt wird und nur ein relativ geringer Energieanteil (entsprechend der Differenz zwischen dem zweiten und dem metastabilen dritten Energieniveau) zur Erwärmung des Halbleiterelementes führt.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, dass der Absorptionsprozess auf einem rein optischen Effekt beruht, also die Arbeitsfrequenz des als Verlustmodulator wirkenden Halbleiterelementes und damit die erreichbare Datenübertragungsrate nicht durch parasitäre elektrische Effekte begrenzt ist. Das an das Halbleiterelement angelegte elektrische Feld wird lediglich zur Verschiebung der Absorptionskante des Halbleiterelementes verwendet. Da das Halbleiterelement als rein optisches Element verwendet wird, muss es insbesondere auch nicht aus einem elektrisch leitfähigen Material bestehen.
Ferner ist die erfindungsgemäße Vorrichtung prinzipiell schneller als die Vorrichtungen gemäß dem Stand der Technik, da anschaulich kein elektrisches Absaugen von Ladungsträgern mehr erforderlich ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist das Halbleiterelement zur Ausbildung des metastabilen dritten Energieniveaus wenigstens eine Halbleiterschicht mit darin ausgebildeten Quantendots auf.
Unter Quantendots sind im Sinne der Erfindung nulldimensionale Elektronensysteme zu verstehen, die infolge einer Einschränkung der Elektronenbewegung in allen drei Raumrichtungen diskrete Energiespektren aufweisen, welche denen natürlicher Atome vergleichbar sind, so dass die Quantendots quasi als künstliche Atome angesehen werden können.
Die Halbleiterschicht kann aus einem beliebigen Halbleitermaterial, in welchem sich solche Quantendots ausbilden, hergestellt sein. Beispielsweise kann die Halbleiterschicht eine Indium-Gallium-Arsenid/Gallium-Arsenid/Aluminium-Gallium-Arsenid-Heterostruktur oder eine Indium-Arsenid/Indium-Gallium-Arsenid/Gallium-Arsenid/Aluminium-Gallium-Arsenid-Heterostruktur aufweisen, so dass sich an der Grenzschicht der Heterostruktur in bekannter Weise ein zweidimensionales Elektronengas mit darin befindlichen Quantendots ausbildet.
Die Halbleiterschicht mit darin ausgebildeten Quantendots kann selbst eine zwischen Barriereschichten eingebettete Quantentopfschicht sein. Quantendots aus InAs können beispielsweise in einem InGaAs-Quantentopf zwischen GaAs-Barrieren eingebettet werden. Bei GaAs-Quantendots eignet sich AlGaAs zwischen AlAs-Barrieren als Quantentopfmaterial.
Das dritte (obere) Energieniveau kann ein gebundener Energiezustand des Quantentopfes in den umgebenden Halbleiterschichtsystemen oder auch ein angeregter gebundener Energiezustand der Quantendots sein.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung sind eine Mehrzahl oder ein Vielzahl von Quantentopf-Schichten vorzugsweise aus GaAs oder InGaAs übereinander angeordnet, wobei zwischen jeweils zwei Quantentopf-Schichten eine Schicht vorzugsweise aus GaAs oder AlGaAs vorgesehen ist. Anschaulich wird somit eine Stapelstruktur mit mehreren Quantentopf-Schichten gebildet.
Bei der Ausgestaltung der Erfindung, bei der Quantendots vorgesehen sind, vorzugsweise in einer jeweiligen Quantentopf-Schicht, ist in einer Weiterbildung analog ein Stapel von Schichten mit Quantendots vorgesehen, vorzugsweise integriert in eine Mehrzahl von Quantentopf-Schichten. Alternativ können ferner mehrere Schichten mit Quantendots in nur einer Quantentopf-Schicht vorgesehen sein oder es können mehrere Schichten von Quantendots direkt in die Matrix eingebettet sein.
Bevorzugt ist das Halbleiterelement so ausgebildet, dass im transparenten Zustand die Energie des von dem Laserelement emittierten kohärenten Lichtes größer als die Energiedifferenz zwischen dem metastabilen dritten Energieniveau und dem ersten (unteren) Energieniveau ist. Hierdurch wird gewährleistet, dass im transparenten Zustand keinerlei Absorption des von dem Laserelement emittierten kohärenten Lichtes, auch nicht zwischen den unteren Energieniveaus, stattfindet.
Das Halbleiterelement ist ferner bevorzugt so ausgebildet, dass die Übergangszeit von Ladungsträgern aus dem zweiten (oberen) Energieniveau in das metastabile dritte Energieniveau wesentlich kleiner als die Periodendauer des an das Halbleiterelement angelegten elektrischen Feldes ist. Auf diese Weise wird die erreichbare Frequenz der Verlustmodulation und damit die erreichbare Datenübertragungsrate nicht durch die Relaxation von Ladungsträgern aus dem zweiten (oberen) Energieniveau in das metastabile dritte Energieniveau eingeschränkt.
Bevorzugt liegen die erste und die zweite Emissionsrichtung senkrecht zueinander, so dass das von dem Halbleiterelement emittierte kohärente Licht in einfacher Weise ausgekoppelt werden kann. Die beiden Emissionsrichtungen können jedoch einen beliebigen spitzen oder stumpfen Winkel zwischen 0° und 359° zueinander einnehmen, vorzugsweise einen spitzen Winkel, z.B. von 30° oder 60°.
Bevorzugt sind Mittel zum mehrmaligen Koppeln des von dem Laserelement emittierten kohärenten Lichtes in das Halbleiterelement vorgesehen. Auf diese Weise wird die Effektivität der Absorption im Halbleiterelement bei angelegtem elektrischen Feld erhöht. Diese Mittel zum mehrmaligen Koppeln des von dem Laserelement emittierten kohärenten Lichtes in das Halbleiterelement können wenigstens einen selektiven Bragg-Reflektor, wenigstens einen metallischen Spiegel, wenigstens einen photonischen Kristall oder auch wenigstens einen gebrochenen Kristall mit einem Brechungsindexsprung zum angrenzenden Medium (z.B. Luft) aufweisen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind das Laserelement und das Halbleiterelement in einem gemeinsamen optischen Resonator angeordnet. In diesem Falle erfolgt eine Verlustmodulation durch das Halbleiterelement bereits in dem Resonator, der die Verstärkung der induzierten Emission durch das Laserelement bewirkt, so dass das aus dem Resonator austretende, von dem Laserelement emittierte kohärente Licht bereits mit einer der gewünschten Datenübertragungsrate entsprechenden Frequenz moduliert ist und zur weiteren optischen Signalübertragung beispielsweise direkt in ein Glasfaserkabel eingekoppelt werden kann.
Das Halbleiterelement kann außerdem mit dem Laserelement als integriertes Bauelement ausgebildet sein, indem etwa das Laserelement als VCSEL (= Vertical Cavity Surface Emitting Laser) und das Halbleiterelement als darauf aufgewachsene vergrabene Heterostruktur (oder umgekehrt) ausgebildet ist.
Ein optischer Modulator zur Verlustmodulation des von einem Laserelement emittierten kohärenten Lichtes weist ein Halbleiterelement und Mittel zum Anlegen eines elektrischen Feldes an das Halbleiterelement, wodurch das Halbleiterelement zwischen einem transparenten und einem absorbierenden Zustand bezüglich des von dem Laserelement emittierten kohärenten Lichtes umschaltbar ist, auf.
Das Halbleiterelement weist zwischen einem ersten Energieniveau und einem über dem ersten Energieniveau liegenden zweiten Energieniveau wenigstens ein metastabiles drittes Energieniveau auf. Im absorbierenden Zustand des Halbleiterelementes ist durch Absorption des von dem Laserelement emittierten kohärenten Lichtes eine Besetzungsinversion zwischen dem metastabilen dritten Energieniveau und dem ersten Energieniveau erzeugbar und kohärentes Licht ist in einer von der ersten Emissionsrichtung verschiedenen zweiten Emissionsrichtung von dem Halbleiterelement emittierbar.
Bei einem Verfahren zur optischen Signalübertragung wird

– kohärentes Licht mittels eines Laserelementes in einer ersten Emissionsrichtung emittiert;
– an ein in der ersten Emissionsrichtung angeordnetes Halbleiterelement, welches zwischen einem ersten Energieniveau und einem über dem ersten Energieniveau liegenden zweiten Energieniveau wenigstens ein metastabiles drittes Energieniveau aufweist, ein elektrisches Feld angelegt, wodurch das Halbleiterelement zwischen einem transparenten und einem absorbierenden Zustand bezüglich des von dem Laserelement emittierten kohärenten Lichtes umgeschaltet wird;
– wobei im absorbierenden Zustand des Halbleiterelementes durch Absorption des von dem Laserelement emittierten kohärenten Lichtes eine Besetzungsinversion zwischen dem metastabilen dritten Energieniveau und dem ersten Energieniveau erzeugt und kohärentes Licht in einer von der ersten Emissionsrichtung verschiedenen zweiten Emissionsrichtung von dem Halbleiterelement emittiert wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im weiteren näher erläutert.
Es zeigen:
1(a)–(b) schematische Darstellungen eines erfindungsgemäßen optischen Modulators unter Verwendung einer Halbleiterschicht mit darin ausgebildeten Quantendots ohne (1(a)) bzw. mit (1(b)) einem Quantentopf.
2(a)–(b) das Energieschema eines in der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendeten Halbleiterelementes mit (2(a)) und ohne (2(b)) anliegendes elektrisches Feld;
3(a) ein Diagramm zur Veranschaulichung der elektronischen Zustandsdichte in Abhängigkeit von der Energie für ein Halbleiterelement, welche eine Schicht mit darin ausgebildeten Quantendots aufweist;
3(b) ein Diagramm zur Veranschaulichung der elektronischen Zustandsdichte in Abhängigkeit von der Energie für ein Halbleiterelement, welche eine Quantenwellschicht mit darin ausgebildeten Quantendots aufweist;
4 eine schematische Schrägansicht des erfindungsgemäßen optischen Modulators gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Gemäß Fig. 1a ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines in einer Vorrichtung zur optischen Signalübertragung verwendeten Halbleiterelementes 100 dargestellt. Das Halbleiterelement 100 weist eine Halbleiterschicht 101 mit darin ausgebildeten Quantendots 102 auf und ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel aus einer Indium-Gallium-Arsenid/Aluminium-Gallium-Arsenid-Heterostruktur (InGaAs/AlGaAs-Heterostruktur) oder aus einer Gallium-Arsenid/Aluminium-Gallium-Arsenid-Heterostruktur (GaAs/AlGaAs-Heterostruktur) aufgebaut.
Auf gegenüberliegenden Seiten der Halbleiterschicht 101 sind selektive Bragg-Reflektoren 103 vorgesehen. Jeder der Bragg-Reflektoren 103 stellt eine räumlich periodische Laserstruktur, das heißt einen Bereich mit räumlich periodischem Brechungsindex dar, gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine räumlich periodische Laserstruktur aus Gallium-Arsenid/Aluminium-Arsenid.
Bei der in Fig. 1b dargestellten zweiten Ausführungsform eines Halbleiterelementes 200 ist eine Halbleiterschicht 201 aus Gallium-Arsenid (GaAs), die entsprechend der Halbleiterschicht 101 aus Fig.la aufgebaut ist, mit darin ausgebildeten Quantendots 202 aus Indium-Arsenid (InAs), zwischen zwei Halbleiterschichtsystemen 203, 204 aus Aluminium-Gallium-Arsenid (AlGaAs) eingebettet, wobei die Halbleiterschichtsysteme 203, 204 die den Quantentopf bildende Schicht aus GaAs begrenzen.
Die Halbleiterschichtsysteme 203, 204 sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel aus Aluminium-Gallium-Arsenid aufgebaut, wobei die Halbleiterschichtsysteme 203, 204 einen oder mehrere Halbleiterschichten 201 aus Gallium-Arsenid begrenzen, welche Halbleiterschichten 201 Quantentöpfe bilden.
Auch hier sind auf gegenüberliegenden Seiten der Halbleiterschicht 201 selektive Bragg-Reflektoren 205 vorgesehen.
Ferner ist in beiden Ausführungsformen ein Laserelement vorgesehen (nicht dargestellt), welches kohärentes Licht 104 in einer in Fig. 1a, b durch den horizontalen gestrichelten Pfeil dargestellten Emissionsrichtung emittiert, so dass dieses kohärente Licht auf das Halbleiterelement 100 bzw. 200 trifft.
Die in dem Halbleiterelement 100 bzw. 200 gebildete Halbleiterstruktur besitzt ein Energieschema, bei welchem zwischen einem ersten Energieniveau und einem über dem ersten Energieniveau liegenden zweiten Energieniveau wenigstens ein metastabiles drittes Energieniveau vorhanden ist, wie im folgenden noch näher erläutert wird.
Im Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur optischen Signalübertragung wird ein elektrisches Feld mit einer der gewünschten Datenübertragungsrate entsprechenden Frequenz an das Halbleiterelement 100 bzw. 200 angelegt. Die Funktionsweise der Vorrichtung bei einem anliegenden elektrischen Feld wird im weiteren anhand der in 2a und 2b dargestellten Energieschemata anschaulich erläutert.
In 2 sind Beispiele für Energieschemata 300, 400 für eine Halbleiterschicht mit vier diskreten Energieniveaus dargestellt, wobei der Zustand ohne anliegendes elektrisches Feld aus 2a und der Zustand mit anliegendem elektrischen Feld aus 2b ersichtlich ist.
Das Energieschema 300 weist zwei diskrete Energieniveaus 301 und 302 im Valenzband E_V und zwei weitere diskrete Energieniveaus 303 und 304 im Leitungsband E_L auf. Das Energieniveau 303 entspricht hier dem oben genannten metastabilen, dritten Energieniveau, während die Energieniveaus 301 und 304 den oben genannten ersten und zweiten Energieniveaus entsprechen.
In diesem Zusammenhang ist anzumerken, dass die Realisierung eines 3-Energieniveua-Systems keine Einschränkung der Allgemeingültigkeit darstellt. Grundsätzlich kann eine beliebige Anzahl von unterschiedlichen Energieniveaus vorgesehen sein, wobei gemäß diesem Ausführungsbeispiel die Annahme getroffen ist, dass die zwei diskreten Energieniveaus 301 und 302 im Valenzband E_V annähernd gleich sind.
In 2a und 2b ist ferner das Auftreffen von kohärentem Licht 305 bzw. 405 der Energie h*ν = (h/2π)*ω (ν = Frequenz, ω = Kreisfrequenz, h= Planck'sches Wirkungsquantum) anschaulich dargestellt, welches von einem (nicht dargestellten) Laserelement emittiert wurde, wobei in 2a die Energie h*ν knapp kleiner als die Energiedifferenz zwischen den Energieniveaus 304 und 301 und größer als die Energiedifferenz zwischen den Energieniveaus 303 und 301 ist.
Infolgedessen entspricht die Energie des einfallenden kohärenten Lichtes 305 keinem aufgrund der quantenmechanischen Auswahlregeln erlaubten Übergang im Energieschema 300, so dass das entsprechende Halbleiterelement für das kohärente Licht 305 transparent ist.
Der entsprechende, infolge der Energieerhaltung verbotene Übergang ist in 2a durch einen gestrichelten Pfeil 306 dargestellt.
Gemäß 2b ist ein entsprechendes Energieschema 400 in einem äußeren elektrischen Feld dargestellt, wobei wiederum das Energieniveau 403 dem oben genannten metastabilen, dritten Energieniveau entspricht, während die Energieniveaus 401 und 404 den oben genannten ersten und zweiten Energieniveaus entsprechen.
Die einzelnen Energieniveaus 301–304 in 2a bzw. 401–404 in 2b können angeregte Zustände der in dem verwendeten Halbleiterelement ausgebildeten Quantendots sein, so dass die zu diesen Energieniveaus gehörende Zustandsdichte jeweils einer Delta-Funktion 501–504 folgt, wie in 3a dargestellt ist. In diesem Zusammenhang ist anzumerken, dass die Darstellung der Delta-Funktion 501–504 symbolischen Charakter hat zur einfacheren Erläuterung der Erfindung, da in der Realität die Zustandsdichte nicht exakt delta-förmig ist, sondern eine endliche, dennoch sehr schmale Ausbreitung aufweist.
Es kann sich bei einem oder mehreren der Energieniveaus 301-304 bzw. 401–404 jedoch auch um gebundene Zustände von Quantentöpfen in den die Halbleiterschicht mit den Quantendots umgebenden Halbleiterschichtsystemen handeln, so dass nur die zum Energieniveau der Quantendots gehörende Zustandsdichte einer Delta-Funktion 601 folgt, während die zu den umgebenden Quantentöpfen gehörende Zustandsdichte gemäß 3b stufenförmig (mit Stufen 602, 603,...) verläuft.
Diese Ausgestaltung der Erfindung weist insbesondere den Vorteil auf, dass die Wellenlänge des Laserlicht nicht mit dem jeweiligen Energieniveau exakt übereinstimmen muss, damit das Laserlicht absorbiert wird.
Infolge der Verschiebung der quantisierten Energiezustände des Valenz- und Leitungsbandes im elektrischen Feld aufgrund des so genannten „Quantum Confined Stark-Effektes" sind die diskreten Energieniveaus 401, 402 des Valenzbandes E_V und die diskreten Energieniveaus 403, 404 des Leitungsbandes E_L im Energieschema 400 so weit aneinander angenähert, dass die Energie des einfallenden kohärenten Lichtes 405 gerade gleich der Energiedifferenz zwischen dem unteren Energieniveau 401 des Valenzbandes E_V und dem oberen Energieniveau 404 des Leitungsbandes E_L ist. Folglich werden Photonen des einfallenden kohärenten Lichtes 405 absorbiert, wie in 2b durch den durchgehenden Pfeil 406 dargestellt ist.
Eine Relaxation der bei anliegendem elektrischen Feld durch das kohärente Licht 105 in das Energieniveau 404 angeregten Ladungsträger in das Energieniveau 403 erfolgt relativ schnell, beispielsweise in einer Größenordnung von Pikosekunden, wohingegen die anschließende Relaxation der Ladungsträger aus dem Energieniveau 403 in den Grundzustand 401 oder in das Energieniveau 402 des Valenzbandes E_V relativ langsam, beispielsweise in der Größenordnung von Millisekunden, erfolgt, da das Energieniveau 303 bzw. 403 metastabil ist.
Bei anliegendem elektrischen Feld wird somit eine Besetzungsinversion zwischen dem metastabilen dritten Energieniveau 403 und dem unteren Energienniveau 401 bzw. 402 erzeugt, so dass bei ausreichend hoher Ladungsträgerdichte im Energieniveau stimulierte Emission eintritt und dass entsprechende Halbleiterelement kohärentes Licht mit einer Energie entsprechend der Differenz der Energieniveaus 403 und 402 emittiert.
Unter Bezugnahme auf Fig. 1a und Fig. 1b wird die Größe des angelegten elektrischen Feldes also so gewählt, dass bei anliegendem elektrischen Feld die Energiedifferenz zwischen dem diskreten, metastabilen Energieniveau der Quantendots und dem darüber liegenden Energieniveau der Quantendots (in Fig. 1a) bzw. Quantentöpfe (in Fig. 1b) gerade der Energie des von dem zu modulierenden Laserelement emittierten kohärenten Licht entspricht, so dass ein Umschalten zwischen dem transparenten und dem absorbierenden Zustand des Halbleiterelementes 100 bzw. 200 und somit eine Verlustmodulation des von dem Laserelement emittierten kohärenten Lichtes mit einer der gewünschten Datenübertragungsrate entsprechenden Frequenz erfolgt.
Die Bragg-Reflektoren 103 bzw. 205 sind jeweils zur Reflexion von Licht ausgelegt, welches eine Energie entsprechend dieser Energiedifferenz zwischen dem metastabilen dritten Energieniveau und dem ersten Energieniveau bei anliegendem elektrischen Feld aufweist, so dass durch mehrmalige Reflexion des von dem Halbleiterelement emittierten kohärenten Lichtes die induzierte Emission des Halbleiterelementes 100 bzw. 200 verstärkt wird.
Das Halbleiterelement 100 bzw. 200 emittiert infolge der durch die oben beschriebene Besetzungsinversion kohärentes Licht in einer zur ersten Emissionsrichtung senkrechten zweiten Emissionsrichtung, die in 1a und 1b durch einen Pfeil 105 bzw. 206 dargestellt ist. Dieses kohärente Licht kann in einfacher Weise ausgekoppelt oder auch anderweitig genutzt werden.
Hierzu wird das Halbleiterelement 100 bzw. 200 relativ zu dem Laserelement so angeordnet, dass die von dem Halbleiterelement 100 ausgehende Emission kohärenten Lichtes in einer von der ersten Emissionsrichtung des Laserelementes verschiedenen Emissionsrichtung erfolgt. Gemäß dem in Fig. 1a und Fig. 1b dargestellten Ausführungsbeispiel liegen die beiden Emissionsrichtungen von Laserelement und Halbleiterelement 100 bzw. 200 senkrecht zueinander.
Das von dem (nicht dargestellten) Laserelement emittierte und durch das Halbleiterelement modulierte Licht kann zur weiteren optischen Signalübertragung zum Zielort in ein Glasfaserkabel eingekoppelt werden. Für die optische Signalübertragung entspricht der feldfreie und damit transparente Zustand des Halbleiterelementes 100 bzw. 200 dem Übertragen einer logischen „1", wohingegen der absorbierende Zustand des Halbleiterelementes 100 bzw. 200 dem Schreiben einer logischen „0" entspricht.
Die in Fig. 1a und Fig. 1b dargestellten Ausführungsformen können auch so abgewandelt werden, dass zusätzliche Reflektoren in Form von Bragg-Reflektoren, metallischen Spiegeln, photonischen Kristallen oder gebrochenen Kristallkanten entlang der ersten Emissionsrichtung des kohärenten Lichtes 105 beidseitig zu dem Halbleiterelement 100 bzw. 200 vorgesehen sind, um durch mehrfache Einkopplung des kohärenten Lichtes 105 in das Halbleiterelement 100 bzw. 200 die bei angelegtem elektrischen Feld eintretende Absorption noch zu verstärken.
Ferner können das Halbleiterelement 100 bzw. 200 und das Laserelement auch in einem gemeinsamen Resonator angeordnet sein. In diesem Falle erfolgt die Verlustmodulation durch das Halbleiterelement bereits in dem Resonator, der die Verstärkung der induzierten Emission durch das Laserelement bewirkt, so dass das aus dem Resonator austretende, von dem Laserelement emittierte kohärente Licht bereits mit einer der gewünschten Datenübertragungsrate entsprechenden Frequenz moduliert ist und zur weiteren optischen Signalübertragung beispielsweise direkt in ein Glasfaserkabel eingekoppelt werden kann.
4 zeigt einen optischen Modulator 700 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer schematischen Schrägansicht.
Der optische Modulator 700 als Halbleiterelement weist eine Schicht 701 aus Aluminium-Gallium-Arsenid auf, auf der ein Schichtenstapel 702 aus mehreren Quantentopf-Schichten 703 aus Indium-Gallium-Arsenid und Zwischenschichten 704 aus Aluminium-Gallium-Arsenid aufgebracht ist, wobei jeweils alternierend eine Quantentopf-Schicht 703 und eine darauf aufgebrachte Zwischenschicht 704 vorgesehen sind.
Jede Quantentopf-Schicht 703 weist eine oder eine Mehrzahl von Quantendot-Schichten mit Quantendots 705 aus Indium-Arsenid auf.
In einer ersten Emissionsrichtung (in 4 senkrecht zur Zeichenebene) wird zu modulierendes kohärentes Laserlicht 706, symbolisiert mit einem ersten Pfeil, in den optischen Modulator 700, insbesondere in den Bereich der Quantentopf-Schichten 703, eingestrahlt, dort in gewünschter Weise moduliert und als moduliertes Laserlicht 707, ebenfalls in der ersten Emissionsrichtung, ausgegeben.
Das in oben im Rahmen des ersten und des zweiten Ausführungsbeispiels erläuterter Weise von den Quantendots 705 erzeugte Laserlicht 708 wird in einer zweiten Emissionsrichtung, gemäß einer alternativen Ausführungsform in einer dritten Emissionsrichtung, emittiert.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel sind die zweite Emissionsrichtung und die dritte Emissionsrichtung senkrecht zu der ersten Emissionsrichtung. Ferner sind die zweite Emissionsrichtung und die dritte Emissionsrichtung zueinander senkrecht.
Das elektrische Feld 709, symbolisiert mit einem anderen Pfeil, wird in der zweiten Emissionsrichtung angelegt.

100: Halbleiterelement
101: Halbleiterschicht
102: Quantendots
103: Bragg-Reflektor
104: kohärentes Licht
105: Pfeil
200: Halbleiterelement
201: Halbleiterschicht
202: Quantendots
203: Halbleiterschichtsystem
204: Halbleiterschichtsystem
205: Bragg-Reflektor
206: Pfeil
300: Energieschema
301: Energieniveau
302: Energieniveau
303: Energieniveau
304: Energieniveau
305: kohärentes Licht
306: Pfeil
400: Energieschema
401: Energieniveau
402: Energieniveau
403: Energieniveau
404: Energieniveau
405: kohärentes Licht
406: Pfeil
500: Zustandsdichte
501: Delta-Funktion
502: Delta-Funktion
503: Delta-Funktion
504: Delta-Funktion
600: Zustandsdichte
601: Delta-Funktion
602: Stufe
603: Stufe
700: Optischer Modulator
701: Substrat
702: Schichtenstapel
703: Quantentopf-Schicht
704: Zwischenschicht
705: Quantendot
706: Zu modulierendes kohärentes Laserlicht
707: Moduliertes Laserlicht
708: Laserlicht

Claims

Vorrichtung zur optischen Signalübertragung, mit – einem Laserelement, mittels dem kohärentes Licht in einer ersten Emissionsrichtung emittierbar ist; – einem in der ersten Emissionsrichtung angeordneten Halbleiterelement; und – Mitteln zum Anlegen eines elektrischen Feldes an das Halbleiterelement, wodurch das Halbleiterelement zwischen einem transparenten und einem absorbierenden Zustand bezüglich des von dem Laserelement emittierten kohärenten Lichtes umschaltbar ist; – wobei das Halbleiterelement zwischen einem ersten Energieniveau und einem über dem ersten Energieniveau liegenden zweiten Energieniveau wenigstens ein metastabiles drittes Energieniveau aufweist; und – wobei im absorbierenden Zustand des Halbleiterelementes durch Absorption des von dem Laserelement emittierten kohärenten Lichtes eine Besetzungsinversion zwischen dem metastabilen dritten Energieniveau und dem ersten Energieniveau erzeugbar und kohärentes Licht in einer zweiten Emissionsrichtung von dem Halbleiterelement emittierbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die zweite Emissionsrichtung von der ersten Emissionsrichtung verschieden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Halbleiterelement zur Ausbildung des metastabilen dritten Energieniveaus wenigstens eine Halbleiterschicht mit darin ausgebildeten Quantendots aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Halbleiterschicht mit darin ausgebildeten Quantendots in einer als Quantentopf ausgebildeten Halbleiterschicht eingebettet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei das zweite Energieniveau ein gebundener Energiezustand des die Quantendots umgebenden Quantentopfs ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei das zweite Energieniveau ein angeregter gebundener Energiezustand der Quantendots ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei die Halbleiterschicht eine Indium-Gallium-Arsenid/Gallium-Arsenid/Aluminium-Gallium-Arsenid-Heterostruktur oder eine Indium-Arsenid/Indium-Gallium-Rrsenid/Gallium-Arsenid/Aluminium-Gallium-Arsenid-Heterostruktur aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Halbleiterelement zur Ausbildung des metastabilen dritten Energieniveaus wenigstens ein Halbleiterschichtsystem mit darin ausgebildeten Quantentöpfen aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Halbleiterelement so ausgebildet ist, dass im transparenten Zustand die Energie des von dem Laserelement emittierten kohärenten Lichtes größer als die Energiedifferenz zwischen dem metastabilen dritten Energieniveau und dem ersten Energieniveau ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Halbleiterelement so ausgebildet ist, dass die Übergangszeit von Ladungsträgern aus dem zweiten Energieniveau in das metastabile dritte Energieniveau wesentlich kleiner als die Periodendauer des an das Halbleiterelement angelegten elektrischen Feldes ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste und die zweite Emissionsrichtung senkrecht zueinander liegen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Mittel zum mehrmaligen Koppeln des von dem Laserelement emittierten kohärenten Lichtes in das Halbleiterelement vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Mittel zum mehrmaligen Koppeln des von dem Laserelement emittierten kohärenten Lichtes in das Halbleiterelement wenigstens einen selektiven Bragg-Reflektor aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, wobei die Mittel zum mehrmaligen Koppeln des von dem Laserelement emittierten kohärenten Lichtes in das Halbleiterelement wenigstens einen metallischen Spiegel aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei die Mittel zum mehrmaligen Koppeln des von dem Laserelement emittierten kohärenten Lichtes in das Halbleiterelement wenigstens einen photonischen Kristall aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei die Mittel zum mehrmaligen Koppeln des von dem Laserelement emittierten kohärenten Lichtes in das Halbleiterelement wenigstens einen gebrochenen Kristall mit einem Brechungsindexsprung zum angrenzenden Medium aufweisen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Laserelement und das Halbleiterelement in einem gemeinsamen Resonator angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Halbleiterelement mit dem Laserelement als integriertes Bauelement ausgebildet ist.
Optischer Modulator zur Verlustmodulation des von einem Laserelement emittierten kohärenten Lichtes, insbesondere zur Verwendung in einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit – einem Halbleiterelement; und – Mitteln zum Anlegen eines elektrischen Feldes an das Halbleiterelement, wodurch das Halbleiterelement zwischen einem transparenten und einem absorbierenden Zustand bezüglich des von dem Laserelement emittierten kohärenten Lichtes umschaltbar ist; – wobei das Halbleiterelement zwischen einem ersten Energieniveau und einem über dem ersten Energieniveau liegenden zweiten Energieniveau wenigstens ein metastabiles drittes Energieniveau aufweist; und – wobei im absorbierenden Zustand des Halbleiterelementes durch Absorption des von dem Laserelement emittierten kohärenten Lichtes eine Besetzungsinversion zwischen dem metastabilen dritten Energieniveau und dem ersten Energieniveau erzeugbar und kohärentes Licht in einer zweiten Emissionsrichtung von dem Halbleiterelement emittierbar ist.
Verfahren zur optischen Signalübertragung, bei dem – kohärentes Licht mittels eines Laserelementes in einer ersten Emissionsrichtung emittiert wird; – an ein in der ersten Emissionsrichtung angeordnetes Halbleiterelement, welches zwischen einem ersten Energieniveau und einem über dem ersten Energieniveau liegenden zweiten Energieniveau wenigstens ein metastabiles drittes Energieniveau aufweist, ein elektrisches Feld angelegt wird, wodurch das Halbleiterelement zwischen einem transparenten und einem absorbierenden Zustand bezüglich des von dem Laserelement emittierten kohärenten Lichtes umgeschaltet wird; – wobei im absorbierenden Zustand des Halbleiterelementes durch Absorption des von dem Laserelement emittierten kohärenten Lichtes eine Besetzungsinversion zwischen dem metastabilen dritten Energieniveau und dem ersten Energieniveau erzeugt und kohärentes Licht in einer zweiten Emissionsrichtung von dem Halbleiterelement emittiert wird.