DE19947853A1 - Vertikaler Langwellen-Laserresonator mit integriertem Kurzwellen-Pumplaser - Google Patents

Vertikaler Langwellen-Laserresonator mit integriertem Kurzwellen-Pumplaser

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Abstract

Ein vertikaler Langwellen-Laserresonator mit einem integrierten Kurzwellen-Pumplaser. Der Laser bildet einen Kurzwellen-Pumplaser mit einem Langwellen-Laser in überlagernder Beziehung. Die angeregte Emission von dem Kurzwellen-Laser bewirkt, daß sie den Langwellen-Laser aktiviert. Ein optisch transparenter Klebstoff befestigt und montiert die Laser in vertikaler Ausrichtung. Ausrichtungsprobleme werden mit der Struktur nicht realisiert und es werden keine Verluste freier Träger oder andere typischerweise mit den herkömmlichen Anordnungen verbundene Komplexitäten verwirklicht.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen vertikalen Langwellen-Laserresonantor mit integriertem Kurzwellen- Pumplaser und insbesondere auf einen derartigen Laser, der durch die Kombination von zwei unabhängigen vertikalen ober­ flächenemittierenden Laserresonator(VCSEL)-Strukturen gebildet ist, die zusammen einen elektrisch angetriebenen vertikalen Laserresonator bilden, der bei einer langen Wellenlänge bzw. Langwelle emittiert.
Wie auf dem Gebiet der Lasertechnik bekannt, wurde die Ent­ wicklung von vertikalen Laserresonantoren (VCLs) auch "Verti­ cal Cavity Lasers" genannt, die lange Wellenlängen (1300 bis 1550 nm) emittieren, durch den Mangel an geeigneten epitakti­ schen Spiegeln, hohe optische Verluste innerhalb des Laserre­ sonators und eine niedrige und temperaturempfindliche optische Verstärkung in der aktiven Schichtstruktur verkompliziert. An­ stelle einer Injektion von elektrischem Strom kann der Laser­ vorgang viel einfacher aktiviert werden, indem das aktive Ma­ terial unter Verwendung einer externen Lichtquelle mit einer kürzeren Wellenlänge optisch angeregt wird ("optisches Pum­ pen"). Die Verluste freier Träger in einer optisch gepumpten vertikalen Laserresonator-Struktur sind bedeutend verringert, da nur nominell undotierte Halbleitermaterialien verwendet werden. Es ist auch möglich, dielektrische Materialien bei­ spielsweise als Schichtpaare mit hohem Index-Kontrast für hochreflektierende Bragg-Spiegel zu verwenden. Die Pumpquelle ist unter Verwendung eines auf GaAs basierenden vertikalen La­ serresonators, der bei einer Wellenlänge im Bereich von 780 bis 980 nm emittiert, einfacher herzustellen. Im Stand der Technik wurden gute Ergebnisse mit monolitischen vertikalen 1300 nm Laserresonatoren nachgewiesen, die zusammen mit einem vertikalen 850 nm Pump-Laserresonator auf der Oberseite der gegenwärtigen 1300 nm Struktur hergestellt wurden. Dies wurde durch V. Jayaraman et al., Uniform Threshold Current, Conti­ nuous-Wave, Single Mode, 1300 nm Vertikal Cavity Lasers From 0 to 70°C, Electron. Lett., Vol. 34, Nr. 14, 1998, S. 1405 her­ gestellt. Die Herstellung dieser elektrisch/optisch angetrie­ benen vertikalen Laserresonatoren (e/o-VCL) erfordert eher ei­ ne fortgeschrittene Verarbeitung, wie beispielsweise zwei Wa­ ferverbindungsschritte und die Herstellung eines vertikalen Pump-Laserresonators vom Mesa-Typ mit in derselben Ebene lie­ genden Kontakten.
Es wäre wünschenswert, die Ergebnisse im Stand der Technik un­ ter Verwendung von zwei getrennten vertikalen Laserresonator- Strukturen zu erreichen, die keine Ausrichtungsprobleme auf­ weist und andere Vorteile bezüglich Kosten usw. aufweist. Die vorliegende Erfindung erreicht dieses Ziel.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Hauptanspruchs gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vor­ teilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist ein vertikaler Langwellen-Laserresonator ausgebildet, mit:
einem oberseitenemittierenden vertikalen Kurzwellen- Laserresonator und
einem optisch gepumpten vertikalen oberflächenemittierenden Langwellen-Laserresonator, der den Kurzwellen-Laser überlagert und in optischen Verbindung mit dem Kurzwellen-Laser steht.
Entsprechend einem weiteren Gesichtspunkt eines Ausführungs­ beispiels der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren ausge­ bildet zum Herstellen eines vertikalen Langwellen- Laserresonators, mit:
einem oberseitenemittierenden vertikalen Kurzwellen- Laserresonator und
einem optisch gepumptem oberflächenemittierenden vertikalen Langwellen-Laserresonator,
mit den Schritten:
Positionieren des Kurzwellen-Lasers in überlagernder Beziehung zum Langwellen-Laser,
Leiten von elektrischem Strom in den Kurzwellen-Laser, um eine Lichtemission zu erzeugen,
Leiten von emittiertem Licht durch einen unteren Spiegel des Langwellen-Lasers und
Anregen einer Langwellen-Emission vom Langwellen-Laser durch einen oberen Spiegel des Langwellen-Lasers.
In der vorliegenden Erfindung ist ein elektrisch/optisch ange­ triebener vertikaler Laserresonator offenbart, der auf diesel­ be Weise, wie die von Jayaraman et al. supra genannte, funk­ tioniert, besteht aber aus zwei getrennten, ebenen vertikalen Laserresonator-Strukturen. Das Gesamtkonzept besteht darin, einen optisch gepumpten vertikalen Langwellen-Laserresonator in überlagernder Beziehung zu einem ebenen vertikalen Kurzwel­ len-Laserresonator anzuordnen. Ein mechanischer Kontakt zwi­ schen den zwei vertikalen Laserresonatoren erfolgt unter Ver­ wendung eines optisch durchsichtigen Klebers. Der Kleber kann auch verwendet werden, um die Rückreflektion des Pumplichts zu verringern. Die seitlichen Abmessungen der optisch gepumpten Probe sind kleiner als die des vertikalen Pump- Laserresonators, um einen Zugriff auf die obere Metallelektro­ de auszubilden. Die seitliche Ausrichtung zwischen zwei Lasern ist nicht kritisch und könnte durch eine automatisierte Pack­ einrichtung vereinfacht werden.
Nachdem somit die Erfindung allgemein beschrieben wurde, wird nun Bezug auf die Zeichnung gemacht, die ein bevorzugtes Aus­ führungsbeispiel veranschaulicht.
Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung der Laserstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Gemäß der Zeichnung veranschaulicht Fig. 1 schematisch ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, das global durch Bezugszahl 10 bezeichnet wird. Wie veranschaulicht um­ faßt ein optisch gepumpter vertikaler Langwellen- Laserresonator (VCSEL) 12 einen optisch gepumpten Langwellen- Laser mit einer aktiven Schicht 14 und einem InP- oder GaAs- Substrat 16. Alle Elemente derartiger vertikaler Laserresona­ toren sind im Stand der Technik wohlbekannt. Im gezeigten Aus­ führungsbeispiel enthält die vertikaler Langwellen- Laserresonator 12 eine Öffnung 18, die in optischer Verbindung mit einem vertikalen Kurzwellen-Laserressonator ist, wobei die letztere global durch die Bezugszahl 20 bezeichnet wird. Der Laser 20 enthält ein GaAs-Substrat 22 und die typischen akti­ ven Schichten 24. Der Laser 20 enthält weiterhin eine Öffnung 26 für ein Durchlassen von Lichtemission dadurch und in Ver­ bindung mit dem Laser 12, der in überlagernder Beziehung ange­ ordnet ist. Der Laser 20 ist auf einer Unterbefestigung 28 be­ festigt, die zusammen mit einem Metallkontakt 32 auf dem Laser 20 als ein Metallkontakt 30 dient. Eine elektrische Stromquel­ le 34 ist mit dem Kurzwellen-Laser 20 verbunden, um eine Emis­ sion zu induzieren.
In Funktion wird ein elektrischer Strom über den vertikalen Pump-Laserresonator (VCL) 20 injiziert. Dies erzeugt eine an­ geregte Emission (z. B. bei 850 nm) über dem Laserschwellen­ wert. Die (nicht gezeigten) Spiegelreflektivitäten sind derart gewählt, daß das meiste Laserlicht durch eine Öffnung in der p-Elektrode 32, den transparenten Kleber und den unteren Spie­ gel des vertikalen Langwellen-Laserresonators (VCL) 12 auf­ wärts gekoppelt wird. Das Kurzwellen-Pumplicht wird in dem ak­ tiven Bereich 14 der oberen vertikalen Laserresonator-Struktur 12 absorbiert, wobei es eine angeregte Langwellen-Emission er­ zeugt. Die Langwellen-Emission wird über den (nicht gezeigten) oberen Spiegel und das transparente InP- oder GaAs-Substrat 16 entfernt. Dies wird im allgemeinen durch den Pfeil in der Fi­ gur bezeichnet.
Angesichts der Tatsache, daß der optisch gepumpte vertikale Laserresonator nicht elektrisch leitfähig sein muß, kann er auch Luftspalt-Strukturen enthalten, in denen Opferschichten durch selektives Ätzen entfernt werden, das durch Streubel et al. in 1,26 µm Vertical Cavity Laser with Two InP/Air-Gap Re­ flectors, Electron. Lett., Vol. 32, 1996, S. 1369 gelehrt ist. Die epitaktische Struktur eines vertikalen Langwellen- Laserresonators, der einen oder zwei Luftspalt-Spiegel ent­ hält, kann einfach durch epitaktische Standardtechnologien aufgewachsen werden. Die Luftspalt-Struktur bietet den zusätz­ lichen Vorteil einer externen Wellenlängenabstimmung, z. B. durch elektrostatische Kräfte.
Die Struktur gemäß der vorliegenden Erfindung kombiniert alle Vorteile eines elektrisch/optisch angetriebenen vertikalen La­ serresonators mit einer Standardverarbeitungs- und Packtechno­ logie mit niedrigen Kosten. Die fundamentalen Vorteile eines elektrisch/optisch angetriebenen vertikalen Laserresonators sind:
  • a) verringerte Verluste an freien Trägern in dem vertikalen Langwellen-Laserresonator aufgrund des Mangels an Dotie­ rung und
  • b) Strominjektion und Widerstandsheizung nur in dem vertika­ len Kurzwellen-Pump-Laserresonator.
Die hier dargelegte elektrisch/optisch angetriebene vertikale Laserresonator-Struktur bietet die folgenden Vorteile:
  • a) Entwurfsflexibilität in der Wahl der optisch gepumpten Struktur (siehe Tabelle 1),
  • b) die Pumpquelle und der optisch gepumpte vertikale Laser­ resonator können unabhängig hergestellt, getestet und op­ timiert werden,
  • c) der vertikale Kurzwellen-Pump-Laserresonator kann aus kommerziell verfügbaren Einrichtungen entwickelt werden, wobei alle erforderlichen Technologien verfügbar sind,
  • d) die emittierte Wellenlänge wird nur durch die optisch ge­ pumpte Struktur definiert. Ein am Sockel befestigter Standard-Pump-Laserresonator kann als ein Grundgebilde­ block für verschiedene vertikale Langwellen- Laserresonatoren verwendet werden und
  • e) die Packung gemäß vorliegenden Erfindung erzeugt ein Pro­ dukt mit niedrigen Kosten.
Die folgenden Kombinationen von vertikalen Laserresonatoren sind möglich:
Obwohl vorstehend Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrie­ ben wurden, ist sie nicht darauf beschränkt und es wird für den Fachmann offensichtlich sein, daß zahlreiche Modifikatio­ nen so weit einen Teil der vorliegenden Erfindung bilden, daß sie nicht vom Geist, der Natur und dem Schutzumfang der bean­ spruchten und beschriebenen Erfindung abweichen.
Zusammenfassend offenbart die vorliegende Erfindung einen ver­ tikalen Langwellen-Laserresonator mit einem integrierten Kur­ wellen-Pumplaser. Der Laser bildet einen Kurzwellen-Pumplaser mit einem Langwellen-Laser in überlagernder Beziehung. Die an­ geregte Emission von dem Kurzwellen-Laser wirkt, daß sie den Langwellen-Laser aktiviert. Ein optisch transparenter Kleb­ stoff befestigt und montiert die Laser in vertikaler Ausrich­ tung. Ausrichtungsprobleme werden nicht mit der Struktur rea­ lisiert und es werden keine freien Trägerverluste oder andere typischerweise mit den herkömmlichen Anordnungen verbundene Komplexitäten verwirklicht.

Claims (20)

1. Vertikaler Langwellen-Laserresonator mit:
einem oberseitenemittierenden vertikalen Kurzwellen- Laserresonator (20) und
einem optisch gepumpten oberflächenemittierenden vertikalen Langwellen-Laserresonator (12), der den Kurzwellen-Laser (20) überlagert und in optischer Verbindung mit dem Kurz­ wellen-Laser (20) steht.
2. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Langwellen-Laser (12) eine Wellenlänge von 1300 nm be­ sitzt.
3. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kurzwellen-Laser (20) eine Wellenlänge besitzt, die ei­ nen Laser mit einer Wellenlänge von 850 nm umfaßt.
4. Laser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser ein oberseitenemittierender Laser ist.
5. Laser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser eine wasserstoff-implantierte Stromöffnung (26) besitzt.
6. Laser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser eine Aluminiumoxid-Stromöffnung (26) besitzt.
7. Laser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser einen Laser vom Mesa-Typ umfaßt.
8. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Langwellen-Laser (12) eine Wellenlänge von 1550 nm be­ sitzt.
9. Laser nach Anspruch 2 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser (12) zwei Luftspalt-Spiegel enthält.
10. Laser nach Anspruch 2 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser (12) einen Luftspalt-Spiegel und einen dielektri­ schen Spiegel enthält.
11. Laser nach Anspruch 2 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser (12) zwei waferverschweißten GaAs/AlGaAs-Spiegel enthält.
12. Laser nach Anspruch 2 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser (12) einen waferverschweißten GaAs/AlGaAs-Spiegel und einen dielektrischen Spiegel enthält.
13. Laser nach Anspruch 2 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser (12) zwei dielektrische Spiegel enthält.
14. Laser nach Anspruch 2 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser (12) zwei GaAs/AlGaAs-Spiegel und eine gitter­ angepaßte aktive GaInNAs-Schicht enthält.
15. Laser nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser (12) einen Luftspalt-Spiegel und einen epitak­ tisch aufgewachsenen Spiegel enthält.
16. Laser nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser (12) einen waferverschweißten GaAs/AlGaAs und ei­ nen InP/GaInAsP-Spiegel enthält.
17. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Verbindung und Befestigung zwischen den Lasern (12, 20) durch einen optisch transparenten Klebstoff beibe­ halten wird.
18. Verfahren zur Herstellung eines vertikalen Langwellen- Laserresonators, mit:
einem oberseitenemittierenden vertikalen Kurzwellen- Laserresonator (20) und
einem optisch gepumpten oberflächenemittierenden vertikalen Langwellen-Laserresonator (12),
mit den Schritten:
Positionieren des Kurzwellen-Lasers (20) in überlagernder Beziehung zum Langwellen-Laser (12),
Leiten eines elektrischen Stroms in den Kurzwellen-Laser (20), um eine Lichtemission zu erzeugen,
Leiten eines emittierten Lichts durch einen unteren Spiegel des Langwellen-Lasers (12) und
Anregen eines Langwellen-Emission von dem Langwellen-Laser (12) durch einen oberen Spiegel des Langwellen-Lasers (12).
19. Verfahren nach Anspruch 18, weiterhin mit dem Schritt Auswählen einer Spiegelreflektivität derart, daß Laserlicht aufwärts durch eine Öffnung (26) in dem Kurzwellen-Laser (20) gerichtet wird.
20. Verfahren nach Anspruch 18, wobei von dem Kurzwellen-Laser (20) emittiertes Licht in einem aktiven Bereich (14) des Langwellen-Lasers (12) absorbiert wird.
DE19947853A 1998-10-17 1999-10-05 Vertikaler Langwellen-Laserresonator mit integriertem Kurzwellen-Pumplaser Withdrawn DE19947853A1 (de)

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