DE4113354A1 - OPTICALLY PUMPED WAVE GUIDE - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen optisch gepumpten Wellenleiter auf einem Halbleiterbauelement, insbesondere aus Silizium.The present invention relates to an optically pumped Waveguide on a semiconductor device, in particular from Silicon.
Für eine Reihe von Anwendungen aus der optischen Nachrichten technik, der optischen Signalleitungen zwischen Chips (z. B. in Rechnerarchitekturen) und im Bereich des Optical Computing werden optische integrierte Schaltungen auf Silizium mit in Wellenleiter integrierten optischen Verstärkern bzw. in Wellenleiter integrierten optischen Emittern benötigt. Der artige optische Verstärker bzw. Emitter lassen sich derzeit nur in Verbindungshalbleitern aufbauen. Die aufgelisteten An wendungen von optisch integrierten Schaltungen können daher nicht in monolithischer, sondern nur in einer hybriden Kombination zwischen Silizium und Verbindungshalbleitern her gestellt werden.For a number of applications from optical messages technology, the optical signal lines between chips (e.g. in computer architectures) and in the field of optical computing are optical integrated circuits on silicon with in Waveguide integrated optical amplifiers or in Waveguide integrated optical emitters needed. The like optical amplifiers or emitters can currently only build in compound semiconductors. The listed types Applications of optically integrated circuits can therefore not in a monolithic, but only in a hybrid Combination between silicon and compound semiconductors be put.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Wellenleiter in Planartechnik anzugeben, der als optischer Verstärker betrieben werden kann und in ein Bauelement aus Silizium monolithisch integriert werden kann.The object of the present invention is a waveguide to specify in planar technology, as an optical amplifier can be operated and in a component made of silicon can be integrated monolithically.
Diese Aufgabe wird mit dem Wellenleiter mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.This task is accomplished with the waveguide with the characteristics of Claim 1 solved. Further configurations result from the subclaims.
Erfindungsgemäß wird der Wellenleiter z. B. auf einem Substrat in Planartechnik angeordnet und mit einem für die Anregung von Strahlung entsprechend einer Funktion als Laser geeigneten Dotierstoff, wie z. B. Erbium3+ oder Neodym, dotiert. Vorzugs weise besteht der Wellenleiter auf Silizium dabei aus Glas in einer SiO2/Si3N4-Zusammensetzung. Wenn dieser erfindungsgemäße Wellenleiter mit Licht einer passenden Wellenlänge gepumpt wird, so wird in ihm wie bei einem Faserlaser Laserstrahlung angeregt.According to the waveguide z. B. arranged on a substrate in planar technology and with a suitable for the excitation of radiation according to a function as a laser dopant such. B. Erbium 3+ or neodymium, doped. Preferably, the waveguide on silicon consists of glass in an SiO 2 / Si 3 N 4 composition. If this waveguide according to the invention is pumped with light of a suitable wavelength, then laser radiation is excited in it like in a fiber laser.
Es folgt eine Beschreibung des erfindungsgemäßen Wellenleiters anhand der Fig. 1 bis 4.The waveguide according to the invention is described with reference to FIGS. 1 to 4.
Fig. 1 zeigt eine schematische Aufsicht auf ein mit einem er findungsgemäßen Wellenleiter versehenes optoelektronisches integriertes Bauelement. Fig. 1 shows a schematic plan view of an optoelectronic integrated component provided with a waveguide according to the invention.
Fig. 2 und 3 zeigen erfindungsgemäße Wellenleiter mit einem für die Ankopplung von Strahlung vorgesehenen weiteren Wellenleiter. Fig. 2 and 3 show waveguide of the invention with a provided for the coupling of radiation further waveguide.
Fig. 4 und 5 zeigen vorteilhafte Anordnungen des erfindungsge mäßen Wellenleiters mit einem Wellenleiter zum Ein koppeln von Strahlung. FIGS. 4 and 5 show advantageous arrangements of the erfindungsge MAESSEN waveguide with a waveguide for coupling of radiation.
In Fig. 1 ist ein optoelektronisches integriertes Bauelement (OEIC) auf einem Substrat 2 dargestellt. Der darauf aufgebaute Wellenleiter 1 kann durch eine externe Lichtquelle 3 gepumpt werden. Diese externe Lichtquelle 3 kann z. B. ein Halbleiter laser sein. Alternativ kann das Licht über eine Faser 4 zuge führt werden. Eine weitere Faser 5 dient dem optischen Anschluß des Wellenleiters. Aus der Faser 4, die das Licht zum Anregen von Laserstrahlung in dem Wellenleiter (optisches Pumpen) zu führt, wird dieses Licht durch einen Koppler 8 (s. Fig. 2) in einen für die Anregung von Laserstrahlung vorgesehenen Be reich 7 des Wellenleiters eingekoppelt. In Fig. 2 sind der Wellenleiter 1 mit dem dotierten Bereich 7 und dem Koppler 8 zum Einkoppeln der die Laserstrahlung anregenden Strahlung dargestellt. In Fig. 3 sind zusätzlich Reflektoren 6, die in diesem dotierten Bereich 7 für Resonanzbedingung sorgen, einge zeichnet.In Fig. 1, an optoelectronic integrated device (OEIC) is shown on a substrate 2. The waveguide 1 built thereon can be pumped by an external light source 3 . This external light source 3 can, for. B. be a semiconductor laser. Alternatively, the light can be supplied via a fiber 4 . Another fiber 5 is used for the optical connection of the waveguide. From the fiber 4 , which leads the light for exciting laser radiation in the waveguide (optical pumping), this light is coupled through a coupler 8 (see FIG. 2) into a region 7 provided for the excitation of laser radiation . In FIG. 2, the waveguide 1 to the doped region 7 and the coupler 8 are shown for coupling the laser radiation exciting radiation. In Fig. 3 additionally reflectors 6 , which ensure resonance condition in this doped region 7 , are drawn.
Dieser erfindungsgemäße Wellenleiter kann als Verstärker in einem passiven Wellenleiter verwendet werden. In einer ge eigneten Resonatoranordnung (Fabry-Perot, DFB oder DBR) wirkt er als Laseroszillator. Dieser Laseroszillator kann über die Pumpleistung in seiner Amplitude moduliert werden. Auf dem Bauelement kann ein Modulator für diesen Laser vorgesehen sein.This waveguide according to the invention can be used as an amplifier a passive waveguide can be used. In a ge suitable resonator arrangement (Fabry-Perot, DFB or DBR) acts he as a laser oscillator. This laser oscillator can Pump power can be modulated in its amplitude. On the Component can be provided a modulator for this laser be.
Der erfindungsgemäße Wellenleiter kann für die Verwendung als optischer Verstärker eine Länge von etwa einem Meter haben und wird daher gegebenenfalls wie in Fig. 4 gezeigt als Spirale oder Doppelspirale angeordnet oder wie in Fig. 5 mäanderförmig ge führt. In den Fig. 4 und 5 sind jeweils ein weiterer Wellenleiter 8, der für die Einstrahlung des Lichtes passender Wellenlänge zum Anregen der Laserstrahlung vorgesehen ist (Pumpwellenleiter), und ein Gitter 9 als Resonatoranordnung eingezeichnet. Der weitere Wellenleiter 8 kann wie durch die gestrichelte Linie in den Fig. 4 und 5 dargestellt in der Ebene des Wellenleiters 1 verlaufen oder durch einen über dem Wellenleiter 1 oder unter dem Wellenleiter 1 angeordneten Schichtwellenleiter gebildet werden. Die Einkopplung des Lichtes kann mittels Leckwellenkopplung erfolgen.The waveguide according to the invention can have a length of about one meter for use as an optical amplifier and is therefore, as shown in FIG. 4, optionally arranged as a spiral or double spiral or as meandering in FIG. 5. In Figs. 4 and 5 are respectively a further waveguide 8, the more suitable for the irradiation of the light wavelength is provided to excite the laser radiation (pump waveguide), and a grating 9 shown as a resonator. The further waveguide 8 can, as shown by the dashed line in FIGS. 4 and 5, run in the plane of the waveguide 1 or can be formed by a layer waveguide arranged above the waveguide 1 or below the waveguide 1 . The light can be coupled in by means of leaky wave coupling.
Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin, daß sie in einer Schaltung mit integrierter Optik auf Silizium (Si-OEIC) mit weiteren optischen Funktionselementen wie Filtern, Kopplern, Leitungen vielfach kombiniert werden kann. Zusätzlich ist sie auf Silizium kombinierbar mit opto elektronischen Funktionselementen wie Detektoren und Modulatoren. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Wellenleiters besteht darin, daß eine einfache, thermisch ge trennte Lichtquelle zum Pumpen des Lasers, z. B. in Form eines Halbleiterlasers, gegebenenfalls auch für mehrere Verstärker gemeinsam auf einem Chip oder mehreren Chips verwendet werden kann. Diese Lichtquelle kann über eine Faser an den Chip an geschlossen werden. Dieser Vorteil erlaubt eine besondere Freiheit in der Gestaltung der verschiedenen auf einem Chip integrierten Funktionselemente.The particular advantage of the arrangement according to the invention is in that they are in a circuit with integrated optics Silicon (Si-OEIC) with additional optical functional elements such as filters, couplers, lines can be combined in many ways can. It can also be combined with opto on silicon electronic functional elements such as detectors and Modulators. Another advantage of the invention Waveguide is that a simple, thermal ge separate light source for pumping the laser, e.g. B. in the form of a Semiconductor laser, possibly also for several amplifiers can be used together on one or more chips can. This light source can be connected to the chip via a fiber getting closed. This advantage allows a special one Freedom in the design of the various on one chip integrated functional elements.
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