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Die
US Regierung hält
eine Lizenz an dieser Erfindung sowie das Recht, den Patentinhaber
unter begrenzten Umständen
anzuweisen, die Erfindung anderen zu vertretbaren Bedingungen in
Lizenz zu geben, gemäß dem Vertrag
Nr. MDA 972-97-3-0008, der mit der Defense Advanced Research Projects Agency
(DARPA) der USA geschlossen wurde.
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Technisches
Gebiet
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Die
Erfindung betrifft im allgemeinen optoelektronische Einrichtungen
und spezieller eine optische Untereinrichtung, die dazu verwendet
wird, das Ausgangslicht eines Kurzwellenlasers in Ausgangslicht
eines Langwellenlasers umzuwandeln.
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Hintergrund
der Erfindung
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Das
US Patent 5,265,113 offenbart einen Festkörperlaser, der durch eine Laserdiode
gepumpt wird, in dem die Laserdiode und ein Laserkristall auf einem
gemeinsamen Basissubstrat angeordnet sind, das präzise Einstellmittel
einschließlich
Führungen und
Befestigungsrinnen aufweist, in welchen einzelne Komponenten, wie
Spiegelhalter, Abbildungselemente und Laserkristalle, befestigt
werden können.
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Das
US Patent 4,731,795 offenbart einen optisch gepumpten Festkörperlaser,
der aus Komponenten aufgebaut ist, welche gemeinsam durch eine Haltestruktur
gehalten werden, die so konfiguriert ist, daß sie die Komponenten aufnimmt
und diese automatisch in bezug zueinander entlang eines optischen Weges
anordnet.
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WO
96/32766 beschreibt einen Langwellen-VCSEL, der mit einem elektrisch
gepumpten VCSEL kürzerer
Wellenlänge
optisch gekoppelt ist und von diesem gepumpt wird. Die von der Oberseite
des unten angeordneten VCSEL emittierte kurzwellige Strahlung wird
an den unteren Spiegel des Langwellen-VCSEL übertragen. Die langwellige
Strahlung wird vorzugsweise von der Oberseite des Langwellen-VCSEL
abgegeben. Die beiden VCSEL werden vorzugsweise mit Hilfe eines
transparenten optischen Klebstoffs, eines Waferschmelzprozesses oder
einer Metall-Metall-Verbindung miteinander verbunden.
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EP 1 054 487 , das ein Dokument
gemäß Art. 54(3)
EPÜ ist,
offenbart eine optische Anordnung mit einer Pumpdiode, die sichtbares
Licht ausgibt und eine Langwellen-Laseranordnung pumpt.
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Lichtemittierende
Dioden (LEDs), Laser, oberflächenemittierende
Laser mit vertikaler Kavität (VCSELs)
und dergleichen (die gemeinsam als lichtemittierende Einrichtung,
light emitting devices, bekannt sind) werden in vielen Anwendungen
in großem
Umfang eingesetzt, beispielsweise in Kommunikationssystemen, medizinischen
Systemen und Anzeigesystemen. Diese lichtemittierenden Einrichtungen
werden üblicherweise
mit epitaktischen Materialien auf einem Substrat aufgebaut, wobei
die epitaktischen Materialien einen p-n-Übergang und einen aktiven oder
Lichterzeugungsbereich aufweisen, der darin ausgebildet ist und üblicherweise
wenigstens einen Bragg-Reflektor umfaßt. Ein Bragg-Reflektor ist
ein Grundbaustein vieler lichtemittierender Einrichtungen und wird
häufig
dazu verwendet, das Ausgangslicht eines Halbleiterlasers zu reflektieren
und zu lenken.
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Bei
Lasern, die in Kommunikationssystemen verwendet werden, und insbesondere
bei optischen Kommunikationssystemen, ist es wünschenswert, daß der Laser
Licht mit einer relativ langen Wellenlänge in der Größenordnung
von ungefähr
1,3–1,55 Mikrometer
(μm) aussendet,
und in einigen Anwendungen soll er Licht in einem einzigen räumlichen Modus
(spatial mode) und in einem einzigen Längsmodus (longitudinal mode)
aussenden. Die Laseremission in einem einzigen spatial mode und
einem einzigen longitudinal mode führt zu einer Laseremission
bei einer einzigen Frequenz. Ein Ausgangssignal mit langer Wellenlänge und
einer einzigen Frequenz erlaubt es, die Laseremission in eine optische Faser
zu fokussieren und in Kommunikationssystemen gute Leistung zu erbringen,
in denen sehr hohe Übertragungsraten über lange
Distanzen erforderlich sind. Die meisten Optikfaser-Kommunikationssysteme,
welche heute verwendet werden, arbeiten entweder mit dem Dispersionsminimum
von 1,3 μm
oder mit dem Verlustminimum von 1,55 μm.
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EP-A-0
997 991 betrifft ein Lasersystem, in dem eine Laserdiode einen Mikrochiplaser
optisch pumpt. Der Mikrochiplaser ist in einem Gehäuse vorgesehen,
das einen Temperatursensor und ein Kühlelement zur unabhängigen Temperatursteuerung
des Mikrochiplasers umfaßt.
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Der
Mikrochiplaser und die Laserdiode sind auf einer Hilfshalterung
montiert, um eine räumliche Ausrichtung
und Kühlung
beider Komponenten vorzusehen.
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In
der Vergangenheit wurden aufgrund der Schwierigkeiten beim Herstellen
hoch reflektierender DBR-Spiegel mit geringem Widerstandswert und
guten aktiven Bereichen langer Wellenlänge in dem Halbleitermaterialsystem
(beispielsweise Indiumphosphid (InP)) Langwellenlängen-VCSEL
hergestellt, indem eine Kavität
des Langwellenlängen-VCSEL
mit Hilfe eines Lasers kurzer Wellenlänge optisch gepumpt wurde.
Der Laser kurzer Wellenlänge wurde
mit dem Laser langer Wellenlänge
kombiniert, indem Techniken wie Waferbonden oder die Verwendung
optischer Klebstoffe zum Verbinden der beiden Laser verwendet wurden.
Ein Problem bei dem Waferbonden ist, daß es teuer ist und wenigstens
einen zusätzlichen
Verarbeitungsschritt hinzufügt.
Auch besteht immer die Gefahr der Beschädigung, wenn das Material den
hohen Temperaturen und Drücken,
die mit dem Waferbonden einhergehen, ausgesetzt ist. Ähnlich erhöht das Verwenden
eines optischen Klebstoffes zum Verbinden der beiden Laser die Kosten und
die Anzahl der Verarbeitungsschritte.
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Ein
weiteres Problem beim Verbinden eines Kurzwellenlängen-Lasers
mit einem Langwellenlängen-Laser
ist, daß das
Ausgangssignal des Langwellenlängen-Lasers
auch Ausgangskomponenten kurzer Wellenlänge enthält. Das heißt, die Langwellenlängen-Lasereinrichtungen
des Standes der Technik emittieren sowohl langwelliges als auch
kurzwelliges Licht. Dies ist in optischen Kommunikationssystemen insbesondere über kurze
Distanzen problematisch, weil die kurzwellige Emission die Information,
die in dem langwelligen Signal enthalten ist, über Distanzen, die nicht ausreichend
sind, um das kurzwellige Signal vollständig zu dämpfen, verfälscht.
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Ein
weiteres Problem ist die thermische Wechselwirkung zwischen den
Lasern, die gebondet oder mit Klebstoff verbunden wurden. Die während des
Absorptionsprozesses erzeugte Hitze muß entfernt werden, weil sie
die Leistung des langwelligen Ausgangssignals begrenzen kann. Auch
die von dem Kurzwellen-Laser erzeugte Wärme beeinflußt die Leistung
des langwelligen Ausgangssignals erheblich.
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Es
besteht daher nach wie vor Bedarf in der Industrie an einem Langwellen-Laser,
der auf Waferbonden und die Verwendung optischer Klebstoffe zum
Verbinden der beiden Lasereinrichtungen verzichten kann.
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Abriß der Erfindung
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Die
Erfindung sieht eine optische Unteranordnung vor, die einen optimierten
elektrisch gepumpten kurzwelligen VCSEL und einen optimierten optisch
gepumpten langwelligen VCSEL umfaßt. Die zwei unabhängig optimierten
VCSELs werden in der Verpackungsstufe integriert, um eine Einrichtung
mit einem langwelligen Ausgangssignal herzustellen.
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Auf
der Architekturebene kann die Erfindung als eine optische Anordnung
entworfen werden, die einen vorgefertigten kurzwelligen Laser mit
einem kurzwelligen Ausgangssignal umfaßt, wobei der kurzwellige Laser
innerhalb der optischen Anordnung angeordnet und für ein kurzwelliges
Ausgangssignal optimiert ist. Die optische Anordnung umfaßt auch
einen vorgefertigten langwelligen Laser, der für ein langwelliges Laserausgangssignal
optimiert ist, und eine optische Unteranordnung ist so konzipiert,
daß sie
den vorgefertigten langwelligen Laser in einem optischen Weg des
kurzwelligen Lasers hält,
so daß ein
Ausgangssignal des kurzwelligen Lasers an den langwelligen Laser
angelegt wird. Diese Anordnung liefert ein Laserausgangssignal mit
einer wählbaren langen
Wellenlänge
(1,3–1,55 μm) ausgehend
von einer kurzwelligen Eingangspumpe.
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Die
Erfindung kann auch in einem Verfahren zum Herstellen einer optischen
Anordnung realisiert werden, das die folgenden Schritte umfaßt: Anordnen
eines vorgefertigten kurzwelligen Lasers in der optischen Anordnung,
Anordnen eines langwelligen Lasers in einer optischen Unteranordnung
und Legen der optischen Unteranordnung, welche den langwelligen
Laser enthält,
in einen Lichtausgangsweg des kurzwelligen Lasers, so daß ein Ausgangssignal
des kurzwelligen Lasers in die optische Unteranordnung gerichtet
wird und den langwelligen Laser optisch pumpt, so daß man ein
langwelliges Laserausgangssignal erhält.
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Die
Erfindung hat zahlreiche Vorteile, von denen nur wenige beispielhaft
im folgenden umrissen sind.
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Ein
Vorteil der Erfindung ist, daß die
Trennung des Designs, der Herstellung und des Testens des langwelligen
Lasers von einem kurzwelligen Laser es ermöglicht, jeden der Laser unabhängig von dem
anderen zu optimieren.
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Ein
weiterer Vorteil der Erfindung ist, daß sie die Herstellung einer
optischen Anordnung vereinfacht und ein langwelliges Laserausgangssignal
erzeugen kann.
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Ein
weiterer Vorteil der Erfindung ist, daß das Bonden von zwei Lasereinrichtungen
nicht mehr notwendig ist.
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Ein
weiterer Vorteil ist, daß die
thermische Interaktion zwischen den Bauteilen effektiv eliminiert wurde,
wodurch die Wellenlängenschwankung
des langwelligen Ausgangssignals in bezug auf die Vorspannung durch
den kurzwelligen Laser und die Temperatur reduziert wird. Die Kavität des langwelligen Lasers
extrahiert den Wärmeanstieg,
der mit der Absorption der Energie von dem kurzwelligen Laser einhergeht.
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Ein
weiterer Vorteil der Erfindung ist, daß sie es ermöglicht,
einen langwelligen Laser gemeinsam mit einem kurzwelligen Laser
modular zu packen.
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Ein
weiterer Vorteil der Erfindung ist, daß sie es ermöglicht,
ein- und dieselbe kurzwellige Produktanordnung zu verwenden und
erst fast am Ende der Verpackungsstufe zu bestimmen, ob das endgültige Produkt
ein kurzwelliger Laser oder ein langwelliger Laser sein soll. Die
optische Unteranordnung für
die Langwellen-Umwandlung kann am Ende des Verpackungsprozesses
eingefügt
werden.
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Ein
weiterer Vorteil der Erfindung ist, daß sie einfach im Design und
für die
gewerbliche Massenproduktion einfach umsetzbar ist.
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Weitere
Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich dem Fachmann aus
den folgenden Zeichnungen und der detaillierten Beschreibung. Diese
zusätzlichen
Merkmale und Vorteile sollen alle im Bereich der Erfindung liegen.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
Erfindung gemäß den Ansprüchen wird besser
verständlich
mit Bezug auf die folgenden Zeichnungen. Die Komponenten in den
Zeichnungen sind nicht notwendig maßstäblich zueinander dargestellt,
der Schwerpunkt liegt vielmehr auf der klaren Erläuterung
der Grundsätze
der Erfindung.
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1 zeigt
eine schematische Schnittdarstellung einer optischen Anordnung,
die erfindungsgemäß aufgebaut
ist;
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2 zeigt
eine vereinfachte Schnittdarstellung des Kurzwellenlängen-Lasers
der 1;
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3 zeigt
eine vereinfachte Schnittdarstellung des Langwellenlängen-Lasers
der 1; und
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4 zeigt
eine schematische Schnittdarstellung durch die optische Unteranordnung
der 1.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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Während die
Erfindung mit einer Vielzahl von Lasereinrichtungen realisiert werden
kann, ist die optische Unteranordnung für die Wellenlängenumwandlung
besonders nützlich
zum Umwandeln des Ausgangssignals eines kurzwelligen oberflächenemittierenden
Lasers mit vertikaler Kavität
(VCSEL) in einen langwelligen Ausgangslaser. Die Erfindung ist ferner
anwendbar auf sowohl Einzelmoden-Laserausgangssignale als auch Mehrfachmoden-Laserausgangssignale.
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In
den Zeichnungen zeigt 1 eine schematische Schnittdarstellung
einer optischen Anordnung 10, die gemäß einem Aspekt der Erfindung
aufgebaut ist. Die optische Anordnung 10 umfaßt ein optisches
Anordnungsgehäuse 18,
in dem ein TO-Gehäuse 11 und
eine optische Unteranordnung 40 angeordnet sind. Das optische
Anordnungsgehäuse 18 kann
z.B. eine optische Komponente sein, die auf eine Schaltungsplatte
gelötet
oder auf andere Weise auf diese aufgebracht werden kann, oder es
kann ein optischer Verbinder sein, mit dem ein Lichtleitfaserverbinder 12 verbunden
wird, der ein Lichtleitkabel mit der optischen Anordnung 10 verbindet.
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Das
TO-Gehäuse 11 kann
ein übliches TO-46-Header-Package
sein, wie im Stand der Technik bekannt. Alternativ kann das TO-Gehäuse 11 jedes
Standardgehäuse
(Package) sein, das einen kurzwelligen Laser 20 enthält. Gemäß einer
bevorzugten Ausführung
der Erfindung ist der kurzwellige Laser 20 vorzugsweise
ein VCSEL. Der kurzwellige Laser 20 kann unabhängig optimiert,
zusammengebaut, getestet und in dem TO-Gehäuse 11 verpackt werden.
Die Optimierung des kurzwelligen Lasers umfaßt die Maximierung des Konversionsgrades (wall
plug efficiency) und die Einstellung der Strahlendivergenz zum Optimieren
der Kopplung zu dem langwelligen Laser. Der Konversionsgrad ist
definiert als das Verhältnis
der optischen Ausgangsleistung zur elektrischen Eingangsleistung
der Einrichtung. Wie durch die elektrische Verbindung 19 angedeutet, wird
der kurzwellige Laser 20 elektrisch gepumpt oder von einem
geeigneten Lasertreiber angesteuert.
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Das
optische Anordnungsgehäuse 18 umfaßt auch
die optische Unteranordnung 40. Die optische Unteranordnung 40 umfaßt einen
langwelligen Laser 30, der ein VCSEL sein kann. Der kurzwellige Laser 20 emittiert
vorzugsweise Licht in einem Wellenlängenbereich von ungefähr 850 bis
1200 nm, während
der langwellige Laser 30 vorzugsweise Licht in einem Wellenlängenbereich
von ungefähr 1300
nm bis 1550 nm emittiert. Der Umwandlungswirkungsgrad zwischen dem
kurzwelligen Laser 20 und dem langwelligen Laser 40 kann
verbessert werden, wenn der kurzwellige Laser 20 so nah
wie möglich
an den langwelligen Laser 40 herangebracht wird, ohne dadurch
die Optimierung des langwelligen Lasers 40 zu stören. Das
Anordnen des kurzwelligen Lasers 20 nah bei dem langwelligen
Laser 40 verbessert die Übertragung der Photonenenergie
zwischen den zwei Lasern. Ähnlich
wie der kurzwellige Laser 20 kann der langwellige Laser 30 unabhängig optimiert,
zusammengebaut, getestet und innerhalb der optischen Unteranordnung 40 angeordnet
werden. Die Optimierung des langwelligen Lasers kann das Maximieren
der Absorption des kurzwelligen Lichtes, das von dem kurzwelligen
Laser kommt, das Minimieren der Schwellwertleistung, das Maximieren
des Ausgangswirkungsgrades und das Einstellen der Kavität für den Betrieb
mit single oder multiple transverse mode umfassen.
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Die
optische Unteranordnung 40 ist insofern modular, als sie
in das optische Anordnungsgehäuse 18 eingesetzt
und leicht daraus entfernt werden kann. Die optische Unteranordnung 40 kann
beispielsweise in ihrer Position eingerastet werden.
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Der
langwellige Laser 30 ist elektrisch passiv, was bedeutet,
daß er
nicht elektrisch gepumpt werden muß. Der kurzwellige Laser 20 pumpt
den langwelligen Laser 30 optisch. Daher benötigt der langwellige
Laser 30 keine elektrischen Verbindungen.
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Wenn
der kurzwellige Laser 20 einmal in dem TO-Gehäuse 11 installiert
ist, kann das TO-Gehäuse 11 innerhalb
des optischen Gehäuses 18 installiert
werden. Gemäß eines
Aspekts der Erfindung kann der langwellige Laser 30 unabhängig optimiert und
in der optischen Unteranordnung 40 installiert werden.
Die optische Unteranordnung 40 kann innerhalb des optischen Anordnungsgehäuses 18 installiert
werden, wodurch die optische Anordnung 10 fertiggestellt
wird.
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Wie
gezeigt, emittiert der kurzwellige Laser 20 ein kurzwelliges
Laserausgangssignal 14, das in Richtung der optischen Unteranordnung 40 gerichtet ist.
Die optische Unteranordnung 40 umfaßt optional mehrere optische
Elemente, die im einzelnen mit Bezug auf 2 beschrieben
sind. Wenn diese enthalten sind, fokussiert wenigstens eines der
optionalen optischen Elemente das kurzwellige Laserausgangssignal 14 auf
den langwelligen Laser 30. Ein weiteres optisches Element
fokussiert das langwellige Ausgangssignal 17 des langwelligen
Lasers 30 in den Lichtleitfaserverbinder 12.
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Wenn
sie innerhalb des optischen Anordnungsgehäuses 18 installiert
ist, sollte die optische Unteranordnung 40 zu dem TO-Gehäuse 11 derart ausgerichtet
sein, daß das
kurzwellige Laserausgangssignal 14 optimal auf die optische
Unteranordnung 40 und somit den langwelligen Laser 30 fokussiert
wird, so daß die
Punktgröße des kurzwelligen Laserausgangsignals 14 einen
maximalen Wirkungsgrad in dem langwelligen Ausgangssignal erzeugt. Bei
Einzelmodenanwendungen wird die Fleckgröße des kurzwelligen Lasers
optimal so gewählt,
daß sie ein
Einzelmoden-Ausgangssignal für
den langwelligen Laser erzielt.
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Die
Ausrichtung und Fokussierung zwischen dem kurzwelligen Laser 20 und
dem langwelligen Laser 30 kann durch speziell entworfene
mechanische Führungen
oder auf jede andere Weise realisiert werden, in der die optische
Unteranordnung 40 innerhalb des optischen Anordnungsgehäuses 18 und
in bezug auf den kurzwelligen Laser 20 präzise angeordnet werden
kann. Die optische Unteranordnung 40 ist in dem optischen
Anordnungsgehäuse 18 kolinear
ausgerichtet. Optionale optische Elemente (die unten mit Bezug auf 4 beschrieben
sind) können
die Fähigkeit,
das kurzwellige Ausgangssignal 14 auf die optische Unteranordnung 40,
welche den langwelligen Laser 30 enthält, zu fokussieren, verbessern.
Die optische Unteranordnung 14 ist so montiert, daß das kurzwellige
Laserausgangssignal 14 auf eine gewünschte Fleckgröße auf dem
langwelligen Laser 30 fokussiert wird. Die optische Unteranordnung 14 ist innerhalb
des optischen Anordnungsgehäuses 18 entfernbar
montiert.
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Das
kurzwellige Laserausgangssignal 14 wird von dem langwelligen
Laser 30 absorbiert, wodurch der langwellige Laser Elektronen-Löcher-Paare
in den Absorptionsschichten in dem langwelligen Laser 30 erzeugt.
Die Elektronen-Löcher-Paare
werden in den aktiven Bereich des langwelligen Lasers 30 weitergeleitet
(funneled), wo diese Elektronen-Löcher-Paare rekombinieren, wodurch
Licht langer Wellenlänge
als das langwellige Laserausgangssignal 17 emittiert wird.
Das langwellige Laserausgangssignal 17 umfaßt vorzugsweise
eine einzelne longitudinal mode und eine einzelne spatial mode für die optische
Datenübertragung,
was zu einem einfrequenten Ausgangssignal führt, das leicht in eine optische
Faser fokussiert werden kann. Für
andere Anwendungen kann das langwellige Laserausgangssignal alternativ
mehrere Moden umfassen.
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2 zeigt
eine vereinfachte Schnittdarstellung, die den kurzwelligen Laser 20 der 1 illustriert.
Der kurzwellige Laser 20 umfaßt im allgemeinen einen ersten
Spiegel 24, der auf einem ersten Substrat 22 liegt,
eine aktive Schicht 26, einen zweiten Spiegel 27 und
elektrische Kontakte 21 und 28. Die beiden Spiegel 24 und 27 können, wie
im Stand der Technik bekannt, aus mehreren Schichten aus einer Aluminiumgalliumarsenidlegierung
(AlGaAs) mit wechselnden Zusammensetzungswerten bestehen, um eine
Struktur aus Schichten mit wechselnden Brechungsindizes herzustellen.
Die Zusammensetzung der Legierung variiert von Schicht zu Schicht derart,
daß der
Brechungsindex der Schichten von Schicht zu Schicht zu- oder abnimmt. Solche
geschichteten Spiegel 24 und 27 werden manchmal
als Bragg-Spiegel oder verteilte Bragg-Reflektoren (DBR) bezeichnet.
Das Verhältnis
zwischen den Brechungsindizes der Schicht mit hohen und der Schicht mit
niedrigem Index gemeinsam mit der Anzahl der Schichten bestimmt
die Reflektivität
des Spiegels. Die Dicke jeder der Schichten mit hohem und niedrigem
Index in einem solchen Spiegel beträgt λ/4n (oder ungeradzahlige Vielfache
hiervon), wobei λ die Wellenlänge des
Lichtes im Vakuum ist, das der Laser emittieren soll, und wobei
n der Brechungsindex des Materials ist. Man beachte, daß jegliche
ungeradzahligen Vielfachen von λ/4n
verwenden werden können.
Es können
somit auch Materialdicken von 3 λ/4n
oder 5 λ/4n
verwendet werden. Eine übliche
Materialwahl für
den in 2 gezeigten VCSEL 20 ist Aluminiumgalliumarsenid
mit zwei verschiedenen Zusammensetzungen, weil der Brechungsindex
mit der Aluminiumzusammensetzung variiert. In einer bevorzugten
Ausführung
hat der DBR 24 eine maximale hohe Reflektivität (nahe
bei 99,9%), weil das Licht auf der dem Substrat 22 entgegengesetzten Seite
emittiert wird.
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Die
aktive Schicht 26 wächst über dem
DBR 24. Die aktive Schicht 26 umfaßt wechselnde
Schichten aus z. B. Galliumarsenid (GaAs), Aluminiumgalliumarsenid
(AlGaAs), Indiumgalliumarsenid (InGaAs) oder Aluminiumindiumgalliumarsenid
(AlInGaAs), wodurch mehrere Quantenschächte gebildet werden.
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Der
Ausgangs-DBR 27 wächst über der
aktiven Schicht 26. Während
er auch mehrere Schichten aus Aluminiumgalliumarsenid umfaßt, hat
der DBR 27 eine geringere Anzahl von Schichten, um eine üblicherweise
niedrigere Reflektivität
vorzusehen, die von dem Ausgangsspiegel gefordert wird. Die Reflektivität des DBR 27 wird
in bezug auf maximale Lasergeschwindigkeit und Effizienz optimiert.
Das Ausgangslicht 14 entspricht dem Ausgangslicht des kurzwelligen
Lasers 20. Der DBR 27 ist durchlässiger als der
DBR 24, weil das Licht durch den DBR 27 in der Richtung,
die durch das Ausgangslicht 14 angedeutet ist, emittiert
wird. Die DBR-Spiegel 24 und 27 sind erfindungsgemäß mit einem
niedrigen Widerstandswert konzipiert und dotiert, so daß Strom
in den aktiven Bereich 26 fließen kann, wie dem Durchschnittsfachmann
bekannt ist.
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Eine
Elektrode 2i wird auf das Substrat 22 aufgebracht,
und eine Elektrode 28 wird auf den aktiven Bereich 26 aufgebracht.
Zwischen den Elektroden 21 und 28 fließender Strom
pumpt elektrisch den aktiven Bereich 26, was zu dem gewünschten
kurzwelligen Ausgangssignal 14 führt. Man sollte beachten, daß nur die
Hauptteile des kurzwelligen Lasers 20 beschrieben wurden
und daß die
obige Beschreibung lediglich eine Technik zum Entwickeln eines kurzwelligen
Lasers ist. Viele andere Techniken können verwendet werden und dennoch
im Bereich der Erfindung liegen.
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3 ist
eine vereinfachte Schnittdarstellung des langwelligen Lasers 30 der 1.
Der langwellige Laser 30 umfaßt zwei Spiegel 34 und 37 zwischen
denen eine aktive Schicht 36 liegt. Die beiden Spiegel
des langwelligen Lasers 30 bestehen aus mehreren Schichten
mit alternierenden Brechungsindizes, ähnlich wie in dem Aufbau der
Spiegel 24 und 27 für den kurzwelligen VCSEL 20.
Die Laserkavität des
Laser 30, welche durch die zwei Spiegel 34 und 37 und
die aktive Schicht 36 gebildet wird, wird auf eine lange
Wellenlänge
in dem Bereich von 1300 nm bis 1600 nm eingestellt. Die Materialwahl
für die Spiegel 34 und 37 umfaßt Halbleiter,
wie Aluminiumindiumarsenid-Legierungen (AlInGaAs), Aluminiumgalliumarsenidantimon-Legierungen
(AlGaAsSb) oder Indiumgalliumarsenidphosphid-Legierungen (InGaAsP),
die bezüglich
des Gitters an Indiumphosphid (InP) angepaßt sind. Da kein elektrischer
Strom durch die Spiegel 34 und 37 geht, können diese
aus beliebig dotierten Halbleiterschichten hergestellt werden. Üblicherweise
wird ein Gas mit dem gewünschten
Dotierstoff (wie Zink oder Silizium) zusammen mit anderen Gasen,
die zum Wachsenlassen des Halbleiters benötigt werden, eingeführt. Beliebiges
Dotieren bedeutet, daß während des
Wachstums des Halbleiters keine Dotierungsspezies eingeführt werden.
Ein beliebig dotierter Halbleiter hat einen hohen Widerstandswert
und eine niedrige freie Trägerabsorption.
Dies ermöglicht
die Herstellung von Spiegeln mit sehr geringen Verlusten, da die
Absorption aufgrund freier Ladungsträgerabsorption (die beim Dotieren
des Halbleiters eingeführt
werden) eliminiert wurde. Der DBR 37 kann auch unter Verwendung amorpher
dielektrischer Kombinationen, wie Siliziumdioxid, Titandioxid, Tantalpentoxid
und ähnlicher
Materialien, realisiert werden. Wenn amorphe Dielektrika verwendet
werden, erfordern die Spiegel aufgrund des größeren Brechungsindexverhältnisses
zwischen den Materialien mit hohem und mit niedrigem Index üblicherweise
weniger Schichten als die Halbleiterlegierungskombinationen, um
eine vergleichbare Reflektivität
zu erreichen.
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Die
aktive Schicht 36 wächst über dem
DBR 34. Die aktive Schicht 36 umfaßt z.B.
wechselnde Schichten aus Indiumgalliumarsenidphosphid (InGaAsP)
und Indiumphosphid (InP) oder Aluminiumindiumgalliumarsenid (AlInGaAs),
die mehrfache Quantenschächte
bilden. Die Materialwahl und ihre Zusammensetzung kann abhängig von
der gewünschten
Ausgangswellenlänge
des Gerätes
variieren. Andere Wahlmöglichkeiten
für geeignete
aktive Schichten, die bezüglich
des Gitters angepaßt
sind an Galliumarsenidsubstrate (GaAs), wie Indiumgalliumarsenidnitrid
(InGaAsN) und Galliumarsenidantimon-Legierungen (GaAsSb), können ebenfalls
verwendet werden. Aktive Schichten, die auf GaAs wachsen, können Spiegel
mit höherer
Reflektivität
verwenden, die unter Verwendung der Aluminiumgalliumarsenid-Legierungen (AlGaAs)
erhalten werden können, weil
sie einen Kontrast mit höherem
Index haben.
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Der
DBR 37 wächst über der
aktiven Schicht 36. Der DBR 37 hat eine ähnliche
Struktur wie der DBR 34. Das Ausgangslicht 17 entspricht
dem Ausgangslicht des langwelligen Lasers 30. Der DBR 37 hat
eine geringere Reflektivität
als der DBR 34, weil das durch den DBR 37 emittierte
Licht in der durch das Ausgangslicht 17 angezeigten Richtung
verläuft. Andere
Mittel zum Erzeugen der langwelligen Kavität können ebenfalls eingesetzt werden,
beispielsweise Waferboden der aktiven Schicht 36 auf entweder Halbleiter
oder dielektrische Spiegel; oder Ätzen von Löchern in das Substrat und Ablagern
dielektrischer DBR-Spiegel auf beiden Seiten des aktiven Bereichs zum
Ausbilden der optischen Kavität.
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Der
langwellige Laser 30 wird durch das kurzwellige Licht 14 optisch
gepumpt, welches von dem kurzwelligen Laser 20 ausgegeben
wird, und sendet langwelliges Ausgangslicht 17 aus.
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Die
Kavität
des langwelligen Lasers ist so gestaltet, daß sie auftreffendes kurzwelliges
Licht 14 absorbiert und langwelliges Licht 17 emittiert.
Dies wird dadurch erreicht, daß die
aktive Schicht 36 so gestaltet wird, daß sie das kurzwellige Licht
effektiv absorbiert, und daß der
Spiegel 34 so gestaltet wird, daß er das kurzwellige Licht 14 in
die langwellige Kavität
durch Absorption durch die aktive Schicht 36 überträgt. Der
Ausgangsspiegel 37 kann, muß jedoch nicht so gestaltet
sein, daß er
das kurzwellige Licht in die Kavität zurückreflektiert, so daß es in
der aktiven Schicht 36 noch mehr absorbiert wird, und auch
eine Emission des kurzwelligen Lichtes durch den langwelligen Ausgang 17 verhindert.
Die beiden Spiegel 34 und 37 sollten für langwelliges
Licht hoch reflektierend sein, um einen niedrigen Schwellwert und
eine hohe Effizienz für
die langwellige Emission vorzusehen.
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Es
ist wichtig zu beachten, daß die
Orientierung des langwelligen Lasers bezüglich der Seite, die gepumpt
wird, und der Seite, die das langwellige Licht abgibt, beliebig
ist. Der langwellige Laser kann somit von der Substratseite gepumpt
werden, wie in 3 gezeigt, oder von der entgegengesetzten
Seite. Ähnlich
kann das langwellige Ausgangslicht auch von beiden Seiten austreten.
Der Fachmann wird verstehen, daß diese
Variationen im Bereich der Erfindung liegen.
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4 zeigt
eine schematische Schnittdarstellung der optischen Unteranordnung 40 der 1. Die
optische Unteranordnung 40 umfaßt das optische Unteranordnungsgehäuse 48,
in dem der langwellige Laser 30 aufgenommen ist. Der langwellige Laser 30 kann,
muß jedoch
nicht ein Wärmesenken-Metallisierungsmuster
auf seiner Oberfläche
aufweisen, um die Ableitung von Wärme zu unterstützen, welche
durch die Absorption des kurzwelligen Laserausgangssignals erzeugt
wird. Der langwellige Laser 30 ist in dem Gehäuse 48 vorzugsweise
mittels eines thermisch leitenden Klebstoffs befestigt, oder er
kann metallisierte Kontakte aufweisen, die zum Anlöten des
langwelligen Lasers 30 an das Gehäuse 48 verwendet werden
können.
Dies erlaubt es, die in dem langwelligen Laser 30 erzeugte
Wärme durch das
Gehäuse 48 abzuführen.
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Wie
in 4 gezeigt, umfaßt die optische Unteranordnung 40 optional
ein erstes optisches Element 41 und ein zweites optisches
Element 42. Das erste optische Element 41 fokussiert
das kurzwellige Laserausgangslicht 14 von dem kurzwelligen
Laser 20 (1) auf den langwelligen Laser 30,
wie gezeigt. Das kurzwellige Laserlicht 14 wird auf den langwelligen
Laser 30 mit einer Fleckgröße fokussiert, die für den geringsten
Leistungsschwellwert und den höchsten
Ausgangswirkungsgrad des langwelligen Lasers 30 optimiert
ist. Das Vorsehen der optischen Elemente 41 und 42 in
der Anordnung ist optional, und sie können dazu verwendet werden,
die gegenseitige Kopplung des Lichtes zwischen dem kurzwelligen
Laser 20, dem langwelligen Laser 30 und der optischen
Faser, auf welche das langwellige Licht 17 letztendlich
fokussiert wird, zu verbessern.
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Das
kurzwellige Laserlicht 14 wird von dem langwelligen Laser 30 absorbiert,
wodurch Elektronen-Löcher-Paare
erzeugt werden. Diese Elektronen-Löcher-Paare rekombinieren, um
Licht mit der langen Wellenlänge
zu erzeugen, bei welcher die Kavität des langwelligen Lasers 30 ihre
maximale Verstärkung
hat. Dieses Licht wird von dem langwelligen Laser 40 als
langwelliges Laserlicht 17 in Richtung des zweiten optischen
Elementes 42, falls vorhanden, abgegeben. Das zweite optische
Element 42 unterstützt
die Fokussierung des langwelligen Laserlichts 17 und die
Minimierung der Fleckgröße des langwelligen
Ausgangslichtes 17. Das langwellige Ausgangslicht 17 kann
nun z.B. auf einen optischen Faserverbinder 12 (1)
fokussiert werden, mit dem eine optische Faser zur Übertragung über ein Faseroptik-Kommunikationssystem
verbunden ist.
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Die
Möglichkeit,
die optische Unteranordnung 40 innerhalb des optischen
Anordnungsgehäuses 18 in
optischer Verbindung mit dem kurzwelligen Laser 20 anzuordnen,
ermöglicht
es, die Lasereinrichtung unabhängig
zu optimieren, zu verpacken und zu testen und, am wichtigsten, für unabhängige Zwecke
zu verwenden. Wenn das kurzwellige Ausgangssignal gewünscht wird,
wird nur die Kurzwellen-Anordnung 20 verwendet. Wenn ein
langwelliges Ausgangssignal gewünscht
ist, wird die optische Unteranordnung 40 mit der optischen
Anordnung 10 kombiniert, um ein langwelliges Ausgangslicht
zu erzeugen.
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Die
optische Unteranordnung 30 für den langwelligen Laser kann
als ein unabhängiges
optisches Element hergestellt werden, das in die Laseranordnung 10 derart
eingefügt
werden kann, daß es
in dem Lichtausgangsweg des kurzwelligen Lasers 20 liegt.
Das langwellige Ausgangslicht 17 des langwelligen Lasers 30 wird
in die Faser eingekoppelt, die mit Hilfe einer Verbinder-Führung, wie
im Stand der Technik bekannt, in dessen Nähe gebracht. Das kurzwellige
Laserausgangssignal pumpt den langwelligen Laser optisch, der dann
Licht in die Faser emittiert.
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Der
Fachmann wird verstehen, daß zahlreiche
Modifikationen und Variationen an den bevorzugten Ausführungen
der Erfindung, die oben beschrieben wurden, ausgeführt werden
können,
ohne die Grundsätze
der Erfindung im wesentlichen zu verlassen. Die Erfindung kann z.B.
mit Lasereinrichtungen mit unterschiedlichsten Eigenschaften realisiert
werden. All diese Modifikationen und Abwandlungen liegen im Bereich
der Erfindung gemäß den folgenden Ansprüchen.