DE60214536T2 - Optisches Gerät - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine optische Vorrichtung und insbesondere, aber nicht ausschließlich, auf einen Oberflächenemissionslaser mit vertikalem Hohlraum oder auf einen optischen Verstärker oder Modulator, der eine Oberflächenemissionslaserstruktur mit vertikalem Hohlraum umfasst.
  • Optische Vorrichtungen können unter Verwendung von Halbleitermaterialien hergestellt werden und als optische Bauelemente in Glasfaserkommunikationsanwendungen verwendet werden. Diese Vorrichtungen enthalten Laserdioden und optische Verstärker.
  • Eine solche optische Vorrichtung ist ein Oberflächenemissionslaser mit vertikalem Hohlraum (VCSEL). Ein VCSEL umfasst eine gestapelte Struktur, die einen aktiven Bereich enthält, der z. B. einen oder mehrere Quantentöpfe umfasst, die in einem Hohlraum mit verteilten Bragg-Reflektoren an jedem Ende angeordnet sind. Beispiele von VCSELs sind in US-A-5068868, in US-A-5089860 und in US-A-5206871 beschrieben.
  • VCSELs sind von besonderem Interesse in Glasfaser-Kommunikationsanwendungen, da sie im Vergleich zu anderen Arten von Halbleiterlasern eine Anzahl von Vorteilen bieten. VCSELs erzeugen kreisförmige Lichtbündel, die mit hohem Wirkungsgrad mit kreisförmigen Glasfasern gekoppelt werden können. Außerdem nutzen sie, dass sie eine hohe Modulationsbandbreite und einen niedrigen Leistungsverbrauch haben. Darüber hinaus können sie leicht in Anordnungen hergestellt werden.
  • Trotz dieser Vorteile leiden VCSELs an dem Nachteil, dass sie Strahlung aussenden, die Transversalmoden hoher Ordnung enthält. Es ist schwierig, eine Emission einer einzelnen Mode nullter Ordnung oder Grundmode zu erzielen.
  • Eine Lösung ist die Einführung eines Aluminiumoxid-"Anschlags" (AlxOy-"Anschlags") zwischen dem verteilten Bragg-Reflektor und dem aktiven Bereich. Dies wird durch teilweises Oxidieren einer Aluminiumarsenidschicht (AlAs-Schicht) erzielt und ist in "Native-oxide defining ring contact for low threshold vertical-cavity lasers", D. L. Huffaker u. a., Applied Physics Letters, Bd. 65, S. 97–99 (1994), be schrieben. Der AlxOy-"Anschlag" definiert eine Öffnung, die einen Ladungsträgereinschluss sicherstellt und die Stromausbreitung verringert. Außerdem stellt die Öffnung durch Indexführung der Lichtwelle den Lichteinschluss sicher.
  • US-A-6026108 beschreibt einen VCSEL und einen hohlrauminternen Quantentopf-Photodetektor, der ein GaAs-Substrat, einen darüber liegenden n-dotierten verteilten Bragg-Reflektorspiegelstapel, einen darüber liegenden aktiven Verstärkungsbereich, der einen Eine-Wellenlänge-Abstandshalter und einen Quantentopfstapel enthält, einen darüber liegenden p-dotierten verteilten Bragg-Reflektorspiegelstapel und einen darüber liegenden hohlrauminternen Quantentopf-Photodetektor umfasst. In dem p-dotierten Spiegelstapel sind eine oder mehrere AlxOy-Stromeinschlussschichten ausgebildet.
  • Allerdings hat die Verwendung einer Einschluss-AlxOy-Schicht Nachteile. Sie führt eine große Unstetigkeit des Brechungsindex an der Grenzfläche zwischen AlxOy und AlAs ein. Die Unstetigkeit verursacht, dass die Grundmode instabil wird und transversale Moden höherer Ordnung induziert werden. Dies ist so, da sich die optischen Feldfunktionen der Grundmode und der Moden höherer Ordnung mischen und so das optische Feld mit einer verformten Funktion umverteilen. Mit anderen Worten, die Grundmode und die transversalen Moden höherer Ordnung werden gekoppelt.
  • Falls darüber hinaus ein VCSEL, der eine AlxOy-Schicht enthält, als ein optischer Modulator genutzt wird und ultrakurze Impulse an ihn geliefert werden, die z. B. eine Dauer in der Größenordnung von wenigen zehn oder einhundert Femtosekunden (fs) haben, zeigt seine Antwort Mehrmodenschwebungen.
  • Es sind Versuche unternommen worden, die Größe der der AlxOy-Schicht zugeordneten Unstetigkeit im Brechungsindex zu verringern oder ihre Wirkung zu verkleinern.
  • Eine Lösung ist, die Dicke der AlxOy-Schicht zu verringern, wobei eine Vorrichtung, die diese Lösung nutzt, in "High-Power, Single-Mode Selectively Oxidized Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers", B. Weigl u. a., IEEE Photonics Technology Letters, Bd. 8, S. 971–973 (1996), beschrieben ist.
  • Eine weitere Lösung ist die Verschiebung der AlxOy-Schicht zu einem Knoten in einem Muster longitudinaler stehender Wellen. Dies verringert die Überlappung der AlxOy-Schicht und die Stärke des elektrischen Felds. Es wird Bezug genommen auf "Efficient Single-Mode Oxide-Confined GaAs VCSELs Emmitting in the 850-nm Wavelength Regime", M. Grabherr u. a., IEEE Photonics Technology Letters, Bd. 9, S. 1304–1306 (1997).
  • Es ist bekannt, mehrere AlxOy-Einschlussschichten aufzunehmen. Allerdings ist der Grund dafür, dies zu tun, die Verringerung des Schwellenstroms, wobei eine Vorrichtung, die mehrere AlxOy-Einschlussschichten enthält, in "Record low-threshold index-guided InGaAa GaAlAs vertical-cavity surface-emitting laser with native oxide confinement", Y. Hayashi u. a., Electron Letters, Bd. 31, S. 560–562 (1995), und in "Lasing Characteristics of Low-Threshold Oxide Confinement InGaAs-GaAlAs Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers", Y. Hayashi u. a., IEEE Photonics Technology Letters, Bd. 7, S. 1233–1236 (1995), beschrieben ist. Allerdings besitzt dies mehrere Nachteile. Die Verwendung mehrerer AlxOy-Einschlussschichten erhöht nicht nur die Stufe des effektiven Brechungsindex (was die zuvor beschriebenen Probleme akzentuiert), sondern führt auch wegen Differenzen der Gitterkonstante und des Wärmeausdehnungskoeffizienten eine elastische Verformung zwischen den Halbleiterschichten und den AlxOy-Einschlussschichten ein. Die elastische Verformung kann Kristallversetzungen einführen oder sogar zum mechanischen Ausfall führen. Ein weiteres Problem ist, dass die AlxOy-Einschlussschichten an Ungleichförmigkeit leiden.
  • Die vorliegende Erfindung soll eine verbesserte optische Vorrichtung schaffen und insbesondere nachteilige Wirkungen der Einführung von Einschlussschichten verbessern helfen.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine optische Vorrichtung geschaffen, die umfasst: eine untere Spiegelschicht, die einen ersten verteilten Bragg-Reflektor enthält, der mehrere abwechselnde Schichten aus einem Material mit verhältnismäßig hohem bzw. verhältnismäßig niedrigem Brechungsindex aufweist, und eine säulenartige Wellenleiterstruktur, die von der unteren Spiegelschicht nach oben steht und umfasst: eine untere Einschlussschicht, die auf dem unteren Spiegel ausgebildet ist, einen aktiven Bereich, der auf der unteren Einschlussschicht ausgebildet ist und einen oder mehrere Quantentöpfe aufweist, die so beschaffen sind, dass sie elektromagnetische Strahlung mit einer gegebenen Wellenlänge λ aussenden, eine obere Einschlussschicht, die auf dem aktiven Bereich ausgebil det ist, und einen oberen Spiegel, der auf der oberen Einschlussschicht ausgebildet ist und einen zweiten verteilten Bragg-Reflektor enthält, der mehrere abwechselnde Schichten aus einem Material mit verhältnismäßig hohem bzw. verhältnismäßig niedrigem Brechungsindex aufweist und ferner zwischen drei und sieben ringförmige Einschlussschichten enthält, wobei der obere Spiegel einen ersten, einen zweiten und einen dritten Bereich umfasst, der erste Bereich auf der oberen Einschlussschicht ausgebildet ist und mehrere abwechselnde Schichten aus einem Material mit verhältnismäßig hohem bzw. verhältnismäßig niedrigem Brechungsindex aufweist, der zweite Bereich auf dem ersten Bereich ausgebildet ist und mehrere abwechselnde Schichten aus einem Material mit verhältnismäßig hohem bzw. verhältnismäßig niedrigem Brechungsindex aufweist und die ringförmigen Einschlussschichten enthält, wobei die Einschlussschichten so beschaffen sind, dass sie zu Schichten eines Materials in den mehreren abwechselnden Schichten koplanar sind, derart, dass jede Einschlussschicht in einer entsprechenden Schicht eine jeweilige Öffnung mit einem Durchmesser im Bereich von 1 bis 6 μm bildet, die mit dem Material gefüllt ist, wobei die Einschlussschichten einen Brechungsindex besitzen, der niedriger als jener der Schichten ist und wobei die Einschlussschichten eine Dicke t besitzen, die im Wesentlichen gleich der Dicke der entsprechenden Schicht ist, wobei die Dicke t im Wesentlichen gleich λ/4n ist, wobei n ein Wert des Brechungsindexes des Materials in der entsprechenden Schicht ist, und der dritte Bereich auf dem zweiten Bereich ausgebildet ist und mehrere abwechselnde Schichten aus einem Material mit verhältnismäßig hohem bzw. verhältnismäßig niedrigem Brechungsindex aufweist; wobei die Einschlussschichten der Stabilisierung und Führung einer transversalen Grundmodenwelle durch einen Kernbereich des Spiegels dienen.
  • Die Einschlussschichten helfen, eine Differenz des Durchlassvermögens zwischen Bereichen des Spiegels mit und ohne Einschlussschichten zu erhöhen. Beim optischen Pumpen durchdringt die elektromagnetische Strahlung Bereiche des Spiegels ohne Einschlussschichten leichter und fördert so die selektive Anregung in dem aktiven Bereich. Dies hilft, eine stabile Grundmode zu erzeugen. Der Vorteil der Begrenzung der Anzahl der Einschlussschichten ist, dass die elastische Verformung zwischen den Einschlussschichten und den abwechselnden Schichten verringert wird.
  • Der zweite Bereich kann fünf Einschlussschichten umfassen. Die Einschlussschichten können Aluminiumoxid enthalten. Der erste Bereich kann zwischen zwei und acht Paare von Schichten oder zwischen drei und sieben Paare von Schichten enthalten, die ein Material mit verhältnismäßig hohem bzw. verhältnismäßig niedrigem Brechungsindex enthalten. Der erste Bereich kann abwechselnd Schichten aus Al0,9Ga0,1As bzw. aus Al0,1Ga0,9As enthalten. Der zweite Bereich kann abwechselnd Schichten aus AlAs bzw. Al0,1Ga0,9As enthalten.
  • Die Einschlusseinrichtung kann so konfiguriert sein, dass sie transversale Moden von elektromagnetischer Strahlung, die sich durch den Spiegel ausbreitet, begrenzt. Der Einschlussbereich kann so konfiguriert ist, dass er die Ausbreitung einer transversalen Grundmode durch den Spiegel zulässt. Die Vorrichtung kann ein Oberflächenemissions-Laser mit vertikalem Hohlraum (VCSEL) sein und so konfiguriert sein, dass sie elektrisch oder optisch gepumpt wird.
  • Der obere Spiegel und der untere Spiegel können so angeordnet sein, dass sie einen Hohlraum bilden. Der Spiegel kann relativ nahe bei einer Oberfläche zum Aussenden oder Empfangen elektromagnetischer Strahlung angeordnet sein und der andere Spiegel kann relativ weit weg von der Oberfläche angeordnet sein. Der Spiegel kann relativ weit weg von einem Substrat angeordnet sein und der andere Spiegel kann relativ nahe bei dem Substrat angeordnet sein. Der Hohlraum kann eine Länge in der Größenordnung einer Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung haben.
  • Außerdem wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Gerät geschaffen, das umfasst: eine Einrichtung, die einen ersten Impuls in einen zweiten und einen dritten Impuls aufteilt, eine Einrichtung, die den dritten Impuls um eine bekannte Zeitdauer verzögert, um einen verzögerten dritten Impuls zu erzeugen, eine optische Vorrichtung, eine Einrichtung zum Liefern eines vierten Impulses in die Vorrichtung und eine Einrichtung zum Liefern des ersten und des verzögerten dritten Impulses in die Vorrichtung.
  • Außerdem wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer optischen Vorrichtung geschaffen, das umfasst: Vorsehen einer unteren Spiegelschicht, die einen ersten verteilten Bragg-Reflektor enthält, der mehrere abwechselnde Schichten aus einem Material mit verhältnismäßig hohem bzw. verhältnismäßig niedrigem Brechungsindex aufweist, und Vorsehen einer säulenartigen Wellenleiterstruktur, die von der unteren Spiegelschicht nach oben steht und umfasst: eine untere Einschlussschicht, die auf dem unteren Spiegel ausge bildet ist, einen aktiven Bereich, der auf der unteren Einschlussschicht ausgebildet ist und einen oder mehrere Quantentöpfe enthält, die so beschaffen sind, dass sie elektromagnetische Strahlung mit einer gegebenen Wellenlänge λ aussenden, Vorsehen einer oberen Einschlussschicht auf dem aktiven Bereich und Vorsehen eines oberen Spiegels, der auf der oberen Einschlussschicht ausgebildet ist und einen zweiten verteilten Bragg-Reflektor enthält, der mehrere abwechselnde Schichten aus einem Material mit verhältnismäßig hohem bzw. verhältnismäßig niedrigem Brechungsindex sowie zwischen drei und sieben ringförmige Einschlussschichten aufweist, wobei das Vorsehen des oberen Spiegels das Vorsehen eines ersten, eines zweiten und eines dritten Bereichs umfasst, wobei der erste Bereich auf der oberen Einschlussschicht ausgebildet wird und mehrere abwechselnde Schichten aus einem Material mit verhältnismäßig hohem bzw. verhältnismäßig niedrigem Brechungsindex aufweist, der zweite Bereich auf dem ersten Bereich ausgebildet wird und mehrere abwechselnde Schichten aus einem Material mit verhältnismäßig hohem bzw. verhältnismäßig niedrigem Brechungsindex aufweist und ferner zwischen drei und sieben ringförmige Einschlussschichten aufweist, die so angeordnet sind, dass sie zu Schichten aus einem Material in den mehreren abwechselnden Schichten koplanar sind, derart, dass jede Einschlussschicht eine entsprechende Öffnung in einer entsprechenden Schicht bildet, deren Durchmesser im Bereich von 1 bis 6 μm liegt, wobei die Öffnung mit dem Material gefüllt ist und wobei die Einschlussschichten einen niedrigeren Brechungsindex besitzen als die Schichten und wobei die Einschlussschichten eine Dicke t besitzen, die im Wesentlichen gleich der Dicke der entsprechenden Schicht ist, wobei die Dicke t im Wesentlichen gleich λ/4n ist, wobei n ein Wert eines Brechungsindexes des Materials in der entsprechenden Schicht ist, und der dritte Bereich auf den zweiten Bereichen ausgebildet wird und mehrere abwechselnde Schichten aus einem Material mit verhältnismäßig hohem bzw. verhältnismäßig niedrigem Brechungsindex aufweist, wobei die Einschlussschichten der Stabilisierung und Führung einer transversalen Grundmodenwelle durch einen Kernbereich des Spiegels dienen.
  • Es werden nun Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beispielhaft mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, in der:
  • 1 ein Querschnitt eines VCSEL des Standes der Technik ohne eine Aluminiumoxidschicht ist;
  • 2 ein Querschnitt eines VCSEL des Standes der Technik mit einer einzelnen Aluminiumoxidschicht ist;
  • 3 ein Querschnitt eines VCSEL gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
  • 4 eine Draufsicht des in 3 gezeigten VCSEL ist;
  • 5a, 5b und 5c in dieser Reihenfolge transversale Wellen der nullten, ersten, und zweiten Ordnung zeigen;
  • 6 eine Beziehung zwischen der Öffnungsbreite für den Einschluss einer transversalen Mode und der Anzahl von Einschlussschichten für transversale Moden der nullten, ersten und zweiten Ordnung zeigt;
  • 7 eine Beziehung zwischen der Öffnungsbreite für den Einschluss einer transversalen Mode und der Dicke einer einzelnen Einschlussschicht für transversale Moden der nullten, ersten und zweiten Ordnung zeigt;
  • 8 eine Beziehung zwischen der Öffnungsbreite für den Einschluss einer transversalen Mode und der Dicke von fünf Einschlussschichten für transversale Moden der nullten, ersten und zweiten Ordnung zeigt;
  • 9 für eine einzelne Einschlussschicht eine Beziehung zwischen der Öffnungsbreite für den Einschluss einer transversalen Mode und einer Anzahl von Paaren von Schichten in einem Abstandshalter für transversale Moden der nullten und ersten Ordnung zeigt;
  • 10 für fünf Einschlussschichten eine Beziehung zwischen der Öffnungsbreite für den Einschluss einer transversalen Mode und einer Anzahl von Paaren von Spiegelschichten in einem Abstandshalter für die transversalen Moden der nullten und ersten Ordnung zeigt;
  • 11 für einen Abstandshalter, der fünf Paare von Spiegelschichten enthält, die berechneten Remissionsspektren für null, eine und fünf Einschlussschichten zeigt;
  • 12 für einen Abstandshalter, der fünf Paare von Spiegelschichten umfasst, die berechneten Transmissionsspektren für null, eine und fünf Einschlussschichten zeigt;
  • 13 für eine optische gepumpte Vorrichtung, die einen Abstandshalter enthält, der fünf Paare von Spiegelschichten umfasst, den berechneten Durchlass und das berechnete Reflexionsvermögen bei 935 nm in Abhängigkeit von einer Anzahl von Einschlussschichten zeigt;
  • 14 für einen Abstandshalter, der fünf Paare von Spiegelschichten umfasst, Hohlraumresonanzspitzen der Remissionsspektren für null, eine und fünf Einschlussschichten zeigt;
  • 15 für einen Abstandshalter, der fünf Paare von Spiegelschichten umfasst, eine Beziehung zwischen der Resonanzspitzenwellenlänge und einer Anzahl von Einschlussschichten zeigt;
  • 16 für einen Abstandshalter, der fünf Paare von Spiegelschichten umfasst, eine Beziehung zwischen der Halbwertsbreite (FWHM) einer Resonanzspitze und einer Anzahl von Einschlussschichten zeigt;
  • 17 für eine Vorrichtung, die um 850 nm aussendet und einen Abstandshalter enthält, der fünf Paare von Spiegelschichten umfasst, die berechneten Transmissionsspektren für null und fünf Einschlussschichten zeigt;
  • 18 für eine Vorrichtung, die um 850 nm aussendet und einen Abstandshalter enthält, der fünf Paare von Spiegelschichten umfasst, Hohlraumresonanzspitzen der Remissionsspektren für null, eine und fünf Einschlussschichten zeigt;
  • 19 für eine Vorrichtung, die um 1300 nm aussendet und einen Abstandshalter enthält, der fünf Paare von Spiegelschichten umfasst, die berechneten Transmissionsspektren für null und fünf Einschlussschichten zeigt;
  • 20 für eine Vorrichtung, die um 1300 nm aussendet und einen Abstandshalter enthält, der fünf Paare von Spiegelschichten umfasst, die Hohlraumresonanzspitzen der Remissionsspektren für null, eine und fünf Einschlussschichten zeigt;
  • 21 einen allgemeinen VCSEL zeigt, der zur Bestimmung eines Werts der Stufe des effektiven Brechungsindex verwendet wird;
  • 22a einen vereinfachten Querschnitt eines VCSEL des Standes der Technik zeigt, der longitudinale Wellenamplituden enthält;
  • 22b einen vereinfachten Querschnitt eines Querschnitts eines VCSEL gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, der longitudinale Wellenamplituden enthält;
  • 23a und 23b Stufen des effektiven Brechungsindex für die in 22a bzw. 22b gezeigten Vorrichtungen zeigt;
  • 24a einen vereinfachten Querschnitt eines VCSEL des Standes der Technik mit Licht zeigt, das auf die Vorrichtung zum optischen Pumpen und Anregen in einem aktiven Bereich auffällt;
  • 24b einen vereinfachten Querschnitt eines VCSEL gemäß der vorliegenden Erfindung mit Licht zeigt, das auf die Vorrichtung zum optischen Pumpen und Anregen in einem aktiven Bereich auffällt;
  • 25a bis 25d eine Vorrichtung in aufeinander folgenden Herstellungsphasen zeigt;
  • 26 einen Mehrmoden-VCSEL-Verstärker, ein Paar Eingangsimpulse und einen Ausgangsimpuls zeigt;
  • 27 einen Einmoden-VCSEL-Verstärker, ein Paar Eingangsimpulse und einen Ausgangsimpuls zeigt und
  • 28 eine schematische Ansicht einer integrierten Vorrichtung ist, die Wellenleiter, einen Phasenschieber und einen VCSEL-Modulator umfasst.
  • Anhand von 1 ist eine erste Ausführungsform eines Oberflächenemissionslasers mit vertikalem Hohlraum (VCSEL) 1 des Standes der Technik im Querschnitt gezeigt. Der VCSEL 1 repräsentiert den Stand der Technik, der nützlich für das Verständnis der Erfindung ist.
  • Der VCSEL 1 umfasst ein Galliumarsenidsubstrat (GaAs-Substrat) 2 mit einem darunter liegenden Metallkontakt 3, einer darüber liegenden Pufferschicht 4 und einem Spiegel 5, der im Folgenden als ein unterer Spiegel 5 bezeichnet wird. Der untere Spiegel 5 umfasst einen Viertelwellenstapel, der üblicherweise als verteilter Bragg-Reflektor bekannt ist und mehrere abwechselnde Schichten 6, 7 eines Materials mit verhältnismäßig hohem bzw. verhältnismäßig niedrigem Brechungsindex wie etwa Galliumarsenid (GaAs) bzw. Aluminiumgalliumarsenid (AlxGa1-xAs) umfasst. Auf dem unteren Spiegel 5 ist eine nach oben stehende Wellenleiterstruktur 8 angeordnet. Die nach oben stehende Wellenleiterstruktur 8 enthält eine erste Einschlussschicht 9. Über dem ersten Einschlussbereich 9 liegt ein aktiver Bereich 10, der Topf- und Sperrschichten 11, 12 zum Bilden von Quantentöpfen umfasst. Auf dem aktiven Bereich 10 ist eine zweite Einschlussschicht 13 ausgebildet. Ein oberer Spiegel 14 umfasst einen zweiten verteilten Bragg-Reflektor, der mehrere abwechselnde Schichten 15, 16 eines Materials mit verhältnismäßig hohem bzw. verhältnismäßig niedrigem Brechungsindex wie etwa Galliumarsenid (GaAs) bzw. Aluminiumgalliumarsenid (AlxGa1-xAs) umfasst. Es ist eine Kontaktschicht 17 mit einem oberen Kontakt 18 vorgesehen. Die aktiven Bereiche und die Einschlussbereiche 9, 10, 13 definieren einen Laserhohlraum. Wenn über die oberen und unteren Kontakte 4, 18 eine Vorspannung angelegt wird, wird von der oberen Oberfläche 20 der Wellenleiterstruktur 7 Strahlung 19 aussendet.
  • Anhand von 2 ist eine zweite Ausführungsform eines VCSEL 21 des Standes der Technik im Querschnitt gezeigt. Der in 2 gezeigte VCSEL 21 repräsentiert einen Stand der Technik, der ähnlich den in IEEE Photonics Technology Letters, ebenda, beschriebenen Vorrichtungen ist und nützlich für das Verständnis der Erfindung ist.
  • Der VCSEL 21 umfasst ein Substrat 22 mit einem darunter liegenden hinteren Kontakt 23, eine darüber liegende Pufferschicht 24 und einen unteren Spiegel 25. Der untere Spiegel 25 umfasst einen verteilten Bragg-Reflektor, der mehrere abwechselnde Schichten 26, 27 aus Material mit verhältnismäßig hohem bzw. verhältnismäßig niedrigem Brechungsindex wie etwa GaAs bzw. AlxGa1-xAs umfasst. Auf dem unteren Spiegel 25 ist eine nach oben stehende Wellenleiterstruktur 28 angeordnet. Die nach oben stehende Wellenleiterstruktur 28 enthält eine erste Einschlussschicht 29. Über dem ersten Einschlussbereich 29 liegt ein aktiver Bereich 30, der Topf- und Sperrschichten 31, 32 zum Bilden von Quantentöpfen umfasst. Auf dem aktiven Bereich 30 ist eine zweite Einschlussschicht 33 ausgebildet. Ein oberer Spiegel 34 umfasst einen zweiten verteilten Bragg-Reflektor, der eine erste Schicht 35, eine Einschlussschicht 36 zum Definieren einer Öffnung und mehrere abwechselnde Schichten 37, 38 aus Material mit verhältnismäßig hohem bzw. verhältnismäßig niedrigem Brechungsindex umfasst. Die erste Schicht 35 umfasst AlAs, die Einschlussschicht 36 umfasst Aluminiumoxid (AlxOy) und die abwechselnden Schichten 37, 38 umfassen GaAs und AlxGa1-xAs. Auf dem oberen Spiegel 34 ist eine Kontaktschicht 39 angeordnet, auf der ein oberer Kontakt 40 angeordnet ist. Die aktiven Bereiche und die Einschlussbereiche 29, 30, 33 definieren einen Laserhohlraum. Wenn über den oberen und den unteren Kontakt 23, 40 eine Vorspannung angelegt wird, wird von einer oberen Oberfläche 42 der Wellenleiterstruktur 28 Strahlung 41 aussendet.
  • Der VCSEL 21 leidet an einer Anzahl von Nachteilen.
  • An der Grenzfläche zwischen AlxOy und den AlAs-Schichten 35, 36 gibt es eine große Unstetigkeit des Brechungsindex. Dies veranlasst ein Koppeln der Grundmode und der transversalen Moden höherer Ordnung. Darüber hinaus zeigt dann, wenn ultrakurze Impulse, z. B. mit einer Dauer von 1 fs bis 1 ps, in den VCSEL 21 eingegeben werden, ihre Antwort Mehrmodenschwebungen. Dies wird später ausführlicher beschrieben. Ein weiterer Nachteil ist, dass für die Emission der transversalen Grundmode eine Öffnungsbreite ϕ verwendet wird, die 3 μm oder weniger ist.
  • Anhand der 3 und 4 ist eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die als ein Laser, als ein Verstärker oder als ein Modulator verwendet werden kann, ein Oberflächenemissionslaser mit vertikalem Hohlraum (VCSEL) 43, der im Querschnitt gezeigt ist.
  • Der VCSEL 43 umfasst ein Substrat 44 mit einem darunter liegenden Metallkontakt 45, mit einer darüber liegenden Pufferschicht 46 und mit einem darüber liegenden Spiegel 47, der im Folgenden als ein unterer Spiegel 47 bezeichnet wird. In diesem Beispiel umfasst das Substrat 44 (001)-orientiertes GaAs, das auf eine Konzentration (ND) von 1·1018 cm–3 mit n-Störstellen wie etwa Silicium (Si) dotiert ist, während die Pufferschicht 46 GaAs umfasst, das auf eine Konzentration (ND) von 1·1018 cm–3 mit n-Störstellen wie etwa Si dotiert ist. Die Pufferschicht 46 weist eine Dicke von 0,5 μm auf. Der hintere Kontakt 45 umfasst einen getemperten Ohmschen Gold-Germanium-Nickel-Kontakt (AuGeNi-Kontakt).
  • Der untere Spiegel 47 umfasst einen Viertelwellenstapel, der üblicherweise als ein verteilter Bragg-Reflektor bekannt ist und mehrere abwechselnde Schichten 48, 49 aus Material mit verhältnismäßig hohem bzw. verhältnismäßig niedrigem Brechungsindex wie etwa Al0,1Ga0,9As bzw. AlAs umfasst. Die Dicke jeder der Al0,1Ga0,9As-Schichten 48 ist 67 nm und die Dicke jeder AlAs-Schicht 49 ist 77 nm. Die Schichten 48, 49 sind vorzugsweise auf eine Konzentration (ND) von 1·1018 cm–3 mit n-Störstellen wie etwa Si dotiert. Es kann zwischen 10 und 40 Paare von Schichten 48, 49 geben. In diesem Beispiel gibt es 25,5 Paare von Schichten 48, 49, wobei die "halbe" Schicht AlAs enthält.
  • Auf dem unteren Spiegel 47 ist eine nach oben stehende Wellenleiterstruktur 50 angeordnet. Der Wellenleiter 50 ist im Wesentlichen säulenartig und in der Draufsicht im Wesentlichen kreisförmig. Der Durchmesser D des Wellenleiters 50 liegt vorzugsweise zwischen 25 und 35 μm. In diesem Beispiel ist die Höhe H des Wellenleiters 50 etwa 4,0 μm.
  • Die nach oben stehende Wellenleiterstruktur 50 enthält eine untere Einschlussschicht 51. In diesem Beispiel umfasst die untere Einschlussschicht 51 Al0,4Ga0,6As, das auf eine Konzentration (ND) von wenigstens 8·1017 cm–3 vorzugsweise mit n-Störstellen wie etwa Si dotiert ist. Die untere Einschlussschicht 51 ist 103 nm dick.
  • Über dem unteren Einschlussbereich 51 liegt ein aktiver Bereich 52. Der aktive Bereich 52 umfasst abwechselnde Schichten 53, 54 zum Bilden eines oder mehrerer Quantentöpfe. In diesem Beispiel umfassen die abwechselnden Schichten 53, 54 Al0,1Ga0,9As und In0,15Ga0,85As zum Bilden von Sperren bzw. Quantentöpfen. In diesem Beispiel gibt es vier Schichten aus Al0,1Ga0,9As 53 und drei Schichten aus In0,15Ga0,85As 54, die so beschaffen sind, dass sie drei Quantentöpfe bilden. Die Al0,1Ga0,9As-Schichten 53 sind 10 nm dick und die In0,15Ga0,85As-Schichten 54 sind 7 nm dick. Die Al0,1Ga0,9As- und die In0,15Ga0,85As-Schichten 53, 54 sind undotiert. Der aktive Bereich 52 kann so beschaffen sein, dass er bei einer Wellenlänge λ in einem Bereich von 780 bis 1000 nm und in diesem Beispiel bei λ ~ 935 nm aussendet.
  • Auf dem aktiven Bereich 52 ist eine obere Einschlussschicht 55 ausgebildet. In diesem Beispiel umfasst die obere Einschlussschicht 55 Al0,4Ga0,6As, das vorzugsweise auf eine Konzentration (NA) von wenigstens 8·1017 cm–3 mit p-Störstellen wie etwa Beryllium (Be) dotiert ist. Die obere Einschlussschicht 55 ist 103 nm dick.
  • Ein oberer Spiegel 56 umfasst einen zweiten verteilten Bragg-Reflektor. Der zweite verteilte Bragg-Reflektor umfasst einen ersten, einen zweiten und einen dritten Bereich 57, 58, 59. Der obere Spiegel 56 hat vorzugsweise ein Reflexionsvermögen von über 0,99.
  • Der erste Bereich 57 umfasst mehrere abwechselnde Schichten 60, 61 aus Material mit verhältnismäßig hohem bzw. verhältnismäßig niedrigem Brechungsindex wie etwa AlxGa1-xAs bzw. AlyGa1-yAs, wobei x > y ist. In diesem Beispiel ist der Molenbruch von Al in AlxGa1-xAs und in AlyGa1-yAs 0,9 bzw. 0,1. Jede Al0,9Ga0,1As-Schicht 60 hat eine Dicke von 76 nm und jede Al0,1Ga0,9As-Schicht 61 hat eine Dicke von 67 nm. Vorzugsweise sind die Schichten 60, 61 auf eine Konzentration (NA) von wenigstens 1·1018 cm–3 mit p-Störstellen wie etwa Beryllium (Be) dotiert. Es gibt wenigstens ein Paar von Schichten 60, 61. Vorzugsweise gibt es zwischen zwei und acht Paare von Schichten 60, 61. Bevorzugter gibt es zwischen drei und sieben Paare von Schichten 60, 61.
  • Der zweite Bereich 58 umfasst abwechselnde Schichten 62, 63 aus Material mit verhältnismäßig hohem bzw. verhältnismäßig niedrigem Brechungsindex. Die Schichten 62, 63 in dem zweiten Bereich 58 können das gleiche Material wie die Schichten 60, 61 in dem ersten Bereich 57 umfassen. Allerdings umfassen die Schichten 62, 63 in diesem Beispiel AlAs bzw. Al0,1Ga0,9As. Jede der AlAs-Schichten 62 hat eine Dicke von 77 nm und jede Al0,1Ga0,9As-Schicht 63 hat eine Dicke von 67 nm. Die Schichten 62, 63 sind vorzugsweise auf eine Konzentration (NA) von wenigstens 1·1018 cm–3 mit p-Störstellen wie etwa Beryllium (Be) dotiert. Es gibt wenigstens ein Paar Schichten 62, 63. Vorzugsweise gibt es zwischen zwei und zehn Schichten. Bevorzugter gibt es zwischen drei und sieben Paare von Schichten 62, 63.
  • Ferner umfasst der zweite Bereich 58 eine Einrichtung für den optischen Einschluss elektromagnetischer Strahlung in Form der Einschlussschichten 64. In diesem Beispiel umfassen die Einschlussschichten 64 Aluminiumoxid (AlxOy). Allerdings können die Einschlussschichten 64 ein Material mit einem niedrigeren Brechungsindex als die Schichten 62, 63 umfassen. Vorzugsweise haben die Einschlussschichten 64 einen hohen Widerstand, um einen Injektionsstrom einzuschließen.
  • Die Einschlussschichten 64 sind so angeordnet, dass sie zu der einen oder zu den mehreren Schichten 62, 63 koplanar sind. Vorzugsweise sind die Einschlussschichten 64 koplanar zu einem Typ der abwechselnden Schichten 62, 63 wie etwa zu den AlAs-Schichten 62. In diesem Beispiel sind die Einschlussschichten 64 koplanar zu der AlAs-Schicht 62 und umgeben sie in der Weise, dass, wie in den 3 und 4 angegeben ist, Öffnungen mit einer Breite W gebildet sind. W liegt vorzugsweise im Bereich von 1 bis 6 μm. In diesem Fall sind die Öffnungen im Wesentlichen kreisförmig und die Einschlussschichten 64 in der Draufsicht im Wesentlichen ringförmig. Die Einschlussschichten 64 sind in einer gestapelten oder übereinander liegenden Konfiguration angeordnet und durch Zwischenschichten, die in diesem Fall Al0,1Ga0,9As 63 umfassen, getrennt. In diesem Beispiel hat jede Einschlussschicht 64 im Wesentlichen die gleiche Dicke und ist 77 nm dick.
  • Der dritte Bereich 59 umfasst mehrere abwechselnde Schichten 65, 66 aus Material mit verhältnismäßig hohem bzw. verhältnismäßig niedrigem Brechungsindex. Die Schichten 65, 66 in dem dritten Bereich 59 können die gleichen Materialien wie die Schichten 60, 61 in dem ersten Bereich 57 umfassen. In diesem Beispiel umfassen die Schichten 65, 66 Al0,9Ga0,1As bzw. Al0,1Ga0,9As. Jede der Al0,9Ga0,1As-Schichten 65 hat eine Dicke von 76 nm und jede Al0,1Ga0,9As-Schicht 66 hat eine Dicke von 67 nm. Die Schichten 65, 66 sind vorzugsweise auf eine Konzentration (NA) von wenigstens 1·1018 cm–3 mit p-Störstellen wie etwa Beryllium (Be) dotiert. Vorzugsweise gibt es zwischen 1 und 20 Schichten 65, 66. In diesem Beispiel gibt es 15,5 Paare von Schichten 65, 66, wobei die "halbe" Schicht Al0,9Ga0,1As enthält. Der dritte Bereich 59 kann weggelassen sein.
  • Die Dicke jeder der abwechselnden Schichten 48, 49, 60, 61, 62, 63, 65, 66 kann unter Verwendung von t = λ4n (1)bestimmt werden, wo t eine Dicke einer Schicht 48, 49, 60, 61, 62, 63, 65, 66, λ die Wellenlänge der durch den Laser ausgesendeten elektromagnetischen Strahlung, in diesem Beispiel 935 nm, und n der Brechungsindex des Materials der Schicht 48, 49, 60, 61, 62, 63, 65, 66 ist. Werte des Brechungsindex sind in der folgenden Tabelle 1 gegeben: Tabelle 1
    Material Brechungsindex
    GaAs 3,542
    Al0,1Ga0,9As 3,475
    Al0,4Ga0,6As 3,308
    Al0,9Ga0,1As 3,074
    AlAs 3,025
    Al2O3 1,70
  • Für AlxOy wird ein höherer Wert des Brechungsindex als der des Al2O3 verwendet. Dies ist so, da AlxOy nicht stöchiometrisch sein kann und außerdem As enthalten kann. Dies kann wegen des Prozesses entstehen, durch den das AlxOy gebildet wird. Somit kann für AlxOy ein Wert des Brechungsindex in einem Bereich zwischen 1,70 und 3,025 verwendet werden, der vorzugsweise näher bei 1,70 als bei 3,025 liegt.
  • Es können Werte des Brechungsindex verwendet werden, die von der Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung abhängen.
  • Auf dem oberen Spiegel 56 ist eine Deckschicht 67 angeordnet. Die Deckschicht 67 umfasst GaAs und ist vorzugsweise auf eine Konzentration (NA) von wenigstens 5·1018 cm–3 mit p-Störstellen wie etwa Be dotiert. Die Deckschicht 67 hat eine Dicke von 132 nm, was einer halben Wellenlänge (λ/2n) entspricht.
  • Auf der Wellenleiterstruktur 50 ist ein oberer Kontakt 68 angeordnet. In diesem Beispiel umfasst der obere Kontakt 68 TiPtAu und ist ringförmig, um zu ermöglichen, dass Strahlung in die und/oder aus der Wellenleiterstruktur 50 hindurchgeht. Der obere Kontakt 68 kann ein durchsichtiges Material 62 wie etwa Indiumzinnoxid (ITO) enthalten.
  • Aus Klarheitsgründen ist ein konformer Isolator, der Siliciumnitrid (Si3N4) oder Siliciumdioxid (SiO2) umfasst und der zum Verbinden des oberen Kontakts 68 mit Kontaktierungsflächen verwendet wird, nicht gezeigt.
  • Die Wellenleiterführungsstruktur 50 kann eine Säule mit im Wesentlichen vertikalen Seitenwänden oder ein Mesa mit nach außen geneigten Seitenwänden, der z. B. durch Trocken- bzw. Nassätzen gebildet ist, sein. Die aktiven Bereiche und die Einschlussbereiche 52, 51, 55 definieren einen Laserhohlraum mit einer Gesamtdicke, die (2N + 1)(λ/2n), wobei N eine ganze Zahl ist, entspricht.
  • Der VCSEL 43 kann als ein Laser arbeiten. Wenn über den oberen und den unteren Kontakt 45, 68 z. B. durch Anlegen einer Vorspannung V an den oberen Kontakt 68 unter Verwendung einer Quelle 69, während der untere Kontakt 45 geerdet ist, eine Vorspannung V angelegt wird, wird durch ein Fenster von der oberen Oberfläche 71 der Wellenleiterstruktur 50 elektromagnetische Strahlung 70 z. B. im Infrarotbereich des Spektrums ausgesendet. Das Fenster ist im Wesentlichen kreisförmig und hat vorzugsweise einen Durchmesser d1 zwischen 10 und 15 μm. Außerdem kann elektromagnetische Strahlung 72 durch ein Fenster von einer unteren Oberfläche 73 des Substrats 44 ausgesendet werden. Das Fenster ist im Wesentlichen kreisförmig und hat vorzugsweise einen Durchmesser d2 im Bereich von 60 bis 70 mm.
  • Der beschriebene VCSEL 43 ist so konstruiert, dass er elektrisch gepumpt wird. Der VCSEL 43 kann geändert werden, so dass er optisch gepumpt wird. Die Änderung umfasst die Verwendung eines undotierten Substrats 44 und undotierter Puffer-, Spiegel-, Einschluss- und Deckschichten 46, 48, 49, 60, 61, 62, 63, 65, 66, 51, 55, 67 und das Weglassen des unteren und des oberen Kontakts 45, 68.
  • Der VCSEL 43 kann als ein Modulator arbeiten. In die obere Oberfläche 71 können erste und zweite Impulse 74, 75 geliefert werden, während von der unteren Oberfläche 73 ein dritter Impuls 76 ausgegeben wird.
  • Anhand der 5a, 5b und 5c sind eine erste, eine zweite und eine dritte Darstellung 77, 78, 79 der Signalamplitude gezeigt, die transversalen Moden nullter, erster und zweiter Ordnung entspricht.
  • Anhand der 6, 7 und 8 wird ein Problem im Zusammenhang mit VCSELs des Standes der Technik beschrieben.
  • 6 zeigt eine erste, eine zweite und eine dritte Beziehung 80, 81 und 82 zwischen der Öffnungsbreite für den Einschluss einer transversalen Mode und der Anzahl von AlxOy-Einschlussschichten für transversale Moden 77, 78, 79 nullter, erster und zweiter Ordnung für eine Vorrichtung ohne ersten Bereich. Mit anderen Worten, die Vorrichtung weist keinen Abstandshalter auf. Eine solche Vorrichtung 21 mit einer Einschlussschicht ist in 2 gezeigt. Durch Ändern der Vorrichtung 21 kann eine Vorrichtung hergestellt werden, die mehr als eine Einschlussschicht aufweist. Um einen Durchlass der transversalen Mode nullter Ordnung zu erhalten, wird die Öffnungsbreite mit etwa 0,7 μm hergestellt.
  • Außerdem zeigt 6, dass eine schmalere Öffnung für den Einschluss verwendet wird, während sich die Anzahl der Einschlussschichten erhöht.
  • 7 zeigt eine vierte, eine fünfte und eine sechste Beziehung 83, 84, 85 zwischen der Öffnungsbreite für den Einschluss einer transversalen Mode und der Dicke einer einzelnen AlxOy-Einschlussschicht für transversale Moden 77, 78, 79 nullter, erster und zweiter Ordnung für eine Vorrichtung ohne ersten Bereich.
  • 8 zeigt eine siebente, eine achte und eine neunte Beziehung 86, 87, 88 zwischen der Öffnungsbreite für den Einschluss einer transversalen Mode und der Dicke jeder der fünf AlxOy-Einschlussschichten für transversale Moden 77, 78, 79 nullter, erster und zweiter Ordnung für eine Vorrichtung ohne ersten Bereich.
  • Die 6, 7 und 8 zeigen, dass die Größe der oder jeder Öffnung etwa 0,7 μm ist, um von dem VCSEL 21 des Standes der Technik oder von einer geänderten Vorrichtung, die zusätzliche Einschlussschichten enthält, einen Durchlass der transversalen Mode nullter Ordnung zu erhalten. Die Einführung dickerer Einschlussschichten oder das Erhöhen der Anzahl der Einschlussschichten dient dazu, die Größe der Öffnung zu verringern, die zum Erzeugen einer transversalen Mode nullter Ordnung benötigt wird.
  • Anhand der 3, 9 und 10 hat der VCSEL 43 gemäß der vorliegenden Erfindung einen Vorteil, dass der erste Bereich 57 ermöglicht, für den Durchlass der transversalen Mode nullter Ordnung eine breitere Öffnung zu verwenden.
  • 9 zeigt eine zehnte und eine elfte Beziehung 89, 90 zwischen der Öffnungsbreite W für den Einschluss einer transversalen Mode und der Anzahl der Paare von Spiegelschichten 60, 61 in dem ersten Bereich 57 für transversale Moden 77, 78 nullter bzw. erster Ordnung für eine einzelne Einschlussschicht 64.
  • 10 zeigt eine zwölfte und eine dreizehnte Beziehung 91, 92 zwischen der Öffnungsbreite W für den Einschluss einer transversalen Mode und der Anzahl der Paare von Spiegelschichten 60, 61 in dem ersten Bereich 57 für transversale Moden 77, 78 nullter bzw. erster Ordnung für fünf Einschlussschichten 64.
  • Somit ermöglicht das Erhöhen der Anzahl der Schichten 60, 61 bei dem ersten Bereich 57, dass die Öffnung W breiter gemacht wird, während weiter die Emission der transversalen Mode nullter Ordnung ermöglicht wird.
  • Anhand der 11 und 12 sind erste, zweite und dritte berechnete Remissionsspektren 93, 94, 95 und erste, zweite und dritte Transmissionsspektren 96, 97, 98 für ähnliche Vorrichtungen wie die in 3 gezeigte Vorrichtung 43 gezeigt, die bei 935 nm aussenden und in dem ersten Bereich 57 fünf Paare von Spiegelschichten 60, 61 bzw. in dem zweiten Bereich 58 null, eine und fünf AlxOy-Einschlussschichten 64 aufweisen.
  • Die Verwendung einer größeren Anzahl von AlxOy-Einschlussschichten 64 verringert das Durchlassvermögen und erhöht das Reflexionsvermögen bei kürzeren Wellenlängen. Zum Beispiel sind in 12 genäherte Differenzen des Durchlassvermögens zwischen null und einer AlxOy-Einschlussschicht 64 und zwischen null und fünf AlxOy-Einschlussschichten 64 als ΔT1 bzw. ΔT5 bezeichnet, wobei ΔT1 < ΔT5 ist.
  • Wie später ausführlicher erläutert wird, wird die Ungleichheit des Durchlassvermögens zwischen Bereichen, die keine AlxOy-Einschlussschichten 64 haben, und Bereichen, die AlxOy-Einschlussschichten 64 haben, und die als Kernbereiche und angrenzende Bereiche bezeichnet werden, in einer optisch gepumpten Vorrichtung zum Anregen von Ladungsträgern in selektive Bereiche des aktiven Bereichs 52 (3) verwendet, was eine stabile Grundmode erzeugen hilft.
  • Anhand von 13 sind eine vierzehnte und eine fünfzehnte Beziehung 99, 100 zwischen dem berechneten Durchlassvermögen bzw. Reflexionsvermögen bei 935 nm und der Anzahl von Einschlussschichten 64 in dem zweiten Bereich 58 für ähnliche Vorrichtungen wie die in 3 gezeigte Vorrichtung 43 mit fünf Spiegelschichten 60, 61 in dem ersten Bereich 57 gezeigt.
  • Anhand von 14 sind vierte, fünfte und sechste Remissionsspektren 101, 102, 103 für ähnliche Vorrichtungen wie die in 3 gezeigte Vorrichtung 39 mit fünf Paaren von Spiegelschichten 60, 61 in dem ersten Bereich 57 und mit null, einer und fünf AlxOy-Einschlussschichten 64 in dem zweiten Bereich 58 gezeigt.
  • Anhand von 15 ist für ähnliche Vorrichtungen wie die in 3 gezeigte Vorrichtung 43 mit fünf Spiegelschichten 60, 61 in dem ersten Bereich 57 eine sechzehnte Beziehung 104 zwischen der Resonanzwellenlänge und der Anzahl der Einschlussschichten 64 in dem zweiten Bereich 58 gezeigt.
  • Anhand von 16 ist für ähnliche Vorrichtungen wie die in 3 gezeigte Vorrichtung 43 mit fünf Spiegelschichten 60, 61 in dem ersten Bereich 57 eine siebzehnte Beziehung 105 zwischen der Halbwertsbreite (FWHM) und der Anzahl der Einschlussschichten 64 in dem zweiten Bereich 58 gezeigt.
  • Anhand von 17 sind für ähnliche Vorrichtungen wie die in 3 gezeigte Vorrichtung 43, die bei etwa 850 nm aussenden, mit fünf Paaren von Spiegelschichten 60, 61 in dem ersten Bereich 57 und mit null und fünf AlxOy-Einschlussschichten 64 in dem zweiten Bereich 58 ein viertes und ein fünftes berechnetes Transmissionsspektrum 106, 107 gezeigt.
  • Anhand von 18 sind für ähnliche Vorrichtungen wie die in 3 gezeigte Vorrichtung 43, die bei etwa 856 nm aussenden, mit fünf Paaren von Spiegelschichten 60, 61 in dem ersten Bereich 57 und mit null, einer und fünf AlxOy-Einschlussschichten 64 in dem zweiten Bereich 58 ein siebentes, ein achtes und ein neuntes Remissionsspektrum 108, 109, 110 gezeigt. Während die Einschlussschichten 59 eingeführt werden, verschiebt sich die Resonanzspitze zu einer kürzeren Wellenlänge.
  • Anhand von 19 sind für ähnliche Vorrichtungen wie die in 3 gezeigte Vorrichtung 43, die bei etwa 1300 nm aussenden, mit fünf Paaren von Spiegelschichten 60, 61 in dem ersten Bereich 57 und mit null und fünf AlxOy-Einschlussschichten 64 in dem zweiten Bereich 58 ein sechstes und ein siebentes berechnetes Transmissionsspektrum 111, 112 gezeigt. Die abwechselnden Schichten 53, 54 in dem aktiven Bereich 52 sind durch Gax-1In1-x1Asy1P1-y1 und Gax2In1-x2Asy2P1-y2, wobei x1 > x2 und y1 > y2 ist, bzw. durch AlGaAs und GaInNAs ersetzt, um die Resonanz zu einer längeren Wellenlänge zu verschieben.
  • Anhand von 20 sind für ähnliche Vorrichtungen wie die in 3 gezeigte Vorrichtung 43, die bei etwa 1319 nm aussenden, mit fünf Paaren von Spiegelschichten 60, 61 in dem ersten Bereich 57 und mit null, einer und fünf AlxOy-Einschlussschichten 64 in dem zweiten Bereich 58 ein zehntes, ein elftes und ein zwölftes Remissionsspektrum 113, 114, 115 gezeigt. Die Resonanzspitze verschiebt sich zu einer kürzeren Wellenlänge, während die Einschlussschichten 64 eingeführt werden.
  • Anhand von 21 ist ein allgemeiner VCSEL 116 gezeigt, der einen unteren verteilten Bragg-Reflektor 117, einen unteren Einschlussbereich 118, einen aktiven Bereich 119, einen oberen Einschlussbereich 120 und einen oberen verteilten Bragg-Reflektor 121, 122 enthält. Der obere verteilte Bragg-Reflektor 121, 122 kann in einen Kernbereich 121 und in einen angrenzenden Bereich 122, die die Spiegelschichten 123, 124 überspannen, aufgeteilt sein. Die Breite des Kernbereichs 121 entspricht der Breite einer oder mehrerer Öffnungen 125, die unter Verwendung einer oder mehrerer Einschlussschichten 126 definiert sind.
  • Eine Stufe des effektiven Brechungsindex Δneff kann für den allgemeinen VCSEL 116 unter Verwendung von: Δneff = nKern – nangrenzend (2)berechnet werden, wobei
    Figure 00200001
    ist, wobei y als die Richtung senkrecht zu den Spiegelschichten 123, 124 definiert ist.
  • Das Δneff für den VCSEL 43 ist kleiner als das Δneff für den VCSEL 21. Dies ist so, da der VCSEL 43 das optische Feld in dem angrenzenden Bereich 122 breiter als der VCSEL 19 verteilt.
  • Anhand der 22a und 22b sind vereinfachte VCSELs 1161 , 1162 gezeigt, die dem VCSEL 21 bzw. dem VCSEL 43 entsprechen.
  • In dem ersten VCSEL 1161 , der dem VCSEL 21 des Standes der Technik entspricht, ist ein longitudinales optisches Feld 1271 in einem angrenzenden Bereich 1221 eng eingeschlossen, wobei es mit der einzelnen Einschlussschicht 1261 stark in Wechselwirkung tritt und somit einen niedrigen Wert von nangrenzend veranlasst.
  • In dem zweiten VCSEL 1162 , der dem VCSEL 43 gemäß der vorliegenden Erfindung entspricht, ist ein longitudinales optisches Feld 1272 in einem angrenzenden Bereich 1222 weniger eng eingeschlossen und tritt mit den Einschlussschichten 1262 weniger stark in Wechselwirkung. Dies veranlasst einen Wert von nangrenzend, der näher ZU nKern ist.
  • Anhand der 23a und 23b sind eine erste und eine zweite graphische Darstellung 1281 , 1282 des effektiven Brechungsindex neff für den ersten bzw. für den zweiten VCSEL 1161 , 1162 gezeigt. Für den ersten VCSEL 1161 führt eine große Differenz der Werte zwischen nKern und nangrenzend zu einem großen Wert von Δneff. Für den zweiten VCSEL 1162 führt eine kleinere Differenz der Werte zwischen nKern und nangrenzend zu einem kleineren Wert von Δneff.
  • Somit führt der zweite Bereich 57 im VCSEL 43 (3) zu einer kleineren Brechungsindexstufe, was eine stabile Grundmode erzeugen hilft.
  • Wie zuvor erwähnt wurde, kann außerdem die Ungleichheit des Durchlassvermögens zwischen Bereichen, die keine AlxOy-Einschlussschichten 64 haben, und Bereichen, die AlxOy-Einschlussschichten 64 haben, d. h. zwischen den Kernbereichen und den angrenzenden Bereichen 121, 122, verwendet werden, um eine stabile Grundmode erzeugen zu helfen.
  • Anhand der 24a und 24b werden die VCSELs 1161 , 1162 durch jeweilige auffallende Lichtimpulse 1291 , 1292 optisch gepumpt.
  • In dem ersten VCSEL 1161 , der dem VCSEL 21 des Standes der Technik entspricht, ist die Differenz der Durchlassvermögen ΔT zwischen dem Kernbereich 121, der kein AlxOy aufweist, und den angrenzenden Bereichen 122, die nur eine Schicht AlxOy aufweisen, verhältnismäßig klein. Somit durchdringt ein verhältnismäßig großer Anteil eines einfallenden Lichtimpulses 1291 die angrenzenden Bereiche 122. Dies führt dazu, dass ein verhältnismäßig großer Bereich 1301 des aktiven Bereichs 1191 beleuchtet wird und Ladungsträger angeregt werden. Die breitere Querausdehnung der Anregung hilft, die Erzeugung transversaler Moden höherer Ordnung zu fördern.
  • In dem zweiten VCSEL 1161 , der dem VCSEL 43 gemäß der vorliegenden Erfindung entspricht, ist die Differenz der Durchlassvermögen ΔT zwischen dem Kernbereich 121 und den angrenzenden Bereichen 122, die in diesem Fall fünf Schichten aus AlxOy aufweisen, verhältnismäßig groß. Wie in 12 gezeigt ist, durchdringt wegen eines niedrigen Werts des Durchlassvermögens ein verhältnismäßig kleiner Anteil auffallender Lichtimpulse 1292 die angrenzenden Bereiche 122. Dies führt dazu, dass ein verhältnismäßig kleiner Bereich 1302 des aktiven Bereichs 1192 beleuchtet wird und Ladungsträger angeregt werden. Somit wird ein kleinerer Bereich 1192 angeregt, was die Erzeugung einer transversalen Grundmode fördern hilft.
  • Somit hilft die Verwendung mehrerer Einschlussschichten 64 in dem zweiten Bereich 57 im VCSEL 43 (3), die selektive Anregung zu fördern.
  • Im Folgenden wird ein Verfahren zur Herstellung des VCSEL 43 zum elektrischen Pumpen beschrieben.
  • Anhand von 25a wird (001)-orientiertes n-GaAs als das Substrat 44 verwendet und in einen (nicht gezeigten) Reaktor geladen, der für die Molekularstrahlepitaxie (MBE) konfiguriert ist. Alternativ kann der Reaktor für die metallorganische Gasphasenepitaxie (MOVPE) konfiguriert sein.
  • Es werden fünfundzwanzig und ein halbes (25,5) Paare abwechselnder Schichten 48, 49 aufgewachsen, die Al0,1Ga0,9As und AlAs umfassen. Jede Al0,1Ga0,9As-Schicht 48 ist 67 nm dick und jede AlAs-Schicht 49 ist 77 nm dick. Die Schichten 48, 49 werden auf eine Konzentration von wenigstens 1·1018 cm–3 mit Si dotiert.
  • Daraufhin wird eine Al0,4Ga0,6As-Schicht 51' mit einer Dicke von 103 nm abgelagert. Die Al0,4Ga0,6As-Schicht 51' wird auf eine Konzentration von wenigstens 8·1017 cm–3 mit Si dotiert. Es werden abwechselnde Schichten 53', 54' aufgewachsen, die Al0,1Ga0,9As und In0,15Ga0,85As umfassen. Die Al0,1Ga0,9As-Schichten 53' sind jeweils 10 nm dick und die In0,15Ga0,85As-Schichten 54' sind 7 nm dick. Daraufhin wird eine Schicht 55' aus Al0,4Ga0,6As mit einer Dicke von 10 nm abgelagert. Die Al0,4Ga0,6As-Schicht 55' wird auf eine Konzentration von wenigstens 8·1017 cm–3 mit Be dotiert.
  • Es werden fünf Paare abwechselnder Schichten 60', 61' aufgewachsen, die Al0,9Ga0,1As und Al0,1Ga0,9As enthalten. Jede Al0,9Ga0,1As-Schicht 60' ist 76 nm dick und jede Al0,1Ga0,9As-Schicht 61' ist 67 nm dick. Die Schichten 60', 61' werden auf eine Konzentration von wenigstens 1·1018 cm–3 mit Be dotiert. Es werden fünf Paare abwechselnder Schichten 62', 63' abgeschieden, die AlAs und Al0,1Ga0,9As umfassen. Jede AlAs-Schicht 62' ist 77 nm dick und jede Al0,1Ga0,9As-Schicht 62' ist 67 nm dick. Die Schichten 62', 63' werden auf eine Konzentration von wenigstens 1·1018 cm–3 mit Be dotiert. Es werden fünfzehneinhalb (15,5) Paare abwechselnder Schichten 65', 66' aufgewachsen, die Al0,9Ga0,1As und Al0,1Ga0,9As enthalten. Jede Al0,9Ga0,1As-Schicht 65' ist 76 nm dick und jede Al0,1Ga0,9As-Schicht 66' ist 67 nm dick. Die Schichten 65', 66' werden auf eine Konzentration von wenigstens 1·1018 cm–3 mit Be dotiert.
  • Schließlich wird eine Deckschicht 67' abgelagert, die GaAs enthält. Die Deckschicht 67' beträgt 132 nm und wird auf eine Konzentration von wenigstens 5·1018 cm–3 mit Be dotiert.
  • Zwischen die Schichten können weitere Pufferschichten oder Supergitter eingefügt werden. Falls der VCSEL 43 optisch gepumpt wird, können undotierte Schichten verwendet werden. Zur Konstruktion der Schichtstrukturen können Wafer-Kontaktierungstechniken verwendet werden.
  • Das Substrat 44 mit den Epitaxieschichten 46, 48, 49, 51', 53', 54', 55', 60', 61', 62', 63', 65', 66' wird aus dem (nicht gezeigten) Reaktor entnommen.
  • Wie in 25b gezeigt ist, wird auf die Oberfläche der Deckschicht 67' ein Photoresist (nicht gezeigt) aufgetragen und strukturiert, um eine Maske 128 zu bilden. Die Maske 131 ist kreisförmig und hat vorzugsweise einen Durchmesser im Bereich von 25 bis 35 μm.
  • Zum Definieren der Wellenleiterstruktur 50 wird Trockenätzen, in diesem Fall reaktives Ionenätzen (RIE) unter Verwendung von Siliciumtetrachlorid (SiCl4) als ein Speisegas, verwendet. Es können andere Trockenätzprozesse wie etwa reaktives Ionenstrahlätzen (RIBE) verwendet werden. Es können andere Speisegase wie etwa Chlor (Cl2) verwendet werden. In diesem Beispiel ist das Trockenätzen so konfiguriert, dass die Wellenleiterstruktur 50 im Wesentlichen mit vertikalen Seitenwänden 132 gelassen wird. Außerdem lässt das Trockenätzen eine obere Oberfläche 133 auf dem unteren Spiegel 47. Zum Definieren der Wellenleiterstruktur 50 kann Nassätzen, z. B. unter Verwendung von Schwefelsäure, Wasser und Wasserstoffperoxid (H2SO4/H2O/H2O2), verwendet werden. Das Ätzen definiert die untere Einschlussschicht 51, den Quantentopf und die Sperrschichten 53, 54, die obere Einschlussschicht 55, die Al0,9Ga0,1As- und die Al0,1Ga0,9As-Schichten 60, 61, die AlAs- und die Al0,1Ga0,9As-Schichten 62'', 63 und die Al0,9Ga0,1As- und die Al0,1Ga0,9As-Schichten 65, 66.
  • Anhand von 25c wird die Maske 131 entfernt. Diejenigen Abschnitte der AlAs-Schichten 62'' (25b), die an die Seitenwand 132 (23b) angrenzen, werden unter Verwendung eines in Applied Physics Letters, ebenda, beschriebenen Hydrolysierungsprozesses oxidiert. Somit verbleiben die AlAs-Schichten 62 mit den koplanaren AlxOy-Schichten 64. Es können andere Verfahren der Querdiffusion verwendet werden.
  • Anhand von 25d wird auf die Rückseite des Substrats 44 ein (nicht gezeigter) Photoresist aufgetragen und strukturiert. Durch einen Verdampfungsprozess werden AuGeNi und eine optionale Golddeckschicht abgelagert und abgehoben, um den Rückseitenkontakt 45 auszubilden.
  • Es wird Siliciumdioxid (SiO2) 134 zerstäubt, um über dem Wellenleiter 50 eine konforme Schicht auszubilden, die die obere Oberfläche 71 und die Seitenwand 132 sowie die obere Oberfläche 133 des DBR enthält. Die Dicke der SiO2-Schicht beträgt 200 nm. Es können andere Dielektrika wie etwa Siliciumnitrid (Si3N4) verwendet werden. Über dem SiO2 wird ein (nicht gezeigter) Photoresist aufgetragen und strukturiert, um ein (nicht gezeigtes) Fenster zu öffnen, wobei zum Definieren des Fensters 135 in der konformen SiO2-Schicht 134 Trockenätzen, in diesem Fall reaktives Ionenätzen (RIE) unter Verwendung von Kohlenstofftetrafluorid (CF4) als ein Speisegas, verwendet wird.
  • Über der konformen SiO2-Schicht 134 wird ein (nicht gezeigter) Photoresist aufgetragen und strukturiert, um eine (nicht gezeigte) kreisförmige Maske auszubilden. Durch einen Verdampfungsprozess werden aufeinander folgende Schichten aus Titan, Platin und Gold (TiPtAu) abgelagert und abgehoben, um den oberen Kontakt 68 auszubilden.
  • Der hintere und der vordere Kontakt 45, 68 werden unter Verwendung eines schnellen thermischen Temperprozesses getempert.
  • Es können weitere Verarbeitungsschritte wie etwa die Definition von Kontaktierungsflächen ausgeführt werden.
  • Der oben beschriebene Herstellungsprozess nutzt die bevorzugte Oxidation von AlAs gegenüber Al0,9Ga0,1As (und ebenfalls gegenüber Al0,1Ga0,9As). Somit enthält der obere verteilte Bragg-Reflektor 56 (3) AlAs und Al0,9Ga0,1As als ein Material mit niedrigem Brechungsindex.
  • Allerdings kann der Herstellungsprozess so geändert werden, dass er ermöglicht, dass ein einzelnes Material mit niedrigem Brechungsindex wie etwa AlAs in den oberen verteilten Bragg-Reflektor 56 (3) aufgenommen wird.
  • Wie nun ausführlicher beschrieben wird, kann der Herstellungsprozess durch Ablagern von AlAs-Schichten anstelle von Al0,9Ga0,1As-Schichten 60', 65' (65a), Aufteilen des Trockenätzprozesses in drei Phasen, Einführen einer Schutzschicht nach einer ersten Trockenätzphase und Ausführen einer Hydrolyse nach einer zweiten Trockenätzphase geändert werden:
    Beginnend mit einer geänderten Schichtstruktur wird durch Ätzen bis zu einem Punkt, der der Unterseite des dritten Bereichs 59 (3) entspricht, die Wellenleiterstruktur 50 teilweise ausgebildet. Das Ätzen kann so gewählt werden, dass an der Seitenwand ein Rest bleibt, der für das Oxidationsmittel undurchlässig ist. Alternativ kann z. B. unter Verwendung einer isotropen Ablagerung, die sowohl horizontale als auch vertikale Oberflächen bedeckt, und eines nachfolgenden isotropen Ätzens, das die Schutzschicht von den horizontalen Oberflächen entfernt, eine Schutzschicht wie etwa Siliciumnitrid abgelagert werden, wodurch die Schutzschicht auf den vertikalen Oberflächen wie etwa auf den Seitenwänden verbleibt.
  • Durch weiteres Ätzen bis zu einem Punkt, der der Unterseite des zweiten Bereichs 58 (3) entspricht, wird die Wellenleiterstruktur 50 weiter teilweise ausgebildet. Diejenigen Abschnitte der AlAs-Schichten, die an die Seitenwand in dem zweiten Bereich 58 angrenzen, werden unter Verwendung des zuvor erwähnten Hydrolyseprozesses oxidiert. Dagegen werden Abschnitte der AlAs-Schichten, die an die Seitenwand in dem dritten Bereich 58 angrenzen, da sie durch die Schutzschicht geschützt sind, nicht oxidiert.
  • Durch Ätzen bis zu einem Punkt, der der Unterseite der unteren Einschlussschicht 51 (3) entspricht, wird die Wellenleiterstruktur 50 fertig gestellt. Die Schutzschicht kann entfernt werden.
  • Anhand von 26 ist ein Nachteil der Verwendung des VCSEL 21 als ein optischer Modulator, dass Mehrmodenschwebungen auftreten. In den VCSEL 21 werden ein Paar Impulse 136, 137 geliefert, die durch eine Zeitdauer t1 beabstandet sind. Diese Impulse 136, 137 haben jeweils eine Dauer von etwa 1 fs bis 1 ps. Der erste Impuls 136 erzeugt angeregte Ladungsträger, die relaxieren und Photonen aussenden und so ein Ausgangssignal 138 erzeugen. Das Ausgangssignal zeigt Schwebungen. Der zweite Impuls 137 wird für die Phasensteuerung verwendet, um unter Verwendung destruktiver Interferenz angeregte Ladungsträger zu entfernen. Allerdings wird dieser Prozess durch die Schwebungen wegen der Mehrmoden-Kopplung und wegen der Umverteilung optischer Felder verkompliziert. Die Modenschwebungen sind nachteilig für eine schnelle optische Antwort optischer Signale und für die Steuerung der Impulsform durch Phasensteuerung. Außerdem sind sie nachteilig für das optische Schalten. Somit ist es erwünscht, den Mehrmoden-Betrieb eines VCSEL zu unterdrücken, um die schnelle und einfache optische Antwort mit einer längeren Kohärenzzeit zu erzielen.
  • Wie in 27 gezeigt ist, kann der VCSEL 43 gemäß der vorliegenden Erfindung als ein optischer Einmodenmodulator konfiguriert werden. In den VCSEL 43 werden ein Paar Impulse 139, 140 geliefert, die durch eine Zeitdauer t2 beabstandet sind. Die Impulse 139, 140 haben jeweils eine Dauer von etwa 1 fs bis 1 ps. Der erste Impuls 139 erzeugt angeregte Ladungsträger, die relaxieren und Photonen aussenden, um so ein Ausgangssignal 141 zu erzeugen. Der zweite Impuls 140 wird zur Phasensteuerung verwendet, um die Angeregten unter Verwendung destruktiver Interferenz zu entfernen.
  • Für eine Beschreibung der in der Kohärenzsteuerung verwendeten Techniken wird Bezug genommen auf "Ultrafast Coherent Control and Destruction of Excitons in Quantum Wells" von A. P. Heberle u. a., Physical Review Letters, Bd. 57, S. 2598–2601 (1995), und auf "Coherent Control of Exciton Density and Spin" von A. P. Heberle u. a., IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Bd. 2, S. 769–774 (1996).
  • Anhand von 28 umfasst eine integrierte optische Vorrichtung 142 einen Einmoden-VCSEL 43, einen Phasenschieber 143 sowie Wellenleiter 144. Die Vorrichtung 142 ist so konfiguriert, dass sie einen Eingangsimpuls 145 der Dauer t3 und ein Modenkopplungs-Steuerimpulssignal 146 empfängt. Der Steuerimpuls 146 wird in zwei Steuersignale 1461 , 1462 geteilt. Der Phasenschieber 143 verzögert den zweiten Steuerimpuls 1462 in Bezug auf das erste Steuersignal 1461 um eine Zeitdauer t4, um einen verzögerten Impuls 1462' zu erzeugen. Der erste und der zweite Steuerimpuls 1461 , 1462 werden dazu verwendet, den VCSEL 43 ein- und auszuschalten, um ein Ausgangssignal 147 mit einer Impulsbreite t4 zu erzeugen, wobei t3 > t4 ist. Außerdem kann das Ausgangssignal 147 in Bezug auf das Eingangssignal 145 verstärkt werden.
  • Somit kann die integrierte Vorrichtung 142 dazu verwendet werden, einen langen Eingangsimpuls, der an den VCSEL 43 geliefert wird, zu modulieren und als ein optisch gesteuerter Modulator zu arbeiten. Außerdem kann der Eingangsimpuls 145 dazu verwendet werden, die Ladungsträger in dem Einmoden-VCSEL 43 durch optisches Pumpen anzuregen.
  • Zur Konstruktion komplizierterer Vorrichtungen können weitere Phasenschieber verwendet werden. Es können weitere Vorrichtungen wie etwa Mach-Zehnder-Interferometer und Detektoren in die Vorrichtung integriert werden.
  • Es ist klar, dass an der oben beschriebenen Ausführungsform viele Änderungen vorgenommen werden können.
  • Zum Beispiel können in dem verteilten Bragg-Reflektor anstelle von GaAs, AlAs und AlGaAs andere Materialien verwendet werden. Die Materialien können Dielektrika mit verhältnismäßig hohem bzw. verhältnismäßig niedrigem Brechungsindex sein. Die Materialien können Halbleiter sein wie etwa ein GaInAsP/InP- oder ein AlGaAs/GaInNAs-Materialsystem für eine 1,3-μm-Emission oder ein GaInAsP/InP-Materialsystem für eine 1,55-μm-Emission. Als eine Einschlussschicht können anstelle von AlxOy andere Materialien verwendet werden. Zum Beispiel können andere Oxide wie etwa Magnesiumoxid (MgO), Nitride oder Halogenide verwendet werden.
  • Außerdem können sich die Materialien über den gesamten verteilten Bragg-Reflektor oder über Bereiche des verteilten Bragg-Reflektors von einer Schicht zu einer anderen desselben "Typs", d. h. einer Schicht mit hohem oder niedrigem Brechungsindex wie etwa der Schicht 62, ändern. Mit anderen Worten, es braucht nicht in jeder Schicht 62 das gleiche Material verwendet zu werden. In den Schichten 62, 63, 64 können verschiedene Materialien verwendet werden, um dieselben Differenzen des Brechungsindex zu erzeugen, d. h. ΔnSchicht62/Schicht64 = konstant und ΔnSchicht62/Schicht63 = konstant. Außerdem können verschiedene Materialien verwendet werden, die die Differenz des Brechungsindex nicht gleich zu halten brauchen, sondern eine verhältnismäßig große Differenz zwischen den Schichten 62, 64 und eine verhältnismäßig kleine Differenz zwischen den Schichten 63, 64 aufrecht erhalten, d. h. ΔnSchicht62/Schicht64 > ΔnSchicht62/Schicht63. Somit können verteilte Bragg-Reflektoren verwendet werden, in denen sich die Materialzusammensetzung stetig oder schnell, wesentlich oder geringfügig ändert.

Claims (18)

  1. Optische Vorrichtung (43), die umfasst: eine untere Spiegelschicht (47), die einen ersten verteilten Bragg-Reflektor enthält, der mehrere abwechselnde Schichten (48, 49) aus einem Material mit verhältnismäßig hohem bzw. verhältnismäßig niedrigem Brechungsindex aufweist, und eine säulenartige Wellenleiterstruktur (50), die von der unteren Spiegelschicht nach oben steht und umfasst: eine untere Einschlussschicht (51), die auf dem unteren Spiegel (47) ausgebildet ist, einen aktiven Bereich (52), der auf der unteren Einschlussschicht (51) ausgebildet ist und einen oder mehrere Quantentöpfe aufweist, die so beschaffen sind, dass sie elektromagnetische Strahlung mit einer gegebenen Wellenlänge λ aussenden, und eine obere Einschlussschicht (55), die auf dem aktiven Bereich (52) ausgebildet ist, gekennzeichnet durch einen oberen Spiegel (56), der auf der oberen Einschlussschicht (55) ausgebildet ist und einen zweiten verteilten Bragg-Reflektor enthält, der mehrere abwechselnde Schichten (60, 61, 62, 63, 65, 66) aus einem Material mit verhältnismäßig hohem bzw. verhältnismäßig niedrigem Brechungsindex aufweist und ferner zwischen drei und sieben ringförmige Einschlussschichten (64) enthält, wobei der obere Spiegel (56) einen ersten, einen zweiten und einen dritten Bereich (57, 58, 59) umfasst, der erste Bereich (57) auf der oberen Einschlussschicht (55) ausgebildet ist und die mehreren abwechselnden Schichten (60, 61) aus einem Material mit verhältnismäßig hohem bzw. verhältnismäßig niedrigem Brechungsindex aufweist, der zweite Bereich (58) auf dem ersten Bereich (57) ausgebildet ist und die mehreren abwechselnden Schichten (62, 63) aus einem Material mit verhältnismäßig hohem bzw. verhältnismäßig niedrigem Brechungsindex aufweist und die ringförmigen Einschlussschichten (64) enthält, wobei die Einschlussschichten (64) so beschaffen sind, dass sie zu den Schichten (62) eines der Materialien in den mehreren abwechselnden Schichten (62, 63) koplanar sind, derart, dass jede der Einschlussschichten (64) in der entsprechenden Schicht (62) eine jeweilige Öffnung mit einem Durchmesser im Bereich von 1 bis 6 μm bildet, die mit dem Material gefüllt ist, wobei die Einschlussschichten (64) einen Brechungsindex besitzen, der niedriger als jener der Schichten (62, 63) ist und wobei die Einschlussschichten eine Dicke t besitzen, die im Wesentlichen gleich der Dicke der entsprechenden Schicht ist, wobei die Dicke t im Wesentlichen gleich λ/4n ist, wobei n ein Wert des Brechungsindexes des Materials in der entsprechenden Schicht ist, und der dritte Bereich (59) auf dem zweiten Bereich (58) ausgebildet ist und die mehreren abwechselnden Schichten (65, 66) aus einem Material mit verhältnismäßig hohem bzw. verhältnismäßig niedrigem Brechungsindex aufweist; wobei die Einschlussschichten der Stabilisierung und Führung einer transversalen Grundmodenwelle durch einen Kernbereich (121) des Spiegels dienen.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der zweite Bereich (58) fünf Einschlussschichten umfasst.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Einschlussschichten (64) Aluminiumoxid enthalten.
  4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der erste Bereich (57) zwischen zwei und acht Paare von Schichten (60, 61) enthält, die ein Material mit verhältnismäßig hohem bzw. verhältnismäßig niedrigem Brechungsindex enthalten.
  5. Vorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, bei der der erste Bereich (57) zwischen drei und sieben Paare von Schichten (60, 61) enthält, die ein Material mit verhältnismäßig hohem bzw. verhältnismäßig niedrigem Brechungsindex enthalten.
  6. Vorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, bei der der erste Bereich (57) abwechselnd Schichten aus Al0,9Ga0,1As bzw. aus Al0,1Ga0,9As enthält.
  7. Vorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, bei der der zweite Bereich (58) abwechselnd Schichten aus AlAs bzw. Al0,1Ga0,9As enthält.
  8. Vorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, bei der die Einschlusseinrichtung (64) so konfiguriert ist, dass sie transversale Moden von elektromagnetischer Strahlung, die sich durch den Spiegel (56) ausbreitet, begrenzt.
  9. Vorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, bei der der Einschlussbereich (64) so konfiguriert ist, dass er die Ausbreitung einer transversalen Grundmode durch den Spiegel (56) zulässt.
  10. Vorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, die ein Oberflächenemissions-Laser mit vertikalem Hohlraum (VCSEL) ist.
  11. Vorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, die so konfiguriert ist, dass sie elektrisch gepumpt wird.
  12. Vorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, die so konfiguriert ist, dass sie optisch gepumpt wird.
  13. Vorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, bei der der obere Spiegel und der untere Spiegel (56, 47) so angeordnet sind, dass sie einen Hohlraum bilden.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 13, bei der der Hohlraum eine Länge in der Größenordnung einer Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung hat.
  15. Vorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, bei der der obere Spiegel (56) relativ nahe bei einer Oberfläche zum Emittieren oder Empfangen elektromagnetischer Strahlung angeordnet ist und der untere Spiegel (47) relativ weit weg von dieser Oberfläche angeordnet ist.
  16. Vorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, bei der der Spiegel (56) relativ weit weg von einem Substrat angeordnet ist und der andere Spiegel (47) relativ nahe bei dem Substrat angeordnet ist.
  17. Gerät (142), das umfasst: eine Einrichtung (144), die einen ersten Impuls in einen zweiten und einen dritten Impuls aufteilt; eine Einrichtung (143), die den dritten Impuls um eine bekannte Zeitdauer verzögert, um einen verzögerten dritten Impuls zu erzeugen; eine Vorrichtung (43) nach einem vorhergehenden Anspruch; eine Einrichtung (144) zum Liefern eines vierten Impulses in die Vorrichtung; und eine Einrichtung (144) zum Liefern des ersten und des verzögerten dritten Impulses in die Vorrichtung.
  18. Verfahren zum Herstellen einer optischen Vorrichtung (43), das umfasst: Vorsehen einer unteren Spiegelschicht (47), die einen ersten verteilten Bragg-Reflektor enthält, der mehrere abwechselnde Schichten (48, 49) aus einem Material mit verhältnismäßig hohem bzw. verhältnismäßig niedrigem Brechungsindex aufweist, und Vorsehen einer säulenartigen Wellenleiterstruktur (50), die von der unteren Spiegelschicht nach oben steht und umfasst: eine untere Einschlussschicht (51), die auf dem unteren Spiegel (47) ausgebildet ist, einen aktiven Bereich (52), der auf der unteren Einschlussschicht (51) ausgebildet ist und einen oder mehrere Quantentöpfe enthält, die so beschaffen sind, dass sie elektromagnetische Strahlung mit einer gegebenen Wellenlänge λ aussenden, Vorsehen einer oberen Einschlussschicht (55) auf dem aktiven Bereich (52) und Vorsehen eines oberen Spiegels (56), der auf der oberen Einschlussschicht (55) ausgebildet ist und einen zweiten verteilten Bragg-Reflektor enthält, der mehrere abwechselnde Schichten (60, 61, 62, 63, 65, 66) aus einem Material mit verhältnismäßig hohem bzw. verhältnismäßig niedrigem Brechungsindex sowie zwischen drei und sieben ringförmige Einschlussschichten (64) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorsehen des oberen Spiegels (56) das Vorsehen eines ersten, eines zweiten und eines dritten Bereichs (57, 58, 59) umfasst, wobei der erste Bereich (57) auf der oberen Einschlussschicht (55) ausgebildet wird und die mehreren abwechselnden Schichten (60, 61) aus einem Material mit verhältnismäßig hohem bzw. verhältnismäßig niedrigem Brechungsindex aufweist, der zweite Bereich (58) auf dem ersten Bereich (57) ausgebildet ist und die mehreren abwechselnden Schichten (62, 63) aus einem Material mit verhältnismäßig hohem bzw. verhältnismäßig niedrigem Brechungsindex aufweist und ferner zwischen drei und sieben ringförmige Einschlussschichten (64) aufweist, die so angeordnet sind, dass sie zu den Schichten (62) aus einem der Materialien in den mehreren abwechselnden Schichten (62, 63) koplanar sind, derart, dass jede der Einschlussschichten (64) eine entsprechende Öffnung in der entsprechenden Schicht (62) bildet, deren Durchmesser im Bereich von 1 bis 6 μm liegt, wobei die Öffnung mit dem Material gefüllt ist und wobei die Einschlussschichten (64) einen niedrigeren Brechungsindex besitzen als die Schichten (62, 63) und wobei die Einschlussschichten eine Dicke t besitzen, die im Wesentlichen gleich der Dicke der entsprechenden Schicht ist, wobei die Dicke t im Wesentlichen gleich λ/4n ist, wobei n ein Wert eines Brechungsindexes des Materials in der entsprechenden Schicht ist, und der dritte Bereich (59) auf dem zweiten Bereichen (58) ausgebildet ist und die mehreren abwechselnden Schichten (65, 66) aus einem Material mit verhältnismäßig hohem bzw. verhältnismäßig niedrigem Brechungsindex aufweist, wobei die Einschlussschichten der Stabilisierung und Führung einer transversalen Grundmodenwelle durch einen Kernbereich (121) des Spiegels dienen.
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