DE69610598T2

DE69610598T2 - Langwelliger,oberflächenemittierender laser mit vertikalem resonator und integrierter,vertikaler optischer pumpquelle

Info

Publication number: DE69610598T2
Application number: DE69610598T
Authority: DE
Inventors: Vijaysekhar Jayaraman
Original assignee: Optical Concepts Inc
Current assignee: Optical Concepts Inc
Priority date: 1995-04-12
Filing date: 1996-03-11
Publication date: 2001-05-31
Anticipated expiration: 2016-03-12
Also published as: CA2190843A1; EP0765536B1; JPH10501927A; US5513204A; KR970703634A; DE69610598D1; CA2190843C; AU5297396A; EP0765536A1; WO1996032766A1; ES2152017T3; RU2153746C2; KR100229051B1

Description

Die Erfindung wurde mit Unterstützung der Regierung der Vereinigten Staaten gemäß BMDO-Vertrag Nr. DASG60-94-C-0022 unter Federführung des stategischen Verteidigungskommandos der US-Armee gemacht. Die US-Regierung hat möglicherweise gewisse Rechte an dieser Erfindung.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft allgemein integrierte Halbleiterlaser. Insbesondere betrifft die Erfindung optisch gepumpte, oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Resonator (VCSELs; Vertical Cavity Surface Emitting Lasers).
Ein VCSEL ist ein Halbleiterlaser, der aus einer Halbleiterschicht optisch aktiven Materials, zum Beispiel Galliumarsenid oder Indiumgalliumarsenid oder dergleichen besteht, eingeschichtet zwischen Spiegeln aus stark reflektierenden Schichten metallischen Materials, dielektrischen Materials, epitaktisch gewachsenen, dielektrischen Halbleitermaterials oder Kombinationen derartiger Stoffe, in den häufigsten Fällen in Form von Stapeln. Wie üblich, ist einer der Spiegelstapel teilweise reflektierend, um einen Teil des sich in dem Resonatorhohlraum, der durch den Spiegelstapel/Aktivschicht-Sandwich gebildet wird, aufbauenden kohärenten Lichts durchzulassen.
Laserstrukturen erfordern eine optische Eingrenzung in einem Hohlraum sowie eine Ladungsträgereingrenzung, um eine wirksame Umwandlung von Pump-Elektronen in angeregte Photonen durch Besetzungsumkehr zu erreichen. Die stehende Welle reflektierter elektromagnetischer Energie in dem Hohlraum besitzt einen charakteristischen Querschnitt für einen elektromagnetischen Schwingungstyp (Mode). Ein angestrebter elektromagnetischer Mode ist der Einzel-Grundmode, beispielsweise der HE&sub1;&sub1;-Mode eines zylindrischen Wellenleiters. Ein Einzelmodensignal von einem VCSEL läßt sich einfach in eine optische Faser einkoppeln, besitzt geringe Divergenz und ist im Betrieb von Haus aus einzelfrequent.
Die Gesamtverstärkung eines VCSELs muß gleich seinem Gesamtverlust sein, um den Laserbetrieb-Schwellenwert zu erreichen. Unglücklicherweise ist aufgrund der kompakten Beschaffenheit von VCSELs das Verstärkungsmedium ziemlich beschränkt. Diese Beschränkung führt zu dem Erfordernis, daß für effiziente VCSELs die Spiegel ein Reflexionsvermögen von mehr als etwa 99,5% aufweisen müssen. Diese Forderung ist bei langwelligen VCSELs viel schwieriger zu erfüllen als bei kurzwelligen VCSELs, da die Spiegel in demselben epitaktischen Schritt wie die aktive Zone durch Wachstum gebildet werden können. Bei einem 980- Nanometer-GaAs-VCSEL beispielsweise lassen sich die Spiegel mit Hilfe alternierender Schichten aus GaAs und AlGaAs durch Wachstum bilden. Da die Brechungsindex-Differenz zwischen diesen beiden Stoffen 0,6 beträgt, sind nur sehr wenige Schichten erforderlich, um einen geeigneten. Spiegel zu bilden. Eine analoge Spiegelausgestaltung für einen 1300- oder 1550-Nanometer-VCSEL würde; alternierende Schichten aus InP und InGaAsP erfordern. In diesem Fall allerdings beträgt die Brechungsindex- Differenz etwa 0,23. Im Ergebnis muß der InP/InGaAsP-Spiegel viel dicker sein, um das gleiche Reflexionsvermögen zu erreichen wie bei einem GaAs/AlGaAs-Spiegel. Eine Erhöhung der Dicke jedoch taugt in der Praxis deshalb nicht, da sowohl Absorptions- als auch Beugungsverluste zunehmen, was schließlich das maximal erreichbare Reflexionsvermögen beschränkt.
Um daher einen brauchbaren langwelligen VCSEL herzustellen, müssen die Spiegel entweder aus aufgedampften Dielektrika oder gitterangepaßten Halbleitern gebildet werden. Fig. 1 und 2 zeigen zwei mögliche Spiegelkombinationen, die im Stand der Technik beschrieben sind. Beide Strukturen verwenden mindestens einen durch Wafer-Fusion gebildeten GaAs/AlAs-Spiegel 2, der eine größere Index-Differenz als InP/InGaAsP aufweist. Wafer-Fusion ist eine bekannte Methode, mit deren Hilfe Halbleiter unterschiedlicher Gitterkonstanten atomar vereint werden können, einfach durch Aufbringen mechanischen Drucks und von Wärme. Die in Fig. 1 dargestellte Struktur verwendet einen elektrisch isolierenden, dielektrischen Spiegel 3 als oberen Spiegel, während die Struktur nach Figur einen zweiten, durch Wafer-Fusion gebildeten GaAs/AlGaAs-Spiegel 2 als oberen Spiegel verwendet.
Die VCSEL-Strukturen nach Fig. 1 und 2 leiden an zahlreichen Problemen, verbunden mit der elektrischen Injektion von Ladungsträgern in die aktive Zone. Die Struktur nach Fig. 1 hat einen isolierenden dielektrischen oberen Spiegel 3 und erfordert mithin einen mechanischen Ringkontakt 4 und Injektion um den dielektrischen Spiegel 3 herum entlang dem Injektionspfad 5. Dieses Kontaktierungs- und Injektionsschema führt zu einer komplizierten Fertigungsprozedur. Die Struktur nach Fig. 2 macht Gebrauch von Injektion durch einen leitenden oberen Spiegel 2 mit Hilfe eines metallischen Kontakts 6. Allerdings ist der Spiegel 2 typischerweise mit einem ohmschen Widerstand behaftet und unterliegt einer signifikanten Widerstandsaufheizung. Da der optische Wirkungsgrad von Werkstoffen wie InP und InGaAsP bekanntlich rasch mit der Temperatur abnimmt, beschränkt die Widerstandsaufheizung die Ausgangsleistung des Bauelements. Schließlich erfordern die Strukturen nach Fig. 1 und nach Fig. 2 ebenso wie andere elektrisch injizierte VCSELs p- und n-Dotierstoffe im Inneren des optischen Hohlraums. Die Dotierstoffe bringen weiteren optischen Verlust mit sich, was schließlich die Ausgangsleistung beschränkt.
Eine Alternative zu elektrischem Pumpen ist das optische Pumpen. Das optische Pumpen vermeidet komplizierte Fertigung, Widerstandserhitzung und durch Dotierstoff hervorgerufene Verluste. Eine Vorgehensweise, die bei einem kurzwelligen VCSEL eingesetzt wurde, welcher bei 860 Nanometer arbeitet, wurde von McDaniel et al. beschrieben in dem Artikel mit dem Titel Vertical Cavixy Surface-Emitting Semiconductor Laser with CW Injection Laser Pumping, IEEE Photonics Tech. Lett., 2 (3) (März 1990), Seiten 156-158. Die Autoren verwendeten ein Array von in einer Ebene liegenden Halbleiterlasern als Pumpquelle für einen einzelnen kurzwelligen VCSEL. Bei einer anderen Vorgehensweise des optischen Pumpens zeigten Lin et al. einen langwelligen VCSEL aus 30 Paaren auf Druck beanspruchter Löcher und auf Zug beanspruchter Barrieren und Si/SiO&sub2;- Dielektrikumspiegel, optisch gepumpt mit Hilfe eines moden-verrasteten Ti-Saphir-Lasers, vergleiche Photopumped Long Wavelength Vertical- Cavity Surface-Emitting Lasers Using Strain-Compensated Multiple Quantum Wells, Appl. Phys. Lett. 64 (25) (20. Juni 1994), Seiten 3395-3397. Keine der obigen Vorgehensweisen und auch keine weitere Vorgehensweise, die von einer ebenen Halbleiterlaser-, Farbstofflaser- oder Festkörper- Laserpumpe Gebrauch machen, ist für kommerzielle VCSELs praktikabel. Praxistaugliche VCSELs müssen im Wafer-Maßstab herstellbar und prüfbar sein, um einen deutlichen kommerziellen Vorteil gegenüber flächigen Halbleiterlasern zu haben.
Aus dem oben Gesagten ist ersichtlich, daß Bedarf besteht an einem kompakten, optisch gepumpten langwelligen VCSEL, der im Wafer-Maßstab herstellbar und prüfbar ist.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung schafft einen langwelligen VCSEL, der mit einem kurzwelligen VCSEL optisch gepumpt wird.
Kurz gesagt: ein langwelliger VCSEL gemäß der Erfindung ist optisch gekoppelt mit und wird optisch gepumpt von einem elektrisch gepumpten VCSEL kürzerer Wellenlänge. Strahlung kürzerer Wellenlänge, die von der Oberseite des unten liegenden VCSEL emittiert wird, wird durch den unteren Spiegel des langwelligen VCSEL übertragen. In der bevorzugten Ausführungsform wird Strahlung großer Wellenlänge von der Oberseite des langwelligen VCSEL emittiert. Die beiden VCSELs werden vorzugsweise mit Hilfe eines transparenten optischen Klebstoffs, mit Hilfe des Wafer-Fusing-Verfahrens oder einer Metall-Metall-Bondung miteinander vereint.
In einer speziellen Ausführungsform emittiert der kurzwellige VCSEL Licht bei 980 Nanometer, der langwellige VCSEL emittiert Strahlung bei entweder 1300 oder 1550 Nanometer. Der langwellige VCSEL verwendet entweder durch Wafer-Fusion gebildete, undotierte Spiegel aus GaAs/AlAs oder AlGaAs/AlAs oder dielektrische Spiegel, die aus abwechselnden Schichten aus SiO&sub2; und TiO&sub2; oder eine andere dielektrische Kombination gebildet sind.
Langwellige VCSELs, die bei entweder 1300 oder 1550 Nanometer arbeiten, gepumpt mit Hilfe von 980-Nanometer-VCSELs, sind besonders brauchbar bei Faseroptik-Nachrichtensystemen. Als einzelne Bauelemente können solche langwelligen VCSELs die teuren Laser mit verteilter Rückkopplung in Anwendungsfällen mäßiger Leistung ersetzen. In Form von Arrays eröffnen solche VCSELs die Möglichkeit einer parallelen Langstrecken-Datenübertragung, entweder mit Hilfe eines Bandes optischer Fasern, oder durch Wellenlängen-Multiplexbetrieb mehrere VCSELs auf einer einzigen optischen Faser. Ein- oder zweidimensionale Arrays können auch nützlich bei der optischen Übertragung im freien Raum sein.
In einer zweiten Ausführungsform werden die beiden VCSELs durch einen mechanischen Distanzhalter getrennt. Ein Satz von GaAs-Mikrolinsen, direkt auf dem GaAs-Substrat hergestellt, dient zum Fokussieren der Strahlung aus dem Pump-VCSEL in den langwelligen VCSEL. Diese Ausführungsform ist nützlich bei der Erzielung hoher Ausgangsleistungen, da ein VCSEL mit großem Durchmesser bei kurzer Wellenlänge zum optischen Pumpen eines VCSEL mit kleinerem Durchmesser und größerer Wellenlänge verwendet werden kann. Die GaAs-Mikrolinsen lassen sich ersetzen durch separate Mikrolinsen aus anderem Material.
Ein weitergehendes Verständnis der Besonderheit und der Vorteile der vorliegenden Erfindung läßt sich durch Bezugnahme auf den Rest der Beschreibung und die Zeichnungen gewinnen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines zum Stand der Technik zählenden, elektrisch injizierten 1300/1550-Nanometer-VCSEL mit einem oberen dielektrischen Spiegel;
Fig. 2 ist eine schematische Darstellung eines zum Stand der Technik zählenden, elektrisch injizierten 1300/1550-Nanometer-VCSEL mit zwei durch Wafer-Fusion gebildeten GaAs/AlGaAs-Spiegeln;
Fig. 3 ist eine schematische Darstellung eines grundlegenden Aufbaus gemäß der Erfindung;
Fig. 4 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung, bei der ein Paar langwelliger VCSELs vereint ist mit einem Paar kurzwelliger VCSELs unter Einsatz eines optischen Klebstoffs;
Fig. 5 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung, bei der ein Paar langwelliger VCSELs vereint ist mit einem Paar kurzwelliger VCSELs durch Einsatz von Wafer-Fusion;
Fig. 6 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung, bei der die unteren Spiegel der langwelligen VCSELs im selben Schritt wie die kurzwelligen VCSELs durch Wachstum gebildet sind;
Fig. 7 ist eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 8 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung unter Verwendung integrierter Mikrolinsen;
Fig. 9 veranschaulicht eine alternative Methode des Anbringens der langwelligen VCSEL an kurzwelligen VCSELs unter Verwendung einer Metall-Metall-Bondung;
Fig. 10 ist eine Ausführungsform der Erfindung, bei der sowohl der untere als auch der obere Spiegel der langwelligen VCSELs Dielektrika verwenden;
Fig. 11 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform unter Verwendung lateraler Oxidation;
Fig. 12 ist der Reflexionsvermögen-Verlauf für einen GaAs/AlAs-Spiegel und einen SiO2/TiO&sub2;-Spiegel;
Fig. 13 ist eine schematische Darstellung eines spezifischen langwelligen VCSEL, der sich zur Verwendung im Rahmen der Erfindung eignet;
Fig. 14 ist eine detaillierte Energiebanddarstellung der bevorzugten Absorber-Ausgestaltung für die Ausführungsform nach Fig. 13;
Fig. 15 ist eine Darstellung der Verstärkungskurve für ein InGaAs- Quantenloch;
Fig. 16 ist eine Darstellung der, Pumpleistung gegenüber der Ausgangsleistung für eine spezielle Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 17 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung, bei der die langwellige Strahlung von einem Paar langwelliger VCSEL sich in einer Richtung entgegen derjenigen der Pumpstrahlung ausbreitet; und
Fig. 18 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung ähnlich der in Fig. 17 dargestellten Ausführungsform, nur daß hier die langwelligen VCSEL etwas abgewinkelt gegenüber den kurzwelligen VCSELs sind.

BESCHREIBUNG SPEZIELLER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Eine Alternative zur elektrischen Injektion von Ladungsträgern in die aktive Zone ist die Lichtinjektion mit einer Wellenlänge, die kürzer als die gewünschte Emission ist. Das injizierte Licht wird in dem langwelligen Hohlraum absorbiert, wodurch Elektronen und Löcher erzeugt werden. Diese Ladungsträger wiederum diffundieren in die Quantenlöcher und reemittieren die längere Wellenlänge. Da optisches Pumpen keine elektrischen Kontakte erfordert, ist die Fertigung viel einfacher, und es kommt zu keiner Widerstands-Aufheizung. Da außerdem die Ladungsträger von Licht injiziert werden, läßt sich das Licht durch die Spiegel hindurch injizieren. Beim elektrischen Pumpen muß die Injektion um den Spiegel herum stattfinden, wenn man von einem elektrisch isolierenden Spiegel ausgeht. Außerdem muß bei optischen Pumpsystemen der Hohlraum frei von Dotierstoffen sein, wobei die Dotierstoffe eine Hauptquelle für optische Verluste in VCSELs mit elektrischer Injektion sind.
Fig. 3 ist eine schematische Darstellung eines allgemeinen Aufbaus gemäß der Erfindung. Diese Figur sowie die daran anschließenden Bauelement-Fig. 4 bis 7, 9 bis 11 und 17 bis 18 zeigen zwei kurzwellige VCSELs 43, die optisch zwei langwellige VCSELs 40 pumpen. Diese Konfiguration soll nicht als Beschränkung verstanden werden, sondern auf schematische Weise die im Wafer-Maßstab gehaltene Fertigungstechnologie veranschaulichen. Die gleiche Technologie läßt sich dazu verwenden, einzelne Bauelemente herzustellen, die aus einem kurzwelligen VCSEL bestehen, der einen langwelligen VCSEL pumpt, oder große ein- oder zweidimensionale Arrays herzustellen.
Die Laser 43 sind ein Paar elektrisch gepumpter, kurzwelliger VCSELs. Sie umfassen eine kurzwellige aktive Zone 31, eingefügt zwischen kurzwellige Spiegel 32. Die kurzwellige Strahlung wird von einer Oberseite 33 der VCSELs 43 in die Unterseite eines zweiten Paares von VCSELs 40 emittiert. Die VCSELs 40 sind ein Paar langwelliger VCSELs, umfassend eine langwellige aktive Zone 35 zwischen einem unteren Spiegel 36 und oberen Spiegeln 37. Die Spiegel 36 und 37 sind langwellige Spiegel. Der Spiegel 36 ist für kurzwellige Strahlung, die von den VCSELs 43 emittiert wird, transparent. Langwellige Strahlung wird von den oberen Spiegeln 37 emittiert. Eine Modulation der langwelligen Strahlung wird durch Modulieren der kurzwelligen Pump-VCSELs erreicht. In einer alternativen Ausführungsform erreicht man Modulation durch Anlegen von Kontakten an die langwelligen VCSELs:
Fig. 3 und daran anschließende schematische Bauelement-Darstellungen zeigen die unteren Spiegel 32 des kurzwelligen VCSEL und die oberen Spiegel 37 des langwelligen VCSEL als vertikal geätzt, um zylindrische Pfosten zu bilden. Diese Pfosten unterteilen den zu Beginn ebenen Wafer in zahlreiche brechungsindex-geführte Bauelemente. Brechungsindex- Leitung ist im Stand der Technik bekannt und läßt sich erreichen durch Ätzen, laterales Oxidieren, Implantieren, Diffusion, Neuwachstum oder selektives Wachstum. Bei der bevorzugten Ausführungsform sollten sowohl kurzwellige als auch langwellige VCSELs brechungsindex-geführt sein, wenngleich die kurzwelligen VCSELs auch verstärkungsgeführt oder mit thermischer Linse ausgestattet sein können.
Die optisch gepumpte Konfiguration nach Fig. 3 weist die Vorteile von VCSELs allgemein auf, so zum Beispiel die Möglichkeit der Fertigung und des Testens im Wafer-Maßstab, außerdem die billige ein- und zweidimensionale Array-Fertigung. Dies steht in deutlichem Kontrast zu VCSELs, die Festkörper-, Farbstoff oder Ebenen-Halbleiterlaser als optische Pumpe verwenden. Optisch gepumpte VCSELs, die diese letztgenannten Möglichkeiten nutzen, sind für Array-Anwendungen nicht praktikabel und lassen sich nicht im Wafer-Maßstab fertigen oder testen.
Fig. 4 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung. Langwellige VCSELs 40 verwenden einen mittels Wafer-Fusion hergestellten, nicht-dotierten GaAs/AlAs-Spiegel 41 auf der Unterseite sowie dielektrische Spiegel 42 auf der Oberseite. Dielektrische Spiegel 52 lassen sich aus abwechselnden Schichten aus Siliciumdioxid, SiO&sub2; und Titandioxid, TiO&sub2;, herstellen. Dielektrische Spiegel 42 lassen sich auch mit Hilfe anderer dielektrischer Werkstoffe erzeugen. Langwellige VCSELs 40 sind an kurzwelligen VCSELs 43 mit Hilfe eines transparenten optischen Klebstoffs 44 zwischen GaAs-Substraten 45 und 46 fixiert. Fig. 5 ist im wesentlichen die gleiche Ausführungsform, wie sie in Fig. 4 gezeigt ist, nur daß das GaAs-Substrat 45 der langwelligen VCSELs 40 durch Wafer- Fusion an dem GaAs-Substrat 46 kurzwelliger VCSELs 43 an der Grenzfläche 50 angebracht ist. Diese Vorgehensweise erübrigt einen optischen Klebstoff, was möglicherweise zu einer Verringerung parasitärer Reflexionen führt. In einer abgewandelten, in Fig. 6 gezeigten Ausführungsform kann der GaAs/AlAs-Spiegel 41 durch epitaktisches Wachstum in einem Schritt gleich mit den VCSELs 43 gebildet werden, so daß sowohl auf optischen Klebstoff 44 als auch Wafer-Fusion 50 an dieser Grenzstelle verzichtet werden kann.
Fig. 7 ist eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform der Erfindung. Langwellige VCSELs 40 bestehen aus einer langwelligen aktiven Zone 60 zwischen zwei GaAs/AIAs-Spiegeln 61. Die aktive. Zone 60 ist durch Wafer-Fusion an Spiegeln 61 bei Grenzflächen 62 angebracht. Bei der dargestellten. Ausführungsform ist die doppeltverschmolzene Struktur mit kurzwelligen VCSELs 43 durch optischen Klebstoff 44 verbunden. Die doppelt-geschmolzene Struktur kann auch durch Wafer-Fusion mit VCSELs 43 verbunden sein, wie in Fig. 5 gezeigt ist.
Fig. 8 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform unter Einsatz integrierter Mikrolinsen. Wie bei den vorhergehenden Ausführungsformen werden mehrere kurzwellige VCSELs 43 zum optischen Pumpen von mehreren langwelligen VCSELs 40 verwendet. Bei dieser Ausführungsform allerdings sind die Arrays von VCSELs durch ein mechanisches Distanzteil 70 voneinander getrennt. Zwischen den VCSEL- Arrays gibt es einen Satz von GaAs-Mikrolinsen 71, die dazu dienen, die von den VCSELs 43 kommende Strahlung in die VCSELs 40 hinein zu fokussieren.
Mikrolinsen 71 sind direkt in dem GaAs-Substrat 72 der (gezeigten) kurzwelligen VCSELs ausgebildet, direkt innerhalb des GaAs-Substrats der langwelligen VCSELs (nicht gezeigt), oder in beiden. Damit läßt sich ein kurzwelliger VCSEL mit großem Durchmesser zum optischen Pumpen eines langwelligen VCSEL mit kleinerem Durchmesser einsetzen. Diese Konfiguration ermöglicht höhere Leistungsabgaben in dem langwelligen VCSEL. Bei einer alternativen Ausführungsform sind Mikrolinsen 71 aus einem anderen Material als dem GaAs gebildet, beispielsweise aus Glas oder einem rückfließfähigen Polymer. Bei dieser alternativen Konfiguration sind Mikrolinsen 71 nicht monolithisch integriert mit den übrigen Teilen des Bauelements.
Fig. 9 zeigt eine alternative Methode des Anbringens von langwelligen VCSELs 40 an kurzwelligen VCSELs 43. Bei dieser Vorgehensweise werden die beiden VCSEL-Paare an einer Metall-Grenzfläche 75 mit Hilfe einer Metall-Metall-Bondung verbunden. Ein Satz von Fenstern 76 in der Metall-Grenzfläche 75 ermöglicht den Durchgang von Pumpstrahlung. Mikrolinsen können in die (nicht gezeigten) Fenster eingebaut sein. Wenngleich eine Vielfalt von Metallen als Bondmaterial eingesetzt werden kann, verwendet die bevorzugte Ausführungsform entweder Palladium oder Indium enthaltendes Lot.
Fig. 10 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung, bei der VCSELs 40 dielektrische Spiegel 80 und 81 verwenden. Mit Hilfe eines optischen Klebstoffs 44 zum Verbinden von VCSELs 40 und VCSELs 43 erfordert diese Ausführungsform nicht den Einsatz eines Wafer-Fusion-Prozesses. In einer abgewandelten Ausführungsform wird der dielektrische Spiegel 81 mit Hilfe eines Dielektrikum-Halbleiter- Bondmittels, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist, an VCSELs 43 angebracht.
Bei der in Fig. 11 schematisch dargestellten Ausführungsform der Erfindung befindet sich eine langwellige aktive Zone 60 zwischen einem dielektrischen Spiegel 42 und einem unteren Spiegel 90. Der Spiegel 90 ist gebildet durch epitaktisches Wachstum abwechselnder Schichten aus InP und InAlAs. Zur Schaffung des fertigen Spiegels wird die Struktur geätzt, wobei die Seitenwände des InAIAs-Materials freigelegt werden. Das Aluminium in dem InAIAs wird anschließend von den Seiten her oxidiert, wodurch InWAIXAsyOZ erhalten wird, das einen viel niedrigeren Brechungsindex als InAlAs oder InP besitzt. Im Ergebnis wird ein Spiegel mit geringem Reflexionsvermögen in einen solchen mit hohem Reflexionsvermögen umgewandelt. Die Methode der seitlichen Oxidation kann auch mit Verbindungen durchgeführt werden, die Aluminium und Antimon enthalten.
Fig. 12 zeigt die Reflexionsvermögen-Graphen für zwei spezielle Spiegelformen bei einer Ausführungsform der Erfindung, in der kurzwellige VCSELs 43 bei 980 Nanometer Strahlen und langwellige VCSELs 40 bei 1550 Nanometer Strahlen. Der Graph 100 ist das Reflexionsspektrum für einen GaAs/AlAs-Spiegel, der sich als unterer Spiegel für die VCSELs 40 eignet. Dieser Spiegel läßt die Pumpwellenlänge durch und reflektiert die lange Wellenlänge der VCSELs 40. Der Graph 101 entspricht den Reflexions-Spektren für einen dielektrischen SiO&sub2;/TiO&sub2;-Spiegel, der sich als obere Spiegel der VCSELs 40 eignet. Der dielektrische Spiegel läßt sich so ausbilden, daß er bei Wellenlängen der VCSEL 43 entweder durchlässig oder reflektierend ist. Wenn das Dielektrikum bei dieser Wellenlänge durchlässig ist, wie durch den Graphen 101 dargestellt, so sehen die VCSELs 40 nur einen Durchgang der Strahlung von den Pump-VCSELs 43. Wenn das Dielektrikum bei der Pump-Wellenlänge reflektierend ist (nicht dargestellt), so sehen die VCSELs 40 zwei Durchgänge der Strahlung von Pump-VCSELs 43. Indem man den dielektrischen Spiegel teilweise reflektierend macht, ist es möglich, eine Doppel-Durchgang- Konfiguration zu schaffen, welche die Absorption steigert, und damit auch den Pump-Wirkungsgrad. Es ist außerdem möglich, sowohl obere als auch untere Spiegel der langwelligen VCSELs teilweise für die Pump- Wellenlänge reflektierend zu machen, wodurch eine resonante Pump- Absorption und eine Zunahme des Pump-Wirkungsgrads entsteht. Allerdings läßt sich diese letztgenannte Konfiguration nur schwierig implementieren.
Fig. 13 ist eine schematische Darstellung eines spezifischen langwelligen VCSEL, der sich für die vorliegende Erfindung eignet. Gitterangepaßte, InGaAs-Quantenlöcher 110 werden auf die beiden Spitzen der optisch stehenden Welle plaziert. Quaternäres InGaAsP-Material 111, welches diese Löcher umgibt, absorbiert die Pumpstrahlung und schleust die Ladungsträger in die Löcher, wo sie bei 1550 Nanometer erneut emittieren. Der Absorptionskoeffizient dieses Materials liegt in der Größenordnung von 1,5 · 10&sup4; cm&supmin;¹, so daß für die angegebenen Längen 90% der einfallenden Strahlung bei zwei Durchgängen durch den Hohlraum absorbiert wird. Fig. 13 zeigt außerdem, daß der langwellige Hohlraum eine größere Querabmessung 112 besitzt als die Pump-Querabmessung 113. Dies garantiert nicht nur eine effizientere Umwandlung der Pumpstrahlung in langwelligere Strahlung, sondern auch Einzel-Transversalmodenbetrieb durch den langwelligen VCSEL. In der bevorzugten Ausführungsform ist die Querabmessung 112 des langwelligen VCSEL definiert durch eine seitliche Brechungsindexschwankung (das heißt index-geführt). Die Indexschwankung läßt sich in beliebiger oder in sämtlichen vertikalen Schichten des Bauelements defnieren und läßt sich erreichen durch chemisches Ätzen, durch Rückwachstum, durch Implantation, Diffusion, Stören der Ordnung, selektives Wachstum oder durch andre Methoden. Index-Leitung ist auf dem Gebiet der Halbleiterlaser bekannt.
Fig. 14 ist ein detailliertes Energieband-Diagramm der bevorzugten Absorber-Ausgestaltung für die Ausführungsform nach Fig. 13. Die vertikale Achse dieses Diagramms repräsentiert den vertikalen Abstand innerhalb der Struktur, auf der horizontalen Achse ist die relative Energie aufgetragen. Der Graph 114 zeigt das Energieniveau als eine Funktion des vertikalen Abstands für das Valenzband. Der Graph 115 zeigt das Energieniveau als Funktion des vertikalen Abstands für das Leitungsband. Bei dieser Ausführungsform ist das absorbierende Material 111 von seiner Zusammensetzung her derart beschaffen, daß ein eingebautes elektrisches Feld erzeugt wird. Das eingebaute elektrische Feld unterstützt die Geschwindigkeit und den Wirkungsgrad, mit denen Photo-Ladungsträger in Quantenlöchern 110 gesammelt werden. Dieser so ausgebildete Absorber 111 besteht aus von der Zusammensetzung her eingestellten InGaAsP 116 und 117. Die Abschnitte 116 sind aus 1,15 Mikrometer-Bandlücken-Material auf dem Boden bis 1,3 Mikrometer-Bandlücken-Material auf der Oberseite abgestuft. Die Abschnitte 117 sind abgestuft von Bandlücken-Material bei 1,3 Mikrometer am Boden bis zu Bandlücken-Material bei 1,15 Mikrometer im oberen Bereich. Eine Pufferschicht 118 aus InP ist in diesem Diagramm ebenfalls dargestellt. Obschon in Fig. 13 und bei den nachfolgenden Berechnungen gitterangepaßte Quantenlöcher unterstellt sind, sollten im Idealfall Quantenlöcher 110 in Bezug auf die umgebenden Schichten unter Druckspannung gesetzt sein.
Die Leistung bei 1550 Nanometer gegenüber der Leistung bei 980 Nanometer, der Wellenlänge des Pump-VCSEL der bevorzugten Ausführungsform ist gegeben durch:
(1) P1,5 = (P0,98 - Pth)ηiηconv [T/(T+A)]
wobei
ηi = Bruchteil injizierter Photonen, die strahlend in den Löchern rekombinieren
ηconv = Energieverlust von 980 Nanometer zu 1550 Nanometer = 980/1550 = 0,63
T = anteiliger Durchgang durch den Ausgangsspiegel bei 1550 nm
A = Anteil des Lichtverlusts durch Absorption/Streuung/Beugung pro Umlauf
Pth = Pumpleistung zum Erreichen des Schwellenwerts.
Die Schwellen-Pumpleistung läßt sich anhand der in Fig. 15 gezeigten Quantenloch-Verstärkungskurve berechnen. Zum Erreichen des Schwellenwerts müssen die Quantenlöcher eine Umlauf-Verstärkung gleich dem Umlauf-Verlust, also T + A, aufweisen. Da der Hohlraum frei von Dotierstoffen ist, lassen sich die Umlauf-Absorptions-/Streu-/Beugungs-Verluste sehr klein halten, etwa auf 0,1%. Wenn eine Übertragung nach Außen von 0,3% gegeben ist, beträgt die Schwellenverstärkung 0,4%.
Werden beide Löcher gleichermaßen gepumpt, so besteht eine vernünftige Annahme für Doppeldurchlauf-Absorption darin, daß jedes Loch eine Umlaufverstärkung von 0,2%, oder von 0,1% pro Durchgang aufweisen muß. Wenn eine Lochbreite von 80 Angström gegeben ist, läßt sich dieses Erfordernis umwandeln in eine auf eine Längeneinheit bezogene Verstärkung von 1250 cm 1. Dieser Wert wiederum läßt sich umwandeln in den erforderlichen Strom oder die erforderliche Leistungsdichte, wenn man Fig. 15 verwendet. Da Fig. 15 nicht die periodische Verstärkungserhöhung von 2 berücksichtigt, wenn die Quantenlöcher sich in der Spitze der stehenden Welle befinden, beträgt der geeignete Wert für die Verstärkung pro Längeneinheit 1250/2 = 625 cm&supmin;¹. Gemäß Fig. 15 erfordert eine Verstärkung von 625 cm 1 einen Wert von 270 A/cm². Die insgesamt erforderliche Stromdichte beträgt 540 A/cm², da es hier zwei Quantenlöcher gibt, oder, äquivalent, die absorbierte Leistungsdichte muß 680 W/cm² betragen. Geht man von 85% absorbierter Pumpstrahlung aus, so werden zum Erreichen des Schwellenwerts 800 W/cm² benötigt. Wenn diese Leistung gleichmäßig über einen VCSEL mit einem Durchmesser von 10 Mikrometer verteilt wird, so beträgt die insgesamt erforderliche Leistung 0,6 mW zum Erreichen des Schwellenwerts. Da einige der injizierten Ladungsträger möglicherweise seitwärts nach außerhalb des optischen Schwingungstyps diffundieren, ist die Anzahl injizierter Ladungsträger zum Erreichen des Schwellenwerts höher als die genannte Zahl. Um daher den Ladungsträgerverlust zu kompensieren, wird die Schwellenleistung auf 1,0 Mw eingestellt.
Fig. 16 zeigt einen Graphen bezüglich der Gleichung 1 unter der Annahme von ηi = 0,85 und ηconv 0,63. Fig. 16 zeigt, daß für dieses spezielle Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Ausgangsleistung von etwa 1 mW mit einer 980-Nanometer-Pumpleistung von 4 mW erreicht werden kann.
Durch Steigern der Pumpleistung, durch Verbesserung des Absorptionswirkungsgrads oder durch Verwendung eines leistungsfähigeren Verstärkungsmediums läßt sich die Ausgangsleistung noch steigern. Höhere Ausgangsleistungen lassen sich auch durch Verwendung der in Fig. 8 gezeigten Konfiguration erzielen.
Die graphische Darstellung der Ausgangsleistung gegenüber der Eingangsleistung nach Fig. 16 zeigt das lineare Verhalten über einen großen Leistungsbereich. Typische elektrisch gepumpte VCSEL-Kurven zeigen aufgrund der Erhitzung bei großen Strömen einen Wendepunkt. Dieser Effekt ist in Fig. 16 deshalb nicht dargestellt, weil eine Überhitzung beim optischen Pumpen viel weniger stattfindet als beim elektrischen Pumpen. Beispielsweise liegt die thermische Impedanz der in Fig. 4 dargestellten Struktur in der Größenordnung von 1ºK pro mW. Dies bedeutet, daß I mW Wärme, die in den Hohlraum gelangt, zu einem Temperaturanstieg von 1ºK führt. Bei dem oben diskutierten Beispiel war ein Pumpen bei 4 mW erforderlich; um 1 mW Ausgangssignal bei großer Wellenlänge zu erzielen. Selbst wenn die gesamten übrigen 3 mW in Wärme umgewandelt werden, was allerdings unwahrscheinlich ist, wäre das Ergebnis lediglich ein Temperaturanstieg von 3ºK in dem langwelligen Hohlraum. Im Gegensatz dazu können bei elektrisch gepumpten VCSELs mehrere 10ºK Temperaturanstieg erwartet werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung breitet sich die langwellige Strahlung in einer Richtung aus, die derjenigen der Pumpstrahlung entgegengerichtet ist. Fig. 17 ist eine schematische Darstellung eines möglichen Aufbaus dieser Ausführungsform. Bei dieser Ausführung befindet sich eine kurzwellige aktive Zone 31 zwischen kurzwelligen Spiegeln 85 und 86. Die Spiegel 86 reflektieren praktisch 100% der kurzwelligen Strahlungsemission, sind aber für langwellige Emission im wesentlichen transparent. Bei einer alternativen Ausgestaltung, die schematisch in Fig. 18 dargestellt ist, sind langwellige VCSELs 40 etwas gegenüber kurzwelligen VCSELs 43 abgewinkelt. Das Abwinkeln der beiden Arrays ermöglicht, daß langwellige Strahlung kurzwellige Spiegel 86 umläuft.
Wie dem Fachmann ersichtlich ist, läßt sich die vorliegende Erfindung in anderen speziellen Ausführungsformen ausgestalten, ohne von deren Schutzumfang abzuweichen. Dementsprechend soll die Offenbarung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung lediglich anschaulichen Charakter, jedoch keine beschränkende Bedeutung bezüglich des Schutzumfangs der Erfindung haben, wie er durch die beigefügten Ansprüche festgelegt ist.

Claims

1. Optisches Bauelement, umfassend:

einen ersten oberflächenemittierenden Laser mit vertikalem Resonator VCSEL (40), der ein langweiliges aktives Medium (35) zwischen einem ersten Spiegel (36) und einem zweiten Spiegel (37) aufweist, und der Strahlung mit einer ersten Wellenlänge emittiert; und

einen zweiten VCSEL (43), der elektrisch gepumpt wird und Strahlung mit einer zweiten Wellenlänge emittiert, die kürzer als die erste Wellenlänge ist, wobei der zweite VCSEL den ersten VCSEL optisch pumpt.

2. Optisches Bauelement nach Anspruch 1, umfassend eine Einrichtung zum elektrischen Modulieren des zweiten VCSEL, wobei die Modulation des zweiten VCSEL den ersten VCSEL moduliert.

3. Optisches Bauelement nach Anspruch 1, umfassend eine Einrichtung zum elektrischen Modulieren des ersten VCSEL.

4. Optisches Bauelement nach Anspruch 1, bei dem der erste und der zweite Spiegel Strahlung der zweiten Wellenlänge durchlassen.

5. Optisches Bauelement nach Anspruch 1, bei dem der erste Spiegel Strahlung der zweiten Wellenlänge durchläßt und der zweite Spiegel Strahlung der zweiten Wellenlänge reflektiert.

6. Optisches Bauelement nach Anspruch 1, bei dem zumindest einer von dem ersten und dem zweiten Spiegel des ersten VCSEL durch abwechselnde Materialschichten gebildet wird, ausgewählt aus der Gruppe Galliumarsenid, Aluminiumarsenid, Aluminiumgalliumarsenid und Aluminiumarsenid, wobei der durch die abwechselnden Schichten gebildete Spiegel als Wafer an das langwellige aktive Medium angeschmolzen ist.

7. Optisches Bauelement nach Anspruch 1, bei dem zumindest einer von dem ersten und dem zweiten Spiegel ein dielektrischer Spiegel ist.

8. Optisches Bauelement nach Anspruch 1, bei dem mindestens einer von dem ersten und dem zweiten Spiegel aus abwechselnden Schichten aus Indiumphosphit und Indiumaluminiumarsen-Oxid gebildet ist.

9. Optisches Bauelement nach Anspruch 1, bei dem der erste VCSEL an dem zweiten VCSEL als Wafer (50) angeschmolzen ist.

10. Optisches Bauelement nach Anspruch 1, umfassend eine Schicht optischen Klebstoffs (44), der sich an der Grenzfläche zwischen dem ersten VCSEL und dem zweiten VCSEL befindet.

11. Optisches Bauelement nach Anspruch 1, bei dem der erste VCSEL mit dem zweiten VCSEL durch Metall-Metall-Bonden zusammengefügt ist.

12. Optisches Bauelement nach Anspruch 11, bei dem das Metall-Metall- Bonden ein indiumhaltiges Lot umfaßt.

13. Optisches Bauelement nach Anspruch 1, bei dem der erste Spiegel des ersten VCSEL aus abwechselnden Schichten aus Galliumarsenid und Aluminiumarsenid gebildet ist, und der erste Spiegel und der zweite VCSEL in einem einzigen Schritt epitaktischen Wachstums gebildet werden.

14. Optisches Bauelement nach Anspruch 1, bei dem die erste Wellenlänge etwa 1300 Nanometer und die zweite Wellenlänge etwa 980 Nanometer beträgt.

15. Optisches Bauelement nach Anspruch 1, bei dem die erste Wellenlänge etwa 1550 Nanometer und die zweite Wellenlänge etwa 980 Nanometer beträgt.

16. Optisches Bauelement nach Anspruch 1, bei dem der erste VCSEL einen ersten optischen Modus mit einer ersten Querabmessung (112) und der zweite VCSEL einen zweiten optischen Modus mit einer zweiten Querabmessung (113) aufweist, von denen die erste Querabmessung größer als die zweite Querabmessung ist.

17. Optisches Bauelement nach Anspruch 1, bei dem der erste VCSEL einen optischen Modus aufweist, der durch eine laterale Brechungsindexänderung definiert ist.

18. Optisches Bauelement nach Anspruch 17, bei dem die laterale Brechungsindexänderung unter Verwendung einer Methode zustande kommt, die ausgewählt ist aus der Gruppe chemisches Ätzen, Neuwachstum, Implantation, Diffusion, Fehlordnen oder selektives Wachstum.

19. Optisches Bauelement nach Anspruch 1, weiterhin umfassend:

ein mechanisches Abstandsglied (70) zwischen dem ersten VCSEL und dem zweiten VCSEL; und

mindestens eine Galliumarsenid-Mikrolinse (71) zwischen dem ersten VCSEL und dem zweiten VCSEL, wobei die Mikrolinse die von dem zweiten VCSEL kommende Strahlung auf den ersten VCSEL fokussiert.

20. Optisches Bauelement nach Anspruch 1, bei dem das langwellige aktive Medium eine erste Mehrzahl von zweite Wellenlängen absorbierenden Schichten und eine zweite Mehrzahl von Quantenloch-Schichten aufweist.

21. Optisches Bauelement, umfassend:

ein erstes Array von oberflächenemittierenden Lasern mit vertikalem Resonator VCSELs (40), wobei die VCSELs des ersten Arrays ein langweiliges aktives Medium (35) zwischen einem ersten Spiegel (36) und einem zweiten Spiegel (37) aufweisen, und die VCSELs des ersten Arrays Strahlung einer ersten Wellenlänge emittieren; und

ein zweites Array von VCSELs (43), wobei die VCSELs des zweiten Arrays elektrisch gepumpt werden und Strahlung mit einer zweiten Wellenlänge emittieren, die kürzer ist als die erste Wellenlänge, wobei das zweite Array das erste Array optisch pumpt.

22. Verfahren zum Stimulieren von Emission in einem ersten oberflächenemittierenden Laser mit vertikalem Resonator VCSEL (40), wodurch die Emission von Strahlung einer ersten Wellenlänge durch das erste VCSEL veranlaßt wird, wobei das Verfahren das Injizieren von Strahlung in den ersten VCSEL bei einer zweiten Wellenlänge mit einem zweiten VCSEL umfaßt und die zweite Wellenlänge kürzer als die erste Wellenlänge ist.