EP1358701A2 - Laserstruktur und verfahren zur einstellung einer definierten wellenlänge - Google Patents

Laserstruktur und verfahren zur einstellung einer definierten wellenlänge

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Publication number
EP1358701A2
EP1358701A2 EP02706629A EP02706629A EP1358701A2 EP 1358701 A2 EP1358701 A2 EP 1358701A2 EP 02706629 A EP02706629 A EP 02706629A EP 02706629 A EP02706629 A EP 02706629A EP 1358701 A2 EP1358701 A2 EP 1358701A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
resonator
laser structure
resonators
structure according
ring
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP02706629A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Bernhard STEGMÜLLER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Infineon Technologies AG
Original Assignee
Infineon Technologies AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Infineon Technologies AG filed Critical Infineon Technologies AG
Publication of EP1358701A2 publication Critical patent/EP1358701A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/1071—Ring-lasers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
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    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/1028—Coupling to elements in the cavity, e.g. coupling to waveguides adjacent the active region, e.g. forward coupled [DFC] structures
    • H01S5/1032—Coupling to elements comprising an optical axis that is not aligned with the optical axis of the active region
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/14—External cavity lasers
    • H01S5/141—External cavity lasers using a wavelength selective device, e.g. a grating or etalon
    • H01S5/142—External cavity lasers using a wavelength selective device, e.g. a grating or etalon which comprises an additional resonator

Definitions

  • the invention relates to a laser structure and a method for setting a defined wavelength.
  • a laser diode with adjustable narrow-band emission wavelength is a key component in optical signal transmission and signal processing technology.
  • the setting of a defined emission wavelength and the coupling of different signals with different wavelengths is necessary in order to be able to achieve an extremely high data transmission rate of more than 1 TBit / s.
  • a laser diode in which the wavelength selection is carried out with the aid of a distributed feedback or distributed Bragg reflector structure.
  • a light wave is generated and guided in a light-guiding strip or film, which is also the active area.
  • the guidance along the film is effected by differences in refractive index between the core area and the cladding area.
  • Varying the thickness of the core region results in light scattering and interference in part of the generated wavelengths in accordance with the Bragg condition.
  • the periodic variation in the core region thickness at the end regions of the active optical film is used instead of resonator mirrors, as a result of which light of a specific wavelength can be specifically selected by reflection and then amplified.
  • the periodic variation in the core region thickness is spread along the entire active optical film, as a result of which optical excitation takes place only at a specific wavelength.
  • the setting of the laser wavelength is usually done by tuning the resonance wavelength in the laser resonator through physical action.
  • the resonance wavelength can be influenced by means of the current flow through the active optical film, by means of the voltage applied to the active optical film or by means of the temperature prevailing in the active optical film.
  • the laser wavelength can be set by optically coupling various linear individual resonators, so that certain wavelengths are preferred.
  • the best-known linear individual resonators are the Fabry-Perot resonator, the distributed feedback resonator and the distributed Bragg reflector resonator.
  • the dimensions of the optical components with the linear individual resonators be several 100 ⁇ m. This is especially the case when the wave propagation takes place in the plane of the grown epitaxial layers with which the optical components are produced.
  • a light source for optical communication which can control a high light output power over a wide frequency range or is operated over a wide range of optical output power on a single wavelength, using a semiconductor laser with coupled modes.
  • a first semiconductor laser section is optically coupled to a second semiconductor laser section by means of a resonator, the first semiconductor laser section being operated with high output power and the second semiconductor laser section being operated at a single wavelength.
  • a DFB (distribution feedback) ring laser can be used as the second semiconductor laser section.
  • the two semiconductor laser sections represent two separate individual resonators.
  • two waveguides are optically coupled to one another by means of a ring or disk resonator.
  • the ring or disc resonator takes on the function of a switching element, which can be used to control whether a light signal carried in one waveguide is also transmitted by means of the other waveguide.
  • a switching element which can be used to control whether a light signal carried in one waveguide is also transmitted by means of the other waveguide.
  • a combination of optically coupled individual resonators with a physical effect on the resonance frequency of the separate individual resonators enables a narrow-band emission wavelength, but leads to this
  • the production of separate individual resonators is very complex and therefore expensive.
  • this is due to the difficult periodic variation in the core region thickness and, in the case of the Fabry-Perot resonator, the difficult production of optically highly reflective, parallel mirrors at the resonator ends.
  • the invention is therefore based on the problem of specifying a laser structure and a method for setting a defined wavelength, with which compared to the described prior art, despite the lower
  • Component size a narrow-band emission wavelength can be achieved.
  • a laser structure on a semiconductor substrate has a first resonator, a second resonator and a third resonator.
  • the second resonator and the third resonator are designed as ring resonators and are arranged in at least one common section next to the first resonator or next to the second resonator, essentially at a constant distance from the first resonator or second resonator. This makes the second
  • Resonator optically coupled to the first resonator and the third resonator via the second resonator or directly to the first resonator such that a standing wave with a defined wavelength can form in the first resonator.
  • the common section in which a resonator is arranged next to another resonator at a substantially constant distance from the other resonator, has a length of at least several wavelengths of the emitted
  • a first resonator is provided in a laser structure on a semiconductor substrate.
  • a ring resonator is arranged as a second resonator in at least one common section next to the first resonator at a substantially constant distance from the first resonator.
  • Another ring resonator is arranged as a third resonator in at least one common section next to the second resonator or next to the first resonator, essentially at a constant distance from the second resonator or first resonator.
  • the second resonator is optically coupled to the first resonator and the third resonator is optically coupled via the second resonator or directly to the first resonator in such a way that a standing wave with a defined wavelength can form in the first resonator.
  • An advantage of the invention is that the laser structure according to the invention has a component size of a few 100 ⁇ m 2,
  • Another advantage of the invention results from the use of ring resonators of different sizes by nesting them together, which enables optical coupling of the resonators in a very small space and thus a further reduction in component size.
  • the desired emission wavelength can also be set on the basis of the vernier effect respectively.
  • more or fewer resonators are then optically coupled to one another by further resonators acting as switching elements.
  • the laser structure according to the invention is preferably set up in such a way that the third resonator and the second resonator are nested in one plane.
  • the second resonator and the third resonator can be arranged in a first plane, while the first resonator is arranged in a plane parallel to the first plane.
  • the third resonator and the second resonator can also be arranged next to one another in parallel planes.
  • the laser structure according to the invention is preferably set up in such a way that the respective optical coupling of the three resonators can be changed by at least one external parameter.
  • a laser structure provided in this way enables the user to be able to influence the defined wavelength in the first resonator.
  • the resonance frequency of the second resonator and the third resonator can be set variably.
  • the group of external parameters preferably includes the current flow, the temperature and the applied voltage.
  • At least one further ring resonator is optically coupled to the first resonator directly or via one of the other resonators.
  • the direct or indirect optical coupling of further resonators to the first resonator makes it possible to achieve a higher accuracy when setting the defined laser wavelength in the first resonator.
  • At least one further resonator is arranged adjacent to the three resonators.
  • the further resonator enables control of the respective optical coupling between the individual resonators.
  • the further resonator can be used as a switching element which can switch the optical coupling between the first resonator and the second resonator on and off and thus influences the setting of the defined laser wavelength in the first resonator.
  • the laser structure according to the invention is preferably set up in such a way that the second resonator, the third resonator and each further ring resonator each act as a wavelength filter on the first resonator.
  • the second resonator, the third resonator and each further resonator are preferably each designed as a distributed feedback resonator or as a distributed Bragg reflector resonator.
  • Ring resonators are particularly suitable. Circles, ellipses and polygons, for example, are possible as shapes for ring resonators, each of which is arranged adjacent to one another in a plane and nested with different sizes.
  • the geometric shape is the
  • Ring resonators only secondary, as long as each resonator has the shape of a closed ring.
  • a three-dimensional arrangement of the resonators is also possible, i.e. some resonators are arranged adjacent within a plane, while in a parallel plane further resonators are arranged adjacent, which can also be formed concentrically to the adjacent resonators. Given the same spacing of the resonators, an optical coupling of resonators in parallel planes is for epitaxial reasons at least a factor 10 better than an optical coupling of resonators within one plane.
  • FIG. 1 shows a top view of a laser structure according to a first exemplary embodiment of the invention
  • FIG. 2 shows a cross section through the laser structure from FIG. 1 along the section line A-A;
  • Figure 3 is a plan view of a laser structure according to a second embodiment of the invention.
  • Figure 4 is a plan view of a laser structure according to a third embodiment of the invention.
  • Figure 5 shows a cross section through the laser structure of Figure 4 along the section line BB.
  • Control resonators 150 and four second control resonators 160, each with an electrical contact 121, are arranged such that the optical coupling of the individual ring resonators to one another can be switched on and off. An exact setting of the resonance frequency in the first ring resonator 120 and consequently a narrow-band emission wavelength for the entire laser structure 100 is thus possible.
  • FIG. 2 shows a cross section 200 through the laser structure 100 shown in FIG. 1 along the section line A-A.
  • cross section 200 it becomes clear that the laser structure 100 is based on a substrate 201.
  • a cross section through the active resonator region 111 of the Fabry-Perot resonator 110 and through the first ring resonator 120 is shown.
  • the two resonators are arranged in a plane parallel to and through the surface of the substrate 201
  • Insulation material 202 electrically insulated from one another and from the environment.
  • a dielectric material can be selected as the insulation material 202.
  • the insulation material 202 can also be dispensed with entirely, which is why the insulation is then to be accomplished by air.
  • the two resonators are supplied with electrical energy by the electrical contacts 113 and 121, the resonators being transversely flowed through by the electrical energy flow 203.
  • the two resonators shown have a width of up to 20 ⁇ m and a distance of up to 5 ⁇ m from one another.
  • the optical coupling of the resonators takes place on the basis of an optical overlap of the two resonance wavelengths, which enables an optical energy flow 204 between the two resonators.
  • FIG 3 shows a top view of a laser structure 300 according to a second exemplary embodiment of the invention.
  • the laser light is emitted by a curved resonator 310 with an active resonator region 311, resonator mirrors 312 and an electrical contact 313.
  • Second ring resonators 330 of smaller size are arranged within the first ring resonator 320, a third ring resonator 340 being nested in one of the second ring resonators 330.
  • the ring resonators in this exemplary embodiment have an elliptical shape.
  • the ring resonators are thus arranged next to one another and to the curved resonator 310, at least in a common section, essentially at a constant distance from one another.
  • the laser structure 300 according to the second exemplary embodiment has a small space requirement on a semiconductor substrate due to the nesting of the ring resonators, just like the laser structure 100 according to the first exemplary embodiment.
  • 4 shows a top view of a laser structure 400 according to a third exemplary embodiment of the invention.
  • the laser structure 400 of this exemplary embodiment differs from the laser structure 100 according to the first
  • the first ring resonator 410 with the nested second ring resonators 420 is arranged in a plane adjacent to the plane of the Fabry-Perot resonator 110.
  • a group of nested third ring resonators 430 and a group of nested fourth ring resonators 440 are optically coupled directly to the Fabry-Perot resonator 110.
  • the second ring resonators 420, the third ring resonators 430 and the fourth ring resonators 440 have the shape of hexagons.
  • FIG. 5 shows a cross section 500 through the laser structure 400 shown in FIG. 4 along the section line B-B.
  • the arrangement of the resonators in several planes is particularly clear.
  • the arrangement of the resonators in a plurality of parallel planes on the one hand results in an optical coupling of the resonators within one plane, which enables a horizontal optical energy flow 501 between the first ring resonator 410 and the second ring resonators 420, and on the other hand an optical coupling of the resonators between adjacent ones Levels, creating a vertical optical Energy flow 502 between the active resonator region 111 of the Fabry-Perot resonator 110 and the first ring resonator 410 is made possible.
  • the emitted laser wavelength thus results from a mixture of the individual optical couplings to the emitting resonator, ie a multiple overlap of the optical wave functions of the resonance waves of the different resonators.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Laserstruktur auf einem Halbleitersubstrat, die einen ersten Resonator, einen zweiten Resonator und einen dritten Resonator aufweist. Der zweite Resonator und der dritte Resonator sind als Ringresonatoren ausgebildet und in zumindest einem gemeinsamen Abschnitt neben dem ersten Resonator bzw. Neben dem zweiten Resonator im wesentlichen mit konstantem Abstand zu dem ersten Resonator bzw. Zu dem zweiten Resonator angeordnet. Dadurch sind der zweite Resonator an den ersten Resonator und der dritte Resonator über den zweiten Resonator bzw. Direkt an den ersten Resonator derart optisch gekoppelt, dass sich in dem ersten Resonator eine stehende Welle mit einer definierten Wellenlänge ausbilden kann.

Description

Besehreibung
Lasers ruktur und Verfahren zur Einstellung einer definierten Wellenlänge
Die Erfindung betrifft eine Laserstruktur und ein Verfahren zur Einstellung einer definierten Wellenlänge.
Eine Laserdiode mit einstellbarer schmalbandiger Emissionswellenlänge ist eine Schlüsselkomponente in der optischen Signalübertragungs- und Signalverarbeitungstechnik. Die Einstellung einer definierten Emissionswellenlänge und die Einkopplung von verschiedenen Signalen mit unterschiedlichen Wellenlängen (sogenannten Trägerfrequenzen) ist notwendig, um eine extrem hohe Datenübertragungsrate von größer 1 TBit/s erreichen zu können.
Es ist eine Laserdiode bekannt, bei der die Wellenlängenauswahl mit Hilfe einer Distributed-Feedback- oder Distributed-Bragg-Reflector-Struktur durchgeführt wird. Bei einer solchen Struktur wird eine Lichtwelle in einem lichtleitenden Streifen oder Film, der gleichzeitig der aktive Bereich ist, erzeugt und geführt. Die Führung längs des Films wird durch Brechzahlunterschiede zwischen Kernbereich und Mantelbereich bewirkt. Durch periodische
Variation der Dicke des Kernbereichs kommt es gemäß der Bragg-Bedingung zur Lichtstreuung sowie zur Interferenz eines Teils der erzeugten Wellenlängen.
Bei einer Distributed-Bragg-Reflector-Struktur wird die periodische Variation der Kernbereichsdicke an den Endbereichen des aktiven optischen Films an Stelle von Resonatorspiegeln eingesetzt, wodurch gezielt Licht einer bestimmten Wellenlänge durch Reflexion ausgewählt und dann verstärkt werden kann. Bei einer Distributed-Feedback-Struktur hingegen ist die periodische Variation der Kernbereichsdicke längs des ganzen aktiven optischen Films ausgebreitet, wodurch eine optische Anregung gezielt nur bei einer bestimmten Wellenlänge erfolgt.
Die Einstellung der Laserwellenlänge erfolgt meistens dadurch, dass die Resonanzwellenlänge im Laserresonator durch physikalische Einwirkung abgestimmt wird. Beispielsweise kann die Resonanzwellenlänge mittels des Stromflusses durch den aktiven optischen Film, mittels der am aktiven optischen Film anliegenden Spannung oder mittels der im aktiven optischen Film herrschenden Temperatur beeinflusst werden.
Alternativ kann die Einstellung der Laserwellenlänge durch optische Verkopplung verschiedener linearer Einzelresonatoren erfolgen, so dass bestimmte Wellenlängen bevorzugt sind. Die bekanntesten linearen Einzelresonatoren sind der Fabry-Perot- Resonator, der Distributed-Feedback-Resonator und der Distributed-Bragg-Reflector-Resonator . Der Distributed-Bragg- Reflector-Resonator ist ein Resonator mit parallelen Resonatorspiegeln, der vor allem bei oberflächenemittierenden Lasern (VCSEL = vertical cavity surface emitting laser) Anwendung findet, wobei die Resonatorspiegel auf den Endflächen des VCSEL-Substrats angeordnet sind.
Durch eine relativ schwache optische Kopplung zwischen den linearen Einzelresonatoren ist es erforderlich, dass die Ausdehnungen der optischen Bauelemente mit den linearen Einzelresonatoren mehrere 100 μm betragen. Dies ist vor allem dann der Fall, wenn die Wellenausbreitung in der Ebene der gewachsenen Epitaxieschichten, mit denen die optischen Bauelemente hergestellt werden, erfolgt.
Aus JP 04349682 A ist eine Lichtquelle zur optischen Kommunikation bekannt, welche über einen weiten Frequenzbereich eine hohe Licht-Ausgangsleistung steuern kann oder über einen weiten Bereich der optischen Ausgangsleistung auf einer einzelnen Wellenlänge betrieben wird, wobei ein Halbleiterlaser mit gekoppelten Moden zur Anwendung kommt. Dabei ist ein erster Halbleiterlaserabschnitt optisch mittels eines Resonators mit einem zweiten Halbleiterlaserabschnitt gekoppelt, wobei der erste Halbleiterlaserabschnitt mit hoher Ausgangsleistung und der zweite Halbleiterlaserabschnitt bei einer einzelnen Wellenlänge betrieben werden. Als zweiter Halbleiterlaserabschnitt kann dabei ein DFB- (distribution feedback) Ringlaser zur Anwendung kommen. Dabei stellen die beiden Halbleiterlaserabschnitte zwei separate Einzelresonatoren dar.
In Opt. Lett., Vol. 22, No . 16, S. 1244 - 1246 (1997) werden zwei Wellenleiter mittels eines Ring- bzw. Scheibenresonators miteinander optisch gekoppelt. Dabei übernimmt der Ring- bzw. Scheibenresonator die Funktion eines Schaltelements, wodurch gesteuert werden kann, ob ein in dem einen Wellenleiter geführtes Lichtsignal auch mittels des anderen Wellenleiters übertragen wird. Ein variables Einstellen einer schmalbandigen Emissionswellenlänge erfolgt dabei jedoch nicht. Zur Herstellung eines Ringresonators wird außerdem auf Appl. Phys. Lett., Vol. 66, No . 20, S. 2608 - 2610 (1995) verwiesen.
Eine Kombination von optisch gekoppelten Einzelresonatoren mit einer physikalischen Einwirkung auf die Resonanzfrequenz der separaten Einzelresonatoren ermöglicht zwar eine schmalbandige Emissionswellenlänge, führt dafür jedoch zu
2 einer großen Bauelementgröße von bis zu mehreren 0,01 mm .
Außerdem ist die Herstellung von separaten Einzelresonatoren sehr aufwändig und damit kostenintensiv. Dies liegt bei dem Distributed-Feedback-Resonator und dem Distributed-Bragg- Reflector-Resonator an der diffizilen periodischen Variation der Kernbereichsdicke und bei dem Fabry-Perot-Resonator an der schwierigen Herstellung optisch hochreflektierender, paralleler Spiegel an den Resonatorenden. Der Erfindung liegt somit das Problem zugrunde, eine Laserstruktur sowie ein Verfahren zur Einstellung einer definierten Wellenlänge anzugeben, mit der/dem verglichen mit dem beschriebenen Stand der Technik trotz geringerer
Bauelementgröße eine schmalbandigere Emissionswellenlänge erreicht werden kann.
Das Problem wird durch eine Laserstruktur sowie durch ein Verfahren zur Einstellung einer definierten Wellenlänge mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst.
Eine Laserstruktur auf einem Halbleitersubstrat weist auf einen ersten Resonator, einen zweiten Resonator und einen dritten Resonator. Der zweite Resonator und der dritte Resonator sind als Ringresonatoren ausgebildet und in zumindest einem gemeinsamen Abschnitt neben dem ersten Resonator bzw. neben dem zweiten Resonator im wesentlichen mit konstantem Abstand zu dem ersten Resonator bzw. zu dem zweiten Resonator angeordnet. Dadurch sind der zweite
Resonator an den ersten Resonator und der dritte Resonator über den zweiten Resonator bzw. direkt an den ersten Resonator derart optisch gekoppelt, dass sich in dem ersten Resonator eine stehende Welle mit einer definierten Wellenlänge ausbilden kann.
Der gemeinsame Abschnitt, in dem ein Resonator neben einem anderen Resonator im wesentlichen mit konstantem Abstand zu dem anderen Resonator angeordnet ist, weist eine Länge von mindestens mehreren Wellenlängen der emittierten
Laserstrahlung auf, damit ein ausreichender Überlapp der optischen Wellenfunktionen der beiden Resonanzwellen gewährleistet ist. Dieser Überlapp beeinflusst die Resonanzfrequenzen der beiden Resonatoren und ermöglicht somit die Einstellung der emittierten Laserstrahlung. Bei einem Verfahren zur Einstellung einer definierten Wellenlänge werden folgende Schritte durchgeführt: In einer Laserstruktur auf einem Halbleitersubstrat wird ein erster Resonator bereitgestellt. Ein Ringresonator wird als zweiter Resonator in zumindest einem gemeinsamen Abschnitt neben dem ersten Resonator im wesentlichen mit konstantem Abstand zu dem ersten Resonator angeordnet. Ein weiterer Ringresonator wird als dritter Resonator in zumindest einem gemeinsamen Abschnitt neben dem zweiten Resonator bzw. neben dem ersten Resonator im wesentlichen mit konstantem Abstand zu dem zweiten Resonator bzw. zu dem ersten Resonator angeordnet. Der zweite Resonator wird optisch derart an den ersten Resonator gekoppelt und der dritte Resonator wird optisch derart über den zweiten Resonator bzw. direkt an den ersten Resonator gekoppelt, dass sich in dem ersten Resonator eine stehende Welle mit einer definierten Wellenlänge ausbilden kann.
Ein Vorteil der Erfindung ist, dass die erfindungsgemäße Laserstruktur eine Bauelementgröße von einigen 100 μm 2 ,
2 bevorzugt eine maximale Bauelementgröße von 100 μm , aufweist, wobei die tatsächliche Bauelementgroße von der
Anzahl der Resonatoren, von der gewünschten Wellenlänge und von den verwendeten Bauelementmaterialien abhängt. Damit ist die erfindungsgemäße Laserstruktur zum Einsatz in einer hochintegrierten Schaltung (VLSI-Schaltung = very large scale
Integration) geeignet.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ergibt sich bei der Verwendung von verschieden großen Ringresonatoren durch Ineinanderschachteln derselben, wodurch eine optische Verkopplung der Resonatoren auf engstem Raum ermöglicht und somit eine weitere Verringerung der Bauelementgröße erreicht wird. Bei optischer Verkopplung von Resonatoren, deren Resonanzwellenlängen sich nur um wenige Prozent unterscheiden, kann überdies eine Einstellung der gewünschten Emissionswellenlänge auf der Basis des Nonius-Effektes erfolgen. Je nach gewünschter Emissionswellenlänge werden dann mehr oder weniger Resonatoren durch als Schaltelemente wirkende weitere Resonatoren miteinander optisch verkoppelt.
Schließlich ergibt sich noch als weiterer Vorteil, dass bei Verwendung von reinen Ringresonatoren in der Erfindung der Herstellungsaufwand für die Resonatoren reduziert wird. Dies liegt daran, dass dann durch den Verzicht auf Distributed- Feedback- und Distributed-Bragg-Reflector-Resonatoren keine diffizilen periodischen Variationen der Kernbereichsdicke und durch den Verzicht auf Fabry-Perot-Resonatoren keine optisch hochreflektierenden, parallelen Spiegel an den Resonatorenden hergestellt werden müssen. Dadurch werden folglich auch die Herstellungskosten für das optische Bauelement deutlich reduziert.
Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Laserstruktur derart eingerichtet, dass der dritte Resonator und der zweite Resonator in einer Ebene ineinandergeschachtelt angeordnet sind. Beispielsweise können der zweite Resonator und der dritte Resonator in einer ersten Ebene angeordnet sein, während der erste Resonator in einer zu der ersten Ebene parallelen Ebene angeordnet ist. Alternativ können der dritte Resonator und der zweite Resonator auch in parallelen Ebenen nebeneinander angeordnet sein.
Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Laserstruktur derart eingerichtet, dass die jeweilige optische Kopplung der drei Resonatoren durch mindestens einen äußeren Parameter verändert werden kann. Eine derart vorgesehene Laserstruktur ermöglicht es dem Nutzer, Einfluss auf die definierte Wellenlänge im ersten Resonator nehmen zu können. In Abhängigkeit des äußeren Parameters lässt sich die Resonanzfrequenz des zweiten Resonators und des dritten Resonators variabel einstellen. Durch die optische Kopplung des zweiten Resonators und des dritten Resonators an den ersten Resonator kann im ersten Resonator eine definierte Laserwellenlänge eingestellt werden.
Zur Gruppe der äußeren Parameter gehören vorzugsweise der Stromfluss, die Temperatur und die anliegende Spannung.
In einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Laserstruktur ist an den ersten Resonator direkt oder über einen der anderen Resonatoren mindestens ein weiterer Ringresonator optisch gekoppelt. Durch die direkte oder indirekte optische Ankopplung weiterer Resonatoren an den ersten Resonator lässt sich eine höhere Genauigkeit bei der Einstellung der definierten Laserwellenlänge im ersten Resonator erreichen.
In einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Laserstruktur ist zu den drei Resonatoren mindestens ein weiterer Resonator benachbart angeordnet. Der weitere Resonator ermöglicht eine Steuerung der jeweiligen optischen Kopplung zwischen den einzelnen Resonatoren.
Beispielsweise kann der weitere Resonator als Schaltelement verwendet werden, welches die optische Kopplung zwischen erstem Resonator und zweitem Resonator ein- und ausschalten kann und somit die Einstellung der definierten Laserwellenlänge im ersten Resonator beeinflusst.
Die erfindungsgemäße Laserstruktur ist vorzugsweise derart eingerichtet, dass der zweite Resonator, der dritte Resonator und jeder weitere Ringresonator jeweils als Wellenlängenfilter auf den ersten Resonator wirken.
Vorzugsweise sind in der erfindungsgemäßen Laserstruktur der zweite Resonator, der dritte Resonator und jeder weitere Resonator jeweils als Distributed-Feedback-Resonator oder als Distributed-Bragg-Reflector-Resonator ausgebildet. d o
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Ringresonatoren besonders eignet. Als Formen für Ringresonatoren sind beispielsweise Kreise, Ellipsen und Vielecke möglich, die jeweils in einer Ebene benachbart und mit unterschiedlichen Größen ineinandergeschachtelt angeordnet sind. Dabei ist die geometrische Form der
Ringresonatoren nur zweitrangig, solange jeder Resonator die Form eines geschlossenen Rings aufweist.
Ebenso ist eine dreidimensionale Anordnung der Resonatoren möglich, d.h. einige Resonatoren sind innerhalb einer Ebene benachbart angeordnet, während in einer parallelen Ebene weitere Resonatoren benachbart angeordnet sind, die auch konzentrisch zu den benachbarten Resonatoren ausgebildet sein können. Bei gleichem Abstand der Resonatoren ist eine optische Kopplung von Resonatoren in parallelen Ebenen aus epitaktischen Gründen um mindestens einen Faktor 10 besser als eine optische Kopplung von Resonatoren innerhalb einer Ebene .
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Komponenten.
Es zeigen Figur 1 eine Draufsicht auf eine Laserstruktur gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Figur 2 einen Querschnitt durch die Laserstruktur aus Figur 1 entlang der Schnittlinie A-A;
Figur 3 eine Draufsicht auf eine Laserstruktur gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Figur 4 eine Draufsicht auf eine Laserstruktur gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
Figur 5 einen Querschnitt durch die Laserstruktur aus Figur 4 entlang der Schnittlinie B-B.
optisch primär vor allem mit dem jeweils umgebenden zweiten Ringresonator 130.
Weiterhin sind in dem vom ersten Ringresonator 120 eingeschlossenen Gebiet der Laserstruktur 100 zwei erste
Steuerresonatoren 150 und vier zweite Steuerresonatoren 160 mit jeweils einem elektrischen Kontakt 121 derart angeordnet, dass die optische Kopplung der einzelnen Ringresonatoren untereinander ein- und ausgeschaltet werden kann. Somit ist eine genaue Einstellung der Resonanzfrequenz im ersten Ringresonator 120 und folglich einer schmalbandigen Emissionswellenlänge für die gesamte Laserstruktur 100 möglich.
Zur Verdeutlichung der Anordnung der Laserstruktur 100 zeigt Fig.2 einen Querschnitt 200 durch die in Fig.l gezeigte Laserstruktur 100 entlang der Schnittlinie A-A. Im Querschnitt 200 wird deutlich, dass die Laserstruktur 100 auf einem Substrat 201 basiert.
Weiterhin ist je ein Querschnitt durch den aktiven Resonatorbereich 111 des Fabry-Perot-Resonators 110 und durch den ersten Ringresonator 120 dargestellt. Die beiden Resonatoren sind in einer Ebene parallel zur Oberfläche des Substrats 201 benachbart angeordnet und durch
Isolationsmaterial 202 voneinander sowie gegenüber der Umgebung elektrisch isoliert. Als Isolationsmaterial 202 kann ein dielektrisches Material gewählt werden. Alternativ kann auf das Isolationsmaterial 202 auch ganz verzichtet werden, weshalb dann die Isolation durch Luft zu bewerkstelligen ist.
Die beiden Resonatoren werden durch die elektrischen Kontakte 113 und 121 mit elektrischer Energie versorgt, wobei die Resonatoren vom elektrischen Energiefluss 203 transversal durchflössen werden. Die beiden dargestellten Resonatoren weisen eine Breite von bis zu 20 μm und einen Abstand von bis zu 5 μm zueinander auf. Die optische Kopplung der Resonatoren erfolgt auf Grund eines optischen Überlapps der beiden Resonanzwellenlängen, wodurch ein optischer Energiefluss 204 zwischen den beiden Resonatoren ermöglicht wird.
Fig.3 zeigt eine Draufsicht auf eine Laserstruktur 300 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Im Unterschied zur Laserstruktur 100 gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel der Erfindung wird das Laserlicht von einem gebogenen Resonator 310 mit einem aktiven Resonatorbereich 311, Resonatorspiegeln 312 und einem elektrischen Kontakt 313 emittiert.
Innerhalb des ersten Ringresonators 320 sind zweite Ringresonatoren 330 mit geringerer Größe angeordnet, wobei in einen der zweiten Ringresonatoren 330 ein dritter Ringresonator 340 ineinandergeschachtelt angeordnet ist.
Damit eine optische Kopplungsmöglichkeit zwischen dem ersten Ringresonator 320, den zweiten Ringresonatoren 330 und dem dritten Ringresonator 340 sowie vor allem an den gebogenen Resonator 310 geschaffen wird, haben die Ringresonatoren in diesem Ausführungsbeispiel eine elliptische Form. Somit sind die Ringresonatoren untereinander sowie zum gebogenen Resonator 310 jeweils zumindest in einem gemeinsamen Abschnitt im wesentlichen mit konstantem Abstand zueinander nebeneinander angeordnet .
Die Laserstruktur 300 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel weist durch die Verschachtelung der Ringresonatoren ebenso wie die Laserstruktur 100 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel einen geringen Platzbedarf auf einem Halbleitersubstrat auf. In Fig.4 ist eine Draufsicht auf eine Laserstruktur 400 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt.
Auf die in Fig.l bereits beschriebenen Komponenten wird hier nicht erneut eingegangen.
Die Laserstruktur 400 dieses AusführungsbeiSpiels unterscheidet sich von der Laserstruktur 100 gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel durch folgende Merkmale: • Der erste Ringresonator 410 mit den verschachtelten zweiten Ringresonatoren 420 ist in einer Ebene parallel zur Ebene des Fabry-Perot-Resonators 110 benachbart angeordnet. Zur Erläuterung wird auf die Fig.5 verwiesen. β Eine Gruppe ineinandergeschachtelter dritter Ringresonatoren 430 und eine Gruppe ineinandergeschachtelter vierter Ringresonatoren 440 sind zusätzlich zum ersten Ringresonator 410 direkt an den Fabry-Perot-Resonator 110 optisch gekoppelt.
• Die zweiten Ringresonatoren 420, die dritten Ringresonatoren 430 und die vierten Ringresonatoren 440 weisen die Form von Sechsecken auf.
Fig.5 zeigt einen Querschnitt 500 durch die in Fig.4 gezeigte Laserstruktur 400 entlang der Schnittlinie B-B. In dieser Darstellung wird vor allem die Anordnung der Resonatoren in mehreren Ebenen deutlich.
Auf die in den vorangegangenen Figuren bereits beschriebenen Komponenten wird hier nicht erneut eingegangen.
Durch die Anordnung der Resonatoren in mehreren parallelen Ebenen erfolgt zum einen eine optische Kopplung der Resonatoren innerhalb einer Ebene, wodurch ein horizontaler optischer Energiefluss 501 zwischen dem ersten Ringresonator 410 und den zweiten Ringresonatoren 420 ermöglicht wird, und zum anderen eine optische Kopplung der Resonatoren zwischen benachbarten Ebenen, wodurch ein vertikaler optischer Energiefluss 502 zwischen dem aktiven Resonatorbereich 111 des Fabry-Perot-Resonators 110 und dem ersten Ringresonator 410 ermöglicht wird.
Somit ergibt sich die emittierte Laserwellenlänge aus einer Mischung der einzelnen optischen Kopplungen an den emittierenden Resonator, d.h. einem mehrfachen Überlapp der optischen Wellenfunktionen der Resonanzwellen der verschiedenen Resonatoren.
Bezugszeichenliste
100 Laserstruktur gemäß erster Ausführungsform
110 Fabry-Perot-Resonator
111 aktiver Resonatorbereich
112 Resonatorspiegel
113 elektrischer Kontakt
120 erster Ringresonator
121 elektrischer Kontakt 130 zweite Ringresonatoren 140 dritte Ringresonatoren 150 erste Schaltresonator 160 zweite Schaltresonatoren
200 Querschnitt durch Laserstruktur 100 entlang A-A
201 Substrat
202 Isolationsmaterial
203 elektrischer Energiefluss
204 optischer Energiefluss
300 Laserstruktur gemäß zweiter Ausführungsform
310 gebogener Resonator
311 aktiver Resonatorbereich
312 Resonatorspiegel
313 elektrischer Kontakt 320 erster Ringresonator 330 zweite Ringresonatoren 340 dritter Ringresonator
400 Laserstruktur gemäß dritter Ausführungsform
410 erster Ringresonator
420 zweite Ringresonatoren
430 dritte Ringresonatoren
440 vierte Ringresonatoren
500 Querschnitt durch Laserstruktur 400 entlang B-B
501 horizontaler optischer Energiefluss
502 vertikaler optischer Energiefluss

Claims

Patentansprüche
1. Laserstruktur auf einem Halbleitersubstrat ,
• mit einem ersten Resonator, einem zweiten Resonator und einem dritten Resonator,
• bei der der zweite Resonator und der dritte Resonator als Ringresonatoren ausgebildet sind,
• bei der der zweite Resonator in zumindest einem gemeinsamen Abschnitt neben dem ersten Resonator im wesentlichen mit konstantem Abstand zu dem ersten Resonator angeordnet ist, und
• bei der der dritte Resonator in zumindest einem gemeinsamen Abschnitt neben dem zweiten Resonator bzw. neben dem ersten Resonator im wesentlichen mit konstantem Abstand zu dem zweiten Resonator bzw. zu dem ersten Resonator angeordnet ist,
• wodurch der zweite Resonator an den ersten Resonator und der dritte Resonator über den zweiten Resonator bzw. direkt an den ersten Resonator derart optisch gekoppelt sind, dass sich in dem ersten Resonator eine stehende
Welle mit einer definierten Wellenlänge ausbilden kann.
2. Laserstruktur gemäß Anspruch 1, bei der der dritte Resonator und der zweite Resonator in einer Ebene ineinandergeschachtelt angeordnet sind.
3. Laserstruktur gemäß Anspruch 1, bei der der dritte Resonator und der zweite Resonator in parallelen Ebenen nebeneinander angeordnet sind.
4. Laserstruktur gemäß Anspruch 2, bei der der zweite Resonator und der dritte Resonator in einer ersten Ebene angeordnet sind und bei der der erste Resonator in einer zu der ersten Ebene parallelen Ebene angeordnet ist.
5. Laserstruktur gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die jeweilige optische Kopplung der drei Resonatoren durch mindestens einen äußeren Parameter verändert werden kann, wodurch Einfluss auf die definierte Wellenlänge im ersten Resonator genommen werden kann.
6. Laserstruktur gemäß Anspruch 5, bei der zur Gruppe der äußeren Parameter der Stromfluss, die Temperatur und die anliegende Spannung gehören.
7. Laserstruktur gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der an den ersten Resonator direkt oder über einen der anderen Resonatoren mindestens ein weiterer Ringresonator optisch gekoppelt ist.
8. Laserstruktur gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der mindestens ein weiterer Resonator zu den drei Resonatoren benachbart angeordnet ist, der eine Steuerung der jeweiligen optischen Kopplung zwischen den drei Resonatoren ermöglicht.
9. Laserstruktur gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der der zweite Resonator, der dritte Resonator und jeder weitere Ringresonator jeweils als Wellenlängenfilter auf den ersten Resonator wirkend eingerichtet sind.
10. Laserstruktur gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der der zweite Resonator, der dritte Resonator und jeder weitere Resonator jeweils als Distributed-Feedback-Resonator oder als Distributed-Bragg-Reflector-Resonator ausgebildet sind.
11. Verfahren zur Einstellung einer definierten Wellenlänge mit folgenden Schritten: • Bereitstellen eines ersten Resonators in einer Laserstruktur auf einem Halbleitersubstrat, • Anordnen eines Ringresonators als zweiten Resonator in zumindest einem gemeinsamen Abschnitt neben dem ersten Resonator im wesentlichen mit konstantem Abstand zu dem ersten Resonator, • Anordnen eines weiteren Ringresonators als dritten
Resonator in zumindest einem gemeinsamen Abschnitt neben dem zweiten Resonator bzw. neben dem ersten Resonator im wesentlichen mit konstantem Abstand zu dem zweiten Resonator bzw. zu dem ersten Resonator, und • Optisches Koppeln des zweiten Resonators an den ersten Resonator und des dritten Resonators über den zweiten Resonator bzw. direkt an den ersten Resonator derart, dass sich in dem ersten Resonator eine stehende Welle mit einer definierten Wellenlänge ausbilden kann.
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