EP1514334A2 - Vorrichtung zur optischen signalübertragung, verfahren zur optischen signalübertragung und optischer modulator - Google Patents

Vorrichtung zur optischen signalübertragung, verfahren zur optischen signalübertragung und optischer modulator

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EP1514334A2
EP1514334A2 EP03740100A EP03740100A EP1514334A2 EP 1514334 A2 EP1514334 A2 EP 1514334A2 EP 03740100 A EP03740100 A EP 03740100A EP 03740100 A EP03740100 A EP 03740100A EP 1514334 A2 EP1514334 A2 EP 1514334A2
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EP
European Patent Office
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semiconductor element
energy level
emitted
light
emission direction
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP03740100A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Robert Averbeck
Bernhard STEGMÜLLER
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Infineon Technologies AG
Original Assignee
Infineon Technologies AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Infineon Technologies AG filed Critical Infineon Technologies AG
Publication of EP1514334A2 publication Critical patent/EP1514334A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
    • 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
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    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/026—Monolithically integrated components, e.g. waveguides, monitoring photo-detectors, drivers
    • H01S5/0265—Intensity modulators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/04—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping, e.g. by electron beams
    • H01S5/041—Optical pumping
    • H—ELECTRICITY
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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
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    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
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    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
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    • H01S5/341—Structures having reduced dimensionality, e.g. quantum wires
    • H01S5/3412—Structures having reduced dimensionality, e.g. quantum wires quantum box or quantum dash
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    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/40—Arrangement of two or more semiconductor lasers, not provided for in groups H01S5/02 - H01S5/30
    • H01S5/4025—Array arrangements, e.g. constituted by discrete laser diodes or laser bar
    • H01S5/4031—Edge-emitting structures
    • H01S5/4056—Edge-emitting structures emitting light in more than one direction

Definitions

  • the invention relates to a device for optical signal transmission, a method for optical signal transmission and an optical modulator.
  • a known device for optical signal transmission is based on modulation of the coherent light emitted by a laser element with a data signal.
  • the emitted coherent light can be directly modulated by changing the electrical pump current accordingly. However, this can only be done
  • an external modulator in the beam path of a laser element, which modulates the loss of the coherent laser light emitted by the laser element by applying an electric field with a frequency corresponding to the desired data transmission rate between a transparent and an absorbing state is switched.
  • the modulator is usually designed as a “quantum well” semiconductor structure which has a step-like density of states with discrete energy states in the valence or conduction band.
  • Semiconductor structure is formed so that its absorption edge, i.e. the lowest transition energy for charge carriers in the energy spectrum of the semiconductor structure, in the field-free state, is slightly above the energy of the coherent light to be modulated and emitted by the laser element.
  • the so-called “quantum confined stark effect” is used, according to which the quantized energy states of the valence and conduction band in a "quantum well” semiconductor structure are influenced by applying an external electric field perpendicular to the interface of the quantum well.
  • an electric field leads to an energetic increase in the hole states and an energetic decrease in the electron states in the energy spectrum of the semiconductor structure, so that the
  • Absorption edge of the semiconductor structure is shifted to lower energies.
  • the amplitude of the electric field applied to the "quantum well” semiconductor laser is selected such that the absorption edge caused by the electric field is sufficient to reduce the "quantum well” Switch semiconductor structure from the transparent state to the absorbent state.
  • This known device for optical data transmission thus has the disadvantage that it is only suitable for relatively low light outputs, which are not sufficient for direct data transmission.
  • a quantum cascade laser is described in [1], the laser being controlled by means of an optical control method.
  • the 5 light beams used for optical control of the laser have a wavelength that is significantly less than the wavelength of the unipolar laser. This means that the light beams can be modulated much faster than the laser light itself.
  • [3] describes a method for modulating an optical beam and an optical modulator Quantum dots, the modulator containing an etalon structure with an absorption edge close to the wavelength of the optical bundle to be modulated and material with a narrower band gap, which is placed between layers of material with a larger band gap. Means are also provided for directing a polarized optical control bundle onto the etalon structure with the electric field of the polarized optical control bundle perpendicular to a direction of the quantum dots for modulating the absorption edge of the etalon structure.
  • [4] describes an optical modulator with quantum dots, in which the optical wavelength lies outside the energy level range defined by the two energy levels of the semiconductor laser element.
  • [5] describes a quantum dot element in which no light is generated.
  • [6] discloses a method for manufacturing a plurality of different semiconductor elements with highly induced areas.
  • [7] describes a laser with quantum dot structures.
  • the invention is therefore based on the problem of creating a device for optical signal transmission, a method for optical signal transmission and an optical modulator which are suitable for remote data transmission using high data transmission rates and high light outputs.
  • the problem is solved by the optical device
  • a device for optical signal transmission has a laser element, by means of which, preferably, coherent light can be emitted in a first emission direction, and a semiconductor element arranged in the first emission direction.
  • the laser element can be any laser, for example a gallium arsenide semiconductor laser or a semiconductor laser with an indium-gallium-arsenide / gallium-arsenide / aluminum-gallium-arsenide heterostructure (InGaAs / GaAs / AlGaAs hetero structure) or with an indium - Arsenide / indium-gallium-arsenide / aluminum-gallium-arsenide heterostructure (InAs / lnGaAs / AlGaAs heterostructure).
  • a gallium arsenide semiconductor laser or a semiconductor laser with an indium-gallium-arsenide / gallium-arsenide / aluminum-gallium-arsenide heterostructure InGaAs / GaAs / AlGaAs heterostructure
  • InAs / lnGaAs / AlGaAs heterostructure InAs / lnGaAs / AlG
  • Means are also provided for applying an electric field to the semiconductor element, as a result of which the semiconductor element can be switched between a transparent and an absorbing state with respect to the preferably coherent light emitted by the laser element.
  • the semiconductor element has at least a third energy level between a first energy level and a second energy level lying above the first energy level, wherein in the absorbing state of the semiconductor element, light can be emitted by the semiconductor element in a second emission direction by absorption of the coherent light emitted by the laser element.
  • a population inversion between the third energy level and the first is preferably achieved by absorption of the coherent light emitted by the laser element
  • Energy scheme of the semiconductor element may also be a fourth energy level and further quantized energy levels.
  • the third energy level is designed as a metastable energy level.
  • a particularly effective absorption mechanism is provided in the device according to the invention, in which "fading" of the semiconductor element acting as a loss modulator is effectively prevented.
  • the light emitted from the semiconductor element becomes
  • the device is preferably emitted in a second emission direction different from the first emission direction, in which case there is no interaction with the coherent light emitted by the laser element, which interferes with the optical signal transmission.
  • .0 embodiment of the invention is very simple and therefore inexpensive to manufacture and ensures a safe and therefore robust separation of the light emitted in the first emission direction from the light emitted in the second emission direction.
  • the first emission direction is the same as the second emission direction. In this case, due to their different wavelengths, for example by means of a
  • Heating of the semiconductor element leads.
  • the absorption process is based on a purely optical effect, that is to say the operating frequency of the semiconductor element acting as a loss modulator and thus the achievable data transmission rate is not limited by parasitic electrical effects.
  • the electric field applied to the semiconductor element is only used to shift the absorption edge of the semiconductor element. Since the semiconductor element is used as a purely optical element, in particular it does not have to consist of an electrically conductive material.
  • the device according to the invention is fundamentally faster than the devices according to the prior art, since it is clearly no longer necessary to electrically vacuum charge carriers.
  • the semiconductor element for forming the metastable third energy level has at least one semiconductor layer with quantum dots formed therein.
  • quantum dots are understood to mean zero-dimensional electron systems which, owing to a restriction of the electron movement in all three spatial directions, have discrete energy spectra which are SO comparable to those of natural atoms, so that the quantum dots can be regarded as artificial atoms.
  • the semiconductor layer can be produced from any semiconductor material in which such quantum dots are formed.
  • the semiconductor layer can have an indium-gallium-arsenide / gallium-arsenide / aluminum-gallium-arsenide heterostructure or an indium-arsenide / indium-gallium-arsenide / Gal1ium-arsenide / aluminum-gallium-arsenide heterostructure, so that forms a two-dimensional electron gas with quantum dots therein in a known manner at the boundary layer of the heterostructure.
  • the semiconductor layer with quantum dots formed therein can itself be a quantum well layer embedded between barrier layers.
  • quantum dots made of InAs can be embedded in an InGaAs quantum well between GaAs barriers.
  • In GaAs quantum dots AlGaAs is suitable as a quantum well material between AlAs barriers.
  • the third (upper) energy level can be a bound energy state of the quantum well in the surrounding
  • a plurality or a plurality of quantum well layers are arranged one above the other, a layer preferably made of GaAs or AlGaAs being provided between each two quantum well layers.
  • a stack structure with several quantum well layers is thus clearly formed.
  • Stacks of layers with quantum dots are provided, preferably integrated into a plurality of quantum well layers.
  • a plurality of layers with quantum dots can also be provided in only one quantum well layer, or a plurality of layers of quantum dots can be embedded directly in the matrix.
  • the semiconductor element is preferably designed such that in the .0 transparent state the energy of the light, preferably coherent, emitted by the laser element is greater than that
  • the semiconductor element is also preferably designed such that: 0 the transition time of charge carriers from the second
  • (Upper) energy level in the third energy level is significantly smaller than the period of the electrical field applied to the semiconductor element. In this way, the achievable frequency of the loss modulation and thus the achievable data transmission rate are not restricted by the relaxation of charge carriers from the second (upper) energy level to the third energy level.
  • the first and second emission directions 0 are preferably perpendicular to one another, so that the coherent light emitted by the semiconductor element can be coupled out in a simple manner.
  • the two emission directions can be any acute or obtuse angle between 0 ° and Take 359 ° to each other, preferably an acute angle, for example of 30 ° or 60 °.
  • These means for repeatedly coupling the light, preferably coherent, emitted by the laser element into the semiconductor element can include at least one selective Bragg reflector, at least one metallic mirror, at least one photonic crystal or at least one broken crystal with a refractive index jump to the adjacent medium (e.g. air ) exhibit.
  • the laser element and the semiconductor element are arranged in a common optical resonator.
  • loss modulation by the semiconductor element already takes place in the resonator, which effects the amplification of the induced emission by the laser element, so that the light emerging from the resonator and emitted by the laser element is already modulated with a frequency corresponding to the desired data transmission rate and for further optical signal transmission, for example, can be coupled directly into a glass fiber cable.
  • An optical modulator for loss modulating the, preferably coherent, light emitted by a laser element has a semiconductor element and means for applying an electric field to the semiconductor element, as a result of which the semiconductor element is between a transparent and an absorbing state with respect to the, preferably coherent, light emitted by the laser element is switchable to.
  • the semiconductor element has at least one, preferably metastable, third energy level between a first energy level and a second energy level lying above the first energy level.
  • a population inversion between the third energy level and the first energy level can be generated by absorption of the coherent light emitted by the laser element, and coherent light can be emitted by the semiconductor element in a second emission direction different from the first emission direction.
  • a coherent light is emitted in a first emission direction by means of a laser element; an electrical field is applied to a semiconductor element arranged in the first emission direction, which has at least one, preferably metastable, third energy level between a first energy level and a second energy level above the first energy level, whereby the semiconductor element between a transparent and a absorbent state with respect to that of the
  • Laser element emitted coherent light is switched; wherein in the absorbing state of the semiconductor element, by absorption of the light, preferably coherent, emitted by the laser element, preferably a population inversion between the metastable third energy level and the first energy level is generated, and preferably coherent light in a second direction different from the first emission direction
  • Emission direction is emitted by the semiconductor element.
  • FIG. 2 (a) - (b) the energy diagram of a semiconductor element used in the device according to the invention with (FIG. 2 (a)) and without (FIG. 2 (b)) an applied electric field;
  • FIG. 3 (a) is a diagram illustrating the electronic density of states as a function of the energy for a semiconductor element. which is a layer with formed therein
  • FIG. 3 (b) is a diagram illustrating the electronic density of states as a function of the energy for a semiconductor element which has a quantum well layer with quantum dots formed therein;
  • the semiconductor element 100 has a semiconductor layer 101 with quantum dots 102 formed therein and, in the exemplary embodiment shown, is made of an indium-gallium-arsenide / aluminum-gallium-arsenide heterostructure (InGaAs / AlGaAs-heterostructure) or of a gallium-arsenide / aluminum Gallium arsenide heterostructure (GaAs / AIGaAs heterostructure) constructed.
  • InGaAs / AlGaAs-heterostructure indium-gallium-arsenide / aluminum-gallium-arsenide heterostructure
  • GaAs / AIGaAs heterostructure gallium-arsenide / aluminum Gallium arsenide heterostructure
  • Each of the Bragg reflectors 103 represents a spatially periodic laser structure, that is to say a region with a spatially periodic refractive index, according to this
  • Embodiment a spatially periodic laser structure made of gallium arsenide / aluminum arsenide.
  • AlGaAs Aluminum gallium arsenide
  • the semiconductor layer systems 203, 204 are in the illustrated embodiment aluminum-gallium arsenide constructed, wherein the semiconductor layer systems 203, 204 one or more semiconductor layers 201 made of gallium arsenide limit, • which semiconductor layers form 201 quantum wells.
  • selective Bragg reflectors 205 are provided on opposite sides of the semiconductor layer 201.
  • a laser element is provided (not shown), which emits coherent light 104 in an emission direction shown by the horizontal dashed arrow in FIG.la, b, so that this coherent light strikes the semiconductor element 100 or 200.
  • the semiconductor structure formed in the semiconductor element 100 or 200 has an energy scheme in which there is at least one metastable third energy level between a first energy level and a second energy level lying above the first energy level, as will be explained in more detail below.
  • an electric field is applied with a frequency corresponding to the desired data transmission rate the semiconductor element 100 and 200 applied.
  • the mode of operation of the device in the presence of an electrical field is explained in more detail below with reference to the energy schemes shown in FIGS. 2a and 2b.
  • FIG. 2 shows examples of energy schemes 300, 400 for a semiconductor layer with four discrete energy levels, the state without an applied electric field being shown in FIG. 2a and the state with an applied electric field being shown in FIG. 2a.
  • the energy scheme 300 has two discrete energy levels 301 and 302 in the valence band E v and two further discrete energy levels 303 and 304 in the conduction band E ⁇ _.
  • the energy level 303 here corresponds to the above-mentioned metastable, third energy level, while the energy levels 301 and 304 correspond to the above-mentioned first and second energy levels.
  • the energy of the incident 5 coherent light 305 does not correspond to a transition in the region which is permitted on the basis of the quantum mechanical selection rules
  • Semiconductor element for the coherent light 305 is transparent. .0
  • 5b shows a corresponding energy diagram 400 in an external electrical field, again the energy level 403 corresponding to the above-mentioned metastable, third energy level, while the energy levels 401 and 404 correspond to the above-mentioned first and second
  • the individual energy levels 301-304 in FIG. 2a or 401-404 in FIG. 2b can be excited states of the quantum dots formed in the semiconductor element used, so that the
  • the density of states is not exactly delta-shaped, but has a finite, yet very narrow spread.
  • State density follows a delta function 601, while the state density belonging to the surrounding quantum wells is step-like (according to FIG. 3b) (with steps 602, 603, ).
  • This embodiment of the invention has the particular advantage that the wavelength of the laser light does not have to exactly match the respective energy level so that the laser light is absorbed.
  • the discrete energy levels 401, 402 of the valence band E v and the discrete energy levels 403, 404 of the conduction band E in the energy diagram 400 are as above that the
  • Energy of the incident coherent light 405 is just equal to the energy difference between the lower energy level 401 of the valence band E v and the upper energy level 404 of the conduction band E L. As a result, photons of the incident coherent light 405 are absorbed, as shown by the solid arrow 406 in Fig. 2b.
  • a relaxation of the charge carriers excited by the coherent light 105 into the energy level 404 into the energy level 403 takes place relatively quickly, for example in the order of magnitude of picoseconds, whereas the subsequent relaxation of the charge carriers from the energy level 403 into the ground state 401 or in the energy level 402 of the valence band E v takes place relatively slowly, for example in the order of milliseconds, since the energy level 303 or 403 is metastable.
  • the size of the applied electric field is chosen so that when the electric field is applied, the energy difference between the discrete, metastable energy level of the quantum dots and the energy level of the quantum dots above (in
  • Fig.lb just corresponds to the energy of the coherent light emitted by the laser element to be modulated, so that a switch between the transparent and the absorbing state of the semiconductor element 100 or 200 and thus a
  • the Bragg reflectors 103 and 205 are each designed to reflect 10 light which has an energy corresponding to this energy difference between the metastable third energy level and the first energy level with an applied electrical field, so that by repeated Reflection of the coherent light emitted by the semiconductor element, the induced emission of the semiconductor element 100 or 200 is amplified.
  • the semiconductor element 100 or 200 emits light which is coherent in a second emission direction perpendicular to the first emission direction, which is represented by an arrow 105 and 206 in Fig.la and Fig.lb.
  • This coherent light can be coupled out in a simple manner or else used in another way.
  • the semiconductor element 100 or 200 is arranged relative to the laser element such that the
  • Semiconductor element 100 outgoing emission of coherent light takes place in an emission direction different from the first emission direction of the laser element.
  • the two emission directions of laser element and semiconductor element 100 and 200 are perpendicular to each other.
  • the light emitted by the (not shown) laser element and modulated by the semiconductor element can be coupled into a glass fiber cable for further optical signal transmission to the destination.
  • the field-free and thus transparent state of the semiconductor element 100 or 200 corresponds to the transmission of a logical "1"
  • the absorbing state of the semiconductor element 100 or 200 corresponds to the writing of a logical "0".
  • Fig.la and Fig.lb can also be modified so that additional Reflectors in the form of Bragg reflectors, metallic mirrors, photonic crystals or broken crystal edges along the first emission direction of the coherent light 105 are provided on both sides of the semiconductor element 100 or 200, in order to couple the coherent light 105 into the semiconductor element 100 or 200 by multiple coupling to increase the absorption occurring when an electric field is applied.
  • the semiconductor element 100 or 200 and the laser element can also be arranged in a common resonator.
  • the loss modulation by the semiconductor element already takes place in the resonator, which effects the amplification of the induced emission by the laser element, so that the coherent light emerging from the resonator and emitted by the laser element is already modulated at a frequency corresponding to the desired data transmission rate and can be coupled directly into a glass fiber cable for further optical signal transmission, for example.
  • An optical modulator as a semiconductor element has a layer made of aluminum gallium arsenide, on which a layer stack of several quantum well layers made of indium gallium arsenide and intermediate layers made of aluminum gallium arsenide is applied, in each case alternately a quantum well layer and an intermediate layer applied thereon are provided.
  • Each quantum well layer has one or a plurality of quantum dot layers with quantum dots made of indium arsenide.
  • coherent laser light to be modulated is radiated into the optical modulator, in particular in the area of the quantum well layers, modulated there in the desired manner and output as modulated laser light, likewise in the first emission direction.
  • the laser light generated by the quantum dots in the manner explained above in the context of the first and the second exemplary embodiment is emitted in a second emission direction, according to an alternative embodiment in a third emission direction.
  • the second emission direction and the third emission direction are perpendicular to the first emission direction. Furthermore, the second emission direction and the third emission direction are perpendicular to one another.
  • the electric field is applied in the second emission direction.

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Abstract

Eine Vorrichtung zur optischen Signalübertragung weist ein Laserelement, ein in dessen Emissionsrichtung angeordnetes Halbleiterelement mit einem zwischen einem ersten und einem zweiten Energieniveau liegenden dritten Energieniveau, und Mittel zum Anlegen eines elektrischen Feldes auf. Bei anliegendem elektrischen Feld ist durch Absorption des von dem Laserelement emittierten Lichtes Licht in einer zweiten Emissionsrichtung emittierbar.

Description

Beschreibung
Vorrichtung zur optischen Signalübertragung, Verfahren zur optischen Signalübertragung und optischer Modulator
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur optischen Signalübertragung, ein Verfahren zur optischen Signalübertragung und einen optischen Modulator.
Eine bekannte Vorrichtung zur optischen Signalübertragung beruht auf einer Modulation des von einem Laserelement emittierten kohärenten Lichtes mit einem Datensignal.
Bei Verwendung eines elektrisch gepumpten Laserelements kann eine direkte Modulation des emittierten kohärenten Lichtes durch entsprechende Änderung des elektrischen Pumpstroms erfolgen. Hierdurch lassen sich jedoch nur
Modulationsfrequenzen und damit Datenübertragungsraten von bis zu etwa 10 GHz erreichen. Für künftige Anwendungen sind jedoch immer höhere Datenübertragungsraten von 160 GHz und mehr erforderlich, so dass die mittels einer derartigen Vorrichtung zur optischen Signalübertragung erreichbaren Datenübertragungsraten für künftige Anwendungen nicht mehr ausreichend sind.
Zur Realisierung höherer Datenübertragungsraten ist bekannt, im Strahlengang eines Laserelementes einen externen Modulator vorzusehen, welcher eine Verlustmodulation des von dem Laserelement emittierten kohärenten Laserlichtes dadurch bewirkt, dass er durch Anlegen eines elektrischen Feldes mit einer der gewünschten Datenübertragungsrate entsprechenden Frequenz zwischen einem transparenten und einem absorbierenden Zustand umgeschaltet wird. Der Modulator ist hierbei üblicherweise als „Quantum well"- Halbleiterstruktur ausgebildet, die eine stufenförmige Zustandsdichte mit diskreten Energiezuständen im Valenz- bzw. Leitungsband aufweist. Diese „Quantum well"-
Halbleiterstruktur wird so ausgebildet, dass ihre Absorptionskante, d.h. die niedrigste Übergangsenergie für Ladungsträger im Energiespektrum der Halbleiterstruktur, im feldfreien Zustand geringfügig oberhalb der Energie des zu modulierenden, von dem Laserelement emittierten kohärenten Lichtes liegt.
An diese „Quantum well "-Halbleiterstruktur wird ein elektrisches Feld mit einer der gewünschten Datenübertragungsrate entsprechenden Frequenz angelegt .
Hierbei wird der so genannte „Quantum Confined Stark-Effekt" ausgenutzt, wonach die quantisierten Energiezustände des Valenz- und Leitungsbandes in einer „Quantum Well"- Halbleiterstruktur durch Anlegen eines äußeren elektrischen Feldes senkrecht zur Grenzfläche des Quantum-Wells beeinflusst werden. Ein solches elektrisches Feld führt zu einer energetischen Anhebung der Lochzustände und einer energetischen Absenkung der Elektronenzustände im Energiespektrum der Halbleiterstruktur, so dass die
Absorptionskante der Halbleiterstruktur zu niedrigeren Energien verschoben wird.
Die Amplitude des an den „Quantum well"-Halbleiterlaser angelegten elektrischen Feldes wird so gewählt, dass die durch das elektrische Feld bewirkte Absenkung der Absorptionskante ausreicht, um die „Quantum well"- Halbleiterstruktur aus dem transparenten Zustand in den absorbierenden Zustand umzuschalten.
Infolge der absorbierten Laserstrahlung werden in der als 5 Verlustmodulator dienenden „Quantum well "-Halbleiterstruktur Elektron-Loch-Paare erzeugt, die wiederum unter Strahlungsemission rekombinieren können. Die infolgedessen bei geringen Lichtleistungen stattfindende spontane Emission inkohärenter Strahlung schlägt jedoch bei zunehmender .0 Lichtleistung der zu modulierenden Laserstrahlung in eine induzierte Emission kohärenter Laserstrahlung um, so dass der oben beschriebene Effekt der Verlustmodulation und damit die gesamte optische Datenübertragung zum Erliegen kommt. Dieser Effekt wird auch als „Ausbleichen" des Verlustmodulators bei .5 höheren Lichtleistungen bezeichnet.
Diese bekannte Vorrichtung zur optischen Datenübertragung hat somit den Nachteil, dass sie nur für relativ geringe Lichtleistungen geeignet ist, die für die unmittelbare :0 Datenfernübertragung nicht ausreichend sind.
In [1] ist ein Quanten-Kaskadenlaser beschrieben, wobei der Laser mittels eines optischen Steuerungsverfahrens gesteuert wird. Die zur optischen Steuerung des Lasers verwendeten 5 Lichtstrahlen haben eine Wellenlänge, die wesentlich geringer ist als die Wellenlänge des unipolaren Lasers. Somit können die Lichtstrahlen viel schneller moduliert werden als das Laserlicht selbst.
0 In [2] ist ein VCSEL ohne Quantenpunkte beschrieben.
[3] beschreibt ein Verfahren zur Modulation eines optischen Strahlenbündels sowie einen optischen Modulator mit Quantenpunkten, wobei der Modulator eine Etalonstruktur mit einem Absorptionsrand in der Nähe der Wellenlänge des zu modulierenden optischen Bündels und Material mit einem schmaleren Bandabstand enthält, das zwischen Materialschichten mit einem größeren Bandabstand gelegt ist. Ferner sind Mittel zum Richten eines polarisierten optischen Steuerbündels auf die Etalonstruktur mit dem elektrischen Feld des polarisierten optischen Steuerbündels senkrecht auf eine Richtung der Quantenpunkte zum Modulieren des Absorptionsrandes der Etalonstruktur, vorgesehen.
[4] beschreibt einen optischen Modulator mit Quantenpunkten, bei dem die optische Wellenlänge außerhalb des von den beiden Energieniveaus des Halbleiterlaserelements definierten Energieniveau-Bereichs liegt.
In [5] ist ein Quantenpunkt-Element beschrieben, in welchem kein Licht erzeugt wird.
[6] offenbart ein Verfahren zum Herstellen einer Mehrzahl unterschiedlicher Halbleiterelemente mit hoch induzierten Flächen.
In [7] ist ein Laser mit Quantenpunkt-Strukturen beschrieben.
Somit liegt der Erfindung das Problem zugrunde, eine Vorrichtung zur optischen Signalübertragung, ein Verfahren zur optischen Signalübertragung und einen optischen Modulator zu schaffen, die zur Datenfernübertragung bei Verwendung hoher Datenübertragungsraten und hoher Lichtleistungen geeignet sind. Das Problem wird durch die Vorrichtung zur optischen
Signalübertragung, das Verfahren zur optischen
Signalübertragung und den optischen Modulator gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst.
Eine Vorrichtung zur optischen Signalübertragung weist ein Laserelement, mittels dem, vorzugsweise, kohärentes Licht in einer ersten Emissionsrichtung emittierbar ist, und ein in der ersten Emissionsrichtung angeordnetes Halbleiterelement auf.
Das Laserelement kann ein beliebiger Laser, beispielsweise ein Gallium-Arsenid-Halbleiterlaser oder auch ein Halbleiterlaser mit einer Indium-Gallium-Arsenid/Gallium- Arsenid/Aluminium-Gallium-Arsenid-Heterostruktur (InGaAs/GaAs/AlGaAs-HeteroStruktur) oder mit einer Indium- Arsenid/Indium-Gallium-Arsenid/Aluminium-Gallium-Arsenid- Heterostruktur (InAs/lnGaAs/AlGaAs-Heterostruktur) sein.
Ferner sind Mittel zum Anlegen eines elektrischen Feldes an das Halbleiterelement vorgesehen, wodurch das Halbleiterelement zwischen einem transparenten und einem absorbierenden Zustand bezüglich des von dem Laserelement emittierten, vorzugsweise kohärenten, Lichtes umschaltbar ist .
Das Halbleiterelement weist zwischen einem ersten Energieniveau und einem über dem ersten Energieniveau liegenden zweiten Energieniveau wenigstens ein drittes Energieniveau auf, wobei im absorbierenden Zustand des Halbleiterelementes durch Absorption des von dem Laserelement emittierten kohärenten Lichtes Licht in einer zweiten Emissionsrichtung von dem Halbleiterelement emittierbar ist. Vorzugsweise wird im absorbierenden Zustand des Halbleiterelementes durch Absorption des von dem Laserelement emittierten kohärenten Lichtes eine Besetzungsinversion zwischen dem dritten Energieniveau und dem ersten
Energieniveau erzeugt und, vorzugsweise kohärentes, Licht in der zweiten Emissionsrichtung von dem Halbleiterelement emittiert .
Zusätzlich zu den genannten drei Energieniveaus im
Energieschema des Halbleiterelementes können auch noch ein viertes Energieniveau sowie weitere quantisierte Energieniveaus vorhanden sein.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist das dritte Energieniveau als ein metastabiles Energieniveau ausgebildet .
Infolge der Emission von, vorzugsweise kohärentem, Licht im absorbierenden Zustand des Halbleiterelementes in einer von der ersten Emissionsrichtung verschiedenen zweiten Emissionsrichtung wird bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein besonders effektiver Absorptionsmechanismus bereitgestellt, bei dem ein „Ausbleichen" des als Verlustmodulator wirkenden Halbleiterelements wirksam verhindert wird.
Die Erzeugung einer Besetzungsinversion zwischen dem dritten und dem ersten Energieniveau des Halbleiterelementes ermöglicht hierbei einen vorteilhaft effektiven
Rekombinationsmechanismus, der bei Absorption des von dem Laserelement emittierten kohärenten Lichtes eine Anreicherung von Elektronen bzw. Löchern in dem zweiten (oberen)
Energieniveau verhindert .
Das von dem Halbleiterelement emittierte Licht wird
5 vorzugsweise in einer von der ersten Emissionsrichtung verschiedenen zweiten Emissionsrichtung emittiert wird, in welchem Fall keine die optische Signalübertragung störende Wechselwirkung mit dem von dem Laserelement emittierten kohärenten Licht stattfindet. Die Vorrichtung gemäß dieser
.0 Ausgestaltung der Erfindung ist sehr einfach und damit kostengünstig herstellbar und gewährleistet eine sichere und damit robuste Trennung des in der ersten Emissionsrichtung emittierten Lichts von dem in der zweiten Emissionsrichtung emittierten Lichts.
.5
In einer alternativen Ausfuhrungsform ist es vorgesehen, dass die erste Emissionsrichtung gleich der zweiten Emissionsrichtung ist. In diesem Fall erfolgt aufgrund ihrer unterschiedlichen Wellenlängen beispielsweise mittels eines
!0 Prismas, eines Gitters oder eines oder mehreren anderen wellenlängenselektiven Elementen eine Trennung der Signale unterschiedlicher Wellenlängen, das heißt anschaulich eine Trennung des kohärenten Laserlichts des Laserelements von dem kohärenten Licht, welches im absorbierenden Zustand des
!5 Halbleiterelements durch Absorption des von dem Laserelement emittierten kohärenten Lichtes erzeugt wird.
Ferner treten auch keine thermischen Probleme infolge einer Aufheizung des als Verlustmodulator wirkenden ;0 Halbleiterelementes auf, da die vom Halbleiterelement absorbierte Energie weitgehend abgestrahlt wird und nur ein relativ geringer Energieanteil (entsprechend der Differenz zwischen dem zweiten und dem dritten Energieniveau) zur
Erwärmung des Halbleiterelementes führt.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, dass der Absorptionsprozess auf einem rein optischen Effekt beruht, also die Arbeitsfrequenz des als Verlustmodulator wirkenden Halbleiterelementes und damit die erreichbare Datenübertragungsrate nicht durch parasitäre elektrische Effekte begrenzt ist. Das an das Halbleiterelement angelegte elektrische Feld wird lediglich zur Verschiebung der Absorptionskante des Halbleiterelementes verwendet. Da das Halbleiterelement als rein optisches Element verwendet wird, muss es insbesondere auch nicht aus einem elektrisch leitfähigen Material bestehen.
Ferner ist die erfindungsgemäße Vorrichtung prinzipiell schneller als die Vorrichtungen gemäß dem Stand der Technik, da anschaulich kein elektrisches Absaugen von Ladungsträgern mehr erforderlich ist.
10
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist das Halbleiterelement zur Ausbildung des metastabilen dritten Energieniveaus wenigstens eine Halbleiterschicht mit darin ausgebildeten Quantendots auf.
> 5
Unter Quantendots sind im Sinne der Erfindung nulldimensionale Elektronensysteme zu verstehen, die infolge einer Einschränkung der Elektronenbewegung in allen drei Raumrichtungen diskrete Energiespektren aufweisen, welche SO denen natürlicher Atome vergleichbar sind, so dass die Quantendots quasi als künstliche Atome angesehen werden können . Die Halbleiterschicht kann aus einem beliebigen Halbleitermaterial, in welchem sich solche Quantendots ausbilden, hergestellt sein. Beispielsweise kann die Halbleiterschicht eine Indium-Gallium-Arsenid/Gallium- Arsenid/Aluminium-Gallium-Arsenid-Heterostruktur oder eine Indium-Arsenid/Indium-Gallium-Arsenid/Gal1ium- Arsenid/Aluminium-Gallium-Arsenid-Heterostruktur aufweisen, so dass sich an der Grenzschicht der HeteroStruktur in bekannter Weise ein zweidimensionales Elektronengas mit darin befindlichen Quantendots ausbildet.
Die Halbleiterschicht mit darin ausgebildeten Quantendots kann selbst eine zwischen Barriereschichten eingebettete Quantentopfschicht sein. Quantendots aus InAs können beispielsweise in einem InGaAs-Quantentopf zwischen GaAs- Barrieren eingebettet werden. Bei GaAs-Quantendots eignet sich AlGaAs zwischen AlAs-Barrieren als Quantentopfmaterial .
Das dritte (obere) Energieniveau kann ein gebundener Energiezustand des Quantentopfes in den umgebenden
Halbleiterschichtsystemen oder auch ein angeregter gebundener Energiezustand der Quantendots sein.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung sind eine Mehrzahl oder ein Vielzahl von Quantentopf-Schichten vorzugsweise aus GaAs oder InGaAs übereinander angeordnet, wobei zwischen jeweils zwei Quantentopf-Schichten eine Schicht vorzugsweise aus GaAs oder AlGaAs vorgesehen ist. Anschaulich wird somit eine StapelStruktur mit mehreren Quantentopf-Schichten gebildet.
Bei der Ausgestaltung der Erfindung, bei der Quantendots vorgesehen sind, vorzugsweise in einer jeweiligen Quantentopf-Schicht , ist in einer Weiterbildung analog ein
Stapel von Schichten mit Quantendots vorgesehen, vorzugsweise integriert in eine Mehrzahl von Quantentopf-Schichten. Alternativ können ferner mehrere Schichten mit Quantendots in 5 nur einer Quantentopf-Schicht vorgesehen sein oder es können mehrere Schichten von Quantendots direkt in die Matrix eingebettet sein.
Bevorzugt ist das Halbleiterelement so ausgebildet, dass im .0 transparenten Zustand die Energie des von dem Laserelement emittierten, vorzugsweise kohärenten, Lichtes größer als die
Energiedifferenz zwischen dem metastabilen dritten
Energieniveau und dem ersten (unteren) Energieniveau ist .
Hierdurch wird gewährleistet, dass im transparenten Zustand .5 keinerlei Absorption des von dem Laserelement emittierten kohärenten Lichtes, auch nicht zwischen den unteren
Energieniveaus, stattfindet.
Das Halbleiterelement ist ferner bevorzugt so ausgebildet, :0 dass die Übergangszeit von Ladungsträgern aus dem zweiten
(oberen) Energieniveau in das dritte Energieniveau wesentlich kleiner als die Periodendauer des an das Halbleiterelement angelegten elektrischen Feldes ist. Auf diese Weise wird die erreichbare Frequenz der Verlustmodulation und damit die :5 erreichbare Datenübertragungsrate nicht durch die Relaxation von Ladungsträgern aus dem zweiten (oberen) Energieniveau in das dritte Energieniveau eingeschränkt.
Bevorzugt liegen die erste und die zweite Emissionsrichtung 0 senkrecht zueinander, so dass das von dem Halbleiterelement emittierte kohärente Licht in einfacher Weise ausgekoppelt werden kann. Die beiden Emissionsrichtungen können jedoch einen beliebigen spitzen oder stumpfen Winkel zwischen 0° und 359° zueinander einnehmen, vorzugsweise einen spitzen Winkel, z.B. von 30° oder 60°.
Bevorzugt sind Mittel zum mehrmaligen Koppeln des von dem Laserelement emittierten kohärenten Lichtes in das
Halbleiterelement vorgesehen. Auf diese Weise wird die Effektivität der Absorption im Halbleiterelement bei angelegtem elektrischen Feld erhöht. Diese Mittel zum mehrmaligen Koppeln des von dem Laserelement emittierten, vorzugsweise kohärenten, Lichtes in das Halbleiterelement können wenigstens einen selektiven Bragg-Reflektor, wenigstens einen metallischen Spiegel, wenigstens einen photonischen Kristall oder auch wenigstens einen gebrochenen Kristall mit einem Brechungsindexsprung zum angrenzenden Medium (z.B. Luft) aufweisen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausfuhrungsform sind das Laserelement und das Halbleiterelement in einem gemeinsamen optischen Resonator angeordnet. In diesem Falle erfolgt eine Verlustmodulation durch das Halbleiterelement bereits in dem Resonator, der die Verstärkung der induzierten Emission durch das Laserelement bewirkt, so dass das aus dem Resonator austretende, von dem Laserelement emittierte Licht bereits mit einer der gewünschten Datenübertragungsrate entsprechenden Frequenz moduliert ist und zur weiteren optischen Signalübertragung beispielsweise direkt in ein Glasfaserkabel eingekoppelt werden kann.
Das Halbleiterelement kann außerdem mit dem Laserelement als integriertes Bauelement ausgebildet sein, indem etwa das Laserelement als VCSEL (=Vertical Cavity Surface Emitting Laser) und das Halbleiterelement als darauf aufgewachsene vergrabene HeteroStruktur (oder umgekehrt) ausgebildet ist. Ein optischer Modulator zur Verlustmodulation des von einem Laserelement emittierten, vorzugsweise kohärenten, Lichtes weist ein Halbleiterelement und Mittel zum Anlegen eines elektrischen Feldes an das Halbleiterelement, wodurch das Halbleiterelement zwischen einem transparenten und einem absorbierenden Zustand bezüglich des von dem Laserelement emittierten, vorzugsweise kohärenten, Lichtes umschaltbar ist, auf.
Das Halbleiterelement weist zwischen einem ersten Energieniveau und einem über dem ersten Energieniveau liegenden zweiten Energieniveau wenigstens ein, vorzugsweise metastabiles, drittes Energieniveau auf. Im absorbierenden Zustand des Halbleiterelementes ist durch Absorption des von dem Laserelement emittierten kohärenten Lichtes eine Besetzungsinversion zwischen dem dritten Energieniveau und dem ersten Energieniveau erzeugbar und kohärentes Licht ist in einer von der ersten Emissionsrichtung verschiedenen zweiten Emissionsrichtung von dem Halbleiterelement emittierbar.
Bei einem Verfahren zur optischen Signalübertragung wird , vorzugsweise kohärentes, Licht mittels eines Laserelementes in einer ersten Emissionsrichtung emittiert; an ein in der ersten Emissionsrichtung angeordnetes Halbleiterelement, welches zwischen einem ersten Energieniveau und einem über dem ersten Energieniveau liegenden zweiten Energieniveau wenigstens ein, vorzugsweise metastabiles, drittes Energieniveau aufweist, ein elektrisches Feld angelegt, wodurch das Halbleiterelement zwischen einem transparenten und einem absorbierenden Zustand bezüglich des von dem
Laserelement emittierten kohärenten Lichtes umgeschaltet wird; wobei im absorbierenden Zustand des Halbleiterelementes durch Absorption des von dem Laserelement emittierten, vorzugsweise kohärenten, Lichtes vorzugsweise eine Besetzungsinversion zwischen dem metastabilen dritten Energieniveau und dem ersten Energieniveau erzeugt und vorzugsweise kohärentes Licht in einer von der ersten Emissionsrichtung verschiedenen zweiten
Emissionsrichtung von dem Halbleiterelement emittiert wird.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im weiteren näher erläutert .
Es zeigen:
Figur 1 (a) - (b) schematische Darstellungen eines erfindungsgemäßen optischen Modulators unter
Verwendung einer Halbleiterschicht mit darin ausgebildeten Quantendots ohne (Figur 1 (a) ) bzw. mit (Figur 1 (b) ) einem Quantentopf.
Figur 2 (a) - (b) das Energieschema eines in der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendeten Halbleiterelementes mit (Figur 2 (a) ) und ohne (Figur 2 (b) ) anliegendes elektrisches Feld;
Figur 3 (a) ein Diagramm zur Veranschaulichung der elektronischen Zustandsdichte in Abhängigkeit von der Energie für ein Halbleiterelement, welche eine Schicht mit darin ausgebildeten
Quantendots aufweist;
Figur 3 (b) ein Diagramm zur Veranschaulichung der elektronischen Zustandsdichte in Abhängigkeit von der Energie für ein Halbleiterelement, welche eine Quantenwellschicht mit darin ausgebildeten Quantendots aufweist;
Gemäß Fig.la ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines in einer Vorrichtung zur optischen Signalübertragung verwendeten Halbleiterelementes 100 dargestellt. Das Halbleiterelement 100 weist eine Halbleiterschicht 101 mit darin ausgebildeten Quantendots 102 auf und ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel aus einer Indium-Gallium- Arsenid/Aluminium-Gallium-Arsenid-Heterostruktur (InGaAs/AlGaAs-HeteroStruktur) oder aus einer Gallium- Arsenid/Aluminium-Gallium-Arsenid-HeteroStruktur (GaAs/AIGaAs-HeteroStruktur) aufgebaut .
Auf gegenüberliegenden Seiten der Halbleiterschicht 101 sind selektive Bragg-Reflektoren 103 vorgesehen. Jeder der Bragg- Reflektoren 103 stellt eine räumlich periodische Laserstruktur, das heißt einen Bereich mit räumlich periodischem Brechungsindex dar, gemäß diesem
Ausführungsbeispiel eine räumlich periodische Laserstruktur aus Gallium-Arsenid/Aluminium-Arsenid .
Bei der in Fig.lb dargestellten zweiten Ausführungsform eines Halbleiterelementes 200 ist eine Halbleiterschicht 201 aus Gallium-Arsenid (GaAs) , die entsprechend der Halbleiterschicht 101 aus Fig.la aufgebaut ist, mit darin ausgebildeten Quantendots 202 aus Indium-Arsenid (InAs) , zwischen zwei Halbleiterschichtsystemen 203, 204 aus
Aluminium-Gallium-Arsenid (AlGaAs) eingebettet, wobei die
HalbleiterschichtSysteme 203, 204 die den Quantentopf bildende Schicht aus GaAs begrenzen.
Die Halbleiterschichtsysteme 203, 204 sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel aus Aluminium-Gallium- Arsenid aufgebaut, wobei die Halbleiterschichtsysteme 203, 204 einen oder mehrere Halbleiterschichten 201 aus Gallium- Arsenid begrenzen, • welche Halbleiterschichten 201 Quantentöpfe bilden.
Auch hier sind auf gegenüberliegenden Seiten der Halbleiterschicht 201 selektive Bragg-Reflektoren 205 vorgesehen.
Ferner ist in beiden Ausführungsformen ein Laserelement vorgesehen (nicht dargestellt) , welches kohärentes Licht 104 in einer in Fig.la,b durch den horizontalen gestrichelten Pfeil dargestellten Emissionsrichtung emittiert, so dass dieses kohärente Licht auf das Halbleiterelement 100 bzw. 200 trifft.
Die in dem Halbleiterelement 100 bzw. 200 gebildete Halbleiterstruktur besitzt ein Energieschema, bei welchem zwischen einem ersten Energieniveau und einem über dem ersten Energieniveau liegenden zweiten Energieniveau wenigstens ein metastabiles drittes Energieniveau vorhanden ist, wie im folgenden noch näher erläutert wird.
Im Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur optischen Signalübertragung wird ein elektrisches Feld mit einer der gewünschten Datenübertragungsrate entsprechenden Frequenz an das Halbleiterelement 100 bzw. 200 angelegt. Die Funktionsweise der Vorrichtung bei einem anliegenden elektrischen Feld wird im weiteren anhand der in Fig.2a und Fig.2b dargestellten Energieschemata anschaulich erläutert.
In Fig.2 sind Beispiele für Energieschemata 300, 400 für eine Halbleiterschicht mit vier diskreten Energieniveaus dargestellt, wobei der Zustand ohne anliegendes elektrisches Feld aus Fig.2a und der Zustand mit anliegendem elektrischen Feld aus Fig.2b ersichtlich ist.
Das Energieschema 300 weist zwei diskrete Energieniveaus 301 und 302 im Valenzband Ev und zwei weitere diskrete Energieniveaus 303 und 304 im Leitungsband Eτ_ auf. Das Energieniveau 303 entspricht hier dem oben genannten metastabilen, dritten Energieniveau, während die Energieniveaus 301 und 304 den oben genannten ersten und zweiten Energieniveaus entsprechen.
In diesem Zusammenhang ist anzumerken, dass die Realisierung eines 3 -Energieniveua-Systems keine Einschränkung der Allgemeingültigkeit darstellt. Grundsätzlich kann eine beliebige Anzahl von unterschiedlichen Energieniveaus vorgesehen sein, wobei gemäß diesem Ausführungsbeispiel die Annahme getroffen ist, dass die zwei diskreten Energieniveaus 301 und 302 im Valenzband Ev annähernd gleich sind.
In Fig.2a und Fig.2b ist ferner das Auftreffen von kohärentem Licht 305 bzw. 405 der Energie h*v = (h/2π) *ω (v= Frequenz, ω= Kreisfrequenz, h= Planck' sches Wirkungsquantum) anschaulich dargestellt, welches von einem (nicht dargestellten) Laserelement emittiert wurde, wobei in Fig.2a die Energie h*v knapp kleiner als die Energiedifferenz zwischen den Energieniveaus 304 und 301 und größer als die Energiedifferenz zwischen den Energieniveaus 303 und 301 ist.
Infolgedessen entspricht die Energie des einfallenden 5 kohärenten Lichtes 305 keinem aufgrund der quantenmechanischen Auswahlregeln erlaubten Übergang im
Energieschema 300, so dass das entsprechende
Halbleiterelement für das kohärente Licht 305 transparent ist. .0
Der entsprechende, infolge der Energieerhaltung verbotene
Übergang ist in Fig.2a durch einen gestrichelten Pfeil 306 dargestellt .
.5 Gemäß Fig.2b ist ein entsprechendes Energieschema 400 in einem äußeren elektrischen Feld dargestellt, wobei wiederum das Energieniveau 403 dem oben genannten metastabilen, dritten Energieniveau entspricht, während die Energieniveaus 401 und 404 den oben genannten ersten und zweiten
10 Energieniveaus entsprechen.
Die einzelnen Energieniveaus 301-304 in Fig.2a bzw. 401-404 in Fig.2b können angeregte Zustände der in dem verwendeten Halbleiterelement ausgebildeten Quantendots sein, so dass die
15 zu diesen Energieniveaus gehörende Zustandsdichte jeweils einer Delta-Funktion 501-504 folgt, wie in Fig.3a dargestellt ist. In diesem Zusammenhang ist anzumerken, dass die Darstellung der Delta-Funktion 501-504 symbolischen Charakter hat zur einfacheren Erläuterung der Erfindung, da in der
,0 Realität die Zustandsdichte nicht exakt delta-förmig ist, sondern eine endliche, dennoch sehr schmale Ausbreitung aufweist . Es kann sich bei einem oder mehreren der Energieniveaus 301-
304 bzw. 401-404 jedoch auch um gebundene Zustände von Quantentöpfen in den die Halbleiterschicht mit den Quantendots umgebenden Halbleiterschichtsystemen handeln, so dass nur die zum Energieniveau der Quantendots gehörende
Zustandsdichte einer Delta-Funktion 601 folgt, während die zu den umgebenden Quantentöpfen gehörende Zustandsdichte gemäß Fig.3b stufenförmig (mit Stufen 602, 603,...) verläuft.
Diese Ausgestaltung der Erfindung weist insbesondere den Vorteil auf, dass die Wellenlänge des Laserlicht nicht mit dem jeweiligen Energieniveau exakt übereinstimmen muss, damit das Laserlicht absorbiert wird.
Infolge der Verschiebung der quantisierten Energiezustände des Valenz- und Leitungsbandes im elektrischen Feld aufgrund des so genannten „Quantum Confined Stark-Effektes" sind die diskreten Energieniveaus 401, 402 des Valenzbandes Ev und die diskreten Energieniveaus 403, 404 des Leitungsbandes E im Energieschema 400 so weit aneinander angenähert, dass die
Energie des einfallenden kohärenten Lichtes 405 gerade gleich der Energiedifferenz zwischen dem unteren Energieniveau 401 des Valenzbandes Ev und dem oberen Energieniveau 404 des Leitungsbandes EL ist. Folglich werden Photonen des einfallenden kohärenten Lichtes 405 absorbiert, wie in Fig.2b durch den durchgehenden Pfeil 406 dargestellt ist.
Eine Relaxation der bei anliegendem elektrischen Feld durch das kohärente Licht 105 in das Energieniveau 404 angeregten Ladungsträger in das Energieniveau 403 erfolgt relativ schnell, beispielsweise in einer Größenordnung von pikosekunden, wohingegen die anschließende Relaxation der Ladungsträger aus dem Energieniveau 403 in den Grundzustand 401 oder in das Energieniveau 402 des Valenzbandes Ev relativ langsam, beispielsweise in der Größenordnung von Millisekunden, erfolgt, da das Energieniveau 303 bzw. 403 metastabil ist.
5
Bei anliegendem elektrischen Feld wird somit eine Besetzungsinversion zwischen dem metastabilen dritten Energieniveau 403 und dem unteren Energienniveau 401 bzw. 402 erzeugt, so dass bei ausreichend hoher Ladungsträgerdichte im
0 Energieniveau stimulierte Emission eintritt und dass entsprechende Halbleiterelement kohärentes Licht mit einer Energie entsprechend der Differenz der Energieniveaus 403 und 402 emittiert.
5 Unter Bezugnahme auf Fig.la und Fig.lb wird die Größe des angelegten elektrischen Feldes also so gewählt, dass bei anliegendem elektrischen Feld die Energiedifferenz zwischen dem diskreten, metastabilen Energieniveau der Quantendots und dem darüber liegenden Energieniveau der Quantendots (in
:0 Fig.la) bzw. Quantentδpfe (in Fig.lb) gerade der Energie des von dem zu modulierenden Laserelement emittierten kohärenten Licht entspricht, so dass ein Umschalten zwischen dem transparenten und dem absorbierenden Zustand des Halbleiterelementes 100 bzw. 200 und somit eine
!5 Verlustmodulation des von dem Laserelement emittierten kohärenten Lichtes mit einer der gewünschten Datenübertragungsrate entsprechenden Frequenz erfolgt .
Die Bragg-Reflektoren 103 bzw. 205 sind jeweils zur Reflexion 10 von Licht ausgelegt, welches eine Energie entsprechend dieser Energiedifferenz zwischen dem metastabilen dritten Energieniveau und dem ersten Energieniveau bei anliegendem elektrischen Feld aufweist, so dass durch mehrmalige Reflexion des von dem Halbleiterelement emittierten kohärenten Lichtes die induzierte Emission des Halbleiterelementes 100 bzw. 200 verstärkt wird.
Das Halbleiterelement 100 bzw. 200 emittiert infolge der durch die oben beschriebene Besetzungsinversion kohärentes Licht in einer zur ersten Emissionsrichtung senkrechten zweiten Emissionsrichtung, die in Fig.la und Fig.lb durch einen Pfeil 105 bzw. 206 dargestellt ist. Dieses kohärente Licht kann in einfacher Weise ausgekoppelt oder auch anderweitig genutzt werden.
Hierzu wird das Halbleiterelement 100 bzw. 200 relativ zu dem Laserelement so angeordnet, dass die von dem
Halbleiterelement 100 ausgehende Emission kohärenten Lichtes in einer von der ersten Emissionsrichtung des Laserelementes verschiedenen Emissionsrichtung erfolgt. Gemäß dem in Fig.la und Fig.lb dargestellten Ausführungsbeispiel liegen die beiden Emissionsrichtungen von Laserelement und Halbleiterelement 100 bzw. 200 senkrecht zueinander.
Das von dem (nicht dargestellten) Laserelement emittierte und durch das Halbleiterelement modulierte Licht kann zur weiteren optischen Signalübertragung zum Zielort in ein Glasfaserkabel eingekoppelt werden. Für die optische Signalübertragung entspricht der feldfreie und damit transparente Zustand des Halbleiterelementes 100 bzw. 200 dem Übertragen einer logischen „1", wohingegen der absorbierende Zustand des Halbleiterelementes 100 bzw. 200 dem Schreiben einer logischen „0" entspricht.
Die in Fig.la und Fig.lb dargestellten Ausfuhrungsformen können auch so abgewandelt werden, dass zusätzliche Reflektoren in Form von Bragg-Reflektoren, metallischen Spiegeln, photonischen Kristallen oder gebrochenen Kristallkanten entlang der ersten Emissionsrichtung des kohärenten Lichtes 105 beidseitig zu dem Halbleiterelement 100 bzw. 200 vorgesehen sind, um durch mehrfache Einkopplung des kohärenten Lichtes 105 in das Halbleiterelement 100 bzw. 200 die bei angelegtem elektrischen Feld eintretende Absorption noch zu verstärken.
Ferner können das Halbleiterelement 100 bzw. 200 und das Laserelement auch in einem gemeinsamen Resonator angeordnet sein. In diesem Falle erfolgt die Verlustmodulation durch das Halbleiterelement bereits in dem Resonator, der die Verstärkung der induzierten Emission durch das Laserelement bewirkt, so dass das aus dem Resonator austretende, von dem Laserelement emittierte kohärente Licht bereits mit einer der gewünschten Datenübertragungsrate entsprechenden Frequenz moduliert ist und zur weiteren optischen Signalübertragung beispielsweise direkt in ein Glasfaserkabel eingekoppelt werden kann.
Ein optischer Modulator als Halbleiterelement gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist eine Schicht aus Aluminium-Gallium-Arsenid auf, auf der ein Schichtenstapel aus mehreren Quantentopf-Schichten aus Indium-Gallium-Arsenid und Zwischenschichten aus Aluminium- Gallium-Arsenid aufgebracht ist, wobei jeweils alternierend eine Quantentopf-Schicht und eine darauf aufgebrachte Zwischenschicht vorgesehen sind.
Jede Quantentopf-Schicht weist eine oder eine Mehrzahl von Quantendot-Schichten mit Quantendots aus Indium-Arsenid auf. In einer ersten Emissionsrichtung wird zu modulierendes kohärentes Laserlicht in den optischen Modulator, insbesondere in den Bereich der Quantentopf-Schichten, eingestrahlt, dort in gewünschter Weise moduliert und als moduliertes Laserlicht, ebenfalls in der ersten Emissionsrichtung, ausgegeben.
Das in oben im Rahmen des ersten und des zweiten Ausführungsbeispiels erläuterter Weise von den Quantendots erzeugte Laserlicht wird in einer zweiten Emissionsrichtung, gemäß einer alternativen Ausfuhrungsform in einer dritten Emissionsrichtung, emittiert.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel sind die zweite Emissionsrichtung und die dritte Emissionsrichtung senkrecht zu der ersten Emissionsrichtung. Ferner sind die zweite Emissionsrichtung und die dritte Emissionsrichtung zueinander senkrecht .
Das elektrische Feld wird in der zweiten Emissionsrichtung angelegt .
In diesem Dokument sind folgende Veröffentlichungen zitiert:
[2] FR 2 751 480 AI;
[3] DE 689 10 143 T2 ;
[4] JP 10084164 A;
[5] JP 08076069 A;
[6] US 5,714,765;
[7] J. Singh, Possibility of Room Temperature Intra-Band
Lasing in Quantum Dot Structures Placed in High-Photon Density Cavities, IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 8, No. 4, S. 488 bis 490, April 1996.
Bezugszeichenliste
100 Halbleiterelement
101 Halbleiterschicht
102 Quantendots
103 Bragg-Reflektor
104 kohärentes Licht
105 Pfeil
200 Halbleiterelement
201 Halbleiterschicht 202 Quantendots
203 Halbleiterschichtsystem
204 Halbleiterschichtsystem
205 Bragg-Reflektor 206 Pfeil
300 Energieschema 301 Energieniveau 302 Energieniveau 303 Energieniveau 304 Energieniveau
305 kohärentes Licht 306 Pfeil
400 Energieschema
401 Energieniveau 402 Energieniveau 403 Energieniveau 404 Energieniveau
405 kohärentes Licht
406 Pfeil
500 Zustandsdichte
501 Delta-Funktion
502 Delta-Funktion
503 Delta-Funktion 504 Delta-Funktion
600 Zustandsdichte
601 Delta-Funktion
602 Stufe
603 Stufe

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur optischen Signalübertragung, mit
• einem Laserelement, mittels dem Licht in einer 5 ersten Emissionsrichtung emittierbar ist;
• einem in der ersten Emissionsrichtung angeordneten Halbleiterelement; und
• Mitteln zum Anlegen eines elektrischen Feldes an das Halbleiterelement, wodurch das
0 Halbleiterelement zwischen einem transparenten und einem absorbierenden Zustand bezüglich des von dem Laserelement emittierten Lichtes umschaltbar ist;
• wobei das Halbleiterelement zwischen einem ersten Energieniveau und einem über dem ersten
5 Energieniveau liegenden zweiten Energieniveau wenigstens ein drittes Energieniveau aufweist; und
• wobei im absorbierenden Zustand des Halbleiterelementes durch Absorption des von dem Laserelement emittierten Lichtes Licht in einer
0 zweiten Emissionsrichtung von dem Halbleiterelement emittierbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Laserelement derart eingerichtet ist, dass kohärentes Licht in der
5 ersten Emissionsrichtung emittierbar ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 , wobei im absorbierenden Zustand des Halbleiterelementes durch Absorption des von dem Laserelement emittierten Lichtes
,0 eine Besetzungsinversion zwischen dem dritten
Energieniveau und dem ersten Energieniveau erzeugbar und Licht in der zweiten Emissionsrichtung von dem Halbleiterelement emittierbar ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , wobei das dritte Energieniveau metastabil ausgestaltet ist.
5 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei im absorbierenden Zustand des Halbleiterelementes kohärentes Licht in der zweiten Emissionsrichtung von dem Halbleiterelement emittierbar ist.
0 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die zweite Emissionsrichtung von der ersten Emissionsrichtung verschieden ist .
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das 5 Halbleiterelement zur Ausbildung des dritten
Energieniveaus wenigstens eine Halbleiterschicht mit darin ausgebildeten Quantendots aufweist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die
0 Halbleiterschicht mit darin ausgebildeten Quantendots in einer als Quantentopf ausgebildeten Halbleiterschicht eingebettet ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei das zweite
:5 Energieniveau ein gebundener Energiezustand des die Quantendots umgebenden Quantentopfs ist.
10.Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei das zweite Energieniveau ein angeregter gebundener ,0 Energiezustand der Quantendots ist.
11.Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei die Halbleiterschicht eine Indium-Gallium- Arsenid/Gallium-Arsenid/Aluminium-Gallium-Arsenid- Heterostruktur oder eine Indium-Arsenid/Indium-Gallium- Arsenid/Gallium-Arsenid/Aluminium-Gallium-Arsenid- Heterostruktur aufweist.
5
12.Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das
Halbleiterelement zur Ausbildung des dritten Energieniveaus wenigstens ein Halbleiterschichtsystem mit darin ausgebildeten Quantentöpfen aufweist.
.0
13.Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Halbleiterelement so ausgebildet ist, dass im transparenten Zustand die Energie des von dem Laserelement emittierten Lichtes größer als die
.5 Energiedifferenz zwischen dem dritten Energieniveau und dem ersten Energieniveau ist.
14.Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Halbleiterelement so ausgebildet ist, dass !0 die Übergangszeit von Ladungsträgern aus dem zweiten Energieniveau in das dritte Energieniveau wesentlich kleiner als die Periodendauer des an das Halbleiterelement angelegten elektrischen Feldes ist.
15 15.Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste und die zweite Emissionsrichtung senkrecht zueinander liegen.
16.Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 10 wobei Mittel zum mehrmaligen Koppeln des von dem Laserelement emittierten Lichtes in das Halbleiterelement vorgesehen sind.
17.Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei die Mittel zum mehrmaligen Koppeln des von dem Laserelement emittierten Lichtes in das Halbleiterelement wenigstens einen selektiven Bragg-Reflektor aufweisen.
18.Vorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, wobei die Mittel zum mehrmaligen Koppeln des von dem Laserelement emittierten Lichtes in das Halbleiterelement wenigstens einen metallischen Spiegel aufweisen.
L O
19.Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei die Mittel zum mehrmaligen Koppeln des von dem Laserelement emittierten Lichtes in das Halbleiterelement wenigstens einen photonischen L5 Kristall aufweisen.
20.Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei die Mittel zum mehrmaligen Koppeln des von dem Laserelement emittierten Lichtes in das _0 Halbleiterelement wenigstens einen gebrochenen Kristall mit einem Brechungsindexsprung zum angrenzenden Medium aufweisen.
21.Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, !5 wobei das Laserelement und das Halbleiterelement in einem gemeinsamen Resonator angeordnet sind.
22.Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Halbleiterelement mit dem Laserelement als 10 integriertes Bauelement ausgebildet ist.
23. Optischer Modulator zur Verlustmodulation des von einem Laserelement emittierten Lichtes, insbesondere zur Verwendung in einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit
• einem Halbleiterelement; und
• Mitteln zum Anlegen eines elektrischen Feldes an 5 das Halbleiterelement, wodurch das
Halbleiterelement zwischen einem transparenten und einem absorbierenden Zustand bezüglich des von dem Laserelement emittierten Lichtes umschaltbar ist;
• wobei das Halbleiterelement zwischen einem ersten .0 Energieniveau und einem über dem ersten
Energieniveau liegenden zweiten Energieniveau wenigstens ein drittes Energieniveau aufweist; und
• wobei im absorbierenden Zustand des Halbleiterelementes durch Absorption des von dem
.5 Laserelement emittierten Lichtes Licht in einer zweiten Emissionsrichtung von dem Halbleiterelement emittierbar ist.
24.Verfahren zur optischen Signalübertragung, bei dem
10 • Licht mittels eines Laserelementes in einer ersten
Emissionsrichtung emittiert wird;
• an ein in der ersten Emissionsrichtung angeordnetes Halbleiterelement, welches zwischen einem ersten Energieniveau und einem über dem ersten
!5 Energieniveau liegenden zweiten Energieniveau wenigstens ein drittes Energieniveau aufweist, ein elektrisches Feld angelegt wird, wodurch das Halbleiterelement zwischen einem transparenten und einem absorbierenden Zustand bezüglich des von dem i0 Laserelement emittierten Lichtes umgeschaltet wird;
• wobei im absorbierenden Zustand des Halbleiterelementes durch Absorption des von dem Laserelement emittierten Lichtes Licht in einer zweiten Emissionsrichtung von dem Halbleiterelement emittiert wird.
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