WO1992020124A1 - Optisch gepumpter wellenleiter - Google Patents

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waveguide
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resonator
doped region
silicon
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PCT/DE1992/000280
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Inventor
Karl-Ulrich Stein
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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    • 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
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/06—Construction or shape of active medium
    • H01S3/063—Waveguide lasers, i.e. whereby the dimensions of the waveguide are of the order of the light wavelength

Definitions

  • the present invention relates to an optically pumped waveguide on a semiconductor component, in particular made of silicon.
  • optical signal lines between chips e.g. in computer architectures
  • Waveguide integrated optical emitters needed. Such optical amplifiers or emitters can currently only be built in compound semiconductors. The listed applications of -optically integrated circuits can therefore not in monolithic, but only in a hybrid
  • the object of the present invention is to provide a waveguide using planar technology, which can be operated as an optical amplifier and can be monolithically integrated into a component made of silicon.
  • the waveguide z. B. arranged on a substrate in planar technology and with a suitable for the excitation of radiation according to a function as a laser dopant such. B. erbium or neodymium, doped.
  • the waveguide on silicon preferably consists of glass in an SiO 2 / Si 3 N 4 composition. If this invention If the waveguide is pumped with light of a suitable wavelength, laser radiation is excited in it like in a fiber laser.
  • the waveguide according to the invention is described with reference to FIGS. 1 to 4.
  • Fig. 1 shows a schematic plan view of a provided with a waveguide according to the invention
  • FIGS. 2 and 3 show waveguides according to the invention with a further waveguide provided for coupling radiation.
  • the waveguide 1 built thereon can be pumped by an external light source 3.
  • This external light source 3 can, for. B. be a semiconductor laser. Alternatively, the light can be supplied via a fiber 4.
  • Another fiber 5 is used for optical
  • provided area 7 of the waveguide. 2 shows the waveguide 1 with the doped region 7 and the coupler 8 for coupling in the radiation which excites the laser radiation.
  • reflectors 6 are additionally drawn in, which ensure resonance conditions in this doped region 7.
  • This waveguide according to the invention can be used as an amplifier in a passive waveguide.
  • a suitable resonator arrangement Fabry-Perot, DFB or DBR
  • This laser oscillator can Pump power can be modulated in its amplitude.
  • a modulator for this laser can be provided on the component.
  • the waveguide according to the invention can have a length of about one meter for use as an optical amplifier and is therefore optionally arranged as a spiral or double spiral as shown in FIG. 4 or guided in a meandering manner as in FIG. 5.
  • FIGS. 4 and 5 each show a further waveguide 8, which is provided for the irradiation of the light of a suitable wavelength to excite the laser radiation (pump waveguide), and a grating 9 as a resonator arrangement.
  • the further waveguide 8 can, as shown by the dashed line in FIGS. 4 and 5, run in the plane of the waveguide 1 or be formed by a layer waveguide arranged above the waveguide 1 or below the waveguide 1.
  • Light can be generated by means of leaky wave coupling.
  • the particular advantage of the arrangement according to the invention is that it can be combined in many ways in a circuit with integrated optics on silicon (Si-OEIC) with further optical functional elements such as filters, couplers, lines.
  • Si-OEIC integrated optics on silicon
  • optoelectronic functional elements such as detectors and
  • a simple, th hermisch separated light source for pumping the laser, z. B. in the form of a semiconductor laser, optionally for several amplifiers together on one chip or several chips can be used.
  • This light source can be connected to the chip via a fiber.

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  • Electromagnetism (AREA)
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  • Optics & Photonics (AREA)
  • Lasers (AREA)
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Abstract

Optisch gepumpter Wellenleiter (1) in Planartechnik vorzugsweise auf Silizium mit einer in dem Wellenleiter (1) integrierten Resonatoranordnung (7) und einer für eine Anregung von Laserstrahlung mittels einer externen Lichtquelle (3) geeigneten Dotierung.

Description

Optisch gepumpter Wellenleiter
Die vorliegende Erfindung betrifft einen optisch gepumpten Wellenleiter auf einem Halbleiterbauelement, insbesondere aus Silizium.
Für eine Reihe von Anwendungen aus der optischen Nachrichtentechnik, der optischen Signalleitungen zwischen Chips (z. B. in Rechnerarchitekturen) und im Bereich des Optical Computing werden optische integrierte Schaltungen auf Silizium mit in Wellenleiter integrierten optischen Verstärkern bzw. in
Wellenleiter integrierten optischen Emittern benötigt. Derartige optische Verstärker bzw. Emitter lassen sich derzeit nur in Verbindungshalbleitern aufbauen. Die aufgelisteten Anwendungen von -optisch integrierten Schaltungen können daher nicht in monolithischer, sondern nur in einer hybriden
Kombination zwischen Silizium und Verbindungshalbleitern hergestellt werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Wellenleiter in Planartechnik anzugeben, der als optischer Verstärker betrieben werden kann und in ein Bauelement aus Silizium monolithisch integriert werden kann.
Diese Aufgabe wird mit dem Wellenleiter mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß wird der Wellenleiter z. B. auf einem Substrat in Planartechnik angeordnet und mit einem für die Anregung von Strahlung entsprechend einer Funktion als Laser geeigneten Dotierstoff, wie z. B. Erbium oder Neodym, dotiert. Vorzugsweise besteht der Wellenleiter auf Silizium dabei aus Glas in einer SiO2/Si3N4-Zusammensetzung. Wenn dieser erfindungsgemäße Wellenleiter mit Licht einer passenden Wellenlänge gepumpt wird, so wird in ihm wie bei einem Faserlaser Laserstrahlung angeregt. Es folgt eine Beschreibung des erfindungsgemäßen Wellenleiters anhand der Figuren 1 bis 4.
Fig. 1 zeigt eine schematische Aufsicht auf ein mit einem erfindungsgemäßen Wellenleiter versehenes
optoelektronisches integriertes Bauelement.
Fig. 2 und 3 zeigen erfindungsgemäße Wellenleiter mit einem für die Ankopplung von Strahlung vorgesehenen weiteren Wellenleiter.
Fig. 4 und 5 zeigen vorteilhafte Anordnungen des erfindungsgemäßen Wellenleiters mit einem Wellenleiter zum Einkoppeln von Strahlung.
In Fig. 1 ist ein optoelektronisches integriertes Bauelement (OEIC) auf einem Substrat 2 dargestellt. Der darauf aufgebaute Wellenleiter 1 kann durch eine externe Lichtquelle 3 gepumpt werden. Diese externe Lichtquelle 3 kann z. B. ein Halbleiterlaser sein. Alternativ kann das Licht über eine Faser 4 zugeführt werden. Eine weitere Faser 5 dient dem optischen
Anschluß des Wellenleiters. Aus der Faser 4, die das Licht zum Anregen von Laserstrahlung in dem Wellenleiter (optisches Pumpen) zuführt, wird dieses Licht durch einen Koppler 8 (s. Fig. 2) in einen für die Anregung von Laserstrahlung
vorgesehenen Bereich 7 des Wellenleiters eingekoppelt. In Fig. 2 sind der Wellenleiter 1 mit dem dotierten Bereich 7 und dem Koppler 8 zum Einkoppeln der die Laserstrahlung anregenden Strahlung dargestellt. In Fig. 3 sind zusätzlich Reflektoren 6, die in diesem dotierten Bereich 7 für Resonanzbedingung sorgen, eingezeichnet.
Dieser erfindungsgemäße Wellenleiter kann als Verstärker in einem passiven Wellenleiter verwendet werden. In einer geeigneten Resonatoranordnung (Fabry-Perot, DFB oder DBR) wirkt er als Laseroszillator. Dieser Laseroszillator kann über die Pumpleistung in seiner Amplitude moduliert werden. Auf dem Bauelement kann ein Modulator für diesen Laser vorgesehen sein. Der erfindungsgemäße Wellenleiter kann für die Verwendung als optischer Verstärker eine Länge von etwa einem Meter haben und wird daher gegebenenfalls wie in Fig. 4 gezeigt als Spirale oder Doppelspirale angeordnet oder wie in Fig. 5 maanderformig geführt. In den Figuren 4 und 5 sind jeweils ein weiterer Wellenleiter 8, der für die Einstrahlung des Lichtes passender Wellenlänge zum Anregen der Laserstrahlung vorgesehen ist (Pumpwellenleiter), und ein Gitter 9 als Resonatoranordnung eingezeichnet. Der weitere Wellenleiter 8 kann wie durch die gestrichelte Linie in den Fig. 4 und 5 dargestellt in der Ebene des Wellenleiters 1 verlaufen oder durch einen über dem Wellenleiter 1 oder unter dem Wellenleiter 1 angeordneten Schichtwellenleiter gebildet werden. Die Einkopplung des
Lichtes kann mittels Leckwellenkopplung erfolgen. Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin, daß sie in einer Schaltung mit integrierter Optik auf Silizium (Si-OEIC) mit weiteren optischen Funktionselementen wie Filtern, Kopplern, Leitungen vielfach kombiniert werden kann. Zusätzlich ist sie auf Silizium kombinierbar mit optoelektronischen Funktionselementen wie Detektoren und
Modulatoren. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen
Wellenle iters besteht dari n , daß eine e in fache , th ermisch getrennte Lichtquelle zum Pumpen des Lasers, z. B. in Form eines Halbleiterlasers, gegebenenfalls auch für mehrere Verstärker gemeinsam auf einem Chip od.er mehreren Chips verwendet werden kann. Diese Lichtquelle kann über eine Faser an den Chip angeschlossen werden. Dieser Vorteil erlaubt eine besondere Freiheit in der Gestaltung der verschiedenen auf einem Chip integrierten Funktionselemente.

Claims

Patentansprüche:
1. Anordnung mit einem planaren Wellenleiter (1) aus Silizium oder SiO2/Si3N4 mit einem derart dotierten Bereich (7), daß dort eine Laser-Funktion eintritt, wenn Licht einer angepaßten Wellenlänge eingekoppelt wird (optisches Pumpen), und mit einem damit integrierten weiteren planaren Wellenleiter (8), der so angeordnet ist, daß aus diesem weiteren Wellenleiter (8) Licht in den dotierten Bereich (7) eingekoppelt werden kann.
2. Anordnung nach Anspruch 1,
bei der der weitere Wellenleiter (8) in derselben Ebene seitlich des dotierten Bereiches (7) für Leckwellenkopplung angeordnet ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1,
bei der der weitere Wellenleiter (8) über oder unter dem dotierten Bereich (7) für Leckwellenkopplung angeordnet ist.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
bei der der dotierte Bereich (7) Erbium als Dotierstoff enthält.
5. Wellenleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 4
mit einer Resonatoranordnung.
6. Wellenleiter nach Anspruch 5,
bei dem die Resonatoranordnung ein Fabry-Perot-Resonator ist.
7. Wellenleiter nach Anspruch 5,
bei dem die Resonatoranordnung ein DFB-Resonator ist.
8. Wellenleiter nach Anspruch 5,
bei dem die Resonatoranordnung ein DBR-Resonator ist.
9. Wellenleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
der spiralförmig angeordnet ist.
10. Wellenleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, der mäanderformig angeordnet ist.
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