WO2006122727A1 - Sättigbarer absorber für einen passiv modengekoppelten laser - Google Patents

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WO2006122727A1
WO2006122727A1 PCT/EP2006/004511 EP2006004511W WO2006122727A1 WO 2006122727 A1 WO2006122727 A1 WO 2006122727A1 EP 2006004511 W EP2006004511 W EP 2006004511W WO 2006122727 A1 WO2006122727 A1 WO 2006122727A1
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saturable absorber
layers
laser
absorber
semiconductor layer
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PCT/EP2006/004511
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Thomas Dekorsy
Jörg Neuhaus
Manfred Helm
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Universität Konstanz
Forschungszentrum Rossendorf E.V.
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    • G02F2202/10—Materials and properties semiconductor
    • G02F2202/101—Ga×As and alloy

Definitions

  • the invention relates to a high
  • Laser light intensities saturable absorber for a passively mode-locked laser Laser light intensities saturable absorber for a passively mode-locked laser.
  • a saturable absorber is understood to mean a material or component whose absorption coefficient decreases with increasing irradiation intensity.
  • the saturable absorber serves to modulate the losses of the resonator of the laser. At low intensities, the absorber absorbs comparatively stronger and generates comparatively large losses over several resonator cycles. At high intensity, the absorber generates low losses.
  • Such a saturable absorber is known from the publications U.Keller et al. "Semiconductor saturable absorber mirrors (SESAMs) for femtosecond to nanosecond pulse generation in solid-state lasers", IEEE Journal Selected Topics of Quantum Electronics, Vol.2 pp. 435-453 (1996) and U. Keller, “Recent developments in compact ultrafast lasers “, Nature, Vol. 424, pp. 831 (2003)).
  • SESAMs semiconductor saturable absorber mirrors
  • Saturable absorbers previously used for lasers are based on semiconductors or heterostructures of semiconductors that exhibit interband absorption at the desired laser wavelength, ie, an optical transition between valence and conduction band, that is, excitation of an electron-hole pair by the absorption of a photon. Absorption is saturated by occupying electrical states in the conduction band and these states are no longer available for the formation of further electron-hole pairs by absorption of additional photons for the duration of their occupation.
  • the semiconductor or semiconductor heterostructure is often fabricated monolithically with a high reflectivity Bragg mirror or in a Fabry-Perot etalon (US Patent 5,237,577). With such saturable absorbers, a large number of solid-state lasers were operated in pulse mode.
  • an ultrashort light pulse is understood to be a light pulse having a time width down to the femtosecond or picosecond range.
  • Ultrafast optical pulses are extremely important for applications in high-speed telecommunications, signal processing, optical sensing, and materials processing.
  • Ultra-short pulses are generated by various techniques, but especially by passive mode-locking.
  • one uses a laser which with a non-linear optical element, such. a saturable absorber is operated.
  • Saturable absorbers are thus part of a laser to operate in pulsed operation with pulse lengths in the femtosecond (fs) and picosecond (ps) range.
  • Pulse operation is achieved by means of the saturable absorber in that light pulses reduce the absorption of the saturable absorber and saturate the absorption at sufficiently high light intensities.
  • a light pulse circulating in a laser cavity experiences a reduced absorption, in particular a lower absorption than continuous wave laser light emitted by the laser medium.
  • Minimal absorption is achieved by complete saturation of the absorber.
  • the saturable absorption leads to pulsed operation, either in the so-called Q-switched mode or in passive mode-locked mode.
  • the passive mode-locked operation is characterized by the emission of a laser pulse train with a repetition rate that corresponds to the orbital period of the light in the laser cavity.
  • the length of the optical pulse trains in the passively mode-locked mode can be up to the femtosecond range depending on the compensation of the dispersion of the optical elements in the resonator and the amplification bandwidth of the laser medium in the nanosecond range.
  • saturable absorbers based on interband excitation of semiconductors and semiconductor heterostructures are not all laser wavelengths are available with the appropriate semiconductor materials that fulfill all the above requirements for a saturable absorber.
  • semiconductors that are suitable for ultrafast saturable absorbers at wavelengths greater than or equal to 1, 5 microns.
  • an antimonide-based, saturable absorber was introduced, with which 20 picosecond optical pulses of an Er: Yb: glass laser could be achieved (R. Grange et al., "Antimonide based saturable absorber for l.S ⁇ m", Electronics Letters, VoI 40 (2004 This saturable absorber is based, like all other known ones, on an optical interband transition.
  • intersubband transitions without reference to a passive mode coupling in a laser are known from other publications.
  • the publication describes (Akimoto, Ryoichi, Li, Bing Sheng, Sasaki, Fumio and Hasama, Toshifumi, "Intersubband Transition Based on a Novel H-VI Quantum Well Structure for Ultrafast All-Optical Switching.” Japanese Journal of Applied Physics, 2004 , 43 (4B), pp. 1973-1977)
  • Intersubband transitions between subbands which, in the terminology of the present application, lie within the conduction band edge offset between barrier layer and well layer.
  • intersubband transitions excited by a first laser beam become exploited to modulate the absorption of the structure for a second laser beam used for message transmission.
  • the object of the invention is to specify an absorber of a passively mode-locked laser which can be saturated by high laser light intensities, with which ultrashort laser light pulses having wavelengths greater than 1.5 ⁇ tn can be generated, wherein the absorption wavelength and thus the operating wavelength contribute to the generation of laser light pulses unchanged material system can be fixed to different values.
  • the saturable absorber is composed of a semiconductor layer structure with one or more quantum wells or quantum wells, each quantum well has barrier layers which define a well layer and which is in contact with the well layer alternate thickness of the well layer so that it has at least one upper and at least one lower energy level for electrons whose energy difference is smaller than a line band edge offset between a barrier layer and an adjacent well layer bottom level is filled by suitable doping with electrons, which are capable of intersubband transitions between the lower and the upper energy level by interaction with photons whose energy corresponds to the energy difference, and the energy difference of the energy of photons corresponds to an emission wavelength of the laser.
  • the invention provides a passive non-linear optical switching element of the saturable absorber type for IR (infrared), MIR (mid-infrared) and FIR (far-infrared) laser for generating ultrashort pulses that are heterostructural based on intersubband transitions in semiconductor devices is suitable for mode-locking pulses by means of IR, MIR and FIR lasers and that distinguishes from previously used interband saturable absorbers by the wavelength range and the flexibility in the design.
  • the novel saturable absorbing switching element includes quantum well layers that permit intersubband transitions that are tunable to the wavelength of the laser light in the design of the semiconductor heterostructure.
  • a pulsed laser operation is possible by passive mode locking with adjustable on design parameters using wavelengths for generating light pulses which are greater than 1.5 M m.
  • the use of intersubband transitions allows for saturable absorption for wavelengths for which no ultrafast, interband saturable absorber is known.
  • the absorption wavelength of the saturable absorber according to the invention is variable over the design of the semiconductor layer structure with an unchanged material system.
  • the implementation according to the invention of saturable absorbers based on intersubband transitions permits mode coupling in the case of Solid-state lasers whose wavelength range has so far been accessible only by OPOs.
  • the invention is based on the combination of the following findings. It is essential to first realize that the temporal behavior of the absorption after saturation is an important parameter of a saturable absorber which can be used according to the invention and that the complete recovery of the saturable absorber must be faster than the circulation time of the laser light in the resonator. Otherwise, undesirable accumulation effects occur in the saturable absorber, which is detrimental to lasers with high repetition rates in the GHz range.
  • a saturable absorber has its wavelength range, which must be adapted to the wavelength range of the laser material, its static absorption at the laser wavelength, its saturable absorption, and its non-saturable absorption, i. the residual absorption after saturation of absorption.
  • the invention provides a saturable absorber for a passively mode-locked laser which consists of a semiconductor heterostructure with at least one quantum well and whose characteristic absorption length in the range of the infrared, mid-infrared and far-infrared regions of the electromagnetic spectrum (between 1 ⁇ m and 100 ⁇ m, in particular but larger than 1.5 microns and by 2 microns) on the energy amount of intersubband transitions (ISBTs) tuned can be, with the vote on a variation of design parameters of the semiconductor heterostructure takes place. Furthermore, in the case of saturators which can be saturated by intersubband transitions, the saturation intensity can be adjusted by the doping.
  • a saturable absorber for a mode-locked laser differs in structure and operation of a saturable absorber, which controls an interaction between two otherwise independent laser beams in an optical switch.
  • the modulation depth in the use of a saturable absorber for passive mode locking should be only a few percent, while an optical switch should allow the highest possible transmission change (up to 100%).
  • the nonlinear saturation of the absorption is dependent on the intensity of the incident radiation.
  • a quantum layer structure as an optical switch
  • only a single beam of light is necessary.
  • the saturable absorber is designed so that at low intensity only a slightly larger (in the percentage range) part of the light is absorbed. Otherwise, Q-switching may occur.
  • Saturable absorbers for optical switches therefore have different parameters than saturable absorbers for mode-locked lasers. Only the basic physical principle of the interaction between light and electron transitions of intersubband energy levels is used in both devices.
  • the saturable absorber For suitability for mode-locking in a laser, the saturable absorber must be capable of absorbing a single beam of light at high intensities nonlinear and minimal to change such that high intensities are easily transmitted preferentially. Excessive absorption at low intensities causes Q-switching instabilities and is therefore unsuitable for mode locking.
  • FIG. 1 shows a conduction band structure of a saturable absorber according to the invention
  • Fig. 2 shows an embodiment of the invention as a schematic representation of a
  • FIG. 3 shows a variation of the embodiment of FIG.
  • Fig. 4 shows an insert of the saturable absorber in a
  • FIG. 5 shows an insert of the saturable absorber in one
  • FIG. 1 shows a conduction band structure 10 of the energy E (x) of a saturable absorber according to the invention by way of example 15 layers over a spatial extent x shown.
  • Each of the illustrated 14 vertical lines 12.1, 12.2, ..., 12.14 corresponds to a boundary between two adjacent layers.
  • the layer sequence of a material 14 with a large band gap as the barrier layer 14 and a material 16 with a small band gap as the well layer 16 generates a plurality of quantum films.
  • the subband energy levels 18 and 20 in the quantum films are shown schematically here without a possible splitting of the energy levels in minibands due to the superlattices generated by the multiple arrangement of quantum films.
  • the band edge offset that is to say the energy difference between the conduction band edge 22 of the well layers 16 and the conduction band edge 24 of the barrier layers 14, is greater than the energy of the incident light 26.
  • Subband energy levels 18, 20 different far apart, so that the wavelength of the intersubband absorption can be adjusted freely on the choice of the layer thickness.
  • the minimum achievable wavelength is determined by the size of the band edge offset between barrier and well material. Electrons excited from a lower energy level 18 to light absorption into an upper energy level 20 relax back to the lower level via phonons with a sub-ps time constant (Akimoto, Ryoichi, Li, Bing Sheng, Sasaki, Fumio and Hasama, Toshifumi. "Intersubband Transition Based on a Novel II-VT Quantum Well Structure for Ultrafast All-Optical Switching.” Japanese Journal of Applied Physics, 2004, 43 (4B), pp. 1973-1977). This process delivers the ultra-fast saturable Absorber necessary recovery time.
  • the thickness of the well layers 16 is selected such that the energy amount of a subband transition 28 is adapted from a low energy level 18 populated by carriers to a correspondingly higher energy level 20 with free states to the energy of the irradiated photons in the area of application of the saturable absorber.
  • the lower energy level 18 is populated due to the doping of the quantum well layer or well layer 16 with free charge carriers. The doping is the desired
  • FIG. 2 shows a schematic structure of the semiconductor structure of a saturable absorber 30 according to the invention.
  • Semiconductor layers 34 and 36 have grown alternately on a substrate 32.
  • the number of layers 34, 36 is adjusted depending on the material system to the desired unsaturated and saturated absorption.
  • the two semiconductor materials are chosen according to the invention so that their energetic line band edge difference is greater than the energy of the photons with the wavelength at which the saturable absorber 30 is to be used.
  • the Semiconductor materials of the semiconductor layers 34, 36 are deposited on each other by means of epitaxial methods with an accuracy in the range of atomic monolayers.
  • the semiconductor layers 34 are selected with respect to the substrate 32 such that the crystal lattice of the semiconductor layer 34 matches the crystal lattice of the substrate 32. Accordingly, the semiconductor layers 36 are adapted to the semiconductor layers 34.
  • the material of the semiconductor layers 36 has a smaller bandgap than the material of the semiconductor layers 34.
  • the semiconductor layers 36 therefore represent well layers, while the semiconductor layers 34 are barrier layers.
  • multiple quantum well structures are realized by the multiple arrangement of the semiconductor layers 34 and 36.
  • the thickness of a quantum well that is, the thickness of a well layer 36, defines the subband energies 18, 20 within the quantum well.
  • the thickness of the semiconductor layers 34, 36, the doping, the number of layers and the layer material is applied to the pulse laser to be realized, i. the wavelength, the bandwidth and the intensity of the incident light 26 adjusted.
  • the doping may be introduced into either the barrier or the well material during growth of the semiconductor layer structure.
  • FIG 3 illustrates a saturable absorber 38 with additional semiconductor layers 40 of semiconductor material. Since the band edge offset between layers 34 and 36 must be greater than the energy of the incident photons, only a few material systems are considered whose lattice spacings may have greater differences , In this case, intrinsic grid stresses occur within the semiconductor heterostructure, which are to be compensated using another additional semiconductor layer 40.
  • the material of the further layer 40 is selected so that its lattice constant is the total stress of the layer system of the layers 34, 36, 40 of the semiconductor heterostructure of the saturable absorber 38 is minimized.
  • an additional layer 40 is therefore provided which at least partially compensates for the lattice strain induced by the lattice differences of layer 34 and 36. As a result, further degrees of freedom in the choice of layer thickness of the quantum film of the pot layer 36 and thus of the characteristic wavelength are created.
  • FIG. 3 whose individual semiconductor layers are numbered by the reference numerals (34.1-34.N) and (36.1-36.NI), a concrete exemplary embodiment of a saturable absorber according to the invention will be described below the basis of an InGaAs / AlAs semiconductor system is described in detail.
  • the semiconductor material layers arranged in a periodic sequence are in particular composed of the following semiconductor material composition: InO, 7GaO, 3As for the layers 36 and AlAs for the layers 34.
  • the semiconductor layers referenced 34.1 to 34.N AlAs refer to layers having a thickness of 1, 2 nm, whereas the semiconductor layers with the reference numerals 36.1-36.
  • NI InGaAs represent layers with a thickness of 1.9 nm, 2.2 nm or 2.8 nm, depending on the configuration.
  • the layer 40 lying between two adjacent semiconductor layers 34, 36 is each made of InAlAs and is 20 nm thick.
  • the semiconductor layer 32 forms the substrate onto which the other layers have grown and consists of InP.
  • the semiconductor layers 36.1 to 36.N are additionally doped with silicon and the number N of the periodically repeating layer structures is 40 in one embodiment.
  • the static transmission of such a structure has been described in (Georgiev, N., Dekorsy, T., Eichhorn, F , Helm, M., Semtsiv, MP and Masselink, WT "Short-wavelength intersubband absorption in strain compensated InGaAs / AlAs quantum well structures grown on InP.” Applied Physics Letters, 2003, 83 (2), pp.
  • 210-212 is measured as the ratio of the transmission of s- to p-polarized light with a layer thickness of the second layer (AlAs layer) of 2.8 nm, 2.2 nm and 1.9 nm and the absorption maxima in each case to 2.14 ⁇ m, Determined 1.88 microns, or 1.72 microns.
  • the embodiment described above is, as mentioned above, illustrated using the example of an InGaAs / AlAs semiconductor material system, but the structure of the saturable absorber according to the invention with alternative binary, ternary or quaternary semiconductor material systems from the third and fifth main group of the periodic table (eg GaSb / AlSb, AlGaN / InGaN) or the second and sixth main group of the Periodic Table (eg ZnSe / BeTe).
  • the third and fifth main group of the periodic table eg GaSb / AlSb, AlGaN / InGaN
  • the second and sixth main group of the Periodic Table eg ZnSe / BeTe
  • a combination of InGaAs and AlGaAs is used.
  • intersubband transitions of at least 2.1 ⁇ m could be achieved (Chuff, H. C, Martinet, EL, Fejer, MM, Harris, J. and S. Jr., "Short wavelength intersubband transitions in InGaAs / AIGaAs quantum wells grown on GaAs. "Applied Physics Letters, 1994/02/07/1994, 64 (6), pp. 736-738).
  • the thickness of the layers is 2.3 nm for AlO, 45GaO, 55As and 4.0 nm [TDl] for InO, 5GaO, 5As.
  • FIG. 4 shows a passive mode-locked laser 42 according to the invention with an active laser material 44, mirrors 46, 48 and a saturable absorber 30 in a Brewster angle configuration.
  • an active laser material 44 spanned by the direction of incidence and growth direction of the absorber, which is incident with the Brewster angle B.
  • the light penetrates completely through the surface.
  • Light with a polarization perpendicular to this plane is also partially reflected. Vertically polarized light experiences increased losses in the laser via this reflection, so that laser operation is preferred for the parallel polarized light.
  • the saturable absorber 30 is arranged in the embodiment of FIG. 4 such that the growth direction 50 of the semiconductor layers of the saturable absorber 30 forms the corresponding Brewster angle B with the incident light 26. In this arrangement, it is ensured that there is sufficient intensity of the p-polarized light substantially involved in the electron transitions between the intersubband states. In order to achieve the light intensity necessary for the saturation of the absorption, the light field can be focused by focusing mirrors in the laser resonator, ie between the mirrors 46 and 48, at the location of the saturable absorber 30. It is understood that the absorber 30 can be replaced by the absorber 38.
  • FIG. 5 represents an embodiment with vertical incidence of light on the absorber 30 (or 38).
  • the beam direction is then perpendicular to the surface and the individual layers of the absorber 30 (or 38) and thus parallel to the growth direction of the semiconductor layers.
  • Such an arrangement with vertical incidence of light is also conceivable, as in Georgiev, N., Dekorsy, T., Eichhorn, F., Helm, M., Semtsiv, MP and Masselink , WT "Short-wavelength intersubband absorption in strain compensated InGaAs / AIAs quantum well structures grown on InP.” Applied Physics Letters, 2003, 83 (2), pp.
  • s-polarized light is also absorbed.
  • an antireflection coating 52 in this arrangement is useful.
  • the design of the saturable absorber 30 must, however, be adapted accordingly to the deteriorated absorption conditions. Additionally, to reduce reflection losses, an antireflective layer 52 must be applied to the front of the saturable absorber and the substrate side.
  • the saturable semiconductor absorber 30, 38 when used as a passive nonlinear switching element for mode locking solid state lasers, in contrast to the structure described above, instead of in transmission also in a reflector structure application.
  • the reflector then forms an end mirror of the laser resonator.
  • a highly reflective mirror is combined with the saturable absorber as a unit. This combination can be realized directly in semiconductor growth by depositing a highly reflective Bragg mirror onto a substrate 32.
  • the saturable absorber 30 or 38 is subsequently deposited on this Bragg mirror.
  • This combination can also be achieved by an epitaxial lift-off process in which the saturable absorber is applied by van der Waals bonding to a high reflectance dielectric mirror 46,48.
  • the saturable absorber 30, 38 according to the invention can be monolithically integrated into a semiconductor laser in addition to the use for passive mode locking of solid state lasers and fiber lasers, whereby semiconductor lasers with high modulation rates can be realized with deployment potential in optical data transmission.
  • the saturable absorber 30, 38 of the present invention By employing intersubband transitions in the saturable absorber 30, 38 of the present invention, saturable absorption for wavelengths for which there is currently no ultrafast, interband saturable absorber is possible.
  • the thickness of the quantum well layers 16, 36 the subband energy levels 18, 20 in the quantum well can be adjusted.
  • the operating wavelength of the saturable absorber 30, 38 can be adjusted by the design to a desired wavelength.
  • the bandwidth of a saturable absorber 30, 38 according to the invention is extremely large due to the layer thickness fluctuations at very small layer thicknesses. By a suitable combination of different layer thicknesses, the bandwidth of the saturable absorber 30, 38 can additionally be increased.
  • An embodiment provides that the absorber 30; 38 with a highly reflective mirror 48 behind the saturable absorber 30; 38 is combined into a unit and serves as end mirror 48 of a laser resonator.
  • Another embodiment is characterized in that the absorber 30; 38 with a highly reflective mirror 48 behind the saturable absorber 30; 38 and a partially reflecting mirror 46 in front of the saturable absorber 30; 38 is combined into a unit.
  • saturable absorbers 30; 38 on the basis of intersubband transitions opens up the possibility of using solid-state lasers, the wavelength range of which was previously accessible only by OPOs, with mode-locking.
  • a monolithic integration of saturable absorbers based on intersubband transitions can also be used for mode-locking semiconductor lasers, which can be used with a high modulation rate in the GHz range in optical data transmission.
  • saturation intensity can be adjusted by the doping in the case of absorbers which can be saturated by intersubband transitions.

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Abstract

Vorgestellt wird ein durch hohe Laserlichtintensitäten sättigbarer Absorber (30) als Bestandteil eines passiv modengekoppelten Lasers. Der Absorber (30) zeichnet sich dadurch aus, dass er aus einer Halbleiter-Schichtstruktur mit einem oder mehreren Quantenfilmen bzw. Quantentöpfen aufgebaut ist, jeder Quantentopf Barriereschichten (34.1, ..., 34.N) aufweist, die eine Topfschicht (36.1, ..., 36. N-1) begrenzen und die sich mit der Topf Schicht (36.1, ..., 36. N- 1) in einer Wachs tumsr ich tung der Halbleiter-Schichtstruktur abwechseln, die Dicke der Topfschicht (36.1, ..., 36. N-1) so dimensioniert ist, dass sie wenigstens ein oberes Energieniveau und wenigstens ein unteres Energieniveau für Elektronen aufweist, deren Energiedifferenz kleiner als ein Lei tungs -Bandkantenoffset zwischen einer Barriereschicht (34.1, ..., 34.N) und einer benachbarten Topfschicht (36.1, ..., 36. N-1) ist, das untere Niveau durch eine geeignete Dotierung mit Elektronen gefüllt ist, die durch Wechselwirkung mit Photonen, deren Energie der Energiedifferenz entspricht, zu Intersubbandübergängen zwischen dem unteren Energieniveau und dem oberen Energieniveau fähig sind, und die Energiedifferenz der Energie von Photonen einer Emissionswellenlänge des Lasers entspricht.

Description

Titel: Sättigbarer Absorber für einen passiv modengekoppelten Laser
Beschreibung
Die Erfindung betrifft einen durch hohe
Laserlichtintensitäten sättigbaren Absorber für einen passiv modengekoppelten Laser.
Dabei wird unter einem sättigbaren Absorber ein Material oder Bauteil verstanden, dessen Absorptionskoeffizient mit zunehmender BeStrahlungsintensität abnimmt. In einem Laser dient der sättigbare Absorber zur Modulation der Verluste des Resonators des Lasers. Bei geringen Intensitäten absorbiert der Absorber vergleichsweise stärker und erzeugt über mehrere Resonatorumläufe hinweg vergleichsweise große Verluste. Bei hoher Intensität erzeugt der Absorber dagegen geringe Verluste.
Ein solcher sättigbarer Absorber ist aus den Veröffentlichungen U.Keller u.a. „Semiconductor saturable absorber mirrors (SESAMs) for femtosecond to nanosecond pulse generation in solid-state lasers", IEEE Journal Selected Topics of Quantum Electronics, Vol.2 pp. 435-453 (1996) und U. Keller, „Recent developments in compact ultrafast lasers", Nature, Vol. 424, pp. 831 (2003)), bekannt.
Bisher für Laser verwendete sättigbare Absorber basieren auf Halbleitern oder Heterostrukturen von Halbleitern, die bei der gewünschten Laserwellenlänge eine Interbandabsorption, d.h. einen optischen Übergang zwischen Valenz- und Leitungsband, also eine Anregung eines Elektron-Loch Paares durch die Absorption eines Photons zeigen. Die Absorption wird dadurch gesättigt, dass elektrische Zustände im Leitungsband besetzt werden und diese Zustände für die Dauer ihrer Besetzung nicht mehr für die Bildung weiterer Elektron-Loch Paare durch Absorption weiterer Photonen zur Verfügung stehen. Der Halbleiter oder die Halbleiter-Heterostruktur wird häufig monolithisch mit einem hochreflektierenden Bragg-Spiegel oder in einem Fabry-Perot Etalon hergestellt (US Patent 5237577) . Mit solchen sättigbaren Absorbern wurde eine Vielzahl von Festkörperlasern im Pulsbetrieb betrieben.
Solche sättigbaren Absorber werden zur Erzeugung ultrakurzer Laserlichtimpulse verwendet. Dabei wird unter einem ultrakurzen Lichtimpuls ein Lichtimpuls mit einer zeitlichen Breite bis hinunter in den Femto- oder Picosekunden-Bereich verstanden. Ultrakurze optische Pulse sind äußerst wichtig für Anwendungen in der Hochgeschwindigkeits-Telekommunikation, Signalverarbeitung, optischen Sensorik und Materialbearbeitung.
Ultrakurze Pulse werden durch verschiedene Techniken, insbesondere jedoch durch das passive Modenkoppeln erzeugt. Hierbei bedient man sich eines Lasers, der mit einem nichtlinearen optischen Element, wie z.B. einem sättigbaren Absorber betrieben wird. Sättigbare Absorber sind damit Bestandteil eines Lasers, um diesen im Impulsbetrieb mit Pulslängen im Femtosekunden (fs) und Pikosekunden (ps) Bereich zu betreiben.
Der Pulsbetrieb wird mittels des sättigbaren Absorbers dadurch erreicht, dass Lichtimpulse die Absorption des sättigbaren Absorbers reduzieren und die Absorption bei genügend hohen Lichtintensitäten sättigen. Damit erfährt ein in einer Laserkavität umlaufender Lichtpuls eine verminderte Absorption, insbesondere eine geringere Absorption als vom Lasermedium ausgesandtes Dauerstrich-Laserlicht. Minimale Absorption wird durch vollständige Sättigung des Absorbers erzielt. Die sättigbare Absorption führt zum Impulsbetrieb, der entweder im so genannten gütegeschalteten Modus (englisch Q-switched) oder im passiv-modengekoppelten Modus stattfinden kann.
Der passiv-modengekoppelte Betrieb zeichnet sich durch die Aussendung eines Laserpulszuges mit einer Wiederholrate aus, die der Umlaufzeit des Lichtes in der Laserkavität entspricht. Die Länge der optischen Pulszüge im passiv modengekoppelten Modus kann je nach Dynamik des sättigbaren Absorbers, je nach Kompensation der Dispersion der optischen Elemente im Resonator und je nach Verstärkungsbandbreite des Lasermediums im Nanosekunden-Bereich bis in den Femtosekunden-Bereich liegen.
Der Nachteil von sättigbaren Absorbern auf der Basis von Interbandanregungen von Halbleitern und Halbleiter- Heterostrukturen beruht darauf, dass nicht für alle Laserwellenlängen die geeigneten Halbleitermaterialien zur Verfügung stehen, die alle oben genannten Anforderungen an einen sättigbaren Absorber erfüllen. Insbesondere gibt es wenige Halbleiter, die sich für ultraschnelle sättigbare Absorber bei Wellenlängen größer gleich 1 , 5 μm eignen. Kürzlich wurde ein Antimonid basierter sättigbarer Absorber vorgestellt, mit dem 20 Pikosekunden lange optische Impulse eines Er:Yb:Glas Lasers erzielt werden konnten (R. Grange u.a., „Antimonide based saturable absorber for l.Sμm", Electronics Letters, VoI 40 (2004)). Dieser sättigbare Absorber beruht wie alle anderen bekannten auf einem optischen Interbandübergang .
Besonders interessant für medizinische, atmosphärische und militärische Zwecke ist genau der Bereich mit Wellenlängen größer als l.bμm . Hier kompakte gepulste Lasersysteme zu realisieren ist ausgesprochen attraktiv. Bisherige sättigbare Absorber sind an die Bandstrukturen, insbesondere an die Bandlücken, der verwendeten Halbleitermaterialien gebunden. Im Wellenlängenbereich größer 1,5 μm gibt es nur wenige geeignete Systeme. Ein repräsentativer bekannter sättigbarer Absorber für den Wellenlängenbereich größer l.bμm ist in (Podlipensky, A. V., Shcherbitsky, V. G., Demchuk, M. I., Kuleshov, N. V., Levchenko, V. I., Yakimovich, V. N., Girard, S. and Moncorge, R. "Cr2+:Cdo.55Mno.45Te crystal as a new saturable absorber for 2 μm lasers." Optics Communications, 2001/5/15 2001, 192, pp. 65 - 68.) vorgestellt. Um passives Q-Switching zu realisieren, wurde hier ein Cr:CdMnTe Kristall verwendet. Die generierten Pulse haben eine zeitliche Länge von 200ns. Dieser sättigbare Absorber ist daher nicht geeignet, um Pulse im ps- oder fs- Bereich zu erzeugen und liefert zudem, aufgrund einer Relaxationszeit von ungefähr 5μs, nur maximale Pulswiederholraten, die im Megahertz-Bereich liegen. Ein weiterer Nachteil dieses sättigbaren Absorbers liegt darin, dass die Absorptionswellenlänge - hier durch das Materialsystem fest definiert - nicht variabel durch Designparameter eingestellt werden kann.
Sämtliche bekannten, durch hohe Laserlichtintensitäten sättigbaren Absorber eines passiv modengekoppelten Lasers mit einem aktiven Lasermaterial arbeiten mit den genannten Interbandübergängen .
Neben diesen Interbandübergängen sind, aus anderen Veröffentlichungen, auch sogenannte Intersubbandübergänge ohne Bezug zu einer passiven Modenkopplung in einem Laser bekannt. So beschreibt die Veröffentlichung (Akimoto, Ryoichi, Li, Bing Sheng, Sasaki, Fumio and Hasama, Toshifumi. " Intersubband Transition Based on a Novel H-VI Quantum Well Structure for Ultrafast All-Optical Switching." Japanese Journal of Applied Physics, 2004, 43(4B), pp . 1973- 1977) Intersubband-Übergänge zwischen Subbändern, die, in der Terminologie der vorliegenden Anmeldung, innerhalb des Leitungs-Bandkantenoffsets zwischen Barriereschicht und Topfschicht liegen. Bei dieser Veröffentlichung werden durch einen ersten Laserstrahl angeregte Intersubbandübergänge dazu ausgenutzt, die Absorption der Struktur für einen zweiten Laserstrahl, der zur Nachrichtenübertragung dient, zu modulieren.
Aus der US6812483 B2 ist ein optischer Schalter bekannt, dessen Arbeitswellenlänge über die Energieabstände von Intersubbandübergängen festgelegt ist und der einen Signal- Lichtstrahl über die Einwirkung eines Kontroll-Lichtstrahls schaltet. Es geht daher um eine Wechselwirkung zwischen dem optischen Schalter und zwei voneinander unabhängigen Lichtstrahlen. Dabei wird erwähnt, dass das dort vorgestellte Schalten von Licht auf dem Phänomen der sättigbaren Absorption basiert.
Die Veröffentlichung (ETH Zürich, First Center for Micro- and Nanoscience, Anuual Report 2004, "Ultrafast Integrated AlI- Optical Switches Based on Intersubband Transitions in Multiple Quantum Wells" zeigt ebenfalls einen Optischen Schalter, dessen Funktion auf Intersubbandübergängen basiert. Die Intersubbandübergänge sind bei dem dort verwendeten InGaAs/AlAsSb Materialsystem zwischen 1,3 und 1,55 Um abstimmbar .
Die Veröffentlichung (Georgiev, N., Dekorsy, T., Eichhorn, F., Helm, M., Semtsiv, M. P. and Masselink, W. T. "Short- wavelength intersubband absorption in strain compensated InGaAs/AlAs quantum well structures grown on InP." Applied Physics Letters, 2003, 83(2), pp . 210-212) zeigt eine Korrelation zwischen den Wellenlängen 2140 nm, 1880 nm und 1720 nm von Intersubbandübergängen in einer InGaAs / AlAs Quantenschichtstruktur mit Si Dotierung mit einer InGaAs Schichtdicke von 2,8 nm, 2 , 2 nm und 1,9 nm.
Aus der Veröffentlichung (Chuff, H. C, Martinet, E. L., Fejer, M. M., Harris, J. and S. Jr., "Short wavelength intersubband transitions in InGaAs/AIGaAs quantum wells grown on GaAs." Applied Physics Letters, 1994/02/07/ 1994, 64(6), pp. 736 - 738) ist eine weitere Halbleiterschichtstruktur bekannt, bei der Intersubband-Übergänge auftreten. Die Dicke der Schichten liegt dabei bei 2,3 nm für AlO, 45GaO, 55As und 4,0 nm für InO, 5GaO, 5As . Die Schichten sind auf einem GaAs Substrat aufgewachsen, mit einer Puffer-Schicht aus InGaAs.
Es ist jedoch kein sättigbarer Absorber auf Halbleiterbasis bekannt, der zur Erzeugung von Femtosekunden-Pulsen mit Wellenlängen größer als 1,5 μm geeignet ist. Die Erzeugung ultrakurzer Pulsen im Wellenlängenbereich größer als 1,5 μm geschieht gegenwärtig im Wesentlichen durch Wellenlängen- Konversion über parametrische Prozesse, die in Optisch Parametrischen Oszillatoren (OPO) realisiert sind.
Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung in der Angabe eines durch hohe Laserlichtintensitäten sättigbaren Absorbers eines passiv modengekoppelten Lasers, mit dem sich ultrakurze Laserlichtimpulse mit Wellenlängen größer als 1,5 μtn erzeugen lassen, wobei die Absorptionswellenlänge und damit die Einsatzwellenlänge zur Erzeugung von Laserlichtimpulsen bei unverändertem Materialsystem auf verschiedene Werte festlegbar ist.
Diese Aufgabe wird bei einem sättigbaren Absorber der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass der sättigbare Absorber aus einer Halbleiter-Schichtstruktur mit einem oder mehreren Quantenfilmen bzw. Quantentöpfen aufgebaut ist, jeder Quantentopf Barriereschichten aufweist, die eine Topfschicht begrenzen und die sich mit der Topfschicht in einer Wachstumsrichtung der Halbleiter-Schichtstruktur abwechseln, die Dicke der Topfschicht so dimensioniert ist, dass sie wenigstens ein oberes und wenigstens ein unteres Energieniveau für Elektronen aufweist, deren Energiedifferenz kleiner als ein Leitungs-Bandkantenoffset zwischen einer Barriereschicht und einer benachbarten Topfschicht ist, das untere Niveau durch eine geeignete Dotierung mit Elektronen gefüllt ist, die durch Wechselwirkung mit Photonen, deren Energie der Energiedifferenz entspricht, zu Intersubbandübergängen zwischen dem unteren und dem oberen Energieniveau fähig sind, und die Energiedifferenz der Energie von Photonen einer Emissionswellenlänge des Lasers entspricht .
Die Erfindung stellt ein passives nichtlineares optisches Schaltelement aus der Gattung der sättigbaren Absorber für IR (Infrarot), MIR (mittleres Infrarot) und FIR (fernes Infrarot) Laser zur Erzeugung von ultrakurzen Pulsen bereit, das auf der Basis von Intersubbandübergängen in Halbleiter Heterostrukturen zur Erzeugung von mode-locking-Impulsen mittels IR, MIR und FIR Lasern geeignet ist und das sich von bisher eingesetzten Interband sättigbaren Absorbern durch den Wellenlängenbereich und die Flexibilität im Design auszeichnet. Das neue sättigbare absorbierende Schaltelement enthält Quantenfilmschichten, die Intersubbandübergänge erlauben, die beim Design der Halbleiter-Heterostruktur auf die Wellenlänge des Laserlichts abstimmbar sind.
Durch diese Merkmale werden über die Lösung der gestellten Aufgabe hinaus weitere Vorteile erzielt, die sich wie folgendermaßen zusammenfassen lassen. Durch diese Merkmale wird ein gepulster Laserbetrieb durch passive Modenkopplung mit über Designparameter einstellbaren Einsatzwellenlängen zur Erzeugung von Lichtimpulsen möglich, die größer als 1,5 Mm sind. Die Nutzung von Intersubbandübergängen ermöglicht dabei eine sättigbare Absorption für Wellenlängen, für die keine ultraschnellen Interband sättigbaren Absorber bekannt sind. Die Absorptionswellenlänge des erfindungsgemäßen sättigbaren Absorbers ist über das Design der Halbleiterschichtstruktur bei unverändertem Materialsystem variabel. Die erfindungsgemäße Implementation von sättigbaren Absorbern auf der Basis von Intersubbandübergängen erlaubt eine Modenkopplung bei Festkörperlasern, deren Wellenlängenbereich bisher nur durch OPOs zugänglich ist.
Die Erfindung basiert auf der Kombination der folgenden Erkenntnisse. Wesentlich ist zunächst die Erkenntnis, dass das zeitliche Verhalten der Absorption nach der Sättigung eine wichtige Kenngröße eines erfindungsgemäß verwendbaren sättigbaren Absorbers ist und die vollständige Erholung des sättigbaren Absorbers schneller sein muss als die Umlaufzeit des Laserlichts im Resonator. Andernfalls treten unerwünschte Akkumulationseffekte im sättigbaren Absorber auf, was für Laser mit hohen Wiederholraten im GHz-Bereich nachteilig ist.
Weitere wichtige Kenngrößen eines sättigbaren Absorbers sind sein Wellenlängenbereich, der dem Wellenlängenbereich des Lasermaterials angepasst sein muss, seine statische Absorption bei der Laserwellenlänge, seine sättigbare Absorption, und seine nicht-sättigbare Absorption, d.h. die Restabsorption nach Sättigung der Absorption.
Ferner ist wesentlich, dass die Relaxationszeit der Ladungsträger bei Intersubbandübergängen im Vergleich zu Interbandübergängen im kurzwelligen Infraroten Spektralbereich erheblich reduziert ist und der Beitrag dieser Intersubbandübergänge zu einer schnellen und vollständigen Erholung des sättigbaren Absorbers nach einer eingetretenen Sättigung zur Lösung der angegebenen Aufgabe nutzbar ist.
Durch die Erfindung wird ein sättigbarer Absorber für einen passiv modengekoppelten Laser angegeben, der aus einer Halbleiter-Heterostruktur mit mindestens einem Quantenfilm besteht und dessen charakteristische Absorptionsweilenlänge im Bereich des infraroten, mittleren infraroten und ferninfraroten Bereich des elektromagnetischen Spektrums (zwischen 1 μm und 100 μm , im besonderen aber größer 1,5 μm und um 2 μm) über den Energiebetrag von Intersubbandübergängen (ISBTs) abgestimmt werden kann, wobei die Abstimmung über eine Variation von Design-Parametern der Halbleiter-Heterostruktur erfolgt. Ferner kann bei durch Intersubbandübergänge sättigbaren Absorbern die Sättigungsintensität durch die Dotierung angepasst werden.
Ein sättigbarer Absorber für einen modengekoppelten Laser unterscheidet sich in Aufbau und Wirkungsweise von einem sättigbaren Absorber, der in einem optischen Schalter eine Wechselwirkung zwischen zwei ansonsten voneinander unabhängigen Laserstrahlen steuert. Die Modulationstiefe im Einsatz eines sättigbaren Absorbers zum passiven Modenkoppeln sollte nur einige Prozent betragen, während ein optischer Schalter eine möglichst hohe Transmissionsänderung (bis zu 100%) ermöglichen soll.
Benutzt man eine Quantenschichtstruktur mit der über die Intersubbandübergänge inhärenten Eigenschaft der nichtlinear sättigbaren Absorption zum Modenkoppeln innerhalb eines Laserresonators, so ist die nichtlineare Sättigung der Absorption in Abhängigkeit von der Intensität der auftreffenden Strahlung abhängig. Dabei ist, im Gegensatz zur Anwendung einer Quantenschichtstruktur als optischer Schalter, nur ein einzelner Lichtstrahl notwendig. Außerdem ist der sättigbare Absorber so zu konstruieren, dass bei geringer Intensität nur ein unwesentlich größerer (im Prozentbereich) Teil des Lichtes absorbiert wird. Andernfalls kann es zum Q-Switching kommen. Sättigbare Absorber für optische Schalter weisen daher andere Parameter auf als Sättigbare Absorber für modengekoppelte Laser. Lediglich das physikalische Grundprinzip der Wechselwirkung zwischen Licht und Elektronenübergängen von Intersubbandenergiestufen wird bei beiden Geräten benutzt.
Für eine Eignung zur Modenkopplung in einem Laser muss der sättigbare Absorber die Fähigkeit besitzen, die Absorption eines einzigen Lichtstrahls bei hohen Intensitäten nichtlinear und minimal so zu verändern, dass hohe Intensitäten leicht bevorzugt durchgelassen werden. Zu hohe Absorption bei kleinen Intensitäten bedingt Q-Switching Instabilitäten und ist daher zum Modenkoppeln ungeeignet.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen, jeweils in schematischer Form:
Fig. 1 eine Leitungsbandstruktur eines erfindungsgemäßen sättigbaren Absorbers; Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung als schematische Darstellung einer
HalbleiterSchichtstruktur; Fig. 3 eine Variation des Ausführungsbeispiels aus der Fig.
2 bei starken GitterverSpannungen; Fig. 4 einen Einsatz des sättigbaren Absorbers in einem
Laserresonator im Rahmen einer ersten Ausgestaltung; und Fig. 5 einen Einsatz des sättigbaren Absorbers in einem
Laserresonator im Rahmen einer zweiten
Ausgestaltung .
In Fig. 1 ist eine Leitungsbandstruktur 10 der Energie E(x) eines erfindungsgemäßen sättigbaren Absorbers mit exemplarisch 15 Schichten über einer räumlichen Ausdehnung x dargestellt. Dabei entspricht jede der dargestellten 14 vertikalen Linien 12.1, 12.2, ..., 12.14 einer Grenze zwischen jeweils zwei benachbarten Schichten. Die Schichtabfolge von einem Material 14 mit großer Bandlücke als Barriereschicht 14 und einem Material 16 mit kleiner Bandlücke als Topfschicht 16 generiert mehrere Quantenfilme. Die Subbandenergieniveaus 18 und 20 in den Quantenfilmen sind hier schematisch ohne eine mögliche Aufspaltung der Energieniveaus in Minibänder aufgrund der durch die mehrfache Anordnung von Quantenfilmen erzeugten Übergitter eingezeichnet. Der Bandkantenoffset, also die Energiedifferenz zwischen der Leitungsbandkante 22 der Topfschichten 16 und der Leitungsbandkante 24 der Barriereschichten 14 ist größer, als die Energie des eingestrahlten Lichtes 26.
Die Wechselwirkung eines Elektrons in einem unteren Subbandniveau 18 mit einem Photon verursacht eine Bevölkerung eines oberen Subbandzustands 20. Ist die Energie der Photonen groß genug, so werden Ladungsträger aus dem unteren Niveau 18 durch eine Intersubbandabsorption in das höhere Niveau 20 angehoben. Es folgt eine Abnahme der Absorption. Je nach Schichtdicke der Topfschichten 16 liegen die
Subbandenergieniveaus 18, 20 unterschiedlich weit auseinander, so dass die Wellenlänge der Intersubbandabsorption über die Wahl der Schichtdicke frei eingestellt werden kann. Die minimal erzielbare Wellenlänge wird durch die Größe des Bandkantenoffsets zwischen Barrieren- und Topfmaterial bestimmt. Elektronen, die aus einem unteren Energieniveau 18 unter Lichtabsorption in ein oberes Energieniveau 20 angeregt werden, relaxieren über Phononen mit einer sub-ps Zeitkonstante wieder in das untere Niveau (Akimoto, Ryoichi, Li, Bing Sheng, Sasaki, Fumio and Hasama, Toshifumi. "Intersubband Transition Based on a Novel II -VT Quantum Well Structure for Ultrafast All-Optical Switching." Japanese Journal of Applied Physics, 2004, 43(4B), pp . 1973-1977). Dieser Prozess liefert die für einen ultraschnellen sättigbaren Absorber notwendige Erholungszeit .
Bei kleiner werdender Dicke der Topfschichten 16 werden die Abstände der Subbandenergieniveaus 18, 20 größer. Die Dicke der Topfschichten 16 ist erfindungsgemäß so gewählt, dass der Energiebetrag eines Subbandübergangs 28 von einem durch Ladungsträger bevölkerten niedrigen Energieniveau 18 zu einem entsprechend höher liegenden Energieniveau 20 mit freien Zuständen an die Energie der im Einsatzbereich des sättigbaren Absorbers liegenden eingestrahlten Photonen angepasst ist. Das untere Energieniveau 18 ist aufgrund der Dotierung der Quantenfilmschicht oder TopfSchicht 16 mit freien Ladungsträgern bevölkert. Die Dotierung ist an die gewünschte
Sättigungsintensität in Abhängigkeit vom Absorptionsquerschnitt des Materials anzupassen. Als Beispiel wurde in,, (Georgiev, N., Dekorsy, T., Eichhorn, F., Helm, M., Semtsiv, M. P. and Masselink, W. T. "Short-wavelength intersubband absorption in strain compensated InGaAs/AlAs quantum well structures grown on InP." Applied Physics Letters, 2003, 83(2), pp . 210-212) die Wellenlänge des Intersubbandübergangs in einer InGaAs / AlAs Quantenschichtstruktur mit Si Dotierung und einer InGaAs Schichtdicke von 2,8 nm, 2,2 nm und 1,9 nm jeweils zu 2140 nm, 1880 nm und 1720 nm bestimmt.
In Fig. 2 ist ein schematischer Aufbau der Halbleiterstruktur eines erfindungsgemäßen sättigbaren Absorbers 30 skizziert. Auf einem Substrat 32 sind wechselweise Halbleiterschichten 34 und 36 gewachsen. Die Zahl der Schichten 34, 36 wird in Abhängigkeit vom Materialsystem auf die gewünschte ungesättigte und gesättigte Absorption abgestimmt. Die Anzahl der Schichten 34 ist exemplarisch mit N angegeben und kann zwischen N = I und einer oberen Grenze in der Größenordnung von N = 100 liegen. Die beiden Halbleitermaterialien sind erfindungsgemäß so gewählt, dass ihr energetischer Leitungs-Bandkantenunterschied größer ist, als die Energie der Photonen mit der Wellenlänge, bei der der sättigbare Absorber 30 eingesetzt werden soll. Die Halbleitermaterialien der Halbleiterschichten 34, 36 werden mittels epitaktischer Verfahren mit einer Genauigkeit im Bereich atomarer Monolagen aufeinander abgeschieden. Die Halbleiterschichten 34 sind bezogen auf das Substrat 32 so ausgewählt, dass das Kristallgitter der Halbleiterschicht 34 zum Kristallgitter des Substrats 32 passt. Entsprechend sind die Halbleiterschichten 36 an die Halbleiterschichten 34 angepasst. Das Material der Halbleiterschichten 36 hat eine kleinere Bandlücke, als das Material der Halbleiterschichten 34. Die Halbleiterschichten 36 stellen daher Topfschichten dar, während die Halbleiterschichten 34 Barriereschichten sind. So sind mehrere Quantenfilmstrukturen durch die Mehrfachanordnung der Halbleiterschichten 34 und 36 realisiert. Die Dicke eines Quantenfilms, also die Dicke einer TopfSchicht 36, legt die Subbandenergien 18, 20 innerhalb des Quantenfilms fest.
Die Dicke der Halbleiterschichten 34, 36, die Dotierung, die Zahl der Schichten und das Schichtmaterial wird auf den zu realisierenden Pulslaser, d.h. die Wellenlänge, die Bandbreite und die Intensität des eingestrahlten Lichtes 26 angepasst. Die Dotierung kann während des Wachstums der Halbleiterschichtstruktur entweder in das Barrieren- oder in das Topfmaterial eingebracht werden.
Fig. 3 stellt einen sättigbaren Absorber 38 mit zusätzlichen Halbleiterschichten 40 aus Halbleitermaterial dar. Da der Bandkantenoffset zwischen den Schichten 34 und 36 größer sein muss, als die Energie der eingestrahlten Photonen, kommen nur wenige Materialsysteme in Frage, deren Gitterabstände unter Umständen größere Unterschiede aufweisen. In diesem Fall kommt es zu intrinsischen Gitterverspannungen innerhalb der Halbleiter-Heterostruktur , die unter Verwendung einer weiteren zusätzlichen Halbleiterschicht 40 zu kompensieren sind. Das Material der weiteren Schicht 40 wird so ausgewählt, dass seine Gitterkonstante die Gesamtverspannung des Schichtsystems aus den Schichten 34, 36, 40 der Halbleiter-Heterostruktur des sättigbaren Absorbers 38 minimiert. Durch das Aufwachsen passender InAs-Schichten 40 innerhalb der Halbleiterschichtstruktur kann die durch eine AlAs-Schicht oder allgemein durch eine Barriereschicht 34 induzierte Gitterverspannung nahezu vollständig kompensiert werden .
Im Ausführungsbeispiel der Fig. 3 ist daher jeweils eine zusätzliche Schicht 40 vorgesehen, die die durch die Gitterunterschiede von Schicht 34 und 36 induzierte Gitterverspannung wenigstens teilweise kompensiert. Hierdurch werden weitere Freiheitsgrade in der Schichtdickenwahl des Quantenfilms der TopfSchicht 36 und damit der charakteristischen Wellenlänge geschaffen.
Bezugnehmend auf die in Fig. 3 schematisch dargestellte Halbleiter-Heterostruktur, deren einzelne Halbleiterschichten mit den Bezugszeichen (34.1 - 34.N) und (36.1 - 36. N-I) durchnummeriert sind, wird im Weiteren ein konkretes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen sättigbaren Absorbers, der auf der Basis eines InGaAs/AlAs Halbleitersystems aufgebaut ist, im Einzelnen beschrieben.
Die in periodischer Abfolge angeordneten Halbleitermaterialschichten bestehen im Besonderen aus folgender Halbleitermaterialzusammensetzung: InO, 7GaO, 3As für die Schichten 36 und AlAs für die Schichten 34. Im Einzelnen betreffen die Halbleiterschichten mit den Bezugszeichen 34.1 bis 34.N AlAs Schichten mit einer Dicke von 1,2 nm, wohingegen die Halbleiterschichten mit den Bezugszeichen 36.1 — 36. N-I InGaAs Schichten mit einer Dicke von 1,9 nm, 2,2 nm oder 2,8 nm — je nach Ausgestaltung - darstellen. Die zwischen zwei benachbarten Halbleiterschichten 34, 36 liegende Schicht 40 besteht jeweils aus InAlAs und ist 20 nm dick. Die Halbleiterschicht 32 bildet das Substrat, auf das die anderen Schichten gewachsen sind und besteht aus InP. Ferner sind die Halbleiterschichten 36.1 bis 36.N zusätzlich mit Silizium dotiert und die Zahl N der sich periodisch wiederholenden Schichtstrukturen beträgt in einer Ausgestaltung 40. Die statische Transmission einer solchen Struktur wurde in (Georgiev, N., Dekorsy, T., Eichhorn, F., Helm, M., Semtsiv, M. P. and Masselink, W. T. "Short- wavelength intersubband absorption in strain compensated InGaAs/AlAs quantum well structures grown on InP." Applied Physics Letters, 2003, 83(2), pp. 210-212) als Verhältnis der Transmission von s- zu p- polarisiertem Licht mit einer Schichtdicke der zweiten Schicht (AlAs-Schicht) von 2,8 nm, 2,2 nm und 1,9 nm gemessen und die Absorptionsmaxima jeweils zu 2,14 μm , 1,88 μm , bzw. 1,72 μm bestimmt.
Das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel ist, wie eingangs erwähnt, am Beispiel eines InGaAs/AlAs Halbleitermaterialsystems dargestellt, doch ist der Aufbau des erfindungsgemäßen sättigbaren Absorbers auch mit alternativen binären, ternären oder quaternären Halbleitermaterialsystemen aus der dritten und fünften Hauptgruppe des Periodensystems (z.B. GaSb/AlSb, AlGaN/lnGaN) oder der zweiten und sechsten Hauptgruppe des Periodensystems (z.B. ZnSe/BeTe) realisierbar.
In einer Ausgestaltung des Materialsystems wird eine Kombination von InGaAs und AlGaAs verwendet. Mit dieser Ausgestaltung konnten Intersubbandübergänge von minimal 2,1 μm erreicht werden (Chuff, H. C, Martinet, E. L., Fejer, M. M., Harris, J. and S. Jr., . "Short wavelength intersubband transitions in InGaAs/AIGaAs quantum wells grown on GaAs." Applied Physics Letters, 1994/02/07/ 1994, 64(6), pp . 736 - 738). Die Dicke der Schichten liegt dabei bei 2,3 nm für AlO, 45GaO, 55As und 4,0 nm [TDl] für InO , 5GaO , 5As . Die Schichten sind auf einem GaAs Substrat aufgewachsen, mit einer Buffer-Schicht aus InGaAs. Fig. 4 zeigt einen erfindungsgemäδen passiv modengekoppelten Laser 42 mit einem aktiven Lasermaterial 44, Spiegeln 46, 48 und einem sättigbaren Absorber 30 in einem Brewster-Winkel Aufbau. Bekanntlich entfällt für Licht mit einer Polarisation parallel zur Einfallsebene, aufgespannt durch die Einfallsrichtung und Wachstumsrichtung des Absorbers, welches mit dem Brewsterwinkel B einfällt, die Reflexion. Das Licht dringt vollständig durch die Oberfläche. Licht mit einer Polarisation senkrecht zu dieser Ebene wird auch teilweise reflektiert. Senkrecht polarisiertes Licht erfährt über diese Reflexion erhöhte Verluste im Laser, so dass der Laserbetrieb für das parallel polarisierte Licht bevorzugt wird.
Der sättigbare Absorber 30 ist in der Ausgestaltung der Fig. 4 so angeordnet, dass die Wachstumsrichtung 50 der Halbleiterschichten des sättigbaren Absorbers 30 mit dem einfallenden Licht 26 den entsprechenden Brewster-Winkel B bildet. Bei dieser Anordnung ist gewährleistet, dass genügend Intensität von dem im wesentlichen an den Elektronenübergängen zwischen den Intersubbandzuständen beteiligten p-polarisierten Licht vorhanden ist. Um die für die Sättigung der Absorption notwendige Lichtintensität zu erreichen, kann das Lichtfeld durch fokussierende Spiegel im Laserresonator, also zwischen den Spiegeln 46 und 48, an der Stelle des sättigbaren Absorbers 30 fokussiert werden. Es versteht sich, dass der Absorber 30 durch den Absorber 38 ersetzt werden kann.
Dies gilt analog für den Gegenstand der Fig. 5, die eine Ausgestaltung mit senkrechtem Lichteinfall auf den Absorber 30 (oder 38) darstellt. Die Strahlrichtung liegt dann senkrecht zur Oberfläche und den einzelnen Schichten des Absorbers 30 (oder 38) und damit parallel zur Wachstumsrichtung der Halbleiterschichten. Eine solche Anordnung mit senkrechtem Lichteinfall, so wie sie in Fig. 5 skizziert ist, ist auch denkbar, denn so wie in Georgiev, N., Dekorsy, T., Eichhorn, F., Helm, M., Semtsiv, M. P. and Masselink, W. T. "Short-wavelength intersubband absorption in strain compensated InGaAs/AIAs quantum well structures grown on InP." Applied Physics Letters, 2003, 83(2), pp. 210-212 gemessen, wird auch s-polarisiertes Licht absorbiert. Um die Reflexion von Licht an der Oberfläche des sättigbaren Absorbers zu unterbinden ist eine Antireflexions- Schicht 52 in dieser Anordnung sinnvoll. Das Design des sättigbaren Absorbers 30 muss dann aber entsprechend an die verschlechterten Absorptionsbedingungen angepasst werden. Außerdem muss zur Reduzierung von Reflexionsverlusten eine Antireflexionsschicht 52 auf die Vorderseite des sättigbaren Absorbers und die Substratseite aufgebracht werden.
Der erfindungsgemäße sättigbare Halbleiterabsorber 30, 38 kann beim Einsatz als passives nichtlineares Schaltelement zur Modenkopplung von Festkörperlasern, im Gegensatz zu dem zuvor beschriebenen Aufbau, statt in Transmission auch in einem Reflektor-Aufbau Anwendung finden. Der Reflektor bildet dann einen Endspiegel des Laserresonators . Zweckmäßig wird dazu ein hochreflektierender Spiegel mit dem sättigbaren Absorber als Einheit kombiniert. Diese Kombination kann direkt im Halbleiterwachstum realisiert werden, indem ein hochreflektierender Bragg Spiegel auf ein Substrat 32 abgeschieden wird. Auf diesen Bragg Spiegel wird der sättigbare Absorber 30 oder 38 anschließend abgeschieden. Diese Kombination kann auch durch einen epitaktischen lift-off Prozess erzielt werden, bei dem der sättigbare Absorber mittels van-der-Waals-Bonding auf einen dielektrischen hochreflektierenden Spiegel 46, 48 aufgebracht wird. Es wird darauf hingewiesen, dass die Spiegel 46, 48 nur schematisch und damit ohne in der Realität vorhandene Krümmungsradien und Winkel dargestellt sind. Der erfindungsgemäße sättigbare Absorber 30, 38 kann neben dem Einsatz zum passiven Modenkoppeln von Festkörperlasern und Faserlasern auch monolithisch in einen Halbleiterlaser integriert werden, wodurch Halbleiterlaser mit hohen Modulationsraten mit Einsatzpotenzial in der optischen Datenübertragung realisiert werden können.
Durch den Einsatz von Intersubbandübergängen im erfindungsgemäßen sättigbaren Absorber 30, 38, wird eine sättigbare Absorption für Wellenlängen, für die es im Augenblick keine ultraschnellen Interband sättigbaren Absorber gibt, ermöglicht. Durch die Wahl der Dicke der Quantenfilm- Topfschichten 16, 36 können die Subband-Energieniveaus 18, 20 im Quantenfilm eingestellt werden. Dadurch kann die Arbeitswellenlänge des sättigbaren Absorbers 30, 38 durch das Design auf eine gewünschte Wellenlänge angepasst werden. Die Bandbreite eines erfindungsgemäßen sättigbaren Absorbers 30, 38 ist aufgrund der Schichtdickenfluktuationen bei sehr kleinen Schichtdicken äußerst groß. Durch eine geeignete Kombination aus verschiedenen Schichtdicken kann zusätzlich noch die Bandbreite des sättigbaren Absorbers 30, 38 vergrößert werden.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Absorber 30; 38 mit einem hochreflektiven Spiegel 48 hinter dem sättigbaren Absorber 30; 38 zu einer Einheit kombiniert ist und als Endspiegel 48 eines Laserresonators dient.
Eine weitere Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass der Absorber 30; 38 mit einem hochreflektiven Spiegel 48 hinter dem sättigbaren Absorber 30; 38 und einem teilweise reflektierenden Spiegel 46 vor dem sättigbaren Absorber 30; 38 zu einer Einheit kombiniert ist.
Bevorzugt ist auch, dass die Dicke des sättigbaren Absorbers 30; 38 genau so auf die Wellenlänge des eingestrahlten Lichtes 26 abgepasst ist, dass der Raum zwischen den beiden Spiegeln 46, 48 mit dem sättigbaren Absorber ausgefüllt ist und ein Fabry Perot Etalon bildet.
Weitere Geometrien, in der der sättigbare Absorber in geeigneter Weise in den Laserresonator eingebracht werden können, sind ebenfall möglich. Dies sind insbesondere Geometrien, wie sie zur Vermessung der statischen Intersubbandabsorption beschrieben sind (Fig. 7 in M. Helm „The basic physics of intersubband transitions" , in Intersubband Transitions in Quantum Wells: Physics and Applications I, Editoren H. C. Liu und F. Capasso, Academic Press, San Diego, 2000, pp.1-99).
Die Implementierung von sättigbaren Absorbern 30; 38 auf der Basis von Intersubbandübergängen eröffnet die Möglichkeit, Festkörperlaser, deren Wellenlängenbereich bisher nur durch OPOs zugänglich war, mit einer Modenkopplung zu betreiben. Eine monolithische Integration von sättigbaren Absorbern auf der Basis von Intersubbandübergängen kann auch zum Modenkoppeln von Halbleiterlasern eingesetzt werden, die mit einer hohen Modulationsrate im GHz-Bereich in der optischen Datenübertragung zum Einsatz kommen können.
Die Relaxation der Ladungsträger bei Intersubbandübergängen liegt aufgrund der Emission von Phononen im sub-ps-Bereich (Akimoto, Ryoichi, Li, Bing Sheng, Sasaki , Fumio and Hasama, Toshifumi. "Intersubband Transition Based on a Novel H-Vl Quantum Well Structure for Ultrafast All-Optical Switching." Japanese Journal of Applied Physics, 2004, 43(4B), pp . 1973- 1977) . Damit sind sättigbare Absorber auf der Basis von Intersubbandübergängen hervorragend geeignet um Laser mit hohen Repetitionsraten zu modenkoppeln. Im infraroten Wellenlängenbereich vergleichbare Interband sättigbare Absorber haben Relaxationszeiten von mehreren hundert Pikosekunden (R. Grange u.a., „Antimonide based saturable äbsorber for 1.5 μm " , Electronics Letters, VoI 40 (2004)). Ferner kann bei durch Intersubbandübergänge sättigbaren Absorbern die Sättigungsintensität durch die Dotierung angepasst werden.
Die Zugänglichkeit von diodengepumpten Femtosekundenlasern in diesem interessanten Wellenlängenbereich lässt neue Anwendungen erwarten. Der Einsatz der beschriebenen sättigbaren Absorber ist in Festkörperlasern, Halbleiter-Diodenlasern, Quanten- Kaskadenlasern und Faserlasern möglich.

Claims

Patentansprüche
1. Durch hohe Laserlichtintensitäten sättigbarer Absorber (30; 38) für einen passiv modengekoppelten Laser (42), dadurch gekennzeichnet, dass der sättigbare Absorber (30, 38) aus einer Halbleiter-Schichtstruktur mit einem oder mehreren Quantenfilmen bzw. Quantentöpfen aufgebaut ist, jeder Quantentopf Barriereschichten (14; 34.1, ..., 34.N) aufweist, die eine Topfschicht (16; 36.1, ...,
36.N-I) begrenzen und die sich mit der Topfschicht (16; 36.1, ..., 36. N-I) in einer Wachstumsrichtung der Halbleiter-Schichtstruktur abwechseln, die Dicke der Topfschicht (16; 36.1, ..., 36.N-I) so dimensioniert ist, dass sie wenigstens ein oberes Energieniveau (20) und wenigstens ein unteres Energieniveau (18) für Elektronen aufweist, deren Energiedifferenz kleiner als ein Leitungs-Bandkantenoffset zwischen einer Barriereschicht (14; 34.1, ..., 34.N) und einer benachbarten Topfschicht (16; 36.1, ..., 36.N-I) ist, das untere Niveau (18) durch eine geeignete Dotierung mit Elektronen gefüllt ist, die durch Wechselwirkung mit Photonen, deren Energie der Energiedifferenz entspricht, zu Intersubbandübergängen (28) zwischen dem unteren Energieniveau (18) und dem oberen Energieniveau (20) fähig sind, und die Energiedifferenz der Energie von Photonen einer Emissionswellenlänge des Lasers (42) entspricht.
2. Sättigbarer Absorber (30; 38) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiter-Schichtstruktur aus binären, ternären oder quaternären Verbindungshalbleitern der dritten und fünften Periode des Periodensystems besteht .
3. Sättigbarer Absorber (30; 38) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiter-Schichtstruktur aus binären, ternären oder quaternären
Verbindungshalbleitern der zweiten und sechsten Periode des Periodensystems besteht.
4. Sättigbarer Absorber (30; 38) nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiter- Schichtstruktur aus InGaAs, dotiert mit Si, als Material von Topfschichten (16; 36.1, ..., 36.N-I) und AlAs als Material von Barriereschichten (14; 34.1, ..., 34.N) besteht, wobei jeweils letztere zur Gitteranpassung mit zwei InAlAs Schichten (40) ummantelt ist.
5. Sättigbarer Absorber (30; 38) nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiter- Schichtstruktur aus InGaAs als Material von Topfschichten (16; 36.1, ..., 36.N-l)und AlGaAs als Material von Barriereschichten (14; 34.1, ..., 34.N) besteht.
6. Sättigbarer Absorber (30; 38) nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiter- Schichtstruktur aus InGaAs als Material von Topfschichten (16; 36.1, ..., 36.N-I) und AlAsSb als Material von Barriereschichten (14; 34.1, ..., 34.N) besteht.
7. Sättigbarer Absorber (30; 38) nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiter- Schichtstruktur aus GaN oder InGaN als Material von Topfschichten (16; 36.1, ..., 36.N-I) und AlGaN als Material von Barriereschichten (14; 34.1, ..., 34.N) besteht .
8. Sättigbarer Absorber (30; 38) nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiter- Schichtstruktur aus GaSb als Material von Topfschichten (16; 36.1, ..., 36.N-I) und AlSb als Material von Barriereschichten (14; 34.1, ..., 34.N) besteht .
9. Sättigbarer Absorber (30; 38) nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiter- Schichtstruktur aus ZnSe als Material von Topfschichten (16; 36.1, ..., 36. N-I) und BeTe als Material von Barriereschichten (14; 34.1, ..., 34.N) besteht.
10. Sättigbarer Absorber (30; 38) nach Anspruch 1, 2, und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der Topfschichten 16; 36.1, ..., 36.N-I) von TopfSchicht zu 16; 36.1, ...,
36.N-I) variiert.
11. Sättigbarer Absorber (30; 38) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Anordnung unter einem Brewster-Winkel zur Lichteinfallsrichtung des Laserlichts im Resonator des Lasers 42.
12. Sättigbarer Absorber (30; 38) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine zum Lichteinfall senkrechte Anordnung im Resonator des Lasers 42.
13. Sättigbarer Absorber (30; 38) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorber (30; 38) mit einer zusätzlichen Antireflexions-Schicht (52), ausgelegt für die entsprechende Laserwellenlänge, auf der Vorderseite und der Substratseite beschichtet ist.
14. Sättigbarer Absorber (30; 38) nach Anspruch 12, wobei der Absorber mit einem hochreflektiven Spiegel hinter dem sättigbaren Absorber (30; 38) zu einer Einheit kombiniert ist und als Endspiegel (46, 48) eines Laserresonators dient.
15. Sättigbarer Absorber (30; 38) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorber (30; 38) mit einem hochreflektiven Spiegel (48) hinter dem sättigbaren Absorber (30; 38) und einem teilweise reflektierenden Spiegel (46) vor dem sättigbaren Absorber (30; 38) zu einer Einheit kombiniert ist.
16. Sättigbarer Absorber (30; 38) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des sättigbaren Absorbers (30; 38) genau so auf die Wellenlänge des eingestrahlten Lichtes (26) abgepasst ist, dass der Raum zwischen den beiden Spiegeln (46, 48) , der mit dem sättigbaren Absorber ausgefüllt ist, ein Fabry Perot Etalon bildet.
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