WO2024078970A1 - Laser light source comprising a semiconductor device - Google Patents

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WO2024078970A1
WO2024078970A1 PCT/EP2023/077630 EP2023077630W WO2024078970A1 WO 2024078970 A1 WO2024078970 A1 WO 2024078970A1 EP 2023077630 W EP2023077630 W EP 2023077630W WO 2024078970 A1 WO2024078970 A1 WO 2024078970A1
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light source
laser
laser light
pump
pump laser
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PCT/EP2023/077630
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Michael Foertsch
Kirill Spasibko
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Q.ant GmbH
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    • G02F1/00Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/35Non-linear optics
    • G02F1/353Frequency conversion, i.e. wherein a light beam is generated with frequency components different from those of the incident light beams
    • G02F1/3532Arrangements of plural nonlinear devices for generating multi-colour light beams, e.g. arrangements of SHG, SFG, OPO devices for generating RGB light beams
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02FOPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
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    • G02F1/355Non-linear optics characterised by the materials used
    • G02F1/3551Crystals
    • G02F1/3553Crystals having the formula MTiOYO4, where M=K, Rb, TI, NH4 or Cs and Y=P or As, e.g. KTP
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    • G02F1/39Non-linear optics for parametric generation or amplification of light, infrared or ultraviolet waves
    • G02F1/395Non-linear optics for parametric generation or amplification of light, infrared or ultraviolet waves in optical waveguides
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04NPICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N9/00Details of colour television systems
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    • H04N9/31Projection devices for colour picture display, e.g. using electronic spatial light modulators [ESLM]
    • H04N9/3141Constructional details thereof
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    • G02F1/355Non-linear optics characterised by the materials used
    • G02F1/3558Poled materials, e.g. with periodic poling; Fabrication of domain inverted structures, e.g. for quasi-phase-matching [QPM]

Definitions

  • the present invention relates to a laser light source comprising: at least one non-linear optical medium, in particular a non-linear crystal, and at least one pump laser source for generating a pump laser beam for forming a signal beam and an idler beam in the non-linear optical medium by parametric down conversion.
  • the invention also relates to a laser projector with such a laser light source.
  • Light sources that produce light with high intensity, color fidelity, bundling and suitable coherence are advantageous for visualization applications, such as projectors.
  • visualization applications especially for projectors
  • Projectors often use light sources that generate incoherent light, e.g. lamps or LEDs.
  • incoherent light e.g. lamps or LEDs.
  • Laser light sources are superior in all of the aspects mentioned, but emit highly coherent light, which in use in a laser projector leads to so-called speckle noise, ie a granular (ie grainy) interference effect that significantly reduces the image quality.
  • speckle noise does not only occur in laser projectors, but wherever laser light sources are used for imaging or measurement purposes, for example in interferometric measurement technology.
  • WO 2006/105259 A2 describes a system and a method for operating a multicolor laser source that has arrays of semiconductor lasers to generate light with different colors.
  • the individual emitters or semiconductor lasers of a respective array emit essentially incoherently, e.g. with different phases, in order to suppress speckle noise.
  • a spectral broadening of the laser radiation emitted by the semiconductor lasers can also be carried out.
  • One or more of the arrays can be followed by a nonlinear frequency converter that converts an input frequency into an output frequency with a different color.
  • Such a nonlinear frequency converter can, for example, generate a parametric down-conversion (PDC) of a green input frequency into a red output frequency.
  • PDC parametric down-conversion
  • the nonlinear frequency converters can be arranged within an (external) resonator of a respective individual laser emitter or outside of such a resonator.
  • a non-linear medium is required, which can be implemented, for example, by an optical fiber or a non-linear crystal.
  • the non-linear crystal of such a laser light source is tuned to the wavelength of the pump laser beam of a respective laser emitter in such a way that a PDC process takes place in the laser-active crystal.
  • the PDC process is based on the non-linear interaction of the pump laser beam, which is generated by the coherent pump laser source, with the non-linear medium.
  • the following applies accordingly to the momentum k P of the pump laser beam, the momentum k s of the signal beam and the momentum k z of the idler beam: k P k s + k z .
  • a first aspect of the invention is based on the object of providing a laser light source in which the pump laser radiation of the pump laser source is used as efficiently as possible.
  • the non-linear optical medium comprises at least two, in particular several, waveguides, wherein a partial signal beam is formed in a respective waveguide and the at least two partial signal beams are combined to add the laser power of the partial signal beams.
  • the laser light source according to the invention which is based on the process of parametric down conversion, requires no mechanical functional components and is therefore very small.
  • Parametric down conversion can also be used to destroy the coherence of the laser beam generated by the laser light source, by having either only the signal beam or only the idler beam form the useful laser beam of the laser light source. This takes advantage of the fact that the signal beam and the idler beam have strong correlations due to the joint creation process in the non-linear medium, but that the idler beam or the signal beam on their own exhibit the fluctuation behavior of thermal light sources. These fluctuations are fast enough that speckle noise is practically completely eliminated.
  • the laser light source according to the invention is therefore suitable for generating brilliant, speckle-free projection, e.g.
  • the light source according to the invention can also be used to generate holograms or for other optical applications.
  • the laser power of the partial signal beams can be combined, resulting in a higher overall power of the semiconductor device.
  • a size of the semiconductor device does not need to be increased significantly, since the largest dimension, namely the extension of the semiconductor device in the direction of the length of a respective waveguide, does not need to be increased even when multiple waveguides are used.
  • the waveguide is designed in such a way that it guides the pump laser beam at the pump wavelength, the signal beam at the signal wavelength and the idler beam at the idler wavelength in the nonlinear crystal with low losses.
  • the semiconductor device comprises at least two waveguides for forming partial signal beams of a first color and at least two waveguides for forming partial signal beams of at least a second color.
  • the non-linear optical media it is necessary to select the non-linear optical media appropriately or to design the length of the non-linear optical media and their periodic polarity, in particular the periodic polarity of the respective waveguides, in order to generate the desired wavelengths.
  • the partial signal beams of the different colors can be generated simultaneously. It can be provided that the partial signal beams of the different colors in at least one superposition device to form a common laser beam emerging from the laser light source with at least two or more, for example three wavelengths.
  • three wavelengths (red, green and blue) and their individual optical powers, which are superimposed to form the emerging laser beam, are ideally selected so that they add up to a white tone suitable for projection purposes, ideally a white tone with a color temperature of 6500 K.
  • each waveguide comprises a tapered coupling-out region.
  • the coupling-out region tapers, for example, towards the waveguide or away from the waveguide.
  • the tapered coupling-out region is, for example, bevelled.
  • a respective waveguide comprises a tapered coupling region.
  • the coupling region tapers, for example, towards the waveguide or away from the waveguide.
  • the tapered coupling region is for example bevelled.
  • the proposed design of the coupling region makes it possible to optimise the coupling of the waveguide to optical elements, for example an optical fibre or a focusing device, for example a lens device.
  • the (mode) diameter of the exit surface of the optical fibre can be adapted to the (mode) diameter of the waveguide, or more precisely the entry surface of the waveguide.
  • the pump laser beam generated by the at least one pump laser source is divided between the at least two waveguides, in particular using evanescent coupling.
  • evanescent coupling For example, several waveguides can be fed by one pump laser source.
  • the coupling is carried out, for example, by means of a lens device, for example a microlens array, or a fiber coupling.
  • the laser light source comprises at least two pump laser sources.
  • Each pump laser source can, for example, feed one or more waveguides.
  • the at least one pump laser source or the at least two pump laser sources comprise a solid-state laser, in particular a diode laser.
  • the diode laser can be operated continuously (cw) or pulsed. In the case of pulsed operation of the diode laser, it is possible to use the power supplied to the diode laser for generating the
  • the injection current supplied to the pump laser beam for the individual pulses should be selected to be greater than the cw injection current, i.e. the diode laser should be overpulsed. On average over time, overpulsing results in an injection current that essentially corresponds to the cw injection current due to the pulse pauses.
  • the laser light source comprises at least one seed light source for generating a seed signal beam and/or a seed idler beam, and at least one superposition device for superimposing the seed signal beam and/or the seed idler beam with the pump laser beam for joint coupling into the non-linear optical medium.
  • the emission spectrum of the seed signal beam or a seed idler beam contains the signal wavelength of the signal beam or the idler wavelength of the idler beam or essentially corresponds to these.
  • the superposition device can be designed to superimpose the seed signal beam and/or the seed idler beam collinearly (spatially) in order to feed them along a common beam path to the nonlinear medium.
  • a polarizing beam splitter can be used which is reflective for the polarization direction of the seed signal beam (or the idler signal beam) and transmissive for the polarization direction of the pump laser beam, or vice versa.
  • optical devices can also be used as superposition devices.
  • the different wavelengths of the pump laser beam and the seed or idler signal beam can be used to achieve superposition, e.g. with the help of a diffraction grating or a dichroic beam splitter or the like.
  • the laser light source has at least one control device for controlling the power of the seed signal beam coupled into the non-linear optical medium and/or of the pump laser beam.
  • the control device can be designed to adjust the power of the seed light source and/or the pump laser source in order to influence or adjust the coherence of the signal beam coupled out of the non-linear medium and/or of the idler beam.
  • (optical) filtering can be carried out with an adjustable optical filter in order to adjust the power of the seed signal beam and/or the seed idler beam coupled into the non-linear medium. The same applies to adjusting the power of the pump laser source.
  • the seed light source is, for example, an LED, superluminescence diode or a laser diode.
  • An LED typically has a coherence length that is so large that the radiation emerging from the seed light source is referred to as incoherent.
  • the superluminescence diode is a laser diode without a resonator.
  • a superluminescence diode combines the brightness of a laser diode with the low coherence (length) of light-emitting diodes, which is equivalent to a larger bandwidth of the radiation emitted by the superluminescence diode compared to the laser radiation emitted by a laser diode.
  • the seed light source in the form of a laser diode can in particular be a multi-mode laser diode or a laser operated below the emission threshold.
  • the seed signal beam or seed idler beam generated by such a multi-mode laser diode also has a shorter coherence length than a pump laser beam generated by a pump laser source, e.g. in the form of a single-mode laser diode.
  • the pump laser source is designed to generate a pump laser beam with a pump wavelength of less than 460 nm.
  • the pump wavelength of the pump laser source should not be selected to be larger when the laser light source is used for projection, since during parametric down conversion in the non-linear medium the converted output wavelengths are larger than the pump wavelength of the pump laser beam.
  • a pump wavelength that is, for example, 450 nm or less, for example approximately 375 nm or less
  • three pump laser sources can be used, which do not necessarily use the same pump wavelength.
  • the generation of three signal beams or idler beams with different wavelengths can also be achieved with the help of a single pump laser source by splitting the pump laser beam between the respective waveguides. It can advantageously be provided that the
  • Laser light source comprises at least one focusing device for focusing the pump laser beam and/or the seed signal beam and/or the seed-ldler beam, in particular on a respective entry surface of a respective waveguide.
  • the focusing device can be a focusing lens, for example.
  • So-called "graded index lens” (GRIN) lenses can be used as lenses for focusing.
  • the lenses can in particular be combined to form a monolithic hybrid microsystem.
  • GRIN lenses have a comparatively small decentration due to the manufacturing process.
  • the pump laser beam and/or the seed signal beam and/or the seed idler beam are coupled into a respective waveguide via a respective optical fiber.
  • the (mode) diameter of the exit surface of the optical fiber can be adapted to the (mode) diameter of the waveguide, or more precisely the entry surface of the waveguide.
  • the mode field diameter of the pump light source can be adapted to the mode field diameter of the waveguide and accordingly also to the acceptance angle of the waveguide, for example by means of an aperture.
  • a partial signal beam formed in a respective waveguide is coupled out of a respective waveguide via a common or a respective collimation device and/or a respective optical fiber.
  • the collimation device is, for example, in the beam path after the non-linear Medium in order to collimate the pump laser beam, the signal beam and/or the idler beam, which typically emerges divergently from the waveguide.
  • So-called "graded index lens” (GRIN) lenses can be used as lenses for collimation.
  • the lenses can in particular be combined to form a monolithic hybrid microsystem.
  • the laser light source comprises at least two semiconductor devices, wherein the at least two semiconductor devices are formed as a layer stack.
  • the same increase in power can be achieved by placing (stacking) several chips with one or more waveguides on top of each other, so that a two-dimensional increase in power and the number of waveguides is obtained, instead of a one-dimensional one.
  • the waveguides on each chip should be protected from the chips on their upper side, e.g. by sputtering an additional oxide layer onto the upper side of the chip, which completely covers the waveguides from above.
  • the semiconductor device comprises, for example, a substrate comprising silicon (Si) or silicon carbide (SiC) or gallium nitride (GaN) and/or the non-linear crystal comprises, for example, lithium niobate (LiNbOa).
  • the non-linear crystal can also comprise, for example, KTP (potassium titanyl phosphate), PP-KTP (periodically poled potassium titanyl phosphate), PP-LN (periodically poled lithium niobate), Ti:LN (titanium lithium niobate), AIN (aluminum nitride), LNol (lithium niobate on Isolation substrate), BBO (beta barium oxide) and LBO (lithium barium oxide).
  • KTP potassium titanyl phosphate
  • PP-KTP peripheral phosphate
  • PP-LN peripheral metal titanyl phosphate
  • Ti:LN titanium lithium niobate
  • AIN aluminum nitride
  • LNol lithium niobate on Isolation substrate
  • BBO beta barium oxide
  • LBO lithium barium oxide
  • a further aspect of the invention relates to a laser projector which comprises a laser light source according to the embodiments described.
  • the laser light source can be used, for example, in a laser projector in order to generate an almost speckle-free image on a projection surface.
  • the laser projector can have a scanner device for two-dimensional deflection of the laser beam, which can, for example, comprise at least one mirror.
  • Such a laser projector can be used in particular as a head-up display in a motor vehicle in which, for example, the windshield serves as the projection surface.
  • the laser light source can, however, also serve as an illumination source for the projection of images for the generation of which spatially resolving modulators are used, for example so-called DMDs (Digital Mirror Devices) or SLMs (Spatial Light Modulators).
  • Laser light source comprising a semiconductor device with at least one non-linear optical medium, wherein the non-linear optical medium does not comprise at least two but only one waveguide.
  • the semiconductor device comprises a substrate comprising silicon carbide (SiC) or gallium nitride (GaN).
  • the semiconductor device is, for example, an optoelectronic chip and comprises, for example, a circuit section. At least one waveguide is arranged on the circuit section.
  • the circuit section comprises, for example, SiC.
  • a buffer layer, for example a heat sink, can advantageously be provided on the circuit section.
  • the heat sink comprises, for example, SiC.
  • SiC and GaN have significantly improved heat transport properties compared to Si.
  • Thermal radiation from integrated circuits in silicon leads to refractive index modulations in the lithium niobate, i.e. in the waveguide. These modulations produce temporally changing phase properties of the light guided in the waveguide. This in turn leads to inefficiencies in photonic calculations and means unpredictable losses and inaccuracies for photonic computing, for example.
  • This problem can be avoided by using SiC or GaN instead of Si.
  • a stack made of SiC/buffer layer/LiNbO3 or GaN/buffer layer/LiNbO3 is therefore particularly well suited as a starting material for optoelectronic chips.
  • a further exemplary embodiment therefore relates to a laser light source comprising a semiconductor device comprising a stack comprising stacked layers of SiC/buffer layer/LiNbO3 or GaN/buffer layer/LiNbO3 with at least one non-linear optical medium, wherein the non-linear optical medium comprises at least one waveguide.
  • the embodiment of the laser light source with at least one waveguide can, as far as applicable, be combined with all of the above-described embodiments of the laser light source with at least two, in particular several, waveguides, with the proviso that only one waveguide is provided.
  • the invention also relates to the use of the described laser projector and/or the described semiconductor devices and/or the described laser light sources for quantum computing in a quantum processor or quantum computer.
  • Fig. 1a is a schematic representation of an embodiment of a semiconductor device according to a first embodiment
  • Fig. 1b is a schematic representation of an embodiment of a semiconductor device according to a further embodiment
  • Fig. 2 is a schematic representation of an embodiment of a further semiconductor device according to a further embodiment
  • Fig. 3 is a schematic representation of an embodiment of a laser light source with a semiconductor device, a pump laser source and a seed light source.
  • Fig. 1a shows a highly schematic example of the structure of a semiconductor device 10 for a laser light source in a sectional view/side view.
  • the semiconductor device comprises a substrate 12, for example comprising silicon (Si) or silicon carbide (SiC) or gallium nitride (GaN).
  • Si silicon
  • SiC silicon carbide
  • GaN gallium nitride
  • the semiconductor device 10 comprises ten waveguides 16, in particular those running parallel to one another.
  • the number of waveguides is freely selectable.
  • the waveguides 16 can be produced, for example, by ion implantation or dif-founded titanium or laser ablation or dry or wet etching in a non-linear crystal.
  • the non-linear crystal in the example is periodically poled lithium niobate. It is essential for the selection of a non-linear crystal that in a PDC process can take place in the non-linear crystal.
  • surface ablation can be carried out, for example by means of laser radiation. Periodic poling is not absolutely necessary, but can increase the efficiency of non-linear processes.
  • non-speckle light using PDC is sometimes not very efficient.
  • parametric light with only a few 100 pW of power can be generated from several mW of pump power under optimal conditions.
  • each waveguide can generate light with a power of 100 pW.
  • the power of the laser light source in the example can be increased to 1 mW.
  • Figure 1b shows a highly schematic example of the structure of a semiconductor device 10 in a top view.
  • four waveguides 16 are shown in a simplified manner.
  • the waveguides 16 are designed differently merely as an example for the purposes of illustration. It can be provided that in one embodiment all waveguides 16 are designed the same or different from one another.
  • the waveguides 16 are fed by one or more pump laser sources and optionally by one or more seed laser sources. This will be explained later with reference to the embodiment shown in Fig. 3.
  • the waveguides shown in Fig. 1b each comprise a tapered coupling-out region 18 according to different embodiments.
  • the coupling-out regions taper towards the waveguide.
  • the tapered coupling-out region is, for example, bevelled.
  • the waveguides are optimally coupled via their coupling-out region to optical elements, in the example a collimator device, for example lens device 20, for example designed as a microlens array.
  • the waveguides shown in Fig. 1b each comprise a tapered coupling region 22 according to various embodiments.
  • the coupling region 22a tapers away from the waveguide, for example.
  • the coupling region 22 tapers towards the waveguide 16.
  • the two left waveguides 16 are coupled to a respective optical fiber 24 via their coupling regions 22, 22a.
  • the (mode) diameter of the exit surface of the optical fiber can be adapted to the (mode) diameter of the waveguide, or more precisely, the entry surface of the waveguide.
  • the two right waveguides 16 are coupled via their coupling regions 22, 22a to a focusing device 26, for example a lens device.
  • Differently designed input and output coupling areas can be provided in any combination for a particular waveguide.
  • the waveguides 16 of the semiconductor device 10 are designed to generate partial signal beams of different colors.
  • at least two or more waveguides 16 are designed to form partial signal beams of a first color and at least two or more waveguides 16 are designed to form partial signal beams of at least a second color.
  • the waveguides 16 for generating partial signal beams of different colors can also be fed by different pump laser sources.
  • Fig. 2 shows a further exemplary embodiment of a semiconductor device 10 with a non-linear optical medium, wherein the non-linear optical medium comprises only one waveguide 16.
  • the semiconductor device 10 comprises a substrate 12 comprising silicon carbide (SiC) or gallium nitride (GaN).
  • the semiconductor device 10 is, for example, an optoelectronic chip and comprises, for example, a Circuit section, in particular integrated into the silicon carbide layer 12. At least one waveguide 16 is arranged on the circuit section.
  • the circuit section comprises, for example, SiC or GaN.
  • a buffer layer 14, for example a heat sink, can advantageously be provided on the circuit section.
  • the heat sink comprises, for example, SiC or GaN.
  • SiC or GaN has significantly improved heat transport properties compared to Si.
  • the thermal radiation from integrated circuits in silicon leads to refractive index modulations in the lithium niobate, i.e. in the waveguide 16. These modulations produce temporally changing phase properties of the light guided in the waveguide 16. This in turn leads to inefficiencies in photonic calculation and means, for example, unpredictable losses and inaccuracies for photonic computing.
  • This problem can be avoided by using SiC instead of Si.
  • a stack structure made of SiC/buffer layer/LiNbOS or GaN/buffer layer/LiNbOS is therefore particularly well suited as a starting material for optoelectronic chips.
  • Fig. 3 shows a highly schematic example of a laser light source 30, which comprises a pump laser source 32 in the form of a diode laser, a semiconductor device 10 and a seed light source 34.
  • the pump laser source 32 is designed to generate a pump laser beam 35 with a pump wavelength A P of 375 nm or greater than 375 nm.
  • the The pump wavelength A P should not be chosen too large and should be smaller than approx. 460 nm or approx. 450 nm.
  • wavelengths in other ranges can be selected.
  • both the signal and the idler wavelength can be in the infrared range.
  • the pump wavelength can be up to 2000 nm, typically in the range of 520-540 nm, 750-850 nm or 1000-1100 nm.
  • the pump laser beam 35 is coupled into the non-linear crystal of the semiconductor device, more precisely into the waveguide 16 formed there, in the example four.
  • the PDC process takes place in the non-linear crystal.
  • the pump laser beam 35 interacts with the non-linear crystal, generating two new light fields, which are formed as a signal beam 37 with a signal wavelength X s and as an idler beam 38 with an idler wavelength
  • a phase adjustment is required, which in the example shown is achieved by a periodic polarization 39 of the nonlinear crystal .
  • the periodic polarization 39 is indicated in Fig. 3 by vertical lines which form the interfaces between the reversely polarized ferroelectric domains of the nonlinear crystal .
  • the periodic poling 39 also increases the nonlinearity of the crystal and thus the efficiency of the PDC process.
  • a first beam splitter 40 is arranged in the beam path after the non-linear crystal, which separates the idler beam 38 from the pump laser beam 35 emerging from the non-linear crystal, which is not converted during the PDC process.
  • the first beam splitter 40 is designed as a dichroic beam splitter, i.e. it has a wavelength-selective element in the form of a wavelength-selective coating in order to separate the pump laser beam 35 with the pump wavelength X P from the idler beam 38 with the idler wavelength to separate.
  • a second beam splitter 41 which separates the pump laser beam 35 from the signal beam 37.
  • the second beam splitter 41 is designed as a polarization beam splitter and/or dichroic beam splitter.
  • the separation of the signal beam 37 and the idler beam 38 in a polarization beam splitter 41 is possible because both beams are polarized perpendicular to one another in the design of the laser light source 30 chosen here, i.e. there is a type II phase adjustment.
  • a phase adjustment can also be implemented in which the signal beam 37 and the idler beam 38 have the same polarization (type I).
  • the beam splitter can also be designed as an optical filter or as a wavelength-selective optical element.
  • the laser light source 30 shown in Fig. 3 has a seed light source 34 in the form of a superluminescence or laser diode, which is used to generate a seed signal beam 37 '
  • the seed light source 34 generates a seed
  • Wavelength X s of the signal beam 37 The seed light source 34 generates the seed signal beam 37 ' with a coherence length that is smaller than the coherence length of the pump laser beam 35 generated by the pump laser source 32.
  • the seed signal beam 37 ' is collinearly superimposed with the pump laser beam 35 in a superposition device 46 in the form of a dichroic mirror. This takes advantage of the fact that the pump laser source 32 generates the pump laser beam 35 with a (linear) polarization that is aligned perpendicular to the (linear) polarization of the seed signal beam 37 '. For the superposition in the superposition device 16, it is advantageous if the pump laser beam 35 and the seed signal beam 37 ' are collimated.
  • the laser light source 30 has a collimation lens 47 for collimating the pump laser beam 5 emerging divergently from the pump laser source 32. Accordingly, a further collimation lens 48 for collimating the seed signal beam 37' is arranged between the seed light source 34 and the superposition device 16.
  • the superimposed pump laser beam 35 and the seed signal beam 37' are divided into four waveguides 16 according to the example.
  • the division is carried out, for example, by means of a suitable beam splitter 44, in particular comprising a micromirror arrangement.
  • the beam splitter 44 divides the superimposed pump laser beam 35 and the seed signal beam 37' into four partial beams 35-T, 37'-T.
  • the four partial beams 35-T, 37'-T are focused onto an entrance surface 21 of a respective waveguide 16 by means of a respective focusing lens 26, in the example a lens arrangement.
  • the focusing lenses 26 are designed such that the respective partial beams 35-T, 37'-T are adapted to the mode field diameter of the respective waveguide 16.
  • the acceptance angle of a respective waveguide 16 can be adapted by a common guidance of a respective partial beam 35-T, 37'-T in an optical fiber 24.
  • the focusing lens 26 and the optical fiber 24 can also be realized in the form of a single optical component, for example in the form of a GRIN lens.
  • the adaptation to the mode field diameter or to the acceptance angle of the waveguide 6 can be carried out in another way, for example by using an aperture or by the tapered coupling-in/out regions 18, 22 of the waveguides or the like described with reference to Fig. 1.
  • a partial beam comprising a partial signal beam 37-T and a partial idler beam 38-T is formed by means of PDC.
  • the partial signal beams 37-T and the partial idler beams 38-T are superimposed again to form a common beam before the beam splitters 40, 41 by means of a superposition device 42.
  • Additional optical elements such as a common or respective collimation device 20 (as shown in Fig. 1, for example) and/or a respective optical fiber, can be arranged between the semiconductor device 10 and the superposition device 42.
  • a separate beam splitter 40, 41 is assigned to each respective waveguide in the beam path after the waveguides 16.
  • the laser light source 30 has a switchable or adjustable coherence (length). The laser light source 30 shown in Fig.
  • the control device 52 makes it possible to set the intensity of the seed signal beam 37' coupled into the nonlinear crystal by controlling the injection current which is supplied to the seed light source 34 for generating the seed signal beam 37'.
  • the coherence can be set, for example by adjusting the stability of the pump beam, by changing from a frequency-stabilized to a non-frequency-stabilized range. In this way, a desired coherence of the signal beam 37 emerging from the laser light source 30 can be set.
  • the control device 52 is also designed to adjust the power of the pump laser source 32. This can be useful, for example, in projection applications in which several signal beams 37 are superimposed, since in this case the color of the light generated during the superposition can be changed by changing the intensity of a respective signal beam 37.
  • the pump laser source 32 can be operated continuously or in a pulsed manner. In the latter case, overpulsing can take place, i.e. the (maximum) power of the pump laser source 32 is selected to be greater during the pulse duration than during continuous operation of the pump laser source 32. By overpulsing the pump laser source 32, the efficiency of the PDC process in the nonlinear crystal can be increased.
  • the arrangement of pump laser source 32 and seed laser source 34 described and shown in Fig. 3 is merely exemplary.
  • Only one pump laser source 32 or several pump laser sources 32 without a seed laser source 34 or several pump laser sources 32 with several seed laser sources 34 can be provided.
  • the waveguides 16 of the semiconductor device 10 are designed to generate partial signal beams of different colors, it can be advantageous if the waveguides 16 are fed by different pump laser sources 32 for generating partial signal beams of different colors.
  • the non-linear crystal is passed through by a pump laser beam in a single pass. It can also be provided that the pump laser beam passes through the non-linear crystal in a double pass.
  • a laser light source 30 comprises a semiconductor device 10 according to the embodiment described with reference to Fig. 2.

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Abstract

The invention relates to a laser light source (30), comprising a semiconductor device (10) with at least one nonlinear optical medium, in particular a nonlinear crystal, and at least one pump laser source (32) for producing a pump laser beam (35) in order to form a signal beam (37) and/or an idler beam (38) in the nonlinear optical medium by parametric down-conversion.

Description

Laserlichtquelle mit einer Halbleitervorrichtung Laser light source with a semiconductor device
Beschreibung Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laserlichtquelle, umfassend: mindestens ein nichtlineares optisches Medium, insbesondere einen nichtlinearen Kristall, sowie mindestens eine Pump-Laserquelle zum Erzeugen eines Pump-Laserstrahls zur Bildung eines Signal-Strahls und eines Idler-Strahls in dem nichtlinearen optischen Medium durch Parametric-Down- Conversion. Die Erfindung betrifft auch einen Laser-Projektor mit einer solchen Laserlichtquelle. The present invention relates to a laser light source comprising: at least one non-linear optical medium, in particular a non-linear crystal, and at least one pump laser source for generating a pump laser beam for forming a signal beam and an idler beam in the non-linear optical medium by parametric down conversion. The invention also relates to a laser projector with such a laser light source.
Lichtquellen, die Licht mit hoher Intensität, Farbtreue, Bündelung und geeigneter Kohärenz erzeugen, sind u. a. für Visualisierungsanwendungen, beispielsweise für Projektoren, von Vorteil. Für Visualisierungsanwendungen, speziell fürLight sources that produce light with high intensity, color fidelity, bundling and suitable coherence are advantageous for visualization applications, such as projectors. For visualization applications, especially for
Projektoren, werden häufig Lichtquellen verwendet, die inkohärentes Licht erzeugen, z. B. Lampen oder LEDs. Derartige Lichtquellen haben aber Nachteile bei Intensität, Farbtreue und Strahlbündelung. Laserlichtquellen sind in allen genannten Aspekten überlegen, emittieren allerdings stark kohärentes Licht, welches in der Anwendung in einem Laser-Projektor zu so genanntem Speckle-Rauschen führt, d.h. zu einem granulären (d.h. körnigen) Interferenzeffekt, der die Bildqualität deutlich reduziert. Speckle-Rauschen tritt nicht nur bei Laser-Pro ektoren auf, sondern überall dort, wo Laserlichtquellen für bildgebende oder messtechnische Zwecke eingesetzt werden, beispielsweise in der interf erometrischen Messtechnik . Projectors often use light sources that generate incoherent light, e.g. lamps or LEDs. However, such light sources have disadvantages in terms of intensity, color fidelity and beam bundling. Laser light sources are superior in all of the aspects mentioned, but emit highly coherent light, which in use in a laser projector leads to so-called speckle noise, ie a granular (ie grainy) interference effect that significantly reduces the image quality. Speckle noise does not only occur in laser projectors, but wherever laser light sources are used for imaging or measurement purposes, for example in interferometric measurement technology.
In der WO 2006/105259 A2 sind ein System und ein Verfahren zum Betreiben einer Multicolor-Laserquelle beschrieben, die Arrays mit Halbleiterlasern aufweist, um Licht mit unterschiedlichen Farben zu erzeugen. Die einzelnen Emitter bzw. Halbleiterlaser eines jeweiligen Arrays emittieren im Wesentlichen inkohärent, z.B. mit unterschiedlicher Phase, um das Speckle-Rauschen zu unterdrücken. Zur Reduzierung von Speckle-Rauschen kann auch eine spektrale Aufweitung der von den Halbleiterlasern emittierten Laserstrahlung durchgeführt werden. Einem oder mehreren der Arrays kann ein nichtlinearer Frequenzkonverter nachgeschaltet sein, der eine Eingangsfrequenz in eine Ausgangsfrequenz mit einer anderen Farbe konvertiert. Ein solcher nichtlinearer Frequenzkonverter kann beispielsweise eine Parametric-Down-Conversion (PDC) einer grünen Eingangsfrequenz in eine rote Ausgangsfrequenz erzeugen. Die nichtlinearen Frequenzkonverter können innerhalb eines (externen) Resonators eines jeweiligen individuellen Laser- Emitters oder außerhalb eines solchen Resonators angeordnet sein. Für die nichtlineare Frequenzkonversion wird ein nichtlineares Medium benötigt , welches beispielsweise durch eine optische Faser oder einen nichtlinearen Kristall ausgeführt sein kann . Der nichtlineare Kristall einer solchen Laserlichtquelle ist derart auf die Wellenlänge des Pump- Laserstrahls eines j eweiligen Laser-Emitters abgestimmt , dass in dem laseraktiven Kristall ein PDC-Prozess stattfindet . Der PDC-Prozess basiert auf der nichtlinearen Wechselwirkung des Pump-Laserstrahls , der von der kohärenten Pump-Laserquelle erzeugt wird, mit dem nichtlinearen Medium . Bei dieser Wechselwirkung entstehen zwei neue Lichtfelder, welche in der vorliegenden Anmeldung - wie allgemein üblich - als Signal- Strahl und als Idler-Strahl bezeichnet werden . Der Signal- Strahl und der Idler-Strahl erhalten die Energie wP und den Impuls kP des Pump-Laserstrahls , d . h . es gilt für die Energie MP = ws + Wi , wobei ws die Energie des Signal-Strahls und wz die Energie des Idler-Strahls bezeichnen . Entsprechend gilt für den Impuls kP des Pump-Laserstrahls , den Impuls ks des Signal- Strahls und den Impuls kz des Idler-Strahls : kP = ks + kz . WO 2006/105259 A2 describes a system and a method for operating a multicolor laser source that has arrays of semiconductor lasers to generate light with different colors. The individual emitters or semiconductor lasers of a respective array emit essentially incoherently, e.g. with different phases, in order to suppress speckle noise. To reduce speckle noise, a spectral broadening of the laser radiation emitted by the semiconductor lasers can also be carried out. One or more of the arrays can be followed by a nonlinear frequency converter that converts an input frequency into an output frequency with a different color. Such a nonlinear frequency converter can, for example, generate a parametric down-conversion (PDC) of a green input frequency into a red output frequency. The nonlinear frequency converters can be arranged within an (external) resonator of a respective individual laser emitter or outside of such a resonator. For the nonlinear frequency conversion, a non-linear medium is required, which can be implemented, for example, by an optical fiber or a non-linear crystal. The non-linear crystal of such a laser light source is tuned to the wavelength of the pump laser beam of a respective laser emitter in such a way that a PDC process takes place in the laser-active crystal. The PDC process is based on the non-linear interaction of the pump laser beam, which is generated by the coherent pump laser source, with the non-linear medium. This interaction creates two new light fields, which in the present application - as is generally customary - are referred to as the signal beam and the idler beam. The signal beam and the idler beam receive the energy w P and the momentum k P of the pump laser beam, i.e. the following applies to the energy MP = w s + Wi, where w s denotes the energy of the signal beam and w z the energy of the idler beam. The following applies accordingly to the momentum k P of the pump laser beam, the momentum k s of the signal beam and the momentum k z of the idler beam: k P = k s + k z .
Aufgabe der Erfindung Object of the invention
Einem ersten Aspekt der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde , eine Laserlichtquelle bereitzustellen, bei der die Pump- Laserstrahlung der Pump-Laserquelle möglichst ef fi zient zu genutzt wird . A first aspect of the invention is based on the object of providing a laser light source in which the pump laser radiation of the pump laser source is used as efficiently as possible.
Gegenstand der Erfindung Subject of the invention
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Laserlichtquelle gemäß Anspruch 1 . Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass das nichtlineare optische Medium wenigstens zwei , insbesondere mehrere , Wellenleiter, umfasst , wobei in einem j eweiligen Wellenleiter ein Teil-Signal-Strahl gebildet wird und die wenigstens zwei Teil-Signal-Strahlen zur Addition der Laserleistung der Teil- Signal-Strahlen kombiniert werden . This object is achieved by a laser light source according to claim 1. According to the invention, it is proposed that the non-linear optical medium comprises at least two, in particular several, waveguides, wherein a partial signal beam is formed in a respective waveguide and the at least two partial signal beams are combined to add the laser power of the partial signal beams.
Die erfindungsgemäße Laserlichtquelle , die auf dem Prozess der Parametric Down Conversion beruht , benötigt keine mechanischen Funktionsbauteile und ist daher sehr kleinbauend . Durch die Parametric Down Conversion kann zudem die Kohärenz des von der Laserlichtquelle erzeugten Laserstrahls zerstört werden, indem entweder nur der Signal-Strahl oder nur der Idler-Strahl den Nutz-Laserstrahl der Laserlichtquelle bildet . Hierbei wird ausgenutzt , dass der Signal-Strahl und der Idler-Strahl durch den gemeinsamen Entstehungsprozess in dem nichtlinearen Medium zwar starke Korrelationen aufweisen, dass der Idler-Strahl bzw . der Signal-Strahl für sich alleine das Fluktuationsverhalten von thermischen Lichtquellen aufweisen . Diese Fluktuationen sind schnell genug, dass das Speckle- Rauschen praktisch vollständig eliminiert wird . Die erfindungsgemäße Laserlichtquelle eignet sich daher für die Erzeugung von brillanter, specklef reier Proj ektion, z . B . in Datenbrillen, in Head-Up-Displays , für die Belichtung von Mikrochips in der Lithographie und für bildgebende Verfahren ( zur Beleuchtung) in der Mikroskopie . Die erfindungsgemäße Lichtquelle kann aufgrund der einstellbaren Kohärenz ( s . u . ) auch zur Erzeugung von Hologrammen oder für andere optische Anwendungen verwendet werden . The laser light source according to the invention, which is based on the process of parametric down conversion, requires no mechanical functional components and is therefore very small. Parametric down conversion can also be used to destroy the coherence of the laser beam generated by the laser light source, by having either only the signal beam or only the idler beam form the useful laser beam of the laser light source. This takes advantage of the fact that the signal beam and the idler beam have strong correlations due to the joint creation process in the non-linear medium, but that the idler beam or the signal beam on their own exhibit the fluctuation behavior of thermal light sources. These fluctuations are fast enough that speckle noise is practically completely eliminated. The laser light source according to the invention is therefore suitable for generating brilliant, speckle-free projection, e.g. in data glasses, in head-up displays, for the exposure of microchips in lithography and for imaging processes (for illumination) in microscopy. Due to the adjustable coherence (see below), the light source according to the invention can also be used to generate holograms or for other optical applications.
Durch die Kombination von wenigstens zwei , vorzugsweise mehreren, beispielsweise zwischen 2 bis 20 oder mehr, Wellenleitern auf einer gemeinsamen Halbleitervorrichtung kann durch Addition der in den Wellenleitern gebildeten Teil- Signal-Strahlen die Laserleistung der Teil-Signal-Strahlen kombiniert werden, was in einer höheren Gesamtleistung der Halbleitervorrichtung resultiert . By combining at least two, preferably several, for example between 2 to 20 or more, waveguides on a common semiconductor device, By adding the partial signal beams formed in the waveguides, the laser power of the partial signal beams can be combined, resulting in a higher overall power of the semiconductor device.
Gleichzeitig muss eine Größe der Halbleitervorrichtung nicht signi fikant erhöht werden, da die größte Dimension, nämlich die Erstreckung der Halbleitervorrichtung in Richtung der Länge eines j eweiligen Wellenleiters , auch bei mehreren Wellenleitern nicht vergrößert werden muss . At the same time, a size of the semiconductor device does not need to be increased significantly, since the largest dimension, namely the extension of the semiconductor device in the direction of the length of a respective waveguide, does not need to be increased even when multiple waveguides are used.
Zur Herstellung eines Wellenleiters in einem nichtlinearen Kristall können unterschiedliche Verfahren zum Einsatz kommen, beispielsweise Ionenimplantation oder eine lithografisches Verfahren . Der Wellenleiter ist derart ausgelegt , dass er den Pump-Laserstrahl bei der Pump-Wellenlänge , den Signal-Strahl bei der Signal-Wellenlänge und den Idler-Strahl bei der Idler- Wellenlänge in dem nichtlinearen Kristall verlustarm führt . Different methods can be used to produce a waveguide in a nonlinear crystal, for example ion implantation or a lithographic process. The waveguide is designed in such a way that it guides the pump laser beam at the pump wavelength, the signal beam at the signal wavelength and the idler beam at the idler wavelength in the nonlinear crystal with low losses.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist es vorteilhaft , wenn die Halbleitervorrichtung j eweils wenigstens zwei Wellenleiter zum Bilden von Teil-Signal-Strahlen einer ersten Farbe und wenigstens zwei Wellenleiter zum Bilden von Teil-Signal- Strahlen wenigstens einer zweiten Farbe umfasst . Zu diesem Zweck ist es erforderlich, die nichtlinearen optischen Medien geeignet aus zuwählen bzw . die Länge der nichtlinearen optischen Medien sowie deren periodische Polung, insbesondere die periodische Polung der j eweiligen Wellenleiter geeignet aus zulegen, um die j eweils gewünschten Wellenlängen zu erzeugen . Die Teil-Signal-Strahlen der verschiedenen Farben können gleichzeitig erzeugt werden . Es kann vorgesehen sein, dass die Teil-Signal-Strahlen der verschiedenen Farben in mindestens einer Überlagerungseinrichtung zu einem gemeinsamen, aus der Laserlichtquelle austretenden Laserstrahl mit mindestens zwei , oder mehr, beispielsweise mit drei Wellenlängen überlagert werden . Beispielsweise werden drei Wellenlängen ( rot , grün und blau) und deren individuelle optische Leistungen, die zu dem austretenden Laserstrahl überlagert werden, idealerweise so gewählt , dass diese in Summe einen für Proj ektions zwecke geeigneten Weißton ergeben, idealerweise einen Weißton mit 6500 K Farbtemperatur . In a further development of the invention, it is advantageous if the semiconductor device comprises at least two waveguides for forming partial signal beams of a first color and at least two waveguides for forming partial signal beams of at least a second color. For this purpose, it is necessary to select the non-linear optical media appropriately or to design the length of the non-linear optical media and their periodic polarity, in particular the periodic polarity of the respective waveguides, in order to generate the desired wavelengths. The partial signal beams of the different colors can be generated simultaneously. It can be provided that the partial signal beams of the different colors in at least one superposition device to form a common laser beam emerging from the laser light source with at least two or more, for example three wavelengths. For example, three wavelengths (red, green and blue) and their individual optical powers, which are superimposed to form the emerging laser beam, are ideally selected so that they add up to a white tone suitable for projection purposes, ideally a white tone with a color temperature of 6500 K.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist es vorteilhaft , dass ein j eweiliger Wellenleiter einen sich verj üngenden Auskopplungsbereich umfasst . Der Auskopplungsbereich verj üngt sich beispielsweise zu dem Wellenleiter hin oder von dem Wellenleiter weg . Der sich verj üngende Auskopplungsbereich ist beispielsweise abgeschrägt . Mit einem sich zu dem Wellenleiter hin verj üngenden Auskopplungsbereich, also ein sich von dem Wellenleiter weg verbreiternder Auskopplungsbereich, kann beispielsweise an einer Auskopplungsseite der Halbleiterleitervorrichtung durch mehrere nebeneinander angeordnete Wellenleiter eine nahezu homogen-leuchtende Linie erzeugt werden . Durch die vorgeschlagene Ausbildung des Auskoppelbereichs ist es ebenfalls möglich, die Ankopplung des Wellenleiters an optische Elemente , beispielsweise eine optische Faser oder eine Fokussiereinrichtung, beispielweise eine Linseneinrichtung, zu optimieren . In a further development of the invention, it is advantageous that each waveguide comprises a tapered coupling-out region. The coupling-out region tapers, for example, towards the waveguide or away from the waveguide. The tapered coupling-out region is, for example, bevelled. With a coupling-out region that tapers towards the waveguide, i.e. a coupling-out region that widens away from the waveguide, an almost homogeneously luminous line can be generated, for example, on a coupling-out side of the semiconductor conductor device by means of several waveguides arranged next to one another. The proposed design of the coupling-out region also makes it possible to optimize the coupling of the waveguide to optical elements, for example an optical fiber or a focusing device, for example a lens device.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist es vorteilhaft , dass ein j eweiliger Wellenleiter einen sich verj üngenden Einkopplungsbereich umfasst . Der Einkopplungsbereich verj üngt sich beispielsweise zu dem Wellenleiter hin oder von dem Wellenleiter weg . Der sich verj üngende Einkopplungsbereich ist beispielsweise abgeschrägt . Durch die vorgeschlagene Ausbildung des Einkopplungsbereichs ist es möglich, die Ankopplung des Wellenleiters an optische Elemente , beispielsweise eine optische Faser oder eine Fokussiereinrichtung, beispielweise eine Linseneinrichtung, zu optimieren . Insbesondere kann in diesem Fall durch entsprechende Ausbildung des Einkopplungsbereichs des Wellenleiters der (Moden- ) Durchmesser der Austritts fläche der optischen Faser an den (Moden- ) Durchmesser des Wellenleiters , genauer gesagt der Eintritts fläche des Wellenleiters , angepasst werden . In a further development of the invention, it is advantageous that a respective waveguide comprises a tapered coupling region. The coupling region tapers, for example, towards the waveguide or away from the waveguide. The tapered coupling region is for example bevelled. The proposed design of the coupling region makes it possible to optimise the coupling of the waveguide to optical elements, for example an optical fibre or a focusing device, for example a lens device. In particular, in this case, by appropriately designing the coupling region of the waveguide, the (mode) diameter of the exit surface of the optical fibre can be adapted to the (mode) diameter of the waveguide, or more precisely the entry surface of the waveguide.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist es vorteilhaft , dass der mittels der wenigstens einen Pump-Laserquelle erzeugte Pump-Laserstrahl auf die wenigstens zwei Wellenleiter, insbesondere unter Nutzung von evanes zenter Kopplung, aufgeteilt wird . Beispielsweise können mehrere Wellenleiter von einer Pump-Laserquelle gespeist werden . Die Ankopplung erfolgt beispielsweise mittels einer Linseneinrichtung, beispielsweise Mikrolinsenarray, oder einer Faserankopplung . In a further development of the invention, it is advantageous that the pump laser beam generated by the at least one pump laser source is divided between the at least two waveguides, in particular using evanescent coupling. For example, several waveguides can be fed by one pump laser source. The coupling is carried out, for example, by means of a lens device, for example a microlens array, or a fiber coupling.
Es kann auch vorgesehen sein, dass die Laserlichtquelle wenigstens zwei Pump-Laserquellen umfasst . Eine j eweilige Pump-Laserquelle kann beispielsweise einen oder mehrere Wellenleiter speisen . It can also be provided that the laser light source comprises at least two pump laser sources. Each pump laser source can, for example, feed one or more waveguides.
Es kann vorgesehen sein, dass die wenigstens eine Pump- Laserquelle oder die wenigstens zwei Pump-Laserquellen einen Festkörperlaser, insbesondere einen Diodenlaser, aufweisen . Der Diodenlaser kann kontinuierlich ( cw) oder gepulst betrieben werden . Bei einem gepulsten Betrieb des Diodenlasers besteht die Möglichkeit , den dem Diodenlaser zur Erzeugung des Pump-Laserstrahls zugeführten Inj ektionsstrom für die einzelnen Pulse größer zu wählen als den cw- In ektions strom, d . h . den Diodenlaser zu überpulsen . Im zeitlichen Mittel ergibt sich beim Überpulsen aufgrund der Pulspausen ein In ektionsstrom, der im Wesentlichen dem cw- Inj ektionsstrom entspricht . It can be provided that the at least one pump laser source or the at least two pump laser sources comprise a solid-state laser, in particular a diode laser. The diode laser can be operated continuously (cw) or pulsed. In the case of pulsed operation of the diode laser, it is possible to use the power supplied to the diode laser for generating the The injection current supplied to the pump laser beam for the individual pulses should be selected to be greater than the cw injection current, i.e. the diode laser should be overpulsed. On average over time, overpulsing results in an injection current that essentially corresponds to the cw injection current due to the pulse pauses.
Vorteilhafterweise kann auch vorgesehen sein, dass die Laserlichtquelle wenigstens eine Seed-Lichtquelle zur Erzeugung eines Seed-Signal-Strahls , und/oder eines Seed- Idler-Strahls , sowie mindestens eine Überlagerungseinrichtung zur Überlagerung des Seed-Signal Strahls und/oder des Seed- Idler-Strahls mit dem Pump-Laserstrahl zur gemeinsamen Einkopplung in das nichtlineare optische Medium, umfasst . Das Emissionsspektrum des Seed-Signal-Strahls bzw . einen Seed- Idler-Strahls enthält die Signal-Wellenlänge des Signal- Strahls bzw . die Idler-Wellenlänge des Idler-Strahls bzw . stimmt im Wesentlichen mit diesen überein . Durch die Verwendung der Seed-Lichtquelle kann die Verstärkung des nichtlinearen Mediums für den Seed-Strahl und/oder den Idler- Strahl erhöht werden ( Seedverstärkung) . Die Überlagerungseinrichtung kann ausgebildet sein, den Seed-Signal-Strahl und/oder den Seed- Idler-Strahl kollinear ( räumlich) zu überlagern, um diese entlang eines gemeinsamen Strahlwegs dem nichtlinearen Medium zuzuführen . Für die kollineare Überlagerung kann beispielsweise ein polarisierender Strahlteiler verwendet werden, der reflektiv für die Polarisationsrichtung des Seed-Signal-Strahls ( oder des Idler- Signal-Strahls ) und transmissiv für die Polarisationsrichtung des Pump-Laserstrahls ist , oder umgekehrt . Advantageously, it can also be provided that the laser light source comprises at least one seed light source for generating a seed signal beam and/or a seed idler beam, and at least one superposition device for superimposing the seed signal beam and/or the seed idler beam with the pump laser beam for joint coupling into the non-linear optical medium. The emission spectrum of the seed signal beam or a seed idler beam contains the signal wavelength of the signal beam or the idler wavelength of the idler beam or essentially corresponds to these. By using the seed light source, the gain of the non-linear medium for the seed beam and/or the idler beam can be increased (seed gain). The superposition device can be designed to superimpose the seed signal beam and/or the seed idler beam collinearly (spatially) in order to feed them along a common beam path to the nonlinear medium. For the collinear superposition, for example, a polarizing beam splitter can be used which is reflective for the polarization direction of the seed signal beam (or the idler signal beam) and transmissive for the polarization direction of the pump laser beam, or vice versa.
Es können auch andere optische Einrichtungen als Überlagerungseinrichtungen verwendet werden . Beispielsweise können die unterschiedlichen Wellenlängen des Pump- Laserstrahls und des Seed- bzw . des Idler-Signal-Strahls ausgenutzt werden, um die Überlagerung z . B . mit Hil fe eines Beugungsgitters oder eines dichroitischen Strahlteiler oder dergleichen zu realisieren . Other optical devices can also be used as superposition devices. For example The different wavelengths of the pump laser beam and the seed or idler signal beam can be used to achieve superposition, e.g. with the help of a diffraction grating or a dichroic beam splitter or the like.
Bei einer vorteilhaften Aus führungs form weist die Laserlichtquelle wenigstens eine Steuerungseinrichtung zur Steuerung der Leistung des in das nichtlineare optische Medium eingekoppelten Seed-Signal-Strahls und/oder des Pump- Laserstrahls auf . Die Steuerungseinrichtung kann ausgebildet sein, die Leistung der Seed-Lichtquelle und/oder der Pump- Laserquelle einzustellen, um auf diese Weise die Kohärenz des aus dem nichtlinearen Medium ausgekoppelten Signals-Strahls und/oder des Idler-Strahls zu beeinflussen bzw . einzustellen . Alternativ oder zusätzlich kann eine ( optische ) Filterung mit einem einstellbaren optischen Filter erfolgen, um die in das nichtlineare Medium eingekoppelte Leistung des Seed-Signal- Strahls und/oder des Seed- Idler-Strahls einzustellen . Gleiches gilt für die Einstellung der Leistung der Pump-Laserquelle . In an advantageous embodiment, the laser light source has at least one control device for controlling the power of the seed signal beam coupled into the non-linear optical medium and/or of the pump laser beam. The control device can be designed to adjust the power of the seed light source and/or the pump laser source in order to influence or adjust the coherence of the signal beam coupled out of the non-linear medium and/or of the idler beam. Alternatively or additionally, (optical) filtering can be carried out with an adjustable optical filter in order to adjust the power of the seed signal beam and/or the seed idler beam coupled into the non-linear medium. The same applies to adjusting the power of the pump laser source.
Die Seed-Lichtquelle ist beispielsweise eine LED, Superlumines zenz-Diode oder eine Laserdiode . Eine LED weist typischerweise eine Kohärenzlänge auf , die so groß ist , dass die aus der Seed-Lichtquelle austretende Strahlung als inkohärent bezeichnet wird . Bei der Superlumines zenz-Diode handelt es sich um eine Laserdiode ohne einen Resonator . Eine Superlumines zenz-Diode vereinigt die Helligkeit einer Laserdiode mit der geringen Kohärenz ( länge ) von Leuchtdioden, was gleichbedeutend mit einer größeren Bandbreite der von der Superlumines zenz-Diode emittierten Strahlung im Vergleich zur von einer Laserdiode emittierten Laserstrahlung ist . Bei der Seed-Lichtquelle in Form der Laserdiode kann es sich insbesondere um eine Multi-Mode-Laserdiode oder um einen unterhalb der Emissionsschwelle betrieben Laser handeln . Auch der von einer solchen Multi-Mode-Laserdiode erzeugte Seed-Signal-Strahl bzw . Seed- Idler-Strahl weist eine geringere Kohärenzlänge auf als ein Pump-Laserstrahl , der von einer Pump-Laserquelle z . B . in Form einer Single-Mode- Laserdiode erzeugt wird . The seed light source is, for example, an LED, superluminescence diode or a laser diode. An LED typically has a coherence length that is so large that the radiation emerging from the seed light source is referred to as incoherent. The superluminescence diode is a laser diode without a resonator. A superluminescence diode combines the brightness of a laser diode with the low coherence (length) of light-emitting diodes, which is equivalent to a larger bandwidth of the radiation emitted by the superluminescence diode compared to the laser radiation emitted by a laser diode. The seed light source in the form of a laser diode can in particular be a multi-mode laser diode or a laser operated below the emission threshold. The seed signal beam or seed idler beam generated by such a multi-mode laser diode also has a shorter coherence length than a pump laser beam generated by a pump laser source, e.g. in the form of a single-mode laser diode.
Gemäß einer Aus führungs form ist die Pump-Laserquelle zur Erzeugung eines Pump-Laserstrahls mit einer Pump-Wellenlänge von weniger als 460 nm ausgebildet . Die Pump-Wellenlänge der Pump-Laserquelle sollte bei der Verwendung der Laserlichtquelle zur Proj ektion nicht größer gewählt werden, da bei der Parametric-Down-Conversion in dem nichtlinearen Medium die konvertierten Ausgangs-Wellenlängen größer sind als die Pump-Wellenlänge des Pump-Laserstrahls . Bei einer Pump- Wellenlänge , die beispielsweise bei 450 nm oder weniger, beispielsweise bei ca . 375 nm oder weniger liegt , können die drei Grundfarben blau ( zwischen ca . 420 nm und ca . 470 nm) , grün ( zwischen ca . 520 nm und ca . 540 nm) und rot ( zwischen ca . 635 nm und 780 nm) durch Parametric-Down-Conversion erzeugt werden . Zur Erzeugung von beispielweise drei Signal- Strahlen bzw . Idler-Strahlen mit Wellenlängen im blauen, grünen und roten Wellenlängenbereich können drei Pump- Laserquellen verwendet werden, die nicht zwingend dieselbe Pump-Wellenlänge nutzen . Die Erzeugung von drei Signal- Strahlen bzw . Idler-Strahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen kann auch mit Hil fe einer einzigen Pump- Laserquelle erfolgen, indem der Pump-Laserstrahl auf die j eweiligen Wellenleiter aufgeteilt wird . Es kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass dieAccording to one embodiment, the pump laser source is designed to generate a pump laser beam with a pump wavelength of less than 460 nm. The pump wavelength of the pump laser source should not be selected to be larger when the laser light source is used for projection, since during parametric down conversion in the non-linear medium the converted output wavelengths are larger than the pump wavelength of the pump laser beam. With a pump wavelength that is, for example, 450 nm or less, for example approximately 375 nm or less, the three primary colors blue (between approximately 420 nm and approximately 470 nm), green (between approximately 520 nm and approximately 540 nm) and red (between approximately 635 nm and 780 nm) can be generated by parametric down conversion. To generate, for example, three signal beams or For the generation of idler beams with wavelengths in the blue, green and red wavelength ranges, three pump laser sources can be used, which do not necessarily use the same pump wavelength. The generation of three signal beams or idler beams with different wavelengths can also be achieved with the help of a single pump laser source by splitting the pump laser beam between the respective waveguides. It can advantageously be provided that the
Laserlichtquelle wenigstens eine Fokussiereinrichtung zur Fokussierung des Pump-Laserstrahls und/oder des Seed-Signal- Strahls und/oder des Seed-ldler-Strahls , insbesondere auf eine j eweilige Eintritts fläche eines j eweiligen Wellenleiters , umfasst . Bei der Fokussiereinrichtung kann es sich beispielsweise um eine Fokussierlinse handeln . Als Linsen für die Fokussierung können beispielsweise so genannte „Graded index lens" ( GRIN- ) Linsen zum Einsatz kommen . Die Linsen können insbesondere zu einem monolithischen hybriden Mikrosystem verbunden werden . GRIN-Linsen weisen herstellungsbedingt eine vergleichsweise kleine Dezentrierung auf . Laser light source comprises at least one focusing device for focusing the pump laser beam and/or the seed signal beam and/or the seed-ldler beam, in particular on a respective entry surface of a respective waveguide. The focusing device can be a focusing lens, for example. So-called "graded index lens" (GRIN) lenses can be used as lenses for focusing. The lenses can in particular be combined to form a monolithic hybrid microsystem. GRIN lenses have a comparatively small decentration due to the manufacturing process.
Es kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass der Pump- Laserstrahl und/oder der Seed-Signal-Strahls und/oder der Seed-ldler-Strahl über eine j eweilige optische Faser geführt in einen j eweiligen Wellenleiter eingekoppelt werden . Insbesondere kann in diesem Fall der (Moden- ) Durchmesser der Austritts fläche der optischen Faser an den (Moden- ) Durchmesser des Wellenleiters , genauer gesagt der Eintritts fläche des Wellenleiters , angepasst werden . Alternativ kann z . B . durch eine Blende der Modenfeld-Durchmesser der Pump-Lichtquelle an den Modenfeld-Durchmesser des Wellenleiters und entsprechend auch an den Akzeptanzwinkel des Wellenleiters angepasst werden . It can advantageously be provided that the pump laser beam and/or the seed signal beam and/or the seed idler beam are coupled into a respective waveguide via a respective optical fiber. In particular, in this case the (mode) diameter of the exit surface of the optical fiber can be adapted to the (mode) diameter of the waveguide, or more precisely the entry surface of the waveguide. Alternatively, the mode field diameter of the pump light source can be adapted to the mode field diameter of the waveguide and accordingly also to the acceptance angle of the waveguide, for example by means of an aperture.
Es kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass ein in einem j eweiligen Wellenleiter gebildeter Teil-Signal-Strahl über eine gemeinsame oder eine j eweilige Kollimationseinrichtung und/oder eine j eweilige optische Faser aus einem j eweiligen Wellenleiter ausgekoppelt wird . Die Kollimationseinrichtung ist beispielweise im Strahlengang nach dem nichtlinearen Medium angeordnet sein, um den typischerweise divergent aus dem Wellenleiter austretenden Pump-Laserstrahl , den Signal- Strahl und/oder den Idler-Strahl zu kollimieren . Als Linsen für die Kollimation können beispielsweise so genannte „Graded index lens" ( GRIN- ) Linsen zum Einsatz kommen . Die Linsen können insbesondere zu einem monolithischen hybriden Mikrosystem verbunden werden . It can advantageously be provided that a partial signal beam formed in a respective waveguide is coupled out of a respective waveguide via a common or a respective collimation device and/or a respective optical fiber. The collimation device is, for example, in the beam path after the non-linear Medium in order to collimate the pump laser beam, the signal beam and/or the idler beam, which typically emerges divergently from the waveguide. So-called "graded index lens" (GRIN) lenses can be used as lenses for collimation. The lenses can in particular be combined to form a monolithic hybrid microsystem.
In Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Laserlichtquelle wenigstens zwei Halbleitervorrichtungen, umfasst wobei die wenigstens zwei Halbleitervorrichtungen als ein Schichtstapel ausgebildet sind . Zusätzlich ( oder sogar anstelle ) der Platzierung mehrerer Wellenleiter nebeneinander, kann die gleiche Leistungserhöhung erreicht werden, indem man mehrere Chips mit einem oder mehreren Wellenleitern übereinander platziert ( stapelt ) , so dass man eine zweidimensionale Erhöhung der Leistung und der Anzahl der Wellenleiter erhält , anstatt einer eindimensionalen . In diesem Fall sollten die Wellenleiter auf j edem Chip vor den Chips auf ihrer Oberseite geschützt werden, z . B . durch Aufsputtern einer zusätzlichen Oxidschicht auf die Oberseite des Chips , die die Wellenleiter von oben vollständig abdeckt . In a development of the invention, it can be provided that the laser light source comprises at least two semiconductor devices, wherein the at least two semiconductor devices are formed as a layer stack. In addition to (or even instead of) placing several waveguides next to each other, the same increase in power can be achieved by placing (stacking) several chips with one or more waveguides on top of each other, so that a two-dimensional increase in power and the number of waveguides is obtained, instead of a one-dimensional one. In this case, the waveguides on each chip should be protected from the chips on their upper side, e.g. by sputtering an additional oxide layer onto the upper side of the chip, which completely covers the waveguides from above.
Die Halbleitervorrichtung umfasst beispielsweise ein Substrat umfassend Sili zium ( Si ) oder Sili ziumcarbid ( SiC ) oder Galliumnitrid ( GaN) und/oder das nichtlineare Kristall umfasst beispielweise Lithiumniobat ( LiNbOa ) umfasst . Der nichtlineare Kristall kann aber beispielsweise auch KTP (Kaliumtitanylphosphat ) , PP-KTP (periodisch gepoltes Kaliumtitanylphosphat ) , PP-LN (periodisch gepoltes Lithiumniobat ) , Ti : LN ( Titan-Lithiumniobat ) , AIN (Aluminiumnitrid) , LNol ( Lithiumniobat auf I solationssubstrat ) , BBO (Beta-Barium-Oxid) und LBO ( Lithium- Barium Oxid) umfassen . Diese nichtlinearen Kristalle sind für Wellenlängen von mehr als ca . 380 nm transparent . Für die Laserlichtquelle sollte ein nichtlinearer Kristall ausgewählt werden, der sowohl für die Pump-Wellenlänge als auch für die Signal-Wellenlänge und die Idler-Wellenlänge eine geringe Absorption und somit eine hohe Transparenz aufweist . The semiconductor device comprises, for example, a substrate comprising silicon (Si) or silicon carbide (SiC) or gallium nitride (GaN) and/or the non-linear crystal comprises, for example, lithium niobate (LiNbOa). However, the non-linear crystal can also comprise, for example, KTP (potassium titanyl phosphate), PP-KTP (periodically poled potassium titanyl phosphate), PP-LN (periodically poled lithium niobate), Ti:LN (titanium lithium niobate), AIN (aluminum nitride), LNol (lithium niobate on Isolation substrate), BBO (beta barium oxide) and LBO (lithium barium oxide). These nonlinear crystals are transparent for wavelengths of more than approximately 380 nm. For the laser light source, a nonlinear crystal should be selected that has low absorption and thus high transparency for the pump wavelength as well as the signal wavelength and the idler wavelength.
Weitere Aus führungs formen betref fen eine Halbleitervorrichtung für eine Laserlichtquelle gemäß den beschriebenen Aus führungs formen . Further embodiments relate to a semiconductor device for a laser light source according to the described embodiments.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betri f ft einen Laser- Proj ektor, der eine Laserlichtquelle gemäß den beschriebenen Aus führungs formen umfasst . Die Laserlichtquelle kann beispielsweise in einem Laser-Pro ektor eingesetzt werden, um ein annähernd specklef reies Bild auf einer Proj ektions fläche zu erzeugen . Für die Erzeugung des Bildes auf der Proj ektions fläche kann der Laser-Proj ektor eine Scannereinrichtung zur zweidimensionalen Ablenkung des Laserstrahls aufweisen, die beispielsweise mindestens einen Spiegel umfassen kann . Ein solcher Laser-Proj ektor kann insbesondere als Head-Up-Display in einem Kraftfahrzeug verwendet werden, bei dem beispielsweise die Frontscheibe als Proj ektions fläche dient . Die Laserlichtquelle kann aber auch als Beleuchtungsquelle für die Proj ektion von Bildern dienen, für deren Erzeugung ortsauf lösende Modulatoren verwendet werden, z . B . so genannte DMDs ( Digital Mirror Devices ) oder SLMs ( Spatial Light Modulators ) . A further aspect of the invention relates to a laser projector which comprises a laser light source according to the embodiments described. The laser light source can be used, for example, in a laser projector in order to generate an almost speckle-free image on a projection surface. To generate the image on the projection surface, the laser projector can have a scanner device for two-dimensional deflection of the laser beam, which can, for example, comprise at least one mirror. Such a laser projector can be used in particular as a head-up display in a motor vehicle in which, for example, the windshield serves as the projection surface. The laser light source can, however, also serve as an illumination source for the projection of images for the generation of which spatially resolving modulators are used, for example so-called DMDs (Digital Mirror Devices) or SLMs (Spatial Light Modulators).
Weitere beispielhafte Aus führungs formen betref fen eineFurther exemplary embodiments concern a
Laserlichtquelle umfassend eine Halbleitervorrichtung mit wenigstens einem nichtlinearen optischen Medium wobei das nichtlineare optische Medium nicht wenigstens zwei , sondern nur einen Wellenleiter umfasst . Es ist vorteilhaft vorgesehen, dass die Halbleitervorrichtung ein Substrat umfassend Sili ziumcarbid ( SiC ) oder Galliumnitrid ( GaN) umfasst . Die Halbleitervorrichtung ist beispielsweise ein optoelektronischer Chip und umfasst beispielsweise einen Schaltkreisabschnitt . Auf dem Schaltkreisabschnitt ist mindestens ein Wellenleiter angeordnet . Der Schaltkreisabschnitt umfasst beispielweise SiC . Auf dem Schaltkreisabschnitt kann vorteilhafterweise eine Puf fer- Schicht , beispielsweise eine Wärmesenke , vorgesehen sein . Die Wärmesenke umfasst beispielsweise SiC . Laser light source comprising a semiconductor device with at least one non-linear optical medium, wherein the non-linear optical medium does not comprise at least two but only one waveguide. It is advantageously provided that the semiconductor device comprises a substrate comprising silicon carbide (SiC) or gallium nitride (GaN). The semiconductor device is, for example, an optoelectronic chip and comprises, for example, a circuit section. At least one waveguide is arranged on the circuit section. The circuit section comprises, for example, SiC. A buffer layer, for example a heat sink, can advantageously be provided on the circuit section. The heat sink comprises, for example, SiC.
SiC und GaN haben im Vergleich zu Si deutlich erhöhte Wärmetransporteigenschaften . Die thermische Strahlung von integrierten Schaltkreisen in Sili zium führt zu Brechungsindexmodulationen im Lithiumniobat , also in dem Wellenleiter . Diese Modulationen erzeugen zeitlich veränderte Phaseneigenschaften des in dem Wellenleiter geführten Lichts . Dies wiederrum führt zu Inef fi zienzen bei der photonischen Berechnung und bedeutet beispielsweise für photonisches Computing unvorhersehbare Verluste und Ungenauigkeiten . Durch die Verwendung von SiC oder GaN anstelle von Si kann dieses Problem umgangen werden . Ein Aufbau eines Stacks aus SiC/Puf f erLayer/LiNbO3 oder GaN/Puf f erLayer/LiNbO3 ist daher besonders gut als Ausgangsmaterial für opto-elektronische Chips geeignet . Eine weitere beispielhafte Aus führungs form betri f ft demnach eine Laserlichtquelle umfassend eine Halbleitervorrichtung umfassend einen Stack umfassend gestapelte Schichten aus SiC/Puf ferLayer/LiNbO3 oder GaN/Puf ferLayer/LiNbO3 mit wenigstens einem nichtlinearen optischen Medium wobei das nichtlineare optische Medium wenigstens einen Wellenleiter umfasst . Die Aus führungs form der Laserlichtquelle mit wenigstens einem Wellenleiter kann soweit anwendbar mit sämtlichen der vorstehend beschriebenen Aus führungs formen der Laserlichtquelle mit wenigstens zwei , insbesondere mehrere , Wellenleiter, kombiniert werden, mit der Maßgabe , dass nur ein Wellenleiter vorgesehen ist . SiC and GaN have significantly improved heat transport properties compared to Si. Thermal radiation from integrated circuits in silicon leads to refractive index modulations in the lithium niobate, i.e. in the waveguide. These modulations produce temporally changing phase properties of the light guided in the waveguide. This in turn leads to inefficiencies in photonic calculations and means unpredictable losses and inaccuracies for photonic computing, for example. This problem can be avoided by using SiC or GaN instead of Si. A stack made of SiC/buffer layer/LiNbO3 or GaN/buffer layer/LiNbO3 is therefore particularly well suited as a starting material for optoelectronic chips. A further exemplary embodiment therefore relates to a laser light source comprising a semiconductor device comprising a stack comprising stacked layers of SiC/buffer layer/LiNbO3 or GaN/buffer layer/LiNbO3 with at least one non-linear optical medium, wherein the non-linear optical medium comprises at least one waveguide. The embodiment of the laser light source with at least one waveguide can, as far as applicable, be combined with all of the above-described embodiments of the laser light source with at least two, in particular several, waveguides, with the proviso that only one waveguide is provided.
Die Erfindung betri f ft auch die Verwendung des beschriebenen Laserproj ektors und/oder der beschriebenen Halbleitervorrichtungen und/oder der beschriebenen Laserlichtquellen für Quantencomputing in einem Quantenprozessor bzw . Quantencomputer . The invention also relates to the use of the described laser projector and/or the described semiconductor devices and/or the described laser light sources for quantum computing in a quantum processor or quantum computer.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung . Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter auf geführten Merkmale j e für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden . In der folgenden Beschreibung der Zeichnungen werden für gleiche bzw . funktionsgleiche Bauteile identische Bezugs zeichen verwendet . Further advantages of the invention emerge from the description and the drawing. Likewise, the features mentioned above and those listed below can be used individually or in combination in any desired way. In the following description of the drawings, identical reference symbols are used for identical or functionally identical components.
In der Zeichnung zeigt : The drawing shows:
Fig . la eine schematische Darstellung eines Aus führungsbeispiels einer Halbleitervorrichtung gemäß einer ersten Aus führungs form, Fig. 1a is a schematic representation of an embodiment of a semiconductor device according to a first embodiment,
Fig . 1b eine schematische Darstellung eines Aus führungsbeispiels einer Halbleitervorrichtung gemäß einer weiteren Aus führungs form, Fig . 2 eine schematische Darstellung eines Aus führungsbeispiels einer weiteren Halbleitervorrichtung gemäß einer weiteren Aus führungs form, Fig. 1b is a schematic representation of an embodiment of a semiconductor device according to a further embodiment, Fig. 2 is a schematic representation of an embodiment of a further semiconductor device according to a further embodiment,
Fig . 3 eine schematische Darstellung eines Aus führungsbeispiels einer Laserlichtquelle mit einer Halbleitervorrichtung, einer Pump-Laserquelle und einer Seed-Lichtquelle . Fig. 3 is a schematic representation of an embodiment of a laser light source with a semiconductor device, a pump laser source and a seed light source.
Fig . la zeigt stark schematisch einen beispielhaften Aufbau einer Halbleitervorrichtung 10 für eine Laserlichtquelle in einer Schnittansicht/Ansicht von der Seite . Die Halbleitervorrichtung umfasst ein Substrat 12 , beispielsweise umfassend Sili zium ( Si ) oder Sili ziumcarbid ( SiC ) oder Galliumnitrid ( GaN) . Die Vorteile von Sili ziumcarbid und Galliumnitrid werden weiter unten in Bezug auf die in Fig . 2 dargestellte Aus führungs form erläutert . Fig. 1a shows a highly schematic example of the structure of a semiconductor device 10 for a laser light source in a sectional view/side view. The semiconductor device comprises a substrate 12, for example comprising silicon (Si) or silicon carbide (SiC) or gallium nitride (GaN). The advantages of silicon carbide and gallium nitride are explained further below with reference to the embodiment shown in Fig. 2.
Auf dem Substrat 12 ist eine Puf ferschicht 14 , beispielsweise umfassend Sili ziumdioxid ( SiCt ) aufgebracht . A buffer layer 14, for example comprising silicon dioxide (SiCt), is applied to the substrate 12.
Die Halbleitervorrichtung 10 umfasst gemäß der Darstellung in Fig . la zehn, insbesondere parallel zueinander verlaufende Wellenleiter 16 . Die Anzahl der Wellenleiter ist frei wählbar . According to the illustration in Fig. 1a, the semiconductor device 10 comprises ten waveguides 16, in particular those running parallel to one another. The number of waveguides is freely selectable.
Die Wellenleiter 16 können beispielsweise durch Ionenimplantation oder eindi f fundiertes Titan oder Laserablation oder Trocken- oder Nassätzung in einem nichtlinearen Kristall erzeugt werden . Bei dem nichtlinearen Kristall handelt es sich im Beispiel um periodisch gepoltes Lithiumniobat . Wesentlich für die Auswahl eines nichtlinearen Kristalls ist es , dass in dem nichtlinearen Kristall ein PDC-Prozess stattfinden kann . Um die im Beispiel dargestellte geometrische Außenkontur der Wellenleiter zu erzeugen, kann ein Oberflächenabtrag, beispielsweise mittels Laserstrahlung erfolgen . Eine periodische Polung ist nicht zwingend erforderlich, kann aber die Ef fi zienz nichtlinearer Prozesse erhöhen . The waveguides 16 can be produced, for example, by ion implantation or dif-founded titanium or laser ablation or dry or wet etching in a non-linear crystal. The non-linear crystal in the example is periodically poled lithium niobate. It is essential for the selection of a non-linear crystal that in a PDC process can take place in the non-linear crystal. In order to create the geometric outer contour of the waveguide shown in the example, surface ablation can be carried out, for example by means of laser radiation. Periodic poling is not absolutely necessary, but can increase the efficiency of non-linear processes.
Die Erzeugung von nicht-speckelndem Licht mittels PDC ist mitunter nicht sehr ef fi zient . Beispielsweise können aus mehreren mW Pumpleistung unter optimalen Bedingung parametrisches Licht mit nur wenigen 100 pW Leistung erzeugt . Im Beispiel kann mit j edem Wellenleiter Licht mit einer Leistung von 100 pW erzeugt werden . Durch die parallele Erzeugung und Kombination der Teil-Strahlen kann die Leistung der Laserlichtquelle im Beispiel auf 1 mW erhöht werden . The generation of non-speckle light using PDC is sometimes not very efficient. For example, parametric light with only a few 100 pW of power can be generated from several mW of pump power under optimal conditions. In the example, each waveguide can generate light with a power of 100 pW. By generating and combining the partial beams in parallel, the power of the laser light source in the example can be increased to 1 mW.
Figur 1b zeigt stark schematisch einen beispielhaften Aufbau einer Halbleitervorrichtung 10 in einer Draufsicht . Im Beispiel sind vereinfacht vier Wellenleiter 16 dargestellt . Die Wellenleiter 16 sind lediglich beispielhaft zur Darstellungs zwecken unterschiedlich ausgebildet . Es kann vorgesehen sein, dass in einer Aus führungs form alle Wellenleiter 16 gleich oder unterschiedlich voneinander ausgebildet sind . Figure 1b shows a highly schematic example of the structure of a semiconductor device 10 in a top view. In the example, four waveguides 16 are shown in a simplified manner. The waveguides 16 are designed differently merely as an example for the purposes of illustration. It can be provided that in one embodiment all waveguides 16 are designed the same or different from one another.
Die Wellenleiter 16 werden von einer oder mehreren Pump- Laserquellen und ggf . von einer oder mehreren Seed- Laserquellen gespeist . Dies wird später unter Bezugnahme auf die in Fig . 3 dargestellte Aus führungs form erläutert . The waveguides 16 are fed by one or more pump laser sources and optionally by one or more seed laser sources. This will be explained later with reference to the embodiment shown in Fig. 3.
Die in Fig . 1b dargestellten Wellenleiter umfassen j eweils einen sich verj üngenden Auskopplungsbereich 18 gemäß verschiedener Aus führungs formen . Gemäß dem Beispiel verj üngen sich die Auskopplungsbereiche zu dem Wellenleiter hin . Es ist aber auch möglich den Auskoppelbereich invers aus zubilden . Dies ist beispielsweise mit den gestrichtelten Linien für einen Auskopplungsbereich 18a dargestellt . Der sich verj üngende Auskopplungsbereich ist beispielsweise abgeschrägt . Mit einem sich zu dem Wellenleiter hin verj üngenden Auskopplungsbereich, also ein sich von dem Wellenleiter weg verbreiternder Auskopplungsbereich, kann beispielsweise an einer Auskopplungsseite der Halbleiterleitervorrichtung durch mehrere nebeneinander angeordnete Wellenleiter eine nahezu homogen-leuchtende Linie bzw . Fläche erzeugt werden . Im Beispiel sind die Wellenleiter über ihren Auskoppelbereich optimiert an optische Elemente , im Beispiel eine Kollimatoreinrichtung, beispielsweise Linseneinrichtung 20 , beispielswiese ausgebildet als Mikrolinsenarray, angekoppelt . The waveguides shown in Fig. 1b each comprise a tapered coupling-out region 18 according to different embodiments. According to the example, the coupling-out regions taper towards the waveguide. However, it is also possible to design the coupling-out region inversely. This is shown, for example, with the dashed lines for a coupling-out region 18a. The tapered coupling-out region is, for example, bevelled. With a coupling-out region that tapers towards the waveguide, i.e. a coupling-out region that widens away from the waveguide, an almost homogeneously luminous line or area can be generated, for example, on a coupling-out side of the semiconductor conductor device by means of several waveguides arranged next to one another. In the example, the waveguides are optimally coupled via their coupling-out region to optical elements, in the example a collimator device, for example lens device 20, for example designed as a microlens array.
Die in Fig . 1b dargestellten Wellenleiter umfassen j eweils einen sich verj üngenden Einkopplungsbereich 22 gemäß verschiedener Aus führungs formen . Bei dem linken Wellenleiter 16 verj üngt sich Einkopplungsbereich 22a beispielhaft von dem Wellenleiter weg . Bei den übrigen Wellenleitern 16 verj üngt sich der Einkopplungsbereich 22 zu dem Wellenleiter 16 hin . The waveguides shown in Fig. 1b each comprise a tapered coupling region 22 according to various embodiments. In the left waveguide 16, the coupling region 22a tapers away from the waveguide, for example. In the other waveguides 16, the coupling region 22 tapers towards the waveguide 16.
Die beiden linken Wellenleiter 16 sind über ihre Einkopplungsbereiche 22 , 22a an eine j eweilige optische Faser 24 angekoppelt . Insbesondere kann in diesem Fall durch entsprechende Ausbildung des Einkopplungsbereichs des Wellenleiters der (Moden- ) Durchmesser der Austritts fläche der optischen Faser an den (Moden- ) Durchmesser des Wellenleiters , genauer gesagt der Eintritts fläche des Wellenleiters , angepasst werden . Die beiden rechten Wellenleiter 16 sind über ihre Einkopplungsbereiche 22 , 22a an eine Fokussiereinrichtung 26 , beispielweise eine Linseneinrichtung, angekoppelt . The two left waveguides 16 are coupled to a respective optical fiber 24 via their coupling regions 22, 22a. In particular, in this case, by appropriately designing the coupling region of the waveguide, the (mode) diameter of the exit surface of the optical fiber can be adapted to the (mode) diameter of the waveguide, or more precisely, the entry surface of the waveguide. The two right waveguides 16 are coupled via their coupling regions 22, 22a to a focusing device 26, for example a lens device.
Unterschiedlich ausgebildete Ein- und Auskoppelbereiche können bei einem j eweiligen Wellenleiter in beliebigen Kombinationen vorgesehen werden . Differently designed input and output coupling areas can be provided in any combination for a particular waveguide.
Es kann vorgesehen sein, dass die Wellenleiter 16 der Halbleitervorrichtung 10 ausgebildet sind, Teil-Signal- Strahlen unterschiedlicher Farben zu erzeugen . Beispielsweise sind wenigstens zwei oder mehr Wellenleiter 16 zum Bilden von Teil-Signal-Strahlen einer ersten Farbe und wenigstens zwei oder mehr Wellenleiter 16 zum Bilden von Teil-Signal-Strahlen wenigstens einer zweiten Farbe ausgebildet . Zu diesem Zweck ist es erforderlich, die nichtlinearen optischen Medien geeignet aus zuwählen und anzupassen bzw . die Länge der nichtlinearen optischen Medien sowie deren periodische Polung, insbesondere die periodische Polung der j eweiligen Wellenleiter geeignet aus zulegen, um die j eweils gewünschten Wellenlängen zu erzeugen . Die Wellenleiter 16 zum Erzeugen von Teil-Signal-Strahlen unterschiedlicher Farben können auch durch verschiedene Pump-Laserquellen gespeist werden . It can be provided that the waveguides 16 of the semiconductor device 10 are designed to generate partial signal beams of different colors. For example, at least two or more waveguides 16 are designed to form partial signal beams of a first color and at least two or more waveguides 16 are designed to form partial signal beams of at least a second color. For this purpose, it is necessary to suitably select and adapt the non-linear optical media or to suitably design the length of the non-linear optical media and their periodic polarity, in particular the periodic polarity of the respective waveguides, in order to generate the respective desired wavelengths. The waveguides 16 for generating partial signal beams of different colors can also be fed by different pump laser sources.
Fig . 2 zeigt eine weitere beispielhafte Aus führungs form einer Halbleitervorrichtung 10 mit einem nichtlinearen optischen Medium wobei das nichtlineare optische Medium nur einen Wellenleiter 16 umfasst . Es ist vorteilhaft vorgesehen, dass die Halbleitervorrichtung 10 ein Substrat 12 umfassend Sili ziumcarbid ( SiC ) oder Galliumnitrid ( GaN) umfasst . Die Halbleitervorrichtung 10 ist beispielsweise ein optoelektronischer Chip und umfasst beispielsweise einen Schaltkreisabschnitt , insbesondere integriert in die Sili ziumcarbid-Schicht 12 . Auf dem Schaltkreisabschnitt ist mindestens ein Wellenleiter 16 angeordnet . Der Schaltkreisabschnitt umfasst beispielweise SiC oder GaN . Auf dem Schaltkreisabschnitt kann vorteilhafterweise eine Puf fer- Schicht 14 , beispielsweise eine Wärmesenke , vorgesehen sein . Die Wärmesenke umfasst beispielsweise SiC oder GaN . Fig. 2 shows a further exemplary embodiment of a semiconductor device 10 with a non-linear optical medium, wherein the non-linear optical medium comprises only one waveguide 16. It is advantageously provided that the semiconductor device 10 comprises a substrate 12 comprising silicon carbide (SiC) or gallium nitride (GaN). The semiconductor device 10 is, for example, an optoelectronic chip and comprises, for example, a Circuit section, in particular integrated into the silicon carbide layer 12. At least one waveguide 16 is arranged on the circuit section. The circuit section comprises, for example, SiC or GaN. A buffer layer 14, for example a heat sink, can advantageously be provided on the circuit section. The heat sink comprises, for example, SiC or GaN.
SiC oder GaN hat im Vergleich zu Si deutlich erhöhte Wärmetransporteigenschaften . Die thermische Strahlung von integrierten Schaltkreisen in Sili zium führt zu Brechungsindexmodulationen im Lithiumniobat , also in dem Wellenleiter 16 . Diese Modulationen erzeugen zeitlich veränderte Phaseneigenschaften des in dem Wellenleiter 16 geführten Lichts . Dies wiederrum führt zu Inef fi zienzen bei der photonischen Berechnung und bedeutet beispielsweise für photonisches Computing unvorhersehbare Verluste und Ungenauigkeiten . Durch die Verwendung von SiC anstelle von Si kann dieses Problem umgangen werden . Ein Aufbau eines Stacks aus SiC/Puf f erLayer/LiNbOS oder GaN/Puf f erLayer/LiNbOS ist daher besonders gut als Ausgangsmaterial für optoelektronische Chips geeignet . SiC or GaN has significantly improved heat transport properties compared to Si. The thermal radiation from integrated circuits in silicon leads to refractive index modulations in the lithium niobate, i.e. in the waveguide 16. These modulations produce temporally changing phase properties of the light guided in the waveguide 16. This in turn leads to inefficiencies in photonic calculation and means, for example, unpredictable losses and inaccuracies for photonic computing. This problem can be avoided by using SiC instead of Si. A stack structure made of SiC/buffer layer/LiNbOS or GaN/buffer layer/LiNbOS is therefore particularly well suited as a starting material for optoelectronic chips.
Fig . 3 zeigt stark schematisch einen beispielhaften Aufbau einer Laserlichtquelle 30 , die eine Pump-Laserquelle 32 in Form eines Diodenlasers , eine Halbleitervorrichtung 10 sowie eine Seed-Lichtquelle 34 aufweist . Im gezeigten Beispiel ist die Pump-Laserquelle 32 ausgebildet , einen Pump-Laserstrahl 35 mit einer Pump-Wellenlänge AP von 375 nm oder größer als 375 nm zu erzeugen . Für Visualisierungsanwendungen unter Verwendung eines Parametric-Down-Conversion ( PDC ) -Prozesses sollte die Pumpwellenlänge AP nicht zu groß gewählt werden und kleiner sein als ca . 460 nm oder ca . 450 nm . Für andere Anwendungen können Wellenlängen in anderen Bereichen gewählt werden . Zum Beispiel kann sowohl die Signal- als auch die Idler- Wellenlänge im Infrarotbereich liegen . Verwendet man beispielsweise die erzeugten Signal- und/oder Idlerstrahlen als Seed für Hochleistungslaser oder in der photonischen Datenverarbeitung, kann die Pumpwellenlänge bis zu 2000 nm betragen, typischerweise im Bereich von 520-540 nm, 750- 850 nm oder 1000- 1100 nm . Fig. 3 shows a highly schematic example of a laser light source 30, which comprises a pump laser source 32 in the form of a diode laser, a semiconductor device 10 and a seed light source 34. In the example shown, the pump laser source 32 is designed to generate a pump laser beam 35 with a pump wavelength A P of 375 nm or greater than 375 nm. For visualization applications using a parametric down-conversion (PDC) process, the The pump wavelength A P should not be chosen too large and should be smaller than approx. 460 nm or approx. 450 nm. For other applications, wavelengths in other ranges can be selected. For example, both the signal and the idler wavelength can be in the infrared range. If, for example, the generated signal and/or idler beams are used as seeds for high-power lasers or in photonic data processing, the pump wavelength can be up to 2000 nm, typically in the range of 520-540 nm, 750-850 nm or 1000-1100 nm.
Der Pump-Laserstrahl 35 wird in den nichtlinearen Kristall der Halbleitervorrichtung genauer gesagt in dort gebildeten Wellenleiter 16 , im Beispiel vier, eingekoppelt . In dem nichtlinearen Kristall findet der PDC-Prozess statt . Bei dem PDC-Prozess tritt der Pump-Laserstrahl 35 in Wechselwirkung mit dem nichtlinearen Kristall , wobei zwei neue Lichtfelder erzeugt werden, die als Signal-Strahl 37 mit einer Signal- Wellenlänge Xs und als Idler-Strahl 38 mit einer Idler- Wellenlänge
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bezeichnet werden . Bei dem PDC-Prozess wird die Energie wP des Pump-Laserstrahls 35 erhalten, d . h . es gilt der Energieerhaltungssatz wP = ws + ws, wobei ws die Energie des Signal-Strahls 37 und
Figure imgf000023_0002
die Energie des Idler-Strahls 38 bezeichnen . Um auch den Impulserhaltungssatz kP = ks + kz für den Impuls kP des Pump-Laserstrahls 35 , den Impuls ks des Signal-Strahls 37 und den Impuls kz des Idler-Strahls 38 zu erfüllen, ist eine Phasenanpassung erforderlich, die im gezeigten Beispiel durch eine periodische Polung 39 des nichtlinearen Kristalls erreicht wird . Die periodische Polung 39 ist in Fig . 3 durch vertikale Striche angedeutet , welche die Grenz flächen zwischen den umgekehrt gepolten ferroelektrischen Domänen des nichtlinearen Kristalls bilden . Durch die periodische Polung 39 wird auch die Nichtlinearität des Kristalls und somit die Ef fi zienz des PDC-Prozesses erhöht .
The pump laser beam 35 is coupled into the non-linear crystal of the semiconductor device, more precisely into the waveguide 16 formed there, in the example four. The PDC process takes place in the non-linear crystal. During the PDC process, the pump laser beam 35 interacts with the non-linear crystal, generating two new light fields, which are formed as a signal beam 37 with a signal wavelength X s and as an idler beam 38 with an idler wavelength
Figure imgf000023_0001
In the PDC process, the energy w P of the pump laser beam 35 is preserved, i.e. the law of conservation of energy w P = w s + w s applies, where w s is the energy of the signal beam 37 and
Figure imgf000023_0002
denote the energy of the idler beam 38 . In order to also satisfy the momentum conservation law k P = k s + k z for the momentum k P of the pump laser beam 35 , the momentum k s of the signal beam 37 and the momentum k z of the idler beam 38 , a phase adjustment is required, which in the example shown is achieved by a periodic polarization 39 of the nonlinear crystal . The periodic polarization 39 is indicated in Fig. 3 by vertical lines which form the interfaces between the reversely polarized ferroelectric domains of the nonlinear crystal . The periodic poling 39 also increases the nonlinearity of the crystal and thus the efficiency of the PDC process.
Im Strahlweg nach dem nichtlinearen Kristall ist ein erster Strahlteiler 40 angeordnet , der den Idler-Strahl 38 von dem beim PDC-Prozess nicht konvertierten, aus dem nichtlinearen Kristall austretenden Pump-Laserstrahl 35 trennt . Der erste Strahlteiler 40 ist als dichroitischer Strahlteiler ausgebildet , d . h . dieser weist ein wellenlängenselektives Element in Form einer wellenlängenselektiven Beschichtung auf , um den Pump-Laserstrahl 35 mit der Pump-Wellenlänge XP vom Idler-Strahl 38 mit der Idler-Wellenlänge
Figure imgf000024_0001
zu trennen . Im Strahlweg nach dem ersten Strahlteiler 40 ist ein zweiter Strahlteiler 41 angeordnet , welcher den Pump-Laserstrahl 35 vom Signal-Strahl 37 trennt . Der zweite Strahlteiler 41 ist als Polarisations-Strahlteiler und/oder dichroitischer Strahlteiler ausgebildet . Die Trennung des Signal-Strahls 37 und des Idler-Strahls 38 in einem Polarisations-Strahlteiler 41 ist möglich, da beide Strahlen bei der vorliegend gewählten Auslegung der Laserlichtquelle 30 senkrecht zueinander polarisiert sind, d . h . es liegt eine Phasenanpassung vom Typ I I vor . Alternativ kann auch eine Phasenanpassung realisiert werden, bei welcher der Signal-Strahl 37 und der Idler-Strahl 38 dieselbe Polarisation haben ( Typ I ) . In beiden Fällen ( Typ I und Typ I I ) kann der Strahlteiler auch als optischer Filter oder als wellenlängenselektives optisches Element ausgebildet sein .
A first beam splitter 40 is arranged in the beam path after the non-linear crystal, which separates the idler beam 38 from the pump laser beam 35 emerging from the non-linear crystal, which is not converted during the PDC process. The first beam splitter 40 is designed as a dichroic beam splitter, i.e. it has a wavelength-selective element in the form of a wavelength-selective coating in order to separate the pump laser beam 35 with the pump wavelength X P from the idler beam 38 with the idler wavelength
Figure imgf000024_0001
to separate. In the beam path after the first beam splitter 40 there is a second beam splitter 41 which separates the pump laser beam 35 from the signal beam 37. The second beam splitter 41 is designed as a polarization beam splitter and/or dichroic beam splitter. The separation of the signal beam 37 and the idler beam 38 in a polarization beam splitter 41 is possible because both beams are polarized perpendicular to one another in the design of the laser light source 30 chosen here, i.e. there is a type II phase adjustment. Alternatively, a phase adjustment can also be implemented in which the signal beam 37 and the idler beam 38 have the same polarization (type I). In both cases (type I and type II) the beam splitter can also be designed as an optical filter or as a wavelength-selective optical element.
Die in Fig . 3 gezeigte Laserlichtquelle 30 weist eine Seed- Lichtquelle 34 in Form einer Superlumines zenz oder Laserdiode auf , die zur Erzeugung eines Seed-Signal-Strahls 37 ' ausgebildet ist . Die Seed-Lichtquelle 34 erzeugt einen Seed-The laser light source 30 shown in Fig. 3 has a seed light source 34 in the form of a superluminescence or laser diode, which is used to generate a seed signal beam 37 ' The seed light source 34 generates a seed
Signal-Strahl 37 ' , dessen Wellenlänge mit der Signal-Signal beam 37 ' whose wavelength coincides with the signal
Wellenlänge Xs des Signal-Strahls 37 übereinstimmt . Die Seed- Lichtquelle 34 erzeugt den Seed-Signal-Strahl 37 ' mit einer Kohärenzlänge , die kleiner ist als die Kohärenzlänge des von der Pump-Laserquelle 32 erzeugten Pump-Laserstrahls 35 . Der Seed-Signal-Strahl 37 ' wird in einer Überlagerungseinrichtung 46 in Form eines dichroitischen Spiegels mit dem Pump- Laserstrahl 35 kollinear überlagert . Hierbei wird ausgenutzt , dass die Pump-Laserquelle 32 den Pump-Laserstrahl 35 mit einer ( linearen) Polarisation erzeugt , die senkrecht zur ( linearen) Polarisation des Seed-Signal-Strahls 37 ' ausgerichtet ist . Für die Überlagerung in der Überlagerungseinrichtung 16 ist es günstig, wenn der Pump-Laserstrahl 35 und der Seed-Signal- Strahl 37 ' kollimiert sind . Für die Kollimation des aus der Pump-Laserquelle 32 divergent austretenden Pump-Laserstrahls 5 weist die Laserlichtquelle 30 eine Kollimationslinse 47 auf . Entsprechend ist auch zwischen der Seed-Lichtquelle 34 und der Überlagerungseinrichtung 16 eine weitere Kollimationslinse 48 zur Kollimierung des Seed-Signal-Strahls 37 ' angeordnet . Wavelength X s of the signal beam 37. The seed light source 34 generates the seed signal beam 37 ' with a coherence length that is smaller than the coherence length of the pump laser beam 35 generated by the pump laser source 32. The seed signal beam 37 ' is collinearly superimposed with the pump laser beam 35 in a superposition device 46 in the form of a dichroic mirror. This takes advantage of the fact that the pump laser source 32 generates the pump laser beam 35 with a (linear) polarization that is aligned perpendicular to the (linear) polarization of the seed signal beam 37 '. For the superposition in the superposition device 16, it is advantageous if the pump laser beam 35 and the seed signal beam 37 ' are collimated. The laser light source 30 has a collimation lens 47 for collimating the pump laser beam 5 emerging divergently from the pump laser source 32. Accordingly, a further collimation lens 48 for collimating the seed signal beam 37' is arranged between the seed light source 34 and the superposition device 16.
Der überlagerte Pump-Laserstrahl 35 und der Seed-Signal-Strahl 37 ' werden gemäß dem Beispiel auf vier Wellenleiter 16 aufgeteilt . Die Aufteilung erfolgt beispielsweise mittels eines geeigneten Strahlteilers 44 , insbesondere umfassend eine Mikrospiegelanordnung . Der Strahlteiler 44 teilt den überlagerten Pump-Laserstrahl 35 und der Seed-Signal-Strahl 37 ' in vier Teil-Strahlen 35-T , 37 ' -T auf . Im Beispiel werden die vier Teil-Strahlen 35-T , 37 ' -T mittels einer j eweiligen Fokussierlinse 26 , im Beispiel eine Linsenanordnung, auf eine Eintritts fläche 21 eines j eweiligen Wellenleiters 16 fokussiert . Die Fokussierlinsen 26 sind derart ausgelegt , dass die j eweiligen Teil-Strahlen 35-T , 37 ' -T an den Modenfeld- Durchmesser des j eweiligen Wellenleiters 16 angepasst werden . Der Akzeptanzwinkel eines j eweiligen Wellenleiters 16 kann durch eine gemeinsame Führung eines j eweiligen Teil-Strahls 35-T , 37 ' -T in einer optischen Faser 24 , angepasst werden . Die Fokussierlinse 26 und die optische Faser 24 können auch in Form eines einzigen optischen Bauteils realisiert werden, beispielsweise in Form einer GRIN-Linse . Alternativ oder zusätzlich kann die Anpassung an den Modenfeld-Durchmesser bzw . an den Akzeptanzwinkel des Wellenleiters 6 auf andere Weise erfolgen, beispielsweise durch die Verwendung einer Blende oder durch die in Bezug auf Fig . 1 beschriebenen verj üngenden Ein-/Auskoppelbereiche 18 , 22 der Wellenleiter oder dergleichen . The superimposed pump laser beam 35 and the seed signal beam 37' are divided into four waveguides 16 according to the example. The division is carried out, for example, by means of a suitable beam splitter 44, in particular comprising a micromirror arrangement. The beam splitter 44 divides the superimposed pump laser beam 35 and the seed signal beam 37' into four partial beams 35-T, 37'-T. In the example, the four partial beams 35-T, 37'-T are focused onto an entrance surface 21 of a respective waveguide 16 by means of a respective focusing lens 26, in the example a lens arrangement. The focusing lenses 26 are designed such that the respective partial beams 35-T, 37'-T are adapted to the mode field diameter of the respective waveguide 16. The acceptance angle of a respective waveguide 16 can be adapted by a common guidance of a respective partial beam 35-T, 37'-T in an optical fiber 24. The focusing lens 26 and the optical fiber 24 can also be realized in the form of a single optical component, for example in the form of a GRIN lens. Alternatively or additionally, the adaptation to the mode field diameter or to the acceptance angle of the waveguide 6 can be carried out in another way, for example by using an aperture or by the tapered coupling-in/out regions 18, 22 of the waveguides or the like described with reference to Fig. 1.
In einem j eweiligen Wellenleiter 16 wird mittels PDC ein Teil Strahl umfassend einen Teil-Signal-Strahl 37-T und ein Teil- Idler-Strahl 38-T gebildet . In a respective waveguide 16, a partial beam comprising a partial signal beam 37-T and a partial idler beam 38-T is formed by means of PDC.
Es kann vorgesehen sein, dass die Teil-Signal-Strahlen 37-T und die Teil- Idler-Strahlen 38-T vor den Strahlteilern 40 , 41 mittels einer Überlagerungseinrichtung 42 wieder zu einem gemeinsamen Strahl überlagert werden . Zwischen der Halbleitervorrichtung 10 der Überlagerungseinrichtung 42 können weitere optische Elemente , wie beispielsweise eine gemeinsame oder eine j eweilige Kollimationseinrichtung 20 (wie dies beispielsweise in Fig . 1 dargestellt ist ) und/oder eine j eweilige optische Faser angeordnet sein . Es kann auch vorgesehen sein, dass im Strahlengang nach den Wellenleitern 16 einem j eweiligen Wellenleiter ein eigener Strahlteiler 40 , 41 zugeordnet ist . Für bestimmte Anwendungen, beispielsweise für die Holographie , kann es sinnvoll sein, wenn die Laserlichtquelle 30 eine schaltbare bzw . eine einstellbare Kohärenz ( länge ) aufweist . Für die Einstellung der Kohärenzlänge des als Nutz-Laserstrahl verwendeten Signal-Strahls 37 weist die in Fig . 3 gezeigte Laserlichtquelle 30 eine Steuerungseinrichtung 52 auf . Die Steuerungseinrichtung 52 ermöglicht es , die Intensität des in den nichtlinearen Kristall eingekoppelten Seed-Signal-Strahls 37 ' einzustellen, indem der Inj ektionsstrom gesteuert wird, welcher der Seed-Lichtquelle 34 für die Erzeugung des Seed- Signal-Strahls 37 ' zugeführt wird . Beispielsweise kann die Kohärenz eingestellt werden, zum Beispiel durch Anpassen der der Stabilität des Pumpstrahls , durch Wechseln von frequenzstabilisierten in nicht frequenzstabilisierten Bereich . Somit kann eine gewünschte Kohärenz des aus der Laserlichtquelle 30 austretenden Signal-Strahls 37 eingestellt werden . It can be provided that the partial signal beams 37-T and the partial idler beams 38-T are superimposed again to form a common beam before the beam splitters 40, 41 by means of a superposition device 42. Additional optical elements, such as a common or respective collimation device 20 (as shown in Fig. 1, for example) and/or a respective optical fiber, can be arranged between the semiconductor device 10 and the superposition device 42. It can also be provided that a separate beam splitter 40, 41 is assigned to each respective waveguide in the beam path after the waveguides 16. For certain applications, for example for holography, it can be useful if the laser light source 30 has a switchable or adjustable coherence (length). The laser light source 30 shown in Fig. 3 has a control device 52 for setting the coherence length of the signal beam 37 used as the useful laser beam. The control device 52 makes it possible to set the intensity of the seed signal beam 37' coupled into the nonlinear crystal by controlling the injection current which is supplied to the seed light source 34 for generating the seed signal beam 37'. For example, the coherence can be set, for example by adjusting the stability of the pump beam, by changing from a frequency-stabilized to a non-frequency-stabilized range. In this way, a desired coherence of the signal beam 37 emerging from the laser light source 30 can be set.
Die Steuerungseinrichtung 52 ist auch ausgebildet , die Leistung der Pump-Laserquelle 32 einzustellen . Dies kann beispielsweise bei Pro ektionsanwendungen sinnvoll sein, bei denen mehrere Signal-Strahlen 37 überlagert werden, da in diesem Fall durch eine Veränderung der Intensität eines j eweiligen Signal-Strahls 37 die Farbe des bei der Überlagerung erzeugten Lichts verändert werden kann . Die Pump- Laserquelle 32 kann kontinuierlich oder gepulst betrieben werden . Im letzteren Fall kann ein Überpulsen erfolgen, d . h . die (maximale ) Leistung der Pump-Laserquelle 32 wird während der Pulsdauer größer gewählt als beim kontinuierlichen Betrieb der Pump-Laserquelle 32 . Durch das Überpulsen der Pump- Laserquelle 32 kann die Ef fi zienz des PDC-Prozesses in dem nichtlinearen Kristall gesteigert werden . Die beschriebene und in Fig . 3 dargestellte Anordnung von Pumplaserquelle 32 und Seed-Laserquelle 34 ist lediglich beispielhaft . The control device 52 is also designed to adjust the power of the pump laser source 32. This can be useful, for example, in projection applications in which several signal beams 37 are superimposed, since in this case the color of the light generated during the superposition can be changed by changing the intensity of a respective signal beam 37. The pump laser source 32 can be operated continuously or in a pulsed manner. In the latter case, overpulsing can take place, i.e. the (maximum) power of the pump laser source 32 is selected to be greater during the pulse duration than during continuous operation of the pump laser source 32. By overpulsing the pump laser source 32, the efficiency of the PDC process in the nonlinear crystal can be increased. The arrangement of pump laser source 32 and seed laser source 34 described and shown in Fig. 3 is merely exemplary.
Es kann auch nur eine Pumplaserquelle 32 oder mehrere Pumplaserquellen 32 ohne Seed-Laserquelle 34 oder mehrere Pumplaserquellen 32 mit mehreren Seed-Laserquellen 34 vorgesehen werden . Only one pump laser source 32 or several pump laser sources 32 without a seed laser source 34 or several pump laser sources 32 with several seed laser sources 34 can be provided.
Insbesondere wenn die Wellenleiter 16 der Halbleitervorrichtung 10 ausgebildet sind, Teil-Signal- Strahlen unterschiedlicher Farben zu erzeugen, kann es vorteilhaft sein, wenn die Wellenleiter 16 zum Erzeugen von Teil-Signal-Strahlen unterschiedlicher Farben durch verschiedene Pump-Laserquellen 32 gespeist werden . In particular, if the waveguides 16 of the semiconductor device 10 are designed to generate partial signal beams of different colors, it can be advantageous if the waveguides 16 are fed by different pump laser sources 32 for generating partial signal beams of different colors.
Im Beispiel ist dargestellt , dass der nichtlineare Kristall von einem Pump-Laserstrahl in einem Einzeldurchgang durchlaufen wird . Es kann auch vorgesehen sein, dass der Pump- Laserstrahl den nichtlinearen Kristall in einem Doppeldurchgang durchläuft . In the example it is shown that the non-linear crystal is passed through by a pump laser beam in a single pass. It can also be provided that the pump laser beam passes through the non-linear crystal in a double pass.
In einer weiteren beispielhaften Aus führungs form umfasst eine Laserlichtquelle 30 eine Halbleitervorrichtung 10 gemäß der unter Bezug auf Fig . 2 beschriebenen Aus führungs form . In another exemplary embodiment, a laser light source 30 comprises a semiconductor device 10 according to the embodiment described with reference to Fig. 2.

Claims

Ansprüche Laserlichtquelle (30) , umfassend eine Halbleitervorrichtung (10) mit wenigstens einem nichtlinearen optischen Medium, insbesondere ein nichtlinearer Kristall, und wenigstens eine Pump- Laserquelle (32) zum Erzeugen eines Pump-Laserstrahls (35) zur Bildung eines Signal-Strahls (37) und/oder eines Idler-Strahls (38) in dem nichtlinearen optischen Medium durch Parametric-Down-Conversion, dadurch gekennzeichnet, dass das nichtlineare optische Medium wenigstens zwei, insbesondere mehrere, Wellenleiter (16) , umfasst, wobei in einem jeweiligen Wellenleiter (16) ein Teil-Signal-Strahl (37-T) gebildet wird und die wenigstens zwei Teil-Signal-Strahlen (37-T) zur Addition der Laserleistung der Teil-Signal-Strahlen (37-T) kombiniert werden. Laserlichtquelle (30) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleitervorrichtung (10) jeweils wenigstens zwei Wellenleiter (16) zum Bilden von Teil-Signal-Strahlen (37-T) einer ersten Farbe und wenigstens zwei Wellenleiter (16) zum Bilden von Teil- Signal-Strahlen (37-T) wenigstens einer zweiten Farbe umfasst . Laserlichtquelle (30) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein jeweiliger Wellenleiter (16) einen sich verjüngenden Auskopplungsbereich (18) umfasst . Claims Laser light source (30), comprising a semiconductor device (10) with at least one nonlinear optical medium, in particular a nonlinear crystal, and at least one pump laser source (32) for generating a pump laser beam (35) for forming a signal beam (37) and/or an idler beam (38) in the nonlinear optical medium by parametric down conversion, characterized in that the nonlinear optical medium comprises at least two, in particular several, waveguides (16), wherein a partial signal beam (37-T) is formed in a respective waveguide (16) and the at least two partial signal beams (37-T) are combined to add the laser power of the partial signal beams (37-T). Laser light source (30) according to claim 1, characterized in that the semiconductor device (10) comprises at least two waveguides (16) for forming partial signal beams (37-T) of a first color and at least two waveguides (16) for forming partial signal beams (37-T) of at least a second color. Laser light source (30) according to one of claims 1 or 2, characterized in that a respective waveguide (16) comprises a tapered coupling-out region (18).
4. Laserlichtquelle (30) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein jeweiliger Wellenleiter (16) einen sich verjüngenden Einkopplungsbereich (22) umfasst. 4. Laser light source (30) according to one of the preceding claims, characterized in that a respective waveguide (16) comprises a tapered coupling region (22).
5. Laserlichtquelle (30) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mittels der wenigstens einen Pump-Laserquelle (32) erzeugte Pump- Laserstrahl (35) auf die wenigstens zwei Wellenleiter (16) , insbesondere unter Nutzung von evaneszenter Kopplung, aufgeteilt wird. 5. Laser light source (30) according to one of the preceding claims, characterized in that the pump laser beam (35) generated by means of the at least one pump laser source (32) is divided between the at least two waveguides (16), in particular using evanescent coupling.
6. Laserlichtquelle (30) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserlichtquelle (30) wenigstens zwei Pump-Laserquellen (32) umfasst. 6. Laser light source (30) according to one of the preceding claims, characterized in that the laser light source (30) comprises at least two pump laser sources (32).
7. Laserlichtquelle (30) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Pump-Laserquelle (32) oder die wenigstens zwei Pump-Laserquellen (32) einen Festkörperlaser, insbesondere einen Diodenlaser, aufweisen. 7. Laser light source (30) according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one pump laser source (32) or the at least two pump laser sources (32) comprise a solid-state laser, in particular a diode laser.
8. Laserlichtquelle (30) , nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserlichtquelle (30) wenigstens eine Seed-Lichtquelle (34) zur Erzeugung eines Seed-Signal-Strahls (37' ) und mindestens eine Überlagerungseinrichtung (46) zur Überlagerung des Seed-Signal Strahls (37' ) dem Pump- Laserstrahl (35) zur gemeinsamen Einkopplung in das nichtlineare optische Medium, umfasst. 8. Laser light source (30) according to one of the preceding claims, characterized in that the laser light source (30) comprises at least one seed light source (34) for generating a seed signal beam (37') and at least one superposition device (46) for superimposing the seed signal beam (37') on the pump laser beam (35) for joint coupling into the nonlinear optical medium.
9. Laserlichtquelle (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserlichtquelle (30) wenigstens eine Fokussiereinrichtung (26) zur Fokussierung des Pump- Laserstrahls (35) und/oder des Seed-Signal-Strahls (37' ) , insbesondere auf eine jeweilige Eintrittsfläche (21) eines jeweiligen Wellenleiters (16) , umfasst. Laserlichtquelle (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Pump- Laserstrahl (35) und/oder der Seed-Signal-Strahls (37' ) über eine jeweilige optische Faser (24) geführt in einen jeweiligen Wellenleiter (16) eingekoppelt werden. Laserlichtquelle (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein in einem jeweiligen Wellenleiter (16) gebildeter Teil-Signal- Strahl (37-T) über eine gemeinsame oder eine jeweilige Kollimationseinrichtung (20) und/oder eine jeweilige optische Faser aus einem jeweiligen Wellenleiter (16) ausgekoppelt wird. Laserlichtquelle (30) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleitervorrichtung (10) ein Substrat (12) umfassend Silizium (Si) oder Siliziumcarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN) umfasst und/oder dass das nichtlineare Kristall (16) Lithiumniobat (LiNbOa) umfasst . Halbleitervorrichtung (10) für eine Laserlichtquelle (30) nach einem Ansprüche 1 bis 12. Laser-Projektor, umfassend eine Laserlichtquelle (30) nach einem Ansprüche 1 bis 12. Verwendung eines Laserproj ektors nach Anspruch 14 und/oder einer Halbleitervorrichtung nach Anspruch 13 und/oder einer eine Laserlichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 12 für Quantencomputing . 9. Laser light source (30) according to one of the preceding claims, characterized in that the Laser light source (30) comprises at least one focusing device (26) for focusing the pump laser beam (35) and/or the seed signal beam (37'), in particular on a respective entry surface (21) of a respective waveguide (16). Laser light source (30) according to one of the preceding claims, characterized in that the pump laser beam (35) and/or the seed signal beam (37') are coupled into a respective waveguide (16) via a respective optical fiber (24). Laser light source (30) according to one of the preceding claims, characterized in that a partial signal beam (37-T) formed in a respective waveguide (16) is coupled out of a respective waveguide (16) via a common or a respective collimation device (20) and/or a respective optical fiber. Laser light source (30) according to one of the preceding claims, characterized in that the semiconductor device (10) comprises a substrate (12) comprising silicon (Si) or silicon carbide (SiC) or gallium nitride (GaN) and/or that the non-linear crystal (16) comprises lithium niobate (LiNbOa). Semiconductor device (10) for a laser light source (30) according to one of claims 1 to 12. Laser projector comprising a laser light source (30) according to one of claims 1 to 12. Use of a laser projector according to claim 14 and/or a semiconductor device according to claim 13 and/or a laser light source according to one of claims 1 to 12 for quantum computing.
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