WO2024083995A1 - Oscillator arrangement and method - Google Patents

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WO2024083995A1
WO2024083995A1 PCT/EP2023/079166 EP2023079166W WO2024083995A1 WO 2024083995 A1 WO2024083995 A1 WO 2024083995A1 EP 2023079166 W EP2023079166 W EP 2023079166W WO 2024083995 A1 WO2024083995 A1 WO 2024083995A1
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laser
oscillator arrangement
arrangement according
mixer
layer structure
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PCT/EP2023/079166
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Hubert Halbritter
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Ams-Osram International Gmbh
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    • H01S5/11Comprising a photonic bandgap structure
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    • H01S5/185Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only horizontal cavities, e.g. horizontal cavity surface-emitting lasers [HCSEL]
    • H01S5/187Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only horizontal cavities, e.g. horizontal cavity surface-emitting lasers [HCSEL] using Bragg reflection
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    • G02F1/35Non-linear optics
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    • H01S2302/00Amplification / lasing wavelength
    • H01S2302/02THz - lasers, i.e. lasers with emission in the wavelength range of typically 0.1 mm to 1 mm

Definitions

  • the present invention relates to an oscillator circuit, in particular a THz oscillator, and a method for operating such an oscillator.
  • Various institutes and companies have therefore proposed frequency ranges that are above 300 GHz and are assigned to the THz range. This range extends from 300 GHz to around 100 THz (in some definitions only up to around 30 THz) and thus has wavelengths from around 1 mm to around 3 pm, i.e. into the mid-infrared range of the spectrum.
  • THz radiation can also be used for contactless scanning, as electromagnetic radiation in this range can, among other things, penetrate clothing and thus make objects underneath visible.
  • Applications of this type are known as body scanners and are used in airports, among other places, where only a detector is used that is sensitive to radiation in this range.
  • a similar application is in material testing, as many materials react to THz radiation in a characteristic way, or in biological or medical research.
  • One challenge for these applications is the
  • the inventor proposes to use a special novel laser device to generate THz radiation and to combine this with other measures.
  • the laser arrangement used is characterized by the fact that a 2D grating structure is used that scatters the light linearly in the plane and orthogonally out of the plane.
  • the orthogonal surface emission similar to an out-of-plane VCSEL, offers several performance advantages for lasers, since the output power can be scaled with the emission area of the device with suitable heat dissipation.
  • the out-of-plane emission is enabled and stabilized by the 2D grating structure (for example in the form of a photonic crystal), which also causes feedback, among other things.
  • the laser device can be excited to a multi-mode emission.
  • the threshold for the multi-mode emission can be set by the grating structure, so that it can be guaranteed that both modes to be used also oscillate.
  • a frequency or wavelength spacing is defined by the material of the laser arrangement itself is adjustable.
  • the two laser modes can be fed into a mixed structure, which in turn generates a difference signal and thus provides the desired radiation.
  • the wavelength or the frequency of the difference signal is set in the THz range.
  • an oscillator is created that, on the one hand, provides a defined frequency in the THz range with a stable frequency and, on the other hand, delivers a high output power in the m-watt or even in the watt range.
  • the area required for such an implementation is significantly smaller than for conventional solutions.
  • the amplitude of the output signal can be modulated by adjusting the current or changing the mixer structure.
  • the mixer structure can also serve as an antenna.
  • a separate antenna structure is provided, which is designed to emit radiation in the defined frequency range.
  • the antenna structure is coupled to the mixer structure or the material of the mixer structure in such a way that the radiation in the mixer structure is guided to the antenna. Suitable waveguide structures can be provided for this purpose, among other things.
  • the oscillator arrangement in particular in the form of a THz oscillator, comprises an active laser layer structure based on a semiconductor material.
  • the laser layer structure is designed to emit laser light of at least one wavelength whose main emission direction is substantially perpendicular to a main emission surface of the layer structure.
  • a lattice structure in particular a two-dimensional lattice structure, is operatively connected to the active laser layer structure.
  • a two-dimensional lattice structure is understood to mean a structure whose elements are essentially arranged in a spatial direction that runs orthogonally to one another. spanned plane. This plane and thus the grating structure is arranged essentially parallel to the main surface. It interacts with the laser layer structure in such a way that the active layer in the laser layer structure is excited during operation to form two laser modes of different frequencies.
  • the laser layer structure in cooperation with the grating structure, generates two laser modes whose frequencies differ slightly.
  • the two signals generated in this way are relatively narrow-band and in some aspects polarized in the same direction.
  • a mixer structure arranged in the radiation direction is also provided, which is designed to form a difference signal from the two laser modes.
  • the difference signal forms the THz radiation according to the invention and thus the output signal provided by the oscillator arrangement according to the invention.
  • the grating structure is made of a conductive material so that it also serves to conduct current to an active layer of the laser layer structure.
  • the material of the grating structure is different from the semiconductor material. This is useful in order to be able to use differences in the various refractive indices in addition to shape, alignment and other parameters.
  • the grating structure interacting with the active laser layer structure is arranged on a side facing away from the main emission surface.
  • the grating structure in particular in the form of a photonic structure, interacts with the active layer so that only laser light is excited and scattered perpendicular to the plane and thus coupled out, which follows the conditions of the band structure generated by the photonic structure.
  • the arrangement of the photonic structure "below" the active layer may also have the advantage that the coupling out of the light from the laser layer structure can be separated from the mode shaping by the photonic structure so that both aspects can be optimized separately.
  • the grating structure interacting with the active laser layer structure can form at least part of the main emission surface.
  • the grating structure interacting with the active laser layer structure between an active layer of the laser layer structure and a semiconductor layer for supplying the charge carriers.
  • the laser layer structure and the grating structure are integrated in a common body or are also designed as a common body.
  • the distance can be as small as possible and lie in the range of less than 1 pm.
  • the grating structure is designed with conductive materials.
  • the active laser layer structure comprises a quantum well structure or a multiple quantum well structure. This is spatially separated from the lattice structure interacting with the laser layer structure or the active layer (i.e. the quantum well or multiple quantum well structure), namely by a blocking layer which is electrically conductive but prevents diffusion of foreign atoms, in particular doping atoms.
  • the blocking layer is arranged adjacent to the quantum well structure or a multiple quantum well structure.
  • the lattice structure can have a quantized symmetry, i.e. a rotational or translational symmetry that is not continuous but only has defined values.
  • rotational symmetry this would be fulfilled, for example, by means of a structural element whose rotational symmetry is limited to discrete values, for example to one of the values 30 °, 45 °, 60 °, 90 °, 180 ° and 360 °.
  • translational symmetry it may be that the periodicity does not change after each structure in a spatial direction is repeated, but perhaps only after every second or another value.
  • the lattice structure can also have a superlattice, so that the structure can form several symmetries.
  • the lattice structure comprises a first periodically repeating structural element and a second periodically repeating structural element.
  • Both structural elements can be independent of one another and the periodicity can also differ. It is therefore possible for not only a periodicity of the form ABABAB... to occur (with A and B corresponding to the respective structural elements), but also other periodicities, for example ABBABBABBA... or AB AB AABBAAB ABAABBAABA....
  • Other structural elements with other periodicities are also conceivable, so that superlattices can also be formed.
  • the shape and also size and configuration can be different for the structural elements.
  • one structural element can be in the form of a half pyramid, the other in the form of a full pyramid or in another shape. Alternating structures are also possible, which, for example, show a triangle in plan view, or also a square or generally polygons.
  • Other structural elements are cylinders, which can be elliptical or round in plan view.
  • the structural element it is possible for the structural element to have a first periodicity in a first spatial direction and a second periodicity in a second, independent spatial direction.
  • the first periodicity and the second periodicity are different from one another. Different periodicities in the different spatial directions are also possible for different structural elements.
  • the grid can have structural elements of different shapes or designs, which can also have different periodicities in the different spatial directions.
  • the grid can also include a structural element that, due to its shape but uniform periodicity in both spatial directions, causes the desired dual modes.
  • Combinations of the various parameters mentioned above, namely material, shape, size, spatial direction, periodicity and symmetry, are also possible.
  • the oscillator arrangement further comprises an optical element that is arranged between the main emission surface and the mixer structure.
  • the optical element is designed to direct the light emitted by the active laser layer structure along the main emission direction onto the mixer structure. It can be part of the active laser layer structure, i.e. embedded in its material or arranged on the main emission surface; in some aspects, the optical element is integrated in such a way that it forms the main emission surface of the active laser layer structure.
  • the mixer structure comprises an absorption element arranged downstream in the main radiation direction, which is essentially opaque to the two laser modes of different frequencies.
  • the mixer structure can have a surface-active element.
  • the mixer structure is formed by a non-linear element, for example a diode.
  • a non-linear element made of a semiconductor material or comprising such a material is also required for generating radiation in the THz range. This can be based on Ga, for example GaAs.
  • the absorption element on the other hand, has a band gap that leads to the absorption of light from both laser modes.
  • a suitable material for this would be Si, which is opaque to light in the near and mid-infrared at wavelengths in the range of 900 nm to 1000 nm, but allows the generated difference signal to pass through.
  • the absorption element should have a different semiconductor material to the mixer structure.
  • the mixer structure is designed for a directed output of the difference signal, in particular along one spatial direction or two opposite spatial directions.
  • a wavelength of the two laser modes lies in an inf- red part of a spectrum, in particular above 900nm and in particular above 950 nm. This results in a wavelength of the difference signal in the range of 1 mm to 3pm, in particular in the range of 1 mm to 0.1 mm.
  • a further aspect relates to a method for operating an oscillator arrangement according to the proposed principle.
  • a current is modulated to generate laser light of the two laser modes.
  • an amplitude modulation of the generated THz radiation can be achieved. At least in this way it is possible to regulate the output power within a certain range and thus adapt it to the desired application.
  • the mixer structure can be changed in its mixing efficiency or in other ways, so that the amplitude of the difference signal can also be changed.
  • Figure 1 shows a first embodiment of a THz oscillator based on a PCSEL according to some aspects of the proposed principle
  • Figure 2 illustrates a second embodiment of a THz oscillator based on a PCSEL according to some aspects of the proposed principle
  • Figure 3 shows a third embodiment of a THz oscillator based on a PCSEL according to some aspects of the proposed principle
  • Figure 4 is a frequency diagram illustrating a frequency of the difference signal from the frequencies of the dual modes according to some aspects of the proposed principle
  • Figure 5 is an embodiment of a laser layer structure for a THz oscillator based on a PCSEL according to some aspects of the proposed principle
  • Figures 6A to 6C are plan views of various grating structures that can be used in a PCSEL for a THz oscillator according to some aspects of the proposed principle.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a first embodiment of a THz oscillator according to the proposed principle.
  • the THz oscillator is installed in a housing 3, so that a space-saving design is possible.
  • the oscillator shown here is made up of several separate components, it is possible to integrate them into a common body, for example into a semiconductor body. As will be explained, this includes, among other things, an integration of the laser layer structure with the grating structure, but also a further integration with optical elements or even with the mixer structure 30, which is also necessary.
  • the oscillator according to Figure 1 comprises a laser layer structure 10 based on a semiconductor material in its housing 3.
  • the laser layer structure 10 is designed as a so-called PCSEL and integrates a grating structure with an active laser material in a common semiconductor body.
  • PCSEL stands for photonic crystal surface emitting laser, i.e. for a surface emitting laser with a photonic crystal structure.
  • PCSEL elements use a two-dimensional grating structure which scatters the light generated in the active layer in a characteristic and adjustable manner.
  • the scattering occurs both linearly in the plane and orthogonally to it, with orthogonal scattering being used as this is easy to integrate and process further.
  • Out-of-plane emission is enabled and stabilized by the 2D grating structure (photonic crystal), which creates the feedback.
  • a special design of the grating structure according to the proposed principle ensures that the active layer of the laser layer structure does not just oscillate in one mode, but in two different ones, which, however, have an energetically close threshold due to the underlying grating structure. This threshold is given, among other things, by the FSR (free spectral range), which in turn depends on the virtual band structure and the eigenvalues of the underlying grating structure.
  • grating structures that only have a broken rotational symmetry (i.e. a rotational symmetry with only a few values, e.g. 180 ° or 360 °) lead to a band structure with low thresholds due to their shape and thus lead to the generation of several oscillating modes in laser operation. Due to the scalability of the grating structure, With sufficient heat dissipation, large laser layer structures can be used and high output powers can be achieved.
  • the in-plane feedback of the grating structure in such composite laser layer structures is two-dimensional, which enables coherently coupled arrays. In this way, the light can be focused more easily and very high luminances of dual modes can be achieved.
  • the laser layer structure 10 with its active zone 103 is embedded in a semiconductor body.
  • the grating structure 200 in the form of a photonic crystal is also located on the surface of the semiconductor body, so that the emission region of the laser layer structure 10 is formed by the photonic structure.
  • the emission of light with the two modes takes place essentially perpendicular to the emission surface.
  • a high level of collimation is provided due to the grating structure 200.
  • an optic 11 is connected to the housing 3 and directs the emitted laser light onto a mixer structure 30.
  • the mixer structure 30 is a non-linear element which interacts with the light of the two optical modes.
  • the properties of the element generate a difference signal, i.e. radiation with a difference frequency from the frequencies of the two modes.
  • the mixer structure 30 can be an optical mixer, for example in the form of a PLC, a photodiode, a photoconductor or similar.
  • optical feed lines for example glass fibers, are provided which couple the light from the laser layer structure and transmit it to the mixer structure 30.
  • the mixer structure is in turn designed such that the emitted difference signal has a preferred direction, e.g. along the beam direction, since this simplifies further processing.
  • the mixing frequency in the THz range is emitted via a further antenna which is coupled to the mixer structure 30.
  • Figure 4 shows a frequency diagram with the two modes lying quite close to each other in the frequency space with the Frequencies fl and f2.
  • the distance can be adjusted using the grating structure, whereby it should be ensured that the thresholds for starting oscillation are also very close to each other. This ensures that the amplitudes of the two laser modes are almost equal, which is an advantage during later mixing.
  • a difference signal is generated in this way, the wavelength of which is in the range from 1 mm to 3 pm, in particular in the range from 1 mm to 0.1 mm.
  • the corresponding frequency would then be 300 GHz to approx. 30 THz.
  • an absorption element 300 is arranged in the beam path behind the mixer structure 30. This is transparent for the difference signal with the frequency in the THz range. In contrast, the absorption element 300 is opaque for the light generated by the laser layer structure 10. In particular, the element 300 is absorbent for light in the visible and near infrared spectrum in the range above 800 nm. Such a material would be silicon, for example, which only needs to be a few pm thick.
  • the absorption element 300 is also designed with sufficient thermal conductivity to ensure heat transport of the absorbed light. Furthermore, this absorption element can also have wave-guiding properties for the generated THz radiation. This allows the mixer structure to be equipped with a Antenna must be connected via the absorption material so that the antenna radiates the generated radiation in an appropriate manner.
  • An absorption element 300 in the beam path is useful to prevent any unconverted light from one of the two modes from reaching the eye of a viewer or otherwise interacting with objects in the direction of radiation.
  • the absorption element 300 should also be absorbent.
  • a reflective element is also conceivable, there is a risk that reflected light can get back into the laser layer structure and/or the mixer structure and lead to destructive interference or other disadvantageous effects. If this can be ruled out, a reflective element may even be suitable for arranging it downstream of the mixer in the beam path, since light reflected back into the mixer increases the conversion efficiency.
  • FIG. 2 shows a second embodiment of a THz oscillator according to the proposed principle. This is also integrated in a housing 3 and has an exit window on one side in which a collimation optic 40 for the THz radiation shown is arranged. A collimation or focusing optic 11 is placed on the emission surface of the laser layer structure 10. This is slightly spaced from the mixer structure 30 by the distance d, which is also attached to the housing 3. The distance is appropriate to ensure sufficient thermal decoupling between these two main elements.
  • the grating structure i.e. the photonic structure which is designed to generate the dual modes, is arranged in this embodiment on the side facing away from the emission side in the laser layer structure.
  • the grating structure 200 is no longer in the beam path, but rather, viewed from the emission surface, behind or below the active layer 102 for generating light. It is possible to place the photonic structure in the laser layer structure 20 close to the active layer, i.e. only a few 10 nm or 100 nm away from it. In this way, the grating structure 200 interacts with the active layer 103 and leads to the above-mentioned coupling.
  • the emission surface can also be optimized in this way, so that the coupling out of the generated laser light can be optimized independently of the shape or structure of the photonic layer 103.
  • an absorption element 301 and the collimation optics already mentioned are arranged downstream in the beam path of the mixer structure 30.
  • the mixer structure 30 is integrated into a semiconductor body, which also forms part of the absorption element 301.
  • this is formed together with the mixer structure 30 in a I II /V semiconductor material.
  • Suitable materials would include InP, (LT) GaAs (at 780 nm), GaN, SiGe, LTG InAlAs/InGaAs (at 1500 nm) or Sb.
  • Si is also particularly suitable for the absorption element, as it has a strong absorbent effect on light in the infrared part of the spectrum, but is transparent to THz radiation. This prevents light that is not converted by the mixer element 30 from being collimated by the downstream optics 40 or from leaving the oscillator housing 3.
  • the laser layer structure 10 and an optic arranged on the emission surface are arranged directly on a light guide element 301', which on the one hand guides the light emitted by the laser layer structure 10 to the mixer structure and on the other hand prevents feedback into the laser layer structure 10.
  • the grating structure is arranged in the material of the laser layer structure above the active layer 103 but below the emission surface.
  • the mixer structure generates a differential signal from the coupled light with the two modes, which is collimated and emitted by the optics 40.
  • the elements 301' and 30 and 40 are arranged directly on the material of the laser layer structure 10. However, this conducts the heat effectively to a heat sink 3' connected to the laser layer structure.
  • Figure 5 is an embodiment of a surface-emitting laser in a semiconductor material, in which the grating structure is also integrated.
  • the grating structure must be conductive in order to ensure the transport of current into the active layer.
  • the laser layer structure 10 comprises a bottom-side p-contact 100 made of a conductive material, for example a metal.
  • the contact 100 can be connected to the housing, or can itself form part of the housing (not shown here).
  • the layer structure 10 comprises a contact layer 101 which is also p-doped and here made of doped GaAs.
  • the doped GaAs distributes the current impressed via the contact 100 over the surface.
  • the grid structure is made of the same material system as the layers already mentioned, i.e. in this case GaAs or AlGaAs, which can also be doped in order to have the lowest possible surface resistance.
  • the grid structure is now separated from the active layer 103 by an undoped blocking layer 102'. Although this is conductive, it prevents the diffusion of doping atoms into or out of the active layer. This prevents or reduces degradation of the active layer 103 over time.
  • the active layer 103 comprises a quantum well or a multiple quantum well structure.
  • GaAs/AlGaAs layers can be used for this, whereby these are also doped and thus form a sequence of barrier and well layers.
  • other ternary material systems can also be used to form such a multiple quantum well structure.
  • the Al in the material AlGaAs can be partially or completely replaced by In. This is useful because the wavelength of the emitted light depends essentially on the conditions in the multiple quantum well structure.
  • the wavelength for generating light can be set (both wavelength and width) so that in cooperation with the photonic structure 200, two wavelengths around a frequency quency shifted modes oscillate, the difference of which produces the desired THz radiation.
  • n-doped injection layer 104 is applied to the multiple quantum well structure 103, e.g. made of n-doped AlGaAs, and on this a further layer 105, which also consists of a semiconductor material. It is possible to reverse the production sequence so that the layer 105 forms a doped growth substrate onto which the following layers and in particular also the lattice structure 200 are deposited epitaxially.
  • the surface of the layer 105 also simultaneously forms the main emission surface of the laser layer structure 10 for the laser light 107.
  • a metallic contact 106 in the form of a window is arranged on the surface of the layer 105 for supplying current. The contact 106 surrounds the emission region.
  • the photonic structure is therefore arranged below the active layer, i.e. on the side facing away from the surface of the emission region.
  • this can also be provided between the emission region and the active layer. It is also possible to provide this on the surface of the layer 105.
  • the surface of the layer 105 is exposed and the photonic layer 200 is produced on it as a lattice structure according to the proposed principle. This can be done both additively, i.e. by producing the structure using a structured deposition process, and subtractively, i.e. by etching the structures. In practice, combinations of etching and deposition processes are also possible.
  • Figures 6A to 6C show various designs of a photonic structure 200 in their top view, as they can be used, for example, to form dual modes in a surface-emitting laser.
  • the structures each have one or more structural elements 210 to 214, which in turn can be arranged periodically.
  • the size of these structures is in the range of a few pm, for example between 10 pm and 35 pm. It is possible It is possible that the individual structural elements in a lattice structure have a different periodicity, as is shown, for example, in the structural elements 213 and 214 in Figure 6C. Neighboring elements 213 are spaced further apart than neighboring elements 214.
  • the symmetry can also differ in the respective spatial directions, i.e., there may be, for example, a translational symmetry in the x-direction that differs from a translational symmetry in the y-direction.
  • the respective periodicities can be complex and adapted to the respective application.
  • Figure 6A shows a photonic structure 200 with two structural elements 210 and 211. While element 211 is rotationally symmetrical as a circular or cylindrical structure, this is broken for element 211 in that a rotation merely around the central axis by 180 ° and 360 ° leads back to the same element. Element 211 has the shape of an ellipse in plan view.
  • both elements 210 and 211 are now considered together as a cell, the rotational symmetry is reduced even further. Only with a rotation of 360° does one return to the original element.
  • the structural elements 212 are designed as half pyramids, so that they form an isosceles triangle when viewed from above.
  • the rotational symmetry is also broken in these, i.e. the structural elements only map onto themselves with a rotation of 360°.
  • the designs shown here can be combined in various ways.
  • the underlying principle of creating THz radiation by mixing light that is emitted by a PCSEL as a dual mode laser generated remains unaffected.
  • the THz oscillator according to the proposed principle can also be further developed to provide amplitude modulation. To do this, the laser current can be varied. This changes the amplitudes of the generated light and thus achieves amplitude modulation of the generated THz radiation.
  • the mixer structure in its conversion efficiency, i.e. its efficiency with regard to the conversion and formation of the difference signal, so that the intensity of the difference signal and thus the amplitude of the THz radiation can be varied.
  • the first solution is preferred due to a higher conversion efficiency, since in contrast to the second solution, it is not the efficiency of the conversion into THz radiation as such that is modulated, but only the output power of the laser light.
  • the proposed solution forms a THz oscillator that can be scaled particularly easily in terms of size and thus output power.
  • the proposed solution can be implemented in a space-saving manner. With good heat dissipation, a high output power in the range of mW to several W can be achieved.

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Abstract

The invention relates to an oscillator arrangement for generating THz radiation with an active laser layer structure (10) based on a semiconductor material for emitting laser light (107) of at least one wavelength, the main emission direction of which is substantially perpendicular to a main emission surface. A 2D grating structure (200), which is arranged substantially parallel to the main emission surface, interacts with the active laser layer structure, such that the active laser layer structure is excited to form two laser modes of different frequency (f1, f2). The oscillator arrangement further comprises a mixer structure (30) arranged in the emission direction, which is designed to form a difference signal from the two laser modes, and a downstream absorption element (301) which is non-transparent for the two laser modes.

Description

OSZILLATORANORDNUNG UND VERFAHREN OSCILLATOR ARRANGEMENT AND METHOD
Die vorliegende Anmeldung nimmt die Priorität der deutschen Anmeldung DE 10 2022 127 877 . 8 vom 21 . Oktober 2022 in Anspruch, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug vollständig auf genommen wird . The present application claims the priority of the German application DE 10 2022 127 877 . 8 of October 21, 2022, the disclosure content of which is hereby incorporated in full by reference.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Os zillatorschaltung insbesondere einen THz Oszillator sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen . The present invention relates to an oscillator circuit, in particular a THz oscillator, and a method for operating such an oscillator.
HINTERGRUND BACKGROUND
Moderne Telekommunikationssysteme benötigen wegen den zunehmenden Anforderungen an Bandbreite und Datenvolumen immer höhere Grundfrequenzen . Für den Telekommunikationsstandard der sechsten Generation ( 6G) ist im Gespräch, Übertragungsfrequenzen zu nutzen, die oberhalb des Mikrowellenbereichs im sogenannten THz Bereich liegen . Modern telecommunications systems require ever higher base frequencies due to the increasing demands on bandwidth and data volume. For the sixth generation telecommunications standard (6G), there is talk of using transmission frequencies that are above the microwave range in the so-called THz range.
Mikrowellenrichtfunk existiert bereits , wobei hier eine gerichtete Abstrahlung im Bereich bis ca . 90GHz verwendet wird . Noch höhere Grundfrequenzen würden eine deutlich höhere Bandbreite und damit Datenvolumen erlauben . Von verschiedenen Instituten oder auch Unternehmen wurden daher Frequenzbereiche vorgeschlagen, die oberhalb von 300 Ghz liegen und dem THz Bereich zugeordnet sind . Dieser erstreckt sich von 300 GHz bis ca . 100 THz ( in einigen Definitionen auch nur bis ca . 30 THz ) und hat damit Wellenlängen von ca . 1 mm bis etwa 3 pm, d . h . bis in den mittleren infraroten Bereich des Spektrums . Microwave radio already exists, using directed radiation in the range up to around 90 GHz. Even higher fundamental frequencies would allow a significantly higher bandwidth and thus data volume. Various institutes and companies have therefore proposed frequency ranges that are above 300 GHz and are assigned to the THz range. This range extends from 300 GHz to around 100 THz (in some definitions only up to around 30 THz) and thus has wavelengths from around 1 mm to around 3 pm, i.e. into the mid-infrared range of the spectrum.
Neben der Telekommunikation sind j edoch auch andere Anwendungen denkbar . So lassen sich mit THz Strahlung auch berührungslose Abtastungen vornehmen, da elektromagnetische Strahlung in diesem Bereich unter anderem Kleidung durchdringen und so Gegenstände darunter sichtbar machen kann . Anwendungen dieser Art sind als Körperscanner bekannt und unter anderem in Flughäfen im Einsatz , wobei hier lediglich ein Detektor verwendet wird, der für Strahlung in diesem Bereich sensibel ist . Ein ähnlicher Einsatz liegt in der Werkstoffprüfung, da viele Werkstoffe auf THz Strahlung in charakteristischer Weise reagieren, oder auch in der biologischen bzw . medizinischen Forschung . Eine Herausforderung für diese Anwendungen liegt unter anderem in derHowever, other applications are also conceivable in addition to telecommunications. For example, THz radiation can also be used for contactless scanning, as electromagnetic radiation in this range can, among other things, penetrate clothing and thus make objects underneath visible. Applications of this type are known as body scanners and are used in airports, among other places, where only a detector is used that is sensitive to radiation in this range. A similar application is in material testing, as many materials react to THz radiation in a characteristic way, or in biological or medical research. One challenge for these applications is the
Erzeugung von vorzugsweiser schmalbandiger Strahlung in diesem Bereich . System mit kleineren Ausgangsleistungen lassen sich zwar realisieren, für höhere Leistungen werden aber oft Laseranordnungen verwendet , deren Licht in geeigneter Weise verarbeitet wird . Beispielsweise ist es möglich, das Licht zweier Laser über eine Erbium dotierte Glasfaserverbindung zu kombinieren und zu verstärken . Dieser Aufbau ist j edoch relativ groß und die Ausgangsleistung ist dennoch beschränkt . Generation of preferably narrow-band radiation in this range. Systems with lower output powers can be implemented, but for higher powers, laser arrangements are often used whose light is processed in a suitable manner. For example, it is possible to combine and amplify the light from two lasers via an erbium-doped fiber optic connection. However, this structure is relatively large and the output power is still limited.
Es besteht demnach das Bedürfnis nach anderen Lösungen, mit dem eine größere Ausgangsleistung erreichbar ist . There is therefore a need for other solutions that can achieve greater output power.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG SUMMARY OF THE INVENTION
Diesem Bedürfnis wird mit den Gegenständen der unabhängigen Patentansprüche Rechnung getragen . Weiterbildungen und Ausgestaltungsformen des vorgeschlagenen Prinzips sind in den Unteransprüchen angegeben . This need is taken into account by the subject matter of the independent patent claims. Further developments and embodiments of the proposed principle are specified in the subclaims.
Der Erfinder schlägt vor, zur Erzeugung von THz Strahlung eine spezielle neuartige Laservorrichtung zu verwenden, und diese mit weiteren Maßnahmen zu kombinieren . Die zum Einsatz kommende Laseranordnung zeichnet sich dabei dadurch aus , dass eine 2D-Gitterstruktur verwendet wird, die das Licht linear in der Ebene und orthogonal außerhalb der Ebene streut . Die orthogonale Oberflächenemission, ähnlich einem VCSEL außerhalb der Ebene bietet j edoch mehrere Leistungsvorteile für Laser, da sich die Ausgangsleistung bei einer geeigneten Wärmeabfuhr mit der Emissionsfläche der Vorrichtung skalieren lässt . The inventor proposes to use a special novel laser device to generate THz radiation and to combine this with other measures. The laser arrangement used is characterized by the fact that a 2D grating structure is used that scatters the light linearly in the plane and orthogonally out of the plane. However, the orthogonal surface emission, similar to an out-of-plane VCSEL, offers several performance advantages for lasers, since the output power can be scaled with the emission area of the device with suitable heat dissipation.
Die Emission außerhalb der Ebene wird durch die 2D-Gitterstruktur (beispielsweise in Form eines photonischen Kristalls ) ermöglicht und stabilisiert , wodurch unter anderem auch die Rückkopplung bewirkt wird . Durch eine geeignete Auswahl der Strukturelemente der Gitterstruktur sowie deren Form und Anordnung kann die Laservorrichtung zu einer Mehrmodenemission angeregt werden . Dabei lässt sich die Schwelle für die Mehrmodenemission durch die Gitterstruktur einstellen, so dass gewährleistet werden kann, dass beide zu nutzenden Moden auch anschwingen . Eine Frequenz oder Wellenlängenabstand ist durch das Material der Laseranordnung selbst einstellbar . Die beiden Lasermoden lassen sich einer Mischstruktur zuführen, die wiederum ein Differenzsignal erzeugt und so die gewünschte Strahlung bereitstellt . Durch eine geeignete Auswahl der anzuschwingenden Moden mittels Ausbildung der Laservorrichtung sowie der Gitterstruktur wird die Wellenlänge oder auch die Frequenz des Differenzsignals im THz Bereich eingestellt . The out-of-plane emission is enabled and stabilized by the 2D grating structure (for example in the form of a photonic crystal), which also causes feedback, among other things. By selecting the structural elements of the grating structure and their shape and arrangement, the laser device can be excited to a multi-mode emission. The threshold for the multi-mode emission can be set by the grating structure, so that it can be guaranteed that both modes to be used also oscillate. A frequency or wavelength spacing is defined by the material of the laser arrangement itself is adjustable. The two laser modes can be fed into a mixed structure, which in turn generates a difference signal and thus provides the desired radiation. By appropriately selecting the modes to be oscillated by designing the laser device and the grating structure, the wavelength or the frequency of the difference signal is set in the THz range.
Auf diese Weise wird ein Oszillator geschaffen, der zum einen eine definierte Frequenz im THz Bereich frequenzstabil bereitstellt und zum anderen eine hohe Ausgangsleistung im m-Watt bzw . sogar im Wattbereich liefert . Dabei ist die notwendige Fläche für eine derartige Realisierung deutlich geringer als für herkömmliche Lösungen . Durch eine Anpassung des Stromes oder auch eine Änderung der Mischerstruktur lässt sich das Ausgangssignal in der Amplitude modulieren . In this way, an oscillator is created that, on the one hand, provides a defined frequency in the THz range with a stable frequency and, on the other hand, delivers a high output power in the m-watt or even in the watt range. The area required for such an implementation is significantly smaller than for conventional solutions. The amplitude of the output signal can be modulated by adjusting the current or changing the mixer structure.
Die Mischerstruktur kann in einigen Aspekten auch gleich als Antenne dienen . In einigen anderen Aspekten ist eine separate Antennenstruktur vorgesehen, die zur Abstrahlung von Strahlung in dem definierten Frequenzbereich ausgebildet ist . Die Antennenstruktur ist in einigen Aspekten mit der Mischerstruktur bzw . dem Material der Mischerstruktur so gekoppelt , dass die in der Mischerstruktur zur Antenne geleitet wird . Hierzu können unteranderem geeignete Wellenleiterstrukturen vorgesehen sein . In some aspects, the mixer structure can also serve as an antenna. In some other aspects, a separate antenna structure is provided, which is designed to emit radiation in the defined frequency range. In some aspects, the antenna structure is coupled to the mixer structure or the material of the mixer structure in such a way that the radiation in the mixer structure is guided to the antenna. Suitable waveguide structures can be provided for this purpose, among other things.
In einem Aspekt umfasst die Oszillatoranordnung , insbesondere in Form eines THz-Os zillators eine aktive Laserschichtstruktur basierend auf einem Halbleitermaterial . Die Laserschichtstruktur ist ausgeführt , Laserlicht wenigstens einer Wellenlänge abzugeben, deren Hauptabstrahlrichtung im Wesentlichen senkrecht zu einer Hauptabstrahloberfläche der Schichtstruktur liegt . In one aspect, the oscillator arrangement, in particular in the form of a THz oscillator, comprises an active laser layer structure based on a semiconductor material. The laser layer structure is designed to emit laser light of at least one wavelength whose main emission direction is substantially perpendicular to a main emission surface of the layer structure.
Mit der aktiven Laserschichtstruktur in Wirkverbindung ist eine Gitterstruktur, insbesondere zwei-dimensionale Gitterstruktur . Unter einer zwei-dimensionalen Gitterstruktur wird in diesem Zusammenhang eine Struktur verstanden, deren Elemente sich im Wesentlichen in einer durch zwei orthogonal zueinander verlaufenden Raumrichtungen aufge- spannten Ebene liegen . Diese Ebene und damit die Gitterstruktur ist im Wesentlichen parallel zur Hauptoberfläche angeordnet . Sie wirkt mit der Laserschichtstruktur derart zusammen, dass die aktive Schicht in der Laserschichtstruktur im Betrieb zur Ausbildung von zwei Lasermoden unterschiedlicher Frequenz angeregt wird . A lattice structure, in particular a two-dimensional lattice structure, is operatively connected to the active laser layer structure. In this context, a two-dimensional lattice structure is understood to mean a structure whose elements are essentially arranged in a spatial direction that runs orthogonally to one another. spanned plane. This plane and thus the grating structure is arranged essentially parallel to the main surface. It interacts with the laser layer structure in such a way that the active layer in the laser layer structure is excited during operation to form two laser modes of different frequencies.
Mit anderen Worten erzeugt die Laserschichtstruktur in Zusammenwirkung mit der Gitterstruktur zwei Lasermoden, deren Frequenz sich geringfügig unterscheidet . Die beiden auf diese Weise erzeugten Signale sind relativ schmalbandig und in einigen Aspekten in die gleiche Richtung polarisiert . Nach dem vorgeschlagenen Prinzip ist weiterhin eine in Abstrahlrichtung angeordnete Mischerstruktur vorgesehen, die ausgebildet ist , ein Differenzsignal aus den zwei Lasermoden zu bilden . In other words, the laser layer structure, in cooperation with the grating structure, generates two laser modes whose frequencies differ slightly. The two signals generated in this way are relatively narrow-band and in some aspects polarized in the same direction. According to the proposed principle, a mixer structure arranged in the radiation direction is also provided, which is designed to form a difference signal from the two laser modes.
Das Differenzsignal bildet die erfindungsgemäße THz Strahlung und damit das von der erfindungsgemäßen Oszillatoranordnung bereitgestellte Ausgangssignal . The difference signal forms the THz radiation according to the invention and thus the output signal provided by the oscillator arrangement according to the invention.
Einige Aspekte beschäftigen sich mit der Anordnung der verschiedenen Elemente , d . h . der Gitterstruktur sowie der Laserschichtstruktur untereinander . Die Gitterstruktur ist in einigen Aspekten aus einem leitenden Material gefertigt , so dass sie auch zur Stromführung an eine aktive Schicht der Laserschichtstruktur dient . Dabei kann zumindest in einigen Aspekten vorgesehen sein, dass das Material der Gitterstruktur unterschiedlich zu dem Halbleitermaterial ist . Dies ist zweckmäßig , um neben Form, Ausrichtung und anderen Parametern auch Unterschiede in den verschiedenen Brechungsindizes nutzen zu können . Some aspects deal with the arrangement of the various elements, i.e. the grating structure and the laser layer structure among each other. In some aspects, the grating structure is made of a conductive material so that it also serves to conduct current to an active layer of the laser layer structure. In this case, at least in some aspects, it can be provided that the material of the grating structure is different from the semiconductor material. This is useful in order to be able to use differences in the various refractive indices in addition to shape, alignment and other parameters.
In einigen Aspekten ist die mit der aktiven Laserschichtstruktur zusammenwirkende Gitterstruktur auf einer der Hauptabstrahloberfläche abgewandten Seite angeordnet . Die Gitterstruktur , insbesondere in Form, einer photonischen Struktur interagiert j edoch mit der aktiven Schicht , so dass lediglich Laserlicht angeregt und senkrecht zur Ebene gestreut und damit ausgekoppelt wird, welche den Bedingungen der von der photonischen Struktur erzeugte Bandstruktur folgt . Die Anordnung der photonischen Struktur „unterhalb" der aktiven Schicht mag darüber hinaus den Vorteil haben, dass die Auskopplung des Lichts aus der Laserschichtstruktur von der Modenformung durch die photonische Struktur separierbar ist , so dass sich beide Aspekte getrennt voneinander optimieren lassen . Alternativ kann die mit der aktiven Laserschichtstruktur zusammenwirkende Gitterstruktur zumindest einen Teil der Hauptabstrahloberfläche bilden . In some aspects, the grating structure interacting with the active laser layer structure is arranged on a side facing away from the main emission surface. However, the grating structure, in particular in the form of a photonic structure, interacts with the active layer so that only laser light is excited and scattered perpendicular to the plane and thus coupled out, which follows the conditions of the band structure generated by the photonic structure. The arrangement of the photonic structure "below" the active layer may also have the advantage that the coupling out of the light from the laser layer structure can be separated from the mode shaping by the photonic structure so that both aspects can be optimized separately. Alternatively, the grating structure interacting with the active laser layer structure can form at least part of the main emission surface.
In beiden Fällen kann es in einigen Ausführungen vorgesehen sein, die mit der aktiven Laserschichtstruktur zusammenwirkende Gitterstruktur zwischen einer aktiven Schicht der Laserschichtstruktur und einer Halbleiterschicht zur Zuführung der Ladungsträger anzuordnen . Mit anderen Worten sind die Laserschichtstruktur und die Gitterstruktur in einem gemeinsamen Körper integriert bzw . auch als gemeinsamer Körper ausgeführt . Um die Interaktion zwischen der aktiven Schicht der Laserschichtstruktur und der Gitterstruktur zu erhöhen, kann in einigen Aspekten der Abstand möglichst gering sein und im Bereich unter 1 pm liegen . Um den Stromtransport zu gewährleisten, ist in diesen Fällen die Gitterstruktur mit leitenden Materialien ausgeführt . In both cases, in some embodiments, it may be provided to arrange the grating structure interacting with the active laser layer structure between an active layer of the laser layer structure and a semiconductor layer for supplying the charge carriers. In other words, the laser layer structure and the grating structure are integrated in a common body or are also designed as a common body. In order to increase the interaction between the active layer of the laser layer structure and the grating structure, in some aspects the distance can be as small as possible and lie in the range of less than 1 pm. In order to ensure current transport, in these cases the grating structure is designed with conductive materials.
In einigen Aspekten umfasst die aktive Laserschichtstruktur eine Quantentopfstruktur oder eine Mehrfachquantentopfstruktur . Diese ist von der mit der Laserschichtstruktur bzw . der aktiven Schicht ( d . h . der Quantentopf oder Mehrfachquantentopfstruktur ) zusammenwirkenden Gitterstruktur räumlich getrennt , und zwar durch eine elektrisch leitende , j edoch eine Diffusion von Fremdatomen, insbesondere Dotieratome verhindernden Blockierungsschicht . Die Blockierungsschicht ist benachbart zu der Quantentopfstruktur oder eine Mehrfachquantentopfstruktur angeordnet . In some aspects, the active laser layer structure comprises a quantum well structure or a multiple quantum well structure. This is spatially separated from the lattice structure interacting with the laser layer structure or the active layer (i.e. the quantum well or multiple quantum well structure), namely by a blocking layer which is electrically conductive but prevents diffusion of foreign atoms, in particular doping atoms. The blocking layer is arranged adjacent to the quantum well structure or a multiple quantum well structure.
Einige Aspekte beschäftigen sich mit der Form, und Ausgestaltung der Gitterstruktur . So kann die Gitterstruktur eine quantisierte Symmetrie aufweisen, d . h . eine Rotations- oder auch Translationssymmetrie , die nicht kontinuierlich ist , sondern lediglich definierte Werte besitzt . Im Fall einer Rotationssymmetrie wäre dies beispielsweise mittels eines Strukturelements erfüllt , dessen Rotationssymmetrie auf diskrete Werte , beispielsweise auf einen der Werte 30 ° , 45 ° , 60 ° , 90 ° , 180 ° und 360 ° beschränkt ist . Bei einer Translationssymetrie kann es sein, dass die Periodizität sich nicht nach j eder Struktur in eine Raumrichtung wiederholt , sondern evtl , erst nach j eder zweiten oder einem anderen Wert . In diesem Zusammenhang kann die Gitterstruktur auch ein Übergitter aufweisen, so dass die Struktur somit mehrere Symmetrien bilden kann . Some aspects deal with the form and design of the lattice structure. For example, the lattice structure can have a quantized symmetry, i.e. a rotational or translational symmetry that is not continuous but only has defined values. In the case of rotational symmetry, this would be fulfilled, for example, by means of a structural element whose rotational symmetry is limited to discrete values, for example to one of the values 30 °, 45 °, 60 °, 90 °, 180 ° and 360 °. In the case of translational symmetry, it may be that the periodicity does not change after each structure in a spatial direction is repeated, but perhaps only after every second or another value. In this context, the lattice structure can also have a superlattice, so that the structure can form several symmetries.
In einem anderen Aspekt umfasst die Gitterstruktur ein erstes sich periodisch wiederholendes Strukturelement und ein zweites sich periodisch wiederholendes Strukturelement . Beide Strukturelemente können unabhängig voneinander sein und auch die Periodizität kann sich unterscheiden . Es ist somit möglich, dass nicht nur eine Periodizität der Form ABABAB... vorkommen kann (mit A und B korrespondierend zu den j eweiligen Strukturelementen ) , sondern auch andere Periodizitäten, beispielsweise ABBABBABBA... oder auch AB AB AABBAAB ABAABBAABA.... Ebenso sind weitere Strukturelemente mit weiteren Periodizitäten denkbar, so dass sich auch Übergitter bilden lassen . Die Form und auch Größe sowie Ausgestaltung können für die Strukturelemente unterschiedlich sein . Beispielsweise kann ein Strukturelement in Form einer Halbpyramide ausgebildet sein, das andere in Form einer Vollpyramide oder in einer anderen Form. Ebenso sind abwechselnde Strukturen möglich, die beispielsweise in Draufsicht ein Dreieck, oder auch ein Viereck bzw . generell Vielecke zeigen . Weitere Strukturelemente sind Zylinder , die in Draufsicht elliptisch oder rund geformt sein können . In another aspect, the lattice structure comprises a first periodically repeating structural element and a second periodically repeating structural element. Both structural elements can be independent of one another and the periodicity can also differ. It is therefore possible for not only a periodicity of the form ABABAB... to occur (with A and B corresponding to the respective structural elements), but also other periodicities, for example ABBABBABBA... or AB AB AABBAAB ABAABBAABA.... Other structural elements with other periodicities are also conceivable, so that superlattices can also be formed. The shape and also size and configuration can be different for the structural elements. For example, one structural element can be in the form of a half pyramid, the other in the form of a full pyramid or in another shape. Alternating structures are also possible, which, for example, show a triangle in plan view, or also a square or generally polygons. Other structural elements are cylinders, which can be elliptical or round in plan view.
In einigen Aspekten ist es möglich, dass das Strukturelement in eine erste Raumrichtung eine erste Periodizität aufweist und in eine zweite davon unabhängige Raumrichtung eine zweite Periodizität . Dabei sind die erste Periodizität und die zweite Periodizität unterschiedlich zueinander . Unterschiedliche Periodizitäten in die verschiedenen Raumrichtungen sind auch für unterschiedliche Strukturelemente möglich . In some aspects, it is possible for the structural element to have a first periodicity in a first spatial direction and a second periodicity in a second, independent spatial direction. The first periodicity and the second periodicity are different from one another. Different periodicities in the different spatial directions are also possible for different structural elements.
Damit kann das Gitter zum einen verschieden geformte oder ausgestaltete Strukturelemente aufweisen, die zudem in die verschiedenen Raumrichtungen unterschiedliche Periodizitäten besitzen können . Ebenso kann das Gitter ein Strukturelement umfassen, dass durch seine Form, aber einheitliche Periodizität in beide Raumrichtungen die gewünschten dualen Moden bewirkt . Ebenso sind j e nach gewünschter Ausgestal- tung auch Kombinationen der verschiedenen oben genannten Parameter aus Material , Form, Größe , Raumrichtung, Periodizität und Symmetrie möglich . This means that the grid can have structural elements of different shapes or designs, which can also have different periodicities in the different spatial directions. The grid can also include a structural element that, due to its shape but uniform periodicity in both spatial directions, causes the desired dual modes. Likewise, depending on the desired design, Combinations of the various parameters mentioned above, namely material, shape, size, spatial direction, periodicity and symmetry, are also possible.
In einigen weiteren Aspekten umfasst die Os zillatoranordnung weiterhin ein optisches Element , das zwischen der Hauptabstrahloberfläche und der Mischerstruktur angeordnet ist . Das optische Element ist ausgebildet , das von der aktiven Laserschichtstruktur entlang der Hauptabstrahlrichtung abgegebene Licht auf die Mischerstruktur zu lenken . Es kann Teil der aktiven Laserschichtstruktur sein, d . h . in dessen Material eingebettet oder auf der Hauptabstrahlfläche angeordnet sein , in einigen Aspekten ist das optische Element derart integriert , dass es die Hauptabstrahlfläche der aktiven Laserschichtstruktur bildet . In some further aspects, the oscillator arrangement further comprises an optical element that is arranged between the main emission surface and the mixer structure. The optical element is designed to direct the light emitted by the active laser layer structure along the main emission direction onto the mixer structure. It can be part of the active laser layer structure, i.e. embedded in its material or arranged on the main emission surface; in some aspects, the optical element is integrated in such a way that it forms the main emission surface of the active laser layer structure.
In einer weiteren Ausgestaltung umfasst die Mischerstruktur ein in Hauptabstrahlrichtung gesehen nachgeordnetes Absorptionselement , welches für die zwei Lasermoden unterschiedlicher Frequenz im Wesentlichen intransparent ist . Die Mischerstruktur kann ein oberflächenaktives Element aufweisen . In niedrigeren Frequenzbereichen wird die Mischerstruktur durch ein nichtlineares Element , beispielsweise eine Diode gebildet . Auch für die Erzeugung von Strahlung im THz Bereich ist ein nichtlineares Element aus einem Halbleitermaterial oder ein solches Material aufweisend erforderlich . Dies kann unter anderem auf Ga basieren, beispielsweise GaAs . In a further embodiment, the mixer structure comprises an absorption element arranged downstream in the main radiation direction, which is essentially opaque to the two laser modes of different frequencies. The mixer structure can have a surface-active element. In lower frequency ranges, the mixer structure is formed by a non-linear element, for example a diode. A non-linear element made of a semiconductor material or comprising such a material is also required for generating radiation in the THz range. This can be based on Ga, for example GaAs.
Das Absorptionselement umfasst demgegenüber eine Bandlücke , die zu einer Absorption von Licht der beiden Lasermoden führt . Ein geeignetes Material wäre hierfür Si , welches für Licht im nahen und mittleren Infrarot bei Wellenlängen im Bereich von 900 nm bis 1000 nm intransparent ist , das erzeugte Differenzsignal aber durchlässt . Das Absorptionselement sollte ein zu der Mischerstruktur unterschiedliches Halbleitermaterial aufweisen . The absorption element, on the other hand, has a band gap that leads to the absorption of light from both laser modes. A suitable material for this would be Si, which is opaque to light in the near and mid-infrared at wavelengths in the range of 900 nm to 1000 nm, but allows the generated difference signal to pass through. The absorption element should have a different semiconductor material to the mixer structure.
In einigen Aspekten ist die Mischerstruktur zu einer gerichteten Abgabe des Differenzsignals , insbesondere entlang einer Raumrichtung oder zweier entgegengesetzter Raumrichtungen ausgeführt . Eine Wellenlänge der zwei Lasermoden liegt in einigen Ausführungen in einem inf- raroten Teil eines Spektrums , insbesondere über 900nm und insbesondere über 950 nm. Daraus resultiert eine Wellenlänge des Differenzsignals im Bereich von 1 mm bis 3pm, insbesondere im Bereich von 1 mm bis 0 , 1 mm . In some aspects, the mixer structure is designed for a directed output of the difference signal, in particular along one spatial direction or two opposite spatial directions. In some embodiments, a wavelength of the two laser modes lies in an inf- red part of a spectrum, in particular above 900nm and in particular above 950 nm. This results in a wavelength of the difference signal in the range of 1 mm to 3pm, in particular in the range of 1 mm to 0.1 mm.
Ein weiterer Gesichtspunkt betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Os zillatoranordnung nach dem vorgeschlagenen Prinzip . Dabei wird ein Strom zur Erzeugung von Laserlicht der zwei Lasermoden moduliert . Auf diese Weise kann eine Amplitudenmodulation der erzeugten THz Strahlung bewirkt werden . Zumindest aber ist es auf diese Weise möglich, die Ausgangsleistung in einem bestimmten Bereich zu regeln und damit an die gewünschte Anwendung anzupassen . A further aspect relates to a method for operating an oscillator arrangement according to the proposed principle. In this case, a current is modulated to generate laser light of the two laser modes. In this way, an amplitude modulation of the generated THz radiation can be achieved. At least in this way it is possible to regulate the output power within a certain range and thus adapt it to the desired application.
In gleicher Weise lässt sich auch die Mischerstruktur in ihre Mischungseffizienz oder auf andere Weise verändern, so dass auch hierbei die Amplitude des Differenzsignals verändert werden kann . In the same way, the mixer structure can be changed in its mixing efficiency or in other ways, so that the amplitude of the difference signal can also be changed.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Weitere Aspekte und Ausführungsformen nach dem vorgeschlagenen Prinzip werden sich in Bezug auf die verschiedenen Ausführungsformen und Beispiele offenbaren, die in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen ausführlich beschrieben werden . Further aspects and embodiments according to the proposed principle will become apparent with reference to the various embodiments and examples which will be described in detail in connection with the accompanying drawings.
Figur 1 zeigt eine erste Ausführung eines THz Oszillators basierend auf einem PCSEL nach einigen Aspekten des vorgeschlagenen Prinzips ; Figure 1 shows a first embodiment of a THz oscillator based on a PCSEL according to some aspects of the proposed principle;
Figur 2 stellt eine zweite Ausführung eines THz Os zillators basierend auf einem PCSEL nach einigen Aspekten des vorgeschlagenen Prinzips dar; Figure 2 illustrates a second embodiment of a THz oscillator based on a PCSEL according to some aspects of the proposed principle;
Figur 3 zeigt eine dritte Ausführung eines THz Os zillators basierend auf einem PCSEL nach einigen Aspekten des vorgeschlagenen Prinzips ; Figure 3 shows a third embodiment of a THz oscillator based on a PCSEL according to some aspects of the proposed principle;
Figur 4 ist ein Frequenz Diagramm zur Darstellung einer Frequenz des Differenzsignals aus den Frequenzen der dualen Moden nach einigen Aspekten des vorgeschlagenen Prinzips ; Figur 5 ist eine Ausführung einer Laserschichtstruktur für einen THz Os zillators basierend auf einem PCSEL nach einigen Aspekten des vorgeschlagenen Prinzips ; Figure 4 is a frequency diagram illustrating a frequency of the difference signal from the frequencies of the dual modes according to some aspects of the proposed principle; Figure 5 is an embodiment of a laser layer structure for a THz oscillator based on a PCSEL according to some aspects of the proposed principle;
Figuren 6A bis 6C sind Draufsichten auf verschiedene Gitterstrukturen, wie sie bei einem PCSEL für einen THz Oszillators nach einigen Aspekten des vorgeschlagenen Prinzips einsetzbar sind . Figures 6A to 6C are plan views of various grating structures that can be used in a PCSEL for a THz oscillator according to some aspects of the proposed principle.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DETAILED DESCRIPTION
Die folgenden Ausführungsformen und Beispiele zeigen verschiedene Aspekte und ihre Kombinationen nach dem vorgeschlagenen Prinzip . Die Ausführungsformen und Beispiele sind nicht immer maßstabsgetreu . Ebenso können verschiedene Elemente vergrößert oder verkleinert dargestellt werden, um einzelne Aspekte hervorzuheben . Es versteht sich von selbst , dass die einzelnen Aspekte und Merkmale der in den Abbildungen gezeigten Ausführungsformen und Beispiele ohne weiteres miteinander kombiniert werden können, ohne dass dadurch das erfindungsgemäße Prinzip beeinträchtigt wird . Einige Aspekte weisen eine regelmäßige Struktur oder Form auf . Es ist zu beachten, dass in der Praxis geringfügige Abweichungen von der idealen Form auftreten können, ohne j edoch der erfinderischen Idee zu widersprechen . The following embodiments and examples show various aspects and their combinations according to the proposed principle. The embodiments and examples are not always to scale. Likewise, various elements can be shown enlarged or reduced in size in order to emphasize individual aspects. It goes without saying that the individual aspects and features of the embodiments and examples shown in the figures can easily be combined with one another without affecting the inventive principle. Some aspects have a regular structure or shape. It should be noted that in practice, slight deviations from the ideal shape can occur without, however, contradicting the inventive idea.
Außerdem sind die einzelnen Figuren, Merkmale und Aspekte nicht unbedingt in der richtigen Größe dargestellt , und auch die Proportionen zwischen den einzelnen Elementen müssen nicht grundsätzlich richtig sein . Einige Aspekte und Merkmale werden hervorgehoben, indem sie vergrößert dargestellt werden . Begriffe wie "oben" , "oberhalb" , "unten" , "unterhalb" , "größer" , " kleiner" und dergleichen werden j edoch in Bezug auf die Elemente in den Figuren korrekt dargestellt . So ist es möglich, solche Beziehungen zwischen den Elementen anhand der Abbildungen abzuleiten . In addition, the individual figures, features and aspects are not necessarily shown in the correct size, nor do the proportions between the individual elements have to be fundamentally correct. Some aspects and features are emphasized by showing them in an enlarged manner. However, terms such as "above", "below", "below", "larger", "smaller" and the like are correctly shown in relation to the elements in the figures. Thus, it is possible to deduce such relationships between the elements from the illustrations.
Die Figur 1 zeigt eine prinzipielle Darstellung einer ersten Ausführung eines THz Os zillators nach dem vorgeschlagenen Prinzip . Der THz Os zillator ist in einem Gehäuse 3 eingebaut , so dass eine platzsparende Ausgestaltung möglich ist . Obwohl hier dargestellt der Os zillator aus mehreren separaten Baugruppen gebildet ist , ist es möglich, diese in einen gemeinsamen Körper beispielsweise in einen Halbleiterkörper zu integrieren . Wie noch erläutert wird, gehören hierzu unter anderem eine Integration der Laserschichtstruktur mit der Gitterstruktur, aber auch eine weitere Integration mit optischen Elementen bzw . sogar mit der ebenfalls notwendigen Mischerstruktur 30 . Figure 1 shows a schematic representation of a first embodiment of a THz oscillator according to the proposed principle. The THz oscillator is installed in a housing 3, so that a space-saving design is possible. Although the oscillator shown here is made up of several separate components, it is possible to integrate them into a common body, for example into a semiconductor body. As will be explained, this includes, among other things, an integration of the laser layer structure with the grating structure, but also a further integration with optical elements or even with the mixer structure 30, which is also necessary.
Der Os zillator gemäß Figur 1 umfasst in seinem Gehäuse 3 eine Laserschichtstruktur 10 auf Basis eines Halbleitermaterials . Die Laserschichtstruktur 10 ist als sogenannter PCSEL ausgebildet und integriert eine Gitterstruktur mit einem aktiven Lasermaterial in einem gemeinsamen Halbleiterkörper . Der Ausdruck PCSEL steht für photonic crystal surface emitting laser , d . h . für einen oberflächenemittierenden Laser mit einer photonischen Kristallstruktur . The oscillator according to Figure 1 comprises a laser layer structure 10 based on a semiconductor material in its housing 3. The laser layer structure 10 is designed as a so-called PCSEL and integrates a grating structure with an active laser material in a common semiconductor body. The term PCSEL stands for photonic crystal surface emitting laser, i.e. for a surface emitting laser with a photonic crystal structure.
PCSEL Elemente verwenden eine zweidimensionale Gitterstruktur, welche das in der aktiven Schicht erzeugte Licht in einer charakteristischen und einstellbaren Weise streuen . Im Besonderen erfolgt die Streuung sowohl linear in der Ebene als auch orthogonal dazu, wobei man sich die orthogonale Streuung zu Nutze macht , da diese sich leicht integrieren und weiterverarbeiten lässt . Die Emission außerhalb der Ebene wird durch die 2D-Gitterstruktur (photonischer Kristall ) ermöglicht und stabilisiert , wodurch die Rückkopplung entsteht . Durch eine besondere Ausgestaltung der Gitterstruktur wird nach dem vorgeschlagenen Prinzip erreicht , dass die aktive Schicht der Laserschichtstruktur nicht nur auf einer Mode anschwingt , sondern auf zwei verschiedenen, die allerdings aufgrund der zugrundeliegenden Gitterstruktur eine energetisch nah beieinanderliegende Einsatzschwelle zeigen . Diese Einsatzschwelle ist unter anderem durch die FSR ( free spectral range ) gegeben, welche wiederum von der virtuellen Bandstruktur und den Eigenwerten der zugrundeliegenden Gitterstruktur abhängt . PCSEL elements use a two-dimensional grating structure which scatters the light generated in the active layer in a characteristic and adjustable manner. In particular, the scattering occurs both linearly in the plane and orthogonally to it, with orthogonal scattering being used as this is easy to integrate and process further. Out-of-plane emission is enabled and stabilized by the 2D grating structure (photonic crystal), which creates the feedback. A special design of the grating structure according to the proposed principle ensures that the active layer of the laser layer structure does not just oscillate in one mode, but in two different ones, which, however, have an energetically close threshold due to the underlying grating structure. This threshold is given, among other things, by the FSR (free spectral range), which in turn depends on the virtual band structure and the eigenvalues of the underlying grating structure.
Es hat sich gezeigt , dass Gitterstrukturen, die lediglich eine gebrochene Rotationssymmetrie ( d . h . eine Rotationssymmetrie mit nur wenigen Werten, z . B . 180 ° oder 360 ° ) aufweisen, beispielsweise aufgrund ihrer Form zu einer Bandstruktur mit niedrigen Einsatzschwellen führen und so zur Erzeugung von mehreren anschwingenden Moden im Laserbetrieb führen . Wegen der Skalierbarkeit der Gitterstruktur lassen sich bei einer ausreichenden Wärmeabfuhr auf große Laserschichtstrukturen realisieren und damit hohe Ausgangsleistungen erreichen . It has been shown that grating structures that only have a broken rotational symmetry (i.e. a rotational symmetry with only a few values, e.g. 180 ° or 360 °) lead to a band structure with low thresholds due to their shape and thus lead to the generation of several oscillating modes in laser operation. Due to the scalability of the grating structure, With sufficient heat dissipation, large laser layer structures can be used and high output powers can be achieved.
Die Rückkopplung der Gitterstruktur in der Ebene bei derartigen zusammengesetzten Laserschichtstrukturen ist zweidimensional , was kohärent gekoppelte Arrays ermöglicht . Auf diese Weise kann das Licht einfacher fokussiert und damit sehr hohe Leuchtdichten von dualen Moden erreicht werden . The in-plane feedback of the grating structure in such composite laser layer structures is two-dimensional, which enables coherently coupled arrays. In this way, the light can be focused more easily and very high luminances of dual modes can be achieved.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Laserschichtstruktur 10 mit ihrer aktiven Zone 103 in einen Halbleiterkörper eingebettet . Auf dessen Oberfläche befindet sich auch die Gitterstruktur 200 in Form eines photonischen Kristalls , so dass der Emissionsbereich der Laserschichtstruktur 10 durch die photonische Struktur gebildet ist . Die Abstrahlung von Licht mit den beiden Moden erfolgt im Wesentlichen senkrecht zur Emissionsoberfläche . Zudem ist eine hohe Kollimierung wegen der Gitterstruktur 200 gegeben . Im Strahlengang befindet sich mit dem Gehäuse 3 verbunden eine Optik 11 , welche das abgegebene Laserlicht auf eine Mischerstruktur 30 lenkt . In the present embodiment, the laser layer structure 10 with its active zone 103 is embedded in a semiconductor body. The grating structure 200 in the form of a photonic crystal is also located on the surface of the semiconductor body, so that the emission region of the laser layer structure 10 is formed by the photonic structure. The emission of light with the two modes takes place essentially perpendicular to the emission surface. In addition, a high level of collimation is provided due to the grating structure 200. In the beam path, an optic 11 is connected to the housing 3 and directs the emitted laser light onto a mixer structure 30.
Die Mischerstruktur 30 ist ein nichtlineares Element , welches mit dem Licht der beiden optischen Moden wechselwirkt . Durch die Eigenschaften des Elementes wird ein Differenzsignal , d . h . eine Strahlung mit einer Differenzfrequenz aus den Frequenzen der beiden Moden erzeugt . Die Mischerstruktur 30 kann ein optischer Mischer sein, beispielweise in Form eines PLC, eine Photodiode , ein Photoconductor oder ähnliches . Dazu sind optische Zuleitungen, beispielsweise Glasfaser vorgesehen, die das Licht von der Laserschichtstruktur einkoppeln und an die Mischerstruktur 30 weiterleiten . Die Mischerstruktur ist wiederum so ausgestaltet , dass das abgegebene Differenzsignal eine Vorzugsrichtung z . B . entlang der Strahlrichtung aufweist , da dies die weitere Verarbeitung vereinfacht . Die Mischfrequenz im THz-Bereich wird in einer alternativen Ausführung über eine weitere Antenne abgestrahlt , welche an die Mischerstruktur 30 gekoppelt ist . The mixer structure 30 is a non-linear element which interacts with the light of the two optical modes. The properties of the element generate a difference signal, i.e. radiation with a difference frequency from the frequencies of the two modes. The mixer structure 30 can be an optical mixer, for example in the form of a PLC, a photodiode, a photoconductor or similar. For this purpose, optical feed lines, for example glass fibers, are provided which couple the light from the laser layer structure and transmit it to the mixer structure 30. The mixer structure is in turn designed such that the emitted difference signal has a preferred direction, e.g. along the beam direction, since this simplifies further processing. In an alternative embodiment, the mixing frequency in the THz range is emitted via a further antenna which is coupled to the mixer structure 30.
Figur 4 zeigt in diesem Zusammenhang ein Frequenzdiagramm mit den beiden im Frequenzraum recht nah beieinander liegenden Moden mit den Frequenzen fl und f2 . Der Abstand ist durch die Gitterstruktur einstellbar , wobei gewährleistet sein sollte , dass auch die Einsatzschwellen zum Anschwingen recht nah beieinander liegen . Dadurch wird erreicht , dass die Amplituden der beiden Lasermoden annähernd gleich sind, welches bei der späteren Mischung von Vorteil ist . In this context, Figure 4 shows a frequency diagram with the two modes lying quite close to each other in the frequency space with the Frequencies fl and f2. The distance can be adjusted using the grating structure, whereby it should be ensured that the thresholds for starting oscillation are also very close to each other. This ensures that the amplitudes of the two laser modes are almost equal, which is an advantage during later mixing.
Der optische Mischer 30 ist ein nicht lineares Element . Dadurch ergibt sich bei Zuführung von Licht mit mehreren Frequenzen auch ein Mischlicht , d . h . eine Differenz oder Summe der j eweiligen Frequenzen . Ebenso kann bei sehr hohen Intensitäten eine Frequenzvervielfachung auftreten . Im Allgemeinen ergibt sich eine Differenzfrequenz : fD = f2 - fi , wobei fi die Frequenz des energiereicheren Lichts ist . Ebenso tritt die Summenfrequenz f2 + fi auf sowie weitere Frequenzen ( f2 - fi ) /2 , 3 /2 * ( f2 - fi ) usw . Allerdings können diese Signale durch geeignete Designs oder auch schaltungstechnische Maßnahmen unterdrückt werden . The optical mixer 30 is a non-linear element. This means that when light with multiple frequencies is supplied, a mixed light is also produced, i.e. a difference or sum of the respective frequencies. Frequency multiplication can also occur at very high intensities. In general, a difference frequency results: f D = f2 - fi, where fi is the frequency of the light with the higher energy. The sum frequency f 2 + fi also occurs, as well as other frequencies (f 2 - fi) /2, 3 /2 * (f 2 - fi), etc. However, these signals can be suppressed by suitable designs or circuitry measures.
Bei einer Wellenlänge der zwei Lasermoden in einem infraroten Teil des Spektrums , insbesondere über 900 nm und insbesondere über 950 nm wird auf diese Weise ein Differenzsignal erzeugt , deren Wellenlänge wiederum im Bereich von 1 mm bis 3pm liegt , insbesondere im Bereich von 1 mm bis 0 , 1 mm . Die korrespondierende Frequenz wäre dann 300GHz bis ca . 30THz . At a wavelength of the two laser modes in an infrared part of the spectrum, in particular above 900 nm and in particular above 950 nm, a difference signal is generated in this way, the wavelength of which is in the range from 1 mm to 3 pm, in particular in the range from 1 mm to 0.1 mm. The corresponding frequency would then be 300 GHz to approx. 30 THz.
Wieder zurückverweisend auf die Ausführung nach Figur 1 ist im Strahlengang hinter der Mischerstruktur 30 ein Absorptionselement 300 angeordnet . Dies ist transparent für das Differenzsignal mit der Frequenz im THz Bereich . Hingegen ist das Absorptionselement 300 intransparent für das von der Laserschichtstruktur 10 erzeugte Licht . Im Besonderen ist das Element 300 für Licht im sichtbaren sowie nahen Infraroten Spektrum im Bereich über 800nm absorbierend . Ein solches Material wäre beispielsweise Silizium, welches lediglich einige pm dick sein muss . Das Absorptionselement 300 ist zudem mit einer ausreichenden Wärmeleitung ausgebildet , um so einen Wärmetransport des absorbierten Lichts zu gewährleisten . Im Weiteren kann dieses Absorptionselement auch wellenleitende Eigenschaften für die erzeugte THz Strahlung aufweisen . Dies erlaubt es , die Mischerstruktur mit einer Antenne über das Absorptionsmaterial zu verbinden, damit die Antenne die erzeugte Strahlung in geeigneter Weise abstrahlt . Referring back to the embodiment according to Figure 1, an absorption element 300 is arranged in the beam path behind the mixer structure 30. This is transparent for the difference signal with the frequency in the THz range. In contrast, the absorption element 300 is opaque for the light generated by the laser layer structure 10. In particular, the element 300 is absorbent for light in the visible and near infrared spectrum in the range above 800 nm. Such a material would be silicon, for example, which only needs to be a few pm thick. The absorption element 300 is also designed with sufficient thermal conductivity to ensure heat transport of the absorbed light. Furthermore, this absorption element can also have wave-guiding properties for the generated THz radiation. This allows the mixer structure to be equipped with a Antenna must be connected via the absorption material so that the antenna radiates the generated radiation in an appropriate manner.
Ein Absorptionselement 300 im Strahlengang ist zweckmäßig , um zu verhindern, dass eventuell nicht konvertiertes Licht einer der beiden Moden in ein Auge eines Betrachters gelangen oder anderweitig mit Obj ekten in Strahlungsrichtung interagieren kann . Andererseits sollte das Absorptionselement 300 ebenso absorbierend sein . Zwar ist auch ein reflektives Element denkbar, allerdings besteht hier die Gefahr , das reflektiertes Licht zurück in die Laserschichtstruktur und/oder die Mischerstruktur gelangen kann und dort zu einer destruktiven Interferenz oder anderen nachteiligen Effekten führt . Kann dies ausgeschlossen werden, so bietet sich ein reflektierendes Element eventuell sogar an, dieses im Strahlengang dem Mischer nachzuordnen, da in den Mischer zurückref lektierts Licht die Konversionseffizienz erhöht . An absorption element 300 in the beam path is useful to prevent any unconverted light from one of the two modes from reaching the eye of a viewer or otherwise interacting with objects in the direction of radiation. On the other hand, the absorption element 300 should also be absorbent. Although a reflective element is also conceivable, there is a risk that reflected light can get back into the laser layer structure and/or the mixer structure and lead to destructive interference or other disadvantageous effects. If this can be ruled out, a reflective element may even be suitable for arranging it downstream of the mixer in the beam path, since light reflected back into the mixer increases the conversion efficiency.
Figur 2 zeigt eine zweite Ausführungsform eines THz Oszillators nach dem vorgeschlagenen Prinzip . Auch dieser ist in einem Gehäuse 3 integriert und besitzt auf einer Seite ein Austrittsfenster, in dem eine Kollimationsoptik 40 für die gezeigte THz Strahlung angeordnet ist . Auf der Emissionsoberfläche der Laserschichtstruktur 10 ist eine Kol- limations- oder Focussieroptik 11 aufgesetzt . Diese ist etwas von der Mischerstruktur 30 mit dem Abstand d beabstandet , wobei diese ebenfalls an dem Gehäuse 3 befestigt ist . Der Abstand ist zweckmäßig, um eine ausreichende thermische Entkopplung zwischen diesen beiden Hauptelementen zu gewährleisten . Figure 2 shows a second embodiment of a THz oscillator according to the proposed principle. This is also integrated in a housing 3 and has an exit window on one side in which a collimation optic 40 for the THz radiation shown is arranged. A collimation or focusing optic 11 is placed on the emission surface of the laser layer structure 10. This is slightly spaced from the mixer structure 30 by the distance d, which is also attached to the housing 3. The distance is appropriate to ensure sufficient thermal decoupling between these two main elements.
Die Gitterstruktur, d . h . die photonische Struktur, welche zur Erzeugung der dualen Moden ausgebildet ist , ist in dieser Ausführung auf der der Emissionsseite abgewandten Seite in der Laserschichtstruktur angeordnet . Mit anderen Worten befindet sich die Gitterstruktur 200 nicht mehr im Strahlengang, sondern von der Emissionsoberfläche aus betrachtet hinter, bzw . unterhalb der aktiven Schicht 102 zur Lichterzeugung . Es ist möglich, die photonische Struktur in der Laserschichtstruktur 20 nahe der aktiven Schicht , d . h . nur wenige 10 nm oder 100 nm entfernt von dieser aus zuführen . Auf diese Weise interagiert die Gitterstruktur 200 mit der aktiven Schicht 103 und führt zu der obengenannten Kopplung . Ebenso lässt sich auf diese Weise auch die Emissionsoberfläche optimieren, so dass eine Auskopplung des erzeugten Laserlichts unabhängig von der Form oder Struktur der photo- nischen Schicht 103 optimiert werden kann . The grating structure, i.e. the photonic structure which is designed to generate the dual modes, is arranged in this embodiment on the side facing away from the emission side in the laser layer structure. In other words, the grating structure 200 is no longer in the beam path, but rather, viewed from the emission surface, behind or below the active layer 102 for generating light. It is possible to place the photonic structure in the laser layer structure 20 close to the active layer, i.e. only a few 10 nm or 100 nm away from it. In this way, the grating structure 200 interacts with the active layer 103 and leads to the above-mentioned coupling. The emission surface can also be optimized in this way, so that the coupling out of the generated laser light can be optimized independently of the shape or structure of the photonic layer 103.
Im Strahlengang der Mischerstruktur 30 im Strahlengang nachgeordnet ist ein Absorptionselement 301 sowie die bereits erwähnte Kollima- tionsoptik . In diesem Ausführungsbeispiel ist die Mischerstruktur 30 in einen Halbleiterkörper integriert , wobei dieser auch einen Teil des Absorptionselements 301 bildet . Beispielsweise ist dieses gemeinsam mit der Mischerstruktur 30 in einem I II /V Halbleitermaterial gebildet . Geeignete Materialien wären unter anderem InP , (LT ) GaAs (bei 780nm) , GaN, SiGe , LTG InAlAs/ InGaAs (bei 1500 nm) oder Sb . Zusätzlich eignet sich gerade für das Absorptionselement auch Si , da dieses für Licht im infraroten Teil des Spektrums stark absorbierend wirkt , für THz Strahlung aber transparent ist . Dadurch wird verhindert , dass Licht , welches von dem Mischerelement 30 nicht umgesetzt wird, von der nachgeordneten Optik 40 kollimiert wird, bzw . das Os zillatorgehäuse 3 verlässt . An absorption element 301 and the collimation optics already mentioned are arranged downstream in the beam path of the mixer structure 30. In this exemplary embodiment, the mixer structure 30 is integrated into a semiconductor body, which also forms part of the absorption element 301. For example, this is formed together with the mixer structure 30 in a I II /V semiconductor material. Suitable materials would include InP, (LT) GaAs (at 780 nm), GaN, SiGe, LTG InAlAs/InGaAs (at 1500 nm) or Sb. Si is also particularly suitable for the absorption element, as it has a strong absorbent effect on light in the infrared part of the spectrum, but is transparent to THz radiation. This prevents light that is not converted by the mixer element 30 from being collimated by the downstream optics 40 or from leaving the oscillator housing 3.
In dem Ausführungsbeispiel gezeigt in Figur 3 ist eine weitere Miniaturisierung vorgenommen . In dieser Ausführung ist die Laserschichtstruktur 10 sowie eine auf der Emissionsfläche angeordnete Optik direkt auf einem Lichtleitelement 301 ' angeordnet , welches zum einen das von der Laserschichtstruktur 10 abgegebene Licht auf die Mischerstruktur leitet und zum anderen eine Rückkopplung in die Laserschichtstruktur 10 verhindert . Die Gitterstruktur ist in dem Material der Laserschichtstruktur oberhalb der aktiven Schicht 103 aber unterhalb der Emissionsfläche angeordnet . In the embodiment shown in Figure 3, further miniaturization is carried out. In this embodiment, the laser layer structure 10 and an optic arranged on the emission surface are arranged directly on a light guide element 301', which on the one hand guides the light emitted by the laser layer structure 10 to the mixer structure and on the other hand prevents feedback into the laser layer structure 10. The grating structure is arranged in the material of the laser layer structure above the active layer 103 but below the emission surface.
Die Mischerstruktur erzeugt aus dem eingekoppelten Licht mit den beiden Moden ein Differenzsignal , welches von der Optik 40 kollimiert und abgestrahlt wird . In dieser Ausführung sind die Elemente 301 ' und 30 sowie 40 direkt auf dem Material der Laserschichtstruktur 10 angeordnet . Dieses leitet die Wärme j edoch in guter Weise an eine mit der Laserschichtstruktur verbundene Wärmesenke 3 ' ab . Die Figur 5 ist ein Ausführungsbeispiel eines oberflächenemittierenden Lasers in einem Halbleitermaterial , wobei in diesem auch die Gitterstrukturintegriert ist . Dabei muss die Gitterstruktur leitend ausgebildet sein, um den Stromtransport in die aktive Schicht zu gewährleisten . Die Laserschichtstruktur 10 umfasst im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein bodenseitigen p-Kontakt 100 aus einem leitenden Material , beispielsweise einem Metall . Die Kontakt 100 kann mit dem Gehäuse verbunden sein, oder auch selbst einen Teil des ( hier nicht dargestellten) Gehäuses bilden . The mixer structure generates a differential signal from the coupled light with the two modes, which is collimated and emitted by the optics 40. In this embodiment, the elements 301' and 30 and 40 are arranged directly on the material of the laser layer structure 10. However, this conducts the heat effectively to a heat sink 3' connected to the laser layer structure. Figure 5 is an embodiment of a surface-emitting laser in a semiconductor material, in which the grating structure is also integrated. The grating structure must be conductive in order to ensure the transport of current into the active layer. In the present embodiment, the laser layer structure 10 comprises a bottom-side p-contact 100 made of a conductive material, for example a metal. The contact 100 can be connected to the housing, or can itself form part of the housing (not shown here).
Daran sich anschließend umfasst die Schichtstruktur 10 eine ebenfalls p-dotierte Kontaktschicht 101 , hier aus dotiertem GaAs . Das dotierte GaAs verteilt den über den Kontakt 100 eingeprägten Strom auf die Fläche . Danach folgt eine Trennschicht ( cladding ) 102 auf dem die Gitterstruktur 200 aufgebracht ist . Die Gitterstruktur ist aus dem gleichen Materialsystem aufgebaut wie die bereits genannten Schichten, d . h . in diesem Fall aus GaAs oder AlGaAs , das zudem dotiert sein kann, um einen möglichst geringen Flächenwiderstand zu besitzen . Die Gitterstruktur ist nun von der aktiven Schicht 103 durch eine undotierte Blockierschicht 102 ' getrennt . Diese ist zwar leitend, verhindert aber die Diffusion von Dotieratomen in die aktive Schicht oder aus dieser heraus . Damit wird eine Degradation der aktiven Schicht 103 über die Zeit hinweg vermieden, bzw . reduziert . Following this, the layer structure 10 comprises a contact layer 101 which is also p-doped and here made of doped GaAs. The doped GaAs distributes the current impressed via the contact 100 over the surface. This is followed by a separating layer (cladding) 102 onto which the grid structure 200 is applied. The grid structure is made of the same material system as the layers already mentioned, i.e. in this case GaAs or AlGaAs, which can also be doped in order to have the lowest possible surface resistance. The grid structure is now separated from the active layer 103 by an undoped blocking layer 102'. Although this is conductive, it prevents the diffusion of doping atoms into or out of the active layer. This prevents or reduces degradation of the active layer 103 over time.
Die aktive Schicht 103 umfasst eine Quantentopf bzw . auch eine Mehrfachquantentopfstruktur . Beispielsweise können hierzu GaAs /AlGaAs Schichten verwendet werden, wobei diese zudem dotiert sind und so eine Folge von Barriere- und Topf schichten bilden . Alternativ lassen sich auch andere ternäre Materialsysteme zur Ausbildung einer solchen Mehrfachquantentopfstruktur verwenden . Beispielsweise kann das Al im Material AlGaAs teilweise oder auch komplett durch In ersetzt werden . Dies ist dann zweckmäßig, da die Wellenlänge des abgegebenen Lichts im Wesentlichen durch die Verhältnisse in der Mehrfachquantentopfstruktur abhängig ist . Durch die Verwendung von In und Al in verschiedenen Konzentrationen lässt sich die Wellenlänge zur Lichterzeugung so einstellen ( sowohl Wellenlänge als auch Breite ) , dass im Zusammenwirken mit der photonischen Struktur 200 zwei um einen Fre- quenzbetrag verschobene Moden anschwingen, deren Differenz die gewünschte THz Strahlung ergibt . The active layer 103 comprises a quantum well or a multiple quantum well structure. For example, GaAs/AlGaAs layers can be used for this, whereby these are also doped and thus form a sequence of barrier and well layers. Alternatively, other ternary material systems can also be used to form such a multiple quantum well structure. For example, the Al in the material AlGaAs can be partially or completely replaced by In. This is useful because the wavelength of the emitted light depends essentially on the conditions in the multiple quantum well structure. By using In and Al in different concentrations, the wavelength for generating light can be set (both wavelength and width) so that in cooperation with the photonic structure 200, two wavelengths around a frequency quency shifted modes oscillate, the difference of which produces the desired THz radiation.
Auf der Mehrfachquantentopfstruktur 103 ist eine n-dotierte Inj ektionsschicht 104 aufgebracht , z . B . aus n-dotiertem AlGaAs und auf dieser eine weitere Schicht 105 , die ebenfalls aus einem Halbleitermaterial besteht . Dabei ist es möglich, die Herstellungsreihenfolge umzudrehen, so dass die Schicht 105 ein dotiertes Wachstumssubstrat bildet , auf den die folgenden Schichten und insbesondere auch die Gitterstruktur 200 epitaktisch abgeschieden wird . An n-doped injection layer 104 is applied to the multiple quantum well structure 103, e.g. made of n-doped AlGaAs, and on this a further layer 105, which also consists of a semiconductor material. It is possible to reverse the production sequence so that the layer 105 forms a doped growth substrate onto which the following layers and in particular also the lattice structure 200 are deposited epitaxially.
Die Oberfläche der Schicht 105 bildet auch gleichzeitig die Hauptemissionsfläche der Laserschichtstruktur 10 für das Laserlicht 107 . Für eine Stromzuführung ist zudem ein metallischer Kontakt 106 in Form eines Fensters auf der Oberfläche der Schicht 105 angeordnet . Der Kontakt 106 umgibt den Emissionsbereich . The surface of the layer 105 also simultaneously forms the main emission surface of the laser layer structure 10 for the laser light 107. In addition, a metallic contact 106 in the form of a window is arranged on the surface of the layer 105 for supplying current. The contact 106 surrounds the emission region.
In diesem Ausführungsbeispiel ist somit die photonische Strukturunterhalb der aktiven Schicht , d . h . dem Emissionsbereich auf der Oberfläche abgewandten Seite angeordnet . Allerdings kann diese auch zwischen dem Emissionsbereich und der aktiven Schicht vorgesehen werden . Ebenso ist es möglich, diese auf der Oberfläche der Schicht 105 vorzusehen . Dazu wird nach der Herstellung der einzelnen Schichten die Oberfläche der Schicht 105 freigelegt und darauf die photonische Schicht 200 als Gitterstruktur nach dem vorgeschlagenen Prinzip erzeugt . Dies kann sowohl additiv, d . h . durch Erzeugen der Struktur mittels eines strukturierten Abscheideprozesses als auch subtraktiv, d . h . durch Ätzen der Strukturen erfolgen . In der Praxis sind auch Kombinationen von Ätz- und Abscheideprozessen möglich . In this exemplary embodiment, the photonic structure is therefore arranged below the active layer, i.e. on the side facing away from the surface of the emission region. However, this can also be provided between the emission region and the active layer. It is also possible to provide this on the surface of the layer 105. For this purpose, after the individual layers have been produced, the surface of the layer 105 is exposed and the photonic layer 200 is produced on it as a lattice structure according to the proposed principle. This can be done both additively, i.e. by producing the structure using a structured deposition process, and subtractively, i.e. by etching the structures. In practice, combinations of etching and deposition processes are also possible.
Die Figuren 6A bis 6C zeigen verschiedene Ausführungen einer photoni- schen Struktur 200 in ihrer Draufsicht , wie sie beispielsweise zur Ausbildung von dualen Moden in einem oberflächenemittierenden Laser verwendet werden können . Die Strukturen besitzen j eweils einen oder mehrere Strukturelemente 210 bis 214 , die wiederum periodisch angeordnet sein können . Die Größe dieser Strukturen liegt im Bereich einiger pm, beispielsweise zwischen 10 pm und 35 pm. Dabei ist es mög- lich, dass die einzelnen Strukturelemente in einer Gitterstruktur eine unterschiedliche Periodizität aufweisen, wie dies beispielsweise bei den Strukturelementen 213 und 214 in Figur 6C gezeigt ist . Benachbarte Elemente 213 haben einen größeren Abstand voneinander als benachbarte Elemente 214 . Figures 6A to 6C show various designs of a photonic structure 200 in their top view, as they can be used, for example, to form dual modes in a surface-emitting laser. The structures each have one or more structural elements 210 to 214, which in turn can be arranged periodically. The size of these structures is in the range of a few pm, for example between 10 pm and 35 pm. It is possible It is possible that the individual structural elements in a lattice structure have a different periodicity, as is shown, for example, in the structural elements 213 and 214 in Figure 6C. Neighboring elements 213 are spaced further apart than neighboring elements 214.
Darüber hinaus kann sich die Symmetrie auch in die j eweiligen Raumrichtungen unterscheiden, d . h . es mag beispielsweise eine Translationssymmetrie in x-Richtung bestehen, die sich von einer Translationssymmetrie in y-Richtung unterscheidet . Die j eweiligen Periodizitäten können dabei komplex sein und an die j eweilige Anwendung angepasst werden . In addition, the symmetry can also differ in the respective spatial directions, i.e., there may be, for example, a translational symmetry in the x-direction that differs from a translational symmetry in the y-direction. The respective periodicities can be complex and adapted to the respective application.
Zudem sind die Strukturelemente selbst unterschiedlich ausgeführt , beispielsweise in den Figuren 6A und 6C . Der Aufbau der einzelnen Elemente ist dabei so ausgeführt , dass keine kontinuierliche Rotationssymmetrie existiert , sondern diese soweit vorhanden nur einige wenige dis krete Werte annehmen kann . So zeigt beispielsweise die Figur 6A eine photonische Struktur 200 mit zwei Strukturelementen 210 und 211 . Während das Element 211 als kreis- oder zylinderförmige Struktur rotationssymmetrisch ist , ist diese für das Element 211 dahingehend gebrochen, als dass eine Rotation lediglich um die zentrale Achse um 180 ° und 360 ° wieder zu dem gleichen Element führt . Element 211 zeigt in Draufsicht die Form einer Ellipse . In addition, the structural elements themselves are designed differently, for example in Figures 6A and 6C. The structure of the individual elements is designed such that no continuous rotational symmetry exists, but rather this can only assume a few discrete values, if present. For example, Figure 6A shows a photonic structure 200 with two structural elements 210 and 211. While element 211 is rotationally symmetrical as a circular or cylindrical structure, this is broken for element 211 in that a rotation merely around the central axis by 180 ° and 360 ° leads back to the same element. Element 211 has the shape of an ellipse in plan view.
Werden nun beide Elemente 210 und 211 zusammen als Zelle aufgefasst , so verringert sich die Rotationssymmetrie noch weiter . Lediglich bei einer Rotation um 360 ° gelangt man wieder zum ursprünglichen Element . Das gleiche gilt für die Ausführung der Figur 6B . Hier sind die Strukturelemente 212 als Halbpyramiden ausgebildet , so dass diese in Draufsicht ein gleichschenkliges Dreieck bilden . Auch bei diesen ist die Rotationssymmetrie gebrochen, d . h . die Strukturelemente bilden sich nur bei einer Rotation um 360 ° auf sich selbst ab . If both elements 210 and 211 are now considered together as a cell, the rotational symmetry is reduced even further. Only with a rotation of 360° does one return to the original element. The same applies to the design in Figure 6B. Here, the structural elements 212 are designed as half pyramids, so that they form an isosceles triangle when viewed from above. The rotational symmetry is also broken in these, i.e. the structural elements only map onto themselves with a rotation of 360°.
Die hier gezeigten Ausführungen lassen sich auf verschiedene Weise kombinieren . Das zugrundeliegende Prinzip, THz Strahlung durch Mi- sehen aus Licht zu bilden, die durch einen PCSEL als dual Mode Laser erzeugt werden, bleibt davon unberührt . Der THz Os zillator nach dem vorgeschlagenen Prinzip kann zudem zu einer Amplitudenmodulation weitergebildet werden . Hierzu lässt sich der Laserstrom variieren . Dadurch werden die Amplituden des erzeugten Lichts verändert und somit eine Amplitudenmodulation der erzeugten THz Strahlung erreicht . The designs shown here can be combined in various ways. The underlying principle of creating THz radiation by mixing light that is emitted by a PCSEL as a dual mode laser generated remains unaffected. The THz oscillator according to the proposed principle can also be further developed to provide amplitude modulation. To do this, the laser current can be varied. This changes the amplitudes of the generated light and thus achieves amplitude modulation of the generated THz radiation.
Als eine Alternative ist es auch möglich, die Mischerstruktur in ihrer Konversionseffizienz , d . h . ihrer Effizienz hinsichtlich der Umwandlung und Bildung des Differenzsignals zu variieren, so dass sich die Intensität des Differenzsignals und damit die Amplitude der THz Strahlung variieren lässt . Allerdings ist die erste Lösung wegen einer größeren Konversionseffizienz präferiert , da im Gegensatz zu der zweiten Lösung nicht die Effizienz der Konversion in THz Strahlung als solches moduliert wird, sondern lediglich die Ausgangsleistung des Laserlichtes . As an alternative, it is also possible to vary the mixer structure in its conversion efficiency, i.e. its efficiency with regard to the conversion and formation of the difference signal, so that the intensity of the difference signal and thus the amplitude of the THz radiation can be varied. However, the first solution is preferred due to a higher conversion efficiency, since in contrast to the second solution, it is not the efficiency of the conversion into THz radiation as such that is modulated, but only the output power of the laser light.
Die vorgeschlagene Lösung bildet einen THz Oszillator, der sich besonders einfach in seiner Größe und damit der Ausgangsleistung s kalieren lässt . Die vorgeschlagene Lösung kann platzsparend realisiert werden . Bei guter Wärmeabfuhr ist eine große Ausgangsleistung im Bereich von mW bis einigen W erreichbar . The proposed solution forms a THz oscillator that can be scaled particularly easily in terms of size and thus output power. The proposed solution can be implemented in a space-saving manner. With good heat dissipation, a high output power in the range of mW to several W can be achieved.
BEZUGSZEICHENLISTE , 3 Gehäuse 0 Laser licht Struktur 1 Optik 0 Mi s chers truktur 0 Optik 00 Kontakt 01 Kontakts chicht 02 Trennschicht 02 ' Blockier schicht 03 aktive Schicht 04 In j ekt ions schicht 05 Schicht 06 Kontakt 07 Laserlicht 00 Gitter Struktur 10 Struktur element 11 Struktur element 12 Struktur element 13 Struktur element 01 Absorpt ions element LIST OF REFERENCE SYMBOLS , 3 Housing 0 Laser light structure 1 Optics 0 Mixing structure 0 Optics 00 Contact 01 Contact layer 02 Separating layer 02 ' Blocking layer 03 Active layer 04 Injection layer 05 Layer 06 Contact 07 Laser light 00 Grating structure 10 Structural element 11 Structural element 12 Structural element 13 Structural element 01 Absorption element

Claims

PATENTANSPRÜCHE Oszillatoranordnung, insbesondere THz-Oszillator , umfassend: eine aktive Laserschichtstruktur (10) basierend auf einem Halbleitermaterial zur Abgabe von Laserlicht wenigstens einer Wellenlänge, deren Hauptabstrahlrichtung im Wesentlichen senkrecht zu einer Hauptabstrahloberfläche liegt; eine mit der aktiven Laserschichtstruktur (10) zusammenwirkende Gitterstruktur (200) , insbesondere 2D Gitterstruktur, welche im Wesentlichen parallel zur Hauptoberfläche angeordnet ist, die derart ausgebildet ist, dass die aktive Laserschichtstruktur (10) zur Ausbildung von zwei Lasermoden unterschiedlicher Frequenz (fl, f2) angeregt wird; eine in Abstrahlrichtung angeordnete Mischerstruktur (30) , die ausgebildet ist, ein Differenzsignal aus den zwei Lasermoden zu bilden mit einer Frequenz aus der Differenz der beiden Lasermoden; ein der Mischerstruktur (30) in Hauptabstrahlrichtung gesehen nachgeordnetes Absorptionselement (301) , insbesondere umfassend Silizium, welches für die zwei Lasermoden unterschiedlicher Frequenz im Wesentlichen intransparent ist. Oszillatoranordnung nach Anspruch 1, bei der die mit der aktiven Laserschichtstruktur (10) zusammenwirkende Gitterstruktur (200) auf einer der Hauptabstrahloberfläche abgewandten Seite angeordnet ist; oder bei der die mit der aktiven Laserschichtstruktur (10) zusammenwirkende Gitterstruktur (200) zumindest einen Teil der Hauptabstrahloberfläche bildet. Oszillatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der die mit der aktiven Laserschichtstruktur (10) zusammenwirkende Gitterstruktur (200) zwischen einer aktiven Schicht (103) der Laserschichtstruktur und einer Halbleiterschicht zur Zuführung der Ladungsträger angeordnet ist. PATENT CLAIMS Oscillator arrangement, in particular THz oscillator, comprising: an active laser layer structure (10) based on a semiconductor material for emitting laser light of at least one wavelength, the main emission direction of which is substantially perpendicular to a main emission surface; a grating structure (200) which interacts with the active laser layer structure (10), in particular a 2D grating structure, which is arranged substantially parallel to the main surface and is designed such that the active laser layer structure (10) is excited to form two laser modes of different frequencies (fl, f2); a mixer structure (30) arranged in the emission direction, which is designed to form a difference signal from the two laser modes with a frequency from the difference between the two laser modes; an absorption element (301) arranged downstream of the mixer structure (30) in the main emission direction, in particular comprising silicon, which is substantially opaque to the two laser modes of different frequencies. Oscillator arrangement according to claim 1, in which the grating structure (200) interacting with the active laser layer structure (10) is arranged on a side facing away from the main emission surface; or in which the grating structure (200) interacting with the active laser layer structure (10) forms at least part of the main emission surface. Oscillator arrangement according to one of claims 1 or 2, in which the grating structure (200) interacting with the active laser layer structure (10) is arranged between an active layer (103) of the laser layer structure and a semiconductor layer for supplying the charge carriers.
4. Oszillatoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die aktiven Laserschichtstruktur (10) eine Quantentopfstruktur oder eine Mehrfachquantentopfstruktur aufweist, und die mit der aktiven Laserschichtstruktur zusammenwirkende Gitterstruktur (200) getrennt durch eine elektrisch leitende, jedoch eine Diffusion von Fremdatomen, insbesondere Dotieratome verhindernden Blockierungsschicht benachbart zu der Quantentopfstruktur oder eine Mehrfachquantentopfstruktur angeordnet ist 4. Oscillator arrangement according to one of the preceding claims, in which the active laser layer structure (10) has a quantum well structure or a multiple quantum well structure, and the grating structure (200) interacting with the active laser layer structure is arranged adjacent to the quantum well structure or a multiple quantum well structure separated by an electrically conductive blocking layer which prevents diffusion of foreign atoms, in particular doping atoms.
5. Oszillatoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der die Gitterstruktur (200) ein sich periodisch wiederholendes Strukturelement umfasst, dessen Rotationssymmetrie insbesondere auf einen der Werte 30°, 45°, 60°, 90°, 180° und 360° beschränkt ist. 5. Oscillator arrangement according to one of the preceding claims, in which the grating structure (200) comprises a periodically repeating structural element whose rotational symmetry is limited in particular to one of the values 30°, 45°, 60°, 90°, 180° and 360°.
6. Oszillatoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Gitterstruktur ein erstes sich periodisch wiederholendes Strukturelement (210) und ein zweites sich periodisch wiederholendes Strukturelement (211) umfasst, dessen Größe und/oder Form von dem ersten Strukturelement unterscheidet. 6. Oscillator arrangement according to one of the preceding claims, wherein the grating structure comprises a first periodically repeating structural element (210) and a second periodically repeating structural element (211) whose size and/or shape differs from the first structural element.
7. Oszillatoranordnung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, bei dem eine Periodizität des Strukturelements in eine erste Raumrichtung unterschiedlich zu einer Periodizität in eine zweite Raumrichtung ist . 7. Oscillator arrangement according to one of claims 5 or 6, wherein a periodicity of the structural element in a first spatial direction is different from a periodicity in a second spatial direction.
8. Oszillatoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend: ein optisches Element (11) , das zwischen der Hauptabstrahloberfläche und der Mischerstruktur (30) angeordnet und ausgebildet ist, das von der aktive Laserschichtstruktur entlang der Hauptabstrahlrichtung abgegebene Licht auf die Mischerstruktur zu lenken . 8. Oscillator arrangement according to one of the preceding claims, further comprising: an optical element (11) which is arranged between the main emission surface and the mixer structure (30) and is designed to direct the light emitted by the active laser layer structure along the main emission direction onto the mixer structure.
9. Oszillatoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Absorptionselement (301) ein zu der Mischerstruktur (30) unterschiedliche Halbleitermaterial, insbesondere Silizium aufweist . Os zillatoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche , bei der die Mischerstruktur ( 30 ) zu einer gerichteten Abgabe des Differenzsignals , insbesondere entlang einer Raumrichtung oder zweier entgegengesetzter Raumrichtungen ausgeführt ist . Os zillatoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche , bei der eine Wellenlänge der zwei Lasermoden in einem infraroten Teil eines Spektrums liegt , insbesondere über 750nm, insbesondere über 900nm und insbesondere über 950 nm; und/oder bei der eine Wellenlänge des Differenzsignals im Bereich von 1 mm bis 3pm liegt , insbesondere im Bereich von 1 mm bis 0 , 1 mm. Os zillatoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche , weiter umfassend eine Antennenstruktur , die mit der Mischerstruktur gekoppelt ist zur Weiterleitung und Transmission der erzeugten Strahlung . Verfahren zum Betreiben einer Os zillatoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche , bei der ein Strom, zur Erzeugung von Laserlicht der zwei Lasermoden moduliert wird; oder bei der die Mischerstruktur in ihre Mischungseffizienz zur Erzeugung einer amplitudenmodulierten Differenzsignals verändert wird . 9. Oscillator arrangement according to one of the preceding claims, in which the absorption element (301) has a different semiconductor material to the mixer structure (30), in particular silicon. Oscillator arrangement according to one of the preceding claims, in which the mixer structure (30) is designed for a directed output of the difference signal, in particular along one spatial direction or two opposite spatial directions. Oscillator arrangement according to one of the preceding claims, in which a wavelength of the two laser modes lies in an infrared part of a spectrum, in particular above 750 nm, in particular above 900 nm and in particular above 950 nm; and/or in which a wavelength of the difference signal lies in the range from 1 mm to 3 pm, in particular in the range from 1 mm to 0.1 mm. Oscillator arrangement according to one of the preceding claims, further comprising an antenna structure which is coupled to the mixer structure for forwarding and transmitting the radiation generated. Method for operating an oscillator arrangement according to one of the preceding claims, in which a current is modulated to generate laser light of the two laser modes; or in which the mixer structure is modified in its mixing efficiency to produce an amplitude modulated difference signal.
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