DE60014521T2

DE60014521T2 - Sättigbare Bragg-Reflektoren und ihre Verwendung in Modengekoppelten Lasern

Info

Publication number: DE60014521T2
Application number: DE60014521T
Authority: DE
Inventors: John E. Lincroft Cunningham; Wayne H. Holmdel Knox
Original assignee: Agere Systems Optoelectronics Guardian Corp
Current assignee: Agere Systems LLC
Priority date: 1999-07-21
Filing date: 2000-07-11
Publication date: 2006-02-02
Anticipated expiration: 2020-07-12
Also published as: EP1071179B1; JP2001068771A; US6259719B1; JP3708805B2; EP1071179A2; DE60014521D1; EP1071179A3

Description

Erfindungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft halbleitende sättigbare Absorber und insbesondere solche Absorber zur Verwendung als Bragg-Reflektorspiegel in modengekoppelten Lasern und die resultierenden modengekoppelten Laser.
Allgemeiner Stand der Technik
Modengekoppelte Laser eignen sich insbesondere für die Erzeugung ultrakurzer optischer Impulse, beispielsweise Impulse mit Breiten im Picosekunden- und Subpicosekunden Bereich und in der Regel mit hoher Energie. Halbleitende sättigbare Absorber werden vorteilhafterweise in derartigen modengekoppelten Lasern als Bragg-Reflektorspiegel eingesetzt.
Ein sättigbarer Absorber absorbiert alle schwache einfallende Strahlung, doch wenn sich die Intensität der Strahlung auf ein ausreichend hohes Niveau aufgebaut hat, das als die Sättigungsintensität bezeichnet wird, wird der sättigbare Absorber gebleicht und wird transparent und dann wird einfallende Strahlung der Durchtritt mit relativ geringer Dämpfung gestattet. Ein sättigbarer Bragg-Absorber ist ein nichtlineares Element, das auf einfallende Strahlung wie ein Verschluss wirkt, dessen Opazität sich als eine Funktion der Intensität der einfallenden Strahlung bei einer bestimmten Wellenlänge ändert. Bei Verwendung in einem Laser als ein Bragg-Reflektorspiegel wirkt der sättigbare Bragg-Absorber in seinem opaken Zustand als ein verlustarmer Reflektor der einfallenden stimmulierten Emmission des Lasers und kann so als eine Endwand seines Resonanzhohlraums dienen.
Das dem Anmelder W. H. Knox am 6. Mai 1997 erteilte US-Patent Nr. 5,627,854 beschreibt einen modengekoppelten Laser, bei dem das modenkoppelnde Element ein sättigbarer Bragg-Reflektor ist, der in der einen oder den mehreren, einen niedrigen Index aufweisenden Schichten an der Oberseite eines Stapels vorteilhafterweise aus mindestens 20 Lichtweg-Viertelwellenlängenschichten abwechselnd mit niedrigem und hohem Brechungsindex eine Quantenmulde enthält. Dieser entstehende nichtlineare Reflektor liefert eine intensitätsabhängige Antwort, die gestattet, dass sie zur sättigbaren Absorption direkt im Hauptschwingungshohlraum des Lasers verwendet wird.
Bei vielen Anwendungen ist das Verstärkungsmedium des Lasers recht klein, wodurch das Absorbermaterial, die Quantenmulden, eine geringe Anzahl aufweisen können, und bei solchen Anwendungen beeinflusst das Absorbermaterial kaum das optische Design des dielektrischen Bragg-Reflektorspiegels, in dem das Absorbermaterial angeordnet wird. Für einen Laser mit hoher Verstärkung jedoch, bei der für den sättigbaren Bragg-Reflektor eine große Modulationstiefe gewünscht wird, erfordert das Design eines sättigbaren Bragg-Reflektors nach dem Stand der Technik im Allgemeinen eine Erhöhung der Anzahl der Absorberschichten, die integriert werden müssen, oftmals auf 10 oder mehr. In diesem Fall wird der Absorberschichtabschnitt beim Spiegeldesign ein signifikanter Faktor und führt im Allgemeinen auf Grund der di-elektrischen Diskontinuitäten, die durch die Absorberschichten eingeführt werden, eine signifikante optische Streuung ein. Wenn viele Quantenmulden in den di-elektrischen Lichtweg-Viertelwellenlängenschichten angeordnet werden, muss tatsächlich die Gesamtzahl der Viertelwellenlängenschichten erhöht werden, und dies führt zu größeren Streueinbußen und einer nichtoptimierten Positionierung der Quantenmulden innerhalb des Stapels.
Die vorliegende Erfindung sucht nach einem effizienteren Weg, um die Quantenmulden-Absorberschichten in die sättigbaren Bragg-Reflektoren zur Verwendung in modengekoppelten Lasern einzuführen.
Kurze Darstellung der Erfindung
Die Erfindung ist in Anspruch 1 definiert. Verschiedene Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Es wurde eine verbesserte Form eines sättigbaren Bragg-Reflektors zur Verwendung in modengekoppelten Lasern entdeckt. Insbesondere ist bei dem vorliegenden neuen Reflektor die Oberseite des Stapels modifiziert, indem bevorzugt mindestens die beiden obersten, einen hohen Index aufweisenden Schichten eine optische Dicke von einem Achtel der Arbeitswellenlänge (Lichtweg) erhalten und eine Quantenmulde in der einen hohen Index aufweisenden Schicht mit einer optischen Dicke von einem Viertel der Arbeitswellenlänge angeordnet ist, die zwischen einen niedrigen Index aufweisende Schichten mit einem Achtel der Arbeitswellenlänge geschichtet ist. Es hat sich herausgestellt, dass das Einsetzen der Quantenmulde auf Grund ihrer relativ geringen Breite die effektive optische Dicke der Schicht, in die sie eingesetzt wird, wenig beeinflusst, so dass in der Praxis ihre Existenz in der Schicht beim Herstellen der Dicke einer derartigen Schicht ignoriert werden kann. Zudem kann diese Technik durch die Hinzufügung von ähnlichen Viertelwellenlängenschichten mit Quantenmulden skaliert werden, die zwischen Achtelwellenlängenschichten geschichtet sind, um zum Erreichen speziell kurzer Impulsbreiten noch tiefere Modulationstiefen zu erzielen.
Ein besseres Verständnis der Erfindung ergibt sich aus der folgenden ausführlicheren Beschreibung in Verbindung mit der beiliegenden Zeichnung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt die Schichtstruktur einer Form eines sättigbaren Bragg-Reflektors nach dem Stand der Technik zur Verwendung in einem modengekoppelten Laser.
2 zeigt die Schichtstruktur einer Form eines sättigbaren Bragg-Reflektors, der eine veranschaulichende Ausführungsform der Erfindung darstellt.
3 ist ein Schemadiagramm eines modengekoppelten Lasers, der für die Art typisch ist, bei der der in 2 gezeigte sättigbare Bragg-Reflektor verwendet werden würde.
Ausführliche Beschreibung
Nunmehr unter Bezugnahme auf die Zeichnung zeigt 1 einen Querschnitt durch einen für den Stand der Technik typischen sättigbaren Bragg-Reflektor 10. Er enthält ein (nicht gezeigtes) mono-kristallines Substrat aus einem Verbundhalbleiter, der sich dafür eignet, um darin epitaxiale Schichten aufzuwachsen beispielsweise Galliumarsenid. Darüber sind in der Regel durch Molekularstrahlepitaxie mehrere, in der Regel mindestens 20, im Wesentlichen epitaxiale Schichten aufgewachsen worden, abwechselnd Schichten 12 aus einem Verbundhalbleiter mit einem relativ niedrigeren Brechungsindex und Schichten 14 aus einem Verbundhalbleiter mit einem relativ höheren Brechungsindex. Jede dieser Schichten weist eine Dicke von etwa einem Viertel der Wellenlänge des gewünschten abgegebenen Lichts in der Schicht auf (optische Dicke), so dass die Anordnung als ein di-elektrischer Spiegel dient und Licht der Arbeitswellenlänge sehr gut reflektiert und nicht gesättigt wird, wie dies für die Rolle eines sättigbaren Bragg-Absorbers benötigt wird, der sich für die Modenkopplung eines Lasers eignet. Um ihn in einen sättigbaren Bragg-Absorber umzuwandeln, wird eine mit QW bezeichnete Quantenmulde mit geeigneter Energiebandlücke in mindestens eine der Schichten mit einem hohen Brechungsindex, die an der Oberseite oder in der Nähe der Oberseite des Stapels angeordnet ist, eingesetzt. Folgendes sind typische Kombinationen für Schichten, die verwendet werden können. Für den Betrieb bei einer Laserwellenlänge von etwa 850 Nanometer können die einen hohen Index aufweisenden Schichten AlGaAs sein, die einen niedrigen Index aufweisenden Schichten können AlAs sein und die Quantenmulde kann eine Schicht aus AlGaAs sein, in der der Mol-Anteil des Galliums auf geeignete Weise höher ist als der in den einen hohen Index aufweisenden Schichten. Für den Betrieb bei einer Laserwellenlänge von etwa 1,06 μm können die einen hohen Index aufweisenden Schichten GaAs sein, die einen niedrigen Index aufweisenden Schichten können AlAs sein und die Quantenmulde kann eine Schicht aus In_0,3Ga_0,7As sein.
2 zeigt einen Querschnitt durch einen sättigbaren Bragg-Reflektor 20 gemäß der Erfindung, der für das Modenkoppeln eines bei etwa 1,06 μm arbeitenden Lasers ausgelegt ist. Er enthält ein mono-kristallines Galliumarsenid-Substrat, auf dem Schichten 22 aus Aluminiumarsenid, ein Material mit einem relativ niedrigen Brechungsindex, abwechselnd mit Schichten 24 aus Galliumarsenid, einem Material mit einem relativ hohen Index, epitaktisch aufgewachsen worden sind. Jede der Schichten mit einem niedrigen Index weist eine optische Dicke von etwa einem Viertel der Arbeitswellenlänge auf, und vorteilhafterweise weisen alle außer der letzten oder den obersten beiden Schichten 26A, 26B mit einem hohen Index eine optische Dicke von etwa einem Viertel der Arbeitswellenlänge auf. Diese letzten beiden Schichten 26A, 26B weisen jedoch eine optische Dicke von etwa einem Achtel einer Wellenlänge auf. Zudem ist die Quantenmulde 28, die eine Schicht mit einer Dicke von etwa 100 Angström (1nm = 10Å) aus einem Material mit einem noch niedrigeren Brechungsindex wie etwa InGaAs ist, vorteilhafterweise in der Nähe der Mitte der letzten Schicht aus dem einen hohen Index aufweisenden GaAs positioniert. Eine derartige Quantenmulde beinflusst, weil sie viel dünner ist als die anderen Schichten, das Spiegeldesign wenig, wie weiter oben dokumentiert wurde.
In einigen Fällen kann es bei tieferen Modulationstiefen und schmaleren Impulsen vorteilhaft sein, mehr als eine derartige Quantenmulde aufzunehmen, wobei dann jede einzelne separat in verschiedenen obersten Schichten des einen hohen Index aufweisenden Materials enthalten sein würde und die Dicken der benachbarten, einen niedrigen Index aufweisenden Schichten würden entsprechend auf etwa ein Achtel der Arbeiswellenlänge reduziert sein. Selbst in diesem Fall sollten es zu weinige zusätzliche Schichten sein, als dass sie sich auf das Spiegeldesign wesentlich auswirken.
3 zeigt einen sättigbaren Bragg-Reflektor (SBR) im optischen Hohlraum eines Halbleiterlasers 30 zum Modenkoppeln des Lasers. Ein Ti:Saphir Längsstab 31 wird axial von einem Argon-Laser 32 gepumpt. Der Ti:Saphir-Stab liefert die optische Verstärkung für den modengekoppelten Laser. Eine Linse 33 wird verwendet, um den Pumpstrahl aus dem Argon-Laser 32 in den optischen Hohlraum zu koppeln. Der Hauptlaserhohlraum ist zwischen einem hochreflektierenden Spiegel 34 und dem sättigbaren Bragg-Reflektor 35 ausgebildet. Die Spiegel 36 und 37 werden dazu verwendet, die optischen Signale axial durch den Stab 31 als das Verstärkungsmedium zu lenken. Brewster-Prismen 38 und 39 liefern eine justierbare negative und positive Dispersion, die auf bekannte Weise zur Impulsformung verwendet wird. Wahlweise ist eine Messerschneide 40 zwischen dem Spiegel 34 und dem Prisma 38 angeordnet. Der sättigbare Bragg-Reflektor 35 ist im Wesentlichen im Brennpunkt eines gekrümmten Spiegels 41 angeordnet. Die Ausgangskopplung der vom Laser erzeugten optischen Impulse erfolgt durch den Spiegel 41, der teildurchlässig ist, so dass der gewünschte Impuls austreten kann, wenn sich der sättigbare Bragg-Reflektor 35 im gebleichten Zustand befindet.
Eine Sättigung des sättigbaren Bragg-Reflektors koppelt die Mode des Lasers, der eine modengekoppelte Sequenz optischer Impulse erzeugt. Die Impulsbreite wird durch Dispersion und die bandbreitenbegrenzenden Eigenschaften des sättigbaren Bragg-Reflektors 35 bestimmt. Mit dem beschriebenen Laser können ultrakurze optische Impulse erzeugt werden.
Es sei angemerkt, dass die Dispersionskompensation, die durch die Brewster-Prismen 38 und 39 erfolgt, gegebenenfalls von dem Laserhohlraum entfernt werden kann. In diesem Fall erhält man vom Laser Impulse mit größeren Breiten. Für den Modenkopplungsprozess erhält man ohne Weiteres ein Selbststarten, weil die Sättigungsnichtlinearität auf der Energie der einfallenden Strahlung, nicht ihrer Intensität, basiert. In Folge dessen erhält man durch die Verwendung von sättigbaren Bragg-Reflektoren in modengekoppelten Lasern Vorteile im Vergleich zu einem modengekoppelten Laser, der reine Kerr-Linsen verwendet.
Der beschriebene veranschaulichende Laser ist spezifisch dafür ausgelegt, das Pumpen über Licht zu erleichtern, das zur hauptsächlich axialen Ausbreitung durch den Laserstab geliefert wird. Es sollte auch möglich sein, den Laser mit durch die Seitenwände des Schichtstabs geliefertem Licht zu pumpen. Insbesondere kann das Verstärkungsmedium eine optisch gepumpte, mit Europium dotierte optische Faser sein.
Es ist zu verstehen, dass die beschriebenen besonderen Ausführungsformen die allgemeinen Prinzipien der Erfindung lediglich veranschaulichen und dass sich einem Fachmann verschiedene andere Ausführungsformen ergeben. Insbesondere versteht sich, dass zum Herstellen eines sättigbaren Bragg-Reflektors gemäß der Erfindung verschiedene andere Materialkombinationen verwendet werden können. Beispielsweise können andere Gruppe-III-Gruppe-V-Mehrschichtsysteme verwendet werden, die gittermäßig an entsprechende Substrate angepasst sind. Eine gewisse Fehlanpassung kann toleriert werden, wenn beanspruchte Materialien über dem Substratmaterial aufgewachsen werden. Eine zusätzliche Ausweitung des sättigbaren Bragg-Reflektors auf Halbleiterverbindungen in Gruppe-II-Gruppe-VI und Verbindungen der Gruppe IV sollten ebenfalls möglich sein.
Zudem scheint es offensichtlich, dass die Erfindung zusätzlich zu den erwähnten Formen in Formen gepulster Laser verwendet werden kann. Außerdem können die beschriebenen Prinzipien auf selbstabstimmende intensitätsabhängige Verbundreflektoren für das Selbststarten und einen stabilen Betrieb eines modengekoppelten Lasers der Art ausgeweitet werden, die in der am 30. Januar 1998 eingereichten US-Patentanmeldung mit der laufenden Nummer 09/016622 beschrieben ist.
Ein derartiger Bragg-Verbundreflektor enthält einen ersten Innenabschnitt mit einem mäßigen Reflexionsgrad, der sich über das Spektrum der gewünschten Lasertätigkeit hinaus erstreckt, und einen zweiten Außenabschnitt, der einen höheren Reflexionsgrad liefert, der im Spektralbereich der gewünschten Lasertätigkeit selektiv ist. Bei einem derartigen Verbundreflektor würde die Erfindung bevorzugt als der zweite Außenabschnitt verwendet werden.
Wie bereits erwähnt kann es bei einigen Fällen außerdem möglicherweise wünschenswert sein, zusätzliche Paare von Schichten aus einem einen hohen Index aufweisenden Material mit optischen Dicken von etwa einem Achtel der Arbeitswellenlänge aufzunehmen, zwischen denen jeweils eine Schicht mit einem niedrigen Brechungsindex mit einer Dicke von etwa einer Viertel Wellenlänge geschichtet ist, in der eine Quantenmulde aus Absorbermaterial untergebracht ist. Obwohl in den meisten Fällen im Allgemeinen bevorzugt wird, die allerobersten, einen niedrigen Index aufweisenden Schichten für die Quantenmulden zu verwenden, kann es zudem in einigen Spezialfällen angebracht sein, zusätzliche Schichten aufzunehmen, wobei es dann ausreicht, wenn die Quantenmulden in Schichten in der Nähe der Oberseite des Stapels eingesetzt werden.

Claims

Sättigbarer Bragg-Reflektor (20) zur Verwendung bei der Modenkopplung eines Lasers, umfassend: einen Mehrschichtstapel mit mehreren epitaxialen Schichten, wobei die epitaxialen Schichten abwechselnd aus einem Halbleitermaterial (22) mit einem niedrigen Brechungsindex und einem halbleitenden Material (24) mit einem hohen Brechungsindex bestehen, wobei die Schichten mit einem niedrigen Brechungsindex alle eine optische Dicke von etwa einem Viertel der Arbeitswellenlängen des Lasers aufweisen, wobei die Schichten mit niedrigem Brechungsindex außer mindestens den beiden oberen (26A, 26B) des Stapels eine optische Dicke von etwa einer Viertel wellenlänge der Arbeitswellenlänge aufweisen, wobei die mindestens zwei (26A, 26B) eine optische Dicke von etwa einem Achtel der Arbeitswellenlänge aufweisen, und eine Quantenmulde (28) aus Absorbermaterial in jeder der Schichten aus Materialien mit hohem Brechungsindex angeordnet ist, die zwischen die Schichten mit einer Wellenlänge von einem Achtel geschichtet sind.
Sättigbarer Bragg-Reflektor nach Anspruch 1, bei dem das Material mit hohem Brechungsindex GaAs und das Material mit niedrigem Brechungsindex AlAs ist.
Sättigbarer Bragg-Reflektor nach Anspruch 2, bei dem das Material der Quantenmulde InGaAs ist.
Sättigbarer Bragg-Reflektor nach Anspruch 1, bei dem die Schichten mit hohem Brechungsindex aus Aluminiumgalliumarsenid und die Schichten mit einem niedrigen Brechungsindex aus Aluminiumarsenid bestehen.
Sättigbarer Bragg-Reflektor nach Anspruch 4, bei dem die Quantenmulde eine Schicht aus Aluminiumgalliumarsenid ist, in der der Molanteil des Galliums kleiner ist als in dem Aluminiumgalliumarsenid der einen hohen Index aufweisenden Schicht.
Modengekoppelter Laser (30) zum Erzeugen eines optischen Impulses bei einem Designwellenlängengebiet, umfassend: einen ersten und zweiten Endreflektor (35, 34), die einen optischen Hohlraum definieren; ein Verstärkungsmedium (31), das in dem optischen Hohlraum positioniert und dafür ausgelegt ist, mit Pumpenergie gepumpt zu werden; und wobei der erste (35) der Endreflektoren ein sättigbarer Bragg-Reflektor ist und einen Mehrschichtstapel mit mehreren epitaxialen Schichten eines Verbundhalbleiters auf einem Verbundhalbleitersubstrat enthält, wobei die Schichten in Paaren eines Materials mit einem niedrigen Brechungsindex und eines Materials mit einem hohen Brechungsindex vorliegen, wobei alle Schichten des Verbunds mit hohem Brechungsindex eine optische Dicke von etwa einem Viertel der Arbeitswellenlänge und alle Schichten mit Ausnahme mindestens der letzten beiden des Materials mit einem niedrigen Brechungsindex eine optische Dicke von etwa einem Viertel der Designarbeitswellenlänge aufweisen, wobei die mindestens zwei eine optische Dicke von etwa einem Achtel der Designarbeitswellenlänge und eine Quantenmulde aufweisen, die einen Absorber in jeder Schicht des Materials mit hohem Brechungsindex aufweist, zwischen die Ein-Achtel-Wellenlängen-Schichten geschichtet sind.
Laser nach Anspruch 6, bei dem das Material mit hohem Brechungsindex GaAs und das Material mit niedrigem Brechungsindex AlAs und die Quantenmulde eine Schicht aus InGaAs ist.
Sättigbarer Bragg-Reflektor zur Verwendung beim Modenkoppeln eines Lasers, umfassend: einen Mehrschichtstapel aus Schichten, wobei die Schichten abwechselnd aus einem Halbleiter mit niedrigem Brechungsindex und einem Halbleiter mit hohem Brechungsindex bestehen, wobei mindestens eine der Schichten mit hohem Index in der Nähe der Oberseite des Stapels eine Quantenmulde als Absorber enthält, wobei alle einen hohen Index aufweisenden Schichten eine optische Dicke von etwa einem Viertel der Arbeitswellenlänge des Lasers aufweisen, wobei auch die einen niedrigen Index aufweisenden Schichten mit Ausnahme derjenigen, die einer Schicht mit hohem Index benachbart sind, die eine Quantenmulde enthält, eine optische Dicke von etwa einem Viertel der Arbeitswellenlänge des Lasers aufweisen, wobei die Schichten mit einem niedrigen Index, die sich neben einer Schicht mit einem hohen Index befinden, die eine Quantenmulde enthält, eine optische Dicke von einem Achtel der Arbeitswellenlänge aufweisen.
Sättigbarer Bragg-Reflektor nach Anspruch 8, bei dem nur die beiden oberen der Schichten mit einem niedrigen Index des Stapels eine optische Dicke von einem Achtel der Arbeitswellenlänge aufweisen.
Modengekoppelter Laser, der einen Resonanzhohlraum enthält, um das Verstärkungsmedium aufzunehmen, der als einen Endreflektor einen sättigbaren Bragg-Reflektor aufweist, gemäß Anspruch 8 oder Anspruch 9.
Modengekoppelter Laser nach Anspruch 10, bei dem das Verstärkungsmedium eine optische Faser ist.