WO2003005499A2 - Monolithic integrated microlaser with a circular resonator comprising just one mirror plane - Google Patents

Monolithic integrated microlaser with a circular resonator comprising just one mirror plane Download PDF

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WO2003005499A2
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resonator
coupling
waveguide
circular
monolithically integrated
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Michael Hamacher
Helmut Heidrich
Dominik Rabus
Martina Hentschel
Klaus Richter
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
MAX-PLANCK-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V.
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    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/10Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/1071Ring-lasers
    • H01S5/1075Disk lasers with special modes, e.g. whispering gallery lasers
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/02Structural details or components not essential to laser action
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    • H01S5/10Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/1028Coupling to elements in the cavity, e.g. coupling to waveguides adjacent the active region, e.g. forward coupled [DFC] structures
    • H01S5/1032Coupling to elements comprising an optical axis that is not aligned with the optical axis of the active region

Definitions

  • the invention relates to a monolithically integrated microlaser with a circular resonator having only one mirror plane in a semiconductor layer structure for the planar formation of revolving resonator modes, which are reflected at reflection points in the circular resonator, and with at least one monolithically integrated coupling-out waveguide, which is assigned to a fixed reflection point of a stable resonator mode and has a refractive index comparable to the refractive index of the circular resonator, for forming an optical light valve for an adjustable light coupling into the end face of the coupling-out waveguide.
  • the shapes can be made entirely of semiconductor material (“disk resonators”) or only as a border (“ring resonator”) In all variants, only a mode formation parallel to the planar semiconductor layer of the micro laser is used Depending on the geometric design of the micro laser, types of stable, that is to say stationary, resonator modes are formed which reflect on the inner edge of the resonator be reflected.
  • the stable resonator modes run clockwise and counterclockwise Resonator around, which also includes the case of reflection on own return paths in non-closed path types.
  • a corner of a triangular ring laser is designed so that the
  • the angle of total reflection (with a usual refractive index ratio of the material system used is approx. 17 °) is undershot and according to the Snellius refraction law see an unguided and undefined
  • Process step can be set.
  • the quality of the laser can be determined as the quotient of the captured energy to the uncouplable energy via the degree of decoupling.
  • Poincare section in which the reflection angles ⁇ occurring in the circular resonator or their values sin ⁇ are plotted over the phase angle ⁇ (circumferential angle) along the boundary line of the resonator.
  • the reflection points in the resonator form closed curves or clusters and also appear in the Poincare section in the form of stability islands with a corresponding size and density assignment of reflection points adjacent.
  • a Poincare section is therefore a "phase space portrait".
  • the basis for this and for the formation of quadrupole-typical resonator modes in deformed circular resonators which can be described by trigonometric formation formulas can be found in the article [II] "High Power Directional Emission from Microlasers with Chaotic Resonators" by C. Gmachl et al. (Science, Vol. 280 , June 1998, pp. 1556-1564).
  • the known circular resonator has only one mirror plane, which runs from the tip between the two straight reflection surfaces to the center of the curved reflection surface. Via a micro-gap between a straight reflection surface and a coupling-out waveguide, light emerging from the circular resonator is coupled in via the near-field effect during the reflection.
  • the coupling-out waveguide is assigned outside the mirror plane to the corresponding fixed reflection point at an acute angle to the reflection surface in such a way that the light reaches its end face.
  • the amount of light to be decoupled can be set by choosing the refractive index of the waveguide below the refractive index of the resonator and by a gap width of less than 1 ⁇ m, so that an optical light valve with an adjustable decoupling is present.
  • a maximum coupling efficiency of 1% can only be achieved.
  • the critical submicron structuring of the intermediate space places great demands on production. Reproducible production is problematic.
  • the object of the present invention is therefore to be seen in connecting a monolithically integrated microlaser with a circular resonator of the type described at the beginning to a coupling-out waveguide in such a way that coupling-out powers can be achieved in a wide range, on the one hand, so that the quality of the microlaser can be dimensioned comprehensively.
  • the constructive design should be as simple as possible, so that no production-technically complicated requirements arise and a reproducible and highly precise production is guaranteed.
  • the solution for this is therefore that the fixed reflection point in a Poincare section computed for a given dimensioning of the circular resonator by comparison with other calculated stability islands, the largest possible and densely occupied stability islands of a occurring stable resonator mode are fixed locally and that in this characteristic reflection point the coupling waveguide is optically connected directly to the circular resonator via a butt coupling point for coupling out a directed light beam, the degree of coupling out being dimensioned by optical field overlap occurring at the butt coupling point between the stable resonator mode and the expressed mode in the coupling-out waveguide ter is adjustable.
  • the microlaser In the microlaser according to the invention, directional light decoupling is achieved. It is not used, as in known micro-gaps and parallel profiles in the near-field effect, "spilling" light with a low power component in the region of any fixed reflection point, but at least one characteristic reflection point is directly “tapped” by a coupling waveguide directly abutting its end face, so that here the impinging stable resonator mode in the form of a directed light beam can emerge from the circular resonator in a targeted manner. Depending on the optical field overlap, the laser light partially passes into the coupling-out waveguide, the refractive index of which generally has only a slight positive or negative difference to the refractive index of the circular resonator. Thus, the decoupling point occurs despite it Pronouncedness for the laser light not as a "fault location", but rather as a "linear extension" of the resonator ring, as a result of which the light output losses are very low.
  • the invention therefore specifically searches for the largest possible and densely populated stability islands and clustering of the reflection points as an indication of a particularly strong and stable, periodic resonator mode which has at least three, particularly excellent characteristic reflection points for the butt coupling of a coupling waveguide ( triangle mode).
  • a particularly strong and stable, periodic resonator mode which has at least three, particularly excellent characteristic reflection points for the butt coupling of a coupling waveguide ( triangle mode).
  • Vertically pronounced stability islands which assign a large number of reflection angles to a phase angle in the circular resonator and thus to a single reflection point, form the optimal case.
  • stability islands which can still be assigned to a central phase angle and thus a circular resonator section that is at most as wide as the coupling-out waveguide, can be included, since the coupling-out waveguide not only covers an exit point but also an exit surface.
  • the sought-after number of reflection points can be recognized in the Poincare cut by a massive expression of the stability islands in the form of closely adjacent black points.
  • typical ring-shaped stability islands show the largest circle as a measure of the extent of the stability island, which is densely covered with reflection points.
  • the production of a butt coupling in the growth process of the semiconductor layers is uncomplicated and is technically mastered with the highest reproducibility.
  • the alignment of the coupling waveguide is determined as usual according to the Snellius ' law of refraction. Since the difference between the effective refractive indices of the circular resonator and in the conductor is below the 1% range, the decoupling waveguide can be oriented directly in the direction of the emerging resonator mode, an angle correction is not necessary.
  • the measure of the outcoupled amount of light is determined by the field overlap between the emerging resonator mode and the mode that can be formed in the waveguide. Optical mode propagation fields can be easily represented with conventional computer programs.
  • the dimensioning of, for example, field width transformers with single or double tapered waveguide ribs at cross-sectional transitions using this method is well known.
  • the coupling portion can be adjusted by appropriate dimensioning of the waveguide height and width, that is to say the waveguide cross section.
  • the quality of the microlaser according to the invention can thus be dimensioned and used in engineering terms. In this way, the efficiency of the microlaser with a low-dimensional circular resonator and an integrated, adjustable light valve can be made available as an optical output port, for example for implementing the smallest monochromatic light sources.
  • the end face of the output port must always be designed at its end facing away from the circular resonator such that this end face cannot interfere with the laser characteristic as a competing resonator.
  • a reflection can be sufficiently prevented, for example, by an anti-reflective coating to better than -40 dB or by an anti-reflective coating to better than -10 dB in connection with the formation of the chip interface at an angle of, for example, 7 °.
  • the coupling-out waveguide is designed as a switchable active waveguide with a separate contacting of the active layer.
  • the circular resonator and waveguide thus have the same layer sequence and height and are particularly easy to grow up. Both contain active semiconductor material, so that the outcoupling waveguide can be supplied with an injection current via its own contact to the transparent point. This measure can be used to set when the light valve is opened (injection current flows, the output waveguide is optically transparent) and when it is closed (no injection current, the output waveguide is optically opaque).
  • the light valves can be designed according to the same requirements as previously explained in connection with the one light valve.
  • the coupling-out waveguide is designed as an optical amplifier. An injection current is then applied to the output waveguide well above the transparent point. The light emerging from the microlaser is amplified as a traveling wave when it passes through the output waveguide once.
  • the coupling-out waveguide is designed as a transparent passive waveguide.
  • the layer sequence up to and including the one or more active layers is removed.
  • the optical field overlap determining the degree of decoupling can then be set, for example, by the lateral and vertical guidance of the optical field in a remaining waveguide rib made of quaternary material, in particular GalnAsP.
  • a degree of freedom for setting the field overlap is also an etching of a rib into the underlying n-contact material, in particular InP.
  • the stable resonator modes in the circular resonator can have a clockwise and counterclockwise direction. At the characteristic reflection points, there are therefore two exit directions for a non-perpendicular passage. Both can be used for the light decoupling if, according to a next advantageous embodiment of the micro laser according to the invention, the decoupling waveguide behind the butt coupling point on the circular resonator has a fork for decoupling two directed light beams of a periodic resonator mode rotating in both directions of rotation. With only one butt coupling point, which can be less than 1 ⁇ m depending on the degree of coupling, two optical coupling paths can be created. Despite the simple manufacture, there is an increase in the number of possible uses. Both decoupling waveguides can be designed actively with and without a switching function or passively.
  • the characteristic reflection points are determined by determining the phase angle range for the selected mode path or its characteristic stability islands from the Poincare cut. This Determination of the characteristic reflection points is greatly simplified in the invention in that the symmetry of the circular resonators is reduced to a mirror level. In this way, for example, the case of the pie-like resonator, which has straight edges, is also recorded, but now taking into account the mirror plane for direct coupling of the waveguide. With resonators with only curved edges, however, a further simplification can occur. According to another development of the micro laser according to the invention, the characteristic reflection point is defined locally by the intersection of the mirror plane with the edge in the region of its smallest curvature if the circular resonator is deformed.
  • the second boundary condition required for the localization of the characteristic reflection point via the curvature of the boundary is given.
  • the sought-after reflection point is now always in the single mirror plane where the slightest curvature occurs, that is, in the flatter, "blunt" area of the boundary.
  • the curvature of the reflection surface with the characteristic reflection point correspondingly goes to zero.
  • a special implementation is a stable mode path in the form of a double triangle, in which the characteristic reflection point on the mirror plane is passed twice. All triangular paths that occur are characterized by a characteristic reflection point, which is immutable even with manufacturing tolerances, if, according to a next embodiment, the deformation factor ⁇ i has a value between 0.01 and 0.05 and the deformation factor ⁇ 2 has a value of 0.01 and 0.1 is selected, depending on the combination of values, both factors can still fluctuate by up to ⁇ 30%.
  • a stable resonator mode in a simple triangular shape also results if, after another continuation of the microlaser according to the invention, the circular resonator in the form of a cut ellipse with a large semiaxis a and a small semiaxis b with the polar coordinates r, ⁇ according to the standardized formation formula:
  • the cut-off ellipse has a straight reflection surface (with an infinitely small curvature). Due to the intersection with the mirror plane, there is a characteristic reflection point in the middle with absolute spatial stability even when manufacturing tolerances occur, and again with two The curvature of the ellipse provides additional stabilization of the relevant resonator modes.
  • the distance from the cut parallel plane to the small semiaxis of the ellipse can be chosen as desired, in particular it can also be zero, so that the center of the ellipse is halved along the short semiaxis
  • particularly stable resonator mode in a triangular shape results if the deformation factor ⁇ has a value in a range from 0.3 to 0.9, in particular between 0.75 and 0.85, and a value in the range between 0.25 and 0.75, in particular 0.5, is selected for the section factor ⁇
  • the eccentric combination of two disk resonators with different refractive indices and radii results in a combined resonator in the form of an "annular billiard" with an outer ring and an inner disk resonator.
  • a large number of stable mode orbits can be found here, which are characteristic
  • the resonators in the form of the annular billiard also have only one mirror plane and, accordingly, each have a reflection point which is also stationary under the influence of tolerances and which is particularly suitable for shock coupling of the coupling-out waveguide.
  • the circular resonator is designed in the form of an annular billiard from an outer ring resonator with a constant radius Ri and an inner disk resonator with a smaller radius R 2 , the center points thereof by an eccentricity factor ⁇ are shifted towards each other and have different refractive indices ni, n 2 , two characteristic reflection points are fixed locally by the vertical impingement of the periodic resonator mode on the edge of the outer ring resonator. A large proportion of light transmits to the reflection points violating the condition of total internal reflection, a smaller proportion becomes dependent on the jump in refractive index reflected according to the Fresnel equation.
  • the resonator modes in question advantageously strike the edge perpendicularly, so that only one emerging light beam results in one orientation.
  • a maximum light output can therefore be dissipated via a single, non-forked output waveguide with a corresponding cross section.
  • the decoupled light output should be smaller than the light output determined by the transmission due to the selected field overlap, it must be accepted that the difference is emitted into the room unused.
  • a special laser is to be used, in which the stimulated emission with the remaining portion of the resonator mode (approx. 30%) remaining during transmission occurs.
  • Preferred, stable mode orbits with periodic resonator modes with and without reflection points with violation of the internal total reflection occur if, according to a further invention, for the smaller radius R 2 values between 0.2 Ri and 0.8 Ri and for the eccentricity factor ⁇ values between 0, 3 R 2 and 1, 0 R 2 can be selected, whereby the values can fluctuate in a range of up to ⁇ 30%. Then there are mode tracks in closed and in open polygon shape. In principle, suitable mode trajectories result for all selected smaller radii R 2 if the eccentricity factor ⁇ is selected appropriately. With regard to technical applications, however, the choice of the smaller radii R 2 in a central region is particularly favorable; the choice of the eccentricity factor ⁇ then supports stable mode paths with particularly large stability island configurations.
  • the annular billiard then only consists of a ring resonator and is particularly simple and inexpensive to manufacture.
  • locally narrow mode paths within the resonator are preferred.
  • fewer lines or even only one line are contained in the emission spectra, since fewer longitudinal vibrational states or even only one longitudinal vibrational state occur.
  • the aim should always be a node of the standing longitudinal wave exactly in the characteristic reflection point. Since the preceding explanations deal with the radiation character of light, the aspect mentioned stands in the background with regard to the wave character of light.
  • FIG. 1 shows a microlaser according to the invention with a deformed
  • Figure 2 shows a microlaser according to the invention with a deformed
  • FIG. 3 shows a Poincare section and the associated characteristic mode path for a circular resonator in an egg-like manner
  • FIG. 5 shows a Poincare section and associated characteristic mode paths for a circular resonator in the form of an annular billiard with a low spatial resolution
  • FIG. 6 shows the Poincare cut and associated characteristic mode tracks according to FIG. 5 with a higher spatial resolution
  • Figure 7 shows a Poincare section and the associated characteristic
  • FIG. 8 shows another Poincare section and the associated characteristic mode path for a circular resonator in the form of an annular billiard with a transmissive / refractive inner edge.
  • FIG. 1 shows a microlaser ML according to the invention with a deformed circular resonator CR in an egg-like form.
  • the microlaser ML is grown in a monolithically integrated manner on a substrate SU in a known manner and, in the exemplary embodiment shown, consists of an n-contact layer CL (for example n-doped InP), an n-conducting light-guiding waveguide layer WL (for example n-doped quaternary GalnAsP) a refractive index n ü »of an active layer AL which determines the emission wavelength (for example GalnAsP compound semiconductor with a correspondingly selected energy band gap) and a p-type cover layer SL including a p-contact layer (for example p-doped binary InP with a temporary p-contact layer) , for example GalnAs).
  • CL for example n-doped InP
  • WL for example n-doped quaternary Galn
  • r ( ⁇ ) Ro (1 + ⁇ i cos 2 ⁇ + ⁇ 2 cos 3 ⁇ ).
  • the circular resonator CR has a single one Mirror level MP on, no other mirror levels exist.
  • a stable, periodic resonator mode RM with a mode path MC is shown schematically, the properties of which are exploited in the microlaser ML according to the invention.
  • the resonator mode RM has a triangular mode orbit MC and rotates clockwise and counterclockwise in the circular resonator CR (arrow directions). At characteristic reflection points CPRi, CPR 2 , CPM, the resonator mode RM is totally reflected on the inner boundary IS.
  • the characteristic reflection point CPM is distinguished in a special way since it coincides with the point of intersection of the mirror plane MP with the inner boundary IS of the circular resonator CR on its flatter side.
  • Defined light components of the incident resonator mode RM can exit here in a directed manner. Due to the circulation of the resonator mode RM in both clockwise directions, the exit can take place in two directions in the extension of the respective leg of the triangular mode path MC.
  • an output waveguide WG with an end face AF is optically connected directly by a shock coupling IR.
  • the coupling-out waveguide WG which forms an adjustable optical light valve LV, has an effective refractive index ⁇ W G , which deviates slightly from the effective refractive index nw ⁇ _ of the circular resonator CR.
  • a directional correction based on the effective refractive indices, which take into account the light propagation in limited space, according to Snellius' law of refraction can be omitted due to the small differences in refractive index when coupling out the light, but can also be carried out if necessary.
  • Light from the excellent resonator mode RM can be coupled out in a defined manner via the directly connecting coupling waveguide WG.
  • the measure of the laser light to be coupled out is determined by the measure of the overlap of the optical field of the emerging resonator mode RM at the characteristic reflection point CPM with the optical field of the developing one Fashion in the coupling-out waveguide WG (shown schematically in the figure by gray ellipses). It can be seen that the field can be adjusted in a simple manner via the height and width of the coupling-out waveguide WG.
  • a fork BO of the coupling-out waveguide WG is shown in two waveguides WGi, WG 2 .
  • the coupling waveguide WG or its bifurcated waveguide WGi, WG 2 can then , as shown in the selected example, then increase in width again in the course of the process, in order to provide a stronger waveguide for the light guidance to achieve in curvatures or an adaptation of the optical field for further signal routing.
  • the quality of the microlaser ML according to the invention as a measure of the ratio between the light energy held in the resonator and the emitted light energy can be optimally matched to the respective intended use and dimensioned in terms of construction.
  • the light energy to be decoupled is usually in a range between 10% and 30%.
  • the output waveguide WG shown in FIG. 1 has the same layer structure as the circular resonator CR, which is grown together with the microlaser ML.
  • the decoupling waveguide WG thus also has light-active material and is designed as an active waveguide AWG.
  • the waveguide layer WL can be switched optically opaque or optically transparent by a separate contact, which is not shown in the figure, so that a switchable light valve LV is present as a function of a threshold value current.
  • the output waveguide WG can also be designed as an amplifier. In all cases, reflection at its output facing away from the microlaser ML must be prevented.
  • FIG. 2 also shows an egg-shaped deformed microlaser ML with a butt-coupled coupling-out waveguide WG.
  • the coupling-out waveguide WG shown here has no active layer AL and no cover layer SL and is therefore designed as a transparent passive waveguide PWG.
  • the layer sequence up to and including the active layer (s) is removed again after the growth.
  • the optical field overlap determining the degree of coupling is set by the lateral and vertical guidance of the optical field in the remaining waveguide rib RWG.
  • the optical fields are again represented by corresponding gray ellipses. It can be seen in FIG. 2 that the surge coupling IR in the case of the passive coupling-out waveguide PWG can be made much wider than in the case of the active coupling-out waveguide AWG.
  • FIGS. 3 and 4 Poincare sections that are particularly suitable for the microlaser ML according to the invention are shown with a plot of the calculated reflection angle sin ⁇ over the phase angle ⁇ .
  • FIG. 3 which corresponds to the mode path in only one direction of rotation, in this case the resonator modes RM rotating in the clockwise direction.
  • the reference to the aforementioned Poincare cuts is not to be regarded as conclusive for the invention.
  • FIG. 3 shows the Poincare section for a circular resonator CR with a mirror plane MP in an egg-like form with the standardized formation formula:
  • the assignment of the reflection points RP is indicated by arrows.
  • the double triangle has an apex, which is the characteristic reflection point CPM (cf.
  • the material structure in the circular resonator CR corresponds to that for other typical parameter combinations two neighboring stability islands merge and a stable triangular path is created, which can be assigned to these pronounced stability islands.
  • FIG. 4 shows the Poincare section for a circular resonator CR in the form of a cut-off ellipse with the standardized formation formula:
  • the ellipse shown is cut off half the distance c between a focal point FP and the center MT of the ellipse (a quarter of the distance between the two focal points) parallel to the small semi-axis b, so that the section factor ⁇ has the value 0.5 in the selected exemplary embodiment.
  • the ellipse is thus cut off on one half of the vertical semi-axis b. At least the ellipse can be exactly halved.
  • the result is a stable, revolving resonator mode RM with a triangular mode path MC, which has a characteristic reflection point CPM at the point of intersection of the mirror plane MP with the section plane (see arrows in the Poincare section), in which two directed beams emerge and in a coupling waveguide, not shown, can be coupled.
  • the curvature of the ellipse serves for the special stabilization of the resonator mode RM.
  • the Poincare sections shown in FIGS. 5 to 8 relate to circular resonators CR in the form of an annular billiard with a mirror plane MP.
  • the outer radius Ri is constant (standardization variable “1”), the inner radius R 2 and the center distance between ring and disc resonator RR, DR (eccentricity factor ⁇ ) can be set in relation to the outer radius Ri.
  • the unused portion is released freely into the room, but the advantage in this case is the directed, vertical exit of the laser radiation from the ring resonator RR, so that the entire light output can be transmitted with a single, non-forked waveguide.
  • the total internal reflection is maintained, however, the exit angle between the two light beams is still small enough to be able to receive both beams with a common coupling-out waveguide, which can then bifurcate in the further course.
  • the stable mode tracks MC 4 and MC 5 are particularly suitable for attaching a coupling-out waveguide at the point CPM.
  • the mode tracks MC 1 and MC 3 are completely and mode path MC ⁇ largely unsuitable for the microlaser according to the invention due to their poor stability and is shown here only for comparison of the stability islands resulting from the section calculation, which are shown in the Poincare section according to Figure 6 with a computational resolution of 250 mode paths even more pronounced with 250 points each to recognize and to judge accordingly.
  • This begins and ends in two particularly excellent reflection points CPT-i, CPT 2 , in which the condition of total internal reflection is violated.
  • the resonator mode RM hits the outer boundary IS of the ring resonator RR perpendicularly at both reflection points CPT-i, CPT 2 and transmits with a share of approximately 70%.
  • a decoupling waveguide (not shown further ) , a single, vertically emerging light beam with maximum light output can be received at these points CPT1, CPT 2 .
  • Preferred mode paths MCi, MC 2 with characteristic reflection points CRi, CPM also result here.
  • the mode path MCi corresponds to the mode path MC according to FIG. 5.
  • the mode path MC 2 is particularly interesting, since here the resonator mode RM passes through the inner air space, so that the inner circle of the ring resonator RR can be referred to as a “soft wall” with transmission
  • a “soft wall” with transmission Such an annular billiard design is new and can be used particularly well for the microlaser according to the invention.

Abstract

Microlasers with a closed embodiment of the resonator in various geometrical forms are increasingly used. Up to now light decoupling has been achieved by means of a sub-micrometre gap with undirected light overflowing from the total internal reflection. The degree of decoupling which may be achieved as above is however poor and furthermore the production of gaps in the sub-micrometre range is difficult. The inventive microlaser (ML) thus comprises circular resonators (CR) formed such that characteristic reflection points (CPR1, CPR2, CPM) have stability islands which are as large as possible with high point density, as analysed by the Poincaré section calculation. The resonator modes (RM) occurring are guided in a directed manner into at least one monolithic integrated decoupling waveguide (WG), optically coupled directly to the circular resonator (CR) at a particularly favourable reflection point (CPM), with the front face (AF) thereof, by means of a butt coupling (IR).The degree of decoupling may thus be constructively adjusted by means of the parameters of the optical field overlap at the butt joint (IR). Said microlaser (ML) thus comprises at least one adjustable and switchable light valve (LV), by means of which the above is particularly suitable for various applications as monochromatic light source in continuous and pulsed operation.

Description

Monolithisch integrierter Mikrolaser mit einem nur eine Spiegelebene aufweisenden ZirkularresonatorMonolithically integrated microlaser with a circular resonator that has only one mirror plane
Beschreibungdescription
Die Erfindung bezieht sich auf einen monolithisch integrierten Mikrolaser mit einem nur eine Spiegelebene aufweisenden Zirkularresonator in Halbleiter- schichtaufbau zur planaren Ausbildung umlaufender Resonatormoden, die an Reflexionspunkten im Zirkularresonator reflektiert werden, und mit zumindest einem monolithisch integrierten Auskoppelwellenleiter, der einem ortsfesten Reflexionspunkt einer stabilen Resonatormode zugeordnet ist und einen mit dem Brechungsindex des Zirkularresonators vergleichbaren Brechungsindex aufweist, zur Ausbildung eines optischen Lichtventils für eine einstellbare Lichtauskopplung in die Stirnfläche des Auskoppelwellenleiters.The invention relates to a monolithically integrated microlaser with a circular resonator having only one mirror plane in a semiconductor layer structure for the planar formation of revolving resonator modes, which are reflected at reflection points in the circular resonator, and with at least one monolithically integrated coupling-out waveguide, which is assigned to a fixed reflection point of a stable resonator mode and has a refractive index comparable to the refractive index of the circular resonator, for forming an optical light valve for an adjustable light coupling into the end face of the coupling-out waveguide.
Neben monolithisch integrierten Injektionslasern mit einer linearen Resonatoranordnung (Fabry Perot Laser) und monolithisch integrierten Injektionslasern mit integrierter Braggfilter-Funktion (Distributed Feedback- Laser und Distributed Bragg Reflector-Laser) werden seit kurzer Zeit auch Laser auf der Basis von sogenannten „Zirkularresonatoren" publiziert. Hierbei handelt es sich um Mikrolaser mit einer geschlossenen Ausbildung des Resonators in unterschiedlichen geometrischen Formen, insbesondere in Dreieck-, Kreis- und Ellipsenform. Dabei können die Formen vollständig in Halbleitermaterial („Scheibenresonatoren") oder nur als Berandung („Ringresonator") ausgeführt sein. In allen Varianten wird ausschließlich eine Modenausbildung parallel zur planaren Halbleiterschichtung des Mikrolasers ausgenutzt. Je nach der geometrischen Gestaltung des Mikrolasers bilden sich Typen von stabilen, d.h. ortsfesten Resonatormoden aus, die an der inneren Berandung des Resonators an Reflexionspunkten reflektiert werden. Die stabilen Resonatormoden laufen mit und entgegen dem Uhrzeigersinn im Resonator um, was auch den Fall der Reflexion auf eigenen Rückwegen in nicht geschlossenen Bahnentypen umfasst.In addition to monolithically integrated injection lasers with a linear resonator arrangement (Fabry Perot laser) and monolithically integrated injection lasers with integrated Bragg filter function (distributed feedback laser and distributed Bragg reflector laser), lasers based on so-called "circular resonators" have also recently been published. These are micro-lasers with a closed design of the resonator in different geometric shapes, in particular triangular, circular and elliptical shapes. The shapes can be made entirely of semiconductor material (“disk resonators”) or only as a border (“ring resonator”) In all variants, only a mode formation parallel to the planar semiconductor layer of the micro laser is used Depending on the geometric design of the micro laser, types of stable, that is to say stationary, resonator modes are formed which reflect on the inner edge of the resonator be reflected. The stable resonator modes run clockwise and counterclockwise Resonator around, which also includes the case of reflection on own return paths in non-closed path types.
Für praktische Anwendungen ist die optische Auskopplung von Laserlicht aus dem Zirkularresonator des Mikrolasers von grundlegender Bedeutung. Aus dem Aufsatz [I] „Spatial beam switching and bistability in a diode ring laser" von M.F. Booth et al. (Appl. Phys. Lett., Vol. 76, Febr. 2000, No. 9, pp. 1095-For practical applications, the optical decoupling of laser light from the circular resonator of the micro laser is of fundamental importance. From the article [I] "Spatial beam switching and bistability in a diode ring laser" by M.F. Booth et al. (Appl. Phys. Lett., Vol. 76, Feb. 2000, No. 9, pp. 1095-
1097) wird eine Ecke eines dreieckigen Ringlasers so ausgelegt, dass der1097) a corner of a triangular ring laser is designed so that the
Winkel der Totalreflexion (bei einem üblichen Brechungsindexverhältnis des eingesetzten Materialsystems beträgt dieser ca. 17°) unterschritten wird und nach dem Snellius sehen Brechungsgesetz eine ungeführte und UndefinierteThe angle of total reflection (with a usual refractive index ratio of the material system used is approx. 17 °) is undershot and according to the Snellius refraction law see an unguided and undefined
Freistrahl-Abstrahlung erfolgt. Der Grad der Auskopplung muss durch eine entsprechende Beschichtung der optischen Facette in einem zusätzlichenFree-beam radiation takes place. The degree of decoupling must be covered by an additional coating of the optical facet
Prozessschritt eingestellt werden. Über den Auskopplungsgrad kann die Güte des Lasers als Quotient der gefangenen Energie zur auskoppelbaren Energie festgelegt werden.Process step can be set. The quality of the laser can be determined as the quotient of the captured energy to the uncouplable energy via the degree of decoupling.
Auch im Falle der kreisähnlichen Scheibenresonatoren wird eine definierte Auskopplung bisher nicht erreicht. In der US-PS 5.742.633 wird eine Aus- kopplung über eine Richtkopplerstruktur wie bei passiven Ringresonatoren vorgeschlagen. Dazu verläuft parallel zu einem asymmetrischen Scheibenresonator durch einen Mikrospalt getrennt eine Lichtfaser. Über die Nahfeldwirkung tritt Licht aus dem Zirkularresonator in den Wellenleiter ungerichtet über. Dabei kann nur der Lichtanteil definiert ausgekoppelt werden, der bei der inneren Totalreflexion am Reflexionspunkt über die Berandung herausgerät („eva- nescent wave"). Die Auskopplung wird definiert über die Breite des Mikro- spaltes. Problematisch ist, dass selbst für eine Auskopplung von maximal 10% der Leistung ein Submikrometerspalt auszubilden ist, der den kostspieligen Einsatz einer direktschreibenden Elektronenstrahlbelichtung erfordert und der durch die Prozesstoleranzen mit einem relativ großen Fehler behaftet ist. Zudem kommt erschwerend hinzu, dass bei den sich im Scheibenresonator ausbildenden Quadrupol-typischen Resonatormoden die absolute Lage einer hohen Leistungsdichte nur ungenau bekannt ist. Durch die Prozesstoleranzen bei der Herstellung der einzelnen epitaktisch aufgewachsenen Verbindungshalbleiter und bei der vertikalen Ausbildung der Komponenten sind Schwankungen in den optischen Eigenschaften der Scheiben unvermeidlich. Somit ist eine absolute Bestimmung der Abstrahllage und -winkel äußerst schwierig. Deshalb ist eine Analyse der Strahlendynamik im Phasenraum des Scheibenresonators von Bedeutung. Die Standard-Methode hierfür ist die Erstellung eines sogenannten „Poincare-Schnitts", bei dem die im Zirkularresonator auftretenden Reflexionswinkel χ bzw. deren Werte sin χ über dem Phasenwinkel φ (Umlaufwinkel) entlang der Berandungslinie des Resonators aufgetragen werden. Durch direktes Verbinden der Reflexionspunkte untereinander in der zeitlichen Abfolge ihres Auftretens erhält man eine durchgängige und anschauliche Modenbahn für den Strahlenverlauf. Um die Dynamik der Modenbahnen besser darzustellen, wird der Poincare-Schnitt erstellt, in dem jeder Modenbahn eine Sequenz von Punkten mit den Koordinaten φ, sinχ zugeordnet ist. Für periodische Modenbahnen bilden die Reflexionspunkte im Resonator geschlossene Kurven oder Cluster und treten auch im Poincare-Schnitt in Form von Stabilitätsinseln mit einer entsprechenden Größe und Dichtebelegung von Reflexionspunkten benachbart auf. Bei einem Poincare-Schnitt handelt es sich also um ein „Phasenraumportrait". Die Grundlagen hierfür und für die Ausbildung von Quadrupol-typischen Resonatormoden in deformierten, durch trigonometrische Bildungsformeln beschreibbaren Zirkularresonatoren können dem Aufsatz [II] „High Power Directional Emission from Microlasers with Chaotic Resonators" von C. Gmachl et al. (Science, Vol. 280, June 1998, pp. 1556-1564) entnommen werden.A defined decoupling has not yet been achieved even in the case of circular disk resonators. In US Pat. No. 5,742,633, decoupling via a directional coupler structure as in the case of passive ring resonators is proposed. For this purpose, an optical fiber runs parallel to an asymmetrical disc resonator separated by a micro gap. Due to the near-field effect, light from the circular resonator passes into the waveguide in an undirected manner. Only the portion of light can be decoupled in a defined manner that emerges from the edge during the total internal reflection at the reflection point ("eventscent wave"). The decoupling is defined by the width of the microgap. The problem is that even for a decoupling of a maximum of 10% of the power is to form a submicron gap, which requires the costly use of a direct-writing electron beam exposure and which is associated with a relatively large error due to the process tolerances. In addition, the absolute situation is more difficult with the quadrupole-typical resonator modes which form in the disk resonator one high power density is only vaguely known. Due to the process tolerances in the manufacture of the individual epitaxially grown compound semiconductors and in the vertical design of the components, fluctuations in the optical properties of the panes are inevitable. Thus, an absolute determination of the radiation position and angle is extremely difficult. Therefore an analysis of the beam dynamics in the phase space of the disc resonator is important. The standard method for this is the creation of a so-called "Poincare section", in which the reflection angles χ occurring in the circular resonator or their values sin χ are plotted over the phase angle φ (circumferential angle) along the boundary line of the resonator. By connecting the reflection points directly one after the other in the chronological order of their occurrence one obtains a continuous and descriptive mode path for the ray course. In order to better illustrate the dynamics of the mode paths, the Poincare cut is created in which a sequence of points with the coordinates φ, sinχ is assigned to each mode path. For periodic mode paths, the reflection points in the resonator form closed curves or clusters and also appear in the Poincare section in the form of stability islands with a corresponding size and density assignment of reflection points adjacent. A Poincare section is therefore a "phase space portrait". The basis for this and for the formation of quadrupole-typical resonator modes in deformed circular resonators which can be described by trigonometric formation formulas can be found in the article [II] "High Power Directional Emission from Microlasers with Chaotic Resonators" by C. Gmachl et al. (Science, Vol. 280 , June 1998, pp. 1556-1564).
Weitere Möglichkeiten der Auskopplung aus scheibenförmigen Mikroreso- natoren werden beispielsweise in dem Aufsatz [III] „FDTD Simulation of Photonic Devices and Circuits Based on Circular and Fan-Shaped Microdisks" von A. Sakai et al. (J. of Ligthwave Technol., Vol. 17, No. 8, August 1999, pp. 1493-1499) angegeben, in denen ebenfalls die Ausbildung von dimensionier- baren Submikrometerspalten benötigt wird. Zur Auskopplung werden hier fächerförmige Scheiben als Wellenleiterscheiben eingesetzt. Die Auskopplung erfolgt wiederum über den Nahfeldeffekt bei reflektiertem Licht.Further possibilities for the extraction from disk-shaped microresonators are described, for example, in the article [III] “FDTD Simulation of Photonic Devices and Circuits Based on Circular and Fan-Shaped Microdisks” by A. Sakai et al. (J. of Ligthwave Technol., Vol 17, No. 8, August 1999, pp. 1493-1499) in which the formation of dimensioned bar submicron columns is required. Fan-out disks are used as waveguide disks for decoupling. The decoupling in turn takes place via the near-field effect with reflected light.
Der Stand der Technik, von dem die Erfindung ausgeht, wird in dem Aufsatz [IV] „GalnAs/GaAs Micro-Are Ring Semiconductor Laser" von S. Mitsugi et al. (Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 34, Febr. 1995, pp. 1265-1269) offenbart. Hier wird ein monolithisch integrierter Mikrolaser in dreieckiger „Tortenstückform" mit zwei geraden und einer gekrümmten Reflexionsfläche beschrieben. Parallel im planaren Halbleiterschichtaufbau bildet sich eine stabile, periodische Resonatormode in Dreiecksform aus, die an drei ortfesten Reflexionspunkten jeweils in der Mitte der Reflexionsflächen reflektiert wird. Der bekannte Zirkularresonator weist nur eine Spiegelebene auf, die von der Spitze zwischen den beiden geraden Reflexionsflächen zur Mitte der gekrümmten Reflexionsfläche verläuft. Über einen Mikrospalt zwischen einer geraden Reflexionsfläche und einem Auskoppelwellenleiter wird über die Nahfeldwirkung bei der Reflexion austretendes Licht aus dem Zirkularresonator ungerichtet übergekoppelt. Der Auskoppelwellenleiter ist außerhalb der Spiegelebene dem entsprechenden ortsfesten Reflexionspunkt unter einem spitzen Winkel zur Reflexionsfläche so zugeordnet, dass das Licht in seine Stirnfläche gelangt. Die auszukoppelnde Lichtmenge kann über die Wahl des Brechungsindexes des Wellenleiters unterhalb des Brechungsindexes des Resonators sowie durch eine Spaltbreite von unter 1 μm eingestellt werden, sodass ein optisches Lichtventil mit einer einstellbaren Auskopplung vorliegt. Allerdings kann nur maximal eine Kopplungseffizienz von 1 % erreicht werden. Darüber hinaus stellt die kritische Submikrometer-Strukturierung des Zwischenraums große Anforderungen an die Fertigung. Eine reproduzierbare Herstellung ist problematisch.The prior art on which the invention is based is described in the article [IV] "GalnAs / GaAs Micro-Are Ring Semiconductor Laser" by S. Mitsugi et al. (Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 34, Febr 1995, pp. 1265-1269), which describes a monolithically integrated microlaser in a triangular “pie slice shape” with two straight and one curved reflection surface. In parallel in the planar semiconductor layer structure, a stable, periodic resonator mode is formed in a triangular shape, which is reflected at three fixed reflection points in the middle of the reflection surfaces. The known circular resonator has only one mirror plane, which runs from the tip between the two straight reflection surfaces to the center of the curved reflection surface. Via a micro-gap between a straight reflection surface and a coupling-out waveguide, light emerging from the circular resonator is coupled in via the near-field effect during the reflection. The coupling-out waveguide is assigned outside the mirror plane to the corresponding fixed reflection point at an acute angle to the reflection surface in such a way that the light reaches its end face. The amount of light to be decoupled can be set by choosing the refractive index of the waveguide below the refractive index of the resonator and by a gap width of less than 1 μm, so that an optical light valve with an adjustable decoupling is present. However, a maximum coupling efficiency of 1% can only be achieved. In addition, the critical submicron structuring of the intermediate space places great demands on production. Reproducible production is problematic.
Die Aufgabe für die vorliegende Erfindung ist deshalb darin zu sehen, einen monolithisch integrierten Mikrolaser mit einem Zirkularresonator der eingangs beschriebenen Gattung so mit einem Auskoppelwellenleiter zu verbinden, dass zum einen Auskoppelleistungen in einem weiten Bereich erzielbar sind, sodass der Mikrolaser in seiner Güte umfassend dimensionierbar ist. Zum anderen soll die konstruktive Gestaltung möglichst einfach sein, sodass keine produktionstechnisch komplizierten Anforderungen entstehen und eine reproduzierbare und hochgenaue Herstellung sicher gewährleistet ist.The object of the present invention is therefore to be seen in connecting a monolithically integrated microlaser with a circular resonator of the type described at the beginning to a coupling-out waveguide in such a way that coupling-out powers can be achieved in a wide range, on the one hand, so that the quality of the microlaser can be dimensioned comprehensively. On the other hand, the constructive design should be as simple as possible, so that no production-technically complicated requirements arise and a reproducible and highly precise production is guaranteed.
Als Lösung hierfür ist bei einem gattungsgemäßen Mikrolaser mit nur einer Spiegelebene und zumindest einem Auskoppelwellenleiter, der einem ortsfesten Reflexionspunkt einer periodischen Resonatormode zugeordnet ist deshalb vorgesehen, dass der ortsfeste Reflexionspunkt in einem für eine vorgegebene Dimensionierung des Zirkularresonators rechnerisch erstellten Poincare-Schnitt durch im Vergleich zu anderen berechneten Stabilitätsinseln möglichst große und dichtbelegte Stabilitätsinseln einer auftretenden stabilen Resonatormode örtlich festgelegt ist und dass in diesem charakteristischen Reflexionspunkt der Auskoppelwellenleiter unmittelbar mit dem Zirkularreso- nator über eine Stoßkoppelstelle zur Auskopplung eines gerichteten Lichtstrahls optisch verbunden ist, wobei der Grad der Auskopplung durch eine Dimensionierung der an der Stoßkoppelstelle auftretenden optischen Feldüberlappung zwischen der stabilen Resonatormode und der sich ausprägenden Mode im Auskoppelwellenleiter einstellbar ist.In a generic microlaser with only one mirror plane and at least one coupling-out waveguide, which is assigned to a fixed reflection point of a periodic resonator mode, the solution for this is therefore that the fixed reflection point in a Poincare section computed for a given dimensioning of the circular resonator by comparison with other calculated stability islands, the largest possible and densely occupied stability islands of a occurring stable resonator mode are fixed locally and that in this characteristic reflection point the coupling waveguide is optically connected directly to the circular resonator via a butt coupling point for coupling out a directed light beam, the degree of coupling out being dimensioned by optical field overlap occurring at the butt coupling point between the stable resonator mode and the expressed mode in the coupling-out waveguide ter is adjustable.
Bei dem erfindungsgemäßen Mikrolaser wird eine gerichtete Lichtauskopplung erreicht. Es wird nicht, wie bei bekannten Mikrospalten und Parallelverläufen im Nahfeldeffekt „überschwappendes" Licht mit einem geringen Leistungsanteil im Bereich eines beliebigen ortsfesten Reflexionspunkts genutzt, sondern es wird zumindest ein charakteristischer Reflexionspunkt durch einen unmittelbar mit seiner Stirnfläche anstoßenden Auskoppelwellenleiter direkt „angezapft", sodass hier die auftreffende stabile Resonatormode in Form eines gerichteten Lichtstrahls aus dem Zirkularresonator gezielt austreten kann. Das Laserlicht tritt in Abhängigkeit von der optischen Feldüberlappung teilweise in den Auskoppelwellenleiter über, dessen Brechungsindex einen in der Regel nur geringfügigen positiven oder negativen Unterschied zum Brechungsindex des Zirkularresonators aufweist. Damit tritt die Auskopplungsstelle trotz ihrer Ausgeprägtheit für das Laserlicht nicht als „Störungsstelle", sondern vielmehr als „lineare Verlängerung" des Resonatorringes auf, wodurch die Lichtleistungsverluste sehr gering sind.In the microlaser according to the invention, directional light decoupling is achieved. It is not used, as in known micro-gaps and parallel profiles in the near-field effect, "spilling" light with a low power component in the region of any fixed reflection point, but at least one characteristic reflection point is directly "tapped" by a coupling waveguide directly abutting its end face, so that here the impinging stable resonator mode in the form of a directed light beam can emerge from the circular resonator in a targeted manner. Depending on the optical field overlap, the laser light partially passes into the coupling-out waveguide, the refractive index of which generally has only a slight positive or negative difference to the refractive index of the circular resonator. Thus, the decoupling point occurs despite it Pronouncedness for the laser light not as a "fault location", but rather as a "linear extension" of the resonator ring, as a result of which the light output losses are very low.
Zur örtlichen Festlegung des charakteristischen Reflexionspunktes werden die bekannten Berechnungs- und Darstellungsmethoden eingesetzt (vgl. Aufsatz [II]), aber bezüglich des neuen Aspekts der spaltfreien Stoßkopplung interpretiert. In den Poincare-Schnitten wird bei der Erfindung deshalb ganz gezielt nach möglichst großen und dicht belegten Stabilitätsinseln und Clusterbildungen der Reflexionspunkte als Anzeichen für eine besonders starke und stabile, periodische Resonatormode gesucht, die zumindest drei, besonders ausgezeichnete charakteristische Reflexionspunkte zur Stoßkopplung eines Koppelwellenleiters aufweist (Dreiecksmode). Dabei bilden vertikal ausgeprägte Stabilitätsinseln, die eine Vielzahl von Reflexionswinkeln einem Phasenwinkel im Zirkularresonator und damit einem einzelnen Reflexionspunkt zuordnen, den Optimalfall. Aber auch vertikal und horizontal ausgeprägte Stabilitätsinseln, die noch einem zentralen Phasenwinkel und damit einem Zirkularresonatorabschnitt, der maximal so breit ist wie der Auskoppeiwellenleiter, zuzuordnen sind, können einbezogen werden, da mit dem Auskoppeiwellenleiter nicht nur ein Austrittspunkt, sondern eine Austrittsfläche überdeckt wird. Die gesuchte Vielzahl von Reflexionspunkten ist im Poincare-Schnitt durch eine massive Ausprägung der Stabilitätsinseln in Form von dicht benachbarten schwarzen Punkten zu erkennen. Typische ringförmige Stabilitätsinseln zeigen in Abhängigkeit von der gewählten Berechnungsauflösung den größten Kreis als Maß für die Ausdehnung der dicht mit Reflexionspunkten belegten Stabilitätsinsel an.The known calculation and representation methods are used to determine the characteristic reflection point (see article [II]), but are interpreted with regard to the new aspect of the gap-free butt coupling. In the Poincare sections, the invention therefore specifically searches for the largest possible and densely populated stability islands and clustering of the reflection points as an indication of a particularly strong and stable, periodic resonator mode which has at least three, particularly excellent characteristic reflection points for the butt coupling of a coupling waveguide ( triangle mode). Vertically pronounced stability islands, which assign a large number of reflection angles to a phase angle in the circular resonator and thus to a single reflection point, form the optimal case. However, vertically and horizontally pronounced stability islands, which can still be assigned to a central phase angle and thus a circular resonator section that is at most as wide as the coupling-out waveguide, can be included, since the coupling-out waveguide not only covers an exit point but also an exit surface. The sought-after number of reflection points can be recognized in the Poincare cut by a massive expression of the stability islands in the form of closely adjacent black points. Depending on the calculation resolution selected, typical ring-shaped stability islands show the largest circle as a measure of the extent of the stability island, which is densely covered with reflection points.
Die Herstellung einer Stoßkopplung im Aufwachsprozess der Halbleiterschichten ist unkompliziert und wird technisch mit höchster Reproduziergüte beherrscht. Die Ausrichtung des Auskoppelwellenleiters wird wie üblich nach dem Snellius 'sehen Brechungsgesetz bestimmt. Da die Differenz der effektiven Brechungsindizes von Zirkularresonator und im Auskoppelwellen- leiter unterhalb des 1%-Bereichs liegt, kann der Auskoppeiwellenleiter direkt in Richtung des austretenden Resonatormode orientiert werden, eine Winkelkorrektur ist nicht erforderlich. Das Maß der ausgekoppelten Lichtmenge wird über die Feldüberlappung zwischen der austretenden Resonatormode und der im Wellenleiter ausbildbaren Mode festgelegt. Optische Modenausbreitungsfelder sind mit herkömmlichen Rechenprogrammen problemlos darstellbar. Die Dimensionierung beispielsweise von Feldweitentransformatoren mit einfach oder doppelt getaperten Wellenleiterrippen an Querschnittsübergängen nach dieser Methode ist hinlänglich bekannt. Durch eine entsprechende Dimensionierung von Wellenleiterhöhe und -breite, also des Wellenleiterquerschnitts, ist der Auskopplungsanteil einstellbar. Der erfindungsgemäße Mikrolaser ist damit in seiner Güte ingenieurmäßig dimensionier- und einsetzbar. Somit können in ihrem Wirkungsgrad einstellbare Mikrolaser mit einem niederdimensionalen Zirkularresonator und einem integrierten einstellbaren Lichtventil als optischem Ausgangsport beispielsweise zur Realisierung kleinster monochromatischer Lichtquellen zur Verfügung gestellt werden. Die Endfläche des Ausgangsport ist an seinem vom Zirkularresonator abgewandten Ende stets so auszulegen, dass diese Endfläche nicht als konkurrierender Resonator die Lasercharakteristik stören kann. Eine Reflexion kann beispielsweise durch eine Entspiegelung auf besser als -40 dB oder durch eine Entspiegelung auf besser als -10 dB in Verbindung mit einer Ausbildung der Chipgrenzfläche unter einem Winkel von z.B. 7° ausreichend verhindert werden.The production of a butt coupling in the growth process of the semiconductor layers is uncomplicated and is technically mastered with the highest reproducibility. The alignment of the coupling waveguide is determined as usual according to the Snellius ' law of refraction. Since the difference between the effective refractive indices of the circular resonator and in the conductor is below the 1% range, the decoupling waveguide can be oriented directly in the direction of the emerging resonator mode, an angle correction is not necessary. The measure of the outcoupled amount of light is determined by the field overlap between the emerging resonator mode and the mode that can be formed in the waveguide. Optical mode propagation fields can be easily represented with conventional computer programs. The dimensioning of, for example, field width transformers with single or double tapered waveguide ribs at cross-sectional transitions using this method is well known. The coupling portion can be adjusted by appropriate dimensioning of the waveguide height and width, that is to say the waveguide cross section. The quality of the microlaser according to the invention can thus be dimensioned and used in engineering terms. In this way, the efficiency of the microlaser with a low-dimensional circular resonator and an integrated, adjustable light valve can be made available as an optical output port, for example for implementing the smallest monochromatic light sources. The end face of the output port must always be designed at its end facing away from the circular resonator such that this end face cannot interfere with the laser characteristic as a competing resonator. A reflection can be sufficiently prevented, for example, by an anti-reflective coating to better than -40 dB or by an anti-reflective coating to better than -10 dB in connection with the formation of the chip interface at an angle of, for example, 7 °.
Wie bei allen Ventilen ist auch bei einem Lichtventil dessen Schaltfunktion von Bedeutung. Dadurch können Anwendungen mit einem intermittierenden Betrieb mit einstellbaren Zeitfenstern realisiert werden. Deshalb ist bei einer Fortführung des Mikrolasers nach der Erfindung vorgesehen, dass der Auskoppeiwellenleiter als schaltbarer aktiver Wellenleiter mit einer separaten Kontaktierung der aktiven Schicht ausgebildet ist. Damit weisen Zirkularresonator und Wellenleiter dieselbe Schichtenfolge und Höhe auf und sind besonders einfach aufzuwachsen. Beide enthalten aktives Halbleitermaterial, sodass auch der Auskoppeiwellenleiter mit einem Injektionsstrom über eine eigene Kontaktierung bis zum Transparentpunkt beaufschlagt werden kann. Durch diese Maßnahme kann eingestellt werden, wann das Lichtventil geöffnet (Injektionsstrom fließt, Auskoppeiwellenleiter ist optisch transparent) und wann es geschlossen ist (kein Injektionsstrom, Auskoppeiwellenleiter ist optisch undurchlässig).As with all valves, the switching function of a light valve is also important. This means that applications with intermittent operation with adjustable time windows can be implemented. Therefore, in a continuation of the micro laser according to the invention, it is provided that the coupling-out waveguide is designed as a switchable active waveguide with a separate contacting of the active layer. The circular resonator and waveguide thus have the same layer sequence and height and are particularly easy to grow up. Both contain active semiconductor material, so that the outcoupling waveguide can be supplied with an injection current via its own contact to the transparent point. This measure can be used to set when the light valve is opened (injection current flows, the output waveguide is optically transparent) and when it is closed (no injection current, the output waveguide is optically opaque).
Für die Stoßkopplung mit dem Auskoppeiwellenleiter sind prinzipiell alle auftretenden ortsfesten Reflexionspunkte periodischer Resonatormoden mit stabilen Modenbahnen geeignet. Die monolithische Realisierung unter Anwendung epitaktischen Aufwachsens der Schichten und Mikrostrukturie- rungsverfahren ermöglicht jede radiale Positionierung des Auskoppelwellenleiters am Zirkularresonator. In der Regel wird für die konkrete Anwendung ein charakteristischer Reflexionspunkt für die Stoßkopplung eines Auskoppel- Wellenleiters ausgesucht. Es gibt aber spezielle Einsatzfälle, in denen die Anbringung von zwei oder auch drei Lichtventilen an einem Zirkularresonator sinnvoll ist. Diese können entweder zu einer Steigerung der auskoppelbaren Lichtleistung führen, wobei in der Regel ein Anteil von 30% zur Aufrechterhaltung der Resonatorfunktion nicht überschritten werden sollte, oder zu einer Erweiterung der Einsatzmöglichkeiten, insbesondere zur Ausführung von Parallelfunktionen. Dabei können die Lichtventile nach denselben Maßgaben gestaltet sein, wie zuvor im Zusammenhang mit dem einen Lichtventil erläutert.In principle, all occurring fixed reflection points of periodic resonator modes with stable mode paths are suitable for the butt coupling with the coupling-out waveguide. The monolithic implementation using epitaxial growth of the layers and micro-structuring processes enables any radial positioning of the coupling-out waveguide on the circular resonator. As a rule, a characteristic reflection point for the impact coupling of a coupling-out waveguide is selected for the specific application. However, there are special applications in which the attachment of two or even three light valves to a circular resonator makes sense. These can either lead to an increase in the light output that can be coupled out, as a rule a proportion of 30% to maintain the resonator function should not be exceeded, or to an expansion of the possible uses, in particular for executing parallel functions. The light valves can be designed according to the same requirements as previously explained in connection with the one light valve.
Eine weitere Gestaltungsmöglichkeit besteht gemäß einer nächsten Erfindungsfortführung darin, dass der Auskoppeiwellenleiter als optischer Verstärker ausgebildet ist. Der Ausgangswellenleiter wird dann deutlich über dem Transparentpunkt mit einem Injektionsstrom beaufschlagt. Das aus dem Mikrolaser austretende Licht wird beim einmaligen Durchlaufen des Auskoppeiwellenleiter als Wanderwelle verstärkt.According to a next development of the invention, a further design option is that the coupling-out waveguide is designed as an optical amplifier. An injection current is then applied to the output waveguide well above the transparent point. The light emerging from the microlaser is amplified as a traveling wave when it passes through the output waveguide once.
Neben einem modulierten Betrieb findet auch ein konstanter Betrieb des erfindungsgemäßen Mikrolaser mit hoher Konstanz Anwendungsfälle. Deshalb besteht gemäß einer anderen Ausgestaltung des Mikrolasers nach der Erfindung die Möglichkeit, dass der Auskoppeiwellenleiter als transparenter passiver Wellenleiter ausgebildet ist. In diesem Fall wird die Schichtenfolge bis einschließlich der einen oder mehreren aktiven Schichten entfernt. Die den Auskopplungsgrad bestimmende optische Feldüberlappung kann dann beispielsweise durch die laterale und vertikale Führung des optischen Feldes in einer verbleibenden Wellenleiterrippe aus quatemärem Material, insbesondere GalnAsP, eingestellt werden. Für das Design steht als Freiheitsgrad zur Einstellung der Feldüberlappung auch ein Hineinätzen einer Rippe in darunter liegendes n-Kontaktmaterial, insbesondere InP, offen. Weiterhin besteht die technologisch aufwändigere Möglichkeit der Herstellung des dauerhaft transparenten Auskoppelwellenleiters unter Anwendung eines flächenselektiven epitaktischen Wachstumsschritts.In addition to modulated operation, constant operation of the microlaser according to the invention with high constancy is also used. Therefore According to another embodiment of the microlaser according to the invention, there is the possibility that the coupling-out waveguide is designed as a transparent passive waveguide. In this case, the layer sequence up to and including the one or more active layers is removed. The optical field overlap determining the degree of decoupling can then be set, for example, by the lateral and vertical guidance of the optical field in a remaining waveguide rib made of quaternary material, in particular GalnAsP. For the design, a degree of freedom for setting the field overlap is also an etching of a rib into the underlying n-contact material, in particular InP. Furthermore, there is the technologically more complex possibility of producing the permanently transparent coupling-out waveguide using an area-selective epitaxial growth step.
Die stabilen Resonatormoden im Zirkularresonator können einen Umlaufsinn in Uhrzeigerrichtung und entgegen dazu haben. An den charakteristischen Reflexionspunkten ergeben sich deshalb bei einem nicht-senkrechten Durchtritt zwei Austrittsrichtungen. Beide können für die Lichtauskopplung genutzt werden, wenn gemäß einer nächsten vorteilhaften Ausgestaltung des Mikrolasers nach der Erfindung der Auskoppeiwellenleiter hinter der Stoßkoppelstelle am Zirkularresonator eine Gabelung zur Auskopplung von zwei gerichteten Lichtstrahlen einer in beiden Umlaufrichtungen umlaufenden periodischen Resonatormode aufweist. Mit nur einer Stoßkoppelstelle, die je nach dem Auskopplungsgrad unter 1 μm schmal sein kann, können somit zwei optische Auskoppelwege erzeugt werden. Trotz einfacher Herstellung ist damit eine Vergrößerung der Anwendungsmöglichkeiten gegeben. Dabei können beide Auskoppeiwellenleiter aktiv mit und ohne Schaltfunktion oder passiv ausgelegt sein.The stable resonator modes in the circular resonator can have a clockwise and counterclockwise direction. At the characteristic reflection points, there are therefore two exit directions for a non-perpendicular passage. Both can be used for the light decoupling if, according to a next advantageous embodiment of the micro laser according to the invention, the decoupling waveguide behind the butt coupling point on the circular resonator has a fork for decoupling two directed light beams of a periodic resonator mode rotating in both directions of rotation. With only one butt coupling point, which can be less than 1 μm depending on the degree of coupling, two optical coupling paths can be created. Despite the simple manufacture, there is an increase in the number of possible uses. Both decoupling waveguides can be designed actively with and without a switching function or passively.
Die charakteristischen Reflexionspunkte werden durch die Ermittlung des Phasenwinkelbereichs für die ausgewählte Modenbahn bzw. deren charakteristischen Stabilitätsinseln aus dem Poincare-Schnitt festgelegt. Diese Bestimmung der charakteristischen Reflexionspunkte wird bei der Erfindung dadurch stark vereinfacht, dass die Symmetrie der Zirkularresonatoren auf eine Spiegelebene erniedrigt ist. Dadurch wird beispielsweise auch der Fall des tortenstückähnlichen Resonators, der gerade Berandungen aufweist, erfasst, allerdings nunmehr unter Berücksichtigung der Spiegelebene zur direkten Ankopplung des Wellenleiters. Bei Resonatoren mit ausschließlich gekrümmter Berandung kann dagegen noch eine weitere Vereinfachung eintreten. Hierbei handelt es sich gemäß einer anderen Fortführung des Mikrolasers nach der Erfindung darum, dass bei einer deformierten Ausbildung des Zirkularresonators der charakteristische Reflexionspunkt durch den Schnittpunkt der Spiegelebene mit der Berandung im Bereich ihrer geringsten Krümmung örtlich festgelegt ist. Da die Spiegelebene zwei Schnittpunkte mit der Berandung hat, wird die zweite erforderliche Randbedingung zur Lokalisation des charakteristischen Reflexionspunktes über die Krümmung der Berandung angegeben. Der gesuchte Reflexionspunkt liegt nunmehr in der einzigen Spiegelebene immer dort, wo die geringste Krümmung auftritt, das heißt im flacheren, „stumpfen" Bereich der Berandung. Im Sonderfall des „Tortenstücks" geht die Krümmung der Reflexionsfläche mit dem charakteristischen Reflexionspunkt entsprechend gegen Null. Der große Vorteil der Wahl dieses ortsfesten Reflexionspunktes ist darin zu sehen, dass alle anderen Reflexionspunkte außerhalb der Spiegelebene aufgrund von unvermeidlichen Herstellungstoleranzen ihre Position durch eine asymmetrische Verschiebung der stabilen Modenbahn gegebenenfalls so verändern können, dass sie den Bereich einer Stoßkopplung verlassen. Im Reflexionspunkt auf der Spiegelebene erfolgt die Verschiebung der beiden Modenbahnschenkel symmetrisch, sodass sie stets kompensiert wird und der Reflexionspunkt auf der Spiegelebene ortsfest bleibt.The characteristic reflection points are determined by determining the phase angle range for the selected mode path or its characteristic stability islands from the Poincare cut. This Determination of the characteristic reflection points is greatly simplified in the invention in that the symmetry of the circular resonators is reduced to a mirror level. In this way, for example, the case of the pie-like resonator, which has straight edges, is also recorded, but now taking into account the mirror plane for direct coupling of the waveguide. With resonators with only curved edges, however, a further simplification can occur. According to another development of the micro laser according to the invention, the characteristic reflection point is defined locally by the intersection of the mirror plane with the edge in the region of its smallest curvature if the circular resonator is deformed. Since the mirror plane has two points of intersection with the boundary, the second boundary condition required for the localization of the characteristic reflection point via the curvature of the boundary is given. The sought-after reflection point is now always in the single mirror plane where the slightest curvature occurs, that is, in the flatter, "blunt" area of the boundary. In the special case of the "piece of cake", the curvature of the reflection surface with the characteristic reflection point correspondingly goes to zero. The great advantage of choosing this fixed reflection point can be seen in the fact that all other reflection points outside the mirror plane can change their position due to inevitable manufacturing tolerances by an asymmetrical shift of the stable mode path so that they leave the area of a butt coupling. At the point of reflection on the mirror plane, the shifting of the two mode rail legs takes place symmetrically, so that it is always compensated for and the point of reflection on the mirror plane remains stationary.
Der Begriff „Deformation" wird in der einschlägigen Literatur für die beliebige Abweichung vom idealen Kreis in Richtung auf die ideale Ellipse verwendet, die zwei unterschiedlich lange Halbachsen aufweist. Je nach derenThe term “deformation” is used in the relevant literature for any deviation from the ideal circle towards the ideal ellipse, which has two semi-axes of different lengths
Dimensionierung können beliebig gekrümmte Figuren mit einer Spiegelebene erzeugt werden. Aufbauend auf der Ellipse kann deshalb nach einer weiteren Erfindungsfortführung vorgesehen sein, dass der Zirkularresonator in Ei- ähnlichen Form mit den Polarkoordinaten r, φ nach der normierten Bildungsformel : r(φ) = R0 (1 + εi cos 2φ + ε2 cos 3φ)Sizing can be arbitrarily curved figures with a mirror plane be generated. Building on the ellipse, it can therefore be provided, according to a further development of the invention, that the circular resonator in egg-like form with the polar coordinates r, φ according to the standardized formation formula: r (φ) = R 0 (1 + εi cos 2φ + ε 2 cos 3φ )
mit einem konstanten mittleren Radius R0 und wählbaren Deformationsfaktoren εi, ε2 ausgebildet ist. Im Fall von ει=ε2=0 liegt wieder ein Kreis mit dem konstanten Radius Ro vor. Ist nur ε2=0, so entsteht eine Quadrupol-Kurve. Für εi ≠O, ε2 ≠O erbringt die Kosinusfunktion entsprechend ihres Vorzeichens und Betrags eine Modulation des mittleren Radius R0. Im vorliegenden Fall werden zwei Deformationsfaktoren gewählt, die mit unterschiedlichen Perioden des Kosinus in die Bildungsfunktion eingehen, um einen größeren Spielraum bei der Wertebelegung der Faktoren zu erhalten. Bei einer einfachen Verformung des Zirkularresonators entstehen in der Regel Dreiecksbahnen, die wenig von der Form eines gleichseitigen Dreiecks abweichen. Eine spezielle Realisierung ist eine stabile Modenbahn in Form eines Doppeldreiecks, bei der der charakteristische Reflexionspunkt auf der Spiegelebene doppelt durchlaufen wird. Alle auftretenden Dreiecksbahnen zeichnen sich durch einen charakteristischen, auch bei Herstellungstoleranzen unveränderlich ortsfesten Reflexionspunkt aus, wenn nach einer nächsten Ausgestaltung für den Deformationsfaktor εi ein Wert zwischen 0,01 und 0,05 und den Deformationsfaktor ε2 ein Wert 0,01 und 0,1 gewählt wird, wobei je nach Wertekombination beide Faktoren noch um bis zu ±30% schwanken können. Die endgültigen, genauen Wertekombinationen, beispielsweise εi = 0,02 und ε2 = 0,03, sind stets mit dem Ziel zu überprüfen, dass möglichst große und dichtbelegte Stabilitätsinseln im Poincare-Schnitt auftreten, die mit ausgeprägt stabilen Moden korrespondieren. Im charakteristischen Reflexionspunkt treten durch den beidrichtigen Umlaufsinn der stabilen Resonatormode zwei Lichtstrahlen aus, da selbst bei der Realisierung des Doppeldreiecks der Winkel zwischen den beiden, pro Umlaufsinn eintreffenden Strahlen so gering ist, dass beide Lichtstrahlen von einem gemeinsamen Auskoppeiwellenleiter, der dann eine Gabelung aufweist, erfasst werden können. Die Ausprägung einer Modenbahn in Form eines Doppeldreiecks ist daher nicht kritisch und kann der Gruppe der dreieckigen Modenbahnen zugerechnet werden.is formed with a constant mean radius R 0 and selectable deformation factors εi, ε 2 . In the case of ει = ε 2 = 0, there is again a circle with the constant radius Ro. If only ε 2 = 0, a quadrupole curve is created. For εi ≠ O, ε 2 ≠ O the cosine function produces a modulation of the mean radius R 0 according to its sign and amount. In the present case, two deformation factors are chosen which enter into the educational function with different periods of the cosine in order to obtain a greater scope in the value assignment of the factors. With a simple deformation of the circular resonator, triangular paths are usually formed which deviate little from the shape of an equilateral triangle. A special implementation is a stable mode path in the form of a double triangle, in which the characteristic reflection point on the mirror plane is passed twice. All triangular paths that occur are characterized by a characteristic reflection point, which is immutable even with manufacturing tolerances, if, according to a next embodiment, the deformation factor εi has a value between 0.01 and 0.05 and the deformation factor ε 2 has a value of 0.01 and 0.1 is selected, depending on the combination of values, both factors can still fluctuate by up to ± 30%. The final, precise combinations of values, for example εi = 0.02 and ε 2 = 0.03, should always be checked with the aim that large and densely populated stability islands appear in the Poincare cut, which correspond to distinctly stable modes. At the characteristic reflection point, two light beams emerge due to the two-way sense of rotation of the stable resonator mode Even when realizing the double triangle, the angle between the two rays arriving per direction of rotation is so small that both light rays can be detected by a common coupling-out waveguide, which then has a fork. The design of a mode line in the form of a double triangle is therefore not critical and can be assigned to the group of triangular mode lines.
Eine stabile Resonatormode in einfacher Dreiecksform ergibt sich ebenfalls, wenn nach einer anderen Fortführung des Mikrolasers nach der Erfindung der Zirkularresonator in der Form einer abgeschnittenen Ellipse mit einer großen Halbachse a und einer kleinen Halbachse b mit den Polarkoordinaten r, φ nach der normierten Bildungsformel:A stable resonator mode in a simple triangular shape also results if, after another continuation of the microlaser according to the invention, the circular resonator in the form of a cut ellipse with a large semiaxis a and a small semiaxis b with the polar coordinates r, φ according to the standardized formation formula:
r(φ ) = [(1 - εT4] / [l + ε cos φ]r (φ) = [(1 - εT 4 ] / [l + ε cos φ]
mit einem mittleren Radius R0 = (1 -ε2)1/4 und einem Deformationsfaktor ε = (a -b2)1/2/a ausgebildet ist, die an einer durch einen gewählten Abschnittsfaktor τ vorgegebenen Stelle zwischen einem Brennpunkt und dem Mittelpunkt der Ellipse parallel zur kleinen Halbachse b abgeschnitten ist. Ähnlich wie bei dem Zirkularresonator in „Tortenstückform" tritt bei der abgeschnittenen Ellipse eine gerade Reflexionsfläche (mit einer unendlich kleinen Krümmung) auf. Durch den Schnittpunkt mit der Spiegelebene liegt in deren Mitte ein charakteristischer Reflexionspunkt mit absoluter Ortsfestigkeit auch bei auftretenden Herstellungstoleranzen und wiederum mit zwei Ausstrahlrichtungen. Durch die Krümmung der Ellipse wird eine zusätzliche Stabilisierung der relevanten Resonatormoden erreicht. Die Distanz der abgeschnittenen Parallelebene zur kleinen Halbachse der Ellipse ist beliebig wählbar, insbesondere kann sie auch Null betragen, sodass die Ellipse im Mittelpunkt entlang der kurzen Halbachse halbiert ist. Eine besonders stabile Resonatormode in Dreiecksform ergibt sich gemäß einer nächsten Erfindungsausgestaltung, wenn für den Deformationsfaktor ε ein Wert in einem Bereich von 0,3 bis 0,9, insbesondere zwischen 0,75 und 0,85, und für den Abschnittsfaktor τ ein Wert in einem Bereich zwischen 0,25 und 0,75, insbesondere 0,5, gewählt wirdis formed with an average radius R 0 = (1 -ε 2 ) 1/4 and a deformation factor ε = (a -b 2 ) 1/2 / a, which at a point predetermined by a selected section factor τ between a focal point and the The center of the ellipse is cut parallel to the small semiaxis b. Similar to the circular pie-shaped resonator, the cut-off ellipse has a straight reflection surface (with an infinitely small curvature). Due to the intersection with the mirror plane, there is a characteristic reflection point in the middle with absolute spatial stability even when manufacturing tolerances occur, and again with two The curvature of the ellipse provides additional stabilization of the relevant resonator modes. The distance from the cut parallel plane to the small semiaxis of the ellipse can be chosen as desired, in particular it can also be zero, so that the center of the ellipse is halved along the short semiaxis According to a next embodiment of the invention, particularly stable resonator mode in a triangular shape results if the deformation factor ε has a value in a range from 0.3 to 0.9, in particular between 0.75 and 0.85, and a value in the range between 0.25 and 0.75, in particular 0.5, is selected for the section factor τ
Aus der exzentrischen Kombination zweier Scheibenresonatoren mit unter- schiedlichen Brechungsindizes und Radien entsteht ein kombinierter Resonator in der Form eines „annularen Billards" mit einem äußeren Ring- und einem inneren Scheibenresonator. Bei einer geeigneten Parameterwahl findet man hier eine Vielzahl von stabilen Modenbahnen, die charakteristische ortsfeste Reflexionspunkte aufweisen. Auch die Resonatoren in Form des annularen Billards weisen nur eine Spiegelebene und dementsprechend jeweils einen auch unter Toleranzeinflüssen ortsfesten Reflexionspunkt auf, der besonders für eine Stoßkopplung des Auskoppelwellenleiters geeignet ist. Deshalb ist es nach einer Fortführung des Zirkularresonators nach der Erfindung vorteilhaft, wenn bei einer Ausbildung des Zirkularresonators in Form eines annularen Billards aus einem äußeren Ringresonator mit einem konstanten Radius R^ und einem inneren Scheibenresonator mit einem kleineren Radius R2, deren Mittelpunkte um einen Exzentrizitätsfaktor δ zueinander verschoben sind und die unterschiedliche Brechungsindizes n1 ( n2 aufweisen, der charakteristische Reflexionspunkt durch den Schnittpunkt der Spiegelebene mit der Berandung des äußeren Ringresonators an der Stelle des größeren Abstandes zum inneren Scheiben resonator örtlich festgelegt ist. Durch die Exzentrizität der beiden Resonatoren zueinander weisen diese entlang der Spiegelebene auf der einen Seite einen größeren und auf der anderen Seite einen kleineren Abstand der Berandungen zueinander auf. Der charakteristische Randpunkt liegt auf der Seite mit dem größeren Abstand, auf der anderen Seite liegen jedoch noch zwei weitere Reflexionspunkte, die sich besonders auszeichnen, wie im Folgenden näher erläutert wird.The eccentric combination of two disk resonators with different refractive indices and radii results in a combined resonator in the form of an "annular billiard" with an outer ring and an inner disk resonator. With a suitable choice of parameters, a large number of stable mode orbits can be found here, which are characteristic The resonators in the form of the annular billiard also have only one mirror plane and, accordingly, each have a reflection point which is also stationary under the influence of tolerances and which is particularly suitable for shock coupling of the coupling-out waveguide. Therefore, after a continuation of the circular resonator according to the invention, it is advantageous if in a training of the circular resonator in the form of an annular billiard from an outer ring resonator with a constant radius R ^ and an inner disc resonator with a smaller radius R 2 , the center of which by an E xzentrizitätsfactor δ are shifted to each other and have different refractive indices n 1 ( n 2 , the characteristic reflection point is fixed locally by the intersection of the mirror plane with the boundary of the outer ring resonator at the location of the greater distance to the inner disc resonator. As a result of the eccentricity of the two resonators with respect to one another, they have a larger distance between the edges on the one side and a smaller distance along the mirror plane. The characteristic edge point lies on the side with the greater distance, but on the other side there are two further reflection points, which are particularly distinguished, as will be explained in more detail below.
Bei den Zirkularresonatoren in Form eines annularen Billards tritt jedoch eine zusätzliche Besonderheit auf. Es existieren hier spezielle stabile Modenbahnen, die unter senkrechtem Auftreffen an der äußeren Berandung des Zirkularresonators anfangen bzw. enden. Hier entsteht dann jeweils ein charakteristischer Reflexionspunkt, in dem die Bedingung der inneren Totalreflexion verletzt ist und die Resonatormode senkrecht transmittiert und zum größten Teil den Resonator verlässt. Vorteil des senkrechten Austritts ist das Auftreten von nur einem Lichtstahl, der vollständig mit einem Auskoppeiwellenleiter erfasst werden kann. Es kann also unterschieden werden zwischen Reflexionspunkten, die durch möglichst große, prägnante Stabilitätsinseln im Poincare-Schnitt außerhalb oder innerhalb eines Bereiches der Verletzung der inneren Totalreflexion bestimmt sind. Bei einer Verletzung der inneren Totalreflexion verlässt ein Großteil des Laserlichts den Zirkular- resonator (Reflexion und Transmission). Dies ist zur Erzielung einer hohen Resonanz im Normalfall nicht erwünscht, kann aber für die Kombination mit einem Lichtventil sinnvoll genutzt werden. Eine Verletzung der inneren Totalreflexion tritt für Werte von sinχ auf, die zwischen dem positiven und dem negativen Kehrwert des Brechungsindex n des jeweiligen Materialsystems liegen : -1/n < sinχ <1/n. Im Poincare-Schnitt wird der Bereich der Verletzung der inneren Totalreflexion demgemäß begrenzt durch eine obere Linie mit sinχ =1/n. Da jede Resonatormode zwei Umlaufrichtungen (in und entgegen dem Uhrzeigersinn) aufweisen kann, ergibt sich eine untere Begrenzungslinie für sinχ = -1/n.However, an additional peculiarity occurs with the circular resonators in the form of an annular billiard. There are special stable mode orbits here, which begin or end with vertical impingement at the outer edge of the circular resonator. Then one is created here characteristic reflection point at which the condition of total internal reflection is violated and the resonator mode is transmitted vertically and for the most part leaves the resonator. The advantage of the vertical exit is the appearance of only one light steel, which can be completely detected with an output waveguide. A distinction can therefore be made between reflection points which are determined by the largest, most striking islands of stability in the Poincare cut outside or within a region of the violation of the total internal reflection. If the total internal reflection is violated, a large part of the laser light leaves the circular resonator (reflection and transmission). This is not normally desirable in order to achieve a high level of resonance, but can be used sensibly in combination with a light valve. A violation of the total internal reflection occurs for values of sinχ that lie between the positive and the negative reciprocal of the refractive index n of the respective material system: -1 / n <sinχ <1 / n. In the Poincare cut, the area of the violation of the total internal reflection is accordingly limited by an upper line with sinχ = 1 / n. Since each resonator mode can have two directions of rotation (clockwise and counterclockwise), there is a lower boundary line for sinχ = -1 / n.
Gemäß einer nächsten Ausgestaltung des Mikrolasers nach der Erfindung ist deshalb vorteilhaft vorgesehen, dass bei einer Ausbildung des Zirkularresonators in Form eines annularen Billards aus einem äußeren Ringresonator mit einem konstanten Radius Ri und einem inneren Scheibenresonator mit einem kleineren Radius R2, deren Mittelpunkte um einen Exzentrizitätsfaktor δ zueinander verschoben sind und die unterschiedliche Brechungsindizes n-i, n2 aufweisen, zwei charakteristische Reflexionspunkte durch ein senkrechtes Auftreffen der periodischen Resonatormode auf die Berandung des äußeren Ringresonators örtlich festgelegt sind. An den die Bedingung der inneren Totalreflexion verletzenden Reflexionspunkten transmittiert ein großer Lichtanteil, ein geringerer Anteil wird in Abhängigkeit vom Brechzahlsprung nach der Fresnel-Gleichung reflektiert. Die betreffenden Resonatormoden treffen in diesem Fall vorteilhafterweise senkrecht auf die Berandung auf, sodass sich jeweils nur ein austretender Lichtstrahl in einer Ausrichtung ergibt. Es kann also eine maximale Lichtleistung über einen einzigen, ungegabelten Auskoppeiwellenleiter mit einem entsprechenden Querschnitt abgeführt werden. Soll die ausgekoppelte Lichtleistung jedoch durch die gewählte Feldüberlappung kleiner sein als die durch die Transmission festgelegte Lichtleistung, muss dabei in Kauf genommen werden, dass der Differenzanteil ungenutzt in den Raum abgestrahlt wird. Für den Fall, dass jedoch die Mode zum größeren Teil auskoppelt und zum kleineren Teil im Resonator gehalten wird, ist ein spezieller Laser zu verwenden, bei dem die stimulierte Emission mit dem auch bei der Transmission verbleibenden reflektierten Restanteil (ca. 30%) der Resonatormode auftritt.According to a next embodiment of the microlaser according to the invention, it is therefore advantageously provided that when the circular resonator is designed in the form of an annular billiard from an outer ring resonator with a constant radius Ri and an inner disk resonator with a smaller radius R 2 , the center points thereof by an eccentricity factor δ are shifted towards each other and have different refractive indices ni, n 2 , two characteristic reflection points are fixed locally by the vertical impingement of the periodic resonator mode on the edge of the outer ring resonator. A large proportion of light transmits to the reflection points violating the condition of total internal reflection, a smaller proportion becomes dependent on the jump in refractive index reflected according to the Fresnel equation. In this case, the resonator modes in question advantageously strike the edge perpendicularly, so that only one emerging light beam results in one orientation. A maximum light output can therefore be dissipated via a single, non-forked output waveguide with a corresponding cross section. However, if the decoupled light output should be smaller than the light output determined by the transmission due to the selected field overlap, it must be accepted that the difference is emitted into the room unused. In the event that the majority of the mode is decoupled and the minor part is held in the resonator, a special laser is to be used, in which the stimulated emission with the remaining portion of the resonator mode (approx. 30%) remaining during transmission occurs.
Bevorzugte, stabile Modenbahnen mit periodischen Resonatormoden mit und ohne Reflexionspunkte mit Verletzung der inneren Totalreflexion treten auf, wenn gemäß einer nächsten Erfindungsfortführung für den kleineren Radius R2 Werte zwischen 0,2 Ri und 0,8 Ri und für den Exzentrizitätsfaktor δ Werte zwischen 0,3 R2 und 1 ,0 R2 gewählt werden, wobei die Werte in einem Bereich von bis zu ±30% schwanken können. Es ergeben sich dann Modenbahnen in geschlossener und in offener Polygonform. Im Prinzip ergeben sich geeignete Modenbahnen für alle gewählten kleineren Radien R2, wenn der Exzentrizitätsfaktor δ geeignet gewählt wird. Im Hinblick auf technische Anwendungen ist aber die angegebene Wahl der kleineren Radien R2 in einem Mittelbereich besonders günstig, es werden dann durch die Wahl des Exzentrizitätsfaktors δ stabile Modenbahnen mit besonders großen Stabilitätsinselausbildungen unterstützt. Dabei kann gemäß einer nächsten Erfindungsausgestaltung der innere Scheibenresonator durch einen Luftraum mit einem Brechungsindex ni = 1 gebildet werden. Das annulare Billard besteht dann nurmehr aus einem Ringresonator und ist besonders einfach und kostengünstig herstellbar. Für alle genannten und möglichen Lösungen gilt, dass lokal eng begrenzte Modenbahnen innerhalb des Resonators bevorzugt werden. Hier sind dann in den Emissionsspektren weniger Linien oder sogar nur eine Line enthalten, da weniger longitudinale Schwingungszustände oder sogar nur ein longitudinaler Schwingungszustand auftreten. Anzustreben ist immer ein Knotenpunkt der stehenden Longitudinalwelle genau im charakteristischen Reflexionspunkt. Da die vorangehenden Ausführungen auf den Strahlungscharakter des Licht eingehen, steht der genannte Aspekt in Bezug auf den Wellencharakter des Lichts im Hintergrund. Bezüglich einer Ausprägung des Zirkularresonators als annulares Billard ist es deshalb gemäß einer weiteren Erfindungsausgestaltung besonders vorteilhaft, wenn die ausbreitungsfähigen Resonatormoden im Zirkularresonator eng lokalisiert sind, wobei insbesondere nur eine Longitu- • dinalmode auftritt.Preferred, stable mode orbits with periodic resonator modes with and without reflection points with violation of the internal total reflection occur if, according to a further invention, for the smaller radius R 2 values between 0.2 Ri and 0.8 Ri and for the eccentricity factor δ values between 0, 3 R 2 and 1, 0 R 2 can be selected, whereby the values can fluctuate in a range of up to ± 30%. Then there are mode tracks in closed and in open polygon shape. In principle, suitable mode trajectories result for all selected smaller radii R 2 if the eccentricity factor δ is selected appropriately. With regard to technical applications, however, the choice of the smaller radii R 2 in a central region is particularly favorable; the choice of the eccentricity factor δ then supports stable mode paths with particularly large stability island configurations. According to a next embodiment of the invention, the inner disk resonator can be formed by an air space with a refractive index ni = 1. The annular billiard then only consists of a ring resonator and is particularly simple and inexpensive to manufacture. For all the solutions mentioned and possible, locally narrow mode paths within the resonator are preferred. Here, fewer lines or even only one line are contained in the emission spectra, since fewer longitudinal vibrational states or even only one longitudinal vibrational state occur. The aim should always be a node of the standing longitudinal wave exactly in the characteristic reflection point. Since the preceding explanations deal with the radiation character of light, the aspect mentioned stands in the background with regard to the wave character of light. With regard to an embodiment of the circular resonator as an annular billiard, it is therefore particularly advantageous, according to a further embodiment of the invention, if the resonator modes capable of propagation are closely localized in the circular resonator, with in particular only one longitudinal • mode occurring.
Ausbildungsformen der Erfindung und Diagramme dazu werden nachfolgend anhand der schematischen Figuren zum weiteren Verständnis der Erfindung näher erläutert. Dabei zeigt :Forms of embodiment of the invention and diagrams are explained below with reference to the schematic figures for further understanding of the invention. It shows:
Figur 1 einen Mikrolaser nach der Erfindung mit einem deformierten1 shows a microlaser according to the invention with a deformed
Zirkularresonator und aktivem Auskoppeiwellenleiter, Figur 2 einen Mikrolaser nach der Erfindung mit einem deformiertenCircular resonator and active output waveguide, Figure 2 shows a microlaser according to the invention with a deformed
Zirkularresonator und passivem Auskoppeiwellenleiter, Figur 3 einen Poincare-Schnitt und die zugehörige charakteristische Modenbahn für einen Zirkularresonator in einer Ei-ähnlichenCircular resonator and passive coupling-out waveguide, FIG. 3 shows a Poincare section and the associated characteristic mode path for a circular resonator in an egg-like manner
Form, Figur 4 einen Poincare-Schnitt und die zugehörige charakteristischeForm, Figure 4 is a Poincare section and the associated characteristic
Modenbahn für einen Zirkularresonator in der Form einer abgeschnittenen Ellipse, Figur 5 einen Poincare-Schnitt und zugehörige charakteristische Modenbahnen für einen Zirkularresonator in der Form eines annularen Billards mit einer geringen Ortsauflösung, Figur 6 den Poincare-Schnitt und zugehörige charakteristische Modenbahnen gemäß Figur 5 mit einer höheren Ortsauflösung,Mode path for a circular resonator in the form of a cut-off ellipse, FIG. 5 shows a Poincare section and associated characteristic mode paths for a circular resonator in the form of an annular billiard with a low spatial resolution, FIG. 6 shows the Poincare cut and associated characteristic mode tracks according to FIG. 5 with a higher spatial resolution,
Figur 7 einen Poincare-Schnitt und die zugehörige charakteristischeFigure 7 shows a Poincare section and the associated characteristic
Modenbahn für einen Zirkularresonator in der Form eines annularen Billards mit einer Transmission,Mode track for a circular resonator in the form of an annular billiard with a transmission,
Figur 8 einen weiteren Poincare-Schnitt und die zugehörige charakteristische Modenbahn für einen Zirkularresonator in der Form eines annularen Billards mit einer transmissiven/ refraktiven Innenberandung.FIG. 8 shows another Poincare section and the associated characteristic mode path for a circular resonator in the form of an annular billiard with a transmissive / refractive inner edge.
Die Figur 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Mikrolaser ML mit einem deformierten Zirkularresonator CR in Ei-ähnlicher Form. Der Mikrolaser ML ist auf einem Substrat SU in bekannter Weise monolithisch integriert aufge- wachsen und besteht im dargestellten Ausführungsbeispiel aus einer n- Kontaktschicht CL (beispielsweise n-dotiertes InP), einer n-leitenden lichtführenden Wellenleiterschicht WL (beispielsweise n-dotiertes quatemäres GalnAsP mit einem Brechungsindex n ü» einer die Emissionswellenlänge bestimmenden aktiven Schicht AL (beispielsweise GalnAsP-Mischungshalb- leiter mit einer entsprechend gewählten Energiebandlücke) und einer p- leitenden Deckschicht SL inklusive einer p-Kontaktschicht (beispielsweise p- dotiertes binäres InP mit einer temären p-Kontaktschicht, beispielsweise GalnAs).FIG. 1 shows a microlaser ML according to the invention with a deformed circular resonator CR in an egg-like form. The microlaser ML is grown in a monolithically integrated manner on a substrate SU in a known manner and, in the exemplary embodiment shown, consists of an n-contact layer CL (for example n-doped InP), an n-conducting light-guiding waveguide layer WL (for example n-doped quaternary GalnAsP) a refractive index n ü »of an active layer AL which determines the emission wavelength (for example GalnAsP compound semiconductor with a correspondingly selected energy band gap) and a p-type cover layer SL including a p-contact layer (for example p-doped binary InP with a temporary p-contact layer) , for example GalnAs).
Die Berandung des Zirkularresonators CR berechnet sich im dargestellten Ausführungsbeispiel nach der allgemeinen Bildungsformel :The boundary of the circular resonator CR is calculated in the illustrated embodiment according to the general formula:
r(φ) = Ro (1 + εi cos 2φ + ε2 cos 3φ).r (φ) = Ro (1 + εi cos 2φ + ε 2 cos 3φ).
Hierdurch wird die in der Figur 1 dargestellte Eiform erzielt (zur Parameterwertewahl siehe Figur 3). Der Zirkularresonator CR weist eine einzige Spiegelebene MP auf, weitere Spiegelebenen existieren nicht. Schematisch ist eine stabile, periodische Resonatormode RM mit einer Modenbahn MC dargestellt, deren Eigenschaften bei dem erfindungsgemäßen Mikrolaser ML ausgenutzt werden. Die Resonatormode RM hat eine dreieckige Modenbahn MC und läuft in und entgegen dem Uhrzeigersinn im Zirkularresonator CR um (Pfeilrichtungen). An charakteristischen Reflexionspunkten CPRi, CPR2, CPM wird die Resonatormode RM an der inneren Berandung IS total reflektiert. Dabei ist der charakteristische Reflexionspunkt CPM in besonderer Weise ausgezeichnet, da er mit dem Schnittpunkt der Spiegelebene MP mit der inneren Berandung IS des Zirkularresonators CR auf dessen flacherer Seite übereinstimmt. Es können hier definierte Lichtanteile der auftreffenden Resonatormode RM gerichtet austreten. Aufgrund des Umlaufs der Resonatormode RM in beide Uhrzeigerrichtungen kann der Austritt in zwei Richtungen in Verlängerung des jeweiligen Schenkels der dreieckigen Modenbahn MC erfolgen.This achieves the egg shape shown in FIG. 1 (for the parameter value selection see FIG. 3). The circular resonator CR has a single one Mirror level MP on, no other mirror levels exist. A stable, periodic resonator mode RM with a mode path MC is shown schematically, the properties of which are exploited in the microlaser ML according to the invention. The resonator mode RM has a triangular mode orbit MC and rotates clockwise and counterclockwise in the circular resonator CR (arrow directions). At characteristic reflection points CPRi, CPR 2 , CPM, the resonator mode RM is totally reflected on the inner boundary IS. The characteristic reflection point CPM is distinguished in a special way since it coincides with the point of intersection of the mirror plane MP with the inner boundary IS of the circular resonator CR on its flatter side. Defined light components of the incident resonator mode RM can exit here in a directed manner. Due to the circulation of the resonator mode RM in both clockwise directions, the exit can take place in two directions in the extension of the respective leg of the triangular mode path MC.
Im charakteristischen Reflexionspunkt CPM ist bei dem Mikrolaser ML nach der Erfindung ein Auskoppeiwellenleiter WG mit einer Stirnfläche AF durch eine Stoßkopplung IR unmittelbar optisch angeschlossen. Der Auskoppel- Wellenleiter WG, der ein einstellbares optisches Lichtventil LV bildet, weist einen effektiven Brechungsindex ΠWG auf, der geringfügig von dem effektiven Brechungsindex nwι_ des Zirkularresonators CR abweicht. Eine Richtungskorrektur aufgrund der effektiven Brechungsindizes, die die Lichtausbreitung im begrenzten Raum berücksichtigen, nach dem Snellius'schen Brechungsgesetz kann wegen der geringen Brechzahlunterschiede bei der Lichtauskopplung unterbleiben, im Bedarfsfalle aber auch durchgeführt werden. Über den direkt anschließenden Auskoppeiwellenleiter WG kann Licht aus der ausgezeichneten Resonatormode RM definiert ausgekoppelt werden. Dabei wird das Maß des auszukoppelnden Laserlichts festgelegt durch das Maß der Überlappung des optischen Feldes der austretenden Resonatormode RM am charakteristischen Reflexionspunkt CPM mit dem optischen Feld der sich ausbildenden Mode im Auskoppeiwellenleiter WG (in der Figur durch graue Ellipsen schematisiert dargestellt). Zu erkennen ist, dass die Feldanpassung über Höhe und Breite des Auskoppelwellenleiters WG in einfacher Weise erfolgen kann. Weiterhin ist eine Gabelung BO des Auskoppelwellenleiters WG in zwei Wellenleiter WGi, WG2 dargestellt. Diese sind so ausgerichtet, dass beide austretenden Lichtstrahlen der ausgezeichneten Resonatormode RM optimal aufgenommen werden können. Bei einer aufgrund des gewählten Auskopplungsgrads erforderlichen sehr geringen Breite in der Stoßkopplung IR kann der Auskoppeiwellenleiter WG bzw. seine gegabelten Wellenleiter WGi, WG2, wie im gewählten Beispiel gezeigt, dann im weiteren Verlauf an Breite wieder zunehmen, um eine stärkere Wellenführung für die Lichtführung in Krümmungen bzw. eine Anpassung des optischen Feldes zur weiteren Signalführung zu erreichen.In the characteristic reflection point CPM in the microlaser ML according to the invention, an output waveguide WG with an end face AF is optically connected directly by a shock coupling IR. The coupling-out waveguide WG, which forms an adjustable optical light valve LV, has an effective refractive index ΠW G , which deviates slightly from the effective refractive index nwι_ of the circular resonator CR. A directional correction based on the effective refractive indices, which take into account the light propagation in limited space, according to Snellius' law of refraction can be omitted due to the small differences in refractive index when coupling out the light, but can also be carried out if necessary. Light from the excellent resonator mode RM can be coupled out in a defined manner via the directly connecting coupling waveguide WG. The measure of the laser light to be coupled out is determined by the measure of the overlap of the optical field of the emerging resonator mode RM at the characteristic reflection point CPM with the optical field of the developing one Fashion in the coupling-out waveguide WG (shown schematically in the figure by gray ellipses). It can be seen that the field can be adjusted in a simple manner via the height and width of the coupling-out waveguide WG. Furthermore, a fork BO of the coupling-out waveguide WG is shown in two waveguides WGi, WG 2 . These are aligned so that both emerging light beams of the excellent resonator mode RM can be optimally received. In the case of a very small width in the butt coupling IR required due to the selected degree of coupling, the coupling waveguide WG or its bifurcated waveguide WGi, WG 2 can then , as shown in the selected example, then increase in width again in the course of the process, in order to provide a stronger waveguide for the light guidance to achieve in curvatures or an adaptation of the optical field for further signal routing.
Durch die Möglichkeit der Einstellbarkeit des auszukoppelnden Laserlichts kann der Mikrolaser ML nach der Erfindung in seiner Güte als Maß für das Verhältnis zwischen in Resonator gehaltener und abgegebener Lichtenergie optimal auf den jeweiligen Verwendungszweck abgestimmt und konstruktiv dimensioniert werden. Dabei liegt die auszukoppelnde Lichtenergie in der Regel in einem Bereich zwischen 10% und 30%.Due to the possibility of the adjustability of the laser light to be coupled out, the quality of the microlaser ML according to the invention as a measure of the ratio between the light energy held in the resonator and the emitted light energy can be optimally matched to the respective intended use and dimensioned in terms of construction. The light energy to be decoupled is usually in a range between 10% and 30%.
Der in der Figur 1 dargestellte Auskoppeiwellenleiter WG weist denselben Schichtaufbau wie der Zirkularresonator CR auf, der zusammen mit dem Mikrolaser ML aufgewachsen wird. Der Auskoppeiwellenleiter WG weist damit auch lichtaktives Material auf und ist als aktiver Wellenleiter AWG ausgebildet. Durch eine separate, in der Figur nicht weiter dargestellte Kontaktierung kann die Wellenleiterschicht WL optisch undurchsichtig oder optisch transparent geschaltet werden, sodass in Abhängigkeit von einem Schwellwertstrom ein schaltbares Lichtventil LV vorliegt. Desweiteren kann der Auskoppeiwellenleiter WG auch als Verstärker ausgebildet sein. In allen Fällen ist eine Reflexion an seinem vom Mikrolaser ML abgewandten Ausgang zu verhindern. Dies kann durch ein gute Entspiegelung (besser als -40dB) oder durch eine geringere Entspiegelung (besser als -10 dB) zusammen mit einer Ausbildung der Chipgrenzfläche unter einem Winkel von beispielsweise ungefähr 7° erfolgen.The output waveguide WG shown in FIG. 1 has the same layer structure as the circular resonator CR, which is grown together with the microlaser ML. The decoupling waveguide WG thus also has light-active material and is designed as an active waveguide AWG. The waveguide layer WL can be switched optically opaque or optically transparent by a separate contact, which is not shown in the figure, so that a switchable light valve LV is present as a function of a threshold value current. Furthermore, the output waveguide WG can also be designed as an amplifier. In all cases, reflection at its output facing away from the microlaser ML must be prevented. This can by a good anti-reflective coating (better than -40dB) or by a lower anti-reflective coating (better than -10 dB) together with a formation of the chip interface at an angle of, for example, approximately 7 °.
In der Figur 2 ist in Analogie zu Figur 1 ebenfalls ein eiförmig deformierter Mikrolaser ML mit einem stoßgekoppelten Auskoppeiwellenleiter WG dargestellt. Im Gegensatz zu dem Auskoppeiwellenleiter WG gemäß Figur 1 weist der hier dargestellte Auskoppeiwellenleiter WG keine aktive Schicht AL und keine Deckschicht SL auf und ist damit als transparenter passiver Wellenleiter PWG ausgebildet. In diesem Falle wird die Schichtenfolge bis einschließlich der aktiven Schicht(en) nach dem Aufwachsen wieder entfernt. Es besteht auch die Möglichkeit eines flächenselektiven epitaktischen Wachstumsschritts. Die den Auskopplungsgrad bestimmende optische Feldüberlappung wird durch die laterale und vertikale Führung des optischen Feldes in der verbleibenden Wellenleiterrippe RWG eingestellt. Die optischen Felder sind wieder durch entsprechende graue Ellipsen dargestellt. In der Figur 2 ist zu erkennen, dass die Stoßkopplung IR im Falle des passiven Auskoppelwellenleiters PWG viel breiter ausgeführt werden kann als im Fall des aktiven Auskoppelwellenleiters AWG.Analogously to FIG. 1, FIG. 2 also shows an egg-shaped deformed microlaser ML with a butt-coupled coupling-out waveguide WG. In contrast to the coupling-out waveguide WG according to FIG. 1, the coupling-out waveguide WG shown here has no active layer AL and no cover layer SL and is therefore designed as a transparent passive waveguide PWG. In this case, the layer sequence up to and including the active layer (s) is removed again after the growth. There is also the possibility of an area-selective epitaxial growth step. The optical field overlap determining the degree of coupling is set by the lateral and vertical guidance of the optical field in the remaining waveguide rib RWG. The optical fields are again represented by corresponding gray ellipses. It can be seen in FIG. 2 that the surge coupling IR in the case of the passive coupling-out waveguide PWG can be made much wider than in the case of the active coupling-out waveguide AWG.
In den Figuren 3 und 4 sind für den Mikrolaser ML nach der Erfindung besonders geeignete Poincare-Schnitte mit einer Auftragung des berechneten Reflexionswinkels sinχ über dem Phasenwinkel φ dargestellt. Dabei ist in der Figur 3 nur die obere Hälfte des Poincare-Schnittes gezeigt, die der Modenbahn in nur einer Umlaufrichtung, in diesem Falle den im Uhrzeigersinn umlaufenden Resonatormoden RM, entspricht. Die Bezugnahme auf die genannten Poincare-Schnitte ist für die Erfindung nicht als abschließend anzusehen. Insgesamt existiert aufgrund der genannten Auswahlkriterien eine Vielzahl von möglichen Modenbahnen MC für unterschiedlich gestaltete Zirkularresonatoren CR mit nur einer Spiegelebene MP und zumindest einem für eine Stoßkopplung IR eines Auskoppelwellenleiters WG geeigneten Reflexionspunkt, der entweder berechnet (CPR) oder vereinfacht durch den Schnittpunkt der Spiegelebene MP mit der Resonatorberandung IS an einer Stelle geringerer Krümmung (CPM) oder im annularen Billard durch eine Verletzung der Bedingung der inneren Totalreflexion (CPT, vgl. weiter unten) örtlich festgelegt ist. Zugehörig zu den Poincare-Schnitten ist jeweils in den Figuren 3 und 4 die aktuelle Form der charakteristischen Modenbahn MC dargestellt. Welchen Punkten die Modenbahn im Poincare-Schnitt entspricht, kann durch vergleichendes Betrachten unter den entsprechenden Phasenwinkeln ermittelt werden. In der Regel korrespondiert sie zu den periodischen Stabilitätsinseln in den Poincare-Schnitten, die Clustern von Reflexionspunkten als Anzeichen einer besonders ortsstabilen Resonatormode entsprechen.In FIGS. 3 and 4, Poincare sections that are particularly suitable for the microlaser ML according to the invention are shown with a plot of the calculated reflection angle sinχ over the phase angle φ. In this case, only the upper half of the Poincare section is shown in FIG. 3, which corresponds to the mode path in only one direction of rotation, in this case the resonator modes RM rotating in the clockwise direction. The reference to the aforementioned Poincare cuts is not to be regarded as conclusive for the invention. Overall, on the basis of the selection criteria mentioned, there are a large number of possible mode paths MC for differently designed circular resonators CR with only one mirror plane MP and at least one suitable for butt coupling IR of a coupling-out waveguide WG Reflection point, which is either calculated (CPR) or simplified by the intersection of the mirror plane MP with the resonator edge IS at a point of lower curvature (CPM) or in the annular billiard due to a violation of the condition of total internal reflection (CPT, see below) is. The current shape of the characteristic mode track MC is shown in FIGS. 3 and 4 in association with the Poincare cuts. Which points the mode line corresponds to in the Poincare cut can be determined by comparing the corresponding phase angles. As a rule, it corresponds to the periodic islands of stability in the Poincare sections, which correspond to clusters of reflection points as an indication of a particularly stable resonator mode.
Die Figur 3 zeigt den Poincare-Schnitt für einen Zirkularresonator CR mit einer Spiegelebene MP in Ei-ähnlicher Form mit der normierten Bildungsformel :FIG. 3 shows the Poincare section for a circular resonator CR with a mirror plane MP in an egg-like form with the standardized formation formula:
r(φ) = R0 (1 + εi cos 2φ + ε2 cos 3φ)r (φ) = R 0 (1 + εi cos 2φ + ε 2 cos 3φ)
mit Ro als konstant angenommenem mittleren Radius (Normierungsgröße „1") und ε-i, ε2 als gewählte Deformationsfaktoren. Für den Deformationsfaktor εi ist der Wert 0,02 und für den Deformationsfaktor ε2 ist der Wert 0,03 gewählt. Es ergibt sich eine charakteristische Modenbahn MC in der Form eines Doppeldreiecks gemäß Figur 4. Die Zuordnung der Reflexionspunkte RP ist durch Pfeile angedeutet. Das Doppeldreieck hat einen Scheitelpunkt, der als charakteristischer Reflexionspunkt CPM (vgl. Pfeile im Poincare-Schnitt) durch den Schnittpunkt der Spiegelebene MP mit der Berandung des Zirkularresonators CR an seiner flacheren Seite örtlich festgelegt. Der Wert für sinχ kann mit anderen Wertebelegungen noch bis auf einen Wert von 0,3 heruntergedrückt werden, was ungefähr dem Kehrwert eines Brechungsindex n ι_ = 3,3 der lichtführenden Schicht mit üblichem Materialaufbau im Zirkular- resonator CR entspricht. Für andere typische Parameterkombinationen verschmelzen je zwei benachbarte Stabilitätsinseln und es entsteht eine stabile Dreiecksbahn, die diesen ausgeprägten Stabilitätsinseln zuzuordnen ist.with ro as constant an assumed average radius (normalization size "1") and εi, ε 2 as the selected deformation factors. εi is the value for the deformation factor 0.02 and the deformation factor ε 2, the value 0.03 is selected. The result A characteristic mode path MC in the form of a double triangle according to Figure 4. The assignment of the reflection points RP is indicated by arrows. The double triangle has an apex, which is the characteristic reflection point CPM (cf. arrows in the Poincare section) through the intersection of the mirror plane MP with the boundary of the circular resonator CR on its flatter side, the value for sinχ can be reduced with other value assignments down to a value of 0.3, which is about the reciprocal of a refractive index n ι_ = 3.3 of the light-guiding layer with conventional The material structure in the circular resonator CR corresponds to that for other typical parameter combinations two neighboring stability islands merge and a stable triangular path is created, which can be assigned to these pronounced stability islands.
Die Figur 4 zeigt den Poincare-Schnitt für einen Zirkularresonator CR in der Form einer abgeschnittenen Ellipse mit der normierten Bildungsformel :FIG. 4 shows the Poincare section for a circular resonator CR in the form of a cut-off ellipse with the standardized formation formula:
r(φ) = [(1 - ε2)l 4] / [H- ε cos φ]r (φ) = [(1 - ε 2 ) l 4 ] / [H- ε cos φ]
mit einem mittleren, veränderlichen Radius R0 = (1-ε2)1/4 als Parameter bei einer konstanten Fläche und einem Deformationsfaktor ε = (a2-b2)1/2/a (numerische Exzentrizität). Durch den Vertikalschnitt verliert die Ellipse ihre doppelte Symmetrie, sodass nur noch die große Halbachse a gleichzeitig Spiegelebene MP ist. Für den Deformationsfaktor ε ist der Wert 0,75 gewählt. Die dargestellte Ellipse ist auf der Hälfte einer Strecke c zwischen einem Brennpunkt FP und dem Mittelpunkt MT der Ellipse (ein Viertel des Abstands zwischen beiden Brennpunkten) parallel zur kleinen Halbachse b abgeschnitten, sodass der Abschnittsfaktor τ im gewählten Ausführungsbeispiel den Wert 0,5 hat. Die Ellipse wird also auf einer Hälfte der vertikalen Halbachse b abgeschnitten. Minimal kann die Ellipse genau halbiert werden. Bei der Ellipse kann der Deformationsfaktor ε auch als „numerische Exzentrizität" in Form des Quotienten der Strecke c zur großen Halbachse a bezeichnet werden (ε = c/a).with an average, variable radius R 0 = (1-ε 2 ) 1/4 as a parameter with a constant area and a deformation factor ε = (a 2 -b 2 ) 1/2 / a (numerical eccentricity). Due to the vertical section, the ellipse loses its double symmetry, so that only the large semi-axis a is at the same time mirror plane MP. The value 0.75 is chosen for the deformation factor ε. The ellipse shown is cut off half the distance c between a focal point FP and the center MT of the ellipse (a quarter of the distance between the two focal points) parallel to the small semi-axis b, so that the section factor τ has the value 0.5 in the selected exemplary embodiment. The ellipse is thus cut off on one half of the vertical semi-axis b. At least the ellipse can be exactly halved. In the case of the ellipse, the deformation factor ε can also be referred to as “numerical eccentricity” in the form of the quotient of the distance c to the major semi-axis a (ε = c / a).
Es ergibt sich eine stabile, in beiden Richtungen umlaufende Resonatormode RM mit einer dreieckigen Modenbahn MC, die am Schnittpunkt der Spiegelebene MP mit der Schnittebene einen charakteristischen Reflexionspunkt CPM aufweist (vgl. Pfeile im Poincare-Schnitt), in dem zwei gerichtete Strahlen austreten und in einen nicht weiter dargestellten Auskoppeiwellenleiter übergekoppelt werden können. Die Krümmung der Ellipse dient dabei der besonderen Stabilisation der Resonatormode RM. Die in den Figuren 5 bis 8 gezeigten Poincare-Schnitte beziehen sich auf Zirkularresonatoren CR in der Form eines annularen Billards mit einer Spiegelebene MP. Hierbei handelt es sich um eine exzentrische Kombination eines Ringresonators RR mit einem inneren Scheibenresonator DR, die unterschiedliche Brechungsindizes n1 ( n2 und unterschiedliche Radien R-i, R2 aufweisen. Der äußere Radius Ri ist konstant (Normierungsgröße „1"), der innere Radius R2 und der Mittenabstand zwischen Ring- und Scheibenresonator RR, DR (Exzentrizitätsfaktor δ) sind bezogen auf den äußeren Radius Ri einstellbar. Bei einer geeigneten Wertewahl für diese beiden Parameter (insbesondere R2 = 0,2..0,8 R1 ( δ= 0,3....1 ,0 R2, beispielsweise R2 = 0,6 Ri und δ=0,35 oder 0,85 oder 0,65 R2), findet man stabile Modenbahnen MC, die charakteristische Reflexionspunkte mit einer Einhaltung (CPR, CPM, vergleiche Figuren 5, 6 und 8) und/oder einer Verletzung der inneren Totalreflexion (CPT, vergleiche Figur 7) aufweisen. Im ersten Fall kann die Lichtauskopplung durch die Feldüberlappung zwischen Null und Maximum eingestellt werden und der nicht ausgekoppelte Lichtanteil verbleibt im Zirkularresonator CR. Im zweiten Fall verlässt der größere Teil des erzeugten Laserlichts den Zirkularresonator CR über den äußeren Ringresonator RR. Dieser Anteil kann dann vollständig genutzt werden. Bei einer teilweisen Nutzung wird der nicht genutzte Anteil zwar frei in den Raum abgegeben, Vorteil bei diesem Fall ist jedoch der gerichtete, senkrechte Austritt der Laserstrahlung aus dem Ringresonator RR, sodass mit einem einzigen, ungegabelten Wellenleiter die gesamte Lichtleistung weitergeleitet werden kann. Im ersten Fall der Einhaltung der inneren Totalreflexion ist der Austrittswinkel zwischen beiden Lichtstrahlen jedoch immer noch klein genug, um beide Strahlen mit einem gemeinsamen Auskoppeiwellenleiter aufnehmen zu können, der sich im weiteren Verlauf dann gegebenenfalls aufgabeln kann.The result is a stable, revolving resonator mode RM with a triangular mode path MC, which has a characteristic reflection point CPM at the point of intersection of the mirror plane MP with the section plane (see arrows in the Poincare section), in which two directed beams emerge and in a coupling waveguide, not shown, can be coupled. The curvature of the ellipse serves for the special stabilization of the resonator mode RM. The Poincare sections shown in FIGS. 5 to 8 relate to circular resonators CR in the form of an annular billiard with a mirror plane MP. This is an eccentric combination of a ring resonator RR with an inner disk resonator DR, which have different refractive indices n 1 ( n 2 and different radii Ri, R 2. The outer radius Ri is constant (standardization variable “1”), the inner radius R 2 and the center distance between ring and disc resonator RR, DR (eccentricity factor δ) can be set in relation to the outer radius Ri. With a suitable choice of values for these two parameters (in particular R 2 = 0.2..0.8 R 1 ( δ = 0.3 .... 1.0 R 2 , for example R 2 = 0.6 Ri and δ = 0.35 or 0.85 or 0.65 R 2 ), one finds stable mode paths MC, the characteristic reflection points with compliance (CPR, CPM, compare FIGS. 5, 6 and 8) and / or a violation of the total internal reflection (CPT, compare FIG. 7). In the first case, the light decoupling can be set between zero and maximum by the field overlap and the not decoupled The light portion remains in the circular resonator CR. In the second case, the greater part of the laser light generated leaves the circular resonator CR via the outer ring resonator RR. This share can then be used in full. In the event of partial use, the unused portion is released freely into the room, but the advantage in this case is the directed, vertical exit of the laser radiation from the ring resonator RR, so that the entire light output can be transmitted with a single, non-forked waveguide. In the first case, the total internal reflection is maintained, however, the exit angle between the two light beams is still small enough to be able to receive both beams with a common coupling-out waveguide, which can then bifurcate in the further course.
In den Figuren 5 und 6 sind für einen annularen Zirkularresonator CR mit den Parameter-Wertebelegungen R2 = 0,6 Ri und δ = 0,22 R-j der Poincare-Schnitt in unterschiedlichen Auflösungen und ausgewählte Modenbahnen MCj dargestellt. Dabei ist der Brechungsindex n2 des inneren Scheibenresonators DR im Bereich des Brechungsindex nn (i.A. 3,3) des äußeren Ringresonators RR so gewählt, dass am inneren Scheibenresonator DR - genau wie an der äußeren Berandung des äußeren Ringresonators RR - immer Totalreflexion auftritt („harte Wand"). Es sind jeweils charakteristische Reflexionspunkte CPRi, CPM eingezeichnet, in denen eine Stoßkopplung eines Auskoppelwellenleiters möglich ist. Die stabilen Modenbahnen MC4 und MC5 sind in besonderer Weise für die Anbringung eines Auskoppelwellenleiters im Punkt CPM geeignet. Die Modenbahnen MC1 und MC3 sind völlig und Modenbahn MCβ durch ihre schlechte Stabilität weitgehend ungeeignet für den Mikrolaser nach der Erfindung und hier nur zum Vergleich der sich aus der Schnittberechnung ergebenden Stabilitätsinseln aufgezeigt. Diese sind im Poincare-Schnitt gemäß Figur 6 mit einer rechnerischen Auflösung von 250 Modenbahnen mit jeweils 250 Punkten noch ausgeprägter zu erkennen und entsprechend zu beurteilen.In FIGS. 5 and 6, for an annular circular resonator CR with the parameter value assignments R 2 = 0.6 Ri and δ = 0.22 Rj, the Poincare cut in different resolutions and selected mode paths MCj shown. The refractive index n 2 of the inner disk resonator DR in the area of the refractive index nn (iA 3.3) of the outer ring resonator RR is selected such that total reflection always occurs on the inner disk resonator DR - just like on the outer edge of the outer ring resonator RR (" hard wall "). Characteristic reflection points CPRi, CPM are shown, in which shock coupling of a coupling-out waveguide is possible. The stable mode tracks MC 4 and MC 5 are particularly suitable for attaching a coupling-out waveguide at the point CPM. The mode tracks MC 1 and MC 3 are completely and mode path MCβ largely unsuitable for the microlaser according to the invention due to their poor stability and is shown here only for comparison of the stability islands resulting from the section calculation, which are shown in the Poincare section according to Figure 6 with a computational resolution of 250 mode paths even more pronounced with 250 points each to recognize and to judge accordingly.
In der Figur 7 ist für einen Zirkularresonator CR in der Form eines annularen Billards mit den oben aufgeführten Parametern ein Poincare-Schnitt für eine Parameter-Wertebelegung von R2 = 0,5 Ri und δ = 0,25 Ri eine stabile Resonatormode RM mit einer zickzackförmigen Modenbahn MC dargestellt. Diese beginnt bzw. endet in zwei besonders ausgezeichneten Reflexionspunkten CPT-i, CPT2, in denen die Bedingung der inneren Totalreflexion verletzt wird. Die Resonatormode RM trifft in beiden Reflexionspunkten CPT-i, CPT2 senkrecht auf die äußere Berandung IS des Ringresonators RR und transmittiert mit einem Anteil von ungefähr 70%. Mit einem nicht weiter dargestellten Auskoppeiwellenleiter kann also an diesen Punkten CPT1, CPT2 jeweils ein einzelner, senkrecht austretender Lichtstrahl mit maximaler Lichtleistung aufgenommen werden.In FIG. 7, a Poincare cut for a circular resonator CR in the form of an annular billiard with the parameters listed above is a stable resonator mode RM with a parameter value assignment of R 2 = 0.5 Ri and δ = 0.25 Ri zigzag-shaped mode track MC shown. This begins and ends in two particularly excellent reflection points CPT-i, CPT 2 , in which the condition of total internal reflection is violated. The resonator mode RM hits the outer boundary IS of the ring resonator RR perpendicularly at both reflection points CPT-i, CPT 2 and transmits with a share of approximately 70%. With a decoupling waveguide (not shown further ) , a single, vertically emerging light beam with maximum light output can be received at these points CPT1, CPT 2 .
Der Poincare-Schnitt gemäß Figur 8 wurde für die gleiche Parameterbelegung erstellt wie für die Figuren 5 und 6 mit dem Unterschied, dass hier der Brechungsindex n2 mit 1 (Luft) gewählt wurde, das heißt, dass das annulare Billard nur von einem Ringresonator RR mit einem Brechungsindex ni = 3 gebildet ist. Auch hier ergeben sich bevorzugte Modenbahnen MCi, MC2 mit charakteristischen Reflexionspunkten CRi, CPM. Dabei entspricht die Modenbahn MCi der Modenbahn MC gemäß Figur 5. Interessant ist aber insbesondere die Modenbahn MC2, da hier die Resonatormode RM durch den inneren Luftraum tritt, sodass der Innenkreis des Ringresonators RR als „weiche Wand" mit Transmission bezeichnet werden kann. Eine derartige Konzeption eines annularen Billards ist neu und besonders gut für den Mikrolaser nach der Erfindung einsetzbar.The Poincare section according to FIG. 8 was created for the same parameter assignment as for FIGS. 5 and 6 with the difference that here the Refractive index n 2 with 1 (air) was selected, which means that the annular billiard is formed only by a ring resonator RR with a refractive index ni = 3. Preferred mode paths MCi, MC 2 with characteristic reflection points CRi, CPM also result here. The mode path MCi corresponds to the mode path MC according to FIG. 5. However, the mode path MC 2 is particularly interesting, since here the resonator mode RM passes through the inner air space, so that the inner circle of the ring resonator RR can be referred to as a “soft wall” with transmission Such an annular billiard design is new and can be used particularly well for the microlaser according to the invention.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
a große Halbachsea big semi-axis
AF StirnflächeAF face
AL aktive SchichtAL active layer
AWG aktiver Wellenleiter b kleine HalbachseAWG active waveguide b small semi-axis
BO Gabelung c Strecke FP/MTBO fork c route FP / MT
CL n-KontaktschichtCL n contact layer
CPR charakteristischer Reflexionspunkt für Totalreflexion CPM charakteristischer Reflexionspunkt auf Schnittpunkt MP/IRCPR characteristic reflection point for total reflection CPM characteristic reflection point at intersection MP / IR
CPT charakteristischer Reflexionspunkt für TransmissionCPT characteristic reflection point for transmission
CR ZirkularresonatorCR circular resonator
DR ScheibenresonatorDR disc resonator
FP Brennpunkt IR Stoßkopplung i Laufindex IS innere BerandungFP focal point IR shock coupling i running index IS inner boundary
LV LichtventilLV light valve
MC ModenbahnMC Modenbahn
ML MikrolaserML microlaser
MP SpiegelebeneMP mirror plane
MT Mittelpunkt n effektiver BrechungsindexMT center n effective refractive index
P EckpunktP corner point
PWG passiver Wellenleiter r, R RadiusPWG passive waveguide r, R radius
RM ResonatormodeRM resonator mode
RR RingresonatorRR ring resonator
RWG WellenleiterrippeRWG waveguide rib
SL p-leitende Deckschicht inkl. p-leitende p-KontaktschichtSL p-type cover layer including p-type p-contact layer
SU SubstratSU substrate
WL WellenleiterschichtWL waveguide layer
WG AuskoppeiwellenleiterWG decoupling waveguide
ß zentraler Winkel δ Exzentrizitätsfaktor ε Deformationsfaktor τ Abschnittsfaktor φ Phasenwinkelß central angle δ eccentricity factor ε deformation factor τ section factor φ phase angle
% Reflexionswinkel % Angle of reflection

Claims

Patentansprüche claims
1. Monolithisch integrierter Mikrolaser mit einem nur eine Spiegelebene aufweisenden Zirkularresonator in Halbleiterschichtaufbau zur planaren Ausbildung umlaufender Resonatormoden, die an Reflexionspunkten im Zirkularresonator reflektiert werden, und mit zumindest einem monolithisch integrierten Auskoppeiwellenleiter, der einem ortsfesten Reflexionspunkt einer stabilen Resonatormode zugeordnet ist und einen mit dem Brechungsindex des Zirkularresonators vergleichbaren Brechungsindex aufweist, zur Ausbildung eines optischen Lichtventils für eine einstellbare Lichtauskopplung in die Stirnfläche des Auskoppelwellenleiters, dadurch gekennzeichnet, dass der ortsfeste Reflexionspunkt (CPM) in einem für eine vorgegebene Dimensionierung des Zirkularresonators (CR) rechnerisch erstellten Poincare- Schnitt durch im Vergleich zu anderen berechneten Stabilitätsinseln möglichst große und dichtbelegte Stabilitätsinseln einer auftretenden stabilen Resonatormode (RM) örtlich festgelegt ist und dass in diesem charakteristischen Reflexionspunkt (CPM) der Auskoppeiwellenleiter (WG) unmittelbar mit dem Zirkularresonator (CR) über eine Stoßkoppelstelle (IR) zur Auskopplung eines gerichteten Lichtstrahls optisch verbunden ist, wobei der Grad der Auskopplung durch eine Dimensionierung der an der Stoßkoppelstelle (IR) auftretenden optischen Feldüberlappung zwischen der stabilen Resonatormode (RM) und der sich ausprägenden Mode im Auskoppeiwellenleiter (WG) einstellbar ist.1. Monolithically integrated microlaser with a circular resonator having only one mirror plane in a semiconductor layer structure for the planar formation of revolving resonator modes, which are reflected at reflection points in the circular resonator, and with at least one monolithically integrated coupling-out waveguide, which is assigned to a fixed reflection point of a stable resonator mode and one with which of the circular resonator has a comparable refractive index, to form an optical light valve for an adjustable light coupling into the end face of the coupling waveguide, characterized in that the fixed reflection point (CPM) in a Poincare section computed for a given dimensioning of the circular resonator (CR) by comparison to other calculated stability islands, the largest possible and densely documented stability islands of a occurring stable resonator mode (RM) are fixed locally and that in this characteristic reflection point (CPM) the coupling-out waveguide (WG) is optically connected directly to the circular resonator (CR) via a coupling coupling point (IR) for coupling out a directed light beam, the degree of coupling out being dimensioned by dimensioning the coupling coupling point (IR) occurring optical field overlap between the stable resonator mode (RM) and the expressed mode in the output waveguide (WG) is adjustable.
2. Monolithisch integrierter Halbleiterlaser nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Auskoppeiwellenleiter (WG) als schaltbarer aktiver Wellenleiter (AWG) mit einer separaten Kontaktierung der aktiven Schicht (WL) im Halbleiterschichtaufbau ausgebildet ist. 2. Monolithically integrated semiconductor laser according to claim 1, characterized in that the output waveguide (WG) is designed as a switchable active waveguide (AWG) with a separate contacting of the active layer (WL) in the semiconductor layer structure.
3. Monolithisch integrierter Halbleiterlaser nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Auskoppeiwellenleiter als optischer Verstärker ausgebildet ist.3. Monolithically integrated semiconductor laser according to claim 1, characterized in that the Auskoppeiwellenleiter is designed as an optical amplifier.
4. Monolithisch integrierter Halbleiterlaser nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Auskoppeiwellenleiter (WG) als transparenter passiver Wellenleiter (PWG) ausgebildet ist.4. Monolithically integrated semiconductor laser according to claim 1, characterized in that the output waveguide (WG) is designed as a transparent passive waveguide (PWG).
5. Monolithisch integrierter Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Auskoppeiwellenleiter (WG) hinter der Stoßkoppelstelle (IR) am Zirkularresonator (CR) eine Gabelung (BO) zur Auskopplung von zwei gerichteten Lichtstrahlen einer in beiden Umlaufrichtungen umlaufenden periodischen Resonatormode (RM) aufweist.5. Monolithically integrated semiconductor laser according to one of claims 1 to 4, characterized in that the Auskoppeiwellenleiter (WG) behind the shock coupling point (IR) on the circular resonator (CR) a fork (BO) for coupling out two directed light beams of a periodic in both directions of rotation Has resonator mode (RM).
6. Monolithisch integrierter Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer deformierten Ausbildung des Zirkularresonators (CR) der charakteristische Reflexionspunkt (CPM) durch den Schnittpunkt der Spiegelebene (MP) mit der Berandung (IS) im Bereich ihrer geringsten Krümmung örtlich festgelegt ist6. Monolithically integrated semiconductor laser according to one of claims 1 to 5, characterized in that in the case of a deformed design of the circular resonator (CR), the characteristic reflection point (CPM) through the intersection of the mirror plane (MP) with the boundary (IS) in the region of its smallest Curvature is fixed
7. Monolithisch integrierter Halbleiterlaser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Zirkularresonator (CR) in Ei-ähnlicher Form mit den Polarkoordinaten r, φ nach der normierten Bildungsformel : r(φ) = Ro (1 + εi cos 2φ + ε2 cos 3φ) mit einem konstanten mittleren Radius R0 und wählbaren Deformationsfaktoren εi, ε2 ausgebildet ist.7. Monolithically integrated semiconductor laser according to claim 6, characterized in that the circular resonator (CR) in egg-like form with the polar coordinates r, φ according to the standardized formation formula: r (φ) = Ro (1 + εi cos 2φ + ε 2 cos 3φ) is formed with a constant mean radius R 0 and selectable deformation factors εi, ε 2 .
8. Monolithisch integrierter Halbleiterlaser nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass für den Deformationsfaktor εi ein Wert zwischen 0,01 und 0,05 und den8. monolithically integrated semiconductor laser according to claim 7, characterized in that for the deformation factor εi a value between 0.01 and 0.05 and
Deformationsfaktor ε2 ein Wert 0,01 und 0,1 gewählt wird, wobei je nachDeformation factor ε 2 a value of 0.01 and 0.1 is chosen, depending on
Wertekombination beide Faktoren noch um bis zu ±30% schwanken können.Value combination both factors can fluctuate by up to ± 30%.
9. Monolithisch integrierter Halbleiterlaser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Zirkularresonator (CR) in der Form einer abgeschnittenen Ellipse mit einer großen Halbachse a und einer kleinen Halbachse b mit den Polarkoordinaten r, φ nach der normierten Bildungsformel: r(φ ) = [(1 - ε2)1/4] / [l + ε cos φ] mit einem mittleren Radius Ro = (1-ε2)1/4 und einem Deformationsfaktor ε = (a2-b2)1/2/a ausgebildet ist, die an einer durch einen gewählten Abschnittsfaktor τ vorgegebenen Stelle zwischen einem Brennpunkt (FP) und dem Mittelpunkt (MT) der Ellipse parallel zur kleinen Halbachse b abgeschnitten ist.9. Monolithically integrated semiconductor laser according to claim 6, characterized in that the circular resonator (CR) in the form of a cut ellipse with a large semiaxis a and a small semiaxis b with the polar coordinates r, φ according to the standardized formation formula: r (φ) = [(1 - ε 2 ) 1/4 ] / [l + ε cos φ] with an average radius Ro = (1-ε 2 ) 1/4 and a deformation factor ε = (a 2 -b 2 ) 1/2 / a is formed, which is cut off at a point predetermined by a selected section factor τ between a focal point (FP) and the center point (MT) of the ellipse parallel to the small semi-axis b.
10. Monolithisch integrierter Halbleiterlaser nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass für den Deformationsfaktor ε ein Wert in einem Bereich von 0,3 bis 0,9, ins- besondere zwischen 0,75 und 0,85, und für den Abschnittsfaktor τ ein Wert in einem Bereich zwischen 0,25 und 0,75, insbesondere 0,5, gewählt werden.10. A monolithically integrated semiconductor laser according to claim 9, characterized in that a value in the range from 0.3 to 0.9, in particular between 0.75 and 0.85, for the deformation factor ε and a value for the section factor τ can be selected in a range between 0.25 and 0.75, in particular 0.5.
11. Monolithisch integrierter Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Ausbildung des Zirkularresonators (CR) in Form eines annularen Billards aus einem äußeren Ringresonator (RR) mit einem konstanten Radius Ri und einem inneren Scheibenresonator (DR) mit einem kleineren Radius R2, deren Mittelpunkte um einen Exzentrizitätsfaktor δ zueinander verschoben sind und die unterschiedliche Brechungsindizes ni, n2 aufweisen, der charakteristische Reflexionspunkt (CPM) durch den Schnittpunkt der Spiegelebene (MP) mit der Berandung (IS) des äußeren Ringresonators (RR) an der Stelle des größeren Abstandes zum inneren Scheibenresonator örtlich festgelegt ist.11. A monolithically integrated semiconductor laser according to one of claims 1 to 5, characterized in that when the circular resonator (CR) is designed in the form of an annular billiard from an outer ring resonator (RR) with a constant radius Ri and an inner disk resonator (DR) with a smaller radius R 2 , the centers of which are shifted from one another by an eccentricity factor δ and which have different refractive indices ni, n 2 , the characteristic reflection point (CPM) through the intersection of the mirror plane (MP) with the The boundary (IS) of the outer ring resonator (RR) is fixed at the location of the greater distance from the inner disc resonator.
12. Monolithisch integrierter Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Ausbildung des Zirkularresonators (CR) in Form eines annularen Billards aus einem äußeren Ringresonator (RR) mit einem konstanten Radius Ri und einem inneren Scheibenresonator (DR) mit einem kleineren Radius R2, deren Mittelpunkte um einen Exzentrizitätsfaktor δ zueinander verschoben sind und die unterschiedliche Brechungsindizes aufweisen, zwei charakteristische Reflexionspunkte (CPT) durch ein senkrechtes Auftreffen der periodischen Resonatormode (RM) auf die Berandung (IS) des äußeren Ringresonators (RR) örtlich festgelegt sind.12. A monolithically integrated semiconductor laser according to one of claims 1 to 5, characterized in that with an embodiment of the circular resonator (CR) in the form of an annular billiard consisting of an outer ring resonator (RR) with a constant radius Ri and an inner disk resonator (DR) a smaller radius R 2 , the centers of which are shifted from one another by an eccentricity factor δ and which have different refractive indices, two characteristic reflection points (CPT) due to the periodic impact of the periodic resonator mode (RM) on the edge (IS) of the outer ring resonator (RR) locally are set.
13. Monolithisch integrierter Halbleiterlaser nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass für den kleineren Radius R2 Werte zwischen 0,2 Ri und 0,8 Ri und für den Exzentrizitätsfaktor δ Werte zwischen 0,3 R2 und 1 ,0 R2 gewählt werden, wobei die Werte in einem Bereich von bis zu ±30% schwanken können.13. Monolithically integrated semiconductor laser according to claim 11 or 12, characterized in that for the smaller radius R 2 values between 0.2 Ri and 0.8 Ri and for the eccentricity factor δ values between 0.3 R 2 and 1.0 R 2 can be selected, whereby the values can fluctuate in a range of up to ± 30%.
14. Monolithisch integrierter Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 1 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Scheibenresonator (DR) durch einen Luftraum mit einem Brechungsindex n2 = 1 gebildet wird. 14. Monolithically integrated semiconductor laser according to one of claims 1 1 to 13, characterized in that the inner disc resonator (DR) is formed by an air space with a refractive index n 2 = 1.
15. Monolithisch integrierter Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die ausbreitungsfähigen Resonatormoden (RM) im Zirkularresonator (CR) eng lokalisiert sind, wobei insbesondere nur eine Longitudinalmode auftritt. 15. Monolithically integrated semiconductor laser according to one of claims 7 to 14, characterized in that the propagatable resonator modes (RM) are closely localized in the circular resonator (CR), in particular only one longitudinal mode occurring.
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