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WO2024068344A1 - Photonische integrierte schaltung mit verstärkungsmedium und optoelektronische vorrichtung - Google Patents

Photonische integrierte schaltung mit verstärkungsmedium und optoelektronische vorrichtung Download PDF

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WO2024068344A1
WO2024068344A1 PCT/EP2023/075698 EP2023075698W WO2024068344A1 WO 2024068344 A1 WO2024068344 A1 WO 2024068344A1 EP 2023075698 W EP2023075698 W EP 2023075698W WO 2024068344 A1 WO2024068344 A1 WO 2024068344A1
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WO
WIPO (PCT)
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integrated circuit
photonic integrated
gain medium
radiation
pump
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Ceased
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PCT/EP2023/075698
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English (en)
French (fr)
Inventor
Joerg Sorg
Norwin Von Malm
Johann Ramchen
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ams Osram International GmbH
Original Assignee
Ams Osram International GmbH
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Publication date
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    • H01S5/32—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures
    • H01S5/323—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser
    • H01S5/32308—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser emitting light at a wavelength less than 900 nm
    • H01S5/32341—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser emitting light at a wavelength less than 900 nm blue laser based on GaN or GaP

Definitions

  • Semiconductor lasers based, for example, on the GaN material system or the InGaAlP material system are widely used as narrow-band light sources.
  • concepts are being sought with which laser beams can be generated in a large wavelength range and with a larger spectral bandwidth.
  • the present invention is based on the object of providing an improved photonic integrated circuit and an improved optoelectronic device.
  • a photonic integrated circuit comprises a pump laser diode configured to emit pump radiation, and a gain medium suitable for absorbing the pump radiation and emitting laser radiation.
  • the photonic integrated circuit further includes a waveguide suitable for supplying the pump radiation to the gain medium.
  • the photonic integrated circuit further includes a first and a second resonator mirror, one of which is arranged in a light path between the pump laser diode and the gain medium and another on a side of the gain medium facing away from the pump laser diode, wherein an optical resonator is formed between the first and the second resonator mirror.
  • the pump laser diode may have an active region containing a GaN-containing semiconductor material.
  • the reinforcing material is a crystalline reinforcing material containing lithium fluoride.
  • the gain medium contains LiLuF4 or LiRhF4.
  • the gain medium can be doped with side earth ions.
  • the gain medium is embedded in a cladding material having a smaller refractive index than the refractive index of the gain medium.
  • the cladding material is arranged on side surfaces of the gain medium parallel to an extension direction of the optical resonator.
  • the cladding material is made up of the material of the gain medium and is undoped.
  • the cladding material may further adjoin the waveguide.
  • the photonic integrated circuit may further comprise a ring resonator which is arranged in a light path behind the gain medium and which is suitable for filtering the laser radiation emitted by the gain medium.
  • the photonic integrated circuit can further contain an active optical element that is suitable for changing an emission spectrum of the photonic integrated circuit.
  • the gain medium is divided into at least a first and a second section, which are arranged along a direction that intersects a direction of the pump radiation.
  • the photonic integrated circuit can be designed to be particularly compact.
  • a material of the first section can be different from a material of the second section.
  • the materials of the first and second sections can be selected so that that laser radiation with slightly different wavelengths is emitted through the two sections. In this way, speckles can be avoided or suppressed.
  • the photonic integrated circuit may further comprise a mirror adapted to direct laser radiation emitted from the first portion into the second portion.
  • a photonic integrated circuit comprises a pump laser diode which is designed to emit pump radiation, a first gain medium which is suitable for absorbing the pump radiation and emitting first laser radiation, a first and a second resonator mirror, one of which is arranged in a light path between the pump laser diode and the first gain medium and another on a side of the first gain medium facing away from the pump laser diode, wherein a first optical resonator is formed between the first and the second resonator mirrors.
  • the photonic integrated circuit further comprises a second optical resonator with an associated first and a second resonator mirror and a second gain medium which is arranged in the second optical resonator and is suitable for absorbing the pump radiation and emitting second laser radiation with a wavelength which is different from the wavelength of the first laser radiation.
  • the photonic integrated circuit further comprises an optical switch which is suitable for selectively supplying pump radiation to the first or the second optical resonator.
  • the first and the second gain medium can have an identical base material with a different dopant.
  • the base material may contain crystalline lithium fluoride.
  • An optoelectronic device comprises the photonic integrated circuit as described above.
  • the optoelectronic device can be selected, for example, from a sensor and AR/VR data glasses.
  • Fig. 1 shows a schematic cross-sectional view of a photonic integrated circuit according to embodiments.
  • Fig. 2A shows a schematic cross-sectional view of a photonic integrated circuit according to further embodiments.
  • Fig. 2B shows a schematic top view of a photonic integrated circuit according to embodiments.
  • Fig. 3 shows a gain medium embedded in a cladding material.
  • Fig. 4A shows a schematic top view of a photonic integrated circuit according to further embodiments.
  • Fig. 4B shows a schematic cross-sectional view of the photonic integrated circuit shown in Fig. 4A.
  • Fig. 5A shows a schematic cross-sectional view of a photonic integrated circuit according to embodiments.
  • Fig. 5B shows a schematic top view of a photonic integrated circuit according to embodiments.
  • Fig. 5C shows a cross section through a first and a second gain medium embedded in a cladding material.
  • Fig. 6A shows a schematic top view of a photonic integrated circuit according to embodiments.
  • Fig. 6B shows a cross-sectional view of the photonic integrated circuit shown in Fig. 6A.
  • Fig. 7 shows a schematic view of an optoelectronic device according to embodiments.
  • Wafer or “semiconductor substrate” used in the following description can include any semiconductor-based structure having a semiconductor surface. Wafer and structure are to be understood as including doped and undoped semiconductors, epitaxial semiconductor layers, optionally by a base support, and further semiconductor structures. For example, a layer of a first semiconductor material may be grown on a growth substrate of a second semiconductor material, for example a GaAs substrate, a GaN substrate or a Si substrate, or of an insulating material, for example on a sapphire substrate.
  • a growth substrate of a second semiconductor material for example a GaAs substrate, a GaN substrate or a Si substrate, or of an insulating material, for example on a sapphire substrate.
  • the semiconductor can be based on a direct or an indirect semiconductor material.
  • semiconductor materials particularly suitable for generating electromagnetic radiation include in particular nitride semiconductor compounds, by means of which, for example, ultraviolet, blue or longer-wave light can be generated, such as GaN, InGaN, AlN, AlGaN, AlGalnN, AlGalnBN, phosphide semiconductor compounds, by means of which, for example, green or longer-wave light can be generated, such as GaAsP, Al-GalnP, GaP, AlGaP, and other semiconductor materials such as GaAs, Al-GaAs, InGaAs, AlInGaAs, SiC, ZnSe, ZnO, Ga2Ü3, diamond, hexagonal BN and combinations of the materials mentioned.
  • the stoichiometric ratio of the compound semiconductor materials can vary.
  • Other examples of semiconductor materials can include silicon, silicon-germanium and germanium. In the context of the present description, the term "semiconductor"
  • substrate generally includes insulating, conductive or semiconductor substrates.
  • lateral and horizontal as used in this specification are intended to describe an orientation or alignment that is substantially parallel to a first surface of a substrate or semiconductor body. This can be, for example, the surface of a wafer or a chip (die).
  • the horizontal direction can, for example, lie in a plane perpendicular to a growth direction when growing layers.
  • the term "vertical" as used in this description is intended to describe an orientation that is substantially perpendicular to the first surface of a substrate or semiconductor body.
  • the vertical direction may, for example, correspond to a growth direction when growing layers.
  • Fig. 1 shows a schematic cross-sectional view of a photonic integrated circuit 10 according to embodiments.
  • the photonic integrated circuit or laser device 10 comprises a pump laser diode 100 with an active zone 103.
  • the active zone 103 comprises a GaN-containing semiconductor material according to embodiments. According to further embodiments, the active zone may also contain one or more other semiconductor materials that are different from GaN. Specific examples are mentioned above.
  • the pump laser diode 100 is configured to emit pump radiation 11.
  • the photonic integrated circuit 10 further comprises a gain medium 105 which is suitable for absorbing the pump radiation 11 and emitting laser radiation 12.
  • the gain medium 105 may contain lithium fluoride.
  • the photonic integrated circuit 10 comprises a first and a second resonator mirror 108, 109, one of which is arranged in a light path between the pump laser diode 100 and the gain medium 105.
  • a further resonator mirror 109 is arranged on a side of the gain medium 105 facing away from the pump laser diode 100.
  • An optical resonator 110 is formed between the first and the second resonator mirror 108, 109.
  • pump laser diode can include both edge-emitting and, for example, surface-emitting semiconductor lasers with a vertical cavity (“VCSEL").
  • VCSEL vertical cavity
  • the term "pump laser diode” can include a single diode element or an arrangement of individual diode elements. As shown in Fig. 1, the pump laser diode 100 can have a first semiconductor layer 101 of a first conductivity type, for example n-conducting, and a second semiconductor layer 102 of a second conductivity type, for example p-conducting.
  • the active Zone 103 is arranged between the first and the second semiconductor layer 101, 102.
  • an active zone can be arranged between the first and second semiconductor layers.
  • the active zone can, for example, have a pn junction, a double heterostructure, a single quantum well structure (SQW) or a multiple quantum well structure (MQW) for generating radiation.
  • Quantum well structure has no meaning with regard to the dimensionality of the quantization. It therefore includes, among other things, quantum wells, quantum wires and quantum dots as well as any combination of these layers.
  • the pump laser diode 100 For example, to produce the pump laser diode 100, first the first semiconductor layer 101 can be grown over a suitable growth substrate, followed by the active zone 103 and the second semiconductor layer 102.
  • the pump laser diode 100 is then applied as a so-called flip chip to the components of the photonic integrated circuit 10, so that the second semiconductor layer 102 faces, for example, a carrier 107 or substrate of the photonic integrated circuit 110, and the first semiconductor layer 101 forms part of a surface of the photonic integrated circuit 110.
  • the pump laser diode 100 is designed as an edge-emitting laser according to Fig. 1. However, it can also be designed in any other way, and electromagnetic radiation can also be emitted via a main surface of the pump laser diode.
  • a first connection line 111 can be electrically connected to the first semiconductor layer 101.
  • a second connection line 112 may be electrically connected to the second semiconductor layer 102.
  • the first and second connecting lines 111, 112 are electrically connected, for example, to a driver circuit 113 for operating the pump laser diode 100.
  • the first and second semiconductor layers 101, 102 may contain GaN, for example.
  • the active zone 103 contains, for example, This is a GaN-containing semiconductor material and is suitable, for example, for emitting electromagnetic radiation with a wavelength of less than 600 or 560 nm.
  • the gain medium 105 is suitable for absorbing the pump radiation and emitting laser radiation with a longer wavelength.
  • the gain medium 105 can, for example, contain crystalline lithium fluoride.
  • the crystalline lithium fluoride-containing gain medium 105 can, for example, be a crystalline medium with a perovskite crystal lattice.
  • the gain medium can contain LiLuF4 or LiRhF4.
  • the gain medium can be doped with rare earth elements.
  • the gain medium can be doped with terbium or praseodymium. When using terbium as a doping material, for example, a wavelength range of the emitted laser radiation 12 from 540 nm to 590 nm can result. When using praseodymium as a doping material, for example, a wavelength range of the emitted laser radiation from 600 nm to 650 nm can result.
  • the pump radiation 11 is supplied to a waveguide 117, via which the pump radiation 11 is supplied to the gain medium 105. Furthermore, the laser radiation 12 emitted by the gain medium 105 can be fed to a further waveguide 117.
  • a waveguide material may include LiNbO 3 , SiN, A1 2 N 3 or A1 2 O 3 .
  • the first and second resonator mirrors 108, 109 can each be wavelength-selective mirrors that are suitable for reflecting electromagnetic radiation in a predetermined wavelength range.
  • a reflection-reducing coating 114 can be arranged on an exit side of the waveguide 117.
  • the first and/or the second resonator mirror 108, 109 may reflect the incident electromagnetic radiation to a large degree (for example >90%) and may contain non-conductive layers.
  • the first and/or second resonator mirror may be formed by a sequence of very thin dielectric layers with each with different refractive indices.
  • the layers can alternately have a high refractive index (n>n0) and a low refractive index (n ⁇ n0) and be designed as Bragg mirrors, where nO depends on the materials used, in particular on whether the mirrors contain insulating or semiconductor layers.
  • the layer thickness can be ⁇ ,/ 4, where ⁇ , indicates the wavelength of the light to be reflected in the respective medium.
  • the layer seen from the incident light can have a greater layer thickness, for example 3X/ 4. Due to the small layer thickness and the difference in the respective refractive indices, appropriately constructed mirrors provide a high reflectivity and at the same time are, for example, non-conductive.
  • a Bragg mirror can, for example, have 2 to 50 reflective layers.
  • a typical layer thickness of the individual layers can be about 30 to 90 nm, for example about 50 nm.
  • the layer stack may further comprise one or two or more layers that are thicker than about 180 nm, for example thicker than 200 nm.
  • the ones in Fig. Laser device 10 shown in FIG. 1 represents a photonic integrated circuit in which the individual components are arranged, for example, on a common carrier 107.
  • a material of the carrier 107 can be or include silicon.
  • the ones in Fig. 1 shown photonic integrated circuit 10 thus represents a compact laser source that is suitable for emitting electromagnetic radiation in a wavelength range that includes, for example, wavelengths longer than the emission wavelength of GaN and wavelengths smaller than the emission wavelength of InGaAlP material systems.
  • the photonic integrated circuit 10 can further comprise an optical element 16, for example an active optical element 116, which can be suitable for changing an emission spectrum of the photonic integrated circuit 10.
  • the active optical element 116 can be a modulator that actively changes the emission spectrum.
  • the optical elements can be mirrors that reflect the light in the gain medium. and improve the optical confinement. According to further embodiments, the mirrors can also be dichroic mirrors that result in a desired emission wavelength.
  • Fig. 2A shows a schematic cross-sectional view of a photonic integrated circuit 10 according to further embodiments.
  • the ones in Fig. The photonic integrated circuit shown in FIG. 2A includes similar components to those shown in FIG. 1 shown.
  • a ring resonator 122 for example a tunable ring resonator 122, is provided.
  • the ring resonator 122 is arranged in a light path behind the gain medium 105 .
  • the ring resonator is suitable, for example, for filtering the laser radiation 12 emitted by the gain medium 105.
  • the ring resonator 122 can be connected to a control device 127, for example via a first connecting element 125 and a second connecting element 126.
  • the control device 127 can be set up to adjust one or more wavelengths of the laser beam 12 transmitted by the ring resonator 122. In this way, an emission wavelength of the laser beam 12 can be adjusted by actuating the control device 127. Accordingly, for example, the emission spectrum of the photonic integrated circuit 10 can be tuned.
  • the ring resonator 122 can also be set up to stabilize the emission wavelength.
  • the ring resonator 122 can be heatable.
  • the refractive index of the material of the ring resonator may change, thereby changing a transmission wavelength of the ring resonator 122.
  • the second resonator mirror 109 may be arranged on an exit side of the ring resonator 122.
  • the second resonator mirror 109 can also be arranged between the gain medium 105 and the ring resonator 122.
  • Fig. 2B shows a top view of the photonic integrated circuit shown in Fig. 2A.
  • the pump beam 11 emitted by the pump laser diode 100 is fed to the amplifier via a waveguide 117.
  • the laser beam 12 emitted by the gain medium 105 is then fed to the ring resonator 122 via the waveguide 117.
  • the components of the photonic integrated circuit 10 are arranged over a suitable carrier, for example a silicon substrate 107, and can form a photonic integrated circuit.
  • the gain medium 105 can be embedded in a suitable cladding material 118 and thus form a waveguide.
  • the cladding material can be arranged on side surfaces of the gain medium parallel to an extension direction of the optical resonator and a light path.
  • a refractive index of the cladding material is smaller than the refractive index of the gain medium.
  • the cladding material can be made up of the material of the gain medium and be undoped. Accordingly, in the configuration shown in Fig. 3, the gain medium 105 and the cladding material 118 are made up of the same base material or consist of the same base material.
  • the gain medium 105 is additionally doped, for example with a rare earth element.
  • the gain medium 105 acts as a gain medium and has a higher refractive index than the surrounding cladding material 118. If the gain medium 105 and the cladding material 118 have the same base material, the gain medium can be produced in a simple manner, for example by implantation or diffusion. For example, the gain medium 105 can be structured into a web 115 for mode guidance.
  • Fig. 4A shows a top view of a photonic integrated circuit 10 according to further embodiments.
  • the gain medium 105 is divided into at least first and second sections 131, 132.
  • the first and second sections 131 , 132 are each arranged along a direction that intersects a direction of the pump radiation 11 .
  • the sections of the gain medium 105 may be arranged perpendicular to an output direction of the laser beam 12.
  • mirrors 129 can be arranged which are suitable for directing the pump radiation 11 onto a first section 131 of the amplification medium.
  • mirrors 129 can be arranged to direct the laser radiation emitted from the first section into the second section of the gain medium 105.
  • the mirrors 129 can be arranged at an angle of approximately 45° with respect to an extension direction of the sections 131, 132 of the gain medium 105.
  • the mirror 129 can be, for example, a metallic mirror, a dielectric mirror or a hybrid mirror.
  • a filter coating can be applied over the mirror 129 or the mirror 129 itself can have a wavelength-filtering property so that, for example, only wavelengths to be emitted by the photonic integrated circuit 100 are selectively passed through.
  • the emitted laser radiation is thus directed from the first section 131 to the fourth section 134 of the gain medium 105. In this way, it is possible to provide an optical resonator 110 with a sufficient length and reduced space requirement. This allows the photonic integrated circuit 10 to be made more compact.
  • sections of the gain medium 105 are not necessarily arranged parallel to one another. Furthermore, an emission direction of the laser radiation 12 can deviate from an emission direction of the pump radiation 11.
  • the different sections 131, 132, 133, 134 of the gain medium can be designed such that they each emit slightly different wavelengths. In this way, speckles can be avoided, for example.
  • different host crystals or base materials can be used in the different sections 131, 132, 133, 134 of the gain medium. Different dopants can also be used in the different sections.
  • By appropriately designing the mirrors used it is possible to amplify a mixture of desired modes. In this way, it is possible to specifically achieve a defined Mixture of modes to amplify and decouple and thus shape the spectrum.
  • Fig. 4B shows a schematic cross-sectional view of the photonic integrated circuit 10 shown in Fig. 4A.
  • the representation in Fig. 4B is similar to the representation in Fig. 1.
  • the waveguides 117 and the sections of the gain medium 105 are embedded in the cladding material 118, as also described with reference to Fig. 3.
  • the gain medium 105 and the cladding material 118 can contain the same base material, wherein the gain medium 105 is doped and the cladding material 118 is undoped.
  • the photonic integrated circuit 10 shown in Figs. 4A and 4B thus represents a photonic integrated circuit in which the gain medium is integrated in the cladding material 118.
  • the cladding material 118 can correspond to one of the host crystals used and can not be doped.
  • Fig. 5A shows a cross-sectional view of a photonic integrated circuit 10 according to further embodiments.
  • a gain medium 105 of the first section 131 can be different from a gain medium 106 of the second section 132.
  • the other elements of the photonic integrated circuit 10 are similar or identical to those shown in Figs. 4A and 4B.
  • the first gain medium 105 and the second gain medium 106 may be embedded in a cladding material 118.
  • the first gain medium 105 may be doped with different rare earth elements than the second gain medium 106.
  • Fig. 5B shows a top view of the photonic integrated circuit 10.
  • the first and second sections 131, 132 of the gain medium are formed with a different material. doped with a different dopant than the third and fourth sections 133, 134.
  • the jacket material can do the same thing Have base material and be undoped. In this way it is possible, for example, to generate electromagnetic radiation of different wavelengths.
  • Fig. 5C shows a cross-sectional view of the first and second sections 131, 132 of the gain medium.
  • the first section 131 is formed with the first gain medium 105
  • the second section is formed with the second gain medium 106.
  • the second gain medium 106 is additionally embedded in the cladding material 118 and forms a ridge 115 for mode guidance.
  • the first and second gain media 105, 106 can each contain the same base material, but a different dopant.
  • Fig. 6A shows a top view of a photonic integrated circuit 10 according to further embodiments.
  • the photonic integrated circuit 10 shown in FIG. 6A has, in addition to the components shown, for example, in FIGS. 4A and 4B, a second optical resonator 121 with a first and a second resonator mirror 108, 109.
  • the second optical resonator 121 is designed differently than the first optical resonator 111.
  • a length of the second optical resonator 121 may differ from the length of the first optical resonator 111.
  • an amplification medium 106 can be arranged within the second optical resonator 121, which is different from the first amplification medium
  • the second gain medium may have the same base material as the first gain medium 105.
  • the second gain medium 106 may be doped with another dopant.
  • the photonic integrated circuit 10 may also have an optical or photonic switch 130.
  • the optical or photonic switch 130 can be suitable for selectively supplying pump radiation 11 to the first or the second optical resonator 111, 121. For example, through the second gain medium
  • the optical Switch 130 can thus be used to switch an emission wavelength of the photonic integrated circuit 10 between different wavelengths.
  • the optical switch 130 may be based on the electro-optical effect.
  • the optical switch 130 may be integrated with the waveguide 117 .
  • Fig. 6B shows a cross-sectional view of the photonic integrated circuit 10 shown in Fig. 6A.
  • the waveguide 117 and the first gain medium 105 are embedded in the cladding material 118.
  • the photonic integrated circuit 10 can comprise further optical resonators, each with a different gain medium or length of the resonator. In this way, it is possible to switch the emission wavelength between several values.
  • a very compact photonic integrated circuit with a high degree of flexibility in shaping the spectral bandwidth of the emission can be provided.
  • Both photonic integrated circuits with a small spectral bandwidth and with a large spectral bandwidth can be created.
  • This provides a high level of monolithic integration.
  • the photonic integrated circuits described can be used in sensors, for example industrial sensors, medical sensors and others. They can also be used in smart glasses.
  • Fig. 7 shows a schematic view of an optoelectronic device 15 according to embodiments.
  • the optoelectronic device 15 contains the described photonic integrated circuit.
  • the optoelectronic device can be, for example, a sensor or VR/AR ("Virtual Reality/Augmented Reality") data glasses.

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Abstract

Eine photonische integrierte Schaltung (10) umfasst eine Pump-Laserdiode (100), die eingerichtet ist, Pumpstrahlung (11) zu emittieren. Die photonische integrierte Schaltung (10) umfasst ferner ein Verstärkungsmedium (105), welches geeignet ist, die Pumpstrahlung (11) zu absorbieren und Laserstrahlung (12) zu emittieren, sowie einen Wellenleiter (117), der geeignet ist, die Pumpstrahlung (11) dem Verstärkungsmedium (105) zuzuführen. Die photonische integrierte Schaltung (10) umfasst darüber hinaus einen ersten und einen zweiten Resonatorspiegel (108, 109), von denen einer in einem Lichtpfad zwischen der Pump-Laserdiode (100) und dem Verstärkungsmedium (105) und ein weiterer auf einer von der Pump-Laserdiode (100) abgewandten Seite des Verstärkungsmediums (105) angeordnet ist. Ein optischer Resonator (110) bildet sich zwischen dem ersten und dem zweiten Resonatorspiegel (108, 109) aus.

Description

PHOTONISCHE INTEGRIERTE SCHALTUNG MIT VERSTÄRKUNGSMEDIUM UND OPTOELEKTRONISCHE VORRICHTUNG
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung Nr . 10 2022 125 325 . 2 vom 30 . September 2022 , deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung auf genommen wird .
Halbleiterlaser , die beispielsweise auf dem GaN-Materialsystem oder dem InGaAlP-Materialsystem basieren, werden verbreitet als schmal- bandige Lichtquelle verwendet . Generell wird nach Konzepten gesucht , mit denen Laserstrahlen in einem großen Wellenlängenbereich und mit größerer spektraler Bandbreite erzeugt werden können .
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde , eine verbesserte photonische integrierte Schaltung sowie eine verbesserte optoelektronische Vorrichtung bereitzustellen .
Gemäß Ausführungsformen wird die Aufgabe durch den Gegenstand der unabhängigen Patentanmeldung gelöst . Vorteilhafte Weiterentwicklungen sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert .
Gemäß Ausführungsformen umfasst eine photonische integrierte Schaltung eine Pump-Laserdiode , die eingerichtet ist , Pumpstrahlung zu emittieren, sowie ein Verstärkungsmedium, welches geeignet ist , die Pumpstrahlung zu absorbieren und Laserstrahlung zu emittieren . Die photonische integrierte Schaltung enthält ferner einen Wellenleiter, der geeignet ist , die Pumpstrahlung dem Verstärkungsmedium zuzuführen . Die photonische integrierte Schaltung enthält darüber hinaus einen ersten und einen zweiten Resonatorspiegel , von denen einer in einem Lichtpfad zwischen der Pump-Laserdiode und dem Verstärkungsmedium und ein weiterer auf einer von der Pump-Laserdiode abgewandten Seite des Verstärkungsmediums angeordnet ist , wobei sich ein optischer Resonator zwischen dem ersten und dem zweiten Resonatorspiegel ausbildet . Zum Beispiel kann die Pump-Laserdiode eine aktive Zone aufweisen, die ein GaN-haltiges Halbleitermaterial enthält .
Beispielsweise ist das Verstärkungsmaterial ein kristallines Lithiumfluorid-haltiges Verstärkungsmaterial . Gemäß Ausführungsformen enthält das Verstärkungsmedium LiLuF4 oder LiRhF4 .
Das Verstärkungsmedium kann mit Seitenerd-Ionen dotiert sein .
Gemäß Ausführungsformen ist das Verstärkungsmedium in einem Mantelmaterial mit einem kleineren Brechungsindex als dem Brechungsindex des Verstärkungsmediums eingebettet . Das Mantelmaterial ist an Seitenflächen des Verstärkungsmediums parallel zu einer Erstreckungsrichtung des optischen Resonators angeordnet .
Beispielsweise ist das Mantelmaterial aus dem Material des Verstärkungsmediums aufgebaut und undotiert . Gemäß Ausführungsformen kann das Mantelmaterial weiterhin an den Wellenleiter angrenzen .
Die photonische integrierte Schaltung kann ferner einen Ringresonator aufweisen, der in einem Lichtpfad hinter dem Verstärkungsmedium angeordnet ist und der geeignet ist , die von dem Verstärkungsmedium emittierte Laserstrahlung zu filtern .
Die photonische integrierte Schaltung kann ferner ein aktives optisches Element , das geeignet ist , ein Emissionsspektrum der photoni- schen integrierten Schaltung zu verändern, enthalten .
Gemäß Ausführungsformen ist das Verstärkungsmedium in mindestens einen ersten und einen zweiten Abschnitt aufgeteilt , die entlang einer Richtung angeordnet sind, die eine Richtung der Pumpstrahlung schneidet . Auf diese Weise kann die photonische integrierte Schaltung besonders kompakt ausgeführt sein .
Dabei kann ein Material des ersten Abschnitts von einem Material des zweiten Abschnitts verschieden sein . Beispielsweise können die Materialien des ersten und des zweiten Abschnitts so ausgewählt sein, dass durch die beiden Abschnitte j eweils Laserstrahlung mit geringfügig unterschiedlicher Wellenlänge emittiert wird . Auf diese Weise lassen sich Speckles vermeiden oder unterdrücken .
Die photonische integrierte Schaltung kann ferner einen Spiegel aufweisen, der geeignet ist , von dem ersten Abschnitt emittierte Laserstrahlung in den zweiten Abschnitt zu lenken .
Gemäß weiteren Ausführungsformen umfasst eine photonische integrierte Schaltung eine Pump-Laserdiode , die eingerichtet ist , Pumpstrahlung zu emittieren, ein erstes Verstärkungsmedium, welches geeignet ist , die Pumpstrahlung zu absorbieren und erste Laserstrahlung zu emittieren, einen ersten und einen zweiten Resonatorspiegel , von denen einer in einem Lichtpfad zwischen der Pump-Laserdiode und dem ersten Verstärkungsmedium und ein weiterer auf einer von der Pump- Laserdiode abgewandten Seite des ersten Verstärkungsmediums angeordnet ist , wobei sich ein erster optischer Resonator zwischen dem ersten und dem zweiten Resonatorspiegel ausbildet . Die photonische integrierte Schaltung umfasst ferner einen zweiten optischen Resonator mit einem zugehörigen ersten und einem zweiten Resonatorspiegel sowie einem zweiten Verstärkungsmedium, welches in dem zweiten optischen Resonator angeordnet ist und geeignet ist , die Pumpstrahlung zu absorbieren und zweite Laserstrahlung mit einer Wellenlänge zu emittieren, die von der Wellenlänge der ersten Laserstrahlung verschieden ist . Die photonische integrierte Schaltung umfasst weiterhin einen optischen Schalter, der geeignet ist , Pumpstrahlung selektiv dem ersten oder dem zweiten optischen Resonator zuzuführen .
Beispielsweise können das erste und das zweite Verstärkungsmedium ein identisches Grundmaterial mit j eweils unterschiedlichem Dotierstoff aufweisen .
Gemäß Ausführungsformen kann das Grundmaterial kristallines Lithiumfluorid enthalten .
Eine optoelektronische Vorrichtung gemäß Ausführungsformen weist die photonische integrierte Schaltung wie vorstehend beschrieben auf . Die optoelektronische Vorrichtung kann beispielsweise aus einem Sensor und einer AR/VR-Datenbrille ausgewählt sein .
Die begleitenden Zeichnungen dienen dem Verständnis von Ausführungsbeispielen der Erfindung . Die Zeichnungen veranschaulichen Ausführungsbeispiele und dienen zusammen mit der Beschreibung deren Erläuterung . Weitere Ausführungsbeispiele und zahlreiche der beabsichtigten Vorteile ergeben sich unmittelbar aus der nachfolgenden Detailbeschreibung . Die in den Zeichnungen gezeigten Elemente und Strukturen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander dargestellt . Gleiche Bezugszeichen verweisen auf gleiche oder einander entsprechende Elemente und Strukturen .
Fig . 1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer photoni- schen integrierten Schaltung gemäß Ausführungsformen .
Fig . 2A zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer photoni- schen integrierten Schaltung gemäß weiteren Ausführungsformen .
Fig . 2B zeigt eine schematische Draufsicht auf eine photonische integrierte Schaltung gemäß Ausführungsformen .
Fig . 3 zeigt ein in ein Mantelmaterial eingebettetes Verstärkungsmedium.
Fig . 4A zeigt eine schematische Draufsicht einer photonischen integrierten Schaltung gemäß weiteren Ausführungsformen .
Fig . 4B zeigt eine schematische Querschnittsansicht der in Fig . 4A dargestellten photonischen integrierten Schaltung .
Fig . 5A zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer photonischen integrierten Schaltung gemäß Ausführungsformen .
Fig . 5B zeigt eine schematische Draufsicht auf eine photonische integrierte Schaltung gemäß Ausführungsformen . Fig . 5C zeigt einen Querschnitt durch ein erstes und ein zweites Verstärkungsmedium, die in einem Mantelmaterial eingebettet sind .
Fig . 6A zeigt eine schematische Draufsicht auf eine photonische integrierte Schaltung gemäß Ausführungsformen .
Fig . 6B zeigt eine Querschnittsansicht der in Fig . 6A gezeigten pho- tonischen integrierten Schaltung .
Fig . 7 zeigt eine schematische Ansicht einer optoelektronischen Vorrichtung gemäß Ausführungsformen .
In der folgenden Detailbeschreibung wird auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil der Offenbarung bilden und in denen zu Veranschaulichungs zwecken spezifische Ausführungsbeispiele gezeigt sind . In diesem Zusammenhang wird eine Richtungsterminologie wie "Oberseite" , "Boden" , "Vorderseite" , "Rückseite" , "über" , "auf" , "vor" , "hinter" , "vorne" , "hinten" usw . auf die Ausrichtung der gerade beschriebenen Figuren bezogen . Da die Komponenten der Ausführungsbeispiele in unterschiedlichen Orientierungen positioniert werden können, dient die Richtungsterminologie nur der Erläuterung und ist in keiner Weise einschränkend .
Die Beschreibung der Ausführungsbeispiele ist nicht einschränkend, da auch andere Ausführungsbeispiele existieren und strukturelle oder logische Änderungen gemacht werden können, ohne dass dabei vom durch die Patentansprüche definierten Bereich abgewichen wird . Insbesondere können Elemente von im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen mit Elementen von anderen der beschriebenen Ausführungsbeispiele kombiniert werden, sofern sich aus dem Kontext nichts anderes ergibt .
Die Begriffe "Wafer" oder "Halbleitersubstrat" , die in der folgenden Beschreibung verwendet sind, können j egliche auf Halbleiter beruhende Struktur umfassen, die eine Halbleiteroberfläche hat . Wafer und Struktur sind so zu verstehen, dass sie dotierte und undotierte Halbleiter, epitaktische Halbleiterschichten, gegebenenfalls getra- gen durch eine Basisunterlage , und weitere Halbleiterstrukturen einschließen . Beispielsweise kann eine Schicht aus einem ersten Halbleitermaterial auf einem Wachstumssubstrat aus einem zweiten Halbleitermaterial , beispielsweise einem GaAs-Substrat , einem GaN- Substrat oder einem Si-Substrat oder aus einem isolierenden Material , beispielsweise auf einem Saphirsubstrat , gewachsen sein .
Je nach Verwendungs zweck kann der Halbleiter auf einem direkten oder einem indirekten Halbleitermaterial basieren . Beispiele für zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung besonders geeignete Halbleitermaterialien umfassen insbesondere NitridHalbleiterverbindungen, durch die beispielsweise ultraviolettes , blaues oder langwelligeres Licht erzeugt werden kann, wie beispielsweise GaN, InGaN, AIN, AlGaN, AlGalnN, AlGalnBN, Phosphid- Halbleiterverbindungen, durch die beispielsweise grünes oder langwelligeres Licht erzeugt werden kann, wie beispielsweise GaAsP, Al- GalnP , GaP, AlGaP , sowie weitere Halbleitermaterialien wie GaAs , Al- GaAs , InGaAs , AlInGaAs , SiC , ZnSe , ZnO, Ga2Ü3 , Diamant , hexagonales BN und Kombinationen der genannten Materialien . Das stöchiometrische Verhältnis der Verbindungshalbleitermaterialien kann variieren . Weitere Beispiele für Halbleitermaterialien können Silizium, Silizium- Germanium und Germanium umfassen . Im Kontext der vorliegenden Beschreibung schließt der Begriff „Halbleiter" auch organische Halbleitermaterialien ein .
Der Begriff „Substrat" umfasst generell isolierende , leitende oder Halbleitersubstrate .
Die Begriffe "lateral" und "horizontal" , wie in dieser Beschreibung verwendet , sollen eine Orientierung oder Ausrichtung beschreiben, die im Wesentlichen parallel zu einer ersten Oberfläche eines Substrats oder Halbleiterkörpers verläuft . Dies kann beispielsweise die Oberfläche eines Wafers oder eines Chips ( Die ) sein .
Die horizontale Richtung kann beispielsweise in einer Ebene senkrecht zu einer Wachstumsrichtung beim Aufwachsen von Schichten lie- gen . Der Begriff "vertikal" , wie er in dieser Beschreibung verwendet wird, soll eine Orientierung beschreiben, die im Wesentlichen senkrecht zu der ersten Oberfläche eines Substrats oder Halbleiterkörpers verläuft . Die vertikale Richtung kann beispielsweise einer Wachstumsrichtung beim Aufwachsen von Schichten entsprechen .
Fig . 1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer photoni- schen integrierten Schaltung 10 gemäß Ausführungsformen . Die photo- nische integrierte Schaltung oder Laservorrichtung 10 umfasst eine Pump-Laserdiode 100 mit einer aktiven Zone 103 . Die aktive Zone 103 umfasst gemäß Ausführungsformen ein GaN-haltiges Halbleitermaterial . Gemäß weiteren Ausführungsformen kann die aktive Zone auch ein oder mehrere andere Halbleitermaterialien enthalten, die von GaN verschieden sind . Spezifische Beispiele sind vorstehend erwähnt . Die Pump-Laserdiode 100 ist eingerichtet , Pumpstrahlung 11 zu emittieren . Die photonische integrierte Schaltung 10 umfasst ferner ein Verstärkungsmedium 105 , welches geeignetes ist , die Pumpstrahlung 11 zu absorbieren und Laserstrahlung 12 zu emittieren . Beispielsweise kann das Verstärkungsmedium 105 Lithiumfluorid enthalten . Darüber hinaus umfasst die photonische integrierte Schaltung 10 einen ersten und einen zweiten Resonatorspiegel 108 , 109 , von denen einer in einem Lichtpfad zwischen der Pump-Laserdiode 100 und dem Verstärkungsmedium 105 angeordnet ist . Ein weiterer Resonatorspiegel 109 ist auf einer von der Pump-Laserdiode 100 abgewandten Seite des Verstärkungsmediums 105 angeordnet . Zwischen dem ersten und dem zweiten Resonatorspiegel 108 , 109 bildet sich ein optischer Resonator 110 aus .
Der Begriff "Pump-Laserdiode" wie im Kontext der vorliegenden Offenbarung verwendet , kann sowohl kantenemittierende als auch beispielsweise oberflächenemittierende Halbleiterlaser mit vertikalem Resonator ( "VCSEL" , "Vertical Cavity Surface Emitting Laser" ) umfassen .
Der Begriff "Pump-Laserdiode" kann dabei ein einzelnes Diodenelement oder auch eine Anordnung von einzelnen Diodenelementen umfassen . Wie in Fig . 1 dargestellt , kann die Pump-Laserdiode 100 eine erste Halbleiterschicht 101 von einem ersten Leitfähigkeitstyp, beispielsweise n-leitend und eine zweite Halbleiterschicht 102 von einem zweiten Leitfähigkeitstyp , beispielsweise p-leitend aufweisen . Die aktive Zone 103 ist zwischen der ersten und der zweiten Halbleiterschicht 101 , 102 angeordnet .
Beispielsweise kann eine aktive Zone zwischen erster und zweiter Halbleiterschicht angeordnet sein . Die aktive Zone kann beispielsweise einen pn-Übergang , eine Doppelheterostruktur, eine Einfach- Quantentopf-Struktur ( SQW, single quantum well ) oder eine Mehrfach- Quantentopf-Struktur (MQW, multi quantum well ) zur Strahlungserzeugung aufweisen . Die Bezeichnung „Quantentopf-Struktur" entfaltet hierbei keine Bedeutung hinsichtlich der Dimensionalität der Quantisierung . Sie umfasst somit unter anderem Quantentröge , Quantendrähte und Quantenpunkte sowie j ede Kombination dieser Schichten .
Beispielsweise kann zur Herstellung der Pump-Laserdiode 100 , zunächst die erste Halbleiterschicht 101 über einem geeigneten Wachstumssubstrat aufgewachsen werden, gefolgt von der aktiven Zone 103 und der zweiten Halbleiterschicht 102 . Sodann wird die Pump-Laser- diode 100 als sogenannter Flip-Chip auf den Komponenten der photoni- schen integrierten Schaltung 10 aufgebracht , so dass die zweite Halbleiterschicht 102 beispielsweise einem Träger 107 oder Substrat der photonischen integrierten Schaltung 110 zugewandt ist , und die erste Halbleiterschicht 101 Teil einer Oberfläche der photonischen integrierten Schaltung 110 bildet . Die Pump-Laserdiode 100 ist gemäß Fig . 1 als kantenemittierender Laser ausgeführt . Sie kann aber auch in beliebig anderer Weise ausgeführt sein, und elektromagnetische Strahlung kann auch über eine Hauptoberfläche der Pump-Laserdiode emittiert werden .
Eine erste Verbindungsleitung 111 kann mit der ersten Halbleiterschicht 101 elektrisch verbunden sein . Eine zweite Verbindungsleitung 112 kann mit der zweiten Halbleiterschicht 102 elektrisch verbunden sein . Die erste und die zweite Verbindungsleitung 111 , 112 sind beispielsweise mit einer Treiberschaltung 113 zum Betreiben der Pump-Laserdiode 100 elektrisch verbunden .
Die erste und die zweite Halbleiterschicht 101 , 102 können beispielsweise GaN enthalten . Die aktive Zone 103 enthält beispielswei- ses ein GaN-haltiges Halbleitermaterial und ist beispielsweise geeignet , elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge kleiner als 600 oder 560 nm zu emittieren .
Das Verstärkungsmedium 105 ist geeignet , die Pumpstrahlung zu absorbieren und Laserstrahlung mit längerer Wellenlänge zu emittieren . Das Verstärkungsmedium 105 kann beispielsweise kristallines Lithiumfluorid enthalten . Das kristalline Lithiumfluorid-haltige Verstärkungsmedium 105 kann beispielsweise ein kristallines Medium mit einem Perowskit-Kristallgitter sein . Beispielsweise kann das Verstärkungsmedium LiLuF4 oder LiRhF4 enthalten . Das Verstärkungsmedium kann mit Seltenerdelementen dotiert sein . Gemäß Ausführungsformen kann das Verstärkungsmedium mit Terbium oder Praseodym dotiert sein . Bei Verwendung von Terbium als Dotiermaterial kann sich zum Beispiel ein Wellenlängenbereich der emittierten Laserstrahlung 12 von 540 nm bis 590 nm ergeben . Bei Verwendung von Praseodym als Dotiermaterial kann sich beispielsweise ein Wellenlängenbereich der emittierten Laserstrahlung von 600 nm bis 650 nm ergeben .
Beispielsweise kann, wie in Fig . 1 dargestellt ist , die Pumpstrahlung 11 einem Wellenleiter 117 zugeführt werden, über den die Pumpstrahlung 11 dem Verstärkungsmedium 105 zugeführt wird . Weiterhin kann die von dem Verstärkungsmedium 105 emittierte Laserstrahlung 12 einem weiteren Wellenleiter 117 zugeführt werden . Beispielsweise kann ein Wellenleitermaterial LiNbO3 , SiN, A12N3 oder A12O3 umfassen .
Der erste und der zweite Resonatorspiegel 108 , 109 können j eweils wellenlängenselektive Spiegel sein, die geeignet sind, elektromagnetische Strahlung in einem vorgegebenen Wellenlängenbereich zu reflektieren . Eine reflexionsvermindernde Beschichtung 114 kann auf einer Austrittsseite des Wellenleiters 117 angeordnet sein .
Beispielsweise können der erste und/oder der zweite Resonatorspiegel 108 , 109 die einfallende elektromagnetische Strahlung zu einem großen Grad (beispielsweise >90% ) reflektieren und nicht leitende Schichten enthalten sein . Der erste und/oder zweite Resonatorspiegel kann durch eine Abfolge von sehr dünnen dielektrischen Schichten mit j eweils unterschiedlichen Brechungsindizes ausgebildet sein . Beispielsweise können die Schichten abwechselnd einen hohen Brechungsindex ( n>n0 ) und einen niedrigen Brechungsindex ( n<n0 ) haben und als Bragg-Spiegel ausgebildet sein, wobei nO von den verwendeten Materialien abhängt , insbesondere davon, ob die Spiegel isolierende oder Halbleiterschichten enthalten . Beispielsweise kann die Schichtdicke Ä,/ 4 betragen, wobei Ä, die Wellenlänge des zu reflektierenden Lichts in dem j eweiligen Medium angibt . Die vom einfallenden Licht her gesehene Schicht kann eine größere Schichtdicke , beispielsweise 3X/ 4 haben . Aufgrund der geringen Schichtdicke und des Unterschieds der j eweiligen Brechungsindices stellen entsprechend aufgebaute Spiegel ein hohes Reflexionsvermögen bereit und sind gleichzeitig beispielsweise nicht leitend . Ein Braggspiegel kann beispielsweise 2 bis 50 reflektierende Schichten aufweisen . Eine typische Schichtdicke der einzelnen Schichten kann etwa 30 bis 90 nm, beispielsweise etwa 50 nm betragen . Der Schichtstapel kann weiterhin eine oder zwei oder mehrere Schichten enthalten, die dicker als etwa 180 nm, beispielsweise dicker als 200 nm sind .
Die in Fig . 1 gezeigte Laservorrichtung 10 stellt eine photonische integrierte Schaltung dar , bei der die einzelnen Komponenten beispielsweise auf einem gemeinsamen Träger 107 angeordnet sind . Beispielsweise kann ein Material des Trägers 107 Silizium sein oder umfassen . Die in Fig . 1 gezeigte photonische integrierte Schaltung 10 stellt somit eine kompakte Laserquelle dar, die geeignet ist , elektromagnetische Strahlung in einem Wellenlängenbereich zu emittieren, der beispielsweise größere Wellenlängen als die Emissionswellenlänge von GaN und kleinere Wellenlänge als die Emissionswellenlänge von InGaAlP-Materialsystemen umfasst .
Die photonische integrierte Schaltung 10 kann weiterhin zusätzlich ein optisches Element 16 , beispielsweise ein aktives optisches Element 116 aufweisen, das geeignet sein kann, ein Emissionsspektrum der photonischen integrierten Schaltung 10 zu verändern . Beispielsweise kann das aktive optische Element 116 ein Modulator sein, der das Emissionsspektrum aktiv verändert . Weiterhin können die optischen Elemente Spiegel sein, die das Licht in dem Verstärkungsmedium einschließen und das optische Confinement verbessern . Gemäß weiteren Ausführungsformen können die Spiegel auch dichroitische Spiegel sein, die zu einer gewünschten Emissionswellenlänge führen .
Fig . 2A zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer photoni- schen integrierten Schaltung 10 gemäß weiteren Ausführungsformen . Die in Fig . 2A gezeigte photonische integrierte Schaltung umfasst ähnliche Komponenten wie die in Fig . 1 gezeigte . Zusätzlich ist ein Ringresonator 122 , beispielsweise ein abstimmbarer Ringresonator 122 vorgesehen . Der Ringresonator 122 ist in einen Lichtpfad hinter dem Verstärkungsmedium 105 angeordnet . Der Ringresonator ist geeignet , beispielsweise die von dem Verstärkungsmedium 105 emittierte Laserstrahlung 12 zu filtern . Der Ringresonator 122 kann beispielsweise über ein erstes Verbindungselement 125 und ein zweites Verbindungselement 126 mit einer Steuereinrichtung 127 verbunden sein . Die Steuereinrichtung 127 kann eingerichtet sein, eine oder mehrere von dem Ringresonator 122 durchgelassene Wellenlängen des Laserstrahls 12 einzustellen . Auf diese Weise kann durch Betätigen der Steuereinrichtung 127 eine Emissionswellenlänge des Laserstrahls 12 eingestellt werden . Entsprechend kann beispielsweise das Emissionsspektrum der photonischen integrierten Schaltung 10 abgestimmt werden .
Gemäß weiteren Ausführungsformen kann der Ringresonator 122 auch eingerichtet sein, die Emissionswellenlänge zu stabilisieren . Beispielsweise kann der Ringresonator 122 beheizbar sein . Als Ergebnis kann sich der Brechungsindex des Materials des Ringresonators ändern, wodurch sich eine Durchlasswellenlänge des Ringresonators 122 verändert . Beispielsweise kann bei der in Fig . 2A gezeigten photonischen integrierten Schaltung der zweite Resonatorspiegel 109 auf einer Austrittsseite des Ringresonators 122 angeordnet sein . Gemäß weiteren Ausführungsformen kann der zweite Resonatorspiegel 109 auch zwischen dem Verstärkungsmedium 105 und dem Ringresonator 122 angeordnet sein .
Fig . 2B zeigt eine Draufsicht auf die in Fig . 2A gezeigte photonische integrierte Schaltung . Der von der Pump-Laserdiode 100 emittierte Pumpstrahl 11 wird über einen Wellenleiter 117 dem Verstär- kungsmedium 105 zugeführt . Der von dem Verstärkungsmedium 105 emittierte Laserstrahl 12 wird sodann über den Wellenleiter 117 dem Ringresonator 122 zugeführt . Wie bei der Ausführungsform der Fig . 1 sind die Komponenten der photonischen integrierten Schaltung 10 über einem geeigneten Träger , beispielsweise einem Siliziumsubstrat 107 angeordnet und können eine photonische integrierte Schaltung ausbilden .
Wie in Fig . 3 gezeigt ist , kann gemäß Ausführungsformen das Verstärkungsmedium 105 in ein geeignetes Mantelmaterial 118 eingebettet sein und somit einen Wellenleiter ausbilden . Beispielsweise kann das Mantelmaterial an Seitenflächen des Verstärkungsmediums parallel zu einer Erstreckungsrichtung des optischen Resonators und einem Lichtpfad angeordnet sein . Ein Brechungsindex des Mantelmaterials ist dabei kleiner als der Brechungsindex des Verstärkungsmediums . Beispielsweise kann das Mantelmaterial aus dem Material des Verstärkungsmediums aufgebaut sein und undotiert sein . Entsprechend sind bei der in Fig . 3 gezeigten Konfiguration das Verstärkungsmedium 105 und das Mantelmaterial 118 aus demselben Grundmaterial aufgebaut bzw . bestehen aus demselben Grundmaterial . Das Verstärkungsmedium 105 ist zusätzlich dotiert , beispielsweise mit einem Seltenerdelement . Auf diese Weise wirkt das Verstärkungsmedium 105 als Verstärkungsmedium und hat einen höheren Brechungsindex als das umgebende Mantelmaterial 118 . Wenn das Verstärkungsmedium 105 und das Mantelmaterial 118 dasselbe Grundmaterial aufweisen, lässt sich das Verstärkungsmedium auf einfache Weise , beispielsweise durch Implantation oder Diffusion herstellen . Beispielsweise kann zur Modenführung das Verstärkungsmedium 105 zu einem Steg 115 strukturiert sein .
Fig . 4A zeigt eine Draufsicht auf eine photonische integrierte Schaltung 10 gemäß weiteren Ausführungsformen . Wie in Fig . 4A dargestellt ist , ist das Verstärkungsmedium 105 in mindestens einen ersten und einen zweiten Abschnitt 131 , 132 aufgeteilt . Der erste und der zweite Abschnitt 131 , 132 sind j eweils entlang einer Richtung angeordnet , die eine Richtung der Pumpstrahlung 11 schneidet . Beispielsweise können die Abschnitte des Verstärkungsmediums 105 senkrecht zu einer Ausgangsrichtung des Laserstrahls 12 angeordnet sein . Weiterhin können Spiegel 129 angeordnet sein, die geeignet sind, die Pumpstrahlung 11 auf einen ersten Abschnitt 131 des Verstärkungsmediums zu lenken . Weiterhin können Spiegel 129 angeordnet sein, die von dem ersten Abschnitt emittierte Laserstrahlung in den zweiten Abschnitt des Verstärkungsmediums 105 zu lenken .
Beispielsweise können die Spiegel 129 bei einem Winkel von etwa 45 ° bezogen auf eine Erstreckungsrichtung der Abschnitte 131 , 132 des Verstärkungsmediums 105 angeordnet sein . Der Spiegel 129 kann beispielsweise ein metallischer Spiegel , ein dielektrischer Spiegel oder ein hybrider Spiegel sein . Weiterhin kann eine Filterbeschichtung über dem Spiegel 129 aufgebracht sein oder der Spiegel 129 selbst kann eine wellenlängenfilternde Eigenschaft haben, so dass beispielsweise nur von der photonischen integrierten Schaltung 100 zu emittierende Wellenlängen selektiv durchgelassen werden . Wie in Fig . 4A dargestellt , wird somit die emittierte Laserstrahlung von dem ersten Abschnitt 131 bis hin zu dem vierten Abschnitt 134 des Verstärkungsmediums 105 gelenkt . Auf diese Weise ist es möglich, einen optischen Resonator 110 mit einer ausreichenden Länge und verringertem Platzbedarf zur Verfügung zu stellen . Dadurch kann die photonische integrierte Schaltung 10 kompakter gestaltet werden .
Es ist selbstverständlich, dass Abschnitte des Verstärkungsmediums 105 nicht notwendigerweise parallel zueinander angeordnet sind . Weiterhin kann eine Emissionsrichtung der Laserstrahlung 12 von einer Emissionsrichtung der Pumpstrahlung 11 abweichen . Beispielsweise können die verschiedenen Abschnitte 131 , 132 , 133 , 134 des Verstärkungsmediums so gestaltet sein, dass sie j eweils leicht unterschiedliche Wellenlängen emittieren . Auf diese Weise können beispielsweise Speckles vermieden werden . Beispielsweise können in den verschiedenen Abschnitten 131 , 132 , 133 , 134 des Verstärkungsmediums j eweils unterschiedliche Wirtskristalle oder Grundmaterialien verwendet werden . In den verschiedenen Abschnitten können auch verschiedene Dotierstoffe verwendet werden . Durch ein geeignetes Design der verwendeten Spiegel ist es möglich, eine Mischung gewünschter Moden zu verstärken . Auf diese Weise ist es möglich, gezielt eine definierte Mischung von Moden zu verstärken und auszukoppeln und damit das Spektrum zu gestalten .
Fig . 4B zeigt eine schematische Querschnittsansicht der in Fig . 4A gezeigten photonischen integrierten Schaltung 10 . Die Darstellung in Fig . 4B ähnelt der Darstellung in Fig . 1 . Allerdings sind hier abweichend die Wellenleiter 117 und die Abschnitte des Verstärkungsmediums 105 in das Mantelmaterial 118 eingebettet , wie auch unter Bezugnahme auf Fig . 3 beschrieben ist . Insbesondere können das Verstärkungsmedium 105 und das Mantelmaterial 118 dasselbe Grundmaterial enthalten, wobei das Verstärkungsmedium 105 dotiert ist und das Mantelmaterial 118 undotiert ist . Die photonische integrierte Schaltung 10 , die in den Fig . 4A und 4B gezeigt ist , stellt somit eine photonische integrierte Schaltung , bei der das Verstärkungsmedium in das Mantelmaterials 118 integriert ist , dar . Bei Verwendung von Verstärkungsmedien 105 mit j eweils unterschiedlichem Wirts kristall kann das Mantelmaterial 118 einem der verwendeten Wirtskristalle entsprechen und nicht dotiert sein .
Fig . 5A zeigt eine Querschnittsansicht einer photonischen integrierten Schaltung 10 gemäß weiteren Ausführungsformen . Bei der in Fig . 5A dargestellten photonischen integrierten Schaltung kann ein Verstärkungsmedium 105 des ersten Abschnitts 131 von einem Verstärkungsmedium 106 des zweiten Abschnitts 132 verschieden sein . Die weiteren Elemente der photonischen integrierten Schaltung 10 sind ähnlich oder identisch zu den in den Figuren 4A und 4B gezeigten .
Ähnlich wie bei den Ausführungsformen, die in Fig . 4A bis 4B gezeigt sind, können das erste Verstärkungsmedium 105 und das zweite Verstärkungsmedium 106 in ein Mantelmaterial 118 eingebettet sein . Beispielsweise kann das erste Verstärkungsmedium 105 mit anderen Seltenerdelementen als das zweite Verstärkungsmedium 106 dotiert sein .
Fig . 5B zeigt eine Draufsicht auf die photonische integrierte Schaltung 10 . Wie zu sehen ist , sind der erste und der zweite Abschnitt 131 , 132 des Verstärkungsmediums mit einem anderen Material ausgebildet bzw . mit einem anderen Dotierstoff dotiert als der dritte und vierte Abschnitt 133 , 134 . Das Mantelmaterial kann wiederum dasselbe Grundmaterial aufweisen und undotiert sein . Auf diese Weise ist es möglich, beispielsweise elektromagnetische Strahlung unterschiedlicher Wellenlängen zu erzeugen .
Fig . 5C zeigt eine Querschnittsansicht des ersten und zweiten Abschnitts 131 , 132 des Verstärkungsmediums . Der erste Abschnitt 131 ist mit dem ersten Verstärkungsmedium 105 ausgebildet , der zweite Abschnitt ist mit dem zweiten Verstärkungsmedium 106 ausgebildet . Ähnlich wie in Fig . 3 gezeigt , ist zusätzlich das zweite Verstärkungsmedium 106 in das Mantelmaterial 118 eingebettet und bildet zur Modenführung einen Steg 115 aus . Das erste und das zweite Verstärkungsmedium 105 , 106 kann j eweils dasselbe Grundmaterial , aber einen j eweils unterschiedlichen Dotierstoff enthalten .
Fig . 6A zeigt eine Draufsicht auf eine photonische integrierte Schaltung 10 gemäß weiteren Ausführungsformen . Die in Fig . 6A gezeigte photonische integrierte Schaltung 10 weist zusätzlich zu den beispielsweise in den Figuren 4A und 4B gezeigten Komponenten einen zweiten optischen Resonator 121 mit einem ersten und einem zweiten Resonatorspiegel 108 , 109 auf . Der zweite optische Resonator 121 ist anders ausgestaltet als der erste optische Resonator 111 . Beispielsweise kann eine Länge des zweiten optischen Resonators 121 von der Länge des ersten optischen Resonators 111 abweichen . Weiterhin kann innerhalb des zweiten optischen Resonators 121 ein Verstärkungsmedium 106 angeordnet sein, welches von dem ersten Verstärkungsmedium
105 verschieden ist . Beispielsweise kann das zweite Verstärkungsmedium dasselbe Grundmaterial aufweisen wie das erste Verstärkungsmedium 105 . Zusätzlich kann das zweite Verstärkungsmedium 106 mit einem anderen Dotierstoff dotiert sein .
Die photonische integrierte Schaltung 10 kann darüber hinaus einen optischen oder photonischen Schalter 130 aufweisen . Der optische oder photonische Schalter 130 kann geeignet sein, Pumpstrahlung 11 selektiv dem ersten oder dem zweiten optischen Resonator 111 , 121 zuzuführen . Beispielsweise kann durch das zweite Verstärkungsmedium
106 Licht mit einer anderen Wellenlänge emittiert werden als durch das erste Verstärkungsmedium 105 . Durch Betätigen des optischen Schalters 130 lässt sich somit eine Emissionswellenlänge der photo- nischen integrierten Schaltung 10 zwischen verschiedenen Wellenlängen schalten . Beispielsweise kann der optische Schalter 130 auf dem elektrooptischen Effekt basieren . Der optische Schalter 130 kann mit dem Wellenleiter 117 integriert sein .
Fig . 6B zeigt eine Querschnittsansicht der in Fig . 6A gezeigten pho- tonischen integrierten Schaltung 10 . Der Wellenleiter 117 und das erste Verstärkungsmedium 105 sind in das Mantelmaterial 118 eingebettet . Selbstverständlich kann die photonische integrierte Schaltung 10 weitere optische Resonatoren mit j eweils unterschiedlichem Verstärkungsmedium oder Länge des Resonators umfassen . Auf diese Weise ist es möglich, die Emissionswellenlänge zwischen mehreren Werten zu schalten .
Wie beschrieben worden ist , lässt sich gemäß Ausführungsformen eine sehr kompakte photonische integrierte Schaltung mit einer hohen Flexibilität bei der Gestaltung der spektralen Bandbreite der Emission bereitstellen . Es können sowohl photonische integrierte Schaltungen mit kleiner spektraler Bandbreite als auch mit großer spektraler Bandbreite erzeugt werden . Dadurch wird ein hohes Niveau der monolithischen Integration bereitgestellt . Beispielsweise können die beschriebenen photonischen integrierten Schaltungen in Sensoren, beispielsweise Industriesensoren, medizinischen Sensoren und anderen verwendet werden . Darüber hinaus können sie in Datenbrillen eingesetzt werden .
Fig . 7 zeigt eine schematische Ansicht einer optoelektronischen Vorrichtung 15 gemäß Ausführungsformen . Die optoelektronische Vorrichtung 15 enthält die beschriebene photonische integrierte Schaltung . Die optoelektronische Vorrichtung kann beispielsweise ein Sensor oder eine VR/AR- ( „Virtual Reality/Augmented Reality" ) -Datenbrille sein .
Obwohl hierin spezifische Ausführungsformen veranschaulicht und beschrieben worden sind, werden Fachleute erkennen, dass die gezeigten und beschriebenen spezifischen Ausführungsformen durch eine Vielzahl von alternativen und/oder äquivalenten Ausgestaltungen ersetzt werden können, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen . Die Anmeldung soll j egliche Anpassungen oder Variationen der hierin diskutierten spezifischen Ausführungsformen abdecken . Daher wird die Erfindung nur durch die Ansprüche und deren Äquivalente beschränkt .
BEZUGSZEICHENLISTE
10 photonische integrierte Schaltung
11 Pumpstrahlung
12 ( erste ) Laserstrahlung
13 zweite Laserstrahlung
15 Optoelektronische Vorrichtung
100 Pump -Las er diode
101 erste Halbleiterschicht
102 zweite Halbleiterschicht
103 aktive Zone
105 ( erstes ) Verstärkungsmedium
106 zweites Verstärkungsmedium
107 Träger
108 erster Resonatorspiegel
109 zweiter Resonatorspiegel
110 ( erster ) optischer Resonator
111 erste Verbindungsleitung
112 zweite Verbindungsleitung
113 Treiberschaltung
114 re flexions vermindernde Beschichtung
115 Steg
116 aktives optisches Element
117 Wellenleiter
118 Mantelmaterial
120 photonische integrierte Schaltung
121 zweiter optischer Resonator
122 Ringresonator
125 erstes Verbindungselement
126 zweites Verbindungselement
127 Steuereinrichtung
129 Spiegel
130 Optischer Schalter
131 erster Abschnitt des Verstärkungsmediums
132 zweiter Abschnitt des Verstärkungsmediums
133 dritter Abschnitt des Verstärkungsmediums
134 vierter Abschnitt des Verstärkungsmediums

Claims

ANSPRÜCHE
1. Photonische integrierte Schaltung (10) , umfassend: eine Pump-Laserdiode (100) , die eingerichtet ist, Pumpstrahlung (11) zu emittieren; ein Verstärkungsmedium (105) , welches geeignet ist, die Pumpstrahlung (11) zu absorbieren und Laserstrahlung (12) zu emittieren; einen Wellenleiter (117) , der geeignet ist, die Pumpstrahlung dem Verstärkungsmedium (105) zuzuführen; einen ersten und einen zweiten Resonatorspiegel (108, 109) , von denen einer in einem Lichtpfad zwischen der Pump-Laserdiode (100) und dem Verstärkungsmedium (105) und ein weiterer auf einer von der Pump-Laserdiode (100) abgewandten Seite des Verstärkungsmediums (105) angeordnet ist, wobei sich ein optischer Resonator (110) zwischen dem ersten und dem zweiten Resonatorspiegel (108, 109) ausbildet .
2. Photonische integrierte Schaltung (10) nach Anspruch 1, wobei die Pump-Laserdiode (100) eine aktive Zone (103) aufweist, die ein GaN-haltiges Halbleitermaterial enthält.
3. Photonische integrierte Schaltung (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Verstärkungsmaterial (105) ein kristallines Lithiumfluorid-haltiges Verstärkungsmaterial ist.
4. Photonische integrierte Schaltung (10) nach einem der vor- hergehenden Ansprüche, wobei das Verstärkungsmedium (105) LiLuF4 oder
LiRhF4 enthält.
5. Photonische integrierte Schaltung (10) nach einem der vor- hergehenden Ansprüche, wobei das Verstärkungsmedium (105) mit Selte- nerd-Ionen dotiert ist.
6. Photonische integrierte Schaltung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verstärkungsmedium (105) in einem Mantelmaterial (118) mit einem kleineren Brechungsindex als dem Bre- chungsindex des Verstärkungsmediums (105) eingebettet ist und das Mantelmaterial (118) an Seitenflächen des Verstärkungsmediums (105) parallel zu einer Erstreckungsrichtung des optischen Resonators (110) angeordnet ist.
7. Photonische integrierte Schaltung (10) nach Anspruch 6, wobei das Mantelmaterial (118) aus dem Material des Verstärkungsmediums (105) auf gebaut ist und undotiert ist.
8. Photonische integrierte Schaltung (10) nach Anspruch 6 oder 7, wobei das Mantelmaterial (118) weiterhin an den Wellenleiter (117) angrenzt.
9. Photonische integrierte Schaltung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit einem Ringresonator (122) , der in einem Lichtpfad hinter dem Verstärkungsmedium (105) angeordnet ist und der geeignet ist, die von dem Verstärkungsmedium (105) emittierte Laserstrahlung (12) zu filtern.
10. Photonische integrierte Schaltung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit einem aktiven optischen Element (116) , das geeignet ist, ein Emissionsspektrum der photonischen integrierten Schaltung (10) zu verändern.
11. Photonische integrierte Schaltung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verstärkungsmedium (105) in mindestens einen ersten und einen zweiten Abschnitt (131, 132) aufgeteilt ist, die entlang einer Richtung angeordnet sind, die eine Richtung der Pumpstrahlung (11) schneidet.
12. Photonische integrierte Schaltung (10) nach Anspruch 11, wobei ein Material des ersten Abschnitts (131) von einem Material des zweiten Abschnitts (132) verschieden ist.
13. Photonische integrierte Schaltung (10) nach Anspruch 11 oder
12, ferner mit einem Spiegel (129) , der geeignet ist, von dem ersten Abschnitt (131) emittierte Laserstrahlung (12) in den zweiten Abschnitt (132) zu lenken.
14. Photonische integrierte Schaltung (10) umfassend: eine Pump-Laserdiode (100) , die eingerichtet ist, Pumpstrahlung (11) zu emittieren; ein erstes Verstärkungsmedium (105) , welches geeignet ist, die Pumpstrahlung (11) zu absorbieren und erste Laserstrahlung (12) zu emittieren; einen ersten und einen zweiten Resonatorspiegel (108, 109) , von denen einer in einem Lichtpfad zwischen der Pump-Laserdiode (100) und dem ersten Verstärkungsmedium (105) und ein weiterer auf einer von der Pump-Laserdiode (100) abgewandten Seite des ersten Verstärkungsmediums (105) angeordnet ist, wobei sich ein erster optischer Resonator (110) zwischen dem ersten und dem zweiten Resonatorspiegel (108, 109) ausbildet, ferner umfassend: einen zweiten optischen Resonator (121) mit einem zugehörigen ersten und einem zweiten Resonatorspiegel sowie einem zweiten Verstärkungsmedium (106) , welches in dem zweiten optischen Resonator (121) angeordnet ist und geeignet ist, die Pumpstrahlung (11) zu absorbieren und zweite Laserstrahlung (13) mit einer Wellenlänge zu emittieren, die von der Wellenlänge der ersten Laserstrahlung (12) verschieden ist; und einem optischen Schalter (130) , der geeignet ist, Pumpstrahlung (11) selektiv dem ersten oder dem zweiten optischen Resonator (110, 121) zuzuführen.
15. Photonische integrierte Schaltung (10) nach Anspruch 14, wobei das erste und das zweite Verstärkungsmedium (105, 106) ein identisches Grundmaterial mit jeweils unterschiedlichem Dotierstoff aufweisen .
16. Photonische integrierte Schaltung (10) nach Anspruch 15, wobei das Grundmaterial kristallines Lithiumfluorid enthält.
17. Optoelektronische Vorrichtung (15) , die die photonische integrierte Schaltung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist .
18. Optoelektronische Vorrichtung (15) nach Anspruch 17, die aus einem Sensor und einer AR/VR-Datenbrille ausgewählt ist.
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