DE69601948T2

DE69601948T2 - Optische resonanzstruktur

Info

Publication number: DE69601948T2
Application number: DE69601948T
Authority: DE
Inventors: Michael John Brundish Woodbridge Suffolk Ip13 8Bl Adams; Michael Andreja Ipswich Suffolk Ip3 9Ad Fisher
Original assignee: British Telecommunications PLC
Current assignee: IPG Photonics Corp
Priority date: 1995-09-29
Filing date: 1996-09-26
Publication date: 1999-08-05
Anticipated expiration: 2016-09-27
Also published as: CA2231396C; CN1090398C; WO1997013302A1; CN1198265A; EP0852834B1; AU7090896A; EP0852834A1; JPH11513534A; JP2008022024A; CA2231396A1; US6061381A; DE69601948D1; AU698782B2

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Resonanzstruktur und wird insbesondere, aber nicht ausschließlich, bei einem oberflächenemittierenden Laser mit einem vertikalen Resonator (VCSEL) angewendet.
In einer herkömmlichen Fabry-Perot-Halbleiterlaserdiode erstreckt sich ein Resonator der Länge nach in der Ebene des Halbleitersubstrates mit Reflexionsstrukturen an gegenüberliegenden Kanten. Im Gegensatz dazu ist der Resonator in einem VCSEL vertikal in dem Substrat ausgebildet, mit dem Vorteil, daß Licht senkrecht zu seiner Oberfläche über einen größeren Bereich als bei einer Horizontalstruktur übertragen wird, weshalb der VCSEL gut geeignet ist, Signale in optische Telekommunikationsfasern einzukoppeln. In IEEE Photonics Technology Letters, Band 7, Nr. 6, Juni 1995, S. 608-610, von M. A. Fisher et al. ist ein Beispiel für einen VCSEL angegeben. Die Vorrichtung besteht aus einem Halbleitersubstrat, auf dem eine erste und zweite Reflexionseinrichtung ausgebildet sind, die periodische Bragg-Reflexionsstrukturen mit einem dazwischenliegenden Resonator aufweisen, der eine Schicht eines laseraktiven Materials mit Zwischenschichten zur Schaffung einer ausreichenden Resonatordicke aufweist, um eine Resonanz bei einer gewünschten Betriebswellenlänge λ zu erzielen. Die erste Reflexionseinrichtung kann mehrere, das Substrat überdeckende, überlappende Schichten unterschiedlicher Halbleitermaterialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes und einer wirksamen Dicke von λ/4 aufweisen. Die Bragg- Struktur der zweiten Reflexionseinrichtung überdeckt den Resonator und besteht aus Schichten dielektrischen Materials mit unterschiedlichen Brechungsindizes und einer wirksamen Dicke von λ/4.
Um Strom durch das laseraktive Material in den Resonator zu leiten, sind ein Metallkontakt auf der Unterseite des Sub strates und eine leitende Kontaktschicht zwischen der dielektrischen zweiten Reflexionseinrichtung und den Schichten im Resonator ausgebildet. Der Strom wird durch eine in Sperrichtung vorgespannte Umfangsverbindung auf den Resonator begrenzt.
Die Dicke des Resonators liegt typischerweise in der Größenordnung von 1 um, wohingegen der Resonator in einer Ebene senkrecht zur Dicke eine relativ große Querausdehnung hat; der Resonator ist von oben betrachtet typischerweise rechteckig oder kreisförmig, mit einem Durchmesser oder einer Seitenlänge in der Größenordnung von 5-20 um.
Ein Problem bei herkömmlichen VCSEL-Strukturen besteht darin, daß der Quer-Modus der Resonanz während einer Resonanz des Resonators sehr unkontrolliert verläuft und der relativ große Durchmesser des Resonators eine Anzahl unterschiedlicher Quer-Moden unterstützen kann, was zu einem Moden-Wettbewerb und zur Instabilität führt.
Die Verwendung eines Oberflächengitters mit konzentrischen, kreisförmigen Elementen in einem herkömmlichen Laser mit verteilter Rückkopplung oder einem Laser mit verteiltem Bragg- Reflektor mit einem horizontalen anstatt einem vertikalen Resonator ist in "Circularly Symmetric Operation of a Concentric-Circle-Grating, Surface-Emitting, AlGaAs/GaAs Quantum- Well Semiconductor Laser", T. Erdogan et al., Appl. Phys. lett. 60 (16), 20. April 1992, S. 1921-23 beschrieben. Mit dieser Vorrichtung wird ein herkömmlicher, sich quer erstreckender Resonator mit einem Oberflächengitter bereitgestellt, das eine Oberflächenemission des Lasers durch Bragg-Reflexion zweiter Ordnung erzeugt. Das kreisförmige Muster des Gitters führt zur Emission eines kreisförmigen, symmetrischen Strahles.
Eine andere Vorrichtung ist im US-Patent Nr. 5 3Q1 201 und in "Zone Laser", Appl. Phys. Lett. 65 (2), 11. Juli 1994, S. 144 -146, D. Vakhshoori et al., beschrieben, bei der der Laserresonator in mehrere konzentrische Zonen unterteilt ist, die jeweils einen individuellen Resonanzmodus unterstützen. Die Ausgaben der konzentrischen Zonen summieren sich ähnlich dem Licht der Zonen einer Fresnel-Linse auf, wodurch die Laserausgabe auf einen einzelnen Fleck fokussiert wird.
In Applied Physics Letters, Band 66, Nr. 21, 22. Mai 1995, S. 2769-2771, J. H. Ser et al., ist ein VCSEL beschrieben, auf dessen oberem DBR ein überdeckendes, feines, verschachteltes Metallgitter geätzt ist, das die lichtemittierende Fläche überdeckt. Der Zweck des Gitters besteht darin, eine Polarisationsstabilisierung zu erzeugen, wie z. B. eine TM-Polarisation als dominanten Polarisationsmodus auszuwählen.
Die in den Ansprüchen 1, 21 und 22 definierte Erfindung bietet einen anderen Ansatz an. Erfindungsgemäß wird eine optische Resonanzstruktur angegeben, die eine erste und eine zweite Reflexionseinrichtung enthält, die räumlich voneinander getrennt sind, um einen optischen Resonator bereitzustellen, der eine relativ kleine Dickenausdehnung zwischen den Reflexionseinrichtungen aufweist und sich in einer Ebene quer zur Dickenausdehnung über einen Bereich mit relativ großer Querausdehnung erstreckt, sowie Einrichtungen zum Reflektieren einer parallel zur Ebene verlaufenden optischen Strahlungskomponente aus dem Resonator mit einer Phasencharakteristik zur Unterstützung eines vorausgewählten senkrechten Resonanzmodus im Resonator.
Die Reflexionseinrichtungen können Einrichtungen zum Erzeugen von Bragg-Reflexion der Strahlung aus dem Resonator aufweisen. Die Bragg-Reflexion kann durch ein Materialmuster mit einer räumlichen, periodischen, optischen Brechungsindexcharakteristik erzeugt werden.
Die erfindungsgemäße Struktur kann in einem Laser wie z. B. einem VCSEL verwendet werden, so daß eine Schicht eines laseraktiven Materials zum Erzeugen optischer Strahlung zwischen der ersten und der zweiten Reflexionseinrichtung vorgesehen sein kann. Die Schicht eines laseraktiven Materials kann von den Reflexionseinrichtungen durch mindestens eine Zwischenschicht räumlich getrennt sein.
Die Erfindung weist außerdem eine optische Resonanzstruktur mit Einrichtungen zum Bereitstellen eines optischen Resonators und einem optischen, aktiven Material, das eine relativ kleine Dickenausdehnung hat und das sich in einer Ebene quer zur Dickenausdehnung über einen Bereich mit relativ großer Querausdehnung erstreckt, auf, wobei um das aktive Material Einrichtungen zum Reflektieren einer in der Ebene verlaufenden optischen Stahlungskomponente mit einer Phasencharakteristik zur Unterstützung eines vorausgewählten senkrechten Resonanzmodus im Resonator ausgebildet sind.
Die Einrichtungen zum Erzeugen von Bragg-Reflexion können ein Muster aus Ringen aufweisen, das in wenigstens einer der Schichten der Struktur ausgebildet ist. In der im folgenden beschriebenen Ausführungsform sind die Ringe in einer Blockierschicht ausgebildet, die den Stromfluß durch den Resonator begrenzt.
Die Ringe können unterschiedliche Breiten haben, um die Unterstützung des vorausgewählten Resonanzmodus für den Resonator zu maximieren. Die Ringe können in der Schicht ausgebildete Rillen oder Rippen aufweisen, die von der Schicht nach oben stehen.
Es sind sogenannte Bragg-Wellenleiter bekannt, bei denen eine herkömmliche Wellenleiterumhüllung durch eine periodische Struktur mit vielen Schichten und einer hohen Reflexionsei genschaft ersetzt wird, die aus einer Interferenz zwischen Teilreflexionen an einer Anzahl von Grenzflächen zwischen den Schichten resultiert. Bragg-Wellenleiter, die optische Antiresonanzreflexionswellenleiter oder ARROWs aufweisen, sind 1977 vorgeschlagen und zuerst in ebenen Strukturen mit GaAs gezeigt worden, siehe P. Yeh, A. Yariv, C-S Hong, J. Opt. Soc. Am. 67, 423 (1977) und A. Y. Cho, A. Yariv, P. Yeh, Appl. Phys. Lett. 30, 471 (1977). Die Idee wurde auf eine zylindrische Geometrie erweitert, aber die Vorteile in bezug auf einen herkömmlichen zylindrischen Wellenleiter wurden in der Praxis als für optische Fasern nicht realisierbar befunden, da die Herstellungstoleranzen unrealistisch sind und die Einkopplung von Licht uneffizient ist, siehe N. J. Doran K. J. Blow, IEEE J. Light. Tech. LT-1, 108 (1983). Erfindungsgemäß wurde jedoch herausgefunden, daß ein Aufbau mit einem periodischen Bragg-Reflektor um den Resonator eines VCSEL einen vorausgewählten Resonanzmodus im Resonator des Lasers unterstützen kann, ohne die zuvor in bezug auf eine optische Faser diskutierten Nachteile aufzuweisen.
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird im folgenden beispielhaft eine Ausführungsform eines VCSEL mit einem zylindrischen Bragg-Wellenleiter mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, von denen zeigen:
Fig. 1 eine schematische Schnittansicht eines VCSEL mit einer den Resonator umgebenden, kreisförmigen Bragg-Struktur gemäß einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform.
Fig. 2 eine ebene Draufsicht des Resonators aus Fig. 1,
Fig. 3 einen Graph, der die Feldamplitude als Funktion des radialen Abstandes von der Mitte des in Fig. 2 gezeigten Resonators zusammen mit der räumlichen, periodischen Brechungsindexänderung der Bragg-Struktur in radialer Richtung darstellt, und
Fig. 4 eine der Fig. 1 entsprechende Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Die in Fig. 1 gezeigte Grundstruktur eines VCSEL ähnelt allgemein der von Fisher et al. supra beschriebenen Struktur und weist ein Halbleitersubstrat 1 eines InP-Materials auf, auf dem ein Resonator 2 mit einer Dicke X zwischen einer ersten Reflexionseinrichtung 3 und einer zweiten Reflexionseinrichtung 4 ausgebildet ist. Die Ausdehnungen des Resonators sind so ausgelegt, daß in Benutzung Licht einer vorbestimmten Wellenlänge λ von z. B. 1,55 um durch Laseraktivität erzeugt und in Richtung der Pfeile 5 emittiert wird.
Die erste Reflexionseinrichtung 3 ist elektrisch leitend und weist mehrere Zwischenschichten aus InGaAsP 6 mit einer zu einer Wellenlänge von 1,4 um äquivalenten Bandlücke und aus InP 7 mit einer effektiven Dicke von λ/4 auf, die auf dem Substrat als Stapel mit 45 Perioden abgeschieden sind, um eine DBR-Struktur mit 90 Schichten bereitzustellen. Die Schichten 6, 7 sind typischerweise durch herkömmliche Gasquellen- MBE-Techniken abgeschieden.
Im Resonator 2 ist eine Schicht 8 eines undotierten laseraktiven InGaAsP-Materials mit einer zu einer Wellenlänge von 1,55 um äquivalenten Bandlücke und einer zu einer Wellenlänge von 1,55 um (d. h. 0,45-0,47 um) korrespondierenden Dicke, die auf der ersten Reflexionseinrichtung 3 durch metallorganische Gasphasenepitaxie (MOVPE) zwischen einer n-dotierten Schicht aus InP 9, die als darunterliegende Zwischenschicht agiert, und einer darüberliegenden Zwischenschicht 10 aus einem p-dotierten InP-Material gewachsen ist. Die Dicke der Zwischenschichten 9, 10 sind so gewählt, daß der Resonator eine Resonanz bei der gewünschten Betriebswellenlänge von λ = 1,55 um erzeugt (d. h. mit der globalen Resonatorausdehnung X von etwa 1 um).
Die zweite Reflexionseinrichtung 4 weist einen geschichteten Stapel dielektrischen Materials auf, der aus Schichten 11 eines Al&sub2;O&sub3; Materials geschichtet mit Schichten 12 eines Si-Materials besteht, wobei die Schichten durch herkömmliche Bedampfungstechniken abgeschieden sind. Die Schichten 11, 12 haben eine effektive Wellenlängendicke von λ/4 und unterschiedliche Brechungsindizes, um als DBR ähnlich der ersten Reflexionseinrichtung 3 zu wirken, obwohl die Schichten 11, 12 nicht elektrisch leitend sind.
Um den Laser mit Energie zu versorgen, wird ein elektrischer Strom von einer elektrisch leitenden p-dotierten GaInAsP-Kontaktschicht 13 mit einer zu einer Wellenlänge von 1,4 um äquivalenten Bandlücke auf der Unterseite des dielektrischen Reflektors 4 durch den Resonator 2 geleitet, wobei die Schicht 13 mit einer Metallkontaktschicht 14 verbunden ist, die durch Dampfabscheidung auf einer Zwischenkontaktschicht 15 ausgebildet ist, die aus einem p+ GaInAs-Material besteht und auf der Schicht 13 abgeschieden ist. Eine nicht gezeigte äußere elektrische Verbindung ist zwischen den Schichten 13, 14 vorhanden. Eine Stromblockierschicht 16 aus einem n-dotierten InP-Material ist auf der oberen Zwischenschicht 10 abgeschieden, und eine mittlere Apertur D eines Durchmessers d, typischerweise der Größenordnung von 5-20 um, die den aktiven Bereich für den Resonator bestimmt, ist durch herkömmliche Photolithographie und Ätzen wie bei der von Fisher et al. supra beschriebenen Struktur ausgebildet. Es ist somit zu sehen, daß der Resonator des VCSEL eine relativ kleine vertikale Dickenausdehnung X zwischen der ersten und zweiten Reflexionseinrichtung 3, 4 und eine relativ große Querausdehnung d in einer horizontalen Ebene senkrecht zur Dickenausdehnung hat. Außerdem ist die Dickenausdehnung w der aktiven Schicht 8 klein im Vergleich zur Querausdehnung. Die Ausdehnung w liegt typischerweise im Bereich von 0,45-0,47 um, und die Ausdehnung X liegt im Bereich von 1 um. Im Gegensatz dazu erstreckt sich ein herkömmlicher kantenemittierender Laser längs in der Ebene des Substrats, wobei er typischerweise eine Länge im Bereich von 300-500 um oder größer hat. Es ist zu sehen, daß die elektrische Kontaktschicht 13 einen direkten elektrischen Kontakt mit der Zwischenschicht 10 in der mittleren Apertur D bildet, so daß in diesem Bereich Strom durch die Materialien im Resonator fließt. Der Strom kann durch die Halbleitermaterialien, die die erste Reflexionseinrichtung 3 bilden, und das Substrat 1 fließen, um einen Au- Metallkontakt 17 auf der Unterseite des Substrats zu erreichen. Jedoch erzeugt die Blockierschicht 16 mit der p-dotierten Zwischenschicht 10 eine p-n-Verbindung in Sperrichtung, um den Stromfluß auf die mittlere Apertur D zu begrenzen. Somit gelangt der Strom in diesem aktiven Bereich durch die Schicht 8, um optische Strahlung zu erzeugen, die im Resonator 2 in Resonanz tritt. Aufgrund der verteilten Natur der ersten und zweiten Reflexionseinrichtungen 3, 4 mit mehreren Schichten hat die optische Pfadlänge, über die das Licht in Resonanz tritt, zwischen diesen eine mittlere Länge, die größer als die in Fig. 1 gezeigte physikalische Ausdehnung X ist.
Erfindungsgemäß ist eine Folge von kreisförmigen Ringen 18 in der obersten Oberfläche der Blockierschicht 16 ausgebildet. Wie in Fig. 2 gezeigt, können sechs Ringe 181-186 oder mehr bevorzugt werden, auch wenn in Fig. 1 zur vereinfachten Darstellung nur vier Ringe zur gezeigt sind. Der mittlere Bereich D hat wie in den Zeichnungen gezeigt einen kreisförmigen Umfang, und die Ringe 18 sind konzentrisch dazu. In der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform sind die Ringe als von der allgemeinen Ebene nach oben stehende Rippen ausgebildet, die sich von der Blockierschicht 16 erstreckt. Dieses wird in der Herstellung durch Elektronenstrahllithographie und ausgewähltes Ätzen der Blockierschicht 16 erreicht, bevor die Schichten 11 und 15 abgeschieden werden. Zunächst wird die Schicht 16 mit einer kontinuierlichen Dicke y erzeugt und an schließend um einen Betrag z selektiv geätzt, um die Rippen 18 zu definieren. In einer anderen Ausführungsform (nicht gezeigt) können Rillen in die Blockierschicht geätzt werden. Bei der aufeinanderfolgenden Abscheidung auf der Schicht 16 füllen die elektrischen Kontaktschichten 13, 14 und 15 die Zwischenräume zwischen den Ringen 18 aus. Das n-dotierte InP- Material der Schicht 16 hat einen anderen optischen Brechungsindex als das Material der Elektrodenschichten 13, 14 und 15, so daß die Ringe 18 eine Reflexions-Bragg-Struktur für das Licht aus dem Resonator 2 bilden, das eine Komponente in einer Ebene parallel zur Ebene der optischen, aktiven Schicht 8 hat, während es sich in Richtung der Pfeile 5 ausbreitet. Die Ringe 18 und das dazwischenliegende Material der Schichten 13, 14, 15 erzeugen ein räumliches, periodisches Brechungsindexmuster, das die Komponente begrenzt, die sich parallel zu der zuvor genannten Ebene zur Mitte des kreisförmigen Bereiches D hin ausbreitet. Fig. 3 zeigt das räumliche, periodische Muster, das so ausgewählt ist, daß die Phase des reflektierten Lichts einen vorausgewählten Resonanzmodus für den Resonator 2 konstruktiv unterstützt. Typischerweise weist der Modus den HE&sub1;&sub1;-Modus auf, der wie in Fig. 3 gezeigt eine Feldamplitude als Funktion des radialen Abstandes ausgehend von der Mitte 0 des mittleren Bereiches D hat. Die Feldamplitude hat bei der Mitte 0 ungefähr eine Gaussche Spitze und fällt in Richtung der äußeren Kante des mittleren Bereiches D hin ab. Das räumliche, periodische Brechungsindexmuster, das von den Rippen 18&sub1;-18&sub4; gebildet wird, ist in Fig. 3 als Funktion des radialen Abstandes r für einen Fall gezeigt, bei dem der mittlere Bereich D einen Durchmesser d von 9,2 um (r = 4,6 um) hat.
Die radialen Breiten der Rippen 18 können von Rippe zu Rippe unterschiedlich sein. Außerdem kann der Abstand zwischen den Rippen unterschiedlich sein. Die bestimmte Rippenkonfiguration wird so gewählt, daß der vorausgewählte Resonanzmodus für den Resonator 2 unterstützt wird. In einem Beispiel war die innerste Rippe 181 breiter als die anderen Rippen. Die tatsächliche Breite kann gemäß den von Doran et al., supra angegebenen Vorschriften berechnet werden.
Über den Ringen 18 sind abwechselnde Schichten 11a aus Al&sub2;O&sub3; und 12a aus Si ausgebildet. Die abwechselnden Schichten 11a, 12a bilden einen DBR zum Reflektieren des optischen Feldes, das außerhalb des mittleren Bereiches D auftritt.
Ohne Vorhandensein der Rippen 18 konkurriert der HE&sub1;&sub1;-Modus mit anderen Moden und tendiert somit zur Instabilität, aber das Vorhandensein der Bragg-Struktur, die durch die Ringe 18 geschaffen wird, erlaubt eine Stabilisierung des vorausgewählten Quermodus.
Eine andere Konfiguration der Struktur ist in Fig. 4 gezeigt und kann als eine Modifikation der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtungsstruktur angesehen werden. Dieselben Teile sind mit denselben Bezugsziffern versehen. In der Ausführungsform der Fig. 4 weist die Blockierschicht eine Schicht 19 aus halbisolierendem InP auf, die selektiv um den Resonator nachgewachsen ist.
Um die Struktur auszubilden, sind die aktive Schicht und die Zwischenschichten 8, 9, 10 auf dem ersten reflektierenden Stapel 3 ausgebildet, wie es mit Bezug auf Fig. 1 beschrieben wurde, und danach ist eine Mesa mit einem Durchmesser d korrespondierend zum zuvor beschriebenen Bereich D für die Lichtemission aus den Schichten 8, 9, 10 durch herkömmliche Lithographie und Ätzen ausgebildet. Eine ebene, halbisolierende Schicht 19 aus InP ist dann um das gesamte Mesa nachgewachsen. Eine für das Nachwachsen geeignete Technik, die PC&sub1;&sub3; verwendet, ist in einem Schriftstück von M. J. Harlow, P. C. Spurdens und R. H. Moss: "The influence of PC13 on the planarisation and selectivity of InP re-growth by atmospheric pressure MOVPE", Proceedings of the 7th International Conven tion on Indium Phosphide and Related Materials, 9-13 May 1995, Sapporo, Japan, beschrieben. Die halbisolierende InP- Schicht 19 war mit Eisen dotiert, um elektronische Fallen in der Schicht bereitzustellen, aber es können auch andere geeignete Dotierungen verwendet werden. Die nachgewachsene Schicht 19 hat den Vorteil, daß sie eine flache Oberfläche bereitstellt, die an die obere Oberfläche der Zwischenschicht 10 angrenzt, die die verschiedenen Schichten der Reflexionsstruktur 4 aufnehmen kann, so daß die Stufe um die Kante des Bereiches D in dem in Fig. 1 gezeigten Reflektor in der in Fig. 2 gezeigten Struktur vermieden wird. Verwiesen wird außerdem auf "Very Rapid and Selective Epitaxy of InP around Mesas of height up to 14 um by Hydride Vapour Phase Epitaxy", S. Lourdudoss et al., Conference paper IPRM '94.
Die begrenzende Bragg-Struktur 18 wird dann auf die zuvor mit Bezug auf Fig. 1 beschriebene Weise in das Obere der Schicht 19 geätzt. Die Kontaktschichten 13, 15 werden dann über die gesamte obere Oberfläche ausgebildet, wobei die metallische Kontaktschicht 14 nur auf der Oberfläche ausgebildet ist, die außerhalb des lichtemittierenden Bereiches D liegt. Die zweite Reflexionseinrichtung 4 wird dann wie zuvor beschrieben über der Oberfläche ausgebildet und eine nicht gezeigte, geeignete elektrische Verbindung zur Schicht 14 hergestellt, um z. B. durch lokalisiertes Ätzen und Metallisieren oder andere herkömmliche Techniken eine äußere Verbindung bereitzustellen.
Modifikationen und Variationen der beschriebenen Strukturen sind möglich. Zum Beispiel müssen die Abstände zwischen den Rippen 18 nicht notwendigerweise mit Material ausgefüllt sein und können leer gelassen werden. Andererseits können die Zwischenräume zwischen den Rippen mit einem anderen Material wie z. B. Polyimid ausgefüllt sein. Die Rippen 18 können auch in anderen Schichten der Struktur wie z. B. in einer der darunterliegenden Zwischenschichten 9, 10, ausgeführt sein.
Außerdem beschränkt sich die Erfindung nicht notwendigerweise auf Laser, und der Resonator 2 kann zur Verwendung als optischer Schalter oder bistabiles Element als passiver Resonator verwendet werden, ohne z. B. elektrische Kontakte zu benötigen. Passive Hohlräume sind in der Literatur über Mikroresonatoren per se gut bekannt und werden in optischen Schaltern, einer Logik, einer Bistabilität etc. eingesetzt; siehe z. B. das Schriftstück "GaAs-AlAs Monolithic Microresonator Arrays" J. L. Jewel, A. Scherer, S. L. McCall, A. C. Gossard & J. H. English, Appl. Phys. Lett., Band 51, Nr. 2, S. 94-96 (1987). Die Begrenzung des Quermodus, die von dieser Erfindung erzeugt wird, stellt in bezug auf Robustheit einen Fortschritt gegenüber der Verwendung von in dieser Referenz beschriebenen Säulenstrukturen dar.
In einer anderen Modifikation sind die Ringe 18 und der mittlere Bereich D elliptisch ausgeführt, um dem emittierten Licht eine vorbestimmte Polarisation mit z. B. einer Elliptizität von 10-30% aufzuerlegen.
Die Erfindung ist auch auf einen VCSEL anwendbar, bei dem die Reflexionsschichten 11, 12 durch einen Antireflexionsstapel ersetzt werden und die zweite Reflexionseinrichtung einen Spiegel außerhalb des Halbleitersubstrates aufweist, wobei auf "A C. W. external cavity surface emitting laser" von J. V. Sandusky, A. Mukherjee und 5. R. Brueck, Schriftstück TuE&sub1;&sub1; für die Conference on Semiconductor lasers: Advanced Devices and Applications (Keystone, Colorado, August 21-23, 1995) - Optical Society of America 1995, Technical Digest Series, Band 20, S. 153-155, verwiesen wird.

Claims

1. Optische Resonanzstruktur, die eine erste und eine zweite Reflexionseinrichtung (3, 4) enthält, die räumlich voneinander getrennt sind, um einen optischen Resonator (2) bereitzustellen, der eine relativ kleine Dickenausdehnung (X) zwischen den Reflexionseinrichtungen aufweist und sich in einer Ebene quer zur Dickenausdehnung über einen Bereich mit relativ großer Querausdehnung (d) erstreckt, gekennzeichnet durch Reflexionseinrichtungen (18) zum Reflektieren einer parallel zur Ebene verlaufenden optischen Strahlungskomponente aus dem Resonator mit einer Phasencharakteristik zur Unterstützung eines vorausgewählten senkrechten Resonanzmodus im Resonator.

2. Struktur nach Anspruch 1, bei der die Reflexionseinrichtung (18) eine Einrichtung aufweist, die um den Resonator angeordnet ist, um eine Bragg-Reflexion der Strahlung aus dem Resonator zu erzeugen.

3. Struktur nach Anspruch 2, bei der die Einrichtung zur Erzeugung einer Bragg-Reflexion ein Materialmuster (13, 14, 15, 16, 19) mit einer räumlichen, periodischen optischen Brechungsindexcharakteristik aufweist.

4. Struktur nach Anspruch 2 oder 3, die für einen Laserbetrieb eine Schicht (8) eines laseraktiven Materials zur Erzeugung optischer Strahlung aufweist, die im vorausgewählten Resonanzmodus zwischen der ersten und der zweiten Reflexionseinrichtung reflektiert wird.

5. Struktur nach Anspruch 4, bei der die Schicht (8) eines laseraktiven Materials zwischen der ersten und der zweiten Reflexionseinrichtung angeordnet ist.

6. Struktur nach Anspruch 5, die zwischen der Schicht eines laseraktiven Materials (8) und der ersten oder der zweiten Reflexionseinrichtung eine Zwischenschicht (9, 10) aufweist.

7. Struktur nach den Ansprüchen 4, 5 oder 6, bei der wenigstens eine der Reflexionseinrichtungen eine Konfiguration mit mehreren Schichten (6, 7; 11, 12) aufweist.

8. Struktur nach einem der Ansprüche 2 bis 7, bei der die Einrichtung zur Erzeugung von Bragg-Reflexion ein Muster aus Ringen (18&sub1;-18&sub6;) aufweist.

9. Struktur nach Anspruch 8, bei der die Ringe Rillen aufweisen.

10. Struktur nach Anspruch 8, bei der die Ringe nach oben stehende Rippen (18) aufweisen.

11. Struktur nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei der die Ringe kreisförmig und konzentrisch sind.

12. Struktur nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei der die Ringe im allgemeinen parallel und elliptisch um den Resonator angeordnet sind.

13. Struktur nach einem der Ansprüche 8 bis 12, bei der die Ringe unterschiedliche Breiten haben.

14. Struktur nach einem der Ansprüche 8 bis 13, bei der die Zwischenräume zwischen den Ringen mit Material (13, 14, 15) gefüllt sind, das einen Brechungsindex hat, der sich von dem des Materials der Schicht (16, 19) unterscheidet, in der die Ringe ausgebildet sind.

15. Struktur nach einem der Ansprüche 8 bis 14, bei der die Ringe durch Lithographie und Ätzen ausgebildet wurden.

16. Struktur nach einem der Ansprüche 8 bis 15, die eine Stromblockierschicht (16, 19) zur Begrenzung des Stromflusses zum Resonator aufweist, wobei das Muster aus Ringen in der Blockierschicht (16, 19) ausgebildet ist.

17. Struktur nach Anspruch 16, bei der die Blockierschicht (16) selektiv geätzt wurde, um den Umfang des Resonators abzugrenzen.

18. Struktur nach Anspruch 16, bei der die Blockierschicht (19) selektiv gewachsen ist, um den Umfang des Resonators abzugrenzen.

19. Struktur nach Anspruch 18, bei der die Blockierschicht (19) aus einem InP-Material ausgebildet ist.

20. Struktur nach einem der Ansprüche 4 bis 19, bei der die erste Reflexionseinrichtung auf einem Halbleitersubstrat mehrere überlappende Halbleiterschichten (6, 7) mit unterschiedlichen Brechungsindizes aufweist, die zweite Reflexionseinrichtung mehrere überlappende dielektrische Schichten (11, 12) mit unterschiedlichen Brechungsindizes aufweist, und der Resonator ein undotiertes laseraktives Halbleitermaterial (8) aufweist, das zwischen den Halbleiterzwischenschichten (9, 10) entgegengesetzten Leitungstyps geschichtet ist.

21. VCSEL, gekennzeichnet durch eine um ihren Resonator (2) ausgebildete Bragg-Struktur (18) zur Unterstützung eines vorbestimmten Quer-Übertragungsmodus.

22. Optische Resonanzstruktur mit Einrichtungen (3, 4) zum Bereitstellen eines optischen Resonators (2), einem optischen, aktiven Material (8), das eine relativ kleine Dickenausdehnung (w) hat und sich in einer Ebene quer zur Dickenausdehnung über einen Bereich mit relativ großer Querausdehnung (d) erstreckt, gekennzeichnet durch um das aktive Material (8) ausgebildete Einrichtungen (18) zum Reflektieren einer in der Ebene verlaufenden optischen Strahlungskomponente mit einer Phasencharakteristik zur Unterstützung eines vorausgewählten senkrechten Resonanzmodus im Resonator.

23. Struktur nach Anspruch 22, die ein Substrat (1) aufweist, auf dem das optische, aktive Material als Schicht (8) ausgebildet ist, wobei die Einrichtung zur Definition des Resonators eine erste auf dem Substrat ausgebildete Reflexionseinrichtung (3) zum Zusammenwirken mit einer außerhalb des Substrats befindlichen zweiten Reflexionseinrichtung aufweist.