DE10147353C2 - Halbleiterlaser mit mindestens zwei optisch aktiven Bereichen - Google Patents

Halbleiterlaser mit mindestens zwei optisch aktiven Bereichen

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Description

Die Erfindung betrifft einen Halbleiterlaser.
Halbleiterlaser, beispielsweise oberflächenemittierende Halbleiterlaser (VCSEL = vertical cavity surface emitting laser), sind bevorzugte Lichtquellen im Kurzstreckenbereich für die optische Datenübertragung im Datacom-Bereich auf Kurz- und Mittelstrecken von bis zu 10 km Länge mit hohen Datenübertragungsraten, den sogenannten Bitraten. Zur optischen Datenübertragung wird das von den Halbleiterlasern emittierte Licht in optische Fasern eingekoppelt. Die Bitrate wird dabei hauptsächlich von der benötigten Zeit für die Signalerzeugung begrenzt. Beispielsweise begrenzt die direkte Strommodulation eines VCSELs zum Erzeugen eines optischen Datensignals die Bitrate des VCSELs auf etwa 12,5 GBit/s. Auf Grund der zunehmenden elektronischen Kommunikation steigen die Anforderungen an die optische Datenübertragung und damit auch die maximal erreichbare Bitrate.
Höhere Bitraten von beispielsweise 40 GBit/s werden üblicherweise mittels externer Modulation oder mittels Wellenlängenbündelung realisiert und vor allem in der optischen Datenübertragung für Langstrecken über 10 km eingesetzt. Dabei werden zum Erzeugen der optischen Signale normalerweise Hochleistungslaser eingesetzt.
Ein vielversprechender Ansatz zum Erhöhen der Bitrate auch auf Kurz- und Mittelstrecken ist die Wellenlängenbündelung. Dabei werden üblicherweise mehrere Halbleiterlaser verwendet, welche jeweils auf unterschiedlichen Wellenlängen Licht emittieren, wobei jeder Halbleiterlaser Licht genau einer spezifischen Wellenlänge emittiert. Um die von den Halbleiterlasern emittierten Lichtsignale vor einer Einkopplung in eine optische Faser zu bündeln, sind bisher aufwändige, integriert-optische oder faseroptische Multiplexerelemente erforderlich. Diese Multiplexerelemente beeinträchtigen jedoch die Qualität der übertragenen, optischen Datensignale auf Grund von Rausch-, Streu- und Absorptionseffekten. Vor allem ist ein erheblicher Zusatzaufwand notwendig, um eine optische Strahlanpassung durchzuführen. Ebenso wird die elektrische Ansteuerung aufwändiger, und der benötigte Bedarf an Chipfläche steigt.
Aus dem Stand der Technik sind VCSELs bekannt, bei denen entweder eine aktive Zone und eine passive Zone, vgl. beispielsweise [1] bis [4], oder zwei aktive Zonen, vgl. beispielsweise [5] bis [8], benachbart angeordnet sind. Die aktiven Zonen dienen dabei dem Erzeugen von Laserlicht, die passiven Zonen dienen als Absorber und somit als Modulatoren oder Transmissionsschalter. Bei den bekannten VCSEL- Anordnungen mit einer passiven Zone findet somit eine optische Kopplung der beiden Zonen in jedem VCSEL statt. Bei den VCSELs mit zwei aufeinander angeordneten, aktiven Zonen kann zwar Laserlicht mit zwei unterschiedlichen Wellenlängen emittiert werden; jedoch erfolgt stets eine elektronisch- optische Kopplung der beiden aktiven Zonen. Aus dem Stand der Technik ist folglich kein VCSEL bekannt, dessen Bitrate höher als 12,5 GBit/s ist.
Der Erfindung liegt somit das Problem zugrunde, einen Halbleiterlaser anzugeben, bei dem auf einfache Weise die Bitrate auf über 12,5 GBit/s erhöht werden kann und welcher einfach und kostengünstig hergestellt werden kann.
Das Problem wird durch einen Halbleiterlaser mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch gelöst.
Ein Halbleiterlaser weist einen ersten Reflektor, einen zweiten Reflektor und einen dritten Reflektor auf. Ein erster, optisch aktiver Bereich ist zwischen dem ersten Reflektor und dem zweiten Reflektor angeordnet, welcher Laserlicht einer ersten Wellenlänge emittieren kann. Zwischen dem zweiten Reflektor und dem dritten Reflektor ist ein zweiter, optisch aktiver Bereich angeordnet, welcher Laserlicht einer zweiten Wellenlänge emittieren kann, welche kürzer als die erste Wellenlänge ist. Die beiden optisch aktiven Bereiche sind voneinander sowohl optisch als auch elektrisch im Wesentlichen entkoppelt und können ihr Laserlicht auf einer gemeinsamen optischen Achse in einer gemeinsamen Emissionsrichtung emittieren, wobei die Emissionsrichtung entlang der optischen Achse von dem ersten, optisch aktiven Bereich zu dem zweiten, optisch aktiven Bereich gerichtet ist.
Ein Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass auf Grund der optischen und elektrischen Entkopplung der beiden optisch aktiven Bereiche ein Halbleiterlaser geschaffen wird, welcher auf einfache Weise gleichzeitig zwei unabhängige, optische Datensignale erzeugen kann, wodurch die Bitrate um den Faktor zwei erhöht wird. Dabei bewirkt der geschickte Aufbau des Halbleiterlasers, dass das von dem ersten optisch aktiven Bereich emittierte Laserlicht im Wesentlichen ungehindert durch den zweiten optisch aktiven Bereich transmittiert wird. Auf Grund der Bedingung, dass die zweite Wellenlänge kürzer als die erste Wellenlänge sein soll, wird eine Absorption des von dem ersten optisch aktiven Bereich emittierte Laserlichts in dem zweiten optisch aktiven Bereich im Wesentlichen vermieden. Der zweite optisch aktive Bereich übernimmt somit für das von dem ersten optisch aktiven Bereich emittierte Laserlicht nicht die Funktion eines Transmissionsschalters oder Modulators. Der Halbleiterlaser stellt somit zwei unabhängig steuerbare Laserlicht-Quellen mit gleicher Querschnitts-Intensitätsverteilung bei zwei unterschiedlichen Wellenlängen auf einer optischen Achse bereit. Dadurch wird der Chipflächenbedarf vor dem Eingang einer optischen Faser erheblich reduziert.
Ein weiterer Vorteil des Halbleiterlasers ist, dass die von beiden optisch aktiven Bereichen emittierten, optischen Datensignale in einer gemeinsamen Emissionsrichtung auf einer gemeinsamen, optischen Achse emittiert werden. Daraus resultiert, dass der Halbleiterlaser direkt mit einer optischen Faser zum Übertragen der emittierten, optischen Datensignale optisch gekoppelt werden kann, ohne dass ein optisches Bauteil zur Wellenlängenbündelung notwendig wäre. Zusätzliche Verluste in solch einem optischen Bauteil auf Grund von Rausch-, Streu- und Absorptionseffekten können folglich die emittierten, optischen Datensignale nicht verschlechtern. Somit können die von dem Halbleiterlaser erzeugten optischen Datensignale mit erheblich reduzierten, optischen Verlusten in die optische Faser eingekoppelt werden.
Der Halbleiterlaser kann um weitere, optisch aktive Bereiche sowie zugehörige Reflektoren erweitert werden, welche in entsprechender Weise aufeinander gestapelt oder nebeneinander angeordnet sind. Somit kann für den Halbleiterlaser eine weitere Erhöhung der Bitrate um ein ganzzahliges Vielfaches im Vergleich zu einem Halbleiterlaser mit einem einzigen optisch aktiven Bereich erreicht werden. Anschaulich kann bei einer Anordnung von n entkoppelten, optisch aktiven Bereichen folglich die Bitrate um den Faktor n im Vergleich zu nur einem einzigen, optisch aktiven Bereich erhöht werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Halbleiterlasers werden als Reflektoren Bragg-Reflektoren verwendet.
Vorzugsweise ist bei dem Halbleiterlaser zwischen jedem optisch aktiven Bereich und jedem benachbarten Bragg- Reflektor jeweils ein Zwischenbereich vorgesehen. Dieser Zwischenbereich dient dem exakten Einstellen des Abstandes zweier benachbarter Bragg-Reflektoren, um die sich zwischen den beiden benachbarten Bragg-Reflektoren ausbildende, stehende Welle auf die gewünschte Wellenlänge des emittierten Laserlichts einzustellen.
In mindestens einem Zwischenbereich des Halbleiterlasers ist benachbart zu mindestens einem der beiden optisch aktiven Bereiche bevorzugt mindestens ein Stromeinschnürungsbereich angeordnet. Dieser Stromeinschnürungsbereich dient dazu, den Stromfluss durch den benachbarten, optisch aktiven Bereich derart zu steuern, dass die optische Anregung in dem optisch aktiven Bereich in einem vorherbestimmten Bereich lokalisiert ist. Damit kann beispielsweise der Ort der optischen Anregung auf die optische Achse eingestellt werden.
Vorzugsweise ist der Halbleiterlaser als oberflächenemittierender Halbleiterlaser ausgebildet, bei dem die Bragg-Reflektoren und die aktiven Bereiche übereinander stapelförmig angeordnet sind. Dies bietet den erheblichen Vorteil, dass die Bragg-Reflektoren und die aktiven Bereiche als Schichtenfolge in einem mehrstufigen Epitaxieverfahren monolithisch aufgewachsen werden können, wobei jede Stufe des Epitaxieverfahrens in einfacher Weise je nach zu erzeugender Schicht entsprechend angepasst werden kann. Alternativ kann der Halbleiterlaser auch als kantenemittierender Halbleiterlaser, beispielsweise als DFB- oder DBR-Laser (DFB = distributed feedback, DBR = distributed Bragg reflector), ausgebildet sein, bei dem die Bragg-Reflektoren und die optisch aktiven Bereiche nebeneinander angeordnet sind.
In einer bevorzugten Weiterbildung des Halbleiterlasers ist der erste Bragg-Reflektor derart eingerichtet, dass er eine Reflektivität von ≧ 99%, vorzugsweise ≧ 99,7% für die erste Wellenlänge und eine Reflektivität von ≦ 5% für die zweite Wellenlänge aufweist. Des Weiteren ist der zweite Bragg- Reflektor derart eingerichtet, dass er eine Reflektivität von ≧ 98%, vorzugsweise 99,3% für die erste Wellenlänge und eine Reflektivität von ≧ 99%, vorzugsweise ≧ 99,7% für die zweite Wellenlänge aufweist. Überdies ist der dritte Bragg-Reflektor derart eingerichtet, dass er eine Reflektivität von ≦ 5% für die erste Wellenlänge und eine Reflektivität von ≧ 98%, vorzugsweise 99,3% für die zweite Wellenlänge aufweist.
Dadurch ist sichergestellt, dass eine optische Koppelung der beiden optisch aktiven Bereiche des Halbleiterlasers im Wesentlichen vermieden wird. Die Rückkopplung des Laserlichts des ersten optisch aktiven Bereichs erfolgt mittels des ersten Bragg-Reflektors und des zweiten Bragg-Reflektors, während die Rückkopplung des Laserlichts des zweiten optisch aktiven Bereichs mittels des zweiten Bragg-Reflektors und des dritten Bragg-Reflektors erfolgt. Es existiert also kein Überlapp der Rückkopplungsbereiche der beiden optisch aktiven Bereiche.
Der erste Bragg-Reflektor und der zweite Bragg-Reflektor weisen vorzugsweise einen derartigen Abstand zueinander auf, dass sich zwischen dem ersten Bragg-Reflektor und dem zweiten Bragg-Reflektor eine Fabry-Perot-Resonanz mit einer Halbwertsbreite von bis zu 5 nm für die erste Wellenlänge ausbilden kann. Entsprechend weisen der zweite Bragg- Reflektor und der dritte Bragg-Reflektor bevorzugt einen derartigen Abstand zueinander auf, dass sich zwischen dem zweiten Bragg-Reflektor und dem dritten Bragg-Reflektor eine Fabry-Perot-Resonanz mit einer Halbwertsbreite von bis zu 5 nm für die zweite Wellenlänge ausbilden kann.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist zumindest ein Teil eines jeden Bragg-Reflektors als elektrischer Anschlussbereich für den jeweils benachbarten, optisch aktiven Bereich ausgebildet, um die beiden optisch aktiven Bereiche mit Strom zu versorgen. Dabei sind die elektrischen Anschlussbereiche vorzugsweise derart dotiert, dass die elektrischen Anschlussbereiche des ersten Bragg- Reflektors sowie des dritten Bragg-Reflektors Überschussladungsträger einer ersten Ladungsträgersorte und der elektrische Anschlussbereich des zweiten Bragg-Reflektors Überschussladungsträger einer zweiten Ladungsträgersorte aufweisen. Dies hat den Vorteil, dass auf Grund einer geeigneten Dotierung der Bragg-Reflektoren die Strompfade durch die beiden optisch aktiven Bereiche voneinander entkoppelt werden können. Dementsprechend sind ein erster elektrischer Strom mittels des ersten Bragg-Reflektors und des zweiten Bragg-Reflektors in den ersten optischen Bereich sowie ein zweiter elektrischer Strom mittels des zweiten Bragg-Reflektors und des dritten Bragg-Reflektors unabhängig von dem ersten elektrischen Strom in den zweiten optischen Bereich einkoppelbar.
Dazu weist der zweite Bragg-Reflektor vorzugsweise einen ersten elektrischen Anschlussbereich für den ersten, optisch aktiven Bereich sowie einen von dem ersten elektrischen Anschlussbereich elektrisch isolierten, zweiten, elektrischen Anschlussbereich für den zweiten, optisch aktiven Bereich auf. Alternativ kann der zweite Bragg-Reflektor auch aus einem ersten Bragg-Teilreflektor für den ersten optisch aktiven Bereich sowie einem zweiten Bragg-Teilreflektor für den zweiten optisch aktiven Bereich bestehen. Dann weisen jedoch die beiden Bragg-Teilreflektoren jeweils einen eigenständigen, elektrischen Anschlussbereich auf, wobei die beiden elektrischen Anschlussbereiche der beiden Bragg- Teilreflektoren voneinander elektrisch isoliert sind.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Figuren dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Komponenten.
Es zeigen:
Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch einen Halbleiterlaser gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
Fig. 2 ein Diagramm der Reflexionscharakteristika und der spektralen Lage des emittierten Laserlichts für den Halbleiterlaser gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Halbleiterlaser 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Der Halbleiterlaser 100 gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein oberflächenemittierender Halbleiterlaser, welcher sich anschaulich aus drei einzelnen, übereinander gestapelten, oberflächenemittierenden Halbleiterlasern zusammensetzt. Dementsprechend ist die Bitrate des Halbleiterlasers 100 um einen Faktor drei gegenüber einem einzelnen, oberflächenemittierenden Halbleiterlaser erhöht und erreicht gemäß dem Ausführungsbeispiel 30 GBit/s.
Der Halbleiterlaser 100 ist epitaktisch aus mehreren Schichten auf einer Oberfläche eines Halbleitersubstrats 101 aufgewachsen. Gemäß dem Ausführungsbeispiel wird als Material für das Halbleitersubstrat 101 n-dotiertes GaAs verwendet.
Auf dem Halbleitersubstrat 101 ist zunächst ein erster Bragg- Reflektor 102 angeordnet, welcher eine wellenlängenabhängige, erste Reflektivität R1 aufweist. Gemäß dem Ausführungsbeispiel ist der erste Bragg-Reflektor 102 eine n- dotierte Schichtenfolge aus AlGaAs und GaAs, welche in geeigneter Weise auf dem Halbleitersubstrat 101 aufgebracht wird und mittels Si-Atomen n-dotiert ist.
Über dem ersten Bragg-Reflektor 102 befindet sich ein erster Zwischenbereich 103, auf dem der erste optisch aktive Bereich 104 angeordnet ist. Der erste Zwischenbereich 103, welcher gemäß dem Ausführungsbeispiel eine Schicht aus AlGaAs ist, dient dem korrekten Einstellen des gewünschten Abstandes des ersten, optisch aktiven Bereichs 104 zu dem ersten Bragg- Reflektor 102. Der erste, optisch aktive Bereich 104 ist gemäß dem Ausführungsbeispiel eine Quantenfilm-Struktur aus In0,35Ga0,65As und GaAs, welche im elektrisch angeregten Zustand Laserlicht bei einer ersten Wellenlänge von λ1 = 1.050 nm emittieren kann.
Auf dem ersten, optisch aktiven Bereich 104 ist ein zweiter Zwischenbereich 105 mit eingebettetem, erstem Stromeinschnürungsbereich 106 und darüber ein zweiter Bragg- Reflektor 107 angeordnet. Der zweite Zwischenbereich 105 ist gemäß dem Ausführungsbeispiel wiederum eine Schicht aus AlGaAs, welche dem korrekten Einstellen des gewünschten Abstandes des ersten, optisch aktiven Bereichs 104 zu dem zweiten Bragg-Reflektor 107 dient. Gemäß dem Ausführungsbeispiel ist der erste Stromeinschnürungsbereich 106 eine Schicht aus lateral selektiv oxidiertem AlxOy, welche in etwa 30 nm dick ist und auch als Oxidblende bezeichnet wird, und der zweite Bragg-Reflektor 107 eine p- dotierte Schichtenfolge aus AlGaAs und GaAs, welche eine wellenlängenabhängige, zweite Reflektivität R2 aufweist und mittels C-Atomen p-dotiert ist.
Auf Grund des mittels den beiden Zwischenbereichen 103, 105 beeinflussbaren Abstandes der beiden Bragg-Reflektoren 102, 107 kann sich in dem zwischen den beiden Bragg-Reflektoren 102, 107 gebildeten und von dem ersten optisch aktiven Bereich 104 gepumpten Resonator eine Fabry-Perot-Resonanz mit einer schmalen Halbwertsbreite von nur bis zu 5 nm für die erste Wellenlänge λ1 ausbilden.
Über dem zweiten Bragg-Reflektor 107 sind ein dritter Zwischenbereich 108 mit eingebettetem, zweitem Stromeinschnürungsbereich 109 sowie ein zweiter, optisch aktiver Bereich 110 angeordnet. Darüber befindet sich ein vierter Zwischenbereich 111 und ein dritter Bragg-Reflektor 112. Die beiden Zwischenbereiche 108, 111 und der zweite Stromeinschnürungsbereich 109 haben bezüglich dem zweiten, optisch aktiven Bereich 110 die gleiche Funktion wie die beiden Zwischenbereiche 103, 105 und der erste Stromeinschnürungsbereich 106 bezüglich dem ersten, optisch aktiven Bereich 104 und weisen auch die gleichen Materialien auf.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel ist der zweite, optisch aktive Bereich 110 eine Quantenfilm-Struktur aus In0,33Ga0,67As und GaAs, welche im elektrisch angeregten Zustand Laserlicht bei einer zweiten Wellenlänge von λ2 = 1.030 nm emittieren kann, und der dritte Bragg-Reflektor 112 eine n-dotierte Schichtenfolge aus AlGaAs und GaAs, welche eine wellenlängenabhängige, dritte Reflektivität R3 aufweist und mittels Si-Atomen n-dotiert ist.
Auf dem dritten Bragg-Reflektor 112 sind aufeinanderfolgend ein fünfter Zwischenbereich 113, ein dritter optisch aktiver Bereich 114, ein sechster Zwischenbereich 115 mit eingebettetem, drittem Stromeinschnürungsbereich 116 und ein vierter Bragg-Reflektor 117 angeordnet. Gemäß dem Ausführungsbeispiel ist der dritte, optisch aktive Bereich 114 eine Quantenfilm-Struktur aus In0,31Ga0,69As und GaAs, welche im elektrisch angeregten Zustand Laserlicht bei einer dritten Wellenlänge von λ3 = 1.010 nm emittieren kann, und der vierte Bragg-Reflektor 117 eine p-dotierte Schichtenfolge aus AlGaAs und GaAs, welche eine wellenlängenabhängige, vierte Reflektivität R4 aufweist und mittels C-Atomen p-dotiert ist.
Die beiden Zwischenbereiche 113, 115 und der dritte Stromeinschnürungsbereich 116 haben bezüglich dem dritten, optisch aktiven Bereich 114 die gleiche Funktion analog zu den beiden Zwischenbereichen 103, 105 und dem ersten Stromeinschnürungsbereich 106 bzw. zu den beiden Zwischenbereichen 108, 111 und dem zweiten Stromeinschnürungsbereich 109. Dementsprechend wird in gleicher Weise die Materialwahl durchgeführt.
Die drei optisch aktiven Bereiche 104, 110, 114 sind auf einer gemeinsamen, optischen Achse 118 übereinander gestapelt angeordnet und emittieren das von ihnen erzeugte Laserlicht auf der optischen Achse 118 in einer gemeinsamen Emissionsrichtung 119. Dabei ist der Halbleiterlaser 100 derart aufgebaut, dass die emittierte Wellenlänge der optisch aktiven Bereiche in Emissionsrichtung 119 abnimmt. Des Weiteren sind die Reflektivitäten R1, R2, R3, R4 der Bragg- Reflektoren 102, 107, 112, 117 gemäß dem Ausführungsbeispiel entsprechend folgender Tabelle eingestellt:
Die Abnahme der emittierten Wellenlänge mit zunehmender Ordnungsnummer des emittierenden, optisch aktiven Bereichs stellt sicher, dass das von einem unteren, optisch aktiven Bereich emittierte Laserlicht nicht in einem darüber angeordneten, optisch aktiven Bereich absorbiert werden kann. Zusätzlich stellt das geeignete Einstellen der Reflektivitäten R1, R2, R3, R4 der Bragg-Reflektoren 102, 107, 112, 117 sicher, dass das von einem optisch aktiven Bereich emittierte Laserlicht nicht in einem anderen, optisch aktiven Bereich in Resonanz gebracht werden kann. Somit sind die drei optisch aktiven Bereiche 104, 110, 114 voneinander optisch entkoppelt.
Wird der Halbleiterlaser 100 nun auf der optischen Achse 118 an eine optische Faser optisch gekoppelt, können alle von dem Halbleiterlaser 100 emittierten, optischen Signale in die optische Faser eingekoppelt werden, ohne dass zusätzliche, aufwändige Koppelelemente oder optische Elemente zur Wellenlängenbündelung notwendig sind. Somit kann der Halbleiterlaser 100 auf der optischen Achse 118 in Emissionsrichtung 119 entsprechend der Anzahl n an integrierten, optisch aktiven Bereichen eine um den Faktor n höhere Bitrate als ein herkömmlicher VCSEL emittieren.
Die als erster Stromeinschnürungsbereich 106, als zweiter Stromeinschnürungsbereich 109 und als dritter Stromeinschnürungsbereich 116 ausgebildeten Oxidblenden sind derart angeordnet, dass im Bereich der optischen Achse 118 eine durchgängige Aussparung in den Oxidblenden vorgesehen ist und somit ein Stromfluss ermöglicht wird, während außerhalb der optischen Achse 118 auf Grund der elektrischen Isolationswirkung des oxidierten AlAs ein Stromfluss unterbunden wird.
Die elektrische Entkopplung der drei optisch aktiven Bereiche 104, 110, 114 wird gemäß dem Ausführungsbeispiel vor allem mittels der geeigneten Dotierung der Bragg-Reflektoren 102, 107, 112, 117 erreicht. Somit wird ein für den zweiten optisch aktiven Bereich 110 bestimmter Stromfluss durch den ersten, optisch aktiven Bereich 104 bzw. durch den dritten, optisch aktiven Bereich 114 unterbunden. Anschaulich werden die optisch aktiven Bereiche 104, 110, 114 also jeweils in Gegenrichtung zum benachbarten, optisch aktiven Bereich geschaltet. Folglich sind die drei optisch aktiven Bereiche 104, 110, 114 voneinander elektrisch entkoppelt und können unabhängig voneinander betrieben werden.
Alternativ können die Bragg-Reflektoren 102, 107, 112, 117 als elektrische Isolationsschichten ohne Dotierung vorgesehen sein. Dann ist jedoch zum Betreiben der optisch aktiven Bereiche 104, 110, 114 jeweils ein separater, in geeigneter Weise dotierter, elektrischer Anschlussbereich zwischen jedem Bragg-Reflektor und jedem optisch aktiven Bereich vorzusehen. Beispielsweise können die Zwischenbereiche 103, 105, 108, 111, 113, 115 mittels geeigneter Materialwahl als elektrische Anschlussbereiche für die optisch aktiven Bereiche 104, 110, 114 vorgesehen sein. Die drei optisch aktiven Bereiche 104, 110, 114 sind somit mittels der elektrisch isolierenden Bragg-Reflektoren 102, 107, 112, 117 voneinander elektrisch entkoppelt und können unabhängig voneinander betrieben werden.
Der Halbleiterlaser 100 ermöglicht also ein elektrisch und optisch ungestörtes Erzeugen von drei unabhängigen, optischen Datensignalen, wobei jedes optische Datensignal einer der emittierten Wellenlängen des Halbleiterlasers 100 zugeordnet ist.
Alternativ kann der Halbleiterlaser 100 auch in einem anderen Materialsystem, beispielsweise InAlGaAsN, InAlGaAsSbN und InAlGaP auf einem Halbleitersubstrat 101 aus GaAs oder InAlGaAs, InGaAsP und AlGaAsSb auf einem Halbleitersubstrat 101 aus InP, realisiert sein.
In Fig. 2 ist ein Diagramm 200 der Reflexionscharakteristika und der spektralen Lage des emittierten Laserlichts für den Halbleiterlaser 100 gemäß Fig. 1 dargestellt.
Das Diagramm 200 zeigt die Reflexionscharakteristika der Bragg-Reflektoren 102, 107, 112, 117 des Halbleiterlasers 100 in getrennten Teildiagrammen. In diesen Teildiagrammen sind die Reflektivitäten R1, R2, R3, R4 der Bragg-Reflektoren 102, 107, 112, 117 jeweils als Funktion der emittierten Wellenlänge λ dargestellt. Entsprechend den in Fig. 1 beschriebenen Anforderungen an die Bragg-Reflektoren 102, 107, 112, 117 weisen diese jeweils eine unterschiedliche Reflexionscharakteristik 201, 202, 203, 204 auf.
Gemäß der ersten Reflexionscharakteristik 201 des ersten Bragg-Reflektors 102 und der zweiten Reflexionscharakteristik 202 des zweiten Bragg-Reflektors 107 wird das von dem ersten optisch aktiven Bereich 104 emittierte Laserlicht der ersten Wellenlänge λ1 in Resonanz gebracht und durch den zweiten Bragg-Reflektor 107 in Emissionsrichtung 119 aus dem Halbleiterlaser 100 emittiert. Dabei zeigen die Reflexionscharakteristika 203, 204 des dritten Bragg- Reflektors 112 und des vierten Bragg-Reflektors 117 eine vernachlässigbare Reflexion des mit der ersten Wellenlänge λ1 emittierten Laserlichts.
Ebenso wird das von dem zweiten, optisch aktiven Bereich 110 emittierte Laserlicht der zweiten Wellenlänge λ2 gemäß der zweiten Reflexionscharakteristik 202 des zweiten Bragg- Reflektors 107 und der dritten Reflexionscharakteristik 203 des dritten Bragg-Reflektors 112 in Resonanz gebracht und durch den dritten Bragg-Reflektor 112 in Emissionsrichtung 119 aus dem Halbleiterlaser 100 emittiert. Auf Grund der hohen Reflektivität R2 des zweiten Bragg-Reflektors 107 für das mit der zweiten Wellenlänge λ2 aus dem zweiten optisch aktiven Bereich 110 emittierte Laserlicht gelangt fast kein mit der zweiten Wellenlänge λ2 emittiertes Laserlicht in den Resonanzbereich der ersten Wellenlänge λ1 und ist damit von diesem optisch entkoppelt. Die Reflexionscharakteristik 204 des vierten Bragg-Reflektors 117 zeigt außerdem eine vernachlässigbare Reflexion des mit der zweiten Wellenlänge λ2 emittierten Laserlichts.
Entsprechend der dritten Reflexionscharakteristik 203 des dritten Bragg-Reflektors 112 und der vierten Reflexionscharakteristik 204 des vierten Bragg-Reflektors 117 wird das von dem dritten, optisch aktiven Bereich 114 emittierte Laserlicht der dritten Wellenlänge λ3 in Resonanz gebracht und durch den vierten Bragg-Reflektor 117 in Emissionsrichtung 119 aus dem Halbleiterlaser 100 emittiert. Auf Grund der hohen Reflektivität R3 des dritten Bragg- Reflektors 112 für das mit der dritten Wellenlänge λ3 aus dem dritten, optisch aktiven Bereich 114 emittierte Laserlicht gelangt fast kein mit der dritten Wellenlänge λ3 emittiertes Laserlicht in die Resonanzbereiche der ersten Wellenlänge λ1 oder der zweiten Wellenlänge λ2 und ist damit von diesen optisch entkoppelt.
Da in dem Diagramm 200 die Reflexionscharakteristika 201, 202, 203, 204 in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ dargestellt sind, liegen die in die Emissionsrichtung 119 emittierten drei Wellenlängen λ1, λ2, λ3 nicht deckungsgleich übereinander.
Vor dem Erzeugen der Bragg-Reflektoren 102, 107, 112, 117 mit den entsprechenden Reflexionscharakteristika 201, 202, 203, 204 wird ein empirisches Filterdesign durchgeführt, welches meist computergestützt erfolgt. Um einen Bragg-Reflektor mit einer möglichst schmalbandigen Reflexionscharakteristik zu erhalten, kann beispielsweise eine entsprechende Anzahl an Schichten mit geringfügig unterschiedlichem Brechungsindex (beispielsweise einem Unterschied Δn zwischen zwei direkt aufeinander oder nebeneinander angeordneten Schichten von Δn ≈ 0,1) und einer jeweiligen Dicke von λ/4 übereinander gestapelt werden.
Alternativ kann die gewünschte, schmalbandige Reflexionscharakteristik auch über eine Variation des Taktverhältnisses der in dem Bragg-Reflektor angeordneten Schichten eingestellt werden. Dabei kann die Anzahl der benötigten Schichten in dem Bragg-Reflektor verringert werden. Allerdings werden in diesem Fall keine Schichten mit einer Dicke von jeweils λ/4 übereinander gestapelt sondern Kombinationen aus zwei Schichten, welche zusammen eine Dicke von λ/2 aufweisen. Beispielsweise kann eine solche Schicht- Kombination eine nur ca. 20 nm dicke Schicht aus AlGaAs über einer ca. 150 nm dicken Schicht aus AlAs aufweisen. Dabei ergibt sich die Reflexionscharakteristik der Schicht- Kombination in Abhängigkeit von den Brechungsindizes und Schichtdicken der beiden einzelnen Schichten.
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Bezugszeichenliste
100
Halbleiterlaser gemäß Erfindung
101
Halbleitersubstrat
102
erster Bragg-Reflektor
103
erster Zwischenbereich
104
erster optisch aktiver Bereich
105
zweiter Zwischenbereich
106
erster Stromeinschnürungsbereich
107
zweiter Bragg-Reflektor
108
dritter Zwischenbereich
109
zweiter Stromeinschnürungsbereich
110
zweiter optisch aktiver Bereich
111
vierter Zwischenbereich
112
dritter Bragg-Reflektor
113
fünfter Zwischenbereich
114
dritter optisch aktiver Bereich
115
sechster Zwischenbereich
116
dritter Stromeinschnürungsbereich
117
vierter Bragg-Reflektor
118
optische Achse
119
Emissionsrichtung
λ1
erste Wellenlänge
λ2
zweite Wellenlänge
λ3
dritte Wellenlänge
R1
erste Reflektivität
R2
zweite Reflektivität
R3
dritte Reflektivität
R4
vierte Reflektivität
200
Diagramm der Reflexionscharakteristika
201
erste Reflexionscharakteristik
202
zweite Reflexionscharakteristik
203
dritte Reflexionscharakteristik
204
vierte Reflexionscharakteristik
λ Wellenlänge

Claims (16)

1. Halbleiterlaser
mit mindestens einem ersten, zweiten und dritten Reflektor und
mit mindestens zwei optisch aktiven Bereichen,
wobei ein erster optisch aktiver Bereich der mindestens zwei optisch aktiven Bereiche zwischen dem ersten Reflektor und dem zweiten Reflektor angeordnet ist, welcher Laserlicht einer ersten Wellenlänge emittieren kann,
wobei ein zweiter, optisch aktiver Bereich der mindestens zwei optisch aktiven Bereiche zwischen dem zweiten Reflektor und dem dritten Reflektor angeordnet ist, welcher Laserlicht einer zweiten Wellenlänge emittieren kann, welche kürzer als die erste Wellenlänge ist, und
wobei die mindestens zwei optisch aktiven Bereiche voneinander sowohl optisch als auch elektrisch im Wesentlichen entkoppelt sind,
wobei die mindestens zwei optisch aktiven Bereiche ihr Laserlicht auf einer gemeinsamen, optischen Achse in einer gemeinsamen Emissionsrichtung emittieren können und
wobei die Emissionsrichtung entlang der optischen Achse von dem ersten optisch aktiven Bereich zu dem zweiten optisch aktiven Bereich gerichtet ist.
2. Halbleiterlaser gemäß Anspruch 1, bei dem als Reflektoren Bragg-Reflektoren vorgesehen sind.
3. Halbleiterlaser gemäß Anspruch 2, bei dem zwischen jedem optisch aktiven Bereich und jedem benachbarten Bragg-Reflektor jeweils ein Zwischenbereich vorgesehen ist.
4. Halbleiterlaser gemäß Anspruch 2 oder 3, bei dem zwischen mindestens einem optisch aktiven Bereich und einem dazu benachbarten Bragg-Reflektor mindestens ein Zwischenbereich vorgesehen ist und bei dem in diesem mindestens einen Zwischenbereich mindestens ein Stromeinschnürungsbereich angeordnet ist.
5. Halbleiterlaser gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem die Bragg-Reflektoren und die aktiven Bereiche übereinander stapelförmig angeordnet sind, wodurch ein oberflächenemittierender Halbleiterlaser gebildet ist.
6. Halbleiterlaser gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5, bei dem der erste Bragg-Reflektor derart eingerichtet ist, dass er eine Reflektivität von ≧ 99% für die erste Wellenlänge und eine Reflektivität von ≦ 5% für die zweite Wellenlänge aufweist.
7. Halbleiterlaser gemäß einem der Ansprüche 2 bis 6, bei dem der zweite Bragg-Reflektor derart eingerichtet ist, dass er eine Reflektivität von 98% für die erste Wellenlänge und eine Reflektivität von ≧ 99% für die zweite Wellenlänge aufweist.
8. Halbleiterlaser gemäß einem der Ansprüche 2 bis 7, bei dem der dritte Bragg-Reflektor derart eingerichtet ist, dass er eine Reflektivität von ≦ 5% für die erste Wellenlänge und eine Reflektivität von 98% für die zweite Wellenlänge aufweist.
9. Halbleiterlaser gemäß einem der Ansprüche 2 bis 8, bei dem der erste Bragg-Reflektor und der zweite Bragg- Reflektor einen derartigen Abstand zueinander aufweisen, dass sich zwischen dem ersten Bragg-Reflektor und dem zweiten Bragg-Reflektor eine Fabry-Perot-Resonanz mit einer Halbwertsbreite von bis zu 5 nm für die erste Wellenlänge ausbilden kann.
10. Halbleiterlaser gemäß einem der Ansprüche 2 bis 9, bei dem der zweite Bragg-Reflektor und der dritte Bragg- Reflektor einen derartigen Abstand zueinander aufweisen, dass sich zwischen dem zweiten Bragg-Reflektor und dem dritten Bragg-Reflektor eine Fabry-Perot-Resonanz mit einer Halbwertsbreite von bis zu 5 nm für die zweite Wellenlänge ausbilden kann.
11. Halbleiterlaser gemäß einem der Ansprüche 2 bis 10, bei dem zumindest ein Teil eines jeden Bragg-Reflektors ein elektrischer Anschlussbereich für den jeweils benachbarten, optisch aktiven Bereich ist.
12. Halbleiterlaser gemäß Anspruch 11, bei dem die elektrischen Anschlussbereiche derart dotiert sind, dass die elektrischen Anschlussbereiche des ersten Bragg-Reflektors sowie des dritten Bragg-Reflektors Überschussladungsträger einer ersten Ladungsträgersorte und der elektrische Anschlussbereich des zweiten Bragg-Reflektors Überschussladungsträger einer zweiten Ladungsträgersorte aufweisen.
13. Halbleiterlaser gemäß einem der Ansprüche 2 bis 12, bei dem ein erster elektrischer Strom mittels des ersten Bragg-Reflektors und des zweiten Bragg-Reflektors in den ersten optischen Bereich sowie ein zweiter elektrischer Strom mittels des zweiten Bragg-Reflektors und des dritten Bragg- Reflektors unabhängig von dem ersten elektrischen Strom in den zweiten optischen Bereich einkoppelbar sind.
14. Halbleiterlaser gemäß einem der Ansprüche 2 bis 13, bei dem der zweite Bragg-Reflektor einen ersten elektrischen Anschlussbereich für den ersten, optisch aktiven Bereich sowie einen von dem ersten elektrischen Anschlussbereich elektrisch isolierten, zweiten, elektrischen Anschlussbereich für den zweiten optisch aktiven Bereich aufweist.
15. Halbleiterlaser gemäß einem der Ansprüche 2 bis 13, bei dem der zweite Bragg-Reflektor einen ersten Bragg- Teilreflektor für den ersten optisch aktiven Bereich sowie einen zweiten Bragg-Teilreflektor für den zweiten, optisch aktiven Bereich aufweist.
16. Halbleiterlaser gemäß Anspruch 15, bei dem die beiden Bragg-Teilreflektoren jeweils einen eigenständigen, elektrischen Anschlussbereich aufweisen, wobei die beiden elektrischen Anschlussbereiche der beiden Bragg- Teilreflektoren voneinander elektrisch isoliert sind.
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