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Die
Erfindung betrifft einen Halbleiterlaser nach dem Oberbegriff des
Hauptanspruchs sowie ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen
Halbleiterlasers.
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Gattungsgemäße Halbleiterlaser,
die neben einem als DFB-Laser (Distributed Feedback Laser) ausgeführten aktiven
Bereich einen mit dem aktiven Bereich optisch gekoppelten passiven
Resonatorabschnitt umfassen, sind entwickelt worden, um eine besonders
schnelle Modulation von Laser-Strahlung zu ermöglichen. Dabei macht man sich
zunutze, dass im passiven Resonatorabschnitt reflektiertes und wieder
in den DFB-Laser eingekoppeltes Licht je nach Phasenlage oder Intensität mehr oder
weniger verstärkend
oder abschwächend
wirkt und so eine für das
Einsetzen der Lasertätigkeit
zu überschreitende Schwellenverstärkung des
Halbleiterlasers erhöhen oder
herabsetzen kann. Damit wird eine Modulation des Halbleiterlasers
durch eine Manipulation der genannten Phasenlage möglich, was
ein Ein- und Ausschalten des Lasers bei vergleichsweise geringen Änderungen
einer Ladungsträgerdichte
im aktiven Bereich erlaubt.
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Es
erweist sich allerdings als außerordentlich
schwierig, derartige Halbleiterlaser nach dem Stand der Technik
herzustellen, die für
angestrebte hohe Modulationsfrequenzen einer Größenordnung von 40 GHz geeignet
sind. Es stellt sich nämlich
heraus, dass ein gewöhnlicher
Halbleiterlaser beschriebener Bauart bei einer Modulation durch
Manipulation der Phasenlage rückgekoppelten
Lichts dazu neigt, zwischen verschiedenen DFB-Moden zu springen,
was die gewünschte
hochfrequente Modulation vereitelt.
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Der
Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, einen entsprechenden
Halbleiterlaser zu entwickeln der das geschilderte Problem überwindet
und sich damit für
eine sehr hochfrequente Modulation der Laserstrahlung eignet, wobei
dieser Halbleiterlaser möglichst
unkompliziert herstellbar sein und sich damit auch für eine Massenherstellung
eignen soll. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein entsprechendes
Verfahren vorzuschlagen, das ein Betreiben eines Halbleiterlasers
mit einer sehr hohen Modulationsfrequenz erlaubt.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
einen Halbleiterlaser mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs
in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Hauptanspruchs
sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 13. Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen der Er findung ergeben sich mit
den Merkmalen der Unteransprüche.
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Ein
Modenspringen zwischen verschiedenen DFB-Moden, das eine schnelle
Modulation beschriebener Art (Güte-Modulation) vereiteln
würde,
wird dabei dadurch verhindert, dass der aktive Bereich neben einem
ersten Abschnitt mit einem ersten Bragg-Gitter einen zweiten Abschnitt
mit einem vom ersten Bragg-Gitter verschiedenen zweiten Bragg-Gitter
aufweist, wobei sich die beiden Bragg-Gitter so voneinander unterscheiden,
dass sich bei einem Betrieb des Halbleiterlasers eine und nur eine
von zwei Hauptmoden eines DFB-Modenspektrums des ersten Abschnitts
mit einer von zwei Hauptmoden eines DFB-Modenspektrums des zweiten
Abschnitts überlappt.
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Ein
normaler DFB-Laser emittiert nicht exakt bei einer sich durch ein
Produkt aus Gitterperiode und Brechungsindex ergebenden Bragg-Wellenlänge, sondern
zeigt dort vielmehr ein so genanntes Stoppband einer Breite von
typischerweise etwa 2 nm bis 5 nm, in dem eine Ausbreitung von Lichtwellen
nicht möglich
ist, weil eingestrahlte Wellen hier stark reflektiert werden. Die
Breite des Stoppbandes wächst
mit dem Koppelkoeffizienten des Gitters, der wiederum mit der Ätztiefe
der Gitterstriche zunimmt. Statt eines Maximums bei der Bragg-Wellenlänge zeigt
ein solcher DFB-Laser
daher vielmehr zwei Hauptmoden, die an einem kurzwelligen und einem langwelligen
Rand des Stoppbandes liegen. Insbesondere zwischen diesen beiden
Hauptmoden tritt bei üblichen
DFB-Lasern typischerweise das zuvor beschrieben Modenspringen auf.
Gerade dieses Modenspringen wird aber durch die vorliegende Erfindung
verhindert, indem die zwei genannten Abschnitte des DFB-Lasers so
gegeneinander verstimmt sind, dass eine konstruktive Überlappung
der DFB-Modenspektren nur bei jeweils einer der zwei Hauptmoden
jedes Abschnitts vorliegt.
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Dementsprechend
sieht ein vorteilhaftes Verfahren zum Betreiben eines derartigen
Halbleiterlasers vor, dass er mit Strömen bzw. Stromstärken angesteuert
wird, bei denen eine Laserschwelle nur für ein den ersten Abschnitt
und den zweiten Abschnitt umfassendes DFB-Moden-System überschritten wird, nicht aber
für Moden
in den einzelnen Abschnitte allein. Das lässt sich leicht durch eine
hinreichend kurze Ausführung
der einzelnen Abschnitte erreichen. Die Laserschwelle wird dann
nur für
die Hauptmode überschritten,
die für
beide Abschnitte die gleiche Wellenlänge hat, während ein unerwünschtes
Springen auf die jeweils andere Hauptmode unmöglich gemacht wird.
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Selbstverständlich ist
es möglich,
dass der aktive Bereich des beschriebenen Halbleiterlasers zusätzlich weitere
Abschnitte entsprechender Gestaltung, also mit in beschriebener
Weise unterschiedlichen Bragg-Gittern,
aufweist.
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Typische
Ausführungen
der Erfindung sehen vor, dass das zweite Bragg-Gitter eine vom ersten Bragg-Gitter
abweichende Gitterperiode hat, um die gewünschte relative Verstimmung
der Abschnitte des aktiven Bereichs zu erreichen. Es ist auch möglich, dass
die Laserrichtung in einem der Abschnitte einen Winkel zur Gitterstrich-Normalen
aufweist. Dann kann eine vom anderen Bragg-Gitter abweichende effektive
Gitterperiode unter Umständen
auch bei gleichem Abstand der einzelnen Gitterstriche erreicht werden.
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Alternativ
oder zusätzlich
kann das zweite Bragg-Gitter
auch einen vom ersten Bragg-Gitter abweichenden Kopplungskoeffizienten
aufweisen, z. B. durch abweichende Ätztiefe, und/oder in eine Struktur
mit einem vom ersten Bragg-Gitter abweichenden Brechungsindex integriert
sein. Durch die unterschiedlichen Kopplungskoeffizienten können unterschiedlich
breite Stoppbänder
der DFB-Modenspektren ausgebildet werden, und es kann zusätzlich eine geeignete
Verstimmung der Bragg-Gitter erreicht werden.
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Durch
eine entsprechende Ausführung
der Bragg-Gitter können
die beiden Abschnitte des aktiven Bereichs in unterschiedlicher
Weise gegeneinander verstimmt sein, um die gewünschte Wirkung zu erzielen.
So können
die Bragg-Gitter z. B. so ausgeführt
sein, dass sich eine kurzwelligere der zwei Hauptmoden des ersten
Abschnitts mit einer langwelligeren der zwei Hauptmoden des zweiten
Abschnitts überlappt.
Dabei ist es unerheblich, ob der erste Abschnitt dem passiven Resonatorabschnitt zu-
oder abgewandt liegt. Die den Abstand zwischen den zwei Hauptmoden
jedes DFB-Modenspektrums definierenden Stoppbänder können in diesem Fall gleiche
Breite haben. Dann wird die gewünschte Überlappung
durch eine relative Verstimmung der beiden Bragg-Gitter um eine
Stoppbandbreite erreicht.
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Andere
Ausführungen
der Erfindung sehen vor, dass sich eine kurzwelligere der zwei Hauptmoden
des ersten Abschnitts mit einer kurzwelligeren der zwei Hauptmoden
des zweiten Abschnitts überlappt
oder dass sich eine langwelligere der zwei Hauptmoden des ersten
Abschnitts mit einer langwelligeren der zwei Hauptmoden des zweiten
Abschnitts überlappt.
Dafür müssen die
Bragg-Gitter so ausgeführt
sein, dass die entsprechenden DFB-Modenspektren eine unterschiedli che
Stoppbandbreite haben, was sich durch stark unterschiedliche Kopplungskoeffizienten,
verursacht beispielsweise durch unterschiedliche Ätztiefen
der Bragg-Gitter, erreichen lässt.
Dagegen ist in diesem Fall nur eine sehr geringe relative Verstimmung
der beiden Abschnitte erforderlich.
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Um
eine für
die erwünschte
Wirkung optimale optische Kopplung zwischen den Abschnitten des aktiven
Bereichs zu erreichen, kann zwischen dem ersten Bragg-Gitter und dem zweiten
Bragg-Gitter ein Übergang
mit einem λ/4-Phasensprung
vorgesehen sein.
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Eine
bevorzugte Ausführung
der Erfindung sieht vor, dass der aktive Bereich für den ersten
Abschnitt und den zweiten Abschnitt einen gemeinsamen elektrischen
Kontakt zum Anlegen eines Pumpstroms oder Ansteuerstroms aufweist.
Das führt
zu einer vorteilhaft einfachen Ansteuerung des Lasers, die keine
separate Steuerung der verschiedenen Abschnitte des aktiven Bereichs
erfordert. Die entscheidende Bedingung einer Überlappung genau einer von
zwei Hauptmoden eines Abschnitts mit der entsprechenden Hauptmode
des anderen Abschnitts wird dabei durch die geeignete technologische
Einstellung der Gitter-Parameter erreicht. Eine völlig exakte
Einstellung ist dabei nicht erforderlich, da die DFB-Moden eine
gewisse Breite haben und sich so in einem gewissen Toleranzbereich
eine gemeinsame Lasermode ausbilden kann. Alternativ kann jedoch auch
eine getrennte Ansteuerung der verschiedenen Abschnitte des aktiven
Bereichs vorgesehen sein, um so Abweichungen von der optimalen Modenkorrelation
durch eine angepasste etwas unterschiedlich gewichtete elektrische
Ansteuerung der Abschnitte ausgleichen zu können.
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Der
passive Resonatorabschnitt des Halbleiterlasers weist typischerweise
an einer dem aktiven Bereich abgewandten Seite einen Reflektor auf,
der durch eine Verspiegelung oder durch ein passives Bragg-Gitter,
also durch einen DBR (Distributed Bragg Reflector), oder durch ein
schwach gepumptes weiteres DFB-Gitter, das auf Transparenz eingestellt ist,
realisiert sein kann. Insbesondere im letztgenannten Fall kann dabei
auch eine Reflektivität
des Reflektors moduliert werden. Es kann vorgesehen sein, dass der
passive Resonatorabschnitt einen separaten elektrischen Kontakt
zum Einstellen eines Brechungsindex des passiven Resonatorabschnitts
aufweist. Damit kann die relative Phasenlage im passiven Resonatorabschnitt
reflektierter und wieder in den DFB-Laser eingekoppelter Strahlung
eingestellt werden. Der Brechungsindex kann durch Strominjektion
oder durch angelegte elektrische Spannung beeinflusst werden. Alternativ
oder zusätzlich
kann vorgesehen sein, dass innerhalb des passiven Resonatorabschnitts
eine separat kontaktierte aktive Sektion zum Einstellen einer Amplitude
rückgekoppelter Strahlung
integriert ist. Anstelle eines aufgrund seiner Einfachheit für die vorliegende
Erfindung bevorzugten PFL (Passive Feedback Laser) erhält man dann
einen AFL (Active Feedback Laser), der sich durch vielfältigere
Ansteuermöglichkeiten
auszeichnet.
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Ein
besonders einfacher Aufbau eines Halbleiterlasers hier vorgeschlagener
Art lässt
sich realisieren, wenn der DFB-Laser mit den zwei Abschnitten und
der passive Resonatorabschnitt auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat
aufgebaut wird. Der Halbleiterlaser kann beispielsweise auf Basis
eines III–V-Verbindungshalbleiters,
vorzugsweise auf Basis von InP oder GaAs, realisiert sein. Die genannten Materialien
zeichnen sich durch für
einen Halbleiterlaser geeignete optische Eigenschaften sowie durch eine
gute Kontaktierbarkeit aus.
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Im
Hinblick auf einen möglichst
einfachen Aufbau des Halbleiterlasers ist es ferner vorteilhaft, wenn
der aktive Bereich eine für
den ersten Abschnitt und den zweiten Abschnitt gemeinsame aktive Schicht
aufweist. Die Bragg-Gitter können
in diese Schicht oder vorzugsweise in eine weitere Schicht, beispielsweise
eine Wellenleiterschicht, geätzt
sein. Sie können
dabei mit unterschiedlicher Gitterperiode und/oder Ätztiefe
und/oder – insbesondere
bei einer Gittererzeugung durch Elektronenstrahl-Belichtung – mit Auslassung
einiger Gitterstriche in einem der Bragg-Gitter zur Änderung
eines effektiven Kopplungskoeffizienten ausgeführt sein.
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Ein
besonders vorteilhafter Betrieb eines Halbleiterlasers der vorgestellten
Art sieht eine Einstellung des Halbleiterlasers vor, bei der die
mit der Erhöhung
des Pumpstromes verbundene Wellenlängenverschiebung zu einer konstruktiveren
Phasenkorrelation der im passiven Resonatorabschnitt reflektierten
Welle mit einer Laserwelle führt
und so die Laserschwelle herabgesetzt wird. Dies wird erreicht, wenn
eine mögliche
Lasertätigkeit
der Lasersektion zunächst
unterdrückt
wird durch eine Reflektion des passiven Resonators mit ungünstiger
Phasenlage, d. h. mit möglichst
starker destruktiver Interferenz. Eingestellt werden kann dieser
Arbeitspunkt über
die optische Länge
der Phasensektion, und variabel einstellbar im fertigen Bauelement
ist diese Länge
durch die vorgesehene elektrische Ansteuerung des Brechungsindex.
Wird der Laser von diesem Arbeitspunkt ausgehend höher gepumpt,
so wird mit höherer Ladungsträgerdichte
nicht nur die Verstärkung
erhöht,
sondern auch der Brechungsindex und die DFB Modenwellenlänge verändert und
so der Arbeitspunkt der großen
negativen Interferenz verlassen. Die reflektierte Lichtwelle trägt nun konstruktiv
zur DFB Lasermode bei, die Laserschwelle für diesen Zustand ist damit
kleiner und der Laser springt wesentlich schneller an als bei einem
konventionellen DFB-Laser, der durch Erhöhen der Ladungsträgerdichte
eingeschaltet wird. Umgekehrt gilt das gleiche für ein schnelles Ausschalten
des Halbleiterlasers durch ein reduzieren des Pumpstroms bzw. der
Ansteuerstromstärke
und damit der Ladungsträgerdichte.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sehen vor, dass die Strahlung
des Halbleiterlasers problemlos mit Modulationsfrequenzen von über 30 GHz,
vorzugsweise mindestens 40 GHz, moduliert werden kann, und zwar
in direkter Weise durch eine entsprechende Modulation eines Ansteuerstroms.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nachfolgend anhand der 1 bis 7 beschrieben.
Es zeigt
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1 einen
Querschnitt durch einen Halbleiterlaser in einer Ausführung der
Erfindung,
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2 ein
Diagramm mit DFB-Modenspektren zweier Abschnitte eines DFB-Lasers
aus dem Halbleiterlaser aus 1,
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3 in
einem vergleichbaren Diagramm die DFB-Modenspektren eines Halbleiterlasers
in einer anderen Ausführung
der Erfindung,
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4 in
entsprechender Darstellung die DFB-Modenspektren in einer dritten Ausführung der Erfindung,
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5 eine
schematische Darstellung eines Halbleiterlasers in einer Weiterbildung
der Erfindung,
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6 in
einer der 5 entsprechenden Darstellung
einen Halbleiterlaser in einer weiteren Ausführung der Erfindung und
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7 ein
Diagramm, das eine Abhängigkeit einer
Schwellenverstärkung
der beschriebenen Halbleiterlaser von einer Phasenlage einer in
einem passiven Resonatorabschnitt reflektierten Welle veranschaulicht.
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In 1 ist
ein Halbleiterlaser zu erkennen, der einen als DFB-Laser ausgeführten aktiven
Bereich 1 sowie einen mit dem aktiven Bereich 1 optisch gekoppelten
passiven Resonatorabschnitt 2 aufweist. An einer dem aktiven
Bereich 1 abgewandten Seite weist der Resonatorabschnitt 2 einen
Reflektor 3 auf, der im vorliegenden Fall durch eine Verspiegelung
einer Facette des Halbleiterlasers realisiert ist. Durch diesen
Reflektor wird Laserstrahlung, die im aktiven Bereich 1 erzeugt
wird, reflektiert und nach Passieren des Resonatorabschnitts 2 wieder
in den durch den aktiven Bereich 1 gebildeten DFB-Laser eingekoppelt.
Ausgekoppelt wird so erzeugte Laser-Strahlung schließlich an
einer dem Reflektor 3 gegenüberliegenden Fläche des
Halbleiterlasers.
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Im
aktiven Bereich 1 weist der Halbleiterlaser eine aktive
Schicht 4 sowie eine darüber liegende strukturierte
Laserwellenleiterschicht 5 und eine darunter liegende weitere
Laserwellenleiterschicht 6, die sich auch über den
passiven Resonatorabschnitt 2 erstreckt, auf.
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Der
aktive Bereich 1 des Halbleiterlasers umfasst neben einem
ersten Abschnitt 7, in dem die strukturierte Laserwellenleiterschicht 5 ein
erstes Bragg-Gitter aufweist, einen zweiten Abschnitt 8 mit einem
vom ersten Bragg-Gitter verschiedenen zweiten Bragg-Gitter, das ebenfalls
in die strukturierte Laserwellenleiterschicht 5 einstrukturiert
ist. Dabei unterscheiden sich die beiden Bragg-Gitter so voneinander,
dass sich bei einem Betrieb des Halbleiterlasers eine und nur eine
von zwei Hauptmoden eines DFB-Modenspektrums des ersten Abschnitts 7 mit einer
von zwei Hauptmoden eines DFB-Modenspektrums des zweiten Abschnitts 8 überlappt,
wie weiter unten noch ausführlicher
beschrieben wird.
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Abwandlungen
des in 1 gezeigten Halbleiterlasers können auch weitere Abschnitte
des aktiven Bereichs 1 aufweisen, die – wie hier die Abschnitte 7 und 8 – mit unterschiedlichen
Bragg-Gittern versehen sind. Die aktive Schicht 4 überspannt
sowohl den ersten Abschnitt 7 als auch den zweiten Abschnitt 8 und
dient für
beide Abschnitte 7 und 8 als aktives Medium. Der
gesamte Halbleiterlaser ist mit den zwei Abschnitten 7 und 8 des
DFB-Lasers und mit dem passiven Resonatorabschnitt 2 auf
einem gemeinsamen Halbleitersubstrat 9 aufgebaut, bei dem
es sich hier um ein Substrat aus InP oder GaAs handelt.
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Schließlich ist
in 1 ein gemeinsamer, an einer Oberseite des Halbleiterlasers
angeordneter elektrischer Kontakt 10 erkennbar, an den
ein Pump- oder Ansteuerstrom anlegbar ist und mit dem beide Abschnitte 7 und 8 des
aktiven Bereichs 1 angesteuert werden.
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Bei
dem in 1 abgebildeten Ausführungsbeispiel besteht die
aktive Schicht 4 aus einer Multi-Quantum-Well-Struktur mit
vier InGaAs-Wells einer Dicke von 7 nm eingebettet in 10 nm dicke
InGaAsP (Bandkante 1300 nm) Barrieren. Die aktive Schicht wird umhüllt von
der strukturierten Laserwellenleiterschicht 5 als obere
Wellenleiterschicht aus InGaAsP mit Bandkante 1150 nm und einer
Dicke von 150 nm und der weiteren Laserwellenleiterschicht 6 als
Wellenleiterschicht aus InGaAsP mit Bandkante 1300 nm und einer
Dicke von 250 nm. In die obere Wellenleiterschicht sind Gitter geätzt mit
einem Kopplungskoeffizienten von 130/cm, was zu einer Stoppbandbreite
von ca. 5 nm führt.
Die Gitter sind durch eine Elektronenstrahl-Belichtungsanlage direkt
geschrieben und mit einem Trockenätzprozess in den Halbleiter übertragen
worden. Die Braggwellenlänge
des einen Gitters liegt bei 1550 nm, die des anderen Gitters ist um
5 nm ins Langwellige versetzt. Die beiden DFB-Abschnitte 7 und 8 sind
jeweils 130 μm
lang, eine Länge,
bei der nach Erfahrungswerten mit diesen Strukturen eine Lasertätigkeit
nicht erreicht werden kann. Bei einer Länge von 260 μm wird dagegen mit
diesen Strukturen zuverlässig
Lasertätigkeit
erreicht.
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In
der durch den passiven Resonatorabschnitt 2 gegebenen passiven
Sektion einer Länge von
300 μm sind
die aktive Schicht 4 und die obere Wellenleiterschicht
weggeätzt
worden. Wellenleitung wird durch die durchgehende untere Wellenleiterschicht
erreicht. Die Laserachse und Wellenführung in dieser ist durch Ausbildung
einer „Ridge
Waveguide" Laser-Struktur
bewirkt. Die DFB-Facette ist anti-reflex beschichtet, die Facette
an der passiven Sektion ist mit einer Verspiegelung mit Reflektivitäten von
mehr als 90% versehen. Die beiden DFB-Abschnitte 7 und 8 sind
mit einem gemeinsamen elektrischen und hochfrequenztauglichen Kontakt
versehen. Ein weiterer getrennter elektrischer Kontakt an der passiven
Sektion oder Phasensektion erlaubt die Brechungsindex-Steuerung
und damit die Einstellung der Phasenlage des reflektierten Signals
relativ zur Phase der Lichtwelle der DFB-Laser.
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Bei
dem in 1 abgebildeten Ausführungsbeispiel hat das zweite
Bragg-Gitter, das im zweiten Abschnitt 8 des aktiven Bereichs 1 angeordnet
ist, eine geringfügig
kleinere Gitterperiode als das Bragg-Gitter im ersten Abschnitt 7.
Zu diesem Zweck weist das zweite Bragg-Gitter eingeätzte Gitterstriche mit
einem geringfügig
geringeren Abstand auf als das erste Bragg-Gitter. Alternativ könnte auch das erste Bragg-Gitter
mit einer größeren effektiven
Gitterperiode versehen werden, indem bei tatsächlich gleichem Abstand von
die Bragg-Gitter bildenden Gitterstrichen die Laserrichtung in einem
der Abschnitte 7 oder 8 einen nicht verschwindenden
Winkel zur Gitterstrich-Normalen aufweist.
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2 zeigt
ein Diagramm, bei der in Abhängigkeit
einer auf der Abszisse aufgetragenen Wellenlänge λ für die beiden Abschnitte 7 und 8 des
aktiven Bereichs 1 des Halbleiterlasers aus 1 separat
relative Reflektivitäten
R wiedergegeben sind, die jeweils ein DFB-Modenspektrum 11 bzw. 12 des
entsprechenden Abschnitts 7 oder 8 des DFB-Lasers wiedergeben.
Dabei ist ein zu höheren
Wellenlängen hin
verschobenes DFB-Modenspektrum 11 dem ersten Abschnitt 7 und
ein zu kürzeren
Wellenlängen
hin verschobenes DFB-Modenspektrum 12 dem zweiten Abschnitt 8 zuzuordnen.
Zu erkennen sind für DFB-Laser
typische paarwei se auftretende Hauptmoden 13 der beiden
DFB-Modenspektren 11 und 12, die jeweils durch
ein Stoppband 14 getrennt sind.
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2 zeigt
nun, dass aufgrund einer entsprechenden Wahl der Gitterperioden
der beiden Bragg-Gitter eine kurzwelligere der zwei Hauptmoden 13 des
ersten Abschnitts 7 mit einer langwelligeren der zwei Hauptmoden 13 des
zweiten Abschnitts 8 in Deckung liegt. Die Stoppbänder haben
dabei im vorliegenden Fall eine gleiche Breite von etwa 5 nm, wobei
die zwei DFB-Modenspektren 11 und 12 bei ansonsten ähnlicher
Form um diese Breite gegeneinander verschoben sind.
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3 zeigt
ein entsprechendes Diagramm für
eine andere Ausführung
der Erfindung, bei der sich aufgrund einer leicht anderen Gestaltung
der beiden Bragg-Gitter
eine kurzwelligere der zwei Hauptmoden 13 des ersten Abschnitts 7 mit
einer kurzwelligeren der zwei Hauptmoden 13 des zweiten Abschnitts 8 überlappt,
während
die langwelligeren Hauptmoden 13 auseinander fallen, weil
die Stoppbänder 14 hier
eine unterschiedliche Breite haben, wobei zusätzlich das DFB-Modenspektrum 12 des zweiten
Abschnitts 8 um eine halbe Differenz der Breiten der Stoppbänder 14 zu
kürzeren
Wellenlängen
hin verschoben ist. Die unterschiedliche Breite der Stoppbänder 14 ergibt
sich dabei durch unterschiedliche Koppelkoeffizienten der beiden Bragg-Gitter,
wobei das Bragg-Gitter des ersten Abschnitts 7 hier aufgrund
einer größeren Ätztiefe
einen höheren
Modulationsgrad aufweist. Damit ergeben sich in den beiden Abschnitten 7 und 8 unterschiedliche
Kopplungskoeffizienten, durch die sich die unterschiedlichen Formen
der beiden DFB-Modenspektren 11 und 12 ergeben.
Auch hier überlappt
sich nur eine von den zwei Hauptmoden 13 des DFB-Moden spektrums 11 des
ersten Abschnitts 7 mit einer von den zwei Hauptmoden 13 des
DFB-Modenspektrums 12 des zweiten Abschnitts 8.
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In 4 ist
ein entsprechendes Diagramm für
ein weiteres Ausführungsbeispiel
der Erfindung gezeigt, das sich wieder nur durch eine geringfügige andere
Gestaltung der beiden Bragg-Gitter von den zuvor beschriebenen Beispielen
unterscheidet. Hier überlappt
sich eine langwelligere der zwei Hauptmoden 13 des ersten
Abschnitts 7 mit einer langwelligeren der zwei Hauptmoden 13 des
zweiten Abschnitts 8, während
die kurzwelligeren Hauptmoden 13 aufgrund unterschiedlicher
Breite der Stoppbänder 14 auseinander
fallen. Das wird wieder durch eine aufgrund unterschiedlicher Ätztiefen
der strukturierten Laserwellenleiterschicht 5 in den beiden
Abschnitten 7 und 8 sich ergebende Abweichung
der Kopplungskoeffizienten in den beiden Abschnitten 7 und 8 erreicht,
wobei hier die Bragg-Wellenlänge des Bragg-Gitters
im ersten Abschnitt 7 um etwa die halbe Differenz der Breiten
der Stoppbänder 14 kürzer ist.
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Bei
den Halbleiterlasern aller drei bislang beschriebener Ausführungsbeispiele
kann ein Unterschied in den Bragg-Wellenlängen der beiden Abschnitte 7 und 8 nicht
nur durch verschiedene Gitterperioden der beiden Bragg-Gitter erreicht
werden, sondern auch dadurch, dass die strukturierte Laserwellenleiterschicht 5 und/oder
die andere Laserwellenleiterschicht 6 im Bereich des zweiten
Abschnitts 8 einen anderen Brechungsindex aufweist als
im Bereich des ersten Abschnitts 7. Auch bei gleichem Abstand
der Gitterstriche in den beiden Abschnitten 7 und 8 kann
sich dann der gewünschte
Unterschied zwischen den Bragg-Gittern durch eine in den beiden Abschnitten 7 und 8 unterschiedliche
Wellenausbreitungsgeschwindigkeit ergeben. Insbesondere bei den
anhand der 3 und 4 veranschaulichten Ausführungsbeispielen
kann sich ein unterschiedlicher Modulationsgrad der Bragg-Gitter in den Abschnitten 7 und 8 auch
dadurch ergeben, dass bei einer Gittererzeugung durch Elektronenstrahl-Belichtung
in einem der beiden Abschnitte 7 und 8 einige Gitterstriche
zur Änderung
eines effektiven Kopplungskoeffizienten weggelassen werden.
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Bei
den hier beschriebenen Ausführungsbeispielen
ist ferner vorgesehen, dass an einem Übergang zwischen den beiden
Abschnitten 7 und 8 ein λ/4-Phasesprung zwischen den
beiden sich dort treffenden Bragg-Gittern vorgesehen ist.
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In 5 ist
in stilisierter Weise ein weiterer Halbleiterlaser abgebildet, der
sich von dem in 1 gezeigten Halbleiterlaser
lediglich dadurch unterscheidet, dass der passive Resonatorabschnitt 2 einen
separaten elektrischen Kontakt 15 aufweist, durch den Brechungsindex
und optische Länge
der fertig hergestellten Phasensektion, also des passiven Resonatorabschnitts 2,
elektrisch – durch
Strominjektion bzw. Anlegen einer Spannung – variabel auf einen benötigten Wert
eingestellt werden können.
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In 6 in
einer der 5 entsprechenden Darstellung
eine weitere Abwandlung des Halbleiterlasers aus 1 gezeigt.
Der Halbleiterlaser aus 6 unterscheidet sich von dem
Halbleiterlaser aus 1 nur im Bereich des Reflektors 3,
wobei wiederkehrende Merkmale wieder mit den gleichen Bezugszeichen
versehen sind. Der Reflektor 3 ist hier durch ein passives
Bragg-Gitter realisiert, anstelle dessen aber auch ein schwach gepumptes
und auf Transparenz eingestell tes weiteres DFB-Gitter vorgesehen sein
könnte.
Außerdem
ist in unmittelbarer Nähe
des Reflektors 3 innerhalb des ansonsten passiven Resonatorabschnitts 2 eine
separat kontaktierte aktive Sektion 16 zum Einstellen einer
Amplitude (Verstärkung
oder Dämpfung)
rückgekoppelter
Strahlung integriert. Bei dem in 6 gezeigten
Halbleiterlaser handelt es sich also, anders als bei den zuvor beschriebenen
PFL-Lasern, um einen AFL-Laser. Dieser Halbleiterlaser erlaubt eine
Steuerung der Intensität
rückgekoppelter
Strahlung und dadurch eine Modulation der vom Halbleiterlaser emittierten
Laserstrahlung. Wenn das passive Bragg-Gitter, das den Reflektor 3 bildet,
durch ein weiteres schwach gepumptes DFB-Gitter ersetzt wird, kann
eine entsprechende Modulation auch durch ein Ansteuern dieses DFB-Gitters
erfolgen.
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Die
anhand der 1 bis 6 beschriebenen
Halbleiterlaser werden bestimmungsgemäß mit Ansteuerstromstärken betrieben,
bei denen die einzelnen Abschnitte 7 und 8 allein
ihre jeweilige Laserschwelle nicht überschreiten, weil das Volumen
der aktiven Schicht 4 in diesen Abschnitten 7 und 8 für ein auf
diese Unterbereiche beschränktes
Einschalten des DFB-Lasers zu gering ist. Da der in dem Halbleiterlaser
enthaltene DFB-Laser aus dem aktiven Bereich 1 also bei
den verwendeten Ansteuerströmen
nur als ganzer eingeschaltet werden kann, zündet der Halbleiterlaser nur
in genau der Hauptmode 13, die in beiden Abschnitten 7 und 8 bei
der gleichen Wellenlänge
liegt.
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Die
zum Zünden
dieser ausgewählten Hauptmode 13 erforderliche
Schwellenverstärkung bzw.
Ladungsträgerdichte
ist allerdings wiederum abhängig
von der Phasenlage der vom Reflektor 3 reflektierten und
wieder in den aktiven Bereich 1 eingekoppelten Laserstrah lung.
Die Abhängigkeit
dieser Schwellenverstärkung
von der Phasenlage der nach Reflexion am Reflektor 3 wieder
in den aktiven Bereich 1 eingekoppelten Laserstrahlung
ist in dem in 7 gezeigten Diagramm schematisch
veranschaulicht. Die Phasenlage φ ist
dabei auf der Abszisse, die Schwellenverstärkung V auf der Ordinate aufgetragen.
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Die
anhand der 1 bis 6 beschriebenen
Halbleiterlaser sind nun durch eine entsprechende Wahl der Geometrie
und gegebenenfalls des Brechungsindex des passiven Resonatorbereichs 2 so eingestellt,
dass die Phasenlage bei einer Pumpstromstärke, die zu einer geringfügig unter
der entsprechenden Schwellenverstärkung Vth liegenden Verstärkung V1 führt,
einen in 7 mit φ1 bezeichneten
Wert annimmt, bei dem ein Vergrößern des Wertes
der Phasenlage φ ein
Abnehmen der Schwellenverstärkung
V zur Folge hat, wobei ferner ein mit einem anschließenden Erhöhen des
Pumpstroms erfolgendes Anschwingen des Halbleiterlasers aufgrund
einer Brechungsindex-Änderung
ein Vergrößern der
Phasenlage φ bewirkt.
Diese Einstellung hat zur Folge, dass ein geringfügiges Erhöhen des Pumpstroms
gleichzeitig den Halbleiterlaser anschwingen und die Schwellenverstärkung zurückgehen
lässt,
was zu einem außerordentlich
schnellen Anschwingvorgang führt.
Die Entwicklung der aktuellen Phasenlage φ und der entsprechenden Schwellenverstärkung V
bei einem derartigen Anschwingvorgang ist in 7 durch
zwei Pfeile veranschaulicht. In gleicher Weise führt eine anschließende geringfügige Reduzierung
des Pumpstroms unter den aktuellen Schwellenstrom, der der aktuellen
Schwellenverstärkung
entspricht, zu einem außerordentlich schnellen
Ende der Strahlungserzeugung, weil sich gleichzeitig die aktuelle
Phasenlage φ zu
dem mit φ1 bezeichneten Wert zurückbewegt, weshalb die aktuelle
Schwellenverstärkung
wieder ansteigt. Die beschriebenen Halbleiterlaser können daher
in sehr einfacher Weise durch einen entsprechend hochfrequenten
zeitabhängigen
Pumpstrom des DFB-Lasers direkt moduliert werden, wobei insbesondere beispielsweise
für einen
Signaltransport gepulste Laserstrahlung mit Modulationsfrequenzen
von mehr als 40 GHz erzeugt werden kann. Ein derartig hochfrequente
Laser-Signale vereitelndes Modenspringen zwischen verschiedenen
Moden des DFB-Modenspektrums wird dabei durch die beschriebene Gestaltung
der beiden Bragg-Gitter und die daraus folgenden Eigenschaften der
DFB-Modenspektren 11 und 12 der beiden Abschnitte 7 und 8 des
aktiven Bereichs 1 verhindert.
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Der
Modulationsfrequenz eines normalen DFB-Lasers sind dagegen wesentlich
engere physikalische Grenzen gesetzt. Wichtigster Parameter ist dabei
die differentielle Verstärkung,
die sich mit der Verstärkung
g (Gain) und der Ladungsträgerdichte
n als dg/dn schreiben lässt.
Durch Strominjektion in den DFB-Laser
wird die Ladungsträgerdichte
n im aktiven Material über
eine Schwellendichte nth angehoben. Je mehr
die dadurch bewirkte Verstärkung
eine Schwellenverstärkung übersteigt,
umso schneller schaltet der DFB-Laser
ein und umso hochfrequenter ist er zu modulieren. So genannte Quantum-Well-Strukturen,
die auch bei den hier beschriebenen Halbleiterlasern vorgesehen
sein können, bringen
dabei Vorteile gegenüber
massiven Schichten. Selbst mit Quantum-Wells war es allerdings bislang
nicht möglich,
zuverlässig
direkt modulierbare Laser für
eine Datenrate von 40 Gb/s zu realisieren. Bei gattungsgemäßen PFL-Lasern
ist eine derartig hochfrequente Modulation theoretisch möglich, wenn das
weiter oben beschriebene Modenspringen verhindert wird. Das Funktionsprinzip
eines solchen PFL-Lasers basiert darauf, die Laserschwelle der gewünschten
DFB-Mode durch eine destruktiv eingestellte Phasenlage hochzutreiben
und dann durch Modulation des aktiven Bereichs mit dem DFB-Laser sowohl
die Ladungsträgerdichte
und damit die Verstärkung
zu erhöhen
als auch durch eine zu konstruktiver Phasenlage hin sich verschiebende
Phasenlage der reflektierten Welle die Laserschwelle abzusenken.
Bislang war es nur durch Selektion ausgewählter PFL-Laser möglich, Halbleiterlaser
zu erhalten, die bei einer solchen Einstellung nicht auf eine andere
Mode überspringen,
die bei der entsprechenden Einstellung eine niedrigere Schwelle
aufweist. Nur in Ausnahmefällen
wird bei einem herkömmlichen PFL-Laser
die für
eine Einstellung beschriebener Art benötigte destruktive Rückkopplung
für beide
Hauptmoden eines DFB-Modenspektrums gleichzeitig erreicht werden.
Ursache dafür
ist die Dispersion des auch als Phasensektion zu bezeichnenden passiven Resonatorabschnitts.
Durch Selektion können
zwar auch aus herkömmlichen
PFL-Lasern Bauelemente mit der erforderlichen Phasen-Korrelation
gefunden werden, aber für
eine reproduzierbare Herstellung hochfrequent modulierbarer PFL-Laser
mit einer guten Ausbeute und für
eine Optimierung der Funktionalität derartiger Laser muss für das Problem
des Moden-Springens eine andere Lösung gefunden werden. Die Lösung dieses
Problems durch Erzielung einer robusten Einmodigkeit von PFL-Lasern
bildet den Kern der vorliegend beschriebenen Erfindung.