DE1295739B - Optischer Sender mit einer Halbleiterdiode als stimulierbares Medium (Injektionslaserdiode) - Google Patents

Description

• Es sind optische Sender für kohärente Strahlung mit einer Halbleiterdiode als stimulierbares Medium (Injektionslaserdiode) bekannt, bei denen die Spaltflächen des Halbleiterkristalls zugleich die Begrenzungsflächen für den optischen Resonator bilden.
• Dabei stehen die Bruchflächen senkrecht auf dem pn-Übergang, der eigentlich wirksamen Zone der Diode, derart, daß eine Totalreflexion der stimulierten Strahlung in den Resonatorraum zurück möglich wird. Diese Dioden haben den großen Vorteil, daß ihr Schwellenwert für die Stromdichte, an dem die stimulierte Emission auftritt, den niedrigst möglichen Wert annimmt. Dieser Schwellenwert ist von der Größe der Diode unabhängig und enthält nur Materialkonstanten des Halbleiterkristalls. Dies läßt sich leicht zeigen, wenn man die Bedingungen für die stimulierte Amplitude des Lichtwellenvektors angibt. Für die Stromdichte Ith am Schwellenwert muß offenbar die Beziehung gelten: Hierin bedeuten G(Ith) den Verstärkungsfaktor der stimulierten Strahlung, der einem negativen Absorptionskoeffizient entspricht, at der Absorptionskoeffizient für die stimulierte Strahlung (innere Absorption und Streuung), l die Länge der Diode, R das Reflexionsvermögen an den Stirnflächen der Diode, das für alle reflektierenden Seiten als gleich groß angesehen wird. Wenn die Eigenschwingungen der Diode nur von totalreflektierenden Seitenflächen begrenzt werden, kann der Reflexionsgrad R der Diode in (1) gleich Eins gesetzt werden. Man findet: G (Ith) = at.
• Der Verstärkungsfaktor G(I) wird allgemein als proportional zur Stromdichte I der Diode angesetzt. G (Ith) = ß # Ita .
• Es ergibt sich: Der Einsatz der Stimulation der Diode ist unabhängig von ihrer Länge. Er nimmt den niedrigst möglichen Wert an, den die Materialkonstanten a$ und ß des Halbleiterkristalls zulassen. Gute bisher für at und ,B, z. B. für GaAs, bekanntgewordene Werte liegen bei ai = 5 cm-' und ß = 2,5. 10-a cm/A. Danach ergibt sich z. B. für GaAs ein niedrigst möglicher Schwellenwert von Ith = 200 A CM-2.
• Dieser Wert liegt etwa um den Faktor 5 niedriger als die bisher mit den genannten Materialkonstanten erreichten Schwellenwerte bei den nicht totalreflektierenden Dioden in der üblichen Bauart.
• Ein Nachteil der Halbleiterdiode mit allseitig totalreflektierendem Resonatorraum aus natürlichen Bruchflächen liegt darin, daß eine Fülle von Eigenschwingungen im Kristall angefacht werden, auch solche, die unter einem beliebigen Winkel auf die Seitenflächen des optischen Resonatorraumes (allerdings innerhalb des Bereiches der Totalreflexion) auftreffen. Außerdem ist das stimulierte Licht im totalreflektierenden Resonatorraum eingeschlossen. Es kann ihn nicht unter einem bestimmten Winkel verlassen. Es kann ihn ausschließlich an Fehlstellen in den natürlichen Bruchflächen des Kristalls in unkontrollierbarer Weise durchbrechen. (Diejenigen Eigenschwingungen, deren Lichtvektor senkrecht zu den Seitenflächen des optischen Resonatorraumes verläuft, besitzen allerdings einen Reflexionsgrad <l. Ihr Schwellenwert liegt deshalb, wie oben gezeigt, wesentlich höher. Sie brauchen hier nicht näher berücksichtigt zu werden.) Die Erfindung schlägt zur Vermeidung dieser Nachteile vor, daß der optische Resonator an seinen Stirnseiten zum Zwecke einer Totalreflexion von je einem Paar aufeinander senkrecht und senkrecht auf der pn-Übergangszone stehenden ebenen Kristallflächen begrenzt wird, zwischen denen auf der einen Stirnseite ein Auskoppelfenster angeordnet ist, das mit der optischen Achse einen Brewsterschen Winkel s bildet, wobei die totalreflektierenden Kristallflächen derartige Winkel, und mit der optischen Längsachse bilden, daß der Strahlenverlauf zwischen je einem Paar benachbarter Flächen parallel zur Ebene des Auskoppelfensters erfolgt.
• Um zu verhindern, daß sich an den Seitenflächen des Resonators stehende Wellen ausbilden können, werden die Längsflächen des Halbleiterkristalls zweckmäßig reflexionsarm gemacht.
• Vorteilhaft wird die geometrische Gestalt des Halbleiterkristalls derart gewählt, daß die Fläche des Auskoppelfensters zur Fläche der totalreflektierenden Stirnflächen zur Fläche der reflexionsarmen Längsflächen im Verhältnis 1: 10 : 50 zueinander steht.
• In den A b b. 1 bis 3 sind spezielle geometrische Ausbildungen des optischen Resonators gezeichnet worden, die die drei Merkmale der Erfindung jeweils gesondert verdeutlichen. A b b. 1 zeigt den Schnitt durch den optischen Resonator einer Halbleiterdiode nach der Erfindung. Der pn-Übergang, die wirksame Zone, liegt in der Zeichenebene. Die Seitenflächen der Diode sind die natürlichen Bruchflächen des Halbleiterkristalls. Die totalreflektierenden Bereiche im Resonatorraum sind mit 1, 2, 3, 4 bezeichnet. 5 und 6 sind die aufgerauhten Seitenflächen des optischen Resonatorraumes, die die Rekombinationsstrahlung nicht in die wirksame Zone der Diode zurückreflektieren und auf diese Weise die Zahl der Eigenschwingungen begrenzen. Die Seitenflächen 5 und 6 können in an sich bekannter Weise durch mechanische Mittel (z. B. durch Sägen oder mittels Ultraschallbehandlung) oder durch chemische Ätzverfahren aufgerauht werden. Um eine gute Bündelung der stimulierten Strahlung zu erreichen, ist es zweckmäßig, die Flächen 5 und 6 groß gegen die Flächen 1 und 2 (bzw. 3 und 4) zu wählen. Die Richtungspfeile im optischen Resonator geben die Umlaufrichtung der stimulierten Strahlung an. Letztere wird an den paarweise aufeinander senkrecht stehenden natürlichen Bruchflächen 1, 2, 3, 4 total, also verlustfrei, zurückreflektiert.
• A b b. 2 gibt den gleichen Querschnitt durch den optischen Resonator wie A b b. 1. Sie zeigt zusätzlich die für die stimulierte Strahlung durchlässige Auskoppelfläche 7 des optischen Resonators. Die Auskoppelfläche 7 liegt in einer Ebene, die senkrecht auf dem pn-Übergang der Diode steht.
• Um den niedrigst möglichen Schwellenwert der Halbleiterdiode anzunähern, muß die Auskoppelfläche 7 des optischen Resonator klein gegen die Flächen 1,2 (oder 3, 4) sein, da sonst die Gesamtreflektion des optischen Resonators nicht nahe genug an Eins herankommt. Für einen niedrigen Schwellenwert und für eine ausreichende Begrenzung der Zahl der Eigenschwingungen kann ein Verhältnis der Auskoppelfläche 7 zu den totalreflektierenden Flächen 1, 2 (bzw. 3, 4), zu den aufgerauhten Seitenflächen 5, 6, von 1 : 10: 50 als günstig angesehen werden. Da die Auskoppelfläche 7 in vorgegebener kontrollierbarer Weise die stimulierte Strahlung aus dem optischen Resonator entlassen soll, muß sie selbst neben einer bestimmten Größe einen festgelegten Reflexionsgrad besitzen. Sie soll optisch homogen sein, damit eine diffuse Reflexion vermieden wird. Sie kann am einfachsten mechanisch durch einen Polierprozeß hergestellt werden. Ihr Reflexionsgrad kann durch äußere Maßnahmen vergrößert oder verkleinert werden, z. B. durch Aufbringen geeigneter dielektrischer oder metallischer Schichten. Insbesondere kann der Reflexionsgrad der Auskoppelfläche 7 ohne zusätzliche äußere Maßnahmen dadurch einen gewünschten Wert erhalten, daß die stimulierte Strahlung sie unter einem Winkel trifft, der kleiner als der Winkel der Totalreflexion ist.
• Ist der Auftreffwinkel gleich dem Brewsterschen Winkel des Halbleiterkristalls, so geht die zur Einfallsebene parallele Komponente des elektrischen Lichtvektors ungeschwächt durch die Auskoppelfläche 7. In A b b. 3 ist dieser Fall für die Flächen 7, 1 und 2 und 5 und 6 gezeichnet worden. Um eine möglichst geringe Störung des im optischen Resonator umlaufenden stimulierten Lichtes zu bewirken, soll die Strahlungsrichtung zwischen den totalreflektierenden Stirnflächen 1 und 2 (bzw. 3 und 4) parallel zur Auskoppelfläche 7 verlaufen, die unter dem Brewsterschen Winkel a gegen die optische Achse ausgerichtet ist. Die Flächen 1 und 2 müssen dann gegen die Flächen 5 und 6 den Winkel bzw. bilden.

Claims (3)

1. Patentansprüche: 1. Optischer Sender für kohärente Strahlung mit einer Halbleiterdiode als stimulierbarem Medium (Injektionslaserdiode), bei dem die Spaltflächen des Halbleiterkristalls zugleich die Begrenzungsflächen für den optischen Resonator bilden, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Resonator an seinen Stirnseiten zum Zwecke einer Totalreflexion von je einem Paar aufeinander senkrecht und senkrecht auf der pn-Übergangszone stehenden ebenen Kristallflächen (1, 2; 3, 4) begrenzt wird, zwischen denen auf der einen Stirnseite ein Auskoppelfenster (7) angeordnet ist, das mit der optischen Achse einen Brewsterschen Winkel (a) bildet, wobei die total reflektierenden Kristallflächen (1, 2; 3, 4) derartige Winkel, und mit der optischen Längsachse bilden, daß der Strahlenverlauf zwischen je einem Paar benachbarter Flächen (1, 2; 3, 4) parallel zur Ebene des Auskoppelfensters erfolgt.
2. 2. Optischer Halbleiterdiodensender nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsflächen (5, 6) des Halbleiterkristalls reflexionsarm gemacht sind.
3. 3. Optischer Halbleiterdiodensender nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die geometrische Gestalt des Halbleiterkristalls derart gewählt ist, daß die Fläche des Auskoppelfensters (7) zur Fläche der totalreflektierenden Stirnflächen (1, 2; 3, 4) zur Fläche der reflexionsarmen Längsflächen (5, 6) im Verhältnis 1:10: 50 zueinander steht.