DE19827824A1 - Optoelectronic semiconductor component for generation and amplification of coherent light - Google Patents

Optoelectronic semiconductor component for generation and amplification of coherent light

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Abstract

An optoelectronic semiconductor component having a planar waveguide stack of active and passive layers with partial diffractive structures at their boundary surfaces, at least one of which is provided by symmetrical intersecting diffraction gratings is described in DE19809167. In this patent of addition, the local complex refractive index for the light transmitted through the waveguide stack is variable in the plane of the component.

Description

Die Erfindung betrifft ein opto-elektronisches Halbleiter-Bauelement für die Erzeugung und Verstärkung kohärenter Strahlung, wie sie für die Lasermaterialbearbeitung und andere Anwendungen hochenergetischer Laserstrahlung mit einem Gütefaktor M2 nahe 1 benötigt wird, bestehend aus planaren Wellenleiterstapeln aktiver und passiver Schichten, die teilweise diffraktiv wirkende Strukturen ihrer Grenzflächen aufweisen, wobei die in mindestens einer Grenzfläche diffraktiv wirkenden Strukturen aus symmetrischen Überlagerungen sich kreuzender Gitterstrukturen gebildet sind nach Patentanmeldung 198 09 167.2.The invention relates to an optoelectronic semiconductor component for generating and amplifying coherent radiation, as is required for laser material processing and other applications of high-energy laser radiation with a quality factor M 2 close to 1, consisting of planar waveguide stacks of active and passive layers, some of which are diffractive have effective structures of their interfaces, the structures having a diffractive effect in at least one interface being formed from symmetrical superimpositions of intersecting lattice structures according to patent application 198 09 167.2.

Es hat sich gezeigt, daß bei der Lösung nach der Hauptpatentanmeldung verstärkt eine Störstrahlung (Störuntergrund, Hintergrundrauschen) auftritt, die die gewünschte Modenfilterung beeinträchtigt. Zu diesem Störuntergrund trägt insbesondere die direkt zwischen den Facetten reflektierte Strahlung bei, die in ihrem Einfluß gemindert werden sollte.It has been shown that the solution after the main patent application interfering radiation (background noise, background noise) occurs, which affects the desired mode filtering. About this interference background carries in particular the radiation reflected directly between the facets in, which should be reduced in their influence.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch eine vorteilhafte Gestaltung der Wellenleiterstapel für die Stromzuführung und/oder spezielle Wellenleitergestaltungen eine Verbesserung der Bragg-Gitter-Modenfilterung zu erreichen.The object of the invention is based on an advantageous design the waveguide stack for the power supply and / or special Waveguide designs an improvement in Bragg grating mode filtering to reach.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei einem opto­ elektronischen Halbleiter-Bauelement der eingangs genannten Art der komplexe Brechungsindex für die sich in den planaren Wellenleiterstapeln ausbreitende Strahlung räumlich gezielt in der Ebene des Bauelementes variiert wird und dadurch für die sich über die Bragg-Reflexionsgitter ausbreitende Strahlung der Störuntergrund reduziert wird.The object is achieved in that an opto electronic semiconductor component of the type mentioned complex refractive index for those in the planar waveguide stacks propagating radiation spatially targeted in the plane of the component is varied and thereby for the Bragg reflection grating propagating radiation the interference background is reduced.

Hierbei ist unter dem Begriff "komplexer Brechungsindex" die Zusammenfassung von Brechzahl und Absorption eines Materials zu einer komplexen Materialkonstanten zu verstehen, wobei der Realteil des komplexen Brechungsindex die Brechzahl und der Imaginärteil die Absorptionskonstante darstellt.Here is the term "complex refractive index" Combining the refractive index and absorption of a material into one to understand complex material constants, the real part of  complex refractive index the refractive index and the imaginary part the Represents absorption constant.

Die erste Variante der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, den Imaginärteil des lokalen komplexen Brechungsindex, d. h. die Absorption der sich ausbreitenden Strahlung, räumlich gezielt zu erhöhen und dadurch den Störuntergrund zu reduzieren.The first variant of the solution according to the invention is that Imaginary part of the local complex refractive index, i.e. H. the absorption of the spreading radiation to increase spatially and thereby the Reduce interference background.

Die Realisierung dieser ersten Lösungsvariante kann durch spezielle Formen der stromzuführenden Elektroden und/oder der damit verbundenen Isolati­ ons-Schichten erfolgen, die ihrerseits die räumliche Verteilung der injizierten Ladungsträgerdichte und damit die Absorption der sich ausbreitenden Moden beeinflussen. Dabei sind als einfachste Möglichkeit die Elektroden in metallisierte und nicht metallisierte Bereiche zu unterteilen. Des weiteren kann an miteinander leitend verbundenen Elektrodenbereichen eine erste Spannung angelegt werden und an damit nicht leitend verbundene Elektrodenbereiche eine zweite, beispielsweise niedrigere Spannung angelegt werden. Weiterhin kann die Funktion der nichtmetallisierten Elektroden-Bereiche von Isolatorschichten übernommen werden, die zwischen Elektrode und aktiver Zone aufgebracht werden. Ebenso ist es möglich, die Elektroden mit Bereichen sehr geringer Leitfähigkeit auszustatten.This first variant of the solution can be implemented using special shapes the current-carrying electrodes and / or the Isolati connected with it ons layers take place, which in turn the spatial distribution of the injected Charge density and thus the absorption of the spreading Affect fashions. The easiest way is to use the electrodes in to subdivide metallized and non-metallized areas. Furthermore may be a first at electrode areas connected to one another in a conductive manner Voltage are applied and to non-conductively connected Electrode areas a second, for example lower voltage be created. Furthermore, the function of the non-metallized Electrode areas are taken over by insulator layers that between the electrode and the active zone. It is the same possible the electrodes with areas of very low conductivity equip.

Eine weitere Möglichkeit zur Realisierung der ersten Lösungsvariante besteht darin, den Aufbau und die Zusammensetzung der Wellenleiter örtlich zu ändern und die Ausbreitungsfähigkeit der Moden zu unterdrücken. Beispielsweise können örtlich in Wellenleitern Strukturstörungen durch Ionenimplantation erzeugt werden, die eine Absorptionserhöhung zur Folge haben. Weiterhin kann durch Variation der Zusammensetzung von Mischkristallschichten, die den Wellenleiter bilden, die Absorption erhöht werden, wie zum Beispiel durch Mantelschichten des Wellenleiters mit hoher Absorption für die sich ausbreitende Strahlung.Another possibility for realizing the first solution variant is in localizing the structure and composition of the waveguides change and suppress the ability of fashion to spread. For example, structural disturbances can occur locally in waveguides Ion implantation are generated, which results in an increase in absorption to have. Furthermore, by varying the composition of Mixed crystal layers, which form the waveguide, increase the absorption such as through cladding layers of the waveguide with high Absorption for the propagating radiation.

Eine zweite Variante der Verminderung der Störstrahlung besteht darin, die Brechzahl für die sich ausbreitende Strahlung räumlich gezielt zu variieren und dadurch die den Störuntergrund bildende Strahlung in nicht störende Richtungen umzulenken. Eine Realisierungsmöglichkeit besteht darin, die Brechzahl für die Wellenausbreitung durch Änderung der Zusammensetzung und/oder der Dicke der Mischkristallschichten des Wellenleiterstapels lokal zu ändern, was über die Wirkung eines Brechzahlgradienten zu einer Ablenkung der Störstrahlung führt.A second variant of reducing interference radiation is that Varying the refractive index for the propagating radiation in a spatially targeted manner and thereby the radiation forming the interference background into non-interfering Redirect directions. One possible implementation is that  Refractive index for wave propagation by changing the composition and / or the thickness of the mixed crystal layers of the waveguide stack locally to change what about the effect of a refractive index gradient on a Deflection of the interference radiation leads.

Als eine einfache Form der Modenfilterung entsprechend der ersten oder zweiten Lösungsvariante kann die Strahlungsabsorption und/oder die Brechzahl für die sich ausbreitende Strahlung in einer Zone verändert werden, die sich im Zentrum der von dem Bauelement eingenommenen Fläche befindet. Realisiert werden kann dies beispielsweise im Falle der Absorptionserhöhung durch ein nichtmetallisiertes Gebiet in diesem mittleren Bereich. Dies kann auch auf Arrays derartiger Bauelemente übertragen werben.As a simple form of mode filtering according to the first or The second solution variant can be radiation absorption and / or Refractive index for the propagating radiation in a zone changes be in the center of the occupied by the component Area. This can be realized, for example, in the case of Increase in absorption by a non-metallized area in this middle Area. This can also be transferred to arrays of such components advertise.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnung näher erläutert.The invention is illustrated below using an exemplary embodiment associated drawing explained in more detail.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 Die prinzipielle Darstellung einer Ausführung des erfindungsgemäßen Bauelementes; Fig. 1 The basic representation of an embodiment of the component according to the invention;

Fig. 2 eine Draufsicht des erfindungsgemäßen Bauelementes. Fig. 2 is a plan view of the component according to the invention.

Eine prinzipielle Darstellung der Erfindung ist in Fig. 1 für die Wellenlänge 1 µm gezeigt. Die Elektrode weist eine 0,1 µm dicke Metallschicht auf, die einen metallisierten Bereich 1 umfaßt. Die Bereiche 2 in der Elektrodenebene sind nicht metallisiert. Darunter folgt als Deckschicht 3 p-Ga0,8Al0,2As mit dem Brechungsindex 3,38 und der Dicke 1,5 µm. Die Grenzschicht 4 zwischen Schicht 3 und 5 ist als Kreuzgitter ausgebildet, dessen Form in Fig. 2 gezeigt ist. Das Profil des Kreuzgitters besteht aus zwei symmetrisch zur z-Achse angeordneten Oberflächen-Reliefgittern 12 und 13, deren Orientierungs­ vektoren parallel zu den Furchen in der eingezeichneten Weise mit der Laserachse Z jeweils den Winkel Θ = 10° bilden. Die Gitterkonstante G beträgt 0,96 µm und die Tiefe jedes einzelnen Gitters beträgt für sich 0,016 µm. Bei holographischer Herstellung kann das Gitterprofil der Grenzschicht 4 dadurch gewonnen werden, daß sequenziell jedes der beiden Gitter mit der gegebenen Gitterkonstanten und der in Fig. 2 gezeigten Orientierung auf einen entsprechenden Resist aufbelichtet wird, woraus nach bekannten Verfahren das Gitterprofil in die Grenzschicht 4 übertragen werden kann. Die Schicht 5 besteht aus positiv leitendem GaAs von 0,25 µm Dicke mit dem Brechungsindex 3,51. Die Schicht 6 ist ein InGaAs-Quantenfilm von 0,01 µm Dicke. Die Schicht 7 besteht aus negativ leitendem GaAs von 0,25 µm Dicke mit dem Brechungsindex 3,51. Die Schicht 8 hat die Dicke von 1,5 µm und besteht aus n-Ga0,8Al0,2As mit dem Brechungsindex 3,38. Die Schicht 9 besteht aus GaAs mit der Dicke von 100 µm und enthält die Stromzuführung. Die Länge 10 des Lasers in z-Richtung beträgt 1000 µm und die Breite 11 in x-Richtung 300 µm.A basic illustration of the invention is shown in FIG. 1 for the wavelength 1 μm. The electrode has a 0.1 μm thick metal layer which comprises a metallized region 1 . The areas 2 in the electrode plane are not metallized. Below this is 3 p-Ga 0.8 Al 0.2 As with the refractive index 3.38 and the thickness 1.5 µm as the cover layer. The boundary layer 4 between layers 3 and 5 is designed as a cross lattice, the shape of which is shown in FIG. 2. The profile of the cross grating consists of two surface relief grids 12 and 13 arranged symmetrically to the z-axis, the orientation vectors of which form the angle Θ = 10 ° in each case parallel to the furrows in the manner shown with the laser axis Z. The lattice constant G is 0.96 µm and the depth of each individual lattice is 0.016 µm. In the case of holographic production, the grating profile of the boundary layer 4 can be obtained by sequentially exposing each of the two grids with the given grating constant and the orientation shown in FIG. 2 to a corresponding resist, from which the grating profile is transferred into the boundary layer 4 by known methods can. The layer 5 consists of positive conducting GaAs with a thickness of 0.25 µm and a refractive index of 3.51. Layer 6 is an InGaAs quantum film of 0.01 µm thickness. The layer 7 consists of negative conducting GaAs with a thickness of 0.25 µm and a refractive index of 3.51. The layer 8 has a thickness of 1.5 μm and consists of n-Ga 0.8 Al 0.2 As with the refractive index 3.38. The layer 9 consists of GaAs with a thickness of 100 μm and contains the power supply. The length 10 of the laser in the z direction is 1000 μm and the width 11 in the x direction is 300 μm.

Dieses opto-elektronische Bauelement ist für eine Emissionswellenlänge um 1 µm dimensioniert. Der effektive Ausbreitungs-Index für die Grundmode in vertikaler Richtung beträgt 3,47, die Koppelkonstante ergibt sich zu 22 cm-1.This opto-electronic component is dimensioned for an emission wavelength around 1 µm. The effective propagation index for the basic mode in the vertical direction is 3.47, the coupling constant is 22 cm -1 .

Claims (14)

1. Opto-elektronisches Halbleiter-Bauelement für die Erzeugung und Verstärkung kohärenter Strahlung, bestehend aus planaren Wellenleiterstapeln aktiver und passiver Schichten, die teilweise diffraktiv wirkende Strukturen ihrer Grenzflächen aufweisen, wobei die in mindestens einer Grenzfläche diffraktiv wirkenden Strukturen aus symmetrischen Überlagerungen sich kreuzender Gitterstrukturen gebildet sind nach Patentanmeldung 198 09 167.2, dadurch gekennzeichnet, daß der lokale komplexe Brechungsindex für die sich in den planaren Wellenleiterstapeln ausbreitende Strahlung räumlich gezielt in der Ebene des Bauelementes variierbar ist.1. Optoelectronic semiconductor component for the generation and amplification of coherent radiation, consisting of planar waveguide stacks of active and passive layers, which have partially diffractive structures of their interfaces, the structures having a diffractive effect in at least one interface being formed from symmetrical superpositions of intersecting lattice structures are according to patent application 198 09 167.2, characterized in that the local complex refractive index for the radiation propagating in the planar waveguide stacks can be spatially specifically varied in the plane of the component. 2. Opto-elektronisches Halbleiter-Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Imaginärteil des lokalen komplexen Brechungsindex, d. h. die Absorption für die sich in den planaren Wellenleiterstapeln ausbreitende Strahlung, räumlich gezielt in der Ebene des Bauelementes variierbar ist.2. Optoelectronic semiconductor component according to claim 1, characterized in that the imaginary part of the local complex refractive index, d. H. the absorption for the radiation propagating in the planar waveguide stacks, is spatially selectively variable in the level of the component. 3. Opto-elektronisches Halbleiter-Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Realteil des lokalen komplexen Brechungsindex, d. h. die Brechzahl für die sich in den planaren Wellenleiterstapeln ausbreitende Strahlung räumlich gezielt in der Ebene des Bauelementes variierbar ist.3. Optoelectronic semiconductor component according to claim 1, characterized in that the real part of the local complex refractive index, d. H. the refractive index for the radiation propagating in the planar waveguide stacks spatially can be specifically varied in the level of the component. 4. Opto-elektronisches Halbleiter-Bauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch räumlich gezielte Verminderung der Injektionsstromdichte (Pumpstrom) im Wellenleiter die Absorption lokal anhebbar ist.4. Optoelectronic semiconductor component according to claim 2, characterized in that through spatially targeted reduction of the injection current density (pump current) the absorption in the waveguide can be raised locally. 5. Opto-elektronisches Halbleiter-Bauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß durch spezielle Elektrodengestaltung und/oder eine lokale Variation der Leitfähigkeit des Elektrodenmaterials und/oder eine Beeinflussung der unter dem Elekrodenmaterial angebrachten isolierenden Schichten die Injektionsstromdichte örtlich absenkbar ist.5. Optoelectronic semiconductor component according to claim 4, characterized in that through special electrode design and / or a local variation of the Conductivity of the electrode material and / or influencing the under  insulating layers attached to the electrode material Injection current density can be reduced locally. 6. Opto-elektronisches Halbleiter-Bauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden aus räumlich getrennten Teilbereichen bestehen, an die jeweils unabhängig voneinander verschiedene Spannungen anlegbar sind.6. Optoelectronic semiconductor component according to claim 5, characterized in that the electrodes consist of spatially separated sub-areas to which different voltages can be applied independently of one another. 7. Opto-elektronisches Halbleiter-Bauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch örtliche Strukturstörungen im Material des Wellenleiters die lokale Absorption variierbar ist.7. Optoelectronic semiconductor component according to claim 2, characterized in that due to local structural disturbances in the material of the waveguide, the local Absorption is variable. 8. Opto-elektronisches Halbleiter-Bauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die örtlichen Strukturstörungen durch lokale Ionenimplantation erreichbar sind.8. Optoelectronic semiconductor component according to claim 7, characterized in that the local structural disorders can be achieved by local ion implantation are. 9. Opto-elektronisches Halbleiter-Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die lokalen Änderungen des komplexen Brechungsindex durch lokale Veränderungen im Aufbau der Wellenleiterschichten und/oder Wellenleitermaterialien erreichbar sind.9. The optoelectronic semiconductor component as claimed in claim 1, characterized in that the local changes in the complex refractive index by local ones Changes in the structure of the waveguide layers and / or Waveguide materials are accessible. 10. Opto-elektronisches Halbleiter-Bauelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Mantelschichten des Wellenleiterstapels Materialien mit höherer Absorption einsetzbar sind.10. Optoelectronic semiconductor component according to claim 9, characterized in that than cladding layers of the waveguide stack materials with higher Absorption can be used. 11. Opto-elektronisches Halbleiter-Bauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Brechzahl für die Wellenausbreitung durch Änderung der Zusammensetzung und/oder der Dicke der Mischkristallschichten des Wellenleiterstapels lokal veränderbar ist. 11. Optoelectronic semiconductor component according to claim 3, characterized in that the refractive index for wave propagation by changing the Composition and / or the thickness of the mixed crystal layers of the Waveguide stack is locally changeable.   12. Opto-elektronisches Halbleiter-Bauelement nach Anspruch 1 bis 11 dadurch gekennzeichnet, daß eine erhöhte Strahlungsabsorption und/oder eine geänderte Brechzahl für die Strahlungsausbreitung in einer Zone vorgesehen ist, die sich im Zentrum der von dem Bauelement eingenommenen Fläche befindet.12. Optoelectronic semiconductor component according to claim 1 to 11 characterized in that an increased radiation absorption and / or a changed refractive index for the Radiation propagation is provided in a zone that is in the center of the area occupied by the component. 13. Opto-elektronisches Halbleiter-Bauelement nach Anspruch 5 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß in der Zone erhöhter Strahlungsabsorption keine Elektrodenmetallisierung vorgesehen ist.13. Optoelectronic semiconductor component according to claim 5 and 12, characterized in that no electrode metallization in the zone of increased radiation absorption is provided. 14. Opto-elektronisches Halbleiter-Bauelement nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächenzentren von zu Arrays zusammengefaßten Lasern erhöhte Strahlungsabsorption und/oder eine geänderte Brechzahl für die Strahlungsausbreitung aufweisen.14. Optoelectronic semiconductor component according to claim 12, characterized in that increased the area centers of lasers combined into arrays Radiation absorption and / or a changed refractive index for the Have radiation propagation.
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