DE2058917C3 - Verfahren und Vorrichtung zum Modulieren eines Halbleiter-Lasers - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 6. Verfahren und Vorrichtungen dieser Art sind aus der Zeitschrift »Applied Physics Letters«, Bd. 15 (1969), Nr. 7, Seiten bis 205 bekannt.

60

65 In dem Artikel »Coupled Longitudinal Mode Pulsing in Semiconduc-tor Lasers«, Phys. Rev. Letters. 22 (19691 Nr. 21, S. 1085—1088 wird über einen im Dauerstrichbetrieb arbeitenden GaAs-Injektionslaser berichtet, der bei geeigneten Werten für Temperatur und Injektionsstrom spontan zu pulsieren beginnt und dabei eine Folge von Lichtimpulsen bei Frequenzen im Mikrowellenbereich erzeugt

Das selbstinduzierte Pulsieren ist der Kopplung unter den Longitudinal-Schwingungsformen des Lasers und der hohen Dispersion von Halbleiter-Materialien zuzuschreiben. Die Theorie besagt, daß ein ähnliches Pulsierverhalten in Halbleiter-Lasern besteht, die aus anderen Materialien als Galliumarsenid hergestellt sind und/oder bei denen andere Anregungsmechanismen als die Injektion über einen Übergang verwendet werden.

Des weiteren wird in dem Artikel »Frequency Pulling and Pulse Position Modulation of Pulsing cw GaAs Injection Lasers«, Applied Physics Letters, Bd. 15 (1969), Nr. 7, Seiten 203 bis 205 von einem Verfahren zum Modulieren eines Halbleiter-Lasers berichtet, bei dem ebenfalls spontanes Pulsieren im Laser durch Zuführen eines geeigneten Anregungssignals induziert wird. Hierbei erfolgt eine Pulslagenmodulation des Laserausgangsstrahls durch Zuführen eines frequenzmodulierten Mikrowellensignals in der Weise, daß die vom Laser erzeugten Impulse mit dem Modulations- bzw. Informationssignai phasenstarr gekoppelt sind. Auch die US-PS 34 78 280 und der Aufsatz »Optical Pulses from cw GaAs Injection Lasers«, Applied Physics Letters, Bd. 15 (1969), Nr. 3, Seiten 105 bis 107, beschreiben spontan pulsierende Halbleiter-Laser, bei denen sich eine phasenstarre Kopplung zwischen dem Ausgangsstrahl des Lasers und dem Modulationssignal einstellt.

Demgegenüber besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, bei einem Verfahren und einer Vorrichtung der eingangs erwähnten Art eine Pulslagenmodulation des Laserausgangsstrahls auf baulich einfachere Weise zu erzielen, insbesondere unter Vermeidung der Bereitstellung eines Signals bei der Impulsfolgefrequenz des Lasers.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Verfahrensschritte und Merkmale der nebengeordneten Ansprüche 1 und 6 alternativ gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 1 ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 5.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Pulslagenmodulation bei Frequenzen ermöglicht, die entsprechend der theoretischen Grenze für die Informationsübertragung bei der halben Impulsfolgefrequenz des Lasers liegen. Dazu wird das Anregungssignal entsprechend der Eingangsinformation amplitudenmoduliert. Gleichzeitig werden Modulationsleistung und Modulationsfrequenz so eingestellt, daß eine phasenstarre Kopplung des modulierenden Signals mit dem Laserausgangsstrahl verhindert wird. Auf diese Weise gelingt eine wesentliche Herabsetzung des erforderlichen Aufwands an elektronischen Bauelementen für die Bereitstellung eines geeigneten Anregungssignals.

In einer Ausführungsform der Erfindung werden die von einem spontan pulsierenden Halbleiter-Laser emittierten Lichtimpulse durch das modulierende Signal in ihrer Lage moduliert, welches den Injektionsstrom des Lasers direkt amplitudenmoduliert, vorausgesetzt, daß die Leistung und die Frequenz des modulierenden Signals so eingestellt werden, daß eine phasenstarre Kopplung des Laserausgangsstrahls mit dem Informa-

tionssignal verhindert wird. Mit den Änderungen der Amplitude des modulierenden Signals folgt die Impulsfolgefrequenz des Lasers. Die Pulslagemodulation bei Frequenzen bis zur halben Impulsfolgefrequenz (ge-V/öhnlich von 250 bis 1500 MHz) ist ohne Informationsverlust möglich. Diese Grenze ergibt sich aus dem bekannten Kriterium für die maximal übertragbare Informationskapazität, die dann erzielt wird, wenn die im modulierenden Signal enthaltene maximale Frequenz gleich der halben Abtastfrequenz ist Diese Wirkung steht im Gegensatz zu der Amplitudenmodulation des Injektionsstroms eines herkömmlichen im Dauerstrich- oder Pulsbetrieb arbeitenden Halbleiter-Lasers, wobei eine Amplitudenmodulation des Laserausgangsstrahls und keine Pulslagenmodulation erzeugt wird. Ferner ist zu erwähnen, daß wegen des spontanen Pulsierens des Lasers das Anregungssignal die Impulse nicht zu erzeugen braucht und die Pulslagenmodulation bei verhältnismäßig niedrigen Modulaticsleistungen bewirken kann.

Eine Ausführungsform der Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert; es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung,

F i g. 2 ein Diagramm zur Darstellung der Abhängigkeit der Impulsfolgefrequenz des pulsierenden Laserausgangsstrahls vom Injektionsstrom, bezogen auf die Schwellenwertstromstärke, und

F i g. 3 ein Diagramm zur Darstellung der Abhängigkeit der Modulationsleistung von der Frequenz, das die Bereiche zeigt, in denen der Laserausgangsstrahl mit dem Modulationssignal phasenstarr gekoppelt ist.

In F i g. 1 ist eine Anordnung zum Modulieren eines Halbleiter-Lasers 10 dargestellt, der gegebenenfalls mit einer nicht gezeigten Kühleinrichtung versehen wird und der sowohl mit einer Gleichspannungsquelle 14 als auch mit einer Wechselspannungsquelle 16 geringer Leistung (d. h. mit einer Informationsquelle) zur Amplitudenmodu'ation des Injektionsstromes entsprechend der Eingangsinformation gekoppelt ist. Im einfachsten Fall befindet sich der Laser in Parallelschaltung sowohl zur Gleichspannungsquelle 14, die in Reihe mit einer Spule 12 geschaltet ist, als auch mit der Wechselspannungsquelle 16, die in Reihe mit einem Kondensator 15 geschaltet ist. Induktivität und Kapazität der Elemente 12 und 15 sind so gewählt, daß die beiden Spannungsquellen voneinander isoliert sind, so daß der Spannungsabfall am Laser im wesentlichen gleich der Summe der Spannungen der beiden Quellen ist.

Der Wert der Gleichspannung wird so gewählt, daß ein selbstinduziertes Pulsieren im Ausgangsstrahl des Lasers 10 auftritt. Diese Spannung hängt vom jeweiligen Laser und von der Temperatur ab. Für Galliumarsenid-Halbleiter-Laser bei Temperaturen des flüssigen Stickstoffs ist die Spannung gewöhnlich diejenige, bei der eine Stromstärke des 1,1- bis 3fachen der Schwellenwertstromstärke für stimulierte Emission erzeugt wird. Die Impulsfolgefrequenz liegt dann gewöhnlich zwischen 0,5 und 3 GHz. Der genaue Bereich der Gleichspannung;·» Hie ein Pulsieren bei dem betrachteten Laser bewirken, läßt sich empirisch dadurch ermitteln, daß die Spannung verändert, das Laserlicht mit einer Photodiode detektiert und die Ausgangsspannung der Diode mit einem Mikrowellen-Spektralanalysator untersucht wird. Wenn spontanes Pulsieren eingetreten ist, wird die Wechselspannungsquelle 16 so eingestellt, daß eine phasenstarre Kopplung des pulsierenden Laserausgangsstrahls mit dem Modulationssignal verhindert wird; wie nachfolgend beschrieben wird.

Die Veränderung der Impulsfolgefrequenz des Laserausgangsstrahls in Abhängigkeit von der Injektionssjomstärke / der Gleichspannungsquelle 14 oberhalb der Schwellenwertstromstärke Ia, ist in Fi g. 2 gezeigt Im Bereich 20 ist die Modulation des Laserausgangsstrahls in erster Linie rauschinduziert

ίο Am Scheitel 21 (Strom Ij) beginnt die Modulationstiefe zuzunehmen, wobei der Laserausgangsstrahl im Mittelteil des Bereiches 22 im wesentlichen sinusförmig moduliert ist Etwa am Punkt 23 (Strom /2) erreicht die Modulationstiefe 100%, d.h. der Laserausgangsstrahl pulsiert spontan. Am Punkt 24 (Strom /3) verändert sich die Steigung der Kurve vom Negativen im Bereich 22 ins Positive im linearen Bereich 26, in welchem der Laserausgangsstrahl immer noch spontan pulsiert Es ist der Bereich 26, in welchem der Arbeitspunkt 25 (Strom /0 = 1,4 χ Ith, beispielsweise) gewählt wird. Wenn dieser Punkt einmal festgelegt ist wird das Modulationssignal der Wechselspannungsquelle 16 eingeschaltet was zur Folge hat, daß sich der Injektionsstrom längs der Kurve entsprechend der Amplitude des Informationssignals von der Quelle 16 ändert Diese Veränderungen in der Amplitude ergeben eine Modulation der Impulsfolgefrequenz. Bei verhältnismäßig geringen Leistungen P_m (gewöhnlich 1 mW) wurden Modulationsfrequenzen bis zur Höhe der halben Impulsfolgefrequenz von etwa 1,2 GHz erzielt.

Die Wahl des Arbeitspunktes 25 im linearen Bereich 26 ist vorteilhaft da in diesem Bereich die Impulsfolgefrequenz des Laserausgangsstrahls linear (d. h. ohne harmonische Verzerrungen) den Amplitudenänderungen des Informationssignals folgt Obwohl durchführbar würde die Wahl eines Arbeitspunktes in einem nichtlinearen Bereich harmonische Frequenzen erzeugen, was die Verwendung einer elektronischen Kompensationsschaltung (an sich bekannt) notwendig macht.

Ein weiterer Vorteil wird durch eine Erhöhung der Steigung des Bereiches 26 erzielt, d. h., es wird der gleiche Modulationsbetrag der Impulsfolgefrequenz mit kleineren Modulationsstromänderungen erhalten, wodurch sowohl die erforderliche Modulationsleistung als auch die Aufheizeffekte herabgesetzt werden, die durch einen hohen Modulationsstrom hervorgerufen werden. Außerdem verringert eine Erhöhung der Steigung eine unerwünschte Amplitudenmodulation der Ausgangsimpulse, und verringert durch Herabsetzen der Modulationsleistung P_n, die Gefahr weiter, daß der Laserbetrieb in Bereiche mit phasenstarrer Kopplung kommt.

Da der Bereich 26 temperaturabhängig ist, läßt sich die Steigung der Kurve leicht dadurch verändern, daß die Temperatur der Wärmesenke verändert wird. Die Richtung der Veränderung wird empirisch bestimmt, da durch Erhöhen der Temperatur die Steigung bei manchen Laserdioden zunimmt, während durch Herabsetzen der Temperatur die Steigung bei anderen Dioden zunimmt.

Die Art und Weise, in welcher die phasenstarre Kopplung verhindert wird, ist am besten aus F i g. 3 ersichtlich, die die Abhängigkeit der Modulationssignalleistung Pm von der Modulationssignalfrequenz v_m, sowie die Bereiche zeigt, in welchen die phasenstarre Kopplung des Laserausgangsstrahls mit dem Modulationssignal auftritt. Diese Bereiche mit phasenstarrer Kopplung befinden sich innerhalb der schraffierten Bereiche der Kurven 30 bis 37. Eine phasenstarre

Kopplung erfolgt, wenn v_m = tj v«, wobei N und M

ganze Zahlen sind und P_n, eine bestimmte Mindestleistung bei dieser Frequenz überschreitet. Beispielsweise muß bei v_m = '/3 vr der Wert von P_n, mindestens so groß wie P_m 3 sein, damit eine phasenstarre Kopplung eintritt. Wenn v_m = '/5 vr ist, muß für eine phasenstarre Kopplung P_n, 2: Pms sein. Daher bestimmt die Kombination von Werten {v_m Pm) einen Modulationsparameter und damit einen Punkt im Diagramm der F i g. 3, der außerhalb der schraffierten Bereiche liegen muß, wenn eine phasenstairre Kopplung verhindert werden soll.

Im Falle eines Informationssignals mit einer Bandbreite Δν, die sich von Vi bis Vh erstreckt und bei vo zentriert ist, kann eine phasenstarre Kopplung dadurch verhindert werden, indem sichergestellt wird, daß die Leistung P_m unterhalb derjenigen liegt, die für die

höchste Frequenz von der Form — Vr, die innerhalb der

Bandbreite Δν enthalten ist, für eine phasenstarre Kopplung erforderlich ist. Daher sind für das gezeigte Beispiel die Frequenzen von der Form i- Vr innerhalb

der Bandbreite Δν wie folgt: '/5 Vr, ¹U Vr und '/3 Vr. Die höchste dieser Frequenzen ist '/3 vr. Um eine phasenstarre Kopplung zu verhindern, wird daher P_m unterhalb Pm 3 gehalten.

Bekanntlich wird durch das Abtasttheorefn vorgeschrieben, daß die Übertragung der maximalen Informationskapazität dann erzielt wird, wenn die Modulationsfrequenz gleich der halben Abtastfrequenz ist Dementsprechend muß die maximale Frequenz Vh innerhalb des Iinformationsbandes kleiner als '/2 vr sein. Wenn Vh beispielsweise größer als ²Iz vr wäre, würde das Abtastsystem nicht in der Lage sein, einen Abtastwert bei '/3 vr von einem bei ²h Vr zu unterscheiden, so daß keine zusätzliche Informationskapazität dadurch erhalten wird, daß V_n größer als' /2 vr gewählt wird.

Eine graphische Darstellung der in F i g. 3 gezeigten Art kann für jeden Arbeitspunkt 25 (F i g. 2) aufgetragen werden. Das Verfahren zur Verhinderung einer phasenstarren Kopplung besteht also darin, einen Arbeitspunkt zu wählen, die Leistung und die Frequenz des Modulationssignals zu verändern, um die Aussage von F i g. 3 zu erhalten, die maximale Frequenz V_n im

Informationssignal von der Form — vr zu ermitteln, die

Leistung für phasenstarre Kopplung bei dieser Frequenz zu messen und P_m kleiner als diese Leistung zu halten.

Wie erwähnt zeigt die Theorie an, daß ein spontanes Pulsieren in Halbleiter-Lasern auch aus anderen Materialien als aus Galliumarsenid hervorgerufen werden kann, wobei auch andere Anregungsmechanismen statt einer Injektion über einen Übergang vorgesehen sein können. Die Impulsfolgefrequenz in solchen Lasern kann auch durch Modulieren der Anregungssignalquelle moduliert werden. Beispielsweise wird bei einem durch Elektronenstrahl angeregten Halbleiter-Laser das Informationssignal dem Strahl zugeführt und bei einem optisch angeregten Laser die Intensität der optischen Anregungsquelle mit den Frequenzen des Informationssignals moduliert

Da praktisch jeder untersuchte Halbleiter-Laser ein spontanes Pulsieren bei einem bestimmten Strom und in einem bestimmten Temperaturbereich zeigte, genügt es, ein einziges Beispiel eines GaAs-Halbleiterlasers im einzelnen zu erläutern:

Ein Galliumarsenid-Halbleiter-Laser wurde in der folgenden Weise hergestellt. Ein η-dotiertes Substrat wurde durch Ziehen eines tellurdotierten Galliumarsenid-Kristalls im Czochralsky-Ziehverfahren und durch Schneiden des Kristalls in Plättchen hergestellt. Die Konzentration freier Elektronen des Substrats betrug zwischen 3 und 4,5 χ 10¹⁸ Elektronen cm-³. In das Substrat wurde eine p-dotierte Zone mittels allgemein bekannter Verfahren eindiffundiert. Bei einer Quelle mit einer 2,0%igen Lösung von Zink in mit Galliumarsenid gesättigtem Gallium betrug die Diffusionszeit 4 Stunden bei 800⁰C. Die Tiefe des auf diese Weise gebildeten Übergangs betrug etwa 1,8 μπι.

Das Substrat wurde darauf wärmebehandelt. Nachdem eine etwa 95 nm dicke SiO2-Schutzschicht aufgebracht worden war, wurde das Substrat zusammen mit einigen Milligramm reinem Arsen in eine Quarzampulle (eines Volumens von etwa 7 cm³) gebracht Die Ampulle wurdeauf einen Druck vpn 10-'Torr (1,33 χ 10-'°bar) evakuiert. Hierauf wurde die Ampulle 4 Stunden lang auf 850⁰C erhitzt und durch Eintauchen in Eiswasser auf 0°C abgeschreckt.

Nach der Wärmebehandlung wurden die elektrischen Kontakte zur n- und p-Zone der Diode hergestellt Durch das Oxid auf der p-dotierten Zone wurden mittels photolithographischer Methoden Streifen mit Abmessungen von 25,4 χ 380 μπι geschnitten. Sodann wurde eine zweite Diffusion durchgeführt, um einen guten ohmschen Kontakt zur p-dotierten Zone zu erhalten.

(Diese Diffusion verursacht keine Änderung der ursprünglichen Diffusion und wird nur zur Herstellung guter Kontakte angewendet.) Dieser Schritt wurde mittels allgemein bekannter Verfahren unter Verwendung einer Quelle aus reinem Zinkarsenid und mit einer Diffusionszeit von 15 Minuten bei 650° C durchgeführt Durch diese Diffusion wurde eine stark dotierte, weniger als 300 nm dicke Schicht in der p-Zone erhalten. Sodann wurde ein metallischer Kontakt aus 50 nm Titan, 500 nm Silber und 100 nm Gold auf die p-Zone aufgebracht Die η-dotierte Seite wurde auf eine Dicke von 105 μΐη geläppt und ein Kontakt aus 200 nm Zinn. 400 nm Nickel und 400 nm Gold aufgebracht Das Substrat wurde dann angerissen und gespalten, um einzelne Fabry-Perot-Resonatoren mit Endabmessun-

^s'^gen von etwa 100 χ 380 χ 625 μπι zu bilden.

Der fertige Laser wurde dann auf einer Wärmesenke aus Kupfer aufgebracht und in einem Mikrowellengehäuse mit einem Fenster angeordnet so daß das Licht aus dem Laser austreten kann. Die Anordnung wurde als Abschluß einer 50-Ohm-Mikrowellenübertragungsleitung eingesetzt um eine gute Kopplung der zugeführten Mikroweilensignale in den Laser zu erhalten.

Für bestimmte Bereiche des Injektionsstromes (zwischen dem einfachen und zweifachen Betrag der Schwellenwertstromstärke) und Temperaturen der Wärmesenke zwischen 77K und 11 OK bestand die Lichtemission des beschriebenen Lasers aus spontan

■ erzeugten Impulsen mit Impulsfolgefrequenzen zwisehen 500MHz und 1200MHz. Beispielsweise wurden bei einem Strom von 670 mA und einer Temperatur der Wärmesenke von 96K Impulse bei 620 MHz erzeugt deren Gesamtbreite bei der Halbwertsleistung etwa 400 psec betrug. Unter diesen Bedingungen wurde die maximal nutzbare Frequenz der Pulslagenmodulation (d. h. 310 MHz) erzielt Wie erwähnt, ergeben Frequenzen, die höher als V2 vr liegen, obwohl erzielbar, keine zusätzlich übertragbare Informationskapazität

Die Ausführungsform nach Fig. 1 kann leicht mit einer elektrooptischen, rein optischen oder rein elektrischen Rückkopplungseinrichtung kombiniert werden, um die Impulsbreite zu verringern und die Impulsfolgefrequenz des spontan pulsierenden Laserausgangsstrahls zu stabilisieren. Beispielsweise wurde mit einer elektrooptischen Rückkopplung (d. h. das Ausgangssignal einer von den Laserimpulsen beauf-

schlagten Photodiode wurde verstärkt und auf den Laser-Injektionsström rückgekoppelt) bei einem spontan pulsierenden Laser (Strom 489 mA, Temperatur der Wärmesenke 95K. und Impulsfolgefrequenz 790 MHz) die Impulsbreite von 400 psec auf weniger als 200 psec herabgesetzt und die Spektrallinienbreite von 1,5 MHz auf weniger als 100 kHz verringert.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Modulieren eines Halbleiter-Lasers,,bei dem spontanes Pulsieren im Laser durch die Zufuhr eines geeigneten Anregungssignals induziert wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Anregungssignal entsprechend der Eingangsinformation amplitudenmoduliert wird und gleichzeitig die Modulationsleistung und die Modulationsfrequenz so eingestellt werden, daß phasenstarre Kopplung des modulierenden Signals mit dem Laserausgangsstrahl verhindert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationsleistung geringer als die Mindestleistung gehalten wird, bei der eine phasenstarre Kopplung bei der höchsten Frequenz

in der Form — vr auftritt, die innerhalb der M

Bandbreite des modulierenden Signals enthalten ist, wobei M eine ganze Zahl von Vr die Impulsfolgefrequenz ist

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichstrom-Arbeitspunkt des Lasers festgelegt wird (F i g. 2), das Pulsierverhalten des Lasers bei Veränderungen des Zusammenhangs zwischen der Modulationsfrequenz und der Modulationsieistung gemessen wird, um die Arbeitsbereiche des Lasers zu bestimmen, in welchen das Laserimpulsausgangsignal mit dem modulierenden Signal gekoppelt ist (F i g. 3), die erwähnte höchste Frequenz der Form ' vr bestimmt wird, die für

phasenstarre Kopplung bei tier höchsten Frequenz erforderliche Mindestmodulationsleistung gemessen wird, und diese Modulationsleistung niedriger als die erwähnte Mindestleistung gehalten wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichstrom-Arbeitspunkt des Lasers in einem linearen und temperaturabhängigen Teil der Ausgangsfrequenz/Anregungsstrom-Kennlinie des Lasers festgelegt wird (25 in F i g. 2).

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lasertemperatur im Hinblick auf möglichst geringe erforderliche Modulationsleistung eingestellt wird.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß den Ansprüchen 1, 2 oder 4, gekennzeichnet durch eine Anregungssignal-Stromquelle (14, 12) zum Anlegen einer Gleichspannung an den Laser in ausreichender Höhe, um selbstinduziertes Pulsieren des Lasers herbeizuführen, und eine Schaltung (16, 15) für die Zufuhr eines modulierenden Signals von geringer Leistung zum Laser zur Amplitudenmodulation des Anregungssignalstroms.