DE2205728B2 - Aus einem mehrschichtigen Halbleiterkörper bestehendes optisches Bauelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein aus einem mehrschichtigen Halbleiterkörper bestehendes optisches Bauelement zur Erzeugung oder Verstärkung von kohärentem Licht, bei dem eine als laseraktive Zone wirksame Schicht zweiseitig von weiteren Halbleiterschichten eingeschlossen ist, bei dem weiterhin die laseraktive Zone von vier auf den Schichtebenen im wesentlichen senkrecht stehenden Randflächen begrenzt ist, von denen ein die Lichteintritts- bzw. Lichtaustrittsfläche der laseraktiven Zone enthaltendes Flächenpaar eben und parallel zueinander verlaufend angeordnet ist.

Die Übertragung von Energie eines kohärenten Lichtstrahles von einer optischen Vorrichtung in eine andere ist bekanntlich mit großen Schwierigkeiten verbunden, da die Moden, welche in den beiden Vorrichtungen ausbreitungsfähig sind, sowohl ihrer Anzahl als auch ihrer Intensitätsverteilung nach sich sehr stark voneinander unterscheiden können. Eine direkte Übertragung von Lichtenergie zwischen zwei solchen optischen Vorrichtungen, beispielsweise zwischen einer Laserdiode und einer Lichtleitfaser, ist üblicherweise mit erheblichen Übertragungsverlusten verbunden, weshalb eine Anpassung der optischen Vorrichtung untereinander unbedingt erforderlich ist. Es sind bereits einige Möglichkeiten bekanntgeworden, mit deren Hilfe die Lichtenergie mit einem guten Wirkungsgrad von einer optischen Vorrichtung auf eine andere gekoppelt werden kann. Dies ist beispielsweise durch die Verwendung von optischen Bauteilen, wie etwa Hologrammen oder optischen Resonatoren, möglich, welche in geeigneter Weise zwischen den zu verbindenden Vorrichtungen angeordnet werden müssen. In einem optischen Nachrichtenübertragungssystem ist jedoch der Bedarf an solchen zur Kopplung dienenden Bauteilen sehr hoch anzusetzen, weshalb auch die Kostenfrage hierbei nicht außer acht gelassen werden darf.

Zur Erzeugung oder Verstärkung von kohärentem Licht kommen in optischen Nachrichtenübertragungs-

systemen üblicherweise mehrschichtige Halbleiterkörper in Frage, welche eine laseraktive Zone als wirksame Schicht aufweisen. Ein solcher Halbleiterkörper ist z. B. aus der Druckschrift »Der Elektroniker« Nr. 1/71, Seiten 36, 37 und 38 bekannt. Bei diesem bekannten Bauelement ist zumindest die laseraktive Zone von vier auf den Schichtebenen im wesentlichen senkrecht stehenden Randflächen begrenzt, die paarweise einandergegenüberliegend angeordnet sind. Die Dicke der laseraktiven Schicht liegt hier in der Größenordnung von 1 μπι, während die Breite des Lasers etwa 80 μίτι und die Länge etwa 370 μπι beträgt.

Aus diesen Größenangaben läßt sich unmittelbar erkennen, daß die Anpassung, z. B. an eine Lichtleitfaser deren Kerndurchmesser wenige μπι beträgt, nur mit Hilfe zusätzlicher optischer Bauteile möglich ist, welche die durch die schmale Laseraustrittsfläche bedingte Intensitätsverteilung das Lichtstrahles in eine etwa kreissymmetrische Verteilung umformen.

Aus der Druckschrift »Integrated opticas« 1973 — Nachdruck aus Appl. Phys. Lett., vol. 20, pp. 36-38, Jan. 1, 1972 — ist weiterhin ein Halbleiterkörper bekannt, der einen Schichtaufbau wie eine Heterostrukturdiode aufweist Solche Dioden zeichnen sich u. a. durch eine niedrige Schwellstromdichte beim Laserbetrieb sowie durch gute Lichtführungseigenschaften aus. Allerdings ist die Intensitätsverteilung des austretenden Lichtstrahls annähernd mit derjenigen einer gewöhnlichen Laserdiode vergleichbar, so daß auch hier zusätzliche Bauteile erforderlich sind, wenn Lichtenergie aus einer solchen Diode z. B. in eine Lichtleiterfaser eingekoppelt werden soll.

Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, ein in seiner Herstellung billiges, optisches Bauelement der eingangs genannten Art anzugeben, welches eine solche Intensitätsverteilung des Lichtstrahles in der laseraktiv wirksamen Schicht verursacht, daß bei der Kopplung von Lichtenergie auf eine andere optische Vorrichtung, z. B auf eine Lichtleitfaser, die zu koppelnden optischen Vorrichtungen weitgehend aneinander angepaßt sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das weitere Flächenpaar derart angeordnet ist, daß es einen spitzen Winkel bildend die laseraktive Zone in der Weise zwischen sich einschließt, daß die erste Lichteintritts- bzw. Lichtaustrittsfläche eine gegenüber ihrer Höhe h große Breite b und daß die zweite Lichteintritts- bzw. Lichtaustrittsfläche eine etwa der Höhe Λ entsprechende Breite aufweist.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Bauelmentes sind darin zu sehen, daß ein kontinuierlicher Übergang zwischen den verschiedenen Intensitätsverteilungen hergestellt wird, so daß Übertragungsverluste, die in der Regel an Unstetigkeitsstellen entstehen, hier weitgehend vermieden werden.

Im folgenden sollen Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren 1 bis 8 näher erläutert werden.

In den Fig. 1 und 2 ist eine Ausführungsform des optischen Bauelementes gemäß der Erfindung in Draufsicht und in Seitenansicht dargestellt. Die F i g. 3 und 4 zeigen mögliche Ansichten des Bauelementes in Richtung der optischen Achse 5 einmal in Pfeilrichtung (F i g. 3) und einmal entgegengesetzt zu dieser Richtung (F i g. 4). Aus diesen Figuren ist zugleich ersichtlich, in welcher Form die Grenzflächen 2,2', 3,3' zwischen dem Kern 1 und dem äußeren Teil Γ des Bauelementes verlaufen, also beispielsweise wenn ein Kernquerschnitt, dessen Höhe h klein gegen seine Breite b ist, in einen Kernquerschnitt umgeformt werden soll, dessen Höhe

gleich der Breite ist. Die Winkel in Fig. 1 sind zur Verdeutlichung übertrieben groß eingezeichnet worden. In Wirklichkeit wird man die einander gegenüberliegenden seitlichen Begrenzungsflächen 2, 2', 3, 3' unter einem kleinen Winkel zueinander verlaufen lassen, während die von der optischen Achse 5 durchsetzten Begrenzungsflächen 4, 4' etwa parallel zueinander ausgerichtet sind.

Das Bauelement gemäß den Fig. 1 bis 4 kann entsprechend Fig.5 in einem optischen Nachrichtenübertragungssystem z. B. als Anpassungsglied 7 dienen, welches zwischen zwei optischen Vorrichtungen, in diesem Beispiel einem Halbleiterlaser 6, dem über die Elektroden 9 elektrische Energie zugeführt wird und einer Lichtleitfaser 8, vorzugsweise unter Zwischenfügung einer reflexmindernden Substanz, wie etwa Immersionsöl oder einem durchsichtigen Kleber, eingebaut ist. Durch eine allmähliche Verringerung der Breite des lichtführenden Kerns I₁ gegebenenfalls auch durch eine Änderung der Dicke dieses Kerns, läßt sich die Intensitätsverteilung des aus dem Halbleiterlaser austretenden kohärenten Lichtstrahles (vergleichbar F i g. 3) stetig in eine Verteilung überführen, welche der Intensitätsverteilung in einer Lichtleitfaser (vergleichbar Fig.4) ähnlich ist. Eine völlig analoge Anordnung ist gemäß Fig.6 auch zur Einkopplung von aus einer Lichtleitfaser 8 austretendem Licht in eine Photodiode 10, insbesondere eine Quereinstrahlungsphotodiode, denkbar. Der zur Einstrahlung verwendbare Bereich einer solchen Diode besitzt eine geringe Höhe im Vergleich zu seiner Breite, so daß zur Anpassung der Kreissymmetrischen Intensitätsverteilung des Lichtstrahles in der Lichtleitfaser auf die annähernd rechteckige Verteilung in der Quereinstrahlungsphotodiode ein ähnliches Anpassungsglied wie in F i g. 5 verwendet werden kann. Lediglich die Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahles im Anpassungsglied 7 ist in beiden Fällen natürlich verschieden.

Der Kern des Anpassungsgliedes ist vorzugsweise aus einem Material hergestellt, dessen Brechungsindex ^r> größer ist als der des Materials im äußeren Teil des Bauelements, so daß an den Grenzflächen dieser beiden Bereiche eine Totalreflexion des Lichtstrahles entstehen kann. Als Kernmaterial kommen insbesondere leitende Substanzen wie etwa GaAlAs oder Legierungen von

lu GeSi in Frage.

In Fig.7 und 8 ist eine Heterostrukturdiode dargestellt, bei der sogleich ersichtlich ist, in welcher Form die seitlichen Begrenzungen des Kerns in die Oberfläche der Diode eingebracht sind. Man ätzt hierzu

r> Rinnen 11 bis durch die optisch aktive Zone 12, so daß die vorhandenen Schichten als schmale Streifen stehenbleiben. Die geätzten Rinnen werden sodann zur besseren Führung des Lichtstrahles mit einer Schicht überzogen, welche einen niedrigem Brechungsindex aufweist als die aktive Zone, also z. B. einer S1O2-Schicht. Mit dieser Konfiguration läßt sich an dem durch den Pfeil angedeuteten (ichtemittierenden Teil der Begrenzungsfläche (F i g. 8) eine auf einen äußerst kleinen Bereich konzentrierte Lichtintensitätsverteilung

r> erzielen. Gegenüber bekannten Anordnungen mit parallelen Ätzrinnen, deren Abstand voneinander etwa demjenigen entspricht, welchen die Ätzrinnen am lichtemittierenden Teil der Begrenzungsfläche in F i g. 8 aufweisen, zeichnet sich die Anordnung gemäß Fig.8

in durch ein größeres Volumen der aktiven Zone des Lasers und damit unter anderem auch durch eine höhere Lichtintensität im lichtemittierenden Bereich aus. Zugleich kann die Anzahl der Moden im Laser klein gehalten werden. Bei geeigneter Parameterwahl ist

r> sogar ein Ein-Mode-Betrieb möglich.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Aus einem mehrschichtigen Halbleiterkörper bestehendes optisches Bauelement zur Erzeugung oder Verstärkung von kohärentem Licht, bei dem eine als laseraktive Zone wirksame Schicht zweiseitig von weiteren Halbleiterschichten eingeschlossen ist, bei dem weiterhin die laseraktive Zone von vier auf den Schichtebenen im wesentlichen senkrecht stehenden Randflächen begrenzt ist, von denen ein die Lichteintritts- bzw. Lichtaustrittsfläche der laseraktiven Zone enthaltendes Flächenpaar eben und parallel zueinander verlaufend angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Flächenpaar (2, 2') derart angeordnet ist, daß es einen spitzen Winkel bildend die laseraktive Zone (1) in der Weise zwischen sich einschließt, daß die erste Lichteintritts- bzw. Lichtaustrittsfläche sine gegenüber ihrer Höhe (h) große Breite (b) und daß die zweite Lichteintritts- bzw. Lichtaustrittsfläche eine etwa der Höhe ^entsprechende Breite aufweist

2. Optisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper einen Schichtaufbau wie eine Heterostrukturdiode aufweist.