DE2233296A1 - Optische koppelanordnung fuer einen halbleiter-laser - Google Patents

Description

INTERNATIONAL STANDARD ELECTRIC CORPORATION, New York

Optische Koppelanordnung für einen Halbleiter-Laser

Die Priorität der Anmeldung Nr* 4026/71 vom 28.10.1971 in Großbritannien wird beansprucht.

Die Erfindung beschäftigt sich mit optischen Koppelanordnungen, insbesondere mit Koppelanordnungen, die die optische Kopplung zwischen einer Glasfaser und einem Halbleiter-Laser gestatten.

Die Erfindung betrifft somit eine optische Koppelanordnung für einen Halbleiter-Laser, der in einem Ringmode angeregt ist, und besteht darin, daß an dessen einer Seite eine Glasfaser derart angeordnet ist, daß sie mit dem Ringniode optisch gekoppelt ist.

Koppelanordnungen nach der Erfindung finden ihre Anwendung bei faseroptischen Systemen als optische Quellen, optische Verstärker und als im Englischen mit "optical channel droppers" bezeichnete optische Kanalfallen oder -sperren.

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Die Ankoppelmethode nach der Erfindung kann der üblichen Form der im Englischen mit "butt launching" bezeichneten Ankopplung der Ausgangsfläche eines Galliumarsenid-Injektionslasers an das offene Ende einer Faserleitung gegenübergestellt werden, die ein von einer Ummantelung umgebenes Kerngebiet aufweist. Diese Art der Ankopplung erfordert genaue Anpassung zwischen der im Englischen mit "transverse spread" bezeichneten Querstreuung des Lasermodes und dem zu bewirkenden Mode der Faser. Dies wird bei Anwendung üblicher Laser-Bemessungsregeln nicht befriedigend erreicht.

Beispielsweise liefert der nach üblichen Methoden hergestellte geeignetste Streifengeometrie-Doppel-Heterostruktur-Laser einen Lichtstrahl oder -faden von ungefähr 0,5 .um χ 10 ,um Querschnitt, wovon durch direkte Bestrahlung des Endes einer Faserleitung durchschnittlich weniger als 5 % in deren zylindrischen Kern eingekoppelt werden. Es sind daher ganz beträchtliche Änderungen beim Entwurf und bei der Konstruktion nötig, um merkliche Verbesserungen zu erreichen.

Die Erfindung offenbart eine radikale Änderung der Ankoppelmethodik, nämlich dadurch, daß das Licht durch Richtungskopplung in die Seiten der Faser eingekoppelt wird. Ein Laser, der im intern völlig reflektierten Ringmode arbeitet, liefert normalerweise keine Ausgangsgröße. Jedoch ist es nach der Erfindung möglich, Energie in eine geeignete Glasfaser einzukoppeln, wenn die Glasfaser in unmittelbarer Nachbarschaft entlang einer Laserfläche angeordnet wird. Der Laser muß in einem Mode angeregt werden, der eine Periodizität bezüglich optischer Störungen entlang der Fläche liefert, die ihn an die Wellenlänge des gewünschten Modes der Glasfaser anpaßt.

Dies kann dadurch erreicht werden, daß man die Lichtenergie auf die Ausgangsfläche unter dem richtigen Winke}, auftreffen läßt. Der

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richtige Winkel ist derart, daß das Licht in diesem Lasermode intern völlig an einer Grenzfläche zwischen Laser und Glas vom Brechungsindex der Glasfaserummantelung reflektiert wird, jedoch unter einem fast streifenden Winkel an der Grenzfläche zwischen Laser und Glas vom Brechungsindex des Kerns austritt.

Die Erfindung und deren Einzelheiten sowie vorteilhafte. Ausgestaltungen werden nun anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert. _:

Fig.Ί zeigt eine erfindungsgemäße Koppelanordnung, bestehend aus einem an der einen Seite einer Glasfaser angebrachten Injektionslaser, '

Fig. 2a, 2b und 2c zeigen schematisch, wie die Anordnung nach Fig. 1 als optische Quelle für zwei Richtungen* als optische Quelle für eine Richtung und als optischer Verstärker verwendet werden kann,

Fig. 2d zeigt schematisch, wie die Anordnung nach Fig. 1 durch geeignetes Anbringen.einer zweiten Glasfaser als optische Kanalfalle oder -sperre verwendet werden kann,

Fig. 3 zeigt schematisch die Wirkung einer Zone niedrigeren Brechungsindexes auf die Form des Ringmodes und dessen Abhängigkeit von der Form des Resonators,

Fig. 4 zeigt in Weiterbildung der Erfindung eine andere optische . Koppelanordnung, die aus einem an der einen Seite einer Glasfaser angebrachten Injektionslaser besteht, wobei der Laser mit einem kurzen Stück der geschnittenen Glasfaser vereinigt wird, und

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Fig. 5 zeigt den in der pn-ühergangsebene vorgenoiranenen Schnitt einer Modifizierung der Anordnungen nach den Fig. 1 und

In Fig. 1 ist das Plättchen eines Doppel-Heterostruktur-Galliumarsenid-Galliumaluminiumarsenid-Xnjektionslasers gezeigt, der aus dem η-leitenden Galliumarsenid-Substrat 1, das die n-leitende Galliumaluminiumarsenid-Schicht 2 trägt, aus der einen pn-übergang enthaltenden Gall-iumarsenid-Schicht 3 und aus der p-leitenden Galliumaluminiumarsenid-Schicht 4 besteht. Die Seitenflächen des Laserplättchens werden durch Spalten hergestellt, so daß reflektierende Seitenflächen entstehen, die sich in zur Ebene der Schichten rechtwinkligen Ebenen erstrecken und einen rechtwinklig ausgebildeten pn-übergang begrenzen.

Wenn die Galliumarsenid-Schicht einheitlich angeregt wäre, könnten sich darin unterschiedliche Ringmoden ausbilden, von denen der einfachste die Eigenschaft hat, daß in ihm sich ausbreitende Strahlung einen geschlossenen Weg vollführt, nachdem genau eine Reflektion an jeder der vier reflektierenden Seitenwände stattgefunden hat. Dieser Mode kann das gesamte optisch angeregte Gebiet ausfüllen; wenn jedoch die Breite der Wellenfront begrenzt wird, nimmt er nur einen Teil dieses Gebietes ein. In der Schicht könnten sich auch die normalen Fabry-Perot-Modetypen ausbilden.

Die Anregung des einfachsten Ringmodes wird dagegen bevorzugt dadurch sichergestellt, daß die Anregung der Galliumarsenid-Schicht uneinheitlich erfolgt und daß die Anregung besonders auf einen schmalen, entlang den vier Seiten eines Parallelogramms zentrierten Streifen begrenzt wird, dessen aneinanderstoßende Seiten auf die reflektierenden Seitenwände treffen und gegen diese Seitenwände gleichartig geneigt sind. Die Gebiete außerhalb dieser Anregungs-

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zone sind passiv und optisch absorbierend, so daß nicht vollständig auf die Anregungszone begrenzte Moden, wie-z.B. die normalen Fabry-Perot-Moden, unterdrückt werden. Die Breite der Wellenfront des angeregten Modes wird auf die Breite der die angeregte Zone bildenden Streifen begrenzt.

Die selektive Anregung wird durch Strombegrenzung erreicht, wobei ein streifenförmiger metallischer Kontakt entsprechender Formgebung auf der Oberfläche der p-leitenden Galliumaluminiumarsenid-Schicht 4 verwendet wird. Der vom metallischen Kontakt 5 unbedeckte Rest der freien Oberfläche dieser Schicht 4 wird mit einer Siliciumdioxyd-Schicht 6 zwecks elektrischer Isolierung bedeckt, so daß diese Fläche des Laserplättchens an einer nichtgezeigten , Wärmeableitung befestigt werden kann.

Der andere elektrische Anschluß wird am Laserplättchen mittels des methallischen Kontaktes 7| üblicher Form vorgenommen, der auf der rückwärtigen Oberfläche des Substrats 1 angeordnet ist. Die Seitenfläche einer Glasfaser, die aus dem Kern 8 und der ihn umgebenden Ummantelung 9 von kleinerem Brechungsindex als der des Kerns besteht, ist mit der einen Seitenwand des Laserplättchens so verbunden, daß deren Kern zur Galliumarsenid-Schicht 3 parallel ausgerichtet verläuft.

Wie bereits ausgeführt, muß, um die optische Kopplung zwischen Glasfaser und Laser zu erreichen, die Periodizität der optischen Störungen an der_ reflektierenden Fläche des neben der Glasfaser angeordneten Lasers der Wellenlänge der geführten gleichfrequenten Strahlung angepaßt werden, die sich in der Glasfaser mit gewünschtem Mode ausbreitet. Die Periodizität der optischen Störungen an der reflektierenden Fläche des Lasers wird von der Wellenlänge der Laserstrahlung im Laser und dem Einfallswinkel bestimmt, unter dem diese Strahlung die reflektierende Oberfläche trifft.

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Einfache geometrische Betrachtungen zeigen, daß dieser Einfallswinkel seinerseits vom Verhältnis der Länge zur Breite der GaI-liumarsenid-Schicht 3 bestimmt wird, das im folgenden als Seitenverhältnis des Lasers bezeichnet wird.

Die Länge der Kopplung wird durch den Teil der reflektierenden Seitenwand des Lasers begrenzt, der dem Glasfaserkern anliegt und der innerhalb der Grenzen derjenigen Zone der Galliumarsenid-Schicht 3 liegt, auf die der Stromfluß begrenzt ist. In Fig. 1 ist die koppelnde Zone als zwischen den durch die beiden gestrichelten Linien 10 angegebenen Grenzen liegend gezeigt.

Der tatsächlich erreichte Kopplungsgrad zwischen dem Laser und der Glasfaser hängt nicht nur von der Kopplungslänge, sondern auch vom Abstand zwischen dem Glasfaserkern und der benachbarten reflektierenden Seitenwand des Lasers-ab.

Verschiedene Überlegungen beeinflussen die Wahl dieser beiden Parameter. So sollte z.B. die Unterdrückung der Anregung unerwünschter Moden in der Glasfaser berücksichtigt werden. Die Querstreuung der optischen Energie in der Ebene des pn-übergangs bestimmt die Bestrahlungsbreite der Ausgangsfläche des Lasers und somit bei über dieser Fläche liegender Glasfaser die Länge des Kopplungsgebiets, die wiederum den Bereich der Fourier-Komponenten in der Periodizität der optischen Störungen bestimmt und somit die Zerlegung bei der Erzeugung von erwünschten bzw. unerwünschten Moden.

Ein 10 ,um breiter aktiver Laserfaden - die minimale Breite, die üblicherweise mit einem einfachen Streifer£kontakt ohne positive optische Begrenzung zusätzlich zur Strombegrenzung erreicht werden kann - unterdrückt beispielsweise in Glasfasern Moden, deren Wellenlängen 5 % oder mehr voneinander getrennt sind. Der größte eine solche Trennung ergebende Kerndurchmesser beträgt 1,2 .um

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mit einem proportionalen Brechungsindexdifferenzverhältnis zwischen Kern und Ummantelung von 7 %« Um bei dem benötigten prinzipiellen Seitenverhältnis des Lasers eine Herstelltoleranz von + 2,5 % zu erreichen, sollten diese Größen auf einen Kerndurchmesser von 1 Aim und ein Brechungsindexverhältnis von 10 % geändert werden.

Das Einkoppeln in einen Ein-Mode^Leiter mit breiterem Durchmesser mittels Erhöhung der Querstreuung der optischen Energie erforderte jedoch große Genauigkeit bei der Laserherstellung, um dem kleineren Toleranzbereich beim prinzipiellen Seitenverhältnis zu genügen (das Seitenverhältnis ist umgekehrt proportional zum Quadrat des Kerndurchmessers).

Um die Toleranzanforderung zu vermindern, könnte die Streuung der optischen Energie reduziert werden, jedoch erforderte dies eine positivere Führungsstruktur als den Streifenkontakt. Alternativ hierzu könnte die Glasfaser über der Fläche abgewinkelt sein und somit nur mit einem Teil der Länge des strahlenden Laserf'adens gekoppelt sein, wobei zugleich eine kleine Änderung bezüglich der Phasenanpassung vorzunehmen wäre. In beiden Fällen müßte der Kerndurchmesser der Glasfaser umgekehrt proportional zum Quadrat der Koppellänge verkleinert werden.

Die Streuung der optischen Energie senkrecht zum pn-übergang hat Jceinen Einfluß auf die Modenunterdrückung und kann somit durch eine geeignete HeteroStruktur bis zu irgendeinem für einen kleinen Schwellstrom nötigen Wert vermindert werden.

Die optische Energie wird zu gleichen Teilen in beide Richtungen entlang der Glasfaser ausgekoppelt, und zwar aus den beiden Richtungen der Lichtzirkulation des Laserxnodes. Daher ist die Anordnung nach Fig. 1 zur direkten Anwendung als optische Doppelrichtungsquelle geeignet, wie in Fig. 2a gezeigt ist.

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Alternativ hierzu kann Energie in nur eine Richtung geführt werden, wenn das eine Ende der Glasfaser mit einem reflektierenden Belag abgeschlossen wird« Die reflektierende Energie läuft nicht nur entlang der Glasfaser in der gewünschten Richtung zurück, sondern sie wird beim Betrieb auch in den Lasermode der zur ursprünglichen entgegengesetzten Zirkulation eingekoppelt, von dem sie abgeleitet war, synchronisiert somit beide Moden und bleibt kohärent mit dem vom zweiten Mode stammenden Ausgang» Diese Art der optischen Ein-Richtungsquelle ist in Fig. 2b gezeigt.

Vorausgesetzt, daß keine zufällige interne.Kopplung zwischen den beiden Moden besteht, ist die Phase der Reflexion und der Ort des reflektierenden Abschlusses unwichtig. Ein besonderer Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß die optische Hauptintensität des Resonators im Wanderwellengehalt des zweiten Modes besteht. Durch Eliminierung optischer Knoten führt dies zur Unterdrückung von axialen Moden höherer Ordnung, wodurch die spektrale Linienbreite der Quelle vermindert wird.

Wie bereits oben ausgeführt, hängt der Kopplungsgrad vom Abstand zwischen dem Glasfaserkern und der Laseroberfläche ab, wobei der verbleibende Raum mit Material vom Brechungsindex der Ummantelung gefüllt ist. Die Kopplung hängt auch etwas von der Streuung des strahlenden Fadens senkrecht zum pn-übergang ab. Bei einem Laser mit geringen inneren Verlusten, dessen Schwellstrom I ohne Ausgang nur einen geringen Teil des gewünschten Betriebsstroms I beträgt, kann die Ausgangskopplung beträchtlich variiert werden, ohne daß der Ausgang sehr beeinflußt wird. Beispielsweise verbleibt der Ausgang mit einem Verhältnis I/I_o = 5 und mit einer der dritten Potenz des Schwellstroms proportionalen Verstärkung (typisch für Raumtemperaturlaser) über einen Koppelbereich von 10 zu 1 innerhalb 10 % seines Spitzenwerts. Jedoch wird bei gegebenem Leistungspegel die Anzahl der axialen Moden in dem Maße

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ansteigen, wie die Kopplung und somit die Schwelle reduziert wird. Aus diesem Grund wird ein Abstand zwischen dem Laser und dem Wellenleiterkern von etwa 0,5 bis 5 ,um bevorzugt.

Es ist daher erforderlich, einen beträchtlichen Teil der Ummantelung einer üblichen Ein-Modus-Glasfaser im Kontaktgebiet mit der Ausgangsfläche des Lasers zu entfernen.

Die Anordnung nach Fig. 1 kann auch als Laserverstärker verwendet werden. Diese Anwendung weist in zweierleit Hinsicht Vorteile gegenüber den üblichen Fabry-Perot-Laserverstärkern auf. Zum einen sind Eingang und Ausgang in einer einzigen Glasfaser vereinigt, und zum andern verstärkt die Anordnung nur bei übertragung und nicht bei Reflexion.

Die Wirkungsweise des Verstärkers ist in Fig, 2c gezeigt. Um eine Verstärkung zu erzielen, muß der Laser mit einem Strom gespeist werden, der wenig kleiner als der zur Schwingungsanregung erforderliche Schwellwert ist. Die optische·Energie, wird dann vom einen Ende der Glasfaser her eingespeist und koppelt sich nur mit einem Ringmode des Lasers. Die Verstärkung findet im' Resonator statt, und die Energie wird in die Glasfaser in der ursprünglichen Richtung ausgekoppelt. Innerhalb der Glasfaser in umgekehrter Richtung sich ausbreitende Energie Xtfird in gleicher ,Weise richtungsverstärkt, wobei in den Mode der umgekehrten Zirkulation eingekoppelt wird. '

Die Anordnung nach Fig. 1·kann ebenso zur Energieauskopplung über ein schmales Frequenzband aus einer Glasfaser und Einspeisung unter Verstärkung in eine zweite Glasfaser verwendet werden. Auch bei dieser Anwendung muß der Laser mit einem Strom versorgt werden, der etwas niedriger als der zur Schwingungsanregung erforderliche Schwellwert ist. Dieser Betrieb als optische Kanalfalle oder -sperre (optical channel dropper) ist in Fig. 2d gezeigt. Die

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zweite Glasfaser ist an dar gegenüberliegenden Laserfläche angebracht. Durch Einstellung der Kopplung der zweiten Glasfaser derart, daß sie ausreichend größer als die Kopplung der ersten Glasfaser ist, kann der Eingang angepaßt werden« Somit gelangt die gesamte Eingangsleistung über den entsprechenden schmalen Frequenzbereich in den Laser, wird verstärkt und wird nur in einer Richtung in die Ausgangsglasfaser gekoppelt. Wellen der anderen Richtung in der Eingangsglasfaser werden in gleicher Weise gekoppelt, jedoch in die entgegengesetzte Richtung der Ausgangsglasfaser. Unter diesen Bedingungen stellt der Laser eine vernachlässigbare Diskontinuität für das Licht anderer Frequenzen dar_r die sich in der Hauptglasfaser ausbreite:^ Diese Anordnung kann so justiert werden, daß sie ein viel schma" res Frequenzband durchläßt als irgendein übliches passives Filter»

Wie schon erwähnt werden die durch das Seitenverhältnis des Lasers bedingten Toleranzforderungen wesentlich verschärft, wenn in Glasfasern eines größeren Kerndurchmessers eingekoppelt wird. Ein Weg, diese Toleransbeziehungen zu entschärfen, ist es, für den Ringmode des Lasers eine Passage durch einen Teil mit niedrigerem Brechungsindex vorzusehen, in welchem eine Reflexion unter fast streifendem 'Winkel erfolgt.

Dieser nützliche Effekt eines solchen Teils niedrigeren Brechungsindexes wird nun anhand der Figο 3 erläutert, worin der Ringmode durch den Strahlungsweg 30 angegeben ist. Bei diesem Mode wird einmal an jeder der vier reflektierenden Flächen 31a, 31b, 31c und 31d reflektiert=, Vor der reflektierenden Fläche 31b befindet sich das Gebiet 32 mit niedrigerem Brechungsindex.

Die äquivalente Anordnung ohne das Gebiet geringeren Brechungsindexes, das einen vergleichbaren Mode ergäbe, in dem die Einfalls-

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winkel der drei reflektierenden Flächen 31a, 31b und 31c ungeändert blieben, erförderte eine vierte reflektierende Fläche, die in der Position 3Ie angeordent werden müßte.

Wenn nun das Seitenverhältnis des Lasers durch Bewegung der reflektierenden Fläche 31b nach 31f geändert wird, folgt der neue Mode, der in der Anordnung mit dem Gebiet 32 niedrigeren Brechungsindexes gebildet wird, dem Strahlengang 33, während der neue Mode, der in der äquivalenten Anordnung ohne das Gebiet 32 niedrigeren Brechungsindexes gebildet wird, dem Strahlengang 34 folgte. Im Gebiet 32 niedrigeren Brechungsindexes ist der Strahlengang 33 gegenüber den entsprechenden Teilen des Strahlengangs 30 auffallend geneigt; es kann jedoch ,festgestellt werden, daß außerhalb des Gebiets 32 die Einfallswinkel sich um einen viel weniger grossen Betrag geändert haben, der beträchtlich kleiner als die Ände- rung zwischen dem Strahlengang 30 und dem Strahlengang 34 ist.

Fig. 3 zeigt somit die Tatsache, daß die Verwendung eines Gebiets niedrigeren Brechungsindexes die Einfallswinkel bei Reflexion des Modes im Gebiet höheren Brechungsindexes weniger kritisch vom Seitenverhältnis abhängen läßt.

üblicherweise kann das Gebiet niedrigeren Brechungsindexes des Ring-Laserraumes durch ein kurzes Stück einer Glasfaserleitung realisiert werden, die entlang ihrer Achse durch einen Durchmesser geschnitten wird.

Eine Anordnung mit einem solchen Stück einer optischen Leitung ist in Fig. 4 angegeben, wo bei 40 ein Doppel-Heterostruktur-Galliumarsenid-Galliumaluminiumarsenid-Injektionslaserplättchen gezeigt ist, das im wesentlichen dieselbe Konstruktion aufweist wie das Plättchen nach Fig. 1. Das Seitenverhältnis ist jedoch verschieden davon, und auch ein zweiter Unterschied kann festgestellt werden,

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nämlich bezüglich der Form der strombegrenzenden metallischen Kontakte 5 und 41. Der Kontakt 41 hat zwar ebenfalls die Form eines Streifens, der entlang den vier Seiten eines Parallelogramms zentriert ist, jedoch ist in diesem Falle das Parallelogramm an einer Ecke'derart geschnitten, daß sich an einer Kante des Plättchens eine Lücke 42 zwischen zwei Teilen des Kontakts bildet.

Ein kurzes Stück Glasfaserleitung, das entlang seiner Achse durch einen Durchmesser derart geschnitten ist, daß der halbzylindrische Teil 43 entsteht, wird mit seiner Achse zum pn-übergang des Lasers, wie bei 44 gezeigt, ausgerichtet angeordnet. Um einen guten Wirkungsgrad der Lichtübertragung vom Laserplättchen in das Kerngebiet 45 der geschnittenen Glasfaser 43 zu erreichen und vom Kerngebiet wiederum zurück in das Laserplättchen, wird der Antiref lexionsbelag 46 zwischen den beiden Teilen angeordnet. Wegen der zeichnerischen Klarheit des Übergangs des Laserlichts in die geschnittene Glasfaser und wieder zurück sind nur die Hälfte der geschnittenen Glasfaser 43 und der darunterliegende Antireflexionsbelag 46 ganz gezeichnet.

In den Gebieten des pn-übergangs, die unter dem Kontakt 41 liegen, wird durch den über den pn-übergang fließenden Strom die stimulierte Lichtemission angeregt, jedoch verhindert die vorhandene Lücke 42 die Bildung irgendeines Lasermodes, der ausschließlich durch das halbleitende Material des Chips begrenzt ist. Wenn der Antireflexionsbelag 46 gut genug ist, ist die Reflexion an dieser Grenzfläche so klein, daß kein solcher Mode aufrechterhalten wird, in welchem Falle die Lücke unnötig wäre.

Die Abmessungen des Plättchens und die Anordnung des Kontakts 41 werden im Hinblick auf die Abmessungen und die optischen Eigenschaften der geschnittenen Glasfaser derart gewählt, daß sich ein

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Mode einstellt, der hauptsächlich durch das halbleitende Material begrenzt ist, jedoch durch das Licht vervollständigt wird, das einen kurzen Umweg durch die geschnittene Glasfaser nimmt. Im Uhrzeigersinn unter.dem Kontakt 41 zirkulierendes Licht tritt an der links von der Lücke 42 liegenden Kante des Laserplättchens unter dem für den Eintritt in die geschnittene Glasfaser 43 geeigneten Winkel aus. Es unterliegt an der gekrümmten Grenzfläche zwischen Kern und Ummantelung einer Reflexion, die es wieder in das Laserplättchen an der entsprechenden Stelle unter dem rechts von der Lücke 42 liegenden Teil des Kontaktes zurücklenkt. Der Antireflexionsbelag 46 dient lediglich dazu, die Verluste an den beiden Stellen der Grenzfläche zwischen Kern und Laserplättchen zu reduzieren, an denen das Licht durch sie liindurchtritt. Es tritt auch ein zweiter Mode auf, in dem das Licht denselben Weg nimmt, jedoch in entgegengesetzter Richtung zu der gezeigten, also im Gegenuhrzeigersinn zirkuliert.

Ein Vorteil der Verwendung des Kerns einer geschnittenen Glasfaser anstatt einer planparallelen Schicht für das Gebiet niedrigeren Brechungsindexes besteht darin, daß dies die Streueffekte am Spalt, wo das Licht aus dem Halbleiterplättchen austritt, kompensiert. Diese Streueffekte veranlassen den austretenden Strahl, seitwärts aufzufächern. Die zylindrisch gekrümmte Oberfläche des Glasfaserkerns läßt das reflektierte Licht wieder in einer schmalen Linie an der freilegenden Oberfläche des pn-übergangs fokussieren.

Eine Modifizierung der beschriebenen optischen Koppelanordnung betrifft die Grenzfläche zwischen dem Halbleitermaterial und dem Ausgang der optischen Glasfaserleitung. Deren Kern muß so angeordnet werden, daß sich derjenige passende Kopplungskoeffizient, ergibt, der die wirkungsvolle Energieauskopplung aus dem Ringmode in die Glasfaser bewirkt. Ein untergeordneter Effekt dieser Kopp-

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lung besteht darin, da.ß_f obwohl innerhalb des Gebiets der stimulierten Emission, wo der Strom fließt, die Nettoenergieübertragung in der richtigen Richtung, nämlich vom Laser in die Leitung, erfolgt, in den passiven Gebieten unterhalb der angeregten Gebiets jedoch der Energietransport in der falschen Richtung, nämlich vom Leiter in die optisch absorbierenden passiven Gebiete des pnübergangs, erfolgt.

Um den Betrag dieser Verluste zu reduzieren, sollte die optische Kopplung im Gebiet der stimulierten Emission enger gemacht werden als in den passiven Gebieten darunter. Dies wird dadurch erreicht, daß eine den Brechungsindex anpassende Interferenzschicht zwischen dem Kern der Glasfaserleitung und dem Gebiet der stimulierten Emission der Kante des pn-übergangs vorgesehen'wird.

Die Lage dieser Anpassungsschicht ist in Fig. 5 gezeigt, die eine Schnittansicht der Kopplung, geschnitten in der Ebene des pnübergangs, zeigt» In dieser Figur ist das Halbleitermaterial mit 50 bezeichnet, während das Gebiet der stimulierten Emission, die. durch die strombegrenzende Wirkung der Formgebung des darüberliegenden, jedoch nichtgeseigten Kontaktes gegeben ist, durch die Schraffierung 51 wiedergegeben ist. Die optische Ausgangsleitung ist mit 52 und deren Kern mit 53 bezeichnet. Die den Brechungsindex anpassende Interferenzschicht ist bei 54 gezeigt. In Querrichtung zum pn-übergang erstreckt sie sich über die Dicke des Halbleitermaterials, in Axialrichtung der Faserleitung jedoch erstreckt sie sich nur zwischen den zwei Grenzen des aktiven Gebiets der stimulierten Emission,

Die Verwendung dieser Anpassungsschicht ist besonders vorteilhaft bei Anordnungen, die einen relativ hohen Grad der optischen Kopplung zwischen Laser und Leitung erfordern, wie z.B. Ringmode-Koppelanordnungen, wie sie in der englischen Patentanmeldung Nr. 50 081/71 beschrieben sind.

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Die Anpassungsschicht 5.4 kann eine Viertel-Wellenlängen-Schicht sein; jedoch ist es wirkungsvoller, wenn sie dicker gemacht wird, beispielsweise eine Dreiviertel-Wellenlängen-Schicht ist. Der Abstand zwischen Kern und pn-übergang ist dann für einen gegebenen Grad der optischen Kopplung im aktiven Gebiet größer, und somit wird die optische Kopplung im passiven Gebiet entsprechend reduziert. Bei der Angabe der Dicke dieser Schicht in 'Wellenlängenteilen muß jedoch berücksichtigt werden, daß diese für denjenigen schiefen Einfallswinkel zu berechnen ist, unter welchem das Licht des Lasermodes die Grenzfläche trifft.

Bei einigen Anwendungen sind die Abmessungen erart, daß die Verwendung des Antireflexionsbelags unbedingt erforderlich wird/ weil die Kopplungslänge derart kurz ist, daß ohne Antireflexionsbelag eine angemessene Kopplung nicht erreicht werden kann.

I.

16 Patentansprüche

4 Blatt Zeichnungen mit 5 Figuren

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Claims (16)

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   PATENTANSPRÜCHE ^l -

   l.y Optische Koppelanordnung für einen Halbleiter-Laser, der in einem Ringmode angeregt ist, dadurch gekennzeichnet, daß an dessen einer Seite eine Glasfaser derart angeordnet ist, daß sie mit dem Ringmode optisch gekoppelt ist.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Gebietes (10) der optischen Kopplung der Kern (8) der Glasfaser mit dem pn-übergang des Lasers in einer Linie liegt.
3. 3· Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser mit Mitteln zum Aufrechterhalten einer uneinheitlichen Stromdichte über dem pn-übergang versehen ist, so daß vorzugsweise der Ringmode erregt wird.
4. 4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel aus einem Metallkontakt (7) bestehen, dessen Formgebung einem ausgewählten Teil des pn-übergangs entspricht.
5. 5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der pn-übergang des Lasers in Galliumarsenid liegt.
6. 6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser ein Doppel-Heterostruktur-Galliumarsenid-Galliumaluminiumarsenid-Laser ist.
7. 7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine brechungsindexanpassende Interferenzschicht zwischen dem Kern und der anliegenden Kante des Lasers ange-

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   ordnet ist, wobei die Schicht sich lediglich über·solche Teile der Kante erstreckt, an welchen die Laserstrahlung auftrifft.
8. 8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht eine Dreiviertel-Wellenlägen-Schicht ist.
9. 9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial des Lasers vier paarweise durch Spaltung entstandene Seitenflächen aufweist, die einen rechtwinkligen pn-übergang bilden«
10. 10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringmode derart -ausgebildet ist, daß die im Laser umlaufende Strahlung einen geschlossenen Strahlengang aufweist, nachdem exakt eine Reflexion an jeder der vier durch Spaltung entstandenen Flächen aufgetreten ist.
11. 11. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser ein Gebiet niedrigeren Brechungsindexes als der des übrigen Gebiets enthält und daß der Ringmode durch diese Schicht seinen Weg nimmt und dort unter streifendem Winkel reflektiert wird. >
12. 12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht geringeren Brechungsindexes aus einem Stück Glasfaser besteht, das entlang seiner Achse durch einen Durchmesser geschnitten ist und bei dem die Reflexion an der gekrümmten Grenzfläche zwischen Kern und Mantel stattfindet.
13. 13. Anordnung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine Antireflexionsschicht zwischen dem Gebiet niedrigeren Brechungsindexes und den übrigen Gebieten des Lasers vorgesehen ist.

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14. 14. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 zur Verwendung

    als optische Ein-Richtungsquelle,-
15. 15. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 zur Verwendung als optischer Verstärker.
16. 16. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 zur Verwendung als optische Kanalfalle oder -sperre.

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    Leerse-ite-