DE2410559A1 - Halbleiterlaser mit schmalbandiger emission - Google Patents

Description

• Halbleiterlaser mit schmalbandiger Emission Halbleiterlaser, besonders DoppelheterostruNctur-Lser aus GaAs-Ga1-xAlxAs, werden wahrscheinlich in zuktinftigen optischen Nachrichtensysteinen als Sender und als Teil der Zwischenverstärker in grobem Umfang zur Anwendung lcommen.
• Nachteilig für die praktische Anwendung von Halbleiterlasern in der optischen Nachrichtentechnik ist der relativ breit.
• Spektralbereich der emittierten Strahlung. Bedingt durch die Breite des verstärkenden Überganges von ca. 100 und die Eigenschaften des optischen Resonator strahlt der Layer eine Reihe von eng benachbarten Wellenlängen ab, deren Differen einige Å beträgt. Die spektrale Breite der Laserstrahlung führt bei Übertragung von Lichtpulsen durch optische Wellenleiter (Lichtleitfasern) wegen Dispersion zur Verbreiterung der Pulse und verringert somit die Bandbr@ite des Übertragungskanals.
• Aufgabe der nachfolgend beschriebenen Erfindung ist es, durch geeignete Ausbildung des optischen Resonators die Laserstrahlung auf ein sehr schmales Frequenzband einzuengen und damit einen optischen Sender aufzubauen, der für die Übertragung sehr großer Bandbreiten geeignet ist.
• Es ist bekannt, durch dielektrische Interferenzschichten Laserresonatoren aufzubauen; die nur tür schmale Wellenlängenbereiche hohe Reflexion aufweisen. Die üblicherweise verwendeten Spiegel aus dielektriechen A/4-sehichten haben 0 einen Bereich hoher Reflexion von etwa 500 bis 1 000 A Bandbreite und ergeben somit frequenzselektive Pesonatoren, die nur innerhalb dieses Bereichs hohe Güte aufweisen. Solche Resonatoren sind geeignet, um beim Vorliegen mehrerer laseriähiger Energieübergänge einzelne ralativ weit auseinander liegende Linien oder Liniengruppen zur Emission zu bringen. Ein Beispiel bietet der He-Ne Laser, der je nach Spiegelschicht bei 0,63 µm, 1,15 µm oder 3,5 µm emittieren kann (Physical Review Letters 6; 3 (1961) S. 106 -110; DAS 1 214 323).
• Bekannt ist ebenfalls, die bei Gaslasern auftretende Emission mehrerer, sehr eng nebeneinander liegender Frequenzen (Resonatormoden) durch zusätzliche Resonatoren innerhalb oder außerhalb de eigentlichen Laserresonators auf die Abstrahlung nur einer Frequenz zu reduzieren. Die gesamte Linienbreite beträgt jedoch nur ca. 0.1 i, der Abstand der Moden etwa 0t01 2. Der Zusatzresonator bewirkt, daß nur für eine Frequenz hohe Resonatorgüte besteht und deshalb nur diese eine Frequenz angeregt wird (DAS 1 280 442).
• Weiterhin ist bekannt, die Güte des optischen Resonators durch Polarisations-Interferenzfilter innerhalb des Resonators in periodische schmale Bereiche hoher und geringer GU-te zu unterteilen. Eine solche Anordnung kann verwendet werden, wenn z.B. von zwei eng benachbarter Emissionelinien die dominierende unterdrückt und die benachbarte angeregt werden soll, dadurchdaB für die dominierende Linie eine geringe, für die Nachbarlinie dagegen eine hohe Resonatorgüte eingestellt wird (DAS 1 296 286).
• Der optische Resonator wird bei Halbleiterlasern im allgemeinen aus zwei zur Verstärkungszone senkrechten,unverspiegelten Kristallbruchflächen gebildet. Wegen der hohen Brechzahl n der Substanzen, aus denen diese Laser aufgebaut werden (z.B. für GaAs n = 3,6) liegt die Reflexion einer solchen Grenzfläche gegen Luft höher als 30 %.
• Es ist bekannt, die Reflexion dieser Grenzflächen durch eine zusätzlich aufgebrachte, hodm@lektierende Spiegelschicht zu erhöhen. Dabei ist ea auch bekannt, eine oder beide spiegelnde Grenzflächen durch dielektrieche Belegungen tu bilden.
• Diese Belegung mit erhöhtem Spiegelvermögen erstreckt sich bei der vorbekannten Anordnung Jedoch nur über einen kleinen Teil der Grenzfläche, weil mit der teilweisen Versplegelung eine Begrenzung des aktiven Resonatorraumes und damit eine Konzentration der austretenden Strahlung, nicht Jedoch eine Einengung des Spektralbereiohes erzielt werden eoll (DAS 1 298 216).
• Auch die Erfindung geht von einem Halbleiterlaser aus, bei dem die eine der beiden optischen Resonator bildenden Kristallbruchflächen mit einer hochreflektierenden Spiegel schicht versehen ist. Zur Einengung des Spektralbereichs der emittierten strahlung schlägt die Erfindung vor, daß die der hochreflektierenden Spiegelechicht gegenüberliegende Seite des Resonatore mit einem schmalbandigen Interferenzfilter versehen ist, welches für die gewünschte Emissionswellenlänge des Lasers hohe Transmission und niedrige Reflexion aufweist und für benachbarte Wellenlängennahezu undurchlässig ist.
• Im Gegensatz zu den bisher bekannten Resonatorausführungen emittiert beim erfindungsgemäßen Vorschlag der Laser in einem schmalen Bereich geringer Resonatorgüte. Die Modenselektion wird nur durch die Eigenschaften der Interferenzschichten, die den Resonator bilden, erreicht. Benachbarte Moden werden zwar angeregt, können aber wegen der für sie sehr geringen Transmission des Interferenzfilters nicht emittiert werden. Die Anwendung des hier vorgeschlagenen Resonators ist von zwei Voraussetzungen abhängig, die nur von Halbleiterlasern erfüllt werden: 1) Sehr hoher Verstärkungsfaktor in der aktiven Zone 2) Relativ großer Abstand der Resonatormoden (einige ) bedingt durch einen geringen Abstand der Resonatorspiegel (einige 100 µm).
• Im folgenden wird die Erfindung an Hand der Fig. 2 näher beschrieben, während die Fig. 1 zu besserem Verständnis der Erfindung die Wirkungsweise eines bekannten Halbleiterlasers gegenüberstellt.
• Die teilweise perspektivische Darstellung der Fig. 1 zeigt in der Mitte einen quaderförmigen Halbleiterlaser, dessen natürliche Kristallbruchflächen in Richtung der eingezeichneten Pfeile den Resonatorraum in bekannter Weise begrenzen. Die aktive Zone des Resonatorraums ist an den Stirn@eiten schwarz ausgefüllt gezeichnet. Bei einem solchen Halbleiterlaser tritt an den beiden Seiten die durch Pfeile angedeutete strahlung auf. Das Reflexionsvermögen der Bruchflächen des Halbleiterkristalls liegt,wie bereits erwähnt, bei ca. 30%, wie die zu beiden Seiten des Halbleiterlasers gezeichneten oberen Diagramme ausweisen. In diesen beiden oberen Diagrammen ist jeweils die Abhängigkeit des Reflexionsvermögens von der erzeugten Wellenlinge # gezeichnet, die. hier über den gesamten Bereich konstant ist.
• Unterhalb dieser beiden Diagramme ist die Abhängigkeit der Emission von der Wellenlänge dargestellt. Man erkennt, wie bereits eingangs erwähnt, auf beiden Diagrammen die Ausbi1-dung mehrerer dicht benachbarter, steiler Emissionemaxima.
• (Moden), die hier idealisiert symmetrisch zur Mittenwellenlänge #o des Halbleiterlasers angeordnet sind.
• Zur Beseitigung dieser unerwünschten Verbreiterung des abgestrahlten Spektrums wird nun in der sum besseren Vergleich entsprechend Fig. 1 gegliederten Fig. 2 der qua derförmlge Halbleiterlaser 2 auf der linken Seite mit einer ho¢hreflektierenden Spiegelschicht 1 versehen. Wie das obere linke Diagramm ausweist, liegt das Reflexionsvermögen der Spiegelschicht bei 100 *, die darunter dargestellte Emission bei 0.%.
• Auf der gegenüberliegenden rechten Seite des Halbleiterlasers ist der Resonatorraum durch ein schmalbandiges Interferenzfilter 3 begrenzt. Dieses Interferenzfilter 3 ist nun so ausgelegt, daß es für die Mittenwellenlänge e des Lasers ein erheblich vermindertes Relexionevermögen bei nahezu vollständiger Transmission aufweist, so daß das unten links dargestellte Emissionsdiagramm bei der Mittenwellenlänge # o ein einziges steiles Maximum ergibt.
• Typische Werte für die Halbwertsbreite des Interferenzfilters 3 wären Je nach Abstand der Resonatormoden des Lasers etwa 2 bis 10 9. Das Transmissionsmaximum des Interferenzfilters 3 wird ungefähr auf die Mittenfrequenz des verstärkenden Überganges gelegt.
• Als Interferenzfilter kann vorzugsweise ein rein dielektrisches Schichtsystem aus zwei durch eine Abstands schicht getrennten Spiegelschlchten (Pabry-Perot Typ) verwendet werden.
• Die Halbwertsbreite ## eines solchen Interferenzfilters ergibt sich aus; wobei odie Durchlaßwellenlänge, m die sogenannte Ordnung und die gemittelte Reflexion der opiegelachichten bedeutet (W. Heitmann, Z. angew. Phys. 19; 5, 392, 1965).
• Die Ordnung m bedeutet in erster Näherung die Zahl der halben Wellenlängen, die in die Abstandeschicht hineinpaßt.
• Sie kann nach m ~ 2 nd/# # berechnet werden. Dabei ist n die Brechzahl und d die Dick. der Abstandsschicht.
• Die maximale Durchlässigkeit Tm des Interferenzfilters bei x O beträgt: (2) Tm = [1 - v/(1-R)]2 V ist dabei der gemittelte Verlust der beiden Spiegelechichten. Bei verlustfreien Schichtsystemen und gleicher Reflexion der Spiegelschiohten beträgt Tm stets 100 . Bei unsymmetrisohen verlustfreien Interferenzfiltern, d.h. bei Interferenzfiltern aus Spiegelschichten mit unterschiedlicher Reflexion, sinkt die maximale Durchlässigkeit (H.A. Macleod in "Thin Film Optical Filters, Verlag: A. Hilger, London 1969) und das Interferenzfilter reflektiert 1 - Tm bei AO o . Zweckmässig wird man die Differenz in der Reflexion der Filterspiegel gerade so wählen, daß der Laser die maximale Ausgangsleistung emittiert. Da Halbleiterlaser einen sehr hohen Verstärkungs faktor aufweisen und der rüökwärtige Laserspiegel fast 100 % reflektieren soll, wird dazu bei # o nur eine geringe Reflexion des Interferenzfilters und eine entsprechend hohe Transmission erforderlich.
• Die Halbwertsbreite des Interferenzfilters (siehe Formel 1) hängt von der Differenz 1- und der Ordnung m ab. Bei einem unsymmetrischen Interferenzfilter kann die Differenz 1- nicht beliebig verringert werden. Um die erforderliche geringe Bandbreite des Interferenzfilters zu erreichen, wird m entsprechend erhöht.
• Nach dem heutigen Stand der Technik können Interferenzfilter hergestellt werden, bei denen das Verhältnis von Tm zur Transmission im angrenzenden Sperrgebiet Werte von 104 und darüber erreicht. Die Flankensteilheit der Interferenzfilter läßt sich durch mehrfache Wiederholung der Fabry-Perot Struktur verbessern. Wenn der Laser s.B. fUr Tm = 90 % seine maximale Ausgangsleistung bei A o emittiert, können somit benachbarte Wellenlängen sehr wirkungsvoll unterdrückt werden.
• Um die L'missionswellenlänge des Lasers und das Durchlaßmaximum des Interferenzfilters aufeinander abzustlmmen,gibt es folgende Möglichkeiten: a) Das Interferenzfilter wird nachträglich, während der Laser in Betrieb ist, durch Verfahren, die die optische Dicke der Teilschichten beeinflussen, z.B. durch Tempern, auf die Laserwellenlänge abgestimmt.
• b) Die Laserwellenlänge wird z.B. über die Temperatur des Lasers auf das Durchlaßmaximum des Interferenzfilters eingestellt und stabilisiert.
• b) Die Halbwertsbreite des Interferenzfilters wird etwa so gewählt, daß sie mit dem Abstand zweier benachbarter Emissionelinien übereinstimmt. Dadurch ist gewährleistet, daß stets eine der Linien, höchstens aber sei, vom Laser emittiert werden. Zwar wird dadurch die Bandbreite der Strahlung vergrößert, eie ist jedoch gegenüber der des Lasers ohne Interferenzfilterresonator um etwa eine Grössenordnung verringert.

Claims (11)

Patentansprüche

1. Halbleiter-, insbesondere Doppelheterostruktur-Laser aus GaAs-Ga1-xAlxAs, bei dem die eine der beiden den optischen Resonator bildenden Kristallbruchflächen mit einer hochreflektierenden Spiegelschicht versehen ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zur Einengung des Spektralbereichs der emittierten Strahlung die der hochreflektierenden Spiegelschicht (1) gegenüberliegende Seite des Resonators (2) mit einem schmalbandigen Interferenzfilter (3) versehen ist, welches für de gewünschte Emissionswellenlänge des Lasers hohe Transmission und niedrige Reflexion aufweist und für benachbarte Wellenlängen nahezu undurchlässig ist.

2. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die hochreflektierende Spiegelschicht (1) als dielektrisches Schichtsystem mit einer Reflexion nahe 100 % ausgeführt wird.

3. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Interferenzfilter (3) als Fabry-Perot-Silter sufgebaut und aus dielektrischen Teilschichten hergestellt ist.

4. Halbleiterlaser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Interferenzfilter (3) als Mehrfach-Fabry-Perot-Filter aufgebaut und aus dielektrischen Teilschichten hergestellt ist.

5. Halbleiterlaser nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Interferenzfilter (3) aus Spiegelschichten mit untersohiedlicher Reflexion aufgebaut ist.

6. Halbleiterlaser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Unterschied in der Reflexion der Spiegelsohichten des Interferenzfilters (3) so gewählt ist, daß die Transmission des Interferenzfilters im Maximum den Wert erreicht, bei dem der Laser die maximale Leistung emittiert.

7. Kalbleiterlaser,nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Interferenzfilter (5) nachträglich; vorzugsweise durch Tempern, auf die gewünschte Laserwellenlänge abgestimmt ist.

8. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserwellenlänge auf das Durchlaßmaximum des Interferenzfilters eingestellt und stabilisiert ist, vorzugsweise über die Temperatur des Lasers.

9. HalbleiterlaBer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbwertsbreite des Interferenzfilters 8o gewählt ist, daß sie etwa mit dem Abstand zweier benachbarter Emissionalinien des Lasers übereinstimmt.

10. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Interferenzfilter als getrenntes Bauelement hergestellt und nachträglich mit der einen Resonatorfläche in optischen Kontakt gebracht ist.

11. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Interferenzfilter auf ein optisches Bauelement, an das der Laser angekoppelt werden soll, aufgebracht und nachträglich mit dem Laser in optischen Kontakt gebracht ist. L e e r s e i t e