DE2450950A1 - Injektions-halbleiterlasereinrichtung - Google Patents

Injektions-halbleiterlasereinrichtung

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DE2450950A1 DE19742450950 DE2450950A DE2450950A1 DE 2450950 A1 DE2450950 A1 DE 2450950A1 DE 19742450950 DE19742450950 DE 19742450950 DE 2450950 A DE2450950 A DE 2450950A DE 2450950 A1 DE2450950 A1 DE 2450950A1
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Description

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PATENTANWALT C. 'Λ 0 U O 0 U
8 MÜNCHEN 71
hi n delan g sth. 8 telefon 089/757725 : patitia München
Nippon Electric Company, Limited
33-1, Shiba Gocbome, Minato-ku Tokio/Japan
Injektions-Halbleiterlasereinrichtung
Die Erfindung betrifft eine Injektions-Halbleiterlasereinrichtung mit einem Halbleiterlaser innerhalb eines Gehäuses.
Die Zusammensetzung einer doppelten Heterostruktur zu einem Injektions-Halbleiterlaser erlaubt eine kontinuierliche Oszillation schon bei Raumtemperatur. Die Lebensdauer eines solchen Lasers wurde erfinderseits wesentlich erhöht, so daß gute Aussichten zur Herstellung von Halbleiterlasern bestanden, die über 10 OO Stunden bei Raumtemperatur und mit einer verfügbaren Lichtleistung in der Größenordnung von 10 mW kontinuierlich oszillieren. Parallel mit der Entwicklung verschiedener Streifenstrukturen wurden erfinderseits Überlegungen angestellt, denen zufolge die Schwingungsart von Laser-Licht wirkungsvoll beeinflußt werden kann. Unter diesem Umständen suchte man nach einem leicht zu handhabenden und praktikablen Injektions-Halbleiterläser. Allerdings
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DEUTSCHE BANK AQ KONTO-NH. 58/22 531 POSTSCHECK MÜNCHEN 145918-809
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mußten hierzu erst einige Probleme, wie vor allem die Ummantelung des Laserelements, gelöst werden.
Der Halbleiterlaser ermöglicht hochfrequente Direktmodulation bei Frequenzen in der Größenordnung von G-igaherz.
Ein bekanntes, kommerziell erhältliches Gehäuse.mit der Bezeichnung RCAOP-3 von der RGA in den USA besitzt einen Aufbau wie ein allgemein bekanntes Transistorgehäuse. (Das RCAOP-3 hat ein Oberteil aus Glas anstelle aus Metall.) Trotzdem ist dieser Aufbau nicht sehr praktisch. Z.B. hat das Gehäuse eine verlängerte Anschlußklemme, an der der Strom eingespeist wird, so daß durch die hierdurch vergrößerte Induktivität und Kapazität die Hochfrequenzeigenschaften verschlechtert werden. Weiterhin kann bei diesem Aufbau der Laserstrahl nur an einer Seite des Lasers abgestrahlt werden. An der' anderen Seite des Lasers wird der Laserstrahl zerstreut, so daß er unbrauchbar ist oder der Strahl wird durch einen reflektierenden Filmüberzug am Ende des Lasers total reflektiert. Es ist jedoch in verschiedener Hinsicht von Vorteil, wenn die Laserstrahlen in beiden Richtungen nutzbar sind.
So kann der eine Laserstrahl beispielsweise vorteilhafterweise zu Überwachungszwecken benützt werden. Wird das Ausgangslicht auf den Stromversorgungsteil rückgekoppelt, kann ein Laserstrahl dazu benutzt werden, Schwankungen zu unterdrücken, die von Temperaturschwankungen in der Umgebung, charakteristischen Abweichungen oder sonstigen Gründen herrühren.
Die beiden Laserstrahlen können in Kombination benutzt werden oder es kann ein Laser-Verstärker gebildet werden, wenn ein Laserstrahl als Eingang und der andere als Ausgang benutzt wird, indem er durch einen geeigneten Überzug über den Laserkristall aus nichtreflektierendem Film in einem verstärkenden Zustand gehalten wird.
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Eine noch bekannte Gehäuseform besteht darin, daß der Laserkristall wie eine lichtemittierende Diode direkt in Epoxydharz gegossen wird. Allerdings ist diese Anordnung hinsichtlich der Zuverlässigkeit und der Wärmeabfuhr unbefriedigend.
Deshalb ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Injektions-Halbleiterlaseranordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, die zwei Laserstrahlen von zwei Spiegeloberflächen abstrahlt, welche eine gute Hochfrequenzcharakteristik aufweisen, bei Raumtemperatur mit kontinuierlicher Oszillation betrieben und mit geringem Aufwand und niedrigen Kosten industriell hergestellt werden kann.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein zylindrischer Hohlkörper aus transparentem Isoliermaterial an seinen beiden Enden von zwei Elektroden bildenden Metallkörpern dicht abgeschlossen ist, von denen der eine Metallkörper sich mit einem sockeiförmig vorspringenden Teil axial in das Innere des von dem zylindrischen Körper umschlossenen Raum hineinerstreckt und der auf dem vorspringenden Teil zentrisch ruhende Halbleiterlaser mit seiner einen Elektrode thermisch und elektrisch mit dem vorspringenden Teil verbunden ist und die andere Elektrode über einen flexiblen elektrischen Leiter an den anderen Metallkörper angeschlossen ist.
Der Metallkörper, der den Laserkristall hält, besteht aus einem wärmeabsorbierenden Material und ist mit einer Wärmesenke verbunden oder ist als Teil einer Wärmesenke ausgebildet.
Stattdessen kann auch ein Teil des Metallkörpers durch ein elektrisch isolierendes, thermisch leitendes Material ersetzt sein.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus weiteren Unteransprüchen und/oder der nachfolgenden Beschreibung.
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Erfinderseits sind mehrere Bedingungen aufgestellt worden, die von der erfindungsgemäßen Halbleiterlasereinrichtung erfüllt werden sollen. Im einzelnen handelt es sich um folgende:
Zwei entgegengesetzte Laserstrahlen sollen von zwei Oberflächen des Laserkristalls erhalten werden. Der Laser soll bei höheren Frequenzen betrieben werden können. Einekontinuierliche Oszillation soll bei Raumtemperatur erzielbar sein. Es soll möglich sein, daß der Laserkristall hermetisch abgeschlossen angeordnet ist. Es soll verhindert werden, daß der Laserkristall beim Anschließen an den leitenden Draht einer übermäßigen Beanspruchung ausgesetzt wird. Schließlich soll der Laserkristall in kleinen Abmessungen einfach und billig in Massenproduktion herstellbar sein. Die Bedeutung dieser Bedingungen und die beispielsweise Ausführung eines Halbleiterlasers nach der Erfindung, der die vorstehenden Bedingungen erfüllt, wird nachstehend mehr im einzelnen erläutert .
Zwei reflektierende Oberflächen eines Halbleiterlasers werden, wie üblich, durch Spaltung hergestellt und Laserstrahlen mit dem gleichen Ausgang werden von beiden reflektierenden Oberflächen in entgegengesetzte Richtungen abgestrahlt.
Es ist vorteilhaft, wenn beide Laserstrahlen gemeinsam benutzt werden.
In Licht-Nachrichtenübertragungsanlagen ist es vorteilhaft, wenn einer der Laserstrahlen zur Nachrichtenübermittlung dient und der andere für Überwachungszwecke benutzt werden kann. In einem streifenförmigen Laser mit einer begrenzten, engen aktiven Zone, die eine Schwingungstypbeeinflussung ermöglicht, ist die Lichtausgangsleistung ungefähr 10 mW, während ein Arbeitspunkt mit mindestens etwa 20 mA über dem Wellenstrom gewählt wurde, um Abweichungen von den Betriebsbedingungen im Laserelement zu \ermeiden.
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Der Schwellenwert verändert sich mit der Umgebungstemperatur und der Alterung des Elements.
Die Änderung des Wellenwertes "beträgt ungefähr 1 mA pro Grad Celsius bei Raumtemperatur, so daß es außerordentlich schwierig ist, die Laserausgangsleistung über einen längeren Zeitraum konstant zu halten. Der Gebrauch einer Temperaturüberwachungseinrichtung zusammen mit dem Laser spricht gegen die erwähnten "Vorteile des Halbleiterlasers, nämlich geringe Größe, kleines Gewicht und niedrige Kosten.
Eine Lösung dieses Problems besteht darin, den Ausgang eines der beiden Laserstrahlen auf die Laserstromquelle rückzukoppeln, um so den Arbeitsstrom zu überwachen. Auf diese Weise wird ein stabiler Laserausgang erhalten.
In der Praxis ist die Verwendung eines transparenten Zylinders sehr nützlich, um Laserstrahlen zu erhalten.
Mit der Anordnung, bei der Laserstrahlen in zwei Richtungen erhältlich sind, kann ein optischer Verstärker dadurch erhalten werden, daß die reflektierende Oberfläche mit einer anti-reflektierenden Schicht überzogen wird, um einen verstärkenden Zustand zu erreichen und dann ein Lichtstrahl von der anti-reflektierenden Oberfläche in den Laserkristall auf dem Wege eines einstrahligen Lichtsystems zurückgeführt wird, wobei dieser Lichtstrahl verstärkt und von der anti-reflektierenden Oberfläche zur anderen Seite emittiert wird.
Von dem grundlegenden Verhalten eines Lasers ist es bekannt, daß eine direkte Strommodulation bei Frequenzen in der Größenordnung von Gigaherz möglich ist. Deshalb ist es wünschenswert, daß die Resonanzfrequenz des Gehäuses ebenfalls in der Größenordnung von Gigaherz liegt. Angenommen, der transparente Zylinder sei aus Glas, und die beiden als Elektroden dienenden Metallkörper oben und unten am Zylinder besitzen eine kleine Induktivität, wie z.B. eine Scheibe«, Bei einer solchen An-
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■"· Q ^
Ordnung ist die Kapazität klein, da die Dielektrizitätskonstante von Glas ungefähr den Wert 2 aufweist, mit dem Ergebnis, daß das Gehäuse an einen Arbeitsbereich mit ausreichend hohen Frequenzen angepaßt werden kann.
Die Resonanzfrequenz des Glaszylinders kann mehrere GHz betragen, was leicht aus der Charakteristik eines Gehäuses für Gunn-Dioden oder IMPATI-Dioden abgeleitet werden kann.
Um eine kontinuierliche Schwingung bei Raumtemperatur zu erhalten, ist es vor allem wichtig, die Wärmeableitung von dem Laserkristall zu vergrößern. TJm die Erwärmung des Gehäuses von Beginn an zu kontrollieren, ist es wichtig, daß der Metallkörper in direktem thermischen Kontakt mit dem Laserkristall steht und mit einer Wärmesenke eine Einheit bildet, oder die Wärmesenke von einem Teil des Metallkörpers durchdrungen ist oder auf dem Metallkörper Verbindungslöcher vorgesehen sind, um eine wirksame thermische Kopplung zwischen Metallkörper und Wärmesenke zu gewährleisten. ,
Ein hermetischer Abschluß des Halbleiter-Laserkristalls ist unerläßlich, da er feuchtigkeitsempfindlich ist. Deshalb muß das Gehäuse abgeschlossen werden, indem der obere Metallkörper angeschweißt wird, nachdem der Laserkristall im Gehäuse eingebracht und befestigt worden ist.
Weiterhin muß ein besonders weicher elektrisch leitender Draht, wie z.B. ein Golddraht, für die Verbindung des elektrischen Anschlusses und der Laserkristallelektrode, die der Wärmesenke gegenüberliegt, benutzt werden, wobei ein leicht schmelzendes Metall, wie Zinn, mit Lötmittel geschmolzen wird. Wird ein fester Körper anstelle des weichen leitenden Drahtes für die Verbindung verwendet, so entsteht eine große mechanische Spannung in dem Laserkristall, wodurch die Lebensdauer herabgesetzt wird«,
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Es ist ersichtlich, daß die Erfindung die einfache Herstellung von kleinen, leicht zu handhabenden und billigen Halbleiterlasern ermöglicht. Die Verwendung eines kommerziell erhältlichen Glaszylinders dient dazu, die Kosten für die Anordnung wesentlich zu senken. Somit sind, wie oben erläutert, alle für einen hermetisch abgeschlossenen Injektions-Halbleiterlaser geforderten Eigenschaften durch die Erfindung weitgehend gelöst worden.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispieles mehr im einzelnen beschrieben und erläutert. In den zugehörigen, schematischen Zeichnungen zeigt:
Pig. 1 einen Längsschnitt durch einen Injektions-Halb-
leiterlaser nach der Erfindung und Fig. 2 einen Schnitt nach den Linien A-Af in Fig. 1.
Gemäß Fig. 1 ist ein Laserkristall 1 in ein hermetisch abgeschlossenes Gehäuse eingebaut. Ein Metallkörper 2 aus Kupfer umfaßt ein Gewindeteil 3 (z.B. von 8 mm Länge und 3 mm Durchmesser), ein Flanschteil 4 (z.B. 5 mm im Durchmesser und 0,3 mm dick) und ein vorspringendes Teil 5 (z.B. 2 mm im Durchmesser und 2 mm hoch). Ein Abschlußring 6 (z.B. 5 mm Außendurchmesser, 4 mm Innendurchmesser und 0,5 mm Dicke) ist durch Metallschmelzen konzentrisch auf das Flanschteil 4 eingepaßt. Ein Glaszylinder 7 aus Abdeckglasmaterial (z.B. 5 mm Außendurchmesser, 4 mm Innendurchmesser und 3 mm Länge) und ein Deckring 8 (mit z.B. 0,5 mm Stufen, 6 mm Außendurchmesser, 4 mm Innendurchmesser und 0,5 mm Dicke) ist konzentrisch auf den Abschlußring 6 durch Metallschmelzen aufgepaßt.
Die beiden Enden des Glaszylinders 7 wurden zuvor mittels eines bekannten Sinterungsvorganges metallisiert. Ein bekannter doppelt-heterostrukturierter Halbleiterlaserkristall wird zentrisch auf dem vorspringenden Teil 5 derart befestigt, daß
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die der aktiven Schicht des Kristalls näher gelegene Seite auf dem Teil 5 mittels Schmelzen von Zinn aufgebracht wird. Die Elektrode an der anderen Seite des Laserkristalls 1 ist mit dem stufenartigen Deckring 8 mittels eines aufgelöteten leitenden Drahtes 10, z.B. aus Gold, verbunden. Der Laserkristall ist ungefähr 80 Mikron dick und enthält eine aktive Schicht, die von der Oberfläche der P-Schicht, welche mit dem oberen Teil des vorspringenden Teiles 5 verbunden ist, einen Abstand von 3 Mikron hat. Weiterhin ist ein scheibenförmiger Metallkörper (z.B. 6 mm Außendurchmesser und 0,3 mm Dicke) zur Abdeckung durch Schweißen in einer Schutzgasatmosphäre mit trockenem Stickstoff auf dem Glaszylinder 7 befestigt, wodurch der Glaszylinder 7 abgeschlossen wird. Wenn der Flanschteil 4 positiv vorgespannt und der scheibenförmige Metallkörper 9 negativ vorgespannt sind und dann ein Strom in der Größenordnung des Schwellenstromes angelegt wird, erhält man einen Laserstrahl 11 in zwei verschiedenen Richtungen, wie es durch die gestrichelten Linien in Fig. 1 dargestellt ist. Für eine kontinuierliche Schwingung bei Raumtemperatur muß der Laser mittels des Gewindeteiles 3 an eine geeignete Wärmesenke gekoppelt sein. Der Zweck des Abschlußringes 6 besteht darin, den Glaszylinder 7 vor Bruch oder Verformung zu schützen, die auf Beanspruchungen zurückzuführen sind, die aus den unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Glaszylinder 7 und dem Flanschteil 4 während des Metallschmelzen bei hoher Temperatur herrühren. Die Gehäuseteile sind dicht miteinander verbunden, um eine hohe Zuverlässigkeit des Laserkristalls zu gewährleisten, wie es allgemein bei der Einkapselung von Transistoren bekannt ist. Da der Glaszylinder 7 eine Dielektrizitätskonstante von ungefähr 2 und eine Länge von etwa 3 mm hat, wird eine sehr kleine Kapazität erreicht. Dieses zylindrische Gehäuse stellt auch insgesamt eine sehr kleine Induktivität dar, deren größter Anteil sogar von dem kleinen leitenden Draht 10 herrührt, so daß praktisch ein Betrieb bei Frequenzen bis über 10 GHz möglich ist. Der Flanschteil 4 muß nicht notwendigerweise mit dem vorspringenden Teil 5 verbunden sein, kann aber mit diesem später verbunden werden^ 821/09?^
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Fig. 2 zeigt einen Schnitt entlang der Linie A-A1 in Pig. 1, bei der der Laserkristall 1 konzentrisch innerhalb des Glaszylinders 7 angebracht ist. Der Divergenzwinkel des Laserstrahles 11 ist in der Richtung parallel zum p-n-Übergang schmaler als in der Richtung senkrecht dazu. Er weist parallel zum p-n-Übergang etwa 5 bis 10° auf, gemessen an der Stelle mit dem halben Wert des Maximalwertes. Da der Glaszylinder 7 für den Laserstrahl als Linse wirkt, wird der Laserstrahl deformiert, wenn sich die Laserstrahlquelle außerhalb der Zylindermittelachse befindet. Der Laserkristall sollte daher möglichst genau in der. Mitte des Zylinders angeordnet sein.
Die Erfindung ist vorstehend anhand eines Beispieles beschrieben. Es ist klar, daß im Rahmen der Erfindung verschiedene Änderungen vorgenommen werden können. So kann das zylindrische Gehäuse z.B. aus Quarz oder künstlichem Saphir bestehen. Der Abschlußring 6 zur Verminderung der Wärmespannungen kann verschiedene Gestalten aufweisen und/oder aus verschiedenen, geeigneten Materialien bestehen. Die Erfindung ist nicht auf die angegebenen Abmessungen beschränkt, es können auch andere Abmessungen geeignet sein. Der Metallkörper kann auch mittels einer ebenen Fläche anstelle des Gewindeteiles mit der Wärmesenke verbunden sein. In dem dargestellten Beispiel besteht das vorspringende Teil 5, das Flanschteil 4 und das Gewindeteil 3 aus einem Metallkörper der auch die Wärmesenke umfassen kann. Um Erdungsproblemen vorzubeugen, kann der Metallkörper teilweise aus thermisch leitendem, elektrisch isolierendem Material, wie z.B. Beryllerde, bestehen. Der leitende Draht 10 kann auch die Form eines Bandes oder Streifens haben, wie z.B. bei Mikrowellentransistoren. Der Laserkristall kann außer der zweifachen Heterostruktur von jeder geeigneten Struktur sein. Das heißt, jede geeignete Form und/oder jedes geeignete Material kann für die verwendeten Teile zur Verhinderung von mechanischen Spannungen während des Einbaus verwendet werden," die von unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen den wesentlichen Teilen des Gehäuses herrühren. Sofern externes Licht
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ein Rauschen des Lasers hervorrufen sollte, kann der transparente Zylinder 7 mit einem schwarzen Überzug bedeckt sein, ausgenommen an den Laserstrahlaustrittsstellen. Wenn einer der beiden Laserstrahlen 11. für Überwachungszwecke oder zur Stabilisierung des Liehtausganges verwendet wird, kann die reflektierende Oberfläche des Laserkristalls, die der Ausgangsoberfläche gegenüberliegt, mit einem reflektierenden Film bedeckt sein, weil der an dieser Seite erhältliche Laserstrahl keines großen Ausgangssignales bedarf, wodurch der Hauptlaserstrahl verstärkt wird.
Patentansprüche
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Claims (7)

Patentansprüche
1. ilnjektions-Halbleiterlasereinrichtung mit einem Halbleiterlaser innerhalb eines Gehäuses, dadurch gekennzeichnet, daß ein zylindrischer Hohlkörper (7) aus transparentem Isoliermaterial an seinen beiden Enden von zwei Elektroden bildenden Metallkörpern (2, 9).dicht abgeschlossen ist, von denen der eine Metallkörper (2) sich mit einem sakelförmig vorspringenden Teil (5) axial in das Innere des von dem zylindrischen Körper umschlossenen Raum hineinerstreckt und der auf dem vorspringenden Teil zentrisch ruhende Halbleiterlaser (1) mit seiner einen Elektrode thermisch und elektrisch mit dem vorspringenden Teil verbunden ist und die andere Elektrode über einen flexiblen elektrischen Leiter (10) an den anderen Metallkörper (9) angeschlossen ist.
2. Injektions-Halbleiterlasereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Hohlkörper (7) aus Glas ist..
3. Injektions-Halbleiterlasereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der den Halbleiterlaser tragende Metallkörper (2) wenigstens teilweise aus einem wärmeabsorbierenden (wärmeabführenden) Material besteht.
4. Injektions-Halbleiterlasereinrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der den Halbleiterlaser tragende Metallkörper (2) mit einer Wärmesenke verbunden ist.
5. Insektions-Halbleiterlasereinrichtung nach einem der Ansprüche 1, 3 und 4» dadurch gekennzeichnet, daß der den Halbleiterlaser tragende Metallkörper (2) mit einem schmalen Plansch (4) versehen ist, der über einen Zwischenring (6) aus einem thermische Spannungen zwischen dem zylindrischen
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Hohlkörper (7) und dem Metallkörper (2) vermeidenden Material an den Hohlkörper (7) dicht anschließt.
6. Injektions-Halbleiterlasereinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Metallkörper (9), der dem den Halbleiterlaser tragenden Metallkörper (2) abgewandt ist, und dem zylindrischen Hohlkörper (7) ein elektrisch leitender Zwischenring (8) angeordnet ist, der eine stufenförmige Ausnehmung aufweist, an die der flexible Leiter 10 angeschlossen ist.
7. Injektions-Halbleiterlasereinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallkörper (9) als flacher Deckel ausgebildet ist.
B Π 9 R ? 1 / Π <1 7 3
DE19742450950 1973-11-21 1974-10-26 Injektions-halbleiterlasereinrichtung Pending DE2450950A1 (de)

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