DE2942204A1 - Halbleiter-lichtverstaerker - Google Patents
Halbleiter-lichtverstaerkerInfo
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Description
Firma KOKUSAI DENSHIN DENWA KABHUSHIKI KAISHA, 2-3-2, Nishishinjuku,
Shinjuku-Ku, Tokyo-To, Japan
Halbleiter-Lichtverstärker
Die Erfindung betrifft einen Lichtverstärker, bei welchem ein Halbleiter mit das Licht verstärkender, aktiver Schicht Verwendung
findet.
Wenn man die Weglänge des Lichtes durch L ausdrückt, dann ergibt sich der Verstärkungsfaktor G des optischen Verstärkers durch folgende
Gleichung:
G = exp (g - Ot)L . . . ( 1 )
wobei g eine Verstärkungskonstante pro cm und Λ eine Schwächungskonstante
ist, die den Verlust pro cm Weglänge repräsentiert. Der Verstärkungsfaktor G erhöht sich mit einer Erhöhung von (g - 00)
oder L. Der Wert (g - Ot) steigt seinerseits mit einem Anstieg der Treiberstromdichte J, wobei es jedoch nicht zweckmäßig ist, die
Stromdichte J zur Erhöhung der Verstärkung anzuheben, weil dadurch das Element erwärmt wird, die Verstärkungstreue sinkt und
die Lebensdauer abnimmt. Eine bloße lineare Verlängerung der Strekkenlänge L vermindert die Anzahl der aus derselben Unterschicht
erhältlichen Elemente und ein langgestrecktes, rechteckiges Platt-
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-3- VoU V/04
chen mit einer Dicke von 100 μ, einer Breite von 250 μ und einer
Länge von 1 mm ist ohne Dispersion schwer herzustellen, und
zwar im Vergleich mit einem üblichen Plättchen einer Dicke von 100 μ, einer Breite von 250 μ und einer Länge von 300 μ; außerdem
besteht die Gefahr einer Verschlechterung der Eigenschaften sowie einer Spaltung durch leichte Schockeinwirkungen während der
Herstellungsvorgänge der Lackbindung, der Drahtbindung und dergleichen, was zu einem geringen Ertrag bei der Produktion führt.
Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden
und einen hochverstärkenden Halbleiter-Lichtverstärker mit optischer Führungsbahn in einer aktiven Schicht zu schaffen, und
zwar auf der Grundlage eines Körpers, der im wesentlichen dieselbe Größe hat wie die üblichen Halbleiter-Laser. Erfindungsgemäß
wird dann das in die aktive Schicht eindringende Licht während seiner Fortpflanzung längs eines langen, zick-zack-förmigen Weges
in der aktiven Führungsbahn verstärkt, wobei an Endflächen des Elements Reflektionen oder Totalreflektionen auftreten und wobei
dann das verstärkte Licht wieder aus der Führungsbahn entlassen wird.
Die Erfindung wird nachfolgend in Gegenüberstellung mit dem
Stand der Technik näher erläutert. Auf der Zeichnung zeigen:
Fig. 1A in perspektivischer Darstellung ein Beispiel für den Aufbau
eines üblichen Halbleiter-Lichtverstärkers mit Halbleiter-Laser ,
Fig. 1B in perspektivischer Ansicht eine aktive Schicht zur Erläuterung
der Begrenzung des Lichtes in seitlicher Richtung ,
0 3 (J M 7 / 0 9 2 3
-4- ο 9 L ?'
Fig. 2A perspektivische Ansichten zur Erläuterung einer spon- und 2B
tanen Lichtemission und einer induzierten Lichtemission im Lichtverstärker,
Fig. 3A, Vorderansichten zur Erläuterung von Ausführungsformen
3B, 4A
und 4B nach der Erfindung,
Fig. 5A Schnitte durch aktive Führungsschichten zur Verwendung und 5B
bei der Erfindung,
Fig. 6A Querschnitte durch Reflektionsschichten zur Verwendung
und 6B
bei der Erfindung,
Fig. 7 eine Diagramm zur Erläuterung der Totalreflektion bei
der Erfindung, und
Fig. 8A eine Draufsicht bzw. eine Vorderansicht zur Erläuterung und 8B
eines für die Erfindung bestimmten Gitterkopplers.
Um den Unterschied zwischen der Erfindung und dem Stand der Technik
klar herauszuheben, werden zunächst übliche Lichtverstärker beschrieben.
Ein typisches Beispiel für einen üblichen Halbleiter-Lichtverstärker
mit Halbleiter-Laser ist in Fig. 1A dargestellt. Der in Fig. 1A gezeigte Verstärker entspricht in seinem Aufbau vollständig einem
üblichen Halbleiter-Laser, um jedoch Laser-Schwingungen durch interne, spontane Lichtemission zu verhindern, besitzt er eine Antireflex-Uberzugsschicht
3 aus SiO , die durch Vakuumniederschlag auf die beiden gegenüberliegenden Endflächen 1 und 2 aufgebracht
ist, wobei diese Endflächen einen optischen Resonator bilden und so ausgebildet sind, daß auf die eine Endfläche 1 auffallendes
Licht in die aktive optische Führungsschicht 12 eindringt und als verstärkter Lichtausgang aus der anderen Endschicht 2 austritt.
03001 7/0923
Das Beispiel von Fig. 1A wird nachfolgend in Verbindung mit einem InGaAsP/InP-Doppel-Laser näher erläutert. Der Aufbau
besteht aus einer η-In Ga1- , As , P1- -Überzugsschicht 9, einer
aktiven In Ga1 As P1- -Schicht 5, einer p-In , Ga1- , As ,
xixyiy χ ι χ y
P1- -Überzugsschicht 10 und einer n-In ,, Ga1- ,, As ,, P1- ,-
Schicht 11, wobei diese Schichten nacheinander auf einer Unterschicht
8 gewachsen sind, etwa durch epitaxisches Wachstum in einer flüssigen Phase. Die Zusammensetzungsgrößen x, y der aktiven
In Ga1- As P1- -Schicht 5 werden in der Weise bemessen, daß zwischen
der aktiven Schicht und den Überzugsschichten bei einer gegebenen Schwingungswellenlänge eine Schichtverbindung erreicht
wird. Die Uberzugsschichten 9 und 10 dienen dazu, Träger, also Elektronenlöcher und Elektronen, auf die aktive Schicht 5 zu begrenzen
und auch eine Streuung des Lichts in Richtung der Dicke der aktiven Schicht. Die Grundlagen der Lichtverstärkung werden
nun anhand der Fig. 2A und 2B erläutert. Fließt durch das Bauelement ein Strom in Vorwärtsrichtung, dann werden Elektronen 55
(schwarze Kreisscheiben in den Fig. 2A und 2B) und Elektronenlöcher 56 (weiße Kreisscheiben in den Fig. 2A und 2B) von der
n-In , Ga1- As , P1- -Überzugsschicht 9 und der p-In , Ga1- ,
χ ι χ y ι y χ ι χ
As ,, P1- -Uberzugsschicht 10 in die Aktivschicht 5 injiziert,
in welcher dann die Elektronen 5 mit den Elektronenlöchern 56 rekombinieren, mit der Folge einer individuellen bzw. spontanen
Lichtemission 57. Gemäß Fig. 2A wird dabei das Licht in alle Richtungen emittiert. Wird nun der Stromfluß erhöht, dann beginnt
eine induzierte Emission, wie sie in Fig. 2B angedeutet ist. Bei dieser durch das Bezugszeichen 58 angedeuteten induzierten Emission
treten folgende Vorgänge auf. Ein angeregtes Elektron-Elektronenloch-Paar rekombiniert und emittiert Licht und dieses Licht
trifft auf ein anderes Elektron-Elektronenloch-Paar, welches da-
0 3 0 Ü 1 7 / 0 3 2 3
-6- 2 9 A 2 2 O
raufhin ebenfalls rekombiniert, und zwar ausgelöst durch den stimulierenden Lichteinfall. Das induzierte Licht pflanzt sich
in derselben Phase und in derselben Richtung wie das stimulierende Licht fort,und durch nacheinanderfolgendes Auftreten derartiger
Effekte ergibt sich eine Lichtverstärkung.
Bei dem Beispiel nach Fig. 1A wird Zink zur Diffusion gebracht und breitet sich nach unten in die p-In , Ga1- , As , P1 -Uberzugsschicht
10 aus, so daß ein streifenartiger Bereich 13 aus Diffusionszink entsteht. Dann werden Ohm'sche Elektroden 14 und
15 auf die Deck- und Bodenplatte des Baukörpers aufgebracht. Fließt über die Leitungen 16 und 17 ein Strom in Vorwärtsrichtung,
dann wirkt der stromdurchflossene, streifenartige Bereich
12 als Verstärkungsbereich. Dringt Licht in diesen Bereich ein, dann wirkt also der Baukörper von Fig. 1A als Lichtverstärker.
Wenn das einfallende Licht sich längs des Verstärkungsbereiches 12 fortpflanzt, wie durch 41 in Fig. 1B angedeutet, dann treten
keine Probleme auf. Wenn jedoch das einfallende Licht infolge besonderer Einfallbedingungen sich außerhalb des Verstärkungsbereiches
12 fortpflanzt, wie durch 42 angedeutet, dann nimmt die Verstärkungswirkung merklich ab.
Das Bauelement nach Fig. 1A begrenzt also das Licht in Richtung der Dicke der aktiven Schicht 5, nicht jedoch in seitlicher Richtung
dieser Schicht 5 und besitzt somit den Nachteil, daß sich Licht außerhalb des Verstärkungsbereiches fortpflanzt oder während
der Fortpflanzung seitlich gestreut wird, wie es in Fig. 1B durch 42 angedeutet ist.
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~7~ 29A220A
Nachfolgend wird nun die Erfindung beschrieben.
Die Fig. 3A, 3B, 4A und 4B zeigen Ausführungsformen der Erfindung
unter Verwendung eines InGaAsP/InP-DH-Lasers. Bei den Ausführungsbeispielen
nach den Fig. 3A und 3B sind Reflektionsschichten 18 durch Vakuumniederschlag auf beide Endflächen der aktiven
Schicht aufgebracht, und zwar zum Zweck der Reflektion von Licht in der aktiven Schicht. Bei den Ausführungsbeispielen nach den
Fig. 4A und 4B wird das Licht durch die Endflächen der aktiven Schicht einer Totalreflektion unterworfen. In den Fig. 3A und 3B
sind die aktiven Lichtführungen durch Schraffierungen angedeutet,
welche durch gestrichelte Linien begrenzt sind.
Um das Licht in seitlicher Richtung zu begrenzen, wird in die n-InP-Unterschicht 8 durch Ätzen eine V-förmige Kerbe eingebracht,
worauf dann die entsprechenden Schichten auf der Unterschicht zum Wachsen gebracht werden, beispielsweise wie in Fig. 5A gezeigt.
In diesem Fall steigt dann in gleicher Weise der Reflektionsindex der über der Kerbe liegenden aktiven Führungsschicht
12, so daß das Licht in der seitlichen Richtung begrenzt wird. Durch Eindiffundieren von Zink in Form eines Streifenbereiches
in die Schichten 11 und 10 und durch Anlegen eines Injektionsstromes an die aktive Führungsschicht 51 wird ein optischer Weg
erhalten, der eine stabile Lichtverstärkung gewährleistet. Eine ähnliche Führungscharakteristik kann auch dadurch erreicht werden,
daß dafür Sorge getragen wird, daß der Zinkdiffusionsbereich 13 sich bis hinunter zur aktiven Schicht 5 erstreckt.
Nachfolgend wird nun das Ausführungsbeispiel nach den Fig. 3A
und 3B erläutert. Fig.3A ist eine Draufsicht auf den Lichtver-
n -:■ μ ·■ -| \>
/ π ·ί ο "5
-8- 294.204
stärker und Fig. 3D ist eine Vorderansicht. Fig. 3Λ zeigt, wie
das Licht durch die durch Beschichten entstandenen Endflächen 20 und 21 in Zick-Zack-Form reflektiert wird. Ein eine Reflektion
verhindernder Film 24 wird im Vakuum auf jedei solcher Bereiche
der Endflächen niedergeschlagen, durch welche das Licht 6 eintreten soll und durch welche das Licht 7 austreten soll.
Weil der Reflektionsindex von InGaAsP etwa 3,8 beträgt,kann ein
die Reflektion verhindernder Film eines Durchlässigkeitsfaktors
von etwa 99% dadurch erhalten werden, daß Λ t „0 SiO oder CaWO.
als Material eines Durchlassiqkeitsfaktors nahe 73,8 = 1,95 verwendet
wird, wobei die Filmdicke optimal bemessen werden kann, auch unter Inbetrachtziehung eines schrägen Lichteinfalls. Das
einfallende Licht 6 hat einen Brechungswinkel Θ1 bei einem Einfallswinkel
θ und wandert in der aktiven Schicht längs des optischen Führungsweges 51 (in Fig. 3Λ durch gestrichelte Linien dargestellt),
welcher sich bei einer Konstruktion gemäß den Fig. 5A und 5B ergibt.
Die Endflächen, an welchen das Licht reflektiert wird, sind durch Vakuumniederschlagung mit Reflektionsfilmen beschichtet. Die reflektierenden
Flächen sollen Fi lmschi eilten mit möglichst hohem Reflektionsfaktor
sein. Liegt die verwendete Wellenlänge beispielsweise bei etwa 1,3 u, dann ergibt ein durch Vakuumniederschlagung
entstandener Kupferfilm einen Reflektionsfaktor von 98,1 % und
ein durch Vakuumniederschlagung erzeugter Silberfilm einen Reflektionsfaktor
von 99 %. Derartige Filme können jedoch nicht direkt auf die Endflächen aufgebracht werden, und zwar deshalb,
weil ja auf die Deck- und Bodenfläche des Verstärkers durch Vakuumniederschlagung
Ohm'sche Elektroden 14 und 15 (Fig. 3B) aufgebracht sind, die durch direkt auf die Endflächen aufgebrachte
030Ü1 7/0923
~9~ 294/204
Metallschichten kurzgeschlossen werden. Aus diesem Grund wird so vorgegangen, daß zunächst ein dielektrischer Film aus SiO,
Ai9O-. oder dergleichen mit einer bestimmten Dicke aufdampft wird
wird und daß dann erst ein Metall, etwa Kupfer oder Silber, darauf niedergeschlagen wird, wie dies in Fig. 6A angedeutet ist.
Ein Reflektionsfaktor über 99 % kann dadurch erhalten werden, daß
gemäß Fig. 6B Schichten aus MgF9 und ZnS abwechselnd übereinander
aufgedampft werden, wie dies zur Erzielung hochreflektierender Schichten bekannt ist.
Die Fig. 4A und 4B zeigen ein Beispiel, bei welchem das einfallende
Licht durch die beschichteten Endflächen total reflektiert werden. Dabei stellt Fig. 4A eine Draufsicht mit ersichtlichem
Lichtfortpflanzungsweg dar, während Fig. 4B die Vorderansicht zeigt. Wie bereits erwähnt, beträgt der Reflektionsfaktor von
InGaAsP etwa 3,8. Wenn nun Licht von der Innenseite der InGaAsP Schicht her auf die Endfläche unter einem Winkel trifft, der
größer ist als der kritische Winkel θ = sin -=—» = 15°, dann
tritt eine Totalreflektion auf (Fig. 7). Die Fig. 4A und 4B zeigen
den Fall eines Einfallwinkels von 45°. Da sich benachbarte Endflächen unter einem rechten Winkel kreuzen, beträgt der Einfallswinkel
an allen Reflektionssteilen R1 bis R„ somit 45°. Wenn
an den Ecken des Bauelements Eingangs- und Ausgangsbereiche für das Licht geschaffen werden, wie sie beispielsweise in den Fig.
4A und 4B durch T1 und T_ angedeutet sind, dann ist die Erzielung
des optischen Weges sehr leicht. Umßchwingungen zu vermeiden, besitzen
die Flächen 1 und 2 gegenüber der Schichtebene 27 einen Winkel von 45° oder 135° und werden einer optischen Polierung un-
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terworfen. Weiterhin sind eine Reflektion verhindernde Filmdie
schichten 24 vorhanden,/ähnlich denjenigen des Ausführungsbeispiels
auf den Fig. 6A und 6B sind und durch Vakuumniederschlagung auf die Eingangs- und Ausgangsendflächen aufgebracht worden
sind. Die aktive Führungsschicht 51 begrenzt das Licht in seitlicher Richtung, wie dies aus den Fig. 5A und 5B verständlich ist.
Um bei einer Totalreflektion an den Endflächen des Bauelements
den Eingang und den Ausgangs koppeln zu können, ist es möglich, das Licht direkt von der Eingangs-Endfläche auf den Verstärkungsbereich einfallen zu lassen; das Licht kann aber auch dadurch
der aktiven Führungsschicht zugeführt werden, daß ein sogenannter Gitterkuppler verwendet wird, der auf der Oberfläche des Verstärkungsbereiches
ein Gitter bildet.
Die Fig. 8A und 8B dienen zur Erläuterung des Gitterkupplers. Derjenige
Oberflächenbereich, durch welchen das Licht eindringen soll, wird durch Ätzen entfernt und es wird auf der Uberzugsschicht 10
eine Gitterstruktur gebildet. Durch geeignete Wahl des Gitterabstandes A und des Einfallswinkels θ kann das einfallende Licht 6
mit der aktiven Schicht 5 gekoppelt werden, wobei dann das Licht in der aktiven Schicht fortschreitet, wie durch den Teil 31 angedeutet
ist.
Selbstverständlich ist der erläuterte Halbleiter-Lichtverstärker
nach der Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele
beschränkt, vielmehr sind zahlreiche Abwandlungen möglich, insbesondere was die verwendeten Materialien und die Art der Einkopplung
und Auskopplung des Lichtes betrifft.
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Der erfindungsgemäße Halbleiter-Lichtverstärker eignet sich ins
besondere für die Anwendung auf dem Gebiet der Lichtübertragung durch optische Faser leitungen, insbesondere für Zwischen- und
Endstationen, sowie für die optische Informationstechnik.
0 3 Ü J 1 7 / 0 9 2 3
Claims (3)
1. Halbleiter-Verstärker, mit einer die Lichtverstärkung bewirkenden aktiven Halbleiterschicht, in welcher eine optische
Führungsbahn verläuft, wobei nur dieser optischen Führungsbahn zur Aktivierung derselben ein Strom zugeführt wird und das der
aktiven Führungsbahn zugeführte Eingangslicht dieser als verstärktes Ausgangslicht entommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die
aktive Führungsbahn so ausgebildet ist, daß das einfallende Licht während seiner optischen Verstärkung sich unter Ausführung zumindest
einer Reflation in der aktiven Führungsbahn fortpflanzt.
2. Halbleiter-Lichtverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die aktive Führungsbahn derart ausgebildet ist, daß die ReflektLon eine TotalreflektLon an einer zur aktiven Schicht
senkrechten Endfläche ist.
3. Halbleiter-Lichtverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die aktive Führungsbahn derart ausgebildet ist, daß die Reflektion an zumindest einer Reflektionsflache erfolgt,
die durch Niederschlagung an einer zur aktiven Schicht senkrechten
Endfläche angebracht ist.
0 3 0 0 17/0923
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(BLZ 700 304 0O) Konto Nr 254 649
(BLZ 700 304 0O) Konto Nr 254 649
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