DE2942204A1 - Halbleiter-lichtverstaerker - Google Patents

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 ,

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-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.

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Das Beispiel von Fig. 1A wird nachfolgend in Verbindung mit einem InGaAsP/InP-Doppel-Laser näher erläutert. Der Aufbau besteht aus einer η-In Ga_1- , As , P_1- -Überzugsschicht 9, einer aktiven In Ga₁ As P_1- -Schicht 5, einer p-In , Ga_1- , As , xixyiy χ ι χ y

P_1- -Überzugsschicht 10 und einer n-In ,, Ga_1- ,, As ,, P_1- ,-

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 Ga_1- As P_1- -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 , Ga_1- As , P_1- -Überzugsschicht 9 und der p-In , Ga_1- , χ ι χ y ι y χ ι χ

As ,, P_1- -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-

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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 , Ga_1- , 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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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

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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

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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.

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Claims (3)

PATENTANSPRÜCHE

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.

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