DE3131232C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Halbleiterringlaser gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein derartiger Halbleiterlaser ist bekannt aus LASER + Elektro-Optik, (1976) Nr. 2, S. 44.

Ein Halbleiterlaser hat im Vergleich zu Gaslasern erhebli­ che Vorteile wie insbesondere kleine Abmessungen, geringes Gewicht, niedrigen Energieverbrauch, hohen Wirkungsgrad und niedrige Kosten. Daher werden Halbleiterlaser zuneh­ mend für optische Nachrichtentechnik, Laserdrucker, Video­ platten und dergleichen verwendet.

Es gibt jedoch Anwendungsfälle, bei denen bisher Halblei­ terlaser nicht verwendet worden sind, nämlich z. B. als Ringlaser-Gyroskopvorrichtung, die als Winkeldetektor bei einer Trägheitsnavigationseinrichtung für Flugzeuge oder dergleichen verwendet wird. Bei diesen Anwendungen ist es bisher üblich, Helium-Neon-Gaslaser zu verwenden.

Dies gilt auch für den bekannten Halbleiterlaser, dessen optisch geschlossener Ringresonator innerhalb des Laser­ elements selbst ausgebildet ist. Ein Halbleiterlaser die­ ser Art vermag nicht die für den angestrebten Verwendungs­ zweck erforderliche hohe Empfindlichkeit zu erreichen.

Dies liegt offenbar auch daran, daß der Wellenleiter­ bereich innerhalb der Kristallstruktur des Laserelements selbst so angeordnet ist, daß zu einer Lichtaus­ trittsfläche, durch die das emittierte Laserlicht den Halbleiterlaser verläßt, im folgenden kurz Spaltebene genannt, ein solcher Winkel vorliegt, daß diese Spaltebene als Spiegel dient.

Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, einen Halbleiterlaser so auszubilden, daß er die als Winkel­ detektor hoher Empfindlichkeit erforderlichen Eigen­ schaften besitzt.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung wird durch die Merkmale des Anspruchs 2 weitergebildet.

Aus Appl. Phys. Lett, Vol. 21, 1972, Nr. 6, S. 265 bis 267, ist ein Festkörperlaser, nämlich ein Nd-YAG-Laser bekannt, der eine Lichtquelle zum Pumpen erfordert, wodurch diese Laseranordnung zwangsweise sehr groß, sehr schwer und kostspielig ist und außerdem erhebliche Leistung ver­ braucht. Die Endflächen des Laserstabes dieser Laseran­ ordnung sind unter dem Brewsterwinkel gegenüber der Längs­ achse geneigt. Demgegenüber ist bei dem erfindungsgemäßen Halbleiterlaser der streifenförmige Wellenleiterbereich unter dem Brewsterwinkel gegenüber der Lichtaustritts­ fläche bzw. Spaltfläche geneigt.

Die Verwendung von Faserlichtleitern als Teil eines ring­ förmigen geschlossenen optischen Pfades, nämlich bei einem ringförmigen Interferometer, ist aus der DE-OS 28 04 119 an sich bekannt.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Halbleiterlasers wird eine zur Verwendung bei Ringlaser-Gyroskopvorrichtun­ gen oder dergleichen geeignete Anordnung geschaffen, die im Vergleich zu den bisher zu diesem Zweck verwendeten Ring-Gaslasern kleine Größe, geringes Gewicht, niedrigen Energieverbrauch, hohen Wirkungsgrad und niedrige Kosten besitzt.

Die Erfindung nutzt das Prinzip des Brewsterwinkels. Gemäß diesem Prinzip wird, wie in Fig. 1 gezeigt, bei Einfall eines Strahls von einem Medium I mit Brechungsindex n ₁ auf ein Medium II mit davon verschiedenem Brechungsin­ dex n ₂, wenn der Einfallswinkel R _i und der Durchlaßwinkel R _t die Bedingung R _i + R _t = 90° erfüllen, der Einfallswinkel R _i als Brewsterwinkel bezeichnet, und es gilt tan R _i = n ₂/n ₁.

Bei dieser Bedingung wird die linear polarisierte Welle des Strahls, deren elektrischer Feldvektor parallel zur Einfallsebene liegt, völlig reflektionsfrei. Bei der Erfindung ist in An­ wendung dieses Prinzips ein Wellenleiter eines Halbleiter­ lasers so angeordnet, daß der Neigungswinkel des Wellenleiterbereichs zur Normale auf eine Spaltebene des Lasers einen Brewsterwinkel bildet, bezüg­ lich des Wellenleiters und eines Mediums, welches der Spaltebene benachbart ist, so daß eine lineare polari­ sierte Welle, deren elektrischer Feldvektor parallel zu einer p-n-Übergangsebene liegt, an der Spaltebene nicht reflektiert wird. Außerdem ist ein ringförmiger optischer Pfad als Ringresonator außerhalb (extern) des Lasers so angeordnet, daß eine Ringlaserschwingung bewirkt wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend an­ hand der Zeichnungen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Diagramm zur Erläuterung des Prinzips des Brewsterwinkels;

Fig. 2 eine perspektivische schematische Ansicht zur Erläuterung des Aufbaus eines Ausführungsbei­ spiels für einen Halbleiterlaser;

Fig. 3 eine Teil-Aufsicht auf den Halbleiterlaser von Fig. 2; und

Fig. 4 bis 6 Darstellungen zur Erläuterung des Aufbaus von Aus­ führungsbeispielen eines Halbleiterring­ lasers.

Fig. 2 zeigt ein Beispiel eines Halbleiterlasers. Bezugszeichen 1 bezeichnet ein n-Ga-As-Substrat, Bezugs­ zeichen 2 bezeichnet eine n-Al _X₂ -Ga_{1 - X₂}-As-Überzugs­ schicht, Bezugszeichen 3 bezeichnet einen -As-Wellenleiterbereich, Bezugszeichen 4 bezeichnet eine aktive Al _X₁-Ga_{1 - X₁}-Schicht, und Bezugszeichen 5 be­ zeichnet eine -As-Überzugsschicht, wobei diese Schichten 2, 3, 4 und 5 einen streifenförmigen Mesa­ abschnitt bilden, der so ausgebildet ist, daß er einen Brewster­ winkel R _B bezüglich einer Normalen zu jeder Lichtaustrittsfläche oder Spalt­ ebene 6 aufweist. Bezugszeichen 7 bezeichnet eine n-Al _X₃-Ga_{1 - X₃-As-Außenschicht, Bezugszeichen 8 bezeichnet eine SiO2-Isolierschicht, welche den oberen Bereich der Außenschicht 7 außer dem streifenförmigen Mesaabschnitt bedeckt, Bezugszeichen 9 bezeichnet eine Cr-Au-Metallfilm­ elektrode, welche in direktem Kontakt mit der Überzugs­ schicht 5 des streifenförmigen Mesaabschnitts steht und die Isolierschicht 8 bedeckt, und Bezugszeichen 10 be­ zeichnet eine AuGeNi-Au-Metallfilmelektrode. Dieses Element wird in einem Verfahren hergestellt, bei welchem die Überzugsschicht 2, der Wellenleiterbereich 3, die aktive Schicht 4 und die Überzugsschicht 5 der Reihe nach auf dem Substrat 1 gezogen werden durch ein her­ kömmliches sequentielles Flüssigphasen-Aufwachsverfahren und dann der streifenförmige Mesaabschnitt der Schichten 2, 3, 4 und 5 durch Mesa-Ätzung gebildet wird. Indem wie­ derum ein Flüssigphasen-(Epitaxial-)Aufwachsverfahren verwendet wird, wird die Außenschicht 7 auf der oberen Fläche des Substrats 1 und auf den Seitenflächen des Mesa­ abschnitts gezogen, und dann wird SiO2 niedergeschlagen, um die Oberseite der Außenschicht 7 mit Ausnahme der Oberseite des streifenförmigen Mesaab­ schnitts zu überdecken. Danach wird eine thermische Diffu­ sion von Zn durch ein Fenster der SiO2-Schicht ausgeführt. Schließlich werden die Metallschichten der Elektroden 9 und 10 auf der Ober- und der Unterseite des Laserelementes durch eine Verdampfungsniederschlagsbehandlung gebildet (Refe­ renz: K. Saito und R. Ito "Buried-Heterostructure AlGaAs Lasers", IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. QE-16 (Feb. 1980) Nr. 2, S. 205-215). Wenn der Wellenleiterbereich 3 bei seiner Bildung so eingestellt wird, daß er einen Brewster­ winkel bezüglich der Normalen auf die Spaltebene 6 bildet, kann mittels des herkömmlichen Verfahrens ein Halbleiterlaser hergestellt werden, welcher an seiner Spaltebene 6 keine Reflexionsfunktion aufweist. Fig. 3 zeigt von oben eine schematische Ansicht des Halbleiterlasers von Fig. 2, wobei die p-n-Übergangsebene des Wellenleiterbereichs 3 zur Zeichenebene parallel ist. Ein spezielles Beispiel für den Brewsterwinkel R B wird folgendermaßen beschrieben: Wenn der Brechungsindex des Wellenleiterbereichs eines AlGaAs-Laserelementes etwa n 1 = 3,5 beträgt und der Brechungsindex des umgebenden Gaskörpers etwa n 2 = 1,0 beträgt, dann gilt R B ≅ arc tan (1,0/3,5) ≅ 16° Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Be­ zugszeichen 11 bezeichnet den beschriebenen Halblei­ terlaser, dessen Spaltebene 6 eine nichtreflek­ tierende Ebene geworden ist. Der Halbleiterlaser 11 ist über seine obere und untere Elektrode und über einen Widerstand 12 an eine Steuer-Stromquelle 13 ange­ schlossen. Das Bezugszeichen 14 bezeichnet eine Linse, Bezugszeichen 15 bezeichnet einen Spiegel und Bezugszei­ chen 15 A bezeichnet einen Strahlteiler, wodurch ein Ringresonator mit einem ringför­ migen geschlossenen optischen Pfad 16 über dieses System optischer Teile gebildet ist. Ein Strahl 19 im Uhrzeigersinn und ein Strahl 20 gegen den Uhrzeigersinn werden von dem Strahl­ teiler 15 A abgenommen. Wenn dieses Ausführungsbeispiel auf eine Ringlaser- Gyroskopvorrichtung angewandt wird, wird diese so aufgebaut, daß der Strahl 19 im Uhrzeigersinn und der Strahl 20 gegen den Uhrzeigersinn, welche den Strahlteiler 15 A durchlaufen, unter Verwendung eines Prismas, eines Spie­ gels oder dgl. (nicht gezeigt) zusammengeführt werden können und die Frequenzdifferenz der beiden Strahlen von einem optischen Detektor (nicht gezeigt) als Schwebungs­ signal einer Veränderung des optischen Ausgangssignals abgenommen wird. Werden in Fig. 4 mindestens einer von den beiden Spiegeln 15 und der einzelne Strahlteiler 15 A durch ein Beugungs­ gitter ersetzt, werden vorteilhaft die Einzelfrequenz-Wahleigen­ schaft und die Polarisationsebenen-Lineareigenschaft ver­ bessert. Fig. 5 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel. Bei diesem wird der ringförmige geschlossene optische Pfad durch einen Faserlichtleiter 17 anstelle der Spiegel 15 in Fig. 4 gebildet. In jedem der Ausführungsbeispiele der Fig. 4 und 5 ist das Medium, welches der Spaltebene 6 benachbart ist, ein gasförmiger Körper, wie zum Beispiel Luft oder dgl. Wenn eine ölgetränkte Linse oder dgl. anstelle der Linse verwendet wird, wird ein Medium wie Öl, Lichtleitkitt oder dgl. in einen Raum zwischen dem Halbleiter­ laser und der Linse gefüllt, und auch in diesem Fall muß der Neigungswinkel des Wellenleiterbereichs des Halbleiter­ lasers so eingestellt werden, daß er den Brewster­ winkel entsprechend diesem Medium aufweist. Fig. 6 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel, bei wel­ chem der Halbleiterlaser 11 und der Faserlichtleiter 17 direkt miteinander verbunden sind, ohne ein optisches System wie eine Linse oder dgl. einzufügen. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Wellen­ leiterbereich 3 des Halbleiterlasers 11 so eingestellt, daß sein Neigungswinkel bezüglich der Normalen zu der Spaltebene 6 der Brewsterwinkel R B unter Berücksichtigung des Laserelementmediums und des Mediums des Kerns 18 des Faser­ lichtleiters 17 ist. Der Kern 18 des Faserlichtleiters 17, dessen Endfläche so geschnitten ist, daß sie den ge­ nannten Winkel aufweist, und poliert ist, ist direkt mit dem Wellenleiterbereich 3 verbunden. Auf diese Weise wird die polarisierte Welle, welche parallel zu der p-n-Übergangs­ ebene ist, an der Verbindungsfläche völlig reflexionsfrei. Wenn der Brechungsindex des Wellenleiterbereichs 3 des Halbleiter­ lasers 11 etwa 3,5 beträgt und der Brechungsin­ dex des Faserlichtleiters 17 etwa 1,5 beträgt, ergibt sich in diesem Fall folgender Brewsterwinkel R B : R B ≅ arc tan 1,5/3,5 ≅ 23,2° Der Halbleiterlaser dieses Ausführungsbeispiels kann auf ähnliche Art wie oben hergestellt werden. Der ringförmige geschlossene optische Pfad, der den Fa­ serlichtleiter 17 außerhalb (extern) des Halbleiterlasers 11 umfaßt, bildet einen Ringresonator zum Bewirken einer Ringlaser-Oszillation und ist so angeordnet, daß ein im Uhrzeigersinn laufender Strahl 19 und ein gegen den Uhrzeigersinn laufender Strahl 20 von den beiden Enden eines gebogenen Abschnitts 21 des Faserlichtleiters 17 abführbar sind. Wenn eines der Ausführungsbeispiele der Fig. 5 und 6 für eine Ringlaser-Gyroskopvorrichtung verwendet wird, ist diese ähnlich dem Fall des in Fig. 4 gezeigten Bei­ spiels so eingerichtet, daß der Strahl 19 im Uhrzeiger­ sinn und der Strahl 20 gegen den Uhrzeigersinn unter Ver­ wendung eines Spiegels, eines Prismas oder dgl. (nicht ge­ zeigt) zusammengeführt werden können, so daß der Fre­ quenzunterschied der beiden Strahlen von einem (nicht gezeigten) optischen Detektor als Schwebungssignal einer Veränderung des optischen Ausgangssignals abgenommen wird.}

Claims (3)

1. Halbleiterringlaser, mit

• a) einem optisch geschlossenen Ringresonator und
• b) einem Wellenleiterbereich (3),

gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• c) der Wellenleiterbereich (3) wird durch einen im Halbleiterlaser (11) gebildeten streifenförmigen Mesaabschnitt gebildet,
• d) die Längsrichtung des streifenförmigen Wellenlei­ terbereichs (3) ist gegenüber der Flächennormalen der Lichtaustrittsflächen (6), durch die das emittierte Laserlicht den Halbleiterlaser (11) verläßt, um den Brewsterwinkel (R _B ) geneigt,
• e) der Ringresonator ist ein externer Resonator.

2. Halbleiterringlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Aufbau des externen Resonators ein Faserlicht­ leiter (17) verwendet wird.