DE3445725A1

DE3445725A1 - Halbleiter-laservorrichtung

Info

Publication number: DE3445725A1
Application number: DE19843445725
Authority: DE
Inventors: Naoki Hachioji Tokio/Tokyo Chinone; Yoshihisa Fujisaki; Motohisa Tokio/Tokyo Hirao; Yasutoshi Kashiwada; Shinji Kokubunji Tokio/Tokyo Tsuji
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1983-12-14
Filing date: 1984-12-14
Publication date: 1985-07-04
Also published as: JPH0666509B2; GB2151402B; DE3445725C2; GB8431202D0; JPS60126882A; US4665528A; GB2151402A

Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleiter-Laservorrichtung und insbesondere eine Halbleiter-Laservorrichtung mit verteilter Rückkopplung, in der eine Schwingung mit einer einzigen longitudinalen Mode hervorgerufen wird.

Bei derartigen Halbleiter-Lasern mit verteilter Rückkopplung ("Distributed-Feedback Semiconductor Laser"; im folgenden als "DFB-Laser" bezeichnet) ist im Inneren der Vorrichtung ein Gitter vorgesehen, um die longitudinalen Moden des Halbleiter-Lasers zu steuern. In einem herkömmlichen DFB-Laser treten im Prinzip zwei Moden mit demselben Schwellen-Verstärkungsfaktor auf. In der Praxis werden damit Schwingungen mit jeweils einer dieser zwei Moden hervorgerufen. Es ist daher schwierig, mit hoher Reproduzierbarkeit eine Schwingung einer einzigen longitudinalen Mode zu erzielen, da bei der Herstellung der Laser-Vorrichtungen geringfügige strukturelle Abweichungen auftreten.

DFB-Laser sind,beispielsweise aus folgenden Veröffentlichungen bekannnt:

(1) T. Matsuoka et al., Electron Lett., 18, 28(1982)

(2) S. Akiba et al., Jpn. J. Appl. Phys., 21, 1736(1982)

Die Grundbestandteile eines DFB-Lasers sind eine^aktive Schicht für die Lichtemission aufgrund injizierter Träger, eine Überzugs schicht zur Eingrenzung der Träger in der aktiven Schicht ("Carrier Confinement") und ein Gitter, das die verteilte Rückkopplung bewirkt. In einem herkömmlichen DFB-Laser hat eine longitudinale Mode, die nächst der durch die Gitterperiode vorgegebenen Bragg-WeIlenlänge liegt, die kleinste Schwellenverstärkung. Eine derartige longitudinale Mode tritt zu beiden Seiten der Bragg-Wellenlänge auf. Dadurch ist es schwierig, eine Schwingung mit ausschließlich einer Mode zu erzielen.

Aufgrund der Herstellungsabweichungen der Vorrichtungen und der

Strom- und Temperaturschwankungen treten Moden-Sprünge auf.

Angesichts des Standes der Technik liegt die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Halbleiter-Laservorrichtung anzugeben, mit der die den bekannten Laservorrichtungen anhaftenden Nachteile zumindest teilweise überwunden werden, und mit der es möglich ist, eine stabile Schwingung mit einer einzigen Mode zu erzeugen.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind in der erfindungsgemäßen Halbleiter-Laservorrichtung in Richtung ihrer optischen Achse zumindest zwei Bereiche mit unterschiedlichen Bragg-Wellenlängen angeordnet. Die Wellenlänge der longitudinalen Mode, die in dem einen der Bereiche die kleinste Schwellenverstärkung hat, wird der Wellenlänge der longitudinalen Mode überlagert, die in dem anderen der Bereiche die kleinste Schwellenverstärkung hat. Da die durch eine derartige Überlagerung hervorgerufene Mode eine geringere Schwellenverstärkung als alle anderen Moden hat, läßt sich eine stabile Schwingung mit dieser einen Mode erzielen.

Das Prinzip und bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1 ein Diagramm zur Erläuterung des Prinzips der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine Schnittansicht eines DFB-Lasers nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; Fig. 3 eine Schnittansicht eines DFB-Lasers nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 4 ein Diagramm des Schwingungsspektrums der erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 5
bis

Fig. 12 Schnittansichten weiterer Ausführungsbeispiele der Erfindung.

_ ₅ _ 3 U it O / Z D

Vor der detaillierten Beschreibung einzelner Ausführungsbeispiele wird kurz das der Erfindung zugrunde liegende Prinzip erläutert.

Wie in Fig. 1a gezeigt, sind in einem DFB-Laser longitudinale Moden entsprechend den Wellenlängen λ..*, λ.. ~ ···/ ^21' ^22' "'* möglich, wobei die Bragg-Wellenlänge λ, in der Mitte dieses Wellenlängenspektrums liegt. Bei einem herkömmlichen DFB-Laser wird eine Schwingung mit jeder der beiden Moden hervorgerufen, die den Wellenlängen \J- und λ»., mit der kleinsten Schwellenverstärkung entsprechen.

Die Bragg-Wellenlänge λ, läßt sich durch folgende Gleichung ausdrücken, wobei Λ die Gitterperiode angibt:

^Xb ^{= 2}'ⁿeff'^A

Hierbei gibt η _f^ den effektiven Brechungsindex an, der durch folgende Gleichung gegeben ist:

ⁿeff ⁼ ϊς ' ^{mit R}o ⁼ ¥

wobei λ die Wellenlänge der Schwingung und 3 eine Ausbreitungskonstante angibt.

Diese Konstanten sind in der die grundlegende Theorie der optischen Wellenleitung oder der Halbleiter-Laser behandelnden Literatur (z.B. "HETEROSTRÜCTURE LASERS", H.C. Casey, M.B. Panish, ACADEMIC PRESS) näher erläutert.

Aufgrund des oben beschriebenen Zustands ist es nicht möglich, eine stabile Schwingung mit einer einzigen Mode zu realisieren, da die λ-..-und λ_?1-Moden dieselbe Schwellenverstärkung aufweisen, wodurch aufgrund der Temperatur- und Stromänderungen ein Moden-Sprung auftritt.

Q / / ;~ '7 O ,C

Deshalb werden zwei Bereiche I (λ, _τ) und II (λ, _τ_) mit unter-

Dl DlI

schiedlicher Bragg-Wellenlänge (λ, ) hintereinander so in Richtung der optischen Achse angeordnet, daß die den Wellenlängen λ, _T und λ, _T mit der kleinsten Schwellenverstärkung entsprechenden Moden in den Bereichen I und II einander überlappen. Dieser Zustand ist in den Fig. 1b und 1c gezeigt. Aufgrund die ser überlagerung des Moden-Spektrums der Bereiche I und II tritt, wie in Fig. 1d dargestellt, nur noch eine einzige Mode mit der kleinsten Schwellenverstärkung auf. Damit erfolgt eine Schwingung immer mit dieser der Wellenlänge X_AR entsprechenden Mode, d.h. es wird eine Schwingung mit einer einzigen Mode erzeugt.

Der Abstand zwischen der Bragg-Wellenlänge (z.B. λ, _A) und der benachbarten Modenwellenlänge (z.B. λ, ) läßt sich durch folgende Gleichung ausdrücken:

wobei L eine entsprechende Hohlraumlänge angibt.

Wie aus der Beziehung λ, = 2·η _ff*A hervorgeht, läßt sich die Bragg-Wellenlänge für verschiedene Bereiche durch Veränderung von η ex- oder von Λ unterschiedlich einstellen, erf

Der effektive Brechungsindex η *ψ kann durch Veränderung der Dicke oder der Zusammensetzung eines den Wellenleiter bildenden Schichtenaufbaus verändert werden. Beispielsweise kann die Dicke der aktiven Schicht selbst oder die Dicke der optisehen Führungsschicht oder der Uberzugsschicht verändert werden. Ein genauere Beschreibung eines derartigen Aufbaus erfolgt bei der Erläuterung einzelner Ausführungsbeispiele der Erfindung.

Bisher wurde der Fall beschrieben, in dem das Gitter im "Resonator-Hohlraum" in zwei Bereiche aufgeteilt ist. Es kann jedoch auch eine Aufteilung in eine größere Anzahl von Bereichen erfolgen.

Die vorliegende Beschreibung bezieht sich weiterhin hauptsächlich auf die Einstellung der longitudinalen Mode. Zur Einstellung der sogenannten "Transversal-Mode", d.h. der Mode in Richtung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Laser-Lichts, können in Kombination mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung die bislang bekannten Verfahren verwendet werden. Beispielsweise kann neben dem erfindungsgemäßen Aufbau auch ein sogenannter "Buried Heterostructure"-Aufbau Anwendung finden.

Grundsätzlich läßt sich mit der erfindungsgemäßen Halbleiter-Laservorrichtung eine Schwingung mit einer einzigen longitudinalen Mode mit hoher Reproduzierbarkeit und ohne Beeinflussung durch Abweichungen der Vorrichtungen erzeugen.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben.

Fig. 2 zeigt eine Schnittansicht eines DFB-Lasers in einer Ebene parallel zur Ausbreitungsrichtung des Lichts. Wie in der Zeichnung dargestellt, sind auf einem η-dotierten InP-Substrat 1 mit einem bekannten Flüssig-Epitaxie-Verfahren nacheinander eine η-dotierte, etwa 2 μΐη dicke InP-Schicht 2 als Pufferschicht, eine etwa 0,1 um dicke In-. _co„Ga_n _ΛΛΟ

U,boz U , 41 ο

ASq 898^P0 -io2~^Sc^^lic^^{lt 3 a}"^^{s a}k^t:i-^ve Schicht und eine p-dotier-' u

te,bis zu 0,1 μια dicke In^_{71 7}Ga_Q ^₂₈₃As₀ ^₁₃P₀ ^^-Schicht 4

als optische Führungsschicht gebildet. Auf der Oberfläche der optischen Führungsschicht 4 wird eine Fotoresistschicht ausgebildet, wonach mittels eines bekannten Laserstrahl-Interferenzverfahrens ein Muster mit einer gewünschten periodischen Wellenform freigelegt wird. Wie in Fig. 2 gezeigt, unterscheiden sich in diesem Ausführungsbeispiel die Perioden der Wellen-

flächen I und II. Die Periode im Bereich I beträgt hierbei 230 nm, die im Bereich II 231,5 nm.

Anschließend wird die Oberfläche der p-dotierten InGaAsP-Schicht 4 unter Verwendung des oben genannten Fotolacks als einer Maske selektiv geätzt/ wobei eine Ätzlösung aus einer gemischten Lösung von HBr, HNO₃ und H₃O verwendet wird, um die periodisch gewellte Fläche auszubilden. Die Vertiefungen sind bis etwa 30 nm tief. Nach Ausbildung dieser periodisch gewellten Fläche werden nacheinander eine p-dotierte, bis zu 1,0 μπι dicke InP-Uberzugsschicht 5 und eine p-dotierte, bis zu 0,5 μπι dicke In_{0#81 4}Ga_0/18gAs_Q ^₀₅P₀ ^^-Schicht 6 als

Kontaktschicht aufgebracht. Eine n-Elektrode 9 aus Au-Sn und eine p-Elektrode 10 aus Cr-Au werden auf der Seite des η-dotierten InP-Substrats 1 bzw. auf der Seite der p-dotierten InGaAsP-Schicht 6 ausgebildet. Anschließend werden die Vorrichtungen, falls notwendig, getrennt. Die "Hohlraum"-Länge beträgt 300 μπι.

In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die Schichten bis zur optischen Führungsschicht 4 werden auf dieselbe Weise wie in dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel aufgebracht. Die Dicke der optischen Führungsschicht 4 wird jedoch nur im Bereich I durch selektives Ätzen verringert. Anschließend wird auf beiden Bereichen I und II eine gewellte Fläche mit derselben Periode ausgebildet. Da die Dicke der optischen Führungsschicht in den Bereichen I und II unterschiedlich ist, unterscheiden sich auch die effektiven Brechungsindizes und damit die Bragg-Wellenlängen in diesen Bereichen. Damit führt die Veränderung der Dicke zu einer Veränderung der Bragg-Wellenlänge und zu einer entsprechenden Änderung des effektiven Brechungsindex (η £~) . Die Periode der Wellenflächen 7 und 8 beträgt beispielsweise 230 nm, die Dicke der optischen Führungsschicht im Bereich I 0,1 μπι und die Dicke der optischen Führungsschicht im Bereich II 0,15 μπι. Mit einer derart aufgebauten Vorrichtung läßt sich,

wie in Fig. 4 gezeigt, eine Schwingung einer einzigen Mode mit einer Wellenlänge von 1,55 μΐη erzielen.

In Fig. 3 sind für entsprechende Bereiche dieselben Bezugszeichen wie in Fig. 2 verwendet.

In den Fig. 5 bis 11 sind Schnittansichten von Halbleiter-Laservorrichtungen nach anderen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung gezeigt. Alle Schnitte verlaufen, wie in Fig. 2, entlang der Ausbreitungsrichtung des Laser-Lichts. Auch in diesen Figuren sind für übereinstimmende Bereiche αχεί ο selben Bezugszeichen wie in Fig. 2 verwendet.

In Fig. 5 ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, in dem die periodisch gewellten Flächen 7 und 8 bezüglich der aktiven Schicht auf Seite des Substrats 1 angeordnet sind. Eine Halbleiterschicht 11, beispielsweise eine η-dotierte Ing .^₇Ga_n 203 As„ β·!-3^o oo-y-Schicht, dient als die optische Führungsschicht. Die Zusammensetzungen der anderen Schichten können denen im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 entsprechen. Die n-dotierte InGaAsP-Schicht 11 ist vorzugsweise 0,1 μΐη dick.

In Fig.6 ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, in dem die periodisch gewellten Flächen 7 und 8 ebenfalls auf der Seite des Substrats angeordnet sind, wobei die Dicke der optischen Führungsschicht 11 in den Bereichen I und II jedoch unterschiedlich ist. In diesem Ausführungsbeispiel stimmt die Periode der periodisch gewellten Flächen 7 und 8 überein, sie beträgt z.B. 230 nm. Als die optische Führungsschicht 11 dient beispielsweise die oben genannte η-dotierte In_{n 717}Ga_{n 000}As_{n c}-_oP_n -,_o~j~

U , / I / U , /O J U_rb|j U , ioI

Schicht, deren Dicke im Bereich I 0,2 μΐη und im Bereich II 0 ,1 um beträgt.

Im in Fig. 7 gezeigten Ausführungsbeispiel sind dre.i verschiedene periodische Wellenflächen vorgesehen. Nach diesem Ausführungsbeispiel stimmt die Dicke der optischen Führungs-

schicht 4 im linken und im rechten Bereich, d.h. im Bereich I und III,überein und ist dort größer als im Bereich II. Die Periode der periodischen Wellenfläche ist in den drei Bereichen I, II und III gleich.

Fig. 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel, in dem eine große Anzahl von Bereichen 15 mit dicken optischen Führungsschichten und eine große Anzahl von Bereichen 14 mit dünnen optischen Führungsschichten wechselweise angeordnet sind. Der übrige Aufbau kann mit dem der Ausführungsbeispiele nach Fig. 2 oder Fig. 7 übereinstimmen.

In den vorhergehend beschriebenen Ausführungsbeispielen wird zur Veränderung des effektiven Brechungsindex (n _ff) in den getrennten Bereichen die Periode der Gitter-Wellenflächen oder die Dicke der optischen Führungsschichten verändert. Es ist jedoch auch möglich, diese beiden Verfahren zu kombinieren.

In Fig. 9 ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, in dem die Periode der Gitter-Wellenfläche 7 sowie die Dicke der optischen Führungsschicht 11 konstant ist, während sich die Dicke einer der Überzugsschichten 12 periodisch ändert, um unterschiedliche Bragg-Wellenlängen (λ, ) in den genannten Bereichen innerhalb des optischen Resonators zu erzeugen.

In Fig. 10 ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, in dem die Dicke der aktiven Schichten 31 und 32 unterschiedlich ist. Beispielsweise können diese Schichten 0,1 μΐη und 0,15 μΐη dick sein, um die Bereiche I und II aufzubauen. Der gleiche Effekt läßt sich durch Veränderung der Zusammensetzungen der Schichten erzielen, während die Dicke der aktiven Schicht konstant bleibt.

In Fig. 11 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, in dem die Zusammensetzungen der optischen Führungsschichten 14 und 15

verändert sind. Die Zusammensetzungen können beispielsweise so gewählt werden, daß die optische Führungsschicht 14 eine Bandabstands-Wellenlänge von 1,3 μΐη und die optische Führungsschicht 15 eine Bandabstands-Wellenlänge von 1,25 μπι aufweist.

In den obigen Ausführungsbeispielen wurden Halbleiter-Laser mit einem InP-InGaAsP-Aufbau beschrieben. Die vorliegende Erfindung läßt sich jedoch allgemein auf Verbindungshalbleiter-Laser, z.B. auf GaAs-GaAÄAs-Laser anwenden.

In Fig. 12 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem GaAs-GaAÄAs-Aufbau gezeigt. Der grundlegende Aufbau entspricht dem des Ausführungsbeispiels nach Fig. 7.

Auf einem η-dotierten GaAs-Substrat 21 sind eine n-dotierte, 2,0 um dicke Ga_n ,-AiI_n -As-Überzugsschicht 22, eine undotierte, 0,1 μπι dicke Ga_{n Q[}-Aß_{n nt}-As-Schicht 23 als aktive Schicht, eine p-dotierte, 0,05 μπι dicke Ga_{n c}A£_n .As-Blockier schicht 24, eine p-dotierte Ga_{n Q}AÄ_{n o}As-Schicht 25 als opti-

u , ο υ , />

sehe Führungsschicht, eine p-dotierte, 1,0 um dicke Ga_{n c}A£_n

U , D U ,

As-Uberzugsschicht 26 sowie eine p-dotierte, 0,5 \xm dicke GaAs-Abdeckschicht 27 angeordnet. Nach diesem Ausführungsbeispiel ist der optische Resonator in die Bereiche I, II und III aufgeteilt, die 0,1 μπι, 0,2 μπι und 0,1 μπι dick sind. Der Periodenabstand der Wellenfläche beträgt 237 nm, ihre Höhe 50 nm.

Eine Elektrode 29 ist aus Cr-Au, eine Elektrode 28 aus einem AuGeNi-Au-Schichtaufbau hergestellt.

Ah/bi

Leerseite -

Claims

PATENTANWÄLTE STREHL SCHUBEL-HOj5F SCHULZ 3 A 45725 W1DENMAYERSTRASSE 17, D-8000 MÜNCHEN 22 HITACHI, LTD. DEA-26916 14. Dezember 1984 Halbleiter-Laservorrichtung e:

1. Halbleiter-Laservorrichtung mit verteilter Rückkopplung mit einem Gitter, das mittels periodisch gewellter Flächen (7, 8) in einem optischen Resonator die optische Rückkopplung bewirkt,
dadurch gekennzeichnet, daß der optische Resonator zumindest zwei Bereiche (I, II, III) mit verschiedenen Bragg-Wellenlängen aufweist, die longitudinal in Richtung der optischen Achse angeordnet sind.

2. Halbleiter-Laservorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Perioden der gewellten Flächen (7, 8) in mehreren der Resonatorbereiche (I, II, III) unterschiedlich sind.

3. Halbleiter-Laservorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

ό ·. -.· ο / L ο

daß die Abstände zwischen einer aktiven Schicht (3; 23) und den Oberflächen der periodisch gewellten Flächen (7, 8) in mehreren der Resonatorbereiche (I, II, III) unterschiedlich sind.

4. Halbleiter-Laservorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der den periodisch gewellten Flächen (7) gegenüberliegenden Seite einer aktiven Schicht (3) Halbleiterschichten (12) vorgesehen sind, die einen kleineren Brechungsindex als die ak-ο tive Schicht (3) und in mehreren der Resonatorbereiche (I, II, III) eine unterschiedliche Dicke haben.

5. Halbleiter-Laservorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicken von aktiven Schichten (31, 32) in mehreren der Resonatorbereiche unterschiedlich sind.

6. Halbleiter-Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 ,

dadurch gekennzeichnet, daß optische Führungsschichten (4; 11; 14, 15; 25) in mehreren der Resonatorbereiche (I, II, III) unterschiedliche Zusammensetzungen haben.