DE3445725C2

DE3445725C2 -

Info

Publication number: DE3445725C2
Application number: DE3445725A
Authority: DE
Inventors: Naoki Hachioji Tokio/Tokyo Jp Chinone; Shinji Kokubunji Tokio/Tokyo Jp Tsuji; Yoshihisa Fujisaki; Yasutoshi Kashiwada; Motohisa Tokio/Tokyo Jp Hirao
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1983-12-14
Filing date: 1984-12-14
Publication date: 1991-07-18
Also published as: GB8431202D0; GB2151402A; DE3445725A1; JPH0666509B2; JPS60126882A; GB2151402B; US4665528A

Description

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

Bei Halbleiterlasern 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 Halbleiterlasers 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 Laservorrichtungen geringfügige strukturelle Abweichungen auftreten.

DFB-Laser sind beispielsweise aus folgenden Veröffentlichungen bekannt:
T. Matsuoka et al., Electron. Lett., 18, 27 (1982); S. Akiba et al., Jpn. J. Appl. Phys., 21, 1736 (1982); US-PS 41 78 604.

Die Grundbestandteile eines DFB-Lasers sind eine aktive Schicht für die Lichtemission aufgrund injizierter Träger, eine Überzugsschicht 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-Wellenlänge 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 Modensprünge auf.

Ein Halbleiterlaser mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen ist aus GB-PS 15 66 053 bekannt. Auch dort ist das Problem angesprochen, daß Schwingungsmoden mit gleicher Schwellenverstärkung symmetrisch auf beiden Seiten der mittleren Bragg-Wellenlänge auftreten. Zur Erzielung eines monomodalen Betriebs ist man dort bestrebt, die Schwingungsmode auf der Bragg-Wellenlänge selbst maximal zu verstärken und dadurch gegenüber den benachbarten Schwingungsmoden hervorzuheben.

Aus der Zeitschrift "Neues aus der Technik", 1979, Nr. 4, Seite 2, ist ein weiterer DFB-Laser bekannt, der ein zwischen zwei Reflektoren angeordnetes aktives Gebiet aufweist. Die beiden in Form von Gittern vorliegenden Reflektoren haben dabei unterschiedliche Resonanzwellenlängen. Die Druckschrift lehrt, daß die Bandbreite verringert und damit die Frequenzselektivität erhöht werden kann, wenn den Gittern unterschiedliche Perioden erteilt werden. Das Auftreten unterschiedlicher Schwingungsmoden ist nicht angesprochen.

In J. Appl. Phys., 1972, Band 43, Seiten 2327 bis 2335, sind ferner verschiedene physikalische Eigenschaften eines herkömmlichen DFB-Lasers mathematisch analysiert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Halbleiterlaser nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so weiterzubilden, daß ein effizienter Monomodenbetrieb durch verteilte optische Rückkopplung erzielt wird.

Die Lösung dieser Aufgabe ist im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 angegeben. Durch die danach vorgesehene Einstellung der Bragg-Wellenlängen der einzelnen Resonatorbereiche wird eine Überlagerung in der Schwingungsmode mit der kleinsten Schwellenverstärkung bewirkt, so daß sich eine stabile Schwingung mit dieser einen Mode ergibt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt

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 eines erfindungsgemäßen DFB-Lasers;

Fig. 5 bis Fig. 12 Schnittansichten weiterer Ausführungsbeispiele der Erfindung.

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 λ₁₁, λ₁₂ . . ., λ₂₁, λ₂₂, . . . möglich, wobei die Bragg-Wellenlänge λ_b in der Mitte dieses Wellenlängenspektrums liegt. Bei einem herkömmlichen DFB-Laser wird eine Schwingung mit jeder der beiden Moden hervorgerufen, die den Wellenlängen λ₁₁ und λ₂₁ mit der kleinsten Schwellenverstärkung entsprechen.

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

λ_b = 2 · n_eff · Λ

Hierbei gibt n_eff den effektiven Brechungsindex an, der durch folgende Gleichung gegeben ist:

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

Diese Konstanten sind in der die grundlegende Theorie der optischen Wellenleitung oder der Halbleiterlaser behandelnden Literatur (z. B. "HETEROSTRUCTURE LASERS", H. C. Casey, Fr., M. B. Panish, ACADEMIC PRESS, 1978) näher erläutert.

Aufgrund des oben beschriebenen Zustands ist es nicht möglich, eine stabile Schwingung mit einer einzigen Mode zu realisieren, da die λ₁₁- und λ₂₁-Moden dieselbe Schwellenverstärkung aufweisen, wodurch aufgrund der Temperatur- und Stromänderungen ein Moden-Sprung auftritt.

Deshalb werden zwei Bereich I (λ_bA) und II (λ_bB) mit unterschiedlicher Bragg-Wellenlänge (λ_b) hintereinander so in Richtung der optischen Achse angeordnet, daß die den Wellenlängen λ_bA1 und λ_bB1 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 dieser Überlagerung des Moden-Spektrums der Breiche 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 λ_AB entsprechenden Mode, d. h. es wird eine Schwingung mit einer einzigen Mode erzeugt.

Der Abstand zwischen der Bragg-Wellenlänge (z. B. λ_bA) und der benachbarten Modenwellenlänge (z. B. λ_bA1) läßt sich durch folgende Gleichung ausdrücken:

Δλ ≈ λ_bA²/2n_eff · L

wobei L eine entsprechende Hohlraumlänge angibt.

Wie aus der Beziehung λ_b = 2 · n_eff · Λ hervorgeht, läßt sich die Bragg-Wellenlänge für verschiedene Bereiche durch Veränderung von n_eff oder von Λ unterschiedlich einstellen.

Der effektive Brechungsindex n_eff 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 optischen Führungsschicht oder der Überzugsschicht 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 longitudianlen Mode. Zur Einstellung der sogenannten "Transversal-Mode", d. h. der Mode in Richtung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Laser-Lichts, können in Kombination mit der hier beschriebenen Vorrichtung die bislang bekannten Verfahren verwendet werden. Auch ein sogenannter "Buried Heterostructure"-Aufbau kann Anwendung finden.

Grundsätzlich läßt sich mit dem hier beschriebenen Halbleiterlaser eine Schwingung mit einer einzigen Longitudinalmode mit hoher Reproduzierbarkeit und ohne Beeinflussung durch Schwankungen in den Parametern der Vorrichtung 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 n-dotierten InP-Substrat 1 mit einem bekannten Flüssig-Epitaxie-Verfahren nacheinander eine n-dotierte, etwa 2 µm dicke InP-Schicht 2 als Pufferschicht, eine etwa 0,1 µm dicke In_0,582Ga_0,418As_0,898P_0,102-Schicht 3 als aktive Schicht und eine p-dotierte, bis zu 0,1 µm dicke In_0,717Ga_0,283As_0,613P_0,387-Schicht 4 als optischen Führungsschicht 4 wird eine Fotoresistschicht ausgebildet, wonach mittels eines aus US-PS 41 78 604, Spalte 3, Absatz 3 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 Wellenflächen 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 obengenannten Fotolacks als einer Maske selektiv geätzt, wobei eine Ätzlösung aus einer gemischten Lösung von HBr, HNO₃ und H₂O 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 µm dicke InP-Überzugsschicht 5 und eine p-dotierte, bis zu 0,5 µm dicke In_0,814Ga_0,186As_0,405P_0,595-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 n-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 µm.

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 Berechungsindizes 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 n_eff. Die Periode der Wellenflächen 7 und 8 beträgt beispielsweise 230 nm, die Dicke der optischen Führungsschicht im Bereich I 0,1 µm und die Dicke der optischen Führungsschicht im Bereich II 0,15 µm. Mit einer derart aufgebauten Vorrichtung läßt sich, wie in Fig. 4 gezeigt, eine Schwingung einer einzigen Mode mit einer Wellenlänge von 1,35 µm 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 dieselben Bezugszeichen wie in Fig. 2 verwendet.

In Fig. 5 ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, in dem die periodisch gewellten Flächen 7 und 8 bezüglich der aktivten Schicht 3 auf Seite des Substrats 1 angeordnet sind. Eine Halbleiterschicht 11, beispielsweise eine n-dotierte In_0,717Ga_0,283As_0,613P_0,387-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 µm 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 obengenannte n-dotierte In_0,717Ga_0,283As_0,613P_0,387-Schicht, deren Dicke im Bereich I 0,2 µm und im Bereich II 0,1 µm beträgt.

Im in Fig. 7 gezeigten Ausführungsbeispiel sind drei verschiedene periodische Wellenflächen vorgesehen. Nach diesem Ausführungsbeispiel stimmt die Dicke der optischen Führungsschicht 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_eff) 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_b) 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 µm und 0,15 µm 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 µm und die optische Führungsschicht 15 eine Bandabstands-Wellenlänge von 1,25 µm aufweist.

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

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

Auf einem n-dotierten GaAs-Substrat 21 sind eine n-dotierte, 2,0 µm dicke Ga_0,6Al_0,4As-Überzugsschicht 22, eine undotierte, 0,1 µm dicke Ga_0,95Al_0,05As-Schicht 23 als aktive Schicht, eine p-dotierte, 0,05 µm dicke Ga_0,6Al_0,4As-Blockierschicht 24, eine p-dotierte, 1,0 µm dicke Ga_0,6Al_0,4As-Überzugsschicht 26 sowie eine p-dotierte, 0,5 µm dicke GaAs-Abdeckschicht 27 angeordnet. Nach diesem Ausführungsbeispiel ist der optische Resonator in die Bereiche I, II und III aufgeteilt, die 0,1 µm, 0,2 µm und 0,1 µm 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.

Claims

1. Halbleiterlaser mit verteilter optischer Rückkopplung durch ein Gitter, das in Form von periodischen wellenförmigen Brechungsindexänderungen eines den Wellenleiter bildenden Schichtenaufbaus mit einer aktiven Schicht (3; 23; 31, 32) und optischen Führungsschichten (4; 11; 12; 14, 15; 25) im Inneren eines optischen Resonators ausgebildet ist, der wenigstens zwei longitudinal in Richtung der optischen Achse des Halbleiterlasers angeordnete Bereiche (I, II, III) mit verschiedenen Bragg-Wellenlängen (λ_bA, λ_bB) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Bragg-Wellenlänge (λ_bA) jedes Bereiches (I, II, III) so gewählt, ist, daß die ihre am nächsten liegende Wellenlänge (λ_bA1) einer Schwingungsmode mit kleinsten Schwellenverstärkung im wesentlichen gleich derjenigen Wellenlänge (λ_bB1) der Schwingungsmode mit kleinster Schwellenverstärkung ist, die der Bragg-Wellenlänge (λ_bB) des benachbarten Bereiches am nächsten liegt.

2. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände zwischen der aktiven Schicht (3; 23) und den die Wellen des Gitters aufweisenden Flächen der Bereiche (I, II, III) verschieden sind.

3. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der von der Führungsschicht (11) mit den wellenförmigen Brechungsindexänderungen abgewandten Seite der aktiven Schicht (3) eine Führungsschicht (12) vorgesehen ist, die einen kleineren Brechungsindex hat als die aktive Schicht (3) und in den Bereichen (I, II, III) mit verschiedenen Bragg-Wellenlängen unterschiedlich dick ist.

4. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Schicht (31, 32) in den Bereichen (I, II, III) mit verschiedenen Bragg-Wellenlängen unterschiedlich dick ist.

5. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß optische Führungsschichten (4; 11; 14, 15; 25) in den Bereichen (I, II, III) mit verschiedenen Bragg-Wellenlängen verschiedene Zusammensetzungen haben.