DE3529321A1 - Laserdioden-vorrichtung mit verlustfreier auskopplung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Laser­ dioden-Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentan­ spruches 1.

Aus dem Stand der Technik sind Laserdioden-Vorrichtungen bekannt, bei denen in einem Halbleiterkörper nebeneinander mehrere streifenförmig verlaufende Strahlungswege für die in der Laserdiode erzeugte Laserstrahlung vorhanden sind. Der Abstand zweier solcher Strahlungswege ist so gering, daß wellenoptische Kopplung der in diesen Strahlungswegen hin- und herlaufenden Laserstrahlung vorliegt. Ein einzel­ ner Strahlungsweg stellt einen Laser-Resonator dar und eine solche bekannte Vorrichtung ist ein System mit mehre­ ren gekoppelten Resonatoren. Durch etwas unterschiedlich optische Länge (man kann dies bekannterweise durch ver­ schiedene Maßnahmen erreichen) haben die wenigstens zwei benachbart liegenden Resonatoren dieser Laserdioden-Vor­ richtung voneinander etwas unterschiedliches Modenspek­ trum. Infolge der wellenoptischen Kopplung eignet sich eine solche Vorrichtung dazu, Monomoden-Laserstrahlung zu erzeugen.

Wenigstens teilweise nebeneinander angeordnete Strahlungs­ wege, jedoch dies für einen dem voranstehend erörterten Stand der Technik anderen Zweck, hat eine Laserdioden-Vor­ richtung, die in der nicht vorveröffentlichten älteren Patentanmeldung P 34 11 269.3 beschreibt. Es handelt sich dabei um eine Laserdioden-Vorrichtung, die außerordentlich hochfrequent modulierbar, insbesondere puls-code-modulier­ bar ist. Diese Laserdioden-Vorrichtung arbeitet nach dem Prinzip der internen Auskoppelmodulation bzw. internen Gegentaktmodulation mit simultaner Modenkopplung.

Bezüglich der in dieser älteren nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung angegebenen Lehre zum technischen Handeln sei auf die zu dieser Anmeldung gehörende Anmeldungsbe­ schreibung verwiesen, die hiermit Bestandteil des zur vor­ liegenden Erfindung Offenbarten gilt.

Eine Laserdioden-Vorrichtung dieser älteren Anmeldung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, daß ihr eigentli­ cher Strahlungserzeuger und ihr als Modulatoreinrichtung verwendeter Richtkoppler monolithisch in einem einzigen Halbleiterkörper zu realisieren ist, so daß Stoßstellen für den Übergang der Laserstrahlung vom Erzeugersystem in die Modulationseinrichtung und umgekehrt dort entfallen. Außerdem hat eine solche Vorrichtung der älteren Anmel­ dung vorteilhafterweise hochreflektierend wirkende Spiegeleinrichtungen, die den eigentlichen Laserresonator dieser Vorrichtung begrenzen. Eine solche Laserdioden-Vor­ richtung der älteren Anmeldung ist in hohem Maße verlust­ arm.

Für die Auskopplung der modulierten Laserstrahlung aus dieser Laserdioden-Vorrichtung der älteren Anmeldung ist der Austritt durch eine Seitenfläche des die Vorrichtung enthaltenden Halbleiterkörpers vorgesehen.

Eine Laserdioden-Vorrichtung nach der genannten älteren Patentanmeldung arbeitet zufriedenstellend, und zwar nicht zuletzt aufgrund der oben bereits erwähnten geringen Strahlungsverluste in der Vorrichtung.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine weitere Maßnahme zur Verringerung von Strahlungsver­ lusten einer Laserdioden-Vorrichtung und insbesondere für eine Laserdioden-Einrichtung nach der obengenannten älteren Anmeldung anzugeben.

Diese Aufgabe wird mit einer Laserdioden-Vorrichtung ge­ löst, deren Merkmale im Patentanspruch 1 angegeben sind und weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Er­ findung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Ausgehend von dem speziellen Fall der bereits oben näher erörterten Laserdioden-Vorrichtung der älteren Anmeldung, die bereits in sehr hohem Maße verlustarm ist, wurde ge­ funden, daß sich auch ein noch nicht berücksichtigter Ver­ lust beseitigen läßt, nämlich der bei der Auskopplung der modulierten Strahlung aus dem Halbleiterkörper der Vor­ richtung auftritt und als hinzunehmen unbeachtet ge­ blieben ist. Die vorliegende Erfindung beruht darauf, daß mit einer im Brewster-Winkel stehenden Fläche der reflexionsfreie Durchtritt einer Strahlungskomponente mög­ lich ist, die parallel der Einfallsebene polarisiert ist und daß erreichbar ist, daß die auszukoppelnde Laserstrah­ lung in dieser Polarisationsebene linear polarisiert, bzw. daß diese zweite Bedingung erreichbar ist.

Weitere Erläuterungen der Erfindung gehen aus der nach­ folgenden, anhand der Figuren beschriebenen Ausführungs­ beispiels hervor.

Fig. 1 zeigt eine Aufsicht auf eine Ausführungsform der Erfindung, die als modulierbare Laserdioden-Vorrichtung Merkmale der Vorrichtung der obengenannten älteren An­ meldung aufweist und zusätzlich das Merkmal der vor­ liegenden Erfindung zeigt.

Fig. 2 zeigt eine seitliche Schnittansicht der Fig. 1.

In den Fig. 1 und 2 ist mit 2 ein Halbleiterkörper bezeich­ net. Die Bezugszeichen 3 bis 8 geben Elektrodenbelegungen der Oberfläche dieses Halbleiterkörpers 2 an. Die Elektro­ den 3 und 8 bilden zusammen das Elektrodenpaar, das der Zu­ führung des für den Betrieb einer Laserdiode erforderlichen elektrischen Gleichstromes dient. D. h., daß im Halbleiter­ körper 2 unterhalb der Elektrode 3 bekanntermaßen der laser­ aktive Streifenbereich vorliegt. Im Regelfall befindet sich dieser Streifenbereich, vergleichsweise zur Dicke des Halb­ leiterkörpers 2, relativ dicht unter der in Fig. 1 oberen Oberfläche des Halbleiterkörpers 2, und zwar aufgrund der für Laserdioden üblichen Aufbauweise in Mehrschichten-Struk­ tur. Mit 10 ist auf die Ausbildung eines Hin- und Herlaufs von Laserstrahlung im Innern des Halbleiterkörpers 2 hin­ gewiesen, wobei diese Laserstrahlung 10 im erwähnten laser­ aktiven Streifenbereich erzeugt ist und dementsprechend in diesem Streifenbereich verläuft. Üblicherweise werden für Dioden-Halbleiterlaser die natürlichen Grenzflächen (Spalt­ flächen) des Halbleitermaterials des Halbleiterkörpers als Reflexionsflächen verwendet. Mit ihrem Reflexionsgrad in Höhe von ca. 30% bieten sie im Regelfall ausreichendes Reflexionsverhalten. Bei der Erfindung ist dagegen ganz wesentlich höheres Reflexionsvermögen in der Größenordnung über 90% vorzuziehen, wobei durch vorgegebenen Reflexions­ grad die Oszillationsbandbreite zu beeinflussen ist. Aus diesem Grunde sind mit 11 und 12 bezeichnete Reflexions­ mittel auf den Stirnflächen des Halbleiterkörpers 2 ange­ bracht, und zwar solche Reflexionsmittel, wie sie z. B. von Lasern mit Kristallen aus Isolationsmaterial, beispielsweise Rubin, oder auch von Gaslasern her bekannt sind. Die Anordnung der Reflektoren 11 und 12, auch als Spiegel bezeichnet, bilden den optischen Resonator der erfindungsge­ mäßen Vorrichtung bzw. für die hin- und herlaufende Laser­ strahlung 10.

Die Elektrode 4 und die Gegenelektrode 8 bilden ein erstes Elektrodenpaar des erfindungsgemäß vorgesehenen Richt­ kopplers. Die Elektrode 4 ist - wie ersichtlich - auf der gleichen Oberfläche des Halbleiterkörpers 2 angebracht, auf der sich auch die schon beschriebene Elektrode 3 befindet. Ihr Ort auf dieser Oberfläche ist so gewählt, daß diese Elektrode 4 über dem Strahlengang der Laserstrahlung 10 liegt, d. h. daß sie mit der Elektrode 3 fluchtet.

In der einen Schnitt II-II durch die Vorrichtung nach Fig. 1 wiedergebenden Darstellung ist mit 14 derjenige Streifenbe­ reich hervorgehoben, durch den hindurch (in Fig. 2 senkrecht zur Darstellungsebene) die Laserstrahlung 10 unter der Elek­ trode 4 hindurch verläuft. Ein durch Anschluß eines elek­ trischen Signals an den Anschluß 24 der Elektrode 4 im Mate­ rial des Halbleiterkörpers 2 zwischen der Elektrode 4 und der Elektrode 8 erzeugtes elektrisches Feld wirkt zwangsläu­ fig auch in den Bereich 14 und kann den elektrooptischen Eigenschaften des Materials des Halbleiterkörpers entspre­ chend dort elektrooptische Wirkung auf die Laserstrahlung ausüben. Mit 5 ist eine weitere (mit der Elektrode 4 und der Elektrode 3, d. h. in bezug auf die Laserstrahlung 10. fluchtende Elektrode bezeichnet, die sich auf der Ober­ fläche des Halbleiterkörpers 2 befindet. Weitere entspre­ chende Elektroden 6 und 7 sind in gleicher Weise auf dieser Oberfläche angebracht, jedoch fluchten diese Elektroden 6 und 7 nur miteinander und sie liegen - wie dargestellt - neben den Elektroden 4 und 5. Ein jeweiliges Elektrodenpaar bilden somit die Elektroden 5 und 8, 6 und 8 sowie 7 und 8.

Mit 20 ist auf einen noch näher zu beschreibenden optischen Strahlenweg hingewiesen, der unterhalb der Elektroden 6 und 7, und zwar in dem mit 16 angedeuteten Bereich, im Halblei­ terkörper 2 verläuft, jedoch außerhalb des Bereichs der Elektroden 6 und 7 in einem wie dargestellten Bogen. An der den Laserstrahlungs-Signalausgang bildenden Stelle 21 der Seitenfläche des Halbleiterkörpers 2 tritt - wie dies noch näher zu erläutern ist - der gewünschterweise signalmodu­ lierte Laserstrahl 22 aus.

Für die Erläuterung der Erfindung anhand einer vereinfachten Ausführungsform genügt es, die Elektroden 5 und 7, d. h. die Elektrodenpaare 5-8, 7-8, außer Betracht zu lassen. Die Elektrodenpaare 4-8 und 6-8 bilden zwei Elektrodenpaare der Modulatoreinrichtung, die erfindungsgemäß zur simultanen Modenkopplung und Auskopplung dienen. Um Modenkopplung mit der durch die Elektrodenpaare 4-8 und 6-8 zusammengenommen gebildeten Modulatoreinrichtung hinsichtlich der Laserstrah­ lung 10 zu bewirken, legt man zwischen die Anschlüsse 24 und 28 des Elektrodenpaares 4-8 einerseits und zwischen die An­ schlüsse 26 und 28 des Elektrodenpaares 6-8 andererseits ein elektrisches Hochfrequenzsignal an, und zwar für beide Elek­ trodenpaare phasengleich. Es herrschen also in den Bereichen 14 und 16 (unterhalb der Elektroden 4 und 6) entsprechend phasengleiche Hochfrequenz-Feldstärken. Die Wirksamkeit des Elektrodenpaares 6-8 beruht darauf, daß die Elektroden 4 und 6 zueinander relativ nahe benachbart angeordnet sind und jede für sich genommen und bezogen auf die Breite der Elek­ trode 3 des Halbleiterlasers nur so breit bemessen sind, daß das elektromagnetische Feld der Laserstrahlung 10 innerhalb des Bereiches 14, d. h. unterhalb der Elektrode 4, mit dem seitlichen Ausläufer der üblichen Feldverteilung noch bis in den Bereich 16 unterhalb der Elektrode 6 hineinreicht und dort noch eine entsprechende Wirkung ausübt. Umgekehrt gilt das gleiche für das seitliche Übergreifen eines Ausläufers in den Bereich 14 hinein, und zwar eines Ausläufers einer Feldverteilung einer im Bereich 16 auftretenden Laser­ strahlung, wie sie hier mit 20 angesprochen worden ist.

Um mit den Elektrodenpaaren 4-8 und 6-8, d. h. aus dem Modulationsbereich der Elektroden 4 und 6, eine Auskopplung eines Anteils der Laserstrahlung 10 zu bewirken und ausge­ koppelte Laserstrahlung 20 zu erreichen, d. h. um die interne Auskoppelmodulation bei der Erfindung bewirken zu können, wird das hochfrequente Auskoppelsignal paarweise an die An­ schlüsse 24-28 einerseits und 26-28 andererseits angelegt. Die Auskopplung bedingt jedoch, zueinander phasenentgegenge­ setzte Einspeisung in die Elektrodenpaare 4-8 und 6-8 durch­ zuführen.

Fig. 1 zeigt außerdem eine solche Variante der Modulator­ einrichtung, die auch noch die Elektroden 5 und 7 besitzt, d. h. bei der weitere Elektrodenpaare 5-8 und 7-8 vorhanden sind. Ihre Anordnung geht aus der zu den Elektroden 4 und 6 gegebenen Beschreibung hervor. Diese weiteren Elektroden­ paare dienen zusammen mit den Elektrodenpaaren 4-8 und 6-8 dazu, die Auskopplung nach dem speziellen Prinzip des "β-reversal" durchzuführen, das in "IEEE Journ. Quant. Electr., QE - 12 (1976), Seiten 396 ff. eingehend beschrieben ist.

Die aus der Laserstrahlung 10 als Laserstrahlung 20 in den Ausgang der erfindungsgemäßen Vorrichtung herübergekoppelte Energie kann man z. B. - wie dargestellt - an einer seitli­ chen Stelle 21 als pulscodemodulierte Strahlung 22 auskop­ peln. Der innerhalb des Halbleiterkörpers 2 mit Bogen 121 verlaufende Strahlungsweg kann durch entsprechende an sich bekannte Dotierung in der Mehrschichtenstruktur des Halb­ leiterkörpers, verbunden mit entsprechender Verteilung der Brechungsindizes, bewirkt werden. Diese - wie darge­ stellte - seitliche Auskopplung beseitigt solche Probleme, die im Zusammenhang mit den Reflektoren bzw. Spiegeln 11 und 12 auf den Stirnflächen des Halbleiterkörpers 2 verbunden sein können.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, trifft die Strahlung 20 bzw. trifft der gekrümmt verlaufende Strahlungsweg 121 in einem Winkel β im Inneren des Halbleiterkörpers 2 auf dessen eine seitliche Oberfläche 102 auf. Erfindungsgemäß ist dieser Winkel β möglichst angenähert dem Brewster-Winkel (Winkel zwischen auftreffendem Strahlweg 20 und Einfallslot) be­ messen. Mit dem Doppelpfeil P ist die Polarisationsebene angedeutet, für die in diesem Brewster-Winkel β auftreffen­ de Strahlung ohne Reflexionsverlust durch die seitliche Fläche 102 des Halbleiterkörpers 2 austritt. Vorzugsweise ist vorgesehen, daß an dieser Fläche 102 die diese aus­ tretende Strahlung 22 weiterleitende Glasfaser 200 an­ setzt. Das Material dieser Glasfaser hat angenommener Weise den Brechungsindex n ₂ für die Laserstrahlung 22. Das Material des Halbleiterkörpers 2 hat den Brechungsindex n ₁. Für den Brewster-Winkel gilt prinzipiell tg β = n ₂/n ₁. Für Galliumarsenid ergibt sich bei Auskopplung der Strahlung 22 in Glas mit dem Brechungsindex n ₂ = 1,5 ein Winkel β = 22,6°. Für Auskopplung in Luft ergibt sich ein entsprechender Winkel β ′ von 15,5°. (Die an der Fläche 102 jeweils auftretende Brechung der Strahlung 22, 22′ ist in der Fig. 1 zeichnerisch nicht berücksichtigt.)

Die Fig. 1 zeigt in gestrichelt dargestellter Ausführung noch einen Anteil mit Elektroden 4′ bis 7′, die den Elektroden 4 bis 7 entsprechen. Zusammen mit der Gegen­ elektrode 8 liegen dort Elektrodenpaare 4′-8, 5′-8, 6′-8 und 7′-8 vor, die ebenfalls den entsprechenden Elektroden­ paaren 4-8 bis 7-8 entsprechen. Bei einer solchen Aus­ führungsform umfaßt der Halbleiterkörper 2 auch den ge­ strichelten Anteil, so daß nicht nur der Reflektor 11, sondern auch diese Stirnfläche des Halbleiterkörpers 2 entfällt und sich der entsprechende Reflektor 11′ an dem - wie dargestellten - Ort an der entsprechenden Stirn­ fläche des Halbleiterkörpers 2 befindet. Die Laserstrah­ lung 10 verläuft dann auch bis zu diesem Reflektor 11′.

Die diesen gestrichelten Anteil mit einschließende Weiter­ bildung der Ausführungsform der Fig. 1 ist für (die an sich bekannte) interne Gegentakt-Auskoppelmodulation zu verwenden. Die Elektrodenpaare 4′-8 und 6′-8 bilden einen wie zu den Elektroden 4, 6, 8 beschriebene zweite Modu­ latoreinrichtung mit den Funktionen des Modenkopplers und des Auskoppel-Richtkopplers. Ausgekoppelt wird die Strahlung 22′. Entsprechend dem Gegentaktprinzip weisen die Auskoppelstrahlungen 22 und 22′ das diesbezügliche Gegentaktverhalten auf. Diese Gegentaktauskopplung führte dazu, daß durch die Auskopplung eines modulierten Signals keinerlei Beeinflussung des Güte-Verhaltens der in dieser Weise weitergebildeten erfindungsgemäßen Vorrichtung ein­ tritt. Damit ist die Modulation für jede Codierung unab­ hängig von der Dynamik des Lasers.

An sich umfaßt die ausgekoppelte Laserstrahlung 22 bereits den gesamten Informationsinhalt des (an die Anschlüsse 24/26 und 28) anzulegenden Modulationssignals, und zwar unabhängig davon, ob nur eine einfache Auskopplung oder Gegentakt-Auskopplung vorgesehen ist. Bei Gegentakt-Aus­ kopplung kann z. B. das zweite (informationsinvertierte) Signal 22′ für Kontrollzwecke verwendet werden. Zum Beispiel können auf getrennten Kabelwegen bzw. in vonein­ ander getrennten Lichtfasern nebeneinander sowohl die Strahlung 22 als auch die Strahlung 22′ an einen entfern­ ten Ort übertragen werden und es kann aus einem eventuellen Auftreten von Fehlern hinsichtlich des Gegen­ taktverhaltens auf Mängel in der Übertragung geschlossen werden.

Es sei ergänzend darauf hingewiesen, daß Maßnahmen vorzu­ sehen sind, daß die unterhalb der Elektrode 3 im eigent­ lichen Bereich der Laserdiode erzeugte Laserstrahlung 10 nicht auf ihrem übrigen Weg zwischen den Reflektoren 11 und 12 bzw. 11′ und 12, jedoch außerhalb des Bereiches der Elektrode 3, keine unzulässig starke Dämpfung, z. B. durch Reabsorption, erfährt. Für den Fachmann auf dem Gebiet der Laser-Technologie bieten sich da mehrere Möglichkeiten, dies zu erreichen, z. B. dem Halbleitermaterial des Halb­ leiterkörpers 2 in den Bereichen b und b′ vergleichsweise zu dem Bereich a (bei sogenanntem direkten Halbleiter­ material) ausreichend, z. B. um 2 kT, größeren Bandabstand zu geben oder (bei indirektem Halbleitermaterial) dort entsprechend geringere Dotierung vorzusehen. Eine andere Möglichkeit, Entsprechendes zu erreichen, ist die, an den Übergangsstellen zwischen den Bereichen a und b bzw. a und b′ eine Versetzung des optischen Weges der Laserstrahlung 10 zu bewirken, z. B. bei einem Schichtaufbau des Halb­ leiterkörpers 2 eine Versetzung dieses Strahlenweges aus einer an sich laseraktiv wirksamen Schicht in eine parallel liegende andere Schicht, in der die erzeugte Laserstrahlung wenigstens entscheidend weniger starke Ab­ sorption erfährt.

Der in der Fig. 1 linksseitig gestrichelt angegebene An­ teil einer Laserdioden-Vorrichtung kann auch bei der vor­ liegenden Erfindung vorgesehen sein. Auch für diesen An­ teil der Vorrichtung empfiehlt sich die erfindungsgemäße Auskopplung im Brewster-Winkel β. Es kann entsprechende Zusammenführung dieser beiden ausgekoppelten Strahlungs­ anteile vorgesehen sein. Es kann jedoch dieser zweite ausgekoppelte Strahlungsanteil auch anderen Zwecken, wie z. B. einer Steuerungskontrolle des Lasers 3, 10, 11, 12 zugeführt sein.

Claims (5)

1. Auskoppeleinrichtung für eine in einem Halbleiterkörper monolithisch integrierte Laserdiode mit einer mit Signal­ anschlüssen versehenen Modulatoreinrichtung mit Richtungs­ koppler zur simultanen Modenkopplung und Auskoppelmodu­ lation aus dem optischen Resonator zur Erzeugung Puls-code- modulierter Laserstrahlung mit Modulationsfrequenzen ober­ halb einer Bit-Rate von 10 GBit/s, gekennzeichnet dadurch , daß für die Strahlrichtung (en) der pulsmodulierten, aus­ gekoppelten Laserstrahlung (22, 22′) beim Austritt (21) aus dem Halbleiterkörper (2) ein Winkel β wenigstens angenähert gleich dem Brewster-Winkel bezogen auf das Lot der Aus­ trittsfläche (102) des Halbleiterkörpers (2) vorgesehen ist.

2. Auskoppeleinrichtung nach Anspruch 1, gekenn­ zeichnet dadurch , daß die Ankopplung einer Glasfaser (200) an den Halbleiterkörper (2) an der Austrittsstelle (21) vorgesehen ist und der Brechungsindex dieser Glasfaser (200) für den Brewster-Winkel β berück­ sichtigt ist.

3. Auskoppeleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, ge­ kennzeichnet dadurch , daß im Halb­ leiterkörper (2) für die auskoppelnde Strahlung ein ge­ bogen geformter Wellenleiterbereich (121) vorgesehen ist, der mit dem Brewster-Winkel β im Halbleiterkörper (2) auf die Austrittsstelle (21) der Halbleiterkörper-Oberfläche (102) auftrifft.

4. Auskoppeleinrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet dadurch , daß die Reflexionsflächen (11, 11′, 12) des optischen Resonators, für die möglichst hoher Reflexionsfaktor vorgesehen ist, mit optischer Vergütung versehener Stirnflächen des Halb­ leiterkörpers (2) sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, ge­ kennzeichnet dadurch , daß das Reflexionsvermögen der Reflexionsflächen (11, 11′, 12) des optischen Resonators der vorgegebenen Oszillatorbandbreite entsprechend bemessen sind.