DE3534744A1

DE3534744A1 - Laservorrichtung mit stabilisierter ausgangsleistung

Info

Publication number: DE3534744A1
Application number: DE19853534744
Authority: DE
Inventors: Albrecht Dr Rer Nat Mozer; Olaf Dr Rer Nat Hildebrand; Klaus Dr Rer Nat Wuenstel; Gerhard Dipl Phys Luz
Original assignee: Standard Elektrik Lorenz AG
Current assignee: Alcatel Lucent Deutschland AG
Priority date: 1985-09-28
Filing date: 1985-09-28
Publication date: 1987-04-09
Also published as: AU6265586A; AU586279B2; GB8622658D0; GB2180985B; GB2180985A

Description

Die Erfindung betrifft eine Laservorrichtung mit stabilisierter Ausgangsleistung, bestehend aus einem Steuerwiderstand und einer Laserdiode.

Die Ausgangsleistung einer Laserdiode ist stark temperaturabhängig. Mit zunehmender Temperatur wird ein größerer Pumpstrom benötigt, um stets die gleiche optische Ausgangsleistung zu erhalten. Wird nun eine Laserdiode mit konstanter Ausgangsleistung benötigt und will man den Aufwand vermeiden, die Laserdiode auf konstanter Temperatur zu halten, muß der Pumpstrom geregelt werden.

Eine solche Regelung ist aus DE-OS 26 06 225 bekannt. Hierbei wird eine Schaltung mit einer schnell reagierenden negativen Rückkopplung benutzt, bei der ein Transistor in Emitterschaltung den Treibverstärker bildet. Die Laserdiode ist zwischen den Kollektor und den Emitter des Transistors geschaltet. Ein Fotodetektor ist zwischen Basis und Emitter des Transistors geschaltet und das Eingangssignal wird zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors angelegt. Die Regelung erfolgt durch die Rückkopplung eines Teiles der von der Laserdiode abgestrahlten Ausgangsleistung auf den Fotodetektor. Der so erzeugte Fotostrom regelt den Transistorbasisstrom des Treiberverstärkers.

Der Nachteil dieser bekannten Regelung liegt in der optischen Rückkopplung. Hierzu muß ein Teil der Ausgangsleistung wieder in ein elektrisches Signal umgesetzt werden. Dies erfordert einen zusätzlichen Justierschritt bei der Anbringung der dazu notwendigen Detektordiode. Da diese bekannte Regelung aus mehreren Komponenten besteht, ist sie kompliziert und anfällig.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine einfache Laservorrichtung mit stabilisierter Ausgangsleistung speziell bei Temperaturschwankungen zu schaffen.

Dieses Problem wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere im unkomplizierten Aufbau der Laservorrichtung, weil die Regelung zum Temperaturausgleich nur aus einem elektrischen Widerstand besteht und daß dieser Widerstand mit der Laserdiode thermisch gekoppelt ist. Dabei läßt sich der elektrische Widerstand auch in die Laserdiode integrieren.

Ausführungsbeispiele der Erfindung und der Hintergrund der Erfindung sind in den Zeichnungen 1 bis 8 dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 Ein Diagramm, in dem die optische Ausgangsleistung einer Laserdiode in Parameterdarstellung über dem Pumpstrom mit T ₁ ≦ωτ T ₂ ≦ωτ T ₃ aufgetragen ist,

Fig. 2 die schematische Darstellung des ersten Ausführungsbeispiels der Laservorrichtung,

Fig. 3 ein Diagramm, in dem der Pumpstrom der Laservorrichtung nach Fig. 2 über der Temperatur aufgetragen ist,

Fig. 4 eine mögliche Ausführungsform der Laservorrichtung nach Fig. 2 im Querschnitt,

Fig. 5 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laservorrichtung nach Fig. 2 im Querschnitt,

Fig. 6 eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laservorrichtung nach Fig. 2 im Querschnitt,

Fig. 7 die schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Laservorrichtung, und

Fig. 8 ein Diagramm, welches das Zusammenwirken zwischen Pumpstrom und Steuerstrom der Laservorrichtung nach Fig. 7 verdeutlicht.

In Fig. 1 ist der Einfluß der Temperatur auf die optische Ausgangsleistung einer Laserdiode verdeutlicht. Für zunehmende Temperatur T ₁ ≦ωτ T ₂ ≦ωτ T ₃ wird ein immer größerer Pumpstrom I _P1 ≦ωτ I _P2 ≦ωτI _P3 benötigt, um eine konstante optische Ausgangsleistung P ₀ zu erreichen.

In Fig. 2 ist das erste Ausführungsbeispiel der Laservorrichtung 3 dargestellt. Eine Konstant-Spannungsquelle U _o erzeugt den Pumpstrom I _P. An die Konstant-Spannungsquelle sind der Steuerwiderstand 1 und die Laserdiode 2 in Serie angeschlossen. Der Steuerwiderstand 1 und die Laserdiode 2 sind thermisch gekoppelt. Der Steuerwiderstand 1 weist das charakteristische Widerstandsverhalten eines Halbleiters mit auf, dabei ist R ₁₀ der temperaturunabhängige Anteil des Wiederstandes, gegeben durch die Geometrie und Größe des Steuerwiderstandes, E _g ist die Bandlücke des Halbleiters, k ist die Boltzmannkonstante, und T ist die Temperatur in Kelvin. Diese Laservorrichtung 3 (nach Fig. 2) weist eine Spannungsbilanz U ₀ = konstant = U ₁ + U ₂ (Gl. 2) auf, mit U ₂ als Spannungsabfall an der Laserdiode 2. Mit Gl. 2 und U ₁ = R ₁ I _P (Gl. 3) ergibt sich
R ₁ I _P + U ₂ = konstant (Gl. 4). Gl. 4 mit Gl. 1 ergibt dann In Fig. 3 ist der Pumpenstrom I _P der Laservorrichtung 3 zur Erzeugung einer konstanten Ausgangsleistung P ₀ über die Betriebstemperatur T in einem Diagramm aufgetragen. Die Werte für Pumpstrom und Betriebstemperatur sind typisch für Laserdioden. Es ist zu erkennen, daß bei höherer Betriebstemperatur der Pumpstrom erhöht werden muß, um eine konstante Ausgangsleistung zu erhalten. Die Steuerung des Pumpstromes erfolgt über den Steuerwiderstand 1, der mit der Laserdiode 2 thermisch gekoppelt ist und über die Betriebstemperatur direkt geregelt wird. Da die Laservorrichtung 3 von einer Konstant-Spannungsquelle I ₀ gespeist wird, erhöht sich der Pumpstrom I _P bei einer Temperaturerhöhung aufgrund der Erniedrigung des Widerstandswertes R ₁ des Steuerwiderstandes 1. Um bei jeder Betriebstemperatur den jeweils richtigen Pumpstrom I _p nach Fig. 3 zu erhalten, muß die Gl. 5 erfüllt sein. Dazu werden die freien Parameter R ₁₀ und E _g entsprechend angepaßt. Dabei ist die Ausgangsleistung gegenüber R ₁₀ empfindlicher als gegenüber E _g . Je nach vorgegebener Toleranz der Temperaturabhängigkeit der Ausgangsleistung müssen diese Parameter entsprechend genau eingestellt werden.

Als Material für den Steuerwiderstand 1 eignen sich besonders quarternäre Halbleiterverbindungen aus GaInSbP, GaInAsSb oder InAsSbP, die je nach Zusammensetzung unterschiedliche Werte für E _g zeigen. Verwendet werden können auch ternäre Halbleiterverbindungen wie GaInAs mit E _g = 750 meV oder andere Halbleitermaterialien wie Germanium mit E _g = 660 meV.

Die erste Ausführungsform der Laservorrichtung 3 ist in Fig. 4 dargestellt. Auf ein Substrat 41 ist eine n-InP-Schicht 42 aufgebracht. Darüber liegt die aktive Schicht 43 aus GaInAsP, auf der sich die p-InP-Schicht 44 befindet. Die Schichten 41 bis 44 bilden die Laserdiode 2. Auf der Schicht 44 befindet sich die seitlich begrenzte GaInAs-Schicht 45 als Steuerwiderstand 1. Die GaInAs-Schicht 45 ist mit der Metallschicht 46 bedeckt. Gegenüber der Metallschicht 46 liegt die Metallschicht 40, beide zusammen bilden die Kontakte. Der freie Parameter R ₁₀ aus Gl. 5 wird durch die seitliche Begrenzung und die Dicke der GaInAs-Schicht 45 bestimmt.

Eine zweite Ausführungsform der Laservorrichtung 3 ist in Fig. 5 dargestellt. Auf der Unterseite des Substrats 52 befindet sich eine GaInAs-Schicht 51, die den Steuerwiderstand 1 bildet, darunter ist eine dicke Metallschicht 50 angebracht, die gleichzeitig als Wärmesenke und Kontakt dient. Auf dem Substrat 52 befindet sich die n-InP-Schicht 53, auf der die aktive Schicht 54 aus GaInAsP angeordnet ist. Darauf ist die p-InP-Schicht 55 mit darüberliegender Metallschicht 56 angebracht. Die Schichten 52 bis 55 bilden die Laserdiode. Im Gegensatz zur Ausführungsform gemäß Fig. 4 sind hier die Schicht des Steuerwiderstandes 51 und die aktive Schicht 54 deckungsgleich, d. h. R ₁₀ kann nur über die Schichtdicke eingestellt werden. Die Schicht des Steuerwiderstandes 51 und die aktive Schicht 54 liegen auf entgegengesetzten Seiten des Substrats und somit weit voneinander entfernt, dabei liegt die Schicht des Steuerwiderstandes 54 noch an der Metallschicht 50 an.

Die beiden Ausführungsformen gemäß Fig. 4 und Fig. 5 haben das gleiche Ziel, nämlich die Schicht des Steuerwiderstandes 45, 51 und die aktive Schicht 43, 54 auf möglichst geringer und einheitlicher Betriebstemperatur zu halten. Je nach äußeren Temperatureinflüssen weist eine dieser Ausführungsformen größere Vorteile auf. Die erste Ausführungsform gewährleistet hierbei zuverlässiger die einheitliche Temperatur von Steuerwiderstand und aktiver Schicht. Die zweite Ausführungsform bewirkt eine geringere Betriebstemperatur.

In der Ausführungsform gemäß Fig. 6 wird, repräsentativ für komplizierte Laserstrukturen, die Struktur eines DC-PBH-Lasers (Double Channel-Planar Burried Heterostructure Laser) berücksichtigt. Die Laservorrichtung 3 ist auf ein InP-Substrat 61 aufgebracht, an dessen Unterseite die Metallschicht 60 anliegt. Direkt auf dem InP-Substrat 61 ist die n-InP-Schicht 62 aufgebracht, auf der wiederum die aktive Schicht 63 aus GaInAsP aufgebracht ist. Die aktive Schicht 63 ist an zwei Stellen unterbrochen und besteht somit aus zwei Randstücken und einem Mittelstück, an den beiden Unterbrechungen weist die n-InP-Schicht 62 zwei eingeätzte Vertiefungen auf. Die p-InP-Schicht 64 ist jeweils auf einem Randstück der aktiven Schicht 63 und einschließlich im Bereich einer Vertiefung der n-InP-Schicht 62 angeordnet. Die p-InP-Schicht 64 ist von der n-InP-Schicht 65 bedeckt. Darüber befindet sich die p-InP-Schicht 66 mit der eingeätzten Vertiefung in der Mitte der p-InP-Schicht 66, auf der die im Bereich der Vertiefung unterbrochene SiO₂-Isolierschicht 67 angeordnet ist. Über der SiO₂-Isolierschicht 67 und im Bereich deren Unterbrechung bis in die Vertiefung der p-InP-Schicht 66 liegt die den Steuerwiderstand 1 bildende GaInAs-Schicht 68, die teilweise von der darüberliegenden Metallschicht 69 bedeckt ist. Die Vertiefungen in den Schichten 62 und 66 sind nutenförmig. Die beiden Metallschichten 60 und 69 bilden die elektrischen Kontakte der Laservorrichtung 3. Der Widerstandswert R ₁₀ wird über die Größe und Lage der Metallschicht 69 festgelegt. Befindet sich die Metallschicht 69 am äußeren Rand der Laservorrichtung, erhöht sich R ₁₀, gleichzeitig wird die entstehende Joulsche Wärme auf einen größeren Bereich verteilt. Auf der GaInAs-Schicht 68 kann zur Metallschicht 69 auch eine zusätzliche Metallschicht z. B. symmetrisch angeordnet sein.

Bei den bisher erläuterten Ausführungsformen ist der Steuerwiderstand 1 der Laservorrichtung 3 jeweils in die Laserdiode integriert. Sie sind spiegelsymmetrisch aufgebaut.

Die Laservorrichtung 3 kann auch aus diskreten Bauelementen aufgebaut sein, wobei der Steuerwiderstand 1 und die Laserdiode 2 sich günstigerweise auf einer gemeinsamen Wärmesenke 4 befinden (Fig. 2).

In Fig. 7 ist als zweites Ausführungsbeispiel die Laservorrichtung 5 dargestellt. An einer Konstant-Stromquelle I _o sind ein Steuerwiderstand 6 und die Laserdiode 2 in Parallelschaltung angeschlossen. Der Steuerwiderstand 6 und die Laserdiode 2 sind über eine gemeinsame Wärmesenke 4 thermisch gekoppelt. Der Widerstandswert R ₆ des Steuerwiderstandes 6 weist einen positiven Temperaturkoeffizienten derart auf, daß der Steuerstrom I _s und der Pumpstrom I _p (Fig. 8) die gewünschte Beziehung zueinander zeigen, um die gewünschte konstante optische Ausgangsleistung P ₀ zu erhalten. Dabei gilt:
I _o = I _s + I _p = konstant.

Die Laservorrichtung 5 kann in analoger Form zur Laservorrichtung 3 aus diskreten Bauelementen bestehend oder in integrierter Form aufgebaut sein.

Bezugszeichenliste 1 Steuerwiderstand
2 Laserdiode
3 Laservorrichtung
4 Wärmesenke
5 Laservorrichtung
6 Steuerwiderstand
40 Metallschicht
41 Substrat
42 n-InP-Schicht
43 aktive Schicht, GaInAsP
44 p-InP-Schicht
45 GaInAs-Schicht
46 Metallschicht
50 Metallschicht
51 GaInAs-Schicht
52 Substrat
53 n-InP-Schicht
54 aktive Schicht, GaInAsP
55 p-InP-Schicht
56 Metallschicht
60 Metallschicht
61 InP-Substrat
62 n-InP-Schicht
63 aktive Schicht, GaInAsP
64 p-InP-Schicht
65 n-InP-Schicht
66 p-InP-Schicht
67 SiO₂-Isolierschicht
68 GaInAs-Schicht
69 Metallschicht

Claims

1. Laservorrichtung mit stabilisierter Ausgangsleistung, bestehend aus einer Steuerung und einer Laserdiode, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung aus einem Steuerwiderstand besteht, der mit der Laserdiode (2) thermisch gekoppelt ist.

2. Laservorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerwiderstand aus einer Widerstandsschicht besteht, die in die Laserdiode (2) integriert angeordnet ist.

3. Laservorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerwiderstand und die Laserdiode (2) als diskrete Bauelemente auf einer die thermische Kopplung bewirkenden Temperatursenke (4) angeordnet sind.

4. Laservorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Steuerwiderstand (1) aus Halbleitermaterial besteht, mit der Laserdiode (2) in Serie geschaltet ist, und beide von einer Konstant-Spannungsquelle versorgt sind.

5. Laservorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Steuerwiderstand (6) mit positiven Temperaturkoeffizienten der Laserdiode (2) parallel geschaltet ist, und beide von einer Konstant-Stromquelle versorgt sind.