DE3537886C2 - - Google Patents
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- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
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- H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
- H01S5/22—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure
- H01S5/223—Buried stripe structure
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Halbleiterlaser
nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Ein derartiger Halbleiterlaser ist bereits aus der
US 42 77 762 bekannt. Der bekannte Halbleiterlaser weist
zwei Zweigwellenleiter auf, die in der Nähe der Licht
austrittsflächen parallel zueinander verlaufen. Die
Phasendifferenz zwischen den Lichtstrahlen in den beiden
Zweigwellenleitern beträgt 0°. Jedoch liegen bei diesem
bekannten Laser die Zweigwellenleiter im Bereich der
Kopplungsstelle lediglich dicht aneinander, ohne einen
gemeinsamen Abschnitt zu bilden. Zwar sind in der US
42 77 762 auch abweichende Ausführungsformen von Halb
leiterlasern beschrieben, bei denen die Zweigwellen
leiter einen gemeinsamen Abschnitt haben, jedoch befin
det sich in diesem Fall der gemeinsame Abschnitt nicht
in der Mitte des Wellenleiters, sondern an dessen Ende.
Auch liegen die beiden Zweigwellenleiter nicht
symmetrisch zur Ausbreitungsrichtung der Welle des
Laserlichtes, sondern sind bezüglich der Wellenaus
breitungsrichtung asymmetrisch. Zwar hat dieser bekannte
Halbleiterlaser den Vorzug, daß sein Fernfeldmuster auf
grund der 0°-Phasenverschiebung zwischen den Laserlicht
strahlen nur einen einzigen Spitzenwert aufweist, so daß
beide Laserlichtstrahlen mittels optischer Linsen kon
zentriert werden können. Hierdurch kann der bekannte
Halbleiterlaser zumindest dann, wenn an dem Phasenver
halten von 0°-Phasenverschiebung zwischen den einzelnen
Wellenleitern festgehalten werden soll, nicht einfach
durch parallele Anordnung mehrerer Laserresonanzräume
hergestellt werden.
Allgemein sind unter der Voraussetzung, daß zwei Laser-
Resonanzräume parallel auf demselben Substrat angeordnet
sind, sind hinsichtlich der Laseroszillation drei Fälle
zu unterscheiden: der erste Fall liegt dann vor, wenn
die beiden erhaltenen Laserlichtstrahlen zwischen
sich die Phasenverschiebung von 0° haben; im zweiten
Fall ist die optische Phasenverschiebung zwischen den
beiden Laserlichtstrahlen gleich 180°. Der dritte Fall
besteht aus einer Mischung der beiden oben beschriebenen
Fälle. Im ersten Fall hat das Fernfeldmuster, das in
Fig. 3(A) dargestellt ist, einen einzelnen "peak", so
daß die beiden Laserlichtstrahlen mittels optischer
Linsen zu einem Lichtpunkt konzentriert werden können.
Im zweiten und dritten Fall, der in Fig. 3(B) bzw.
3(C) dargestellt ist, haben die Fernfeldmuster dagegen
mehrere "peaks", so daß die beiden Laserlichtstrahlen
nicht durch optische Linsen zu einem Lichtfleck konzen
triert werden können. Es wurden daher Halbleiterlaser
anordnungen vorgeschlagen einschließlich sogenannter
"gain-guided" Halbleiterlaseranordnungen und "index-
guided" Halbleiterlaseranordnungen, bei denen eine Viel
zahl von laserkorrelierte Wellen aussendenden Resonanz
räumen parallel nebeneinander angeordnet sind, um eine
optische Phasenkopplung zwischen benachbarten Resonanz
räumen zu erhalten. Bei den "index-guided" Halbleitern
wird der Resonanzraum im Ergebnis durch den Brechungs
index des umgebenden Materiales begrenzt.
Bei den "gain-guided" Halbleiterlaseranordnungen ist das
elektrische Feld im Mittelbereich zwischen zwei benach
barten Laser-Resonanzräumen gleich Null, so daß Laser
lichtstrahlen erzeugt werden müssen, die eine Phasenver
schiebung von 180° zueinander haben, woraus ein Fern
feldmuster mit mehreren "peaks" resultiert. Dagegen ist
bei den "index-guided" Halbleiterlaseranordnungen das
elektrische Feld zwischen benachbarten Laser-Resonanz
räumen nicht notwendigerweise gleich Null, so daß Laser
lichtstrahlen mit einer Phasenverschiebung von 0° zu
einander erhalten werden können. Es kann gesagt werden,
daß Halbleiterlaseranordnungen mit einer Phasenverschie
bung von 0° zwischen benachbarten Resonanzräumen nicht
einfach durch parallele Anordnung mehrerer Laser-
Resonanzräume in einfacher Weise hergestellt werden
können.
Gegenüber diesem Stand der Technik liegt der vorliegen
den Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Halbleiter
laser der eingangs genannten Art zu schaffen, der ein
Fernfeldmuster mit einem einzigen Spitzenwert hat und
dennoch einfach herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird bei einem Halbleiterlaser nach dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1 durch die im kenn
zeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merk
male gelöst.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist Gegen
stand des Patentanspruchs 2.
Der erfindungsgemäße Halbleiterlaser ist ein sogenannter
"index-geführter" Halbleiterlaser mit 0° Phasenverschie
bung zwischen den beiden Laserbereichen und ermöglicht
eine hohe Ausgangsleistung bei einem Fernfeldmuster mit
einem einzigen Spitzenwert.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden
nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeich
nungen näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 ein Diagramm zur Erläuterung der
Funktion des optischen Wellenleiters
einer Halbleiterlaseranordnung mit
zwei Laserarbeitsbereichen nach der
Erfindung, wobei die Querverteilung
des elektrischen Feldes des Laser
lichtes, das sich in dem optischen
Wellenleiter ausbreitet, dargestellt
ist;
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht der
Halbleiterlaseranordnung der Fig. 1;
Fig. 3(A) ein Diagramm des Fernfeldmusters,
das mit einer Halbleiterlaseranord
nung gemäß Fig. 2 erhalten wird; und
Fig. 3(B) bzw. 3(C) Diagramme des Fernfeldmusters, wel
ches mit herkömmlichen Halbleiter
laseranordnungen erhalten wird,
welche zwei Laserarbeitsbereiche
haben.
Fig. 1 zeigt eine Ansicht des optischen Wellenleiters 100
einer index-geführten Halbleiterlaseranordnung, die zwei
Laserarbeitsbereiche hat und die eine Laseroszillation mit
einer 0°-Phasenverschiebung zwischen diesen erreicht. Der
optische Wellenleiter 100 arbeitet in seinem Mittel
abschnitt 1 in einer einzigen Mode und an seinen beiden
Endabschnitten 2 und 3 in einer Verzweigungsmode, zur
Bildung von zwei Zweig-Wellenleitern, 101, 101 und 102,
102, welche symmetrisch zur Wellenausbreitungsrichtung des
Laserlichtes liegen und welche in den Abschnitten 4 bzw. 5
in der Nähe von Endflächen bzw. Facetten 20 und 21
parallel zueinander liegen. Die in Fig. 1 eingezeichneten
Kurven bezeichnen die Querverteilung des elektrischen
Feldes hinsichtlich der sich ausbreitenden Lichtstrahlen
an bestimmten Abschnitten des optischen Wellenleiters 100.
Die grundsätzliche Arbeitsweise der Halbleiterlaseranord
nung nach der Erfindung ist wie folgt: Lichtstrahlen 6,
die sich in den beiden parallelen Zweigwellenleitern 101
und 101 im Abschnitt 4 in der Nähe der Facette 20 in
Richtung von der einen Facette 20 zur anderen Facette 21
mit einer gewissen Phasenverschiebung zueinander ausbrei
ten, werden zur Minimierung von Verlusten in dem ver
zweigten Abschnitt 2 graduell synthetisiert, was zu einem
Licht 7 führt, dessen elektrische Feldverteilung in Fig. 1
dargestellt ist. Ein Teil des Lichtes 7 mit Moden
höherer Ordnung wird in dem Mittelteil 1, der nur eine
einzige Mode des optischen Wellenleiters 100 aufweist,
entfernt bzw. unterdrückt, was zu Licht 8 führt, das nur
die Grundmode aufweist, welche sukzessiv sich ausbreitet.
Das Licht 8 wird dann graduell in die Zweigabschnitte 3
des optischen Wellenleiters 100 verzweigt, wo Licht
strahlen 9 gebildet werden, die eine 0°-Phasenverschiebung
zwischen sich aufweisen. In den beiden parallelen Zweig
wellenleitern des Abschnittes 5 in der Nähe der Facette 21
werden Lichtstrahlen 10, die eine 0°-Phasenverschiebung
zwischen sich aufweisen, zu der Facette 21 geleitet.
Andererseits breiten sich Lichtstrahlen, die mit einem
gewissen Phasenverschiebungswinkel zwischen sich in den
beiden parallelen Zweigwellenleitern 102 und 102 des
Abschnittes 5 in Richtung von der Facette 21 zur Facette
20 laufen, in gleicher Weise wie oben beschrieben aus, in
dem Falle, bei dem der optische Wellenleiter 100 hin
sichtlich der Mittellinie 111 symmetrisch ist, wobei die
Mittellinie 111 vertikal zur Ausbreitungsrichtung der
Lichtstrahlen liegt, was zu Lichtstrahlen mit einer 0°
Phasenverschiebung zwischen sich in den beiden anderen
parallelen Zweigwellenleitern in der Nähe der Facette 20
führt.
Damit weist die Halbleiterlaseranordnung nach der Er
findung eine 0°-Phasenverschiebung zwischen den Laser
lichtstrahlen auf, die in den beiden Laserbereichen der
oben beschriebenen Wellenleiterstruktur laufen. Die von
der Anordnung emittierten Laserlichtstrahlen erzeugen
damit ein Fernfeldmuster mit einem einzigen "peak".
Obwohl das Laserlicht in dem Abschnitt 1 des optischen
Wellenleiters 100 mit der einzigen Mode eine hohe Dichte
aufweist, ist die Ausgangsleistung, die üblicherweise
einem Facetten- oder Seitenflächenzusammenbruch unter
worfen ist, in dem Abschnitt 1 mit der einigen Mode um
etwa eine Größenordnung größer als in den verzweigten Ab
schnitten in der Nähe der Facetten bzw. Seitenflächen 20
und 21, so daß die Anordnung Laserlichtstrahlen mit hoher
Ausgangsleistung ohne Energieverlust erzeugen kann.
Ein Ausführungsbeispiel ist in Fig. 2 gezeigt, die eine
(Brechungs-) index-begrenzte VSIS-Halbleiterlaseranordnung
nach der Erfindung darstellt. (VSIS bezeichnet hier einen
V-kanalförmigen inneren Substratstreifen; V-channelled
substrate inner stripe.) Diese Anordnung ist wie folgt
aufgebaut: auf einem Zn-dotierten p-GaAs-Substrat
(p = 1 × 1019 cm-13) 11 ist eine Te-dotierte n-GaAs-Stromblockie
rungsschicht 12 (n = 3 × 1018 cm-3), durch Flüssigphasenepitaxie
wachstumstechnik aufgewachsen unter Verwendung eines
gleitenden Schiffchens, das dem Fachmanne bekannt ist.
Darauf werden V-förmige Kanäle 13 mit dem oben beschriebe
nen Muster des optischen Wellenleiters auf der Stromblockie
rungsschicht 12 durch Photolithographie und eine Ätztechnik
in solcher Weise gebildet, daß sie das Substrat 11 er
reichen. Die Abschnitte jedes Kanales 13, die in dem
Substrat 11 angeordnet sind, wirken als elektrischer
Strompfad. Darauf wird auf der Stromblockierungsschicht
12, die die Kanäle 13 enthält, eine p-Ga1 - x Al x As-Überzugs
schicht 14, eine p-(oder n-)Ga1 - y Al y As-Aktivschicht 15
und eine n-Ga1 - x Al x As-Überzugsschicht 16 aufeinanderfol
gend mit der gleichen Flüssigphasenepitaxieaufwachs
technik, die oben beschrieben wurde, aufgebracht, um einen
Mehrschichtkristall mit einer doppelten Heterostruktur für
eine Laseroszillation zu erzeugen. Die Beziehung zwischen
den Mischungsverhältnissen x und y wird vorzugsweise so
gewählt, daß sie ungefähr bei x ≧ y + 0,2 liegt. Darauf wird
eine n⁺-GaAs Deckschicht 17 auf der n-Überzugsschicht 16
aufgebracht. Eine p-seitige Elektrode 18 und eine n-seiti
ge Elektrode 19 werden dann an der Rückseite des Substra
tes 11 bzw. der Oberseite der Deckschicht 17 durch eine
Vakuum-Aufdampftechnik o. ä. aufgebracht. Schließlich
werden die Facetten bzw. Endflächen durch Spalten erzeugt,
was zu einem Fabry-Perot-Resonator für die Laser
oszillation führt.
Da der optische Wellenleiter in der fertigen Halbleiter
laseranordnung in dem Abschnitt der aktiven Schicht 15
entsprechend den Kanälen 13 ausgebildet ist, hat er in
seinem Mittelabschnitt innerhalb des Resonators eine
einzige Mode und eine Verzweigungsmode an den beide
Endabschnitten, wodurch zwei Zweigwellenleiter gebildet
werden, die in der Nähe der Endflächen parallel zueinander
liegen.
Wird elektrischer Strom durch die p-seitige Elektrode und
die n-seitige Elektrode in die Anordnung injiziert, so
fließt er durch die Kanäle 13 in die aktive Schicht 15,
auf welche die Stromblockierungsschicht 12 nicht aus
gebildet ist, da die Polarität der Stromblockierungs
schicht 12 von der des Substrates 11 verschieden ist,
wodurch ein Stromfluß von dem Substrat 11 zu der Strom
blockierungsschicht 12 unterbunden ist. Folglich wirkt der
Abschnitt der aktiven Schicht 15, die den Kanälen 13
entspricht, als (Brechungs-) index-begrenzter Wellen
leiter, welche eine Laseroszillation ermöglicht. Der Teil
des Laserlichtes mit Mode höherer Ordnung wird in dem
Mittelabschnitt mit der einzigen Mode des Wellenleiters
abgeschnitten bzw. unterdrückt, während er sich in dem
Wellenleiter ausbreitet, was zu zwei Lichtstrahlen führt,
die in der Grundmode schwingen, welche dann mit einer 0°-
Phasenverschiebung zwischen sich von dem Teil der End
flächen, die den Kanälen 13 entsprechen, abgestrahlt
werden. Das Fernfeldmuster der emittierten Lichtstrahlen
weist einen steilen, einzigen "peak" auf, wie er in Fig. 3
(A) dargestellt ist. Dieser "peak" zeigt an, daß die
Laserlichtstrahlen von den beiden Laserbereichen mit einer
Phasenverschiebung von 0° zwischen sich schwingen.
Wie oben beschrieben erhält man eine Laseroszillation mit
einer Phasenverschiebung von 0° zwischen den beiden Laser
bereichen, was zu Laserlichtstrahlen mit hoher Ausgangs
leistung bei einem Fernfeldmuster mit einem einzigen
"peak" führt.
Die Halbleiterlaseranordnung nach der Erfindung ist nicht
auf (Brechungs-) index-begrenzte VSIS-Halbleiterlaseran
ordnungen beschränkt; sie ist vielmehr auch auf andere
Brechungsindex-begrenzte Halbleiterlaseranordnungen an
wendbar. Als Kristallmaterialien können statt der GaAs-
GaAlAs-Systeme auch InP-InGaAsP-Systeme verwendet werden.
Claims (3)
1. Halbleiterlaser mit folgendem Aufbau:
- a) Zwischen den Resonatorendflächen (20, 21) ist ein optischer Wellenleiter (100) vorgesehen, der aus zwei Zweigwellenleitern (101, 102) besteht, die in der Nähe der Resonatorenflächen (20, 21) parallel zueinander verlaufen,
- b) der Wellenleiter (100) besitzt in seinem mittleren Bereich (1) eine Kopplungsstelle, die so ausgebil det ist, daß eine Phasenverschiebung von 0° zwi schen den in den beiden Zweigwellenleitern (101, 102) sich ausbreitenden Lichtstrahlen erhalten wird, was zu Laserlichtstrahlen mit einer Phasen verschiebung von 0° zwischen sich führt,
gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
- c) an der Kopplungsstelle vereinigen sich die beiden Zweigwellenleiter (101, 102) zu einem gemeinsamen Wellenleiter,
- d) die Zweigwellenleiter sind symmetrisch zur Wellen ausbreitungsrichtung des Laserlichts ausgebildet.
2. Halbleiterlaser nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der optische Wellenleiter (100) symmetrisch zu
einer Mittellinie (111) aufgebaut ist, welche verti
kal zur Ausbreitungsrichtung des Laserlichtes (8)
liegt.
Applications Claiming Priority (1)
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Legal Events
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