DE3537886C2 - - Google Patents

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-Ga_{1 - x} Al _x As-Überzugs­ schicht 14, eine p-(oder n-)Ga_{1 - y} Al _y As-Aktivschicht 15 und eine n-Ga_{1 - 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.