DE3542410C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen indexgeführten interferometrischen Halbleiter-Laser mit ausgezeichneter Stabilität in einer longitudinalen Lasermode.

Wenn ein Halbleiter-Laser als Lichtquelle für optische Kommunikationssysteme oder für optische Informationsverarbeitungssysteme verwendet wird, ist es höchst erwünscht, daß der Gerät eine stabile Schwingung ausführt, die nicht von der Umgebungstemperatur, der Laser-Lichtleistung oder dem von einem externen System reflektierten Laserstrahl beeinflußt wird. Wenn die Schwingung eines Halbleiter-Lasers aufgrund von Veränderungen verschiedener Faktoren unstabil ist, kann Modenkopplungsrauschen oder durch Rückkopplung induziertes Rauschen aufgrund der Wechselwirkung zwischen den longitudinalen Lasermoden und/oder den longitudinalen Lasermoden und den externen Moden auftreten. Ebenso führt eine Lichtübertragung unter Verwendung von optischen Fasern zu Modenrauschen was zu einer ernsthaften Leistungsabsenkung des Systems führt.

Zur Stabilisierung der longitudinalen Lasermoden wurden bei den bekannten Halbleiter-Lasern verschiedene Vorschläge gemacht, vergl. den Aufsatz von K. J. Ebeling in "Laser und Optoelektronik", Nr. 3, 1984, S. 176 bis 186.

Erstens gibt es Laser mit stark reflektierenden Spiegeln zur Verhinderung des Wiedereintritts von reflektiertem Licht in den Laser und zur Erhöhung der internen optischen Dichte, was zu einer Unterdrückung der nicht laserwirksamen Moden führt. Diese Laser haben jedoch den Nachteil, daß sie keine große Lichtaussendung gestatten. Zweitens gibt es verteilte Rückkopplungs-Laser (DFB-Laser) sowie verteilte Bragg-Reflektor- Laser (DBR-Laser), die in Gitter innerhalb des Wellenleiters enthalten. Diese Laser, bei denen eine starke Wellenselektivität durch das Gitter möglich ist, haben selbst bei Laserlichtturbulenzen eine hervorragende Stabilität im Longitudinalmode. Ihre Herstellung ist jedoch kompliziert und hängt von der Qualität des verwendeten Materials ab, so daß sie nicht einfach herstellbar sind. Drittens gibt es noch C³(cleaved coupled cavity)-Laser, die dadurch gebildet sind, daß man zwei Halbleiter-Laser oder zwei Wellenleiter in einer Linie an deren Enden verbindet. Diesen Lasern wird durch optische Kopplung der zwei im Longitudinalmode befindlichen Laser Stabilität verliehen. Ein Nachteil besteht jedoch darin, daß es schwierig ist, zwei Laser so aufzustellen, daß sie eine gute optische Kopplung erzielen und daß eine große technische Geschicklichkeit erforderlich ist, um Stabilität im Longitudinalmode über einen weiten Bereich durch individuelle Steuerung der Einführung der Ladungsträger in die zwei Laser zu erreichen. Viertens gibt es Laser-Interferometer, bei denen durch die Konstruktion von einem oder vielen reflektierenden Abschnitten im Inneren des Wellenleiters des einen Halbleiter-Lasers der gesamte Wellenleiter in eine Anzahl von Teilen unterteilt werden kann und bei dem durch einen Interferenzeffekt zwischen den Longitudinalmoden in jedem dieser Teile Stabilität der Longitudinalmoden erreicht wird. Ein Laser-Interferometer wird von Shyh Wang u. a. in "IEEE-Journal auf Quantum Electronics", Band QE-18, Nr. 4., Seiten 610 bis 617 beschrieben, welches 1982 erschien. Bei diesem Laser ist kein besonderer Herstellungsprozeß erforderlich, wenn die internen reflektierenden Sektionen leicht hergestellt werden können, und die Stabilität des longitudinalen Modes ist gut.

Aus "Appl. Phys. Lett.", 1983, Vol. 43, Seiten 889 bis 891 ist ein Heterostruktur-Halbleiterlaser des Typs MTDH bekannt, bei dem ein zweiter Kanal an einem ersten Kanal T-förmig anschließt. Der bekannte Laser hat einen eingebauten Brechungsindexunterschied aufgrund von Polarisation, und nicht aufgrund von Lichtabsorption durch das Substrat.

Aus "Appl. Phys. Lett.", Vol. 40, Seiten 571 bis 573 ist ein indexgeführter interferometrischer Laser bekannt, dessen aktive Schicht allerdings eine leichte Dickenvariation aufweist.

Aus der JP 55-1 41 778 A ist ein Halbleiter-Laser bekannt, dessen Aufbau einen gewinngeführten (auch verstärkungsgeführt genannten) Halbleiter- Laser ergibt. Dabei werden die Longitudinalmoden nicht durch interne Reflexionen von Laserlicht stabilisiert. Die dort erkennbaren Kanäle oder Vertiefungen sind so bemessen, daß sie als indexgeführte Wellenleiter ungeeignet, nämlich zu kurz sind. Der bekannte Laser benötigt daher eine Streifenelektrode und wird dadurch zu einem "gewinngeführten" Laser.

Aus der EP 01 15 390 A2 ist ein Halbleiter-Laser bekannt, der eine Kombination aus Gewinn- und Indexführung darstellt. Allerdings ist dort die aktive Schicht nicht eben und außerdem ist keine Lehre über die Stabilisierung der Longitudinalmoden enthalten.

Schließlich offenbart die DE-OS 33 35 371 einen Halbleiter-Laser mit Kanälen oder Vertiefungen von ähnlicher Konfiguration wie bei der JP 55-1 41 778 A, so daß auch dieser Laser ein gewinngeführter Laser ist, der eine Streifenelektrode zur Gewinnführung benötigt.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen gegenüber dem Stand der Technik verbesserten indexgeführten interferometrischen Halbleiter-Laser zu schaffen.

Die aktive Schicht ist dabei eine ebene Schicht von gleichmäßiger Dicke, und das Substrat hat einen zweiten Kanal, der den ersten Kanal kreuzt.

Eine Stromblockierungsstruktur ist vorzugsweise außerhalb des ersten Kanals auf dem Substrat aufgebracht.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert; es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht des zur Bildung eines Halbleiter-Lasers verwendeten Substrats;

Fig. 2a und b Schnittansichten entlang der Linien A-A′ und B-B′ in Fig. 1 für den Fall, daß ein mehrschichtiger Kristall zur Laserschwingung auf dem in Fig. 1 dargestellten Substrat gebildet ist;

Fig. 3a und b Diagramme der Abhängigkeit des eingebauten Unterschieds im effektiven Brechungsindex der aktiven Schicht von der Dicke der Hüllschicht;

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines interferometrischen Halbleiter-Lasers; und

Fig. 5 ein charakteristisches Diagramm der Abhängigkeit der Wellenlänge λ der Longitudinalmoden von der Temperatur für den Halbleiter-Laser gemäß Fig. 4.

Gemäß der Erfindung ist ein reflektierender Bereich innerhalb des Wellenleiters eines indexgeführten Halbleiter-Lasers mit eingebauter effektiver Brechungsindexdifferenz gebildet, die auf einer Differenz in der Lichtabsorption durch das Substrat basiert, und zwar zwischen dem Teil der aktiven Schicht, der dem Innenbereich eines Kanals entspricht, welcher auf dem Substrat gebildet ist, und dem Teil der aktiven Schicht, die der Außenseite des Kanals entspricht, was zu einem interferometrischen Laser führt, der hervorragende Stabilität in einem Longitudinalmode hat. Die Bildung des reflektierenden Bereichs innerhalb des Wellenleiters erfolgt dadurch, daß die Dicke eines Teils der Auskleidungsschicht, die zwischen das Substrat und die aktive Schicht außerhalb des Kanals eingebracht ist, sich von der des anderen jeweiligen Teils der Auskleidungsschicht unterscheidet, die entlang des Wellenleiters angeordnet sind, wodurch ein Unterschied in dem effektiven transversalen Brechungsindex zwischen dem Teil der aktiven Schicht auftritt, der dem jeweiligen Teil der Auskleidungsschicht entspricht, und dem anderen Teil der aktiven Schicht, der dem anderen Teil der Auskleidungsschicht an dem Außenbereich des Kanals entspricht.

Fig. 1 ist eine perspektivische Darstellung des Substrats 1, das für die Bildung eines Halbleiter-Lasers verwendet wird. Die Fig. 2(A) und 2(B) sind Schnittansichten entlang der Linien A-A′ und B-B′ gemäß Fig. 1 für den Fall, daß auf dem Substrat 1, auf dem sich streifenförmige Kanäle X1 und Y1 kreuzen, eine Auskleidungsschicht 2, eine aktive Schicht 3, eine Auskleidungsschicht 4 und eine Deckschicht 5 nacheinander epitaxial aufgewachsen sind, die zu einem mehrschichtigen Kristall mit Doppel-Heterostruktur führen. Gemäß den Fig. 2(A) und 2(B) ist die Dicke d₁′ des Teils 22 der Auskleidungsschicht 2, die zwischen dem Substrat 1 und der aktiven Schicht 3 im Außenbereich 9 des Kanals X1, jedoch im Innenbereich des Kanals Y1 liegt, größer als die Dicke d₁ des Teils 21 der Auskleidungsschicht 22, die im Außenbereich 7 von beiden Kanälen X1 und Y1 liegt. Die Fig. 3(A) und 3(B) zeigen jeweils die Beziehung zwischen der Dicke d₁ eines Teils der Auskleidungsschicht, die außerhalb des Kanals X1 liegt, und der Querdifferenz des effektiven Brechungsindex Δn, die auf der Differenz der Lichtabsorption durch den Teil des Substrats basiert, der innerhalb des Kanals X1 oder außerhalb des Kanals X1 liegt, was darauf hinweist, daß bei einer Dicke d₁ für den Teil 21 der Auskleidungsschicht in Fig. 2 (A) von beispielsweise 0,1 µm und der Dicke d₁′ des Teils 22 der Auskleidungsschicht von Fig. 2(B) von beispielsweise 0,5 µm der effektive Brechungsindexunterschied Δn etwa gleich 10⁻² im Bereich A-A′ und 10⁻⁴ im Bereich B-B′ ist, und demnach wird Laserlicht, das im Wellenleiter der aktiven Schicht 3 entsprechend dem Kanal X1 geleitet wird, im Bereich B-B′ des Wellenleiters aufgrund der Veränderung des effektiven Brechungsindex in dem B-B′ Bereich teilweise reflektiert. Erfindungsgemäß wird die Verteilung des Abstands zwischen dem Substrat und der aktiven Schicht durch die Bildung der zwei Arten von Kanälen X1 und Y1 geschaffen, die sich auf dem Substrat kreuzen, um dadurch einen internen Reflexionsabschnitt zu bilden, was zu einem interferometrischen Laser mit ausgezeichneter Stabilität in einem longitudinalen Schwingungsmode führt.

Vom Standpunkt der Stabilisierung im transversalen Mode und/oder der Abnahme an Emissionsverlust in dem reflektierenden Bereich nach den Fig. 2(A) und 2(B) ist es zweckmäßig, daß die aktive Schicht flach mit gleichmäßiger Dicke nicht nur im Wellenleiterbereich, sondern auch im reflektierenden Bereich gebildet ist. Außerdem kann gewünschtenfalls eine Stromblockierungsfunktion zu dem reflektierenden Bereich hinzugeführt werden, was zu einer Struktur führt, die den reflektierenden Bereich daran hindert, eine Verstärkung zu erzielen, um dadurch den internen Reflexionsindex wirksamer zu erhöhen.

Fig. 4 zeigt einen interferometrischen VSIS-Laser (V-Kanal- Innenstreifensubstrat) als Beispiel, der folgendermaßen hergestellt wurde: auf der (100)-Fläche eines p-GaAs-Substrats 11 wurde eine n-GaAs-Stromblockierungsschicht 12 mit einer Dicke von 0,8 µm epitaxial aus flüssiger Phase aufgewachsen. Hierauf wurde die Stromblockierungsschicht 12 geätzt, um einen streifenförmigen V-Kanal X mit einer Breite von 4 µm in [011]-Richtung in der Weise zu bilden, daß der Kanal X das Substrat 11 erreicht. Die Stromblockierungsschicht 12 wurde weiter geätzt, um einen weiteren streifenförmigen Kanal Y mit einer Breite von 3 µm und einer Tiefe von beispielsweise 0,5 µm in [011]-Richtung in der Weise zu bilden, daß der Kanal Y das Substrat 11 nicht erreicht. Auf das Substrat 11 mit den darauf befindlichen Kanälen X und Y wurde eine Auskleidungsschicht 13 aus p-Ga_1-yAl_yAs, eine aktive Schicht 14 aus p-Ga_1-xAl_xAs, eine Auskleidungsschicht 15 aus n-Ga_1-yAl_yAs und eine Deckschicht 16 aus n-GaAs nacheinander epitaktisch aus der flüssigen Phase aufgewachsen, was zu einem mehrschichten Kristall in Doppel-Heterostruktur führte. Die Oberseite der p-Auskleidungsschicht 13 ist eben und dementsprechend ist auch die aktive Schicht 14 eben und hat eine gleichmäßige Dicke.

Der Teil der aktiven Schicht 14, der dem Kanal X entspricht, wirkt als eingebauter Wellenleiter und der Teil der aktiven Schicht 14, der dem Abschnitt entspricht, in dem sich der Kanal X und der Kanal Y kreuzen, wirkt als reflektierender Abschnitt.

Wie bereits erwähnt, ist aufgrund des auf dem Substrat 11 gebildeten Kanals Y die Dicke des Teils der Auskleidungsschicht 13, die außerhalb des Kanals X jedoch innerhalb des Kanals Y ist, größer als die des anderen Teils der Auskleidungsschicht 13, die außerhalb des Kanals X angeordnet ist, so daß die Menge von Licht in der aktiven Schicht 14, die von dem Substrat absorbiert wird, in Abhängigkeit von der Dicke des Teils der Auskleidungsschicht 13 (d. h. dem Abstand zwischen aktiver Schicht 14 und Substrat 11) schwankt, was einen Unterschied im effektiven Brechungsindex der aktiven Schicht 14 und zu einem internen reflektierenden Abschnitt in dem Wellenleiter der aktiven Schicht 14 führt. Der sich ergebende interferometrische VSIS-Laser hat eine Hohlraumlänge von 250 µm, die von diesem reflektierenden Abschnitt in zwei Wellenleiterabschnitte mit Längen von 100 µm und 150 µm unterteilt ist.

Dieser interferometrische VSIS-Laser hat eine stabilisierte Longitudinalmode, die keinen Modensprung über den Temperaturbereich von etwa 15°C bei Umgebungstemperatur erfährt, wie man aus Fig. 5 erkennt, welche die Abhängigkeit der Wellenlänge der Laserschwingungs-Longitudinalmode von der Temperatur zeigt (worin der Schwingungsschwellwertstrom etwa 40 mA bei Umgebungstemperatur betrug).

Um eine verbesserte Stabilität in einer Longitudinalmode zu erhalten, ist es zweckmäßig, daß der interne reflektierende Abschnitt als ein Nicht-Injektionsbereich gebaut ist, indem eine n-GaAs-Stromblockierungsschicht in dem Abschnitt gebildet wird, in dem der Kanal X und der Kanal Y sich auf dem Substrat kreuzen.

Claims (3)

1. Indexgeführter interferometrischer Halbleiter-Laser mit:

• - einem Halbleitersubstrat (1; 11)
• - einer ersten Elektrode, die unter dem Substrat (1; 11) gebildet ist;
• - einem ersten Kanal (X1; X), der in dem Substrat (1; 11) gebildet ist;
• - einer ersten Auskleidungsschicht (2; 13), die auf dem Substrat (1; 11) gebildet ist und den ersten Kanal (X1; X) ausfüllt;
• - einer ebenen aktiven Schicht (3; 14), die auf der ebenen Oberfläche der ersten Auskleidungsschicht (2; 13) gebildet ist;
• - einer zweiten Auskleidungsschicht (4; 15), die auf der aktiven Schicht (3; 14) gebildet ist;
• - einer Kontaktschicht (5; 16), die auf der zweiten Auskleidungsschicht (4; 15) gebildet ist;
• - einer zweiten ebenen Elektrode, die auf der gesamten Kontaktschicht (5; 16) gebildet ist;

dadurch gekennzeichnet, daß

• - der Laser einen eingebauten Brechungsindexunterschied aufgrund der Lichtabsorption durch das Substrat (1; 11) besitzt, und zwar zwischen einem ersten Teil der aktiven Schicht (3; 14), der im Bereich des ersten Kanals (X1; X) liegt und einem zweiten Teil der aktiven Schicht (3; 14), der außerhalb des Bereichs des ersten Kanals (X1; X) liegt, wodurch ein indexgeführter Wellenleiter in der aktiven Schicht (3; 14) gebildet ist, der dem ersten Kanal (X1; X) entspricht;
• - ein zweiter Kanal (Y1; Y) vorgesehen ist, der den ersten Kanal (X1; X) kreuzt und der ebenfalls mit der ersten Auskleidungsschicht (2, 13) derart ausgefüllt ist, daß ein erster Bereich (22) der ersten Auskleidungsschicht (2; 13), der in dem zweiten Kanal (Y1; Y) und außerhalb des ersten Kanals (X1; X) liegt, dicker als ein zweiter Bereich (21) der ersten Auskleidungsschicht (2; 13) ist, der dem zweiten Teil der aktiven Schicht (3; 14) entspricht und der ebenfalls außerhalb des zweiten Kanals (Y1; Y) liegt, so daß der indexgeführte Wellenleiter (X1; X) durch einen reflektierenden Abschnitt in zwei Wellenleiter-Abschnitte unterteilt ist, wobei der reflektierende Abschnitt durch die Unterschiede der wirksamen Brechungsindizes zwischen Teilen der aktiven Schicht (3; 14) gebildet ist, die den ersten (22) und zweiten (21) Bereichen der ersten Auskleidungsschicht (2; 13) entsprechen, und wobei diese Unterschiede durch den zweiten Kanal (Y1; Y) verursacht sind;
• - die Gesamtlänge der beiden Wellenleiter-Abschnitte im wesentlichen gleich der Hohlraumlänge des Lasers ist.

2. Indexgeführter interferometrischer Halbleiter-Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Stromblockierungsstruktur (12) außerhalb des ersten Kanals (X1; X) auf dem Substrat (1; 11) aufgebracht ist.