DE3621198A1

DE3621198A1 - Halbleiter-laseranordnung

Info

Publication number: DE3621198A1
Application number: DE19863621198
Authority: DE
Inventors: Sadayoshi Matsui; Mototaka Taneya; Mitsuhiro Matsumoto
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1985-06-25
Filing date: 1986-06-25
Publication date: 1987-01-08
Also published as: US4772082A; DE3621198C2; GB2176939A; GB2176939B; JPH0337877B2; GB8614932D0; JPS61296785A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiter-Laseranordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Mit der Erfindung soll eine Halbleiter-Laseranordnung geschaffen werden, die Laser-Lichtstrahlen hoher Ausgangsleistung erzeugt, wobei zwischen diesen Lichtstrahlen keine Phasenverschiebung auftritt, d.h. die Phasenverschiebung 0° ist.

Bekannte Halbleiter-Laser, die von ihrer Struktur her nur einen einzigen Laser-Resonanzraum haben, können bestenfalls Lichtstrahlen mit einer Leistung von 50 mW erzeugen. Zur Erzeugung höherer Ausgangsleistungen wurden Halbleiter- Laser untersucht, bei denen mehrere Laser-Resonanzräume bzw. sogenannte "Lasing-Filerments" parallel nebeneinander auf einem einzigen Substrat angeordnet waren, so daß eine optische Phasenkoppelung zwischen den benachbarten Laser- Resonanzräumen erhalten würde.

In den Fällen, bei denen mehrere indexgeführte Halbleiter- Laseranordnungen parallel zueinander liegen, wobei eine optische Phasenkoppelung zwischen den benachbarten Laser- Resonanzräumen vorhanden ist und die einzelnen Laseranordnungen die gleiche Verstärkung haben, neigen diese dazu, mit Laser-Lichtstrahlen zu oszillieren, die zwischen sich eine Phasenverschiebung von 180° aufweisen anstatt eine Phasenverschiebung von 0°. Dies liegt daran, daß in der Schwingungsmode mit der Phasenverschiebung von 180° die Verteilung des elektrischen Feldes mit der Verteilung der Verstärkung übereinstimmt und nicht bei der Phasenverschiebung von 0°, was dazu führt, daß in der Schwingungsart mit der Phasenverschiebung von 180° die Schwellwertverstärkung für die Oszillation klein ist. Will man dieses Phänomen vermeiden, so muß die Schwingungsschwellwertverstärkung in der Schwingungsart mit der Phasenverschiebung von 180° groß sein, um die Schwingungsart mit der 180° Phasenverschiebung zu unterdrücken. Zu diesem Zwecke wurde - wie in Fig. 5 (a) dargestellt - eine Halbleiter-Laseranordnung vorgeschlagen, die Verzweigungs- und Vereinigungs- Wellenleiter 51 an beiden Facetten 50 hat. Die grundlegende Arbeitsweise dieser Laseranordnung ist wie folgt:

Lichtstrahlen, die sich mit einer Phasenverschiebung von 0° zwischen sich in den Verzweigungs-Wellenleitern fortpflanzen, gelangen zu den Vereinigungs-Wellenleitern mit der gleichen Phase, so daß die Lichtstrahlen verstärkt werden. Breiten sich dagegen Lichtstrahlen mit einer Phasenverschiebung von 180° zwischen sich in den Verzweigungs- Wellenleitern aus und gelangen zu den Vereinigungs- Wellenleitern, so löschen sich die entgegengesetzten Phasen aus, so daß die Lichtstrahlen extrem gedämpft bzw. geschwächt werden, was zu einer Strahlungs-Mode führt, bei der die Lichtstrahlen aus dem Wellenleiter abgestrahlt werden. Damit erleiden die Lichtstrahlen, die eine Phasenverschiebung von 180° zwischen sich haben, eine Dämpfung, was dazu führt, daß die Oszillations-Schwellwertverstärkung in der Betriebsart mit der Phasenverschiebung von 180° vergrößert wird.

Allerdings ist mit einer Vergrößerung der Anzahl der Wellenleiter die Oszillations-Schwellwertverstärkung bei Betriebsarten zwischen der Phasenverschiebung von 0° und der von 180° reduziert, so daß eine Oszillation mit der Betriebsart der Phasenverschiebung von 0° nicht erreicht werden kann. So zeigen beispielsweise die Fig. 6 (a) bis 6 (d) die Verteilungen des elektrischen Feldes E bezüglich der Betriebsart mit der Phasenverschiebung von 0° (Fig. 6 a), der Betriebsart mit einer Phasenverschiebung von 180° (Fig. 6 d) sowie dazwischenliegende mittlere Betriebsarten (Fig. 6 b und 6 c) bei einer Laseranordnung gemäß der Fig. 5 (b). Aus den Fig. 6 (a) bis 6 (d) ist zu erkennen, daß die Verteilung des elektrischen Feldes der Laser-Lichtstrahlen bei der Betriebsart mit der Phasenverschiebung von 0° in der Mitte Spitzenwerte aufweist, während die Verteilung des elektrischen Feldes der Laser-Lichtstrahlen bei den anderen Betriebsarten (b), (c) und (d) Spitzen an beiden Seiten aufweist.

Das von herkömmlichen Halbleiter-Laseranordnungen erzeugte Fernfeldmuster der Laser-Lichtstrahlen, die eine Phasenverschiebung von 0° zwischen sich haben, weist eine einzige Spitze auf, so daß die Laser-Lichtstrahlen mittels optischer Linsen zu einem Punkt bzw. Fleck konzentriert werden können, während das Fernfeldmuster von Laser-Lichtstrahlen, die eine Phasenverschiebung von 180° zwischen sich haben oder eine Phasenverschiebung mit Zwischenwerten zwischen 180° und 0°, zwei Spitzen aufweist, so daß ihre Laser-Lichtstrahlen mittels optischer Linsen nicht zu einem Punkt bzw. Fleck konzentriert werden können. Diese Halbleiter-Laseranordnungen, die Laser-Lichtstrahlen erzeugen, die nicht zu einem Punkt konzentriert werden können, können in optischen Systemen nicht für eine optische Koppelung verwendet werden; sie können auch nicht als Lichtquellen für optische Kommunikation, optische Plattenabtastsysteme etc. verwendet werden.

Aufgabe der Erfindung ist daher, eine Halbleiter-Laseranordnung zu schaffen, deren oszillierende Laser-Lichtstrahlen eine Phasenverschiebung von 0° zwischen sich haben und die dadurch als Lichtquellen für optische Kommunikation verwendet werden können. Mit anderen Worten soll in der Betriebsart mit einer Phasenverschiebung von 0° eine höhere Oszillationsverstärkung erhalten werden, als in der Betriebsart mit einer Phasenverschiebung von 180° oder mit einer mittleren Phasenverschiebung.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichenteil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Kurz zusammengefaßt schafft die Erfindung eine Halbleiter- Laseranordnung, die die oben beschriebenen Nachteile sowie weitere vielfältige Mängel des Standes der Technik überwindet, wobei die Halbleiter-Laseranordnung nach der Erfindung folgendes enthält:

Eine Vielzahl von indexgeführten aktiven Wellenleitern, die parallel zueinander optisch schwach gekoppelt sind, wobei der Reflektionskoeffizient im Mittelbereich mindestens einer Facette der Halbleiter-Laseranordnung, die den aktiven Wellenleitern zugeordnet ist, größer ist, als der der übrigen Bereiche der Facette, die dem aktiven Wellenleiter zugeordnet ist.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sorgt eine begrenzte Dicke jeder der Schichten eines ein- oder mehrschichtigen reflektierenden Filmes an der Facette für einen Reflektionskoeffzient der Facette in einem Bereich zwischen ca. 2% bis 95%. Der Film besteht dabei entweder aus einem einschichtigen Film aus Al₂O₃ oder einem mehrschichtigen Film aus Al₂O₃ und/oder einem Si-Film mit Amorphen Al₂O₃.

In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein hoher Reflektionskoeffizient der Facette dadurch erreicht, daß der reflektierende Film im Mittelbereich der Facette, die den aktiven Wellenleitern zugeordnet ist, aus zwei Schichten aus Al₂O₃ besteht; der niedrige Reflektionskoeffizient in den übrigen Bereichen der Facette, die den aktiven Wellenleitern zugeordnet ist, wird dadurch erhalten, daß der reflektierende Film aus einer einzigen Schicht aus Al₂O₃ besteht.

Die Dicke des aus zwei Al₂O₃-Schichten zusammengesetzten reflektierenden Filmes und des aus einer aus Al₂O₃-Schicht bestehenden reflektierenden Filmes beträgt nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel 2λ/4 bzw. λ/4 (λ ist die Oszillationswellenlänge), was zu Reflektionskoeffizienten von ca. 32% bzw. 2% führt.

Mit den oben beschriebenen Merkmalen der Erfindung werden folgende Ziele erreicht:

(1) Es wird eine Halbleiter-Laseranordnung mit mehreren index-geführten Halbleiter-Lasern geschaffen, die parallel zueinander liegen und eine optische Phasen- Koppelung zwischen benachbarten Laser-Resonanzräumen auf demselben Substrat haben, bei der zwischen benachbarten Laser-Resonanzräumen eine Phasenverschiebung von 0° erhalten wird, was zu Laser-Lichtstrahlen mit hoher Ausgangsleistung und einem Strahlungsmuster mit einem einzigen Spitzenwert führt; und
(2) es wird eine Halbleiter-Laseranordnung geschaffen, bei der der Reflektionskoeffizient im Mittelbereich mindestens einer seiner Facetten, die den aktiven Wellenleitern zugeordnet ist, größer ist, als der der übrigen Bereiche der Facette, die den aktiven Wellenleitern zugeordnet ist, so daß die Oszillations- Schwellwert-Verstärkung in der Betriebsart mit der Phasenverschiebung von 0° kleiner ist als die der übrigen Moden bzw. Betriebsarten, womit erreicht wird, daß Laser-Lichtstrahlen mit einer Phasenverschiebung von 0° zwischen sich stabil schwingen und zu einem einzigen Punkt bzw. Fleck konzentriert werden können, was die Herstellung von optischen Einrichtungen, die Laser-Licht verwenden bei ausgezeichnetem Auflösungsvermögen erlaubt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles im Zusammenhang mit der Zeichnung ausführlicher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen Querschnitt einer Halbleiter-Laseranordnung nach der Erfindung;

Fig. 2 und 3 Draufsichten der Halbleiter-Laser-Anordnungen zur Erläuterung der Herstellung der reflektierenden Filme auf den Facetten der Laser-Anordnung der Fig. 1;

Fig. 4 ein Diagramm der Verteilung der optischen Intensität der Laser-Lichtstrahlen der Laseranordnung nach der Erfindung;

Fig. 5(a) und 5(b) Diagramme der Verzweigungs- und Vereinigungs- Wellenleiter einer herkömmlichen Laseranordnung;

Fig. 6(a) bis 6(d) Diagramme der Verteilung des elektrischen Feldes der Betriebsarten mit verschiedenen Phasenverschiebungen bei der herkömmlichen Laseranordnung der Fig. 5 (b).

Fig. 1 zeigt eine GaAs-GaAlAs-Halbleiter-Laseranordnung mit einer flachen aktiven Schicht nach der Erfindung, der wie folgt aufgebaut ist:

Auf einem Substrat 1 aus p-GaAs wird eine Stromblockierungsschicht 2 aus n-GaAs durch eine Kristall-Wachstumstechnik wie z. B. Flüssigphasen-Epitaxie usw. aufgetragen. Darauf werdem mittels Photolithographie und einer Ätztechnik V-förmige Kanäle 3 in der Stromblockierungsschicht 2 ausgebildet und zwar so, daß sie das Substrat 1 erreichen, womit Stromwege gebildet werden. Danach wird auf die Stromblockierungsschicht 2 einschließlich der V-förmigen Kanäle 3 eine p-Al_xGa_1-xAs-Abdeckschicht 4, eine p- oder eine n-Al_yGa_1-yAs-Aktivschicht 5, eine n-Al_xGa_1-xAs- Abdeckschicht 6 und eine n⁺ Deckschicht 7 successiv durch Flüssigphasen-Epitaxie aufgebracht (wobei x≦λτy ist), was zu einem mehrschichtigen aufgewachsenem Kristall mit einer doppelten Heterostruktur für eine Laseroszillation führt. Danach werden ein p-ohmscher Kontakt 8 und ein n-ohmscher Kontakt 9 auf der Rückseite des Substrates 1 bzw. der Oberseite der Deckschicht 7 ausgebildet, worauf ein Abspalten unter rechtem Winkel zu den V-förmigen Kanälen 3 erfolgt, zur Bildung einer Lasereinheit mit einer internen Hohlraumlänge von 200-300 µm.

Sodann wird ein ein- oder mehrschichtiger reflektierender Film aus Al₂O₃ und/oder amorphem Silicium an beiden Facetten der Anordnung aufgebracht und zwar durch einen Elektronenstrahl-Aufdampfprozeß, womit an beiden Facetten Laserreflektoren geschaffen werden. Die Dicke jeder der Schichten des reflektierenden Filmes aus einer einzigen Schicht aus Al₂O₃ oder einem mehrschichtigen Film aus Si und amorphem Al₂O₃ sollte dabei so gewählt werden, daß der Reflektionskoeffizient des reflektierenden Filmes einen Wert zwischen ca. 2% bis 95% hat. Nach diesem Ausführungsbeispiel ist der Reflektionskoeffizient des reflektierenden Filmes, der aus einer einzigen Schicht aus Al₂O₃ besteht, die eine Dicke von λ/4 hat (λ ist die Oszillationswellenlänge) ungefähr 2%; der Reflektionskoeffizient des anderen reflektierenden Filmes, der aus mehreren Schichten von Al₂O₃ besteht und der eine Dicke 2λ/4 (λ ist die Oszillationswellenlänge) hat, ist ca. 32%.

Um diese reflektierenden Filme zu erhalten, wird - wie in Fig. 2 gezeigt - an beiden Facetten 10 der Laseranordnung ein Al₂O₃-Film 11 mit einer Dicke von λ/4 durch Elektronenstrahldampfabscheidung -aufgebracht. Sodann werden in Bereichen der Al₂O₃ -Filme 11 an den Facetten 10, die den aktiven Wellenleitern W ₁, W ₄, W _a und W _c zugeordnet sind, mittels Photolithographie Resist-Filme 12 aufgebracht. Danach wird ein Al₂O₃-Film 13 mit einer Dicke von λ/4 auf beiden Al₂O₃-Filmen 11 und den Resist-Filmen 12 an beiden Facetten 10 mittels desselben Dampfabscheideverfahrens aufgebracht. Sodann werden - wie in Fig. 3 gezeigt - die Resist-Filme 12 mit einem Entfernungsmittel entfernt, womit man einen Al₂O₃-Film 131 mit einer Dicke von 2λ/4 (dessen Reflektionskoeffizient bei 32% liegt) im Mittelbereich beider Facetten, die den aktiven Wellenleitern W ₂ und W ₃ sowie W _b zugeordnet sind, erhält sowie einen Al₂O₃-Film 11 mit einer Dicke von λ/4 (dessen Reflektionskoeffizient 2% ist) in den äußeren Bereichen der beiden Facetten 10, die den aktiven Wellenleitern W ₁ und W ₄ sowie W _a und W _c zugeordnet sind. Diese reflektierenden Filme 11 und 131 an beiden Facetten 10 bilden einen Resonator-Reflektor.

Wie oben erwähnt, wird durch die Bildung dieser unterschiedlichen dielektrischen Filme an beiden Facetten der Reflektionskoeffizient im Mittelbereich beider Facetten, die den aktiven Wellenleitern W zugeordnet sind, groß, während der Reflektionskoeffizient in den äußeren Bereichen der beiden Facetten die den aktiven Wellenleitern W zugeordnet sind, klein wird. Entsprechend ist die Dämpfung des Lichtes in der Betriebsart mit der Phasenverschiebung von 0° aufgrund des Resonator-Reflektors unterdrückt, da die Verteilung des elektrischen Feldes auf den Mittelbereich der aktiven Wellenleiter W konzentriert ist, (wie in Fig. 6 (a) dargestellt ist), während die Dämpfung des Lichtes in den anderen Betriebsarten der Anordnung aufgrund des Resonatorreflektors hoch ist, da die Verteilung des elektrischen Feldes in den Außenbereichen der aktiven Wellenleiter W konzentriert ist, wie in den Fig. 6 (b) bis 6 (d) dargestellt. Im Ergebnis ist also die Lichtdämpfung in der Betriebsart mit der Phasenverschiebung von 0° kleiner als die des Lichtes in den anderen Betriebsarten, so daß die Oszillationsschwellwertverstärkung in der Betriebsart mit der Phasenverschiebung von 0° klein ist, so daß - wie in Fig. 4 gezeigt - die Laseranordnung stabil schwingen kann mit einem Laser-Licht, das ein Phasenverschiebung von 0° hat. Obwohl eine noch stabilere Betriebsart mit einer Phasenverschiebung von 0° erhalten werden kann, wenn die aktiven Wellenleiter optisch miteinander gekoppelt sind, wobei eine gedämpfte Welle zwischen benachbarten aktiven Wellenleitern auftritt, sofern diese aktiven Wellenleiter gleichförmig ausgebildet sind, ist eine optische Koppelung mit einer solchen gedämpften Welle nicht notwendigerweise gefordert.

Die Halbleiter-Laseranordnung mit der in Fig. 5 b gezeigten Struktur der aktiven Wellenleiter wurde mit folgenden Daten hergestellt. Die Breite We der aktiven Wellenleiter war 4 µm; die Distanz Ws zwischen benachbarten Wellenleitern war 1 µm; der Reflektionskoeffizient im Mittelbereich der beiden Facetten, die den aktiven Wellenleitern zugeordnet war, lag bei 32%; der Reflektionskoeffizient in den übrigen Bereichen der beiden Facetten, die den aktiven Wellenleitern zugeordnet ist, lag bei 2%. Diese Laser- Anordnung oszillierte in einer Betriebsart mit einer Phasenverschiebung von 0° bis zu einer Ausgangsleistung von 130 mw und hatte einen Oszillationsschwellwertstrom im Bereich von 120 bis 150 mA, wobei eine Laser-Oszillation in den übrigen Betriebsarten bzw. -Moden unterdrückt war.

Die Halbleiter-Laseranordnung nach der Erfindung ist selbstverständlich nicht nur bei der oben erwähnten indexgeführten Struktur anwendbar, sondern auch bei anderen indexgeführten Strukturen einschließlich dem Steghohlleitertyp (ridged-typ) dem Typ mit versenktem Kanal (buried-typ), etc. Die Erfindung ist weiterhin nicht nur auf Halbleiter-Laser mit einem GaAlAs-GaAs-Aufbau anwendbar, sondern auch auf solche mit einem InP-InGaAsP- Aufbau.

Es ist klar, daß weitere verschiedene Modifikationen von einem Fachmann ohne weiteres durchgeführt werden können, ohne daß der Schutzbereich der Erfindung verlassen wird. Entsprechend sei darauf hingewiesen, daß durch die obige Beschreibung der Schutzumfang der Patentansprüche nicht beschränkt wird. Vielmehr enthalten die Patentansprüche alle patentfähigen Merkmale der vorliegenden Erfindung einschließlichen Merkmale, die als Äquivalente anzusehen sind.

Claims

1. Halbleiter-Laseranordnung mit mehreren indexgeführten aktiven Wellenleitern, die optisch schwach miteinander parallel gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektionskoeffizient im Mittelbereich (W ₂, W ₃; W _b) mindestens einer Facette (10) der Halbleiter- Laseranordnung, die den aktiven Wellenleitern zugeordnet ist, größer ist, als der der übrigen Bereiche (W ₁, W ₄; W _a, W _c) der Facette, die diesen aktiven Wellenleitern zugeordnet ist.

2. Halbleiter-Laseranordnungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an der Facette (10) ein ein- oder mehrschichtiger reflektierender Film, der bei dem einschichtigen Film aus Al₂O₃ und bei dem mehrschichtigen Film aus Al₂O₃ und/oder einem Si-Film und amorphen Al₂O₃ besteht, einen Reflektionskoeffizient der Facette in der Größenordnung von 2% bis 95% schafft, wobei die Dicke der Reflektionsschichten begrenzt sind.

3. Halbleiter-Laser-Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der hohe Reflektionskoeffizient der Facette (10) durch die Bildung eines reflektierenden Filmes aus zwei Schichten (11, 131) aus Al₂O₃ im Mittelbereich (W ₂, W ₃; W _b) der Facette, die den aktiven Wellenleitern zugeordnet ist, erhalten wird und daß der niedrigere Reflektionskoeffizient der Facette (10) durch die Bildung eines reflektierenden Filmes (11) aus einer einzigen Schicht aus Al₂O₃ in den übrigen Bereichen (W ₁, W ₄, W _a, W _c) der Facette, die den aktiven Wellenleitern zugeordnet ist, gebildet wird.

4. Halbleiter-Laseranordnungen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des zweischichtigen reflektierenden Filmes (11, 131) aus Al₂O₃ bzw. die des einschichtigen reflektierenden Filmes (11) aus Al₂O₃ bei 2λ/4 bzw. λ/4 liegt, wobei λ die Oszillationswellenlänge ist, was zu Reflektionskoeffizienten von ca. 32% bzw. ca. 2% führt.