DE3622885C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleiterlaseranordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der EP-A2-00 10 949 ist eine derartige Halbleiterlaseranordnung mit zwei Grenzflächen und mit mehreren parallelen, in einem bestimmten gegenseitigen Abstand voneinander angeordneten Wellenleitern bekannt. Die einzelnen Wellenleiter sind in einem Bereich zwischen den beiden Grenzflächen der Halbleiterlaseranordnung durch je zwei benachbarte Wellenleiter verbindende und schräg zu den parallelen Wellenleitern verlaufende Kopplungswellenleiter miteinander verbunden. Aufgrund dieser Kopplungswellenleiter werden die Wellen von je zwei benachbarten Wellenleitern so einander überlagert, daß es bei einem Phasenversatz von 180° zwischen den in den benachbarten Wellenleitern geführten Wellen zu einer gegenseitigen Auslöschung kommt, so daß sich gleichphasige Wellen in den einzelnen Wellenleitern stabilisieren.

Aus der Druckschrift "Sov. J. Quant. Electron.", Band 4, Nr. 1, Juli 1974, Seiten 98 und 99 ist bereits eine Laseranordnung bekannt, bei der zwei Gruppen von parallel angeordneten Wellenleitern derart im Winkel zueinander angeordnet sind, daß Wellenleiter der einen Gruppe mit Wellenleitern der anderen Gruppe jeweils an den Grenzflächen der Halbleiterlaseranordnung zusammentreffen und sich zwischen den Grenzflächen der Halbleiterlaseranordnung überkreuzen. Diese Halbleiterlaseranordnung erzeugt nach den in der genannten Druckschrift beschriebenen Untersuchungen ein besonders enggebündeltes Fernfeld.

Aus der GB-A-15 88 019 ist eine Injektionslaseranordnung bekannt, die zwei zueinander parallel verlaufende, gegenseitig beabstandete Wellenleiter umfaßt, die in einem Winkel zu den Grenzflächen der Halbleiterlaseranordnung verlaufen.

Allgemein neigen Halbleiterlaser, die eine Gruppe von parallel zueinander angeordneten Wellenleitern haben, zu einer Schwingungsart, bei der die Wellen, die in benachbarten Wellenleitern geführt werden, einen gegenseitigen Phasenversatz von 180° haben. Ein derartiger Schwingungsmodus führt bei Halbleiterlaseranordnungen der in der eingangs gewürdigten Druckschrift beschriebenen Art im allgemeinen zu einem Fernfeld mit zwei Peaks. Ein derartiges Laserlichtfernfeld ist unerwünscht, da sich ei einem derartigen Fernfeld nicht die Laserleistung vollständig in ein optisches Übertragungssystem einkoppeln läßt. Daher ist man bislang bemüht gewesen, einen Schwingungsmodus mit einem gegenseitigen Phasenversatz von 180° zu verhindern und der Halbleiterlaseranordnung einen Schwingungsmodus aufzuzwingen, in dem kein Phasenversatz zwischen den in benachbarten Wellenleitern geführten Wellen auftritt.

Fig. 6 zeigt eine herkömmliche Laseranordnung 9, die wie folgt aufgebaut werden kann: Auf der (001)-Fläche eines p-GaAs-Substrates 1 werden aufeinanderfolgend eine n⁺-Al_0,1Ga_0,9As-Stromblockierungsschicht 2 mit einer Dicke von 0,7 µm und eine n-GaAs-Oberflächenschutzschicht 3 mit einer Dicke von 0,1 µm durch Flüssigphasenepitaxie ausgebildet. Darauf werden drei geradlinige Kanäle 4, die parallel zueinander liegen, durch die Oberflächenschutzschicht 3 hindurch bis zum p-GaAs-Substrat 1 ausgebildet. Jeder dieser Kanäle 4 hat eine Breite D 1 von 4 µm und eine Tiefe D 2 von ca. 1 µm. Folglich ist der Abstand D 3 von der Mitte des einen Kanales zur Mitte des benachbarten Kanales 5 µm. Diese Kanäle 4 laufen unter einem rechten Winkel zur (110)-Ebene.

Auf der Oberflächenschutzschicht 3, einschließlich den Kanälen 4 werden aufeinanderfolgend durch Flüssigphasenepitaxie folgende Schichten aufgebracht: Eine p-Al_0,42Ga_0,58As-Abdeckschicht 5 mit einer Dicke von 0,2 µm, eine p- oder n-Al_0,14Ga_0,86As-Aktivschicht 6 mit einer Dicke von 0,08 µm, eine n-Al_0,42Ga_0,58As-Abdeckschicht 7 mit einer Dicke von 0,8 µm und eine n⁺-GaAs-Kontaktschicht 8 mit einer Dicke von 1,5 µm. Da die Kanäle 4 mit der p-Abdeckschicht 5 ausgefüllt sind, wird die Oberfläche der p-Abdeckschicht eben. Darauf werden die Oberfläche der Kontaktschicht 8 und die Rückseite des Substrates 1 einer Dampfabscheidungsbehandlung mit metallischen Materialien unterworfen und darauf erhitzt, um ohmsche Kontakte auf ihnen aus Legierungen der metallischen Materialien zu bilden. Darauf wird der Wafer in der (110)- Ebene gespalten, womit man die Halbleiterlaseranordnung 9 erhält.

Die optische Feldverteilung der Lichtstrahlen der Laseranordnung 9 und das Fernfeldmuster, das man mit dieser Laseranordnung 9 erhält, sind in den Fig. 8 bzw. 9 dargestellt. Es ist zu ersehen, daß die optische Phasenverschiebung zwischen benachbarten Wellenleitern 180° beträgt.

Der Grund dafür, daß herkömmliche Halbleiterlaseranordnungen 9, die eine Vielzahl von Wellenleitern besitzen, in der Mode mit der Phasenverschiebung von 180° arbeiten, liegt darin, daß Laserlicht in dem optischen Kopplungsbereich zwischen benachbarten Wellenleitern absorbiert wird, wodurch die Schwellwertverstärkung in der Mode mit der Phasenverschiebung von 180° signifikant klein wird.

Das erwähnte Phänomen, daß herkömmliche Laseranordnungen 9 in einer Mode mit einer Phasenverschiebung von 180° arbeiten, kann auch unter Bezugnahme auf Fig. 10 erklärt werden. Diese Figur zeigt die unabhängige Schwellwertverstärkung aller erlaubten Moden (ν = 1, 2 und 3) einer Anordnung mit drei Laserresonanzräumen über der Differenz des Brechungsindex in seitlicher Richtung. Diese Unabhängigkeit erhält man aus einer Analyse der Wellenleiter. Aus Fig. 10 ist auch zu erkennen, daß die herkömmliche Laseranordnung 9 nur in der Mode mit der Phasenverschiebung von 180° stabil oszilliert. Wie oben erwähnt, führt eine solche Mode mit einer Phasenverschiebung von 180° zu einem Fernfeldmuster mit zwei Spitzenwerten, was zu Schwierigkeiten bei der Konzentration des Laserlichtes mittels optischer Linsen zu einem einzigen Lichtfleck führt.

Weiterhin schwingt der herkömmliche Halbleiterlaser 9 neben den Moden mit einer Phasenverschiebung von 0° und von 180° auch noch in anderen Moden, so daß das erzeugte Licht mehrere Strahlen besitzt. Zusätzlich überlagern sich zwei oder mehrere Moden ohne Interferenzen, so daß recht breite Lichtstrahlen erzeugt werden.

Die oben beschriebenen Phänomene sind bei der Verwendung von Halbleiterlaseranordnungen sehr ungünstig. Man benötigt nämlich vielmehr Halbleiterlaser, die mit einer einzigen Mode schwingen und Ausgangslicht mit einem einzigen Strahl erzeugen.

Gegenüber diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Halbleiterlaseranordnung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß bei einfacher Struktur der Halbleiterlaseranordnung ein Fernfeldmuster mit nur einem Peak erzeugbar ist.

Diese Aufgabe wird bei einer Halbleiterlaseranordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Mit der Halbleiterlaseranordnung nach der Erfindung erreicht man damit:

• (1) Es wird eine Halbleiterlaseranordnung geschaffen, die in einer einzigen Mode schwingt; und
• (2) es wird eine Halbleiterlaseranordnung geschaffen, die Licht mit einem einzigen Strahl erzeugt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei­ spielen im Zusammenhang mit der Zeichnung ausführlicher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 und 2 eine perspektivische Ansicht bzw. einen Quer­ schnitt einer Halbleiterlaseranordnung nach der Erfindung

Fig. 3 ein schematisches Diagramm der Phasen­ beziehungen zwischen den optischen Wellen an einer Facette der Halbleiterlaseranordnung der nach Fig. 1;

Fig. 4 ein Diagramm der optischen Feldverteilung der Halbleiterlaseranordnung der Fig. 1;

Fig. 5 ein Diagramm des Fernfeldmusters, das mit der Halbleiterlaseranordnung nach Fig. 1 erreicht wird;

Fig. 6 und 7 eine perspektivische Ansicht bzw. einen Querschnitt einer herkömmlichen Halbleiterlaseranordnung;

Fig. 8 ein Diagramm der optischen Feldverteilung der herkömmlichen Halbleiterlaseranordnung nach Fig. 6;

Fig. 9 ein Diagramm des Fernfeldmusters der herkömmlichen Halbleiterlaseranordnung nach Fig. 6; und

Fig. 10 ein Diagramm zur theoretischen Analyse der Schwellwertverstärkung bei verschiedenen Moden der Halbleiterlaseranordnung gemäß Fig. 6.

Die Fig. 1 und 2 zeigen eine Halbleiterlaseranordnung 10 nach der Erfindung, die wie folgt aufgebaut ist:

Auf der (001)-Fläche eines p-GaAs-Substrates 11 werden aufeinanderfolgend durch Flüssigphasenepitaxie eine n⁺-Al_0,1Ga_0,9As-Stromblockierungsschicht 12 mit einer Dicke von 0,7 µm und eine n-GaAs-Oberflächenschutzschicht 13 mit einer Dicke von 0,1 µm aufgebracht. Danach werden drei Kanäle 14 parallel zueinander liegend durch die Oberflächenschutzschicht 13 hindurch in dem Substrat 11 ausgebildet. Die Breite l 1 und die Tiefe l 2 jedes der Kanäle 14 liegt bei 4 µm bzw. ungefähr bei 1 µm. Der Abstand l 3 von der Mitte jedes Kanals zur Mitte des benachbarten Kanales ist 5 µm. Jeder der Kanäle 14 (mit Ausnahme ihrer beiden Endabschnitte) liegt unter einem Winkel R zwischen der Längsachse der Kanäle und einer der Facetten der Anordnung 10 gemäß folgender Gleichungen:

R = 90°-β (β ≠ 0°) (1)

l3 · sinβ = g ₀/2(N _eff -1) (2)

wobei λ ₀ die Oszillationswellenlänge des Laserlichtes und N_eff der effektive Brechungsindex der Laseranordnung bezüglich der Oszillationswellenlänge ist. Die Endabschnitte aller Kanäle verlaufen unter einem rechten Winkel zu den beiden Facetten der Laseranordnung.

Auf der Oberflächenschutzschicht 13 einschließlich der Kanäle 14 werden aufeinanderfolgend durch Flüssigphasenepitaxie folgende Schichten aufgebracht:

Eine p-Al_0,42Ga_0,58As-Abdeckschicht 15 mit einer Dicke von 0,2 µm eine p- oder n-Al_0,14Ga_0,86As-Aktivschicht 16 mit einer Dicke von 0,08 µm, eine n-Al_0,42Ga_0,58As- Abdeckschicht 17 mit einer Dicke von 0,8 µm und eine n⁺-GaAs-Kontaktschicht 18 mit einer Dicke von 1,5 µm. Da die Kanäle 14 mit der p-Abdeckschicht 15 ausgefüllt sind, wird die Oberfläche der p-Abdeckschicht 15 eben. Dann werden die Oberfläche der Kontaktschicht 18 und die Rückseite des Substrates 11 einer Dampfabscheidebehandlung mit metallischen Materialien unterworfen und dann erwärmt, zur Bildung ohmscher Kontakte auf ihnen, die aus Legierungen der erwähnten metallischen Materialien bestehen. Darauf folgt ein Abspalten in der (011)-Ebene des Wafers, womit die Halbleiterlaseranordnung 10 fertiggestellt ist.

Der Grund dafür, daß die Halbleiterlaseranordnung 10 Laserlicht mit einem einzigen Strahl erzeugt, liegt in folgendem: Fig. 3 zeigt die Phasenbeziehung zwischen benachbarten optischen Wellen an einer Facette der Laseranordnung. An den Flächen A 1, A 2 und A 3, die unter rechten Winkeln zu den index-geführten Wellenleitern M 1, M 2 und M 3, die in der Aktivschicht 16 entsprechend den drei Kanälen 141, 142 und 143 gebildet sind, ist die Phasenverschiebung des optischen Feldes zwischen benachbarten index-geführten Wellenleitern 180°. Dies bedeutet, daß die optische Feldphase an der Fläche A 1 gleich der an der Fläche A 3 ist, während die an der Fläche A 2 bezüglich der an den Flächen A 1 und A 3 umgekehrt ist. Die optischen Wellen laufen zu den Bereichen (d. h. den Flächen B 1, B 2 und B 3) der index-geführten Wellenleiter M 1, M 2 und M 3, die unter rechtem Winkel zu der Facette stehen. Da die index-geführten Wellenleiter M 1 bis M 3 unter dem Winkel β zur senkrechten Linie auf den Facetten verlaufen, haben die optischen Felder der drei index-geführten Wellenleiter M 1, M 2 und M 3 an den Flächen B 1, B 2 und B 3 dieselbe Phase. Die optischen Wellen laufen dann - wie in Fig. 3 zu erkennen - an den Flächen C 1, C 2 und C 3 senkrecht zu den Facetten und werden dann von den Facetten in Form eines einzigen Strahles aus der Anordnung 10 emittiert, was zu einem Fernfeldmuster mit einer einzigen Spitze führt, wie aus Fig. 5 zu ersehen. Eine solche Laseranordnung, die mit einem einzigen Lichtstrahl oszilliert, ist für praktische Verwendungszwecke äußerst nützlich.

Die Erfinder der vorliegenden Erfindung konnten experimentell zeigen, daß die Laseranordnung 10 eine reproduzierbare hohe Ausgangsleistung und ein reproduzierbares Licht mit einem einzigen emittierten Strahl erzeugt, wobei im Versuch folgende Bedingungen eingehalten waren: Die Länge des unter einem Winkel verlaufenden Abschnitte der index-geführten Wellenleiter M 1 bis M 3 war 210 µm; die Länge des verbleibenden Bereiches, der senkrecht zu den Facetten verläuft, lag bei jedem index- geführten Wellenleiter M 1 bis M 3 bei 20 µm; der Neigungswinkel b der schräg verlaufenden Bereiche lag bei ungefähr 1,8°.

Der Wert des Winkels β für die Neigung bzw. Schrägstellung der index-geführten Wellenleiter M 1 bis M 3 kann durch Einsetzen der nachfolgenden Gleichung (3), (4) und (5) in die obige Gleichung 2 erhalten werden:

l 3 = 5 µm (3)

g ₀ = 0,78 µm (4)

N _eff = 3,45 (5)

Die Halbleiterlaseranordnung nach der Erfindung kann nicht nur mit einem AlGaAs/GaAs-System gemäß dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel erhalten werden. Vielmehr können auch andere Halbleitermaterialien verwendet werden, wie z. B. ein InGaAsP/InP-System etc. Die index- geführten Wellenleiter müssen nicht nur in der oben beschriebenen Struktur des Typs VSIS aufgebaut sein, sie können auch eine verstärkungsgeführte (gain-guided) Struktur haben, eine Struktur des Typs CS, etc. Die Halbleiterlaseranordnung nach der Erfindung kann auch so aufgebaut sein, daß sie eine Struktur hat mit unterschiedlicher Polarität gegenüber der Polarität des Substrates und der aufgebrachen Schichten.

Claims (3)

1. Halbleiterlaseranordnung

• - mit zwei Grenzflächen und
• - mit mehreren in gegenseitigem Abstand (l₃) parallel zueinander angeordneten, indexgeführten Wellenleitern (14; 141, 142, 143), die über einen Teil (l _i) ihrer Länge in einem von der Senkrechten zu den Grenzflächen abweichenden Winkel (b) angeordnet sind,

dadurch gekennzeichnet, daß

• a) zwischen den parallel zueinander angeordneten Wellen­ leitern (14; 141, 142, 143) keine weiteren Wellenleiter für eine Kopplung vorhanden sind,
• b) in den Wellenleitern (14; 141, 142, 143) in ihrem im Winkel (β) angeordneten Teil (l _i) Wellen mit einem ge­ genseitigen Phasenversatz von 180° bezüglich einer senkrecht zu den Wellenleitern (14; 141, 142, 143) liegenden Bezugsebene (A 1, A 2, A 3) erzeugbar sind, und
• 2c) der Winkel (β) gegenüber der Senkrechten derart gewählt ist, daß die Wellen bezüglich einer parallel zu den Grenzflächen liegenden Bezugsebene (B 1, B 2, B 3; C 1, C 2, C 3) in Phase sind.

2. Halbleiterlaseranordnung
nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

• d) die jeweiligen beiden Endabschnitte der indexgeführten Wellenleiter (14; 141, 142, 143) unter einem rechten Winkel zu den Grenzflächen verlaufen.