DE3643361A1 - Halbleiterlaser - Google Patents

Halbleiterlaser

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Halbleiterlaser gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebenen Art.
Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf einen mehrschichtigen bzw. in Tiefenrichtung unterteilten Halbleiterlaser mit Rückkopplung, in dem eine einzelne longitudinale Mode schwingen kann.
Ein derartiger Halbleiterlaser (distributed feedback semiconductor laser) kommt in immer stärkerem Umfang zum Einsatz. Er weist üblicherweise Gitter mit gleichmäßiger Teilung bzw. gleichmäßigem Gitterabstand auf, um Licht durch Bragg-Reflexion teilweise zurückzuführen. Es ist jedoch schwierig, nur eine einzelne longitudinale Mode in diesem Laser zu erzeugen. Häufig bilden sich zwei longitudinale Lichtmoden heraus, so daß ein sogenanntes Moden-Hopping auftritt.
Um diesen Nachteil zu vermeiden und nur eine einzelne longitudinale Mode im Laser erzeugen zu können, wurde bereits vorgeschlagen, die Gitterteilung in der Nähe des Gitterzentrums zur Erzeugung einer Phasendifferenz mit dem Wert π zu verändern, also zur Erzeugung einer λ/4 Phasenverschiebung, wobei λ die Oszillations- bzw. Schwingungswellenlänge ist.
Die Herstellung eines genauen Gitters mit einer im Gitterzentrum veränderten Gitterkonstanten bzw. Gitterteilung ist jedoch außerordentlich kompliziert, so daß sich Halbleiterlaser, die ein solches Gitter aufweisen, nur mit hohen Ausschußraten herstellen lassen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Halbleiterlaser der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß es zur Erzeugung einer einzelnen longitudinalen Modenschwingung nicht erforderlich ist, die Gitterteilung bzw. Gitterkonstante im Zentrum des Gitters zu verändern.
Die Lösung der gestellten Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Der Halbleiterlaser nach der Erfindung läßt sich mit sehr geringer Ausschußrate herstellen. Er weist eine optische Wellenleitereinrichtung auf, zu der ein erster und ein zweiter gerader Balkenbereich sowie ein abgebogener Bereich gehören, der zwischen den beiden geraden Balkenbereichen liegt. Auf diese Weise wird erreicht, daß sich die Gitterteilung bzw. Gitterkonstante für den abgebogenen Bereich gegenüber den beiden geraden Balkenbereichen etwas vergrößert bzw. verlängert, so daß dadurch die Phase des Lichts, das sich entlang der optischen Wellenleitereinrichtung ausbreitet, um λ/4 verschoben wird, wobei λ die Schwingungswellenlänge des Lichts ist. Aufgrund dieser Phasenverschiebung wird eine einzelne longitudinale Schwingungsmode im Laser gebildet.
Ein Halbleiterlaser mit Rückkopplung nach der Erfindung zeichnet sich aus durch eine erste Deckschicht, eine auf der oberen Fläche der ersten Deckschicht liegende aktive Schicht, eine auf der oberen Fläche der aktiven Schicht liegende Führungsschicht, die ein Gitter enthält, eine auf der oberen Fläche der Führungsschicht liegende zweite Deckschicht und eine Laserlicht übertragende optische Wellenleitereinrichtung zur Verschiebung der Phase des in ihr verlaufenden Lichts um den Wert λ/4, wobei λ die Schwingungswellenlänge des Lichts ist. Die optische Wellenleitereinrichtung liegt vorzugsweise auf der zweiten Deckschicht und kann z. B. mit dieser einstückig verbunden sein. Innerhalb der optischen Wellenleitereinrichtung befindet sich eine Einrichtung zur Verschiebung der Phase des entlang der optischen Wellenleitereinrichtung übertragenen Lichts um den Wert g/4.
Das genannte Gitter (optisches Gitter) weist eine gleichmäßige Teilung bzw. einen gleichmäßigen Gitterabstand auf, wobei die Gitterstrukturen in ihrer Längsrichtung gesehen einen dreieckförmigen Querschnitt besitzen. Die optische Wellenleitereinrichtung enthält folgende Elemente: einen ersten geraden Balkenbereich, der senkrecht zu derjenigen Richtung verlaufen kann, unter der Gitterfurchen des Gitters verlaufen, einen abgebogenen bzw. Zwischenbereich, der zum ersten geraden Balkenbereich unter einem Winkel R verläuft, und einen zweiten geraden Balkenbereich, der sich parallel zur Richtung des ersten geraden Balkenbereichs erstreckt, jedoch nicht auf einer Geraden mit diesem bzw. colinear zu diesem verläuft. Dabei ist der erste gerade Balkenbereich über den abgebogenen Bereich mit dem zweiten geraden Balkenbereich verbunden.
Die Beziehung zwischen der Länge l des abgebogenen Bereichs und dem Winkel R, unter dem der abgebogene Bereich zum ersten und zweiten geraden Balkenbereich verläuft, genügt folgender Gleichung: wobei R ≠ 0° ist und Λ 0 die Teilung des Gitters, z. B. bei R = 0°, n die Gitterordnung und m eine ganze Zahl sind. Die Länge l des abgebogenen Bereichs ist vorzugsweise kleiner als etwa 1/10 der Gesamtlänge der Schicht bzw. des Halbleiterlasers. Dagegen ist der Winkel R vorzugsweise kleiner als 10°. Das Gitter kann auf der oberen Fläche der aktiven Schicht vorhanden sein, wobei sich die optische Wellenleitereinrichtung auf der oberen Fläche der zweiten Deckschicht befindet. Vorzugsweise weist die optische Wellenleitereinrichtung in ihrer Längsrichtung gesehen einen rechteckförmigen Querschnitt auf. Sie kann beispielsweise als Stegwellenleitereinrichtung ausgebildet sein. Es ist aber auch möglich, die optische Wellenleitereinrichtung durch eine Indexwellenleiterstruktur zu bilden, beispielsweise durch eine begrabene Heterostruktur oder durch eine Rippe und eine kanalisierte Substratplatte. Der abgebogene Bereich der optischen Wellenleitereinrichtung kann an seinen Enden gleichmäßig gekrümmt sein, um Lichtverluste aufgrund von Streueffekten zu vermeiden. Zu diesem Zweck kann er als glatt gekrümmter Balken ausgebildet sein.
Die Zeichnung stellt Ausführungsbeispiele der Erfindung dar. Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines in Tiefenrichtung unterteilten Halbleiterlasers mit Rückkopplung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
Fig. 2 eine Draufsicht auf den Halbleiterlaser nach Fig. 1,
Fig. 3 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Erzeugung einer λ/4 Phasenverschiebung, und
Fig. 4 eine Draufsicht auf ein zweites Ausführungsbeispiel eines in Tiefenrichtung unterteilten Halbleiterlasers mit Rückkopplung.
Zunächst wird anhand der Fig. 1 das erste Ausführungsbeispiel eines aufgeteilten bzw. in Tiefenrichtung unterteilten Halbleiterlasers mit Rückkopplung (distributed feedback semiconductor laser) näher beschrieben. Dieser Halbleiterlaser enthält ein GaAS-Substrat 1 vom n-Typ, eine auf der oberen Fläche des GaAS-Substrats 1 vom n-Typ liegende erste Deckschicht 2 (cladding layer bzw. Plattierungsschicht), die beispielsweise eine Al x Ga1-x As-Schicht vom n-Typ sein kann, eine auf der oberen Fläche der aktivierenden Schicht 2 bzw. Deckschicht liegende aktive Schicht 3, beispielsweise eine Al y Ga1-y As-Schicht, wobei y ≦ωτ x ist, eine Führungsschicht 4 (guiding layer) aus z. B. Al z Ga1-z As vom p-Typ mit y ≦ωτ z ≦ωτx, die sich auf der oberen Fläche der aktiven Schicht 3 befindet, sowie eine zweite Deckschicht 5 (cladding layer bzw. Plattierungsschicht) aus z. B. Al x Ga1-x As vom p-Typ, die auf der oberen Fläche der Führungsschicht 4 angeordnet ist.
Auf der Oberfläche der Führungsschicht 4 sind Gitter 7 vorhanden (Beugungsgitter bzw. optische Gitter). Die Gitter 7 weisen eine gleichmäßige Teilung sowie dreieckförmige Querschnitte auf. Die oberen und unteren Kanten der Gitter bzw. die Gitterfurchen erstrecken sich in einer Richtung parallel zu den Endflächen 6 a und 6 b des Halbleiterlasers. Wie den Fig. 1 und 2 zu entnehmen ist, weist die zweite Deckschicht 5 einen Stegwellenleiter 8 auf, der nach oben hervorsteht bzw. an der oberen Seite der zweiten Deckschicht 5 liegt. Dieser Stegwellenleiter 8 besitzt einen rechteckförmigen Querschnitt und erstreckt sich von der Endfläche 6 a zur gegenüberliegenden Endfläche 6 b des Halbleiterlasers. Der Stegwellenleiter 8 enthält insgesamt drei Abschnitte, und zwar einen ersten geraden Balkenbereich 8 a, einen relativ zu diesem abgebogenen Bereich 8 b und einen weiteren zweiten geraden Balkenbereich 8 c. Der erste gerade Balkenbereich 8 a erstreckt sich von der Endfläche 6 a in Richtung des Zentrums der oberen Fläche der zweiten Deckschicht 5 und verläuft in einer Richtung senkrecht zur Endfläche 6 a. Der abgebogene Bereich 8 b des Stegwellenleiters 8 verläuft gegenüber dem ersten geraden Balkenbereich 8 a unter einem Winkel R, wobei die Länge des abgebogenen Bereichs 8 b den Wert l aufweist. Der zweite gerade Balkenbereich 8 c erstreckt sich vom Ende des abgebogenen Bereichs 8 b in Richtung der gegenüberliegenden Endfläche 6 b und verläuft parallel zum ersten geraden Balkenbereich 8 a.
Es wurde bereits zuvor beschrieben, in welcher Weise die Länge l des abgebogenen Bereichs 8 b des Stegwellenleiters 8 und der Winkel R bestimmt werden können, unter dem der erste gerade Balkenbereich 8 a und der zweite gerade Balkenbereich 8 c des Stegwellenleiters 8 jeweils zum abgebogenen Bereich 8 b verlaufen. Für den Fall, daß sich die oberen Kanten und der Boden bzw. die Furchen der Gitter 7 in Richtung parallel zu den Endflächen 6 a und 6 b erstrecken, wie oben beschrieben, wird entsprechend der Fig. 3 im Gebiet des abgebogenen Bereichs 8 b eine Gitterleitung Λ′ erhalten, die sich durch folgende Formel ausdrücken läßt, und zwar bezogen auf die Gitterteilung Λ 0 bei einem Winkel von R = 0°: Wie anhand der Gleichung (1) erkannt werden kann, ist im Bereich des Lichtverlaufs bzw. des Lichtdurchgangs die Gitterteilung für dasjenige Gebiet, in dem sich der abgebogene Bereich 8 b in der Nähe des Zentrums des Stegwellenleiters 8 befindet, ein wenig länger als diejenige im Bereich der geradlinig verlaufenden Balkenbereiche 8 a und 8 c, wie der Fig. 3(B) zu entnehmen ist. Weiterhin weist die Gitterteilung im Falle eines geraden Stegwellenleiters keine Endabschnitte auf, wie in Fig. 3(A) gezeigt ist.
Sind die Gitterphasen Ω 1, Ω 2 und Ω 3 so wie in den Fig. 3(A) und 3(B) festgelegt, so gelten folgende Gleichungen:
Der Ausdruck n gibt hierbei die Gitterordnung an. Mit Hilfe der Gleichungen (2) und (3) läßt sich die Phasendifferenz ΔΩ zwischen den Phasen Ω 2 und Ω 3 wie folgt bestimmen: Diese Formel (4) ist unabhängig von Ω 1. Nimmt ΔΩ den Wert π + 2π m, wobei m eine ganze Zahl ist, so kann eine Phasenverschiebung von λ/4 erzeugt werden. Mit ΔΩ = π + 2π m gilt folgende Beziehung: Mit Hilfe der Gleichungen (5) und (1) läßt sich dann folgende Beziehung bilden: Hierbei gilt R ≠ 0. Die Gleichung (6) zeigt, daß die Länge l und der Winkel R des abgebogenen Bereichs 8 b voneinander abhängen, so daß bei geeigneter Wahl der in ihr enthaltenen Größe eine λ/4 Phasenverschiebung in Übereinstimmung mit einer Phasenverschiebung um π innerhalb des Lichts erzeugt werden kann, das entlang des Stegwellenleiters 8 übertragen wird. Sind m = 0, Λ 0/n = 0,125 µm, R = 5° und l = 16,4 µm, so läßt sich die gewünschte Phasenverschiebung in einfacher Weise erhalten.
Wie oben beschrieben, kann entsprechend dem bevorzugten Ausführungsbeispiel nach der Erfindung eine g/4 Phasenverschiebung durch den abgebogenen Bereich 8 b des Stegwellenleiters 8 eingestellt werden, so daß auf diese Weise eine einzelne longitudinale Schwingungsmode erzeugbar ist. Die λ/4 Phasenverschiebung läßt sich dabei ohne Verschiebung bzw. Veränderung der Phase des Gitters 7 in der Nähe des Zentrumsbereichs des Stegwellenleiters 8 einstellen. Die Herstellung des unterteilten Rückkopplungs-Halbleiterlasers nach der Erfindung kann daher relativ problemlos erfolgen, und zwar ohne großen Ausschuß.
Der erste gerade Balkenbereich 8 a kann mit dem zweiten geraden Balkenbereich 8 c über einen abgebogenen Bereich 8 b verbunden sein, der abgerundete Ecken aufweist oder glatt bzw. leicht gekrümmte Balkenbereiche enthält. Dies ist insofern vorteilhaft, als auf diese Weise Lichtverluste geringgehalten werden können, wenn Licht durch den Stegwellenleiter 8 hindurchtritt. Die Länge l des abgebogenen Bereichs 8 b ist vorzugsweise kleiner als etwa 1/10 der Gesamtlänge des Halbleiterlasers, also kleiner als etwa 1/10 des Abstandes zwischen den einander gegenüberliegenden Endflächen 6 a und 6 b.
Der Winkel R des abgebogenen Bereichs 8 b relativ zu den Bereichen 8 a und 8 c ist dagegen vorzugsweise kleiner als 10°, um Lichtverluste aufgrund von Streueffekten so gering wie möglich zu halten. Obwohl entsprechend dem bevorzugten Ausführungsbeispiel nach der Erfindung ein Stegwellenleiter als optischer Wellenleiter verwendet worden ist, können auch im Bedarfsfall verschiedene Indexwellenleiter zum Einsatz kommen, die beispielsweise durch eine begrabene Heterostruktur (BH) gebildet werden. Andererseits lassen sich zur Erzeugung eines unterteilten Halbleiterlasers mit Rückkopplung nach der Erfindung auch eine Rippe und eine kanalisierte Substratplatte (channeled-substrate planer (CSP)) verwenden. Im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen wurde beschrieben, daß die Deckschicht 2 eine Al x Ga1-x As- Schicht vom n-Typ ist und daß die Deckschicht 5 durch eine Al x Ga1-x As-Schicht vom p-Typ gebildet wird. Andererseits wird als Aktivierungsschicht bzw. aktive Schicht eine Al y Ga1-y As-Schicht 3 verwendet, während als Führungsschicht eine Al z Ga1-z As-Schicht 4 vom p-Typ zum Einsatz kommt. Falls erforderlich, können aber auch verschiedene und hiervon abweichende Halbleiterschichten zum Aufbau des Halbleiterlasers nach der Erfindung verwendet werden.
Die Fig. 4 zeigt ein weiteres Beispiel der Erfindung. Auch hier liegen der erste gerade Balkenbereich 8 a und der zweite gerade Balkenbereich 8 c parallel zueinander. Jedoch verlaufen sie unter einem Winkel zur Senkrechten auf den Endflächen 6 a und 6 b, also unter einem Winkel zu den Endflächen 6 a, 6 b, der ≠≠ 90° ist. Auch auf diese Weise wird erreicht, daß sich die Phase im abgebogenen Bereich 8 b (Zwischenbereich) relativ zu derjenigen in den geraden Balkenbereichen 8 a, 8 c verschiebt, ähnlich wie bei der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Anordnung.

Claims (20)

1. Mehrschichtiger Halbleiterlaser mit Rückkopplung, gekennzeichnet durch
- eine erste Deckschicht (2),
- eine auf der oberen Fläche der ersten Deckschicht (2) liegende aktive Schicht (3),
- eine auf der oberen Fläche der aktiven Schicht (3) liegende Führungsschicht (4), die ein Gitter (7) enthält,
- eine auf der oberen Fläche der Führungsschicht (4) liegende zweite Deckschicht (5), und
- eine Laserlicht übertragende optische Wellenleitereinrichtung (8) zur Verschiebung der Phase des in ihr verlaufenden Lichts um den Wert λ/4, wobei λ die Schwingungswellenlänge des Lichtes ist.
2. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Wellenleitereinrichtung (8) auf der zweiten Deckschicht (5) angeordnet ist.
3. Halbleiterlaser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter (7) eine gleichmäßige Teilung bzw. einen gleichmäßigen Gitterabstand aufweist.
4. Halbleiterlaser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Wellenleitereinrichtung (8) folgende Elemente enthält:
- einen ersten geraden Balkenbereich (8 a),
- einen zweiten geraden Balkenbereich (8 c), der sich parallel zur Längsrichtung des ersten geraden Balkenbereichs (8 a) erstreckt, jedoch nicht mit diesem auf einer Geraden verläuft, und
- einen abgebogenen bzw. Zwischenbereich (8 b), der den ersten geraden Balkenbereich (8 a) mit dem zweiten geraden Balkenbereich (8 c) verbindet.
5. Halbleiterlaser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich der erste gerade Balkenbereich (8 a) senkrecht zu derjenigen Richtung erstreckt, unter der Gitterfurchen des Gitters (7) verlaufen, und daß der abgebogene bzw. Zwischenbereich (8 b) unter einem Winkel R relativ zum ersten geraden Balkenbereich (8 a) verläuft.
6. Halbleiterlaser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß durch den abgebogenen Bereich (8 b) die Phase des entlang der optischen Wellenleitereinrichtung (8) übertragenen Lichts um den Wert λ/4 verschiebbar ist.
7. Halbleiterlaser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der abgebogene Bereich (8 b) so angeordnet ist, daß die effektive Teilung des Gitters (7) in seinem Bereich etwas länger ist als in dem Lichtübertragungsbereich, der durch den ersten und zweiten geraden Balkenbereich (8 a, 8 c) gebildet ist.
8. Halbleiterlaser nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Beziehung zwischen der Länge l des abgebogenen Bereichs (8 b) und dem Winkel R, unter dem der abgebogene Bereich (8 b) zum ersten und zweiten geraden Balkenbereich (8 a, 8 c) verläuft, der folgenden Gleichung genügt: wobei
R ≠ 0° ist und Λ 0 die tatsächliche Teilung des Gitters, n die Gitterordnung und m ein ganze Zahl sind.
9. Halbleiterlaser nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge l des abgebogenen Bereichs (8 b) kleiner als etwa 1/10 der Gesamtlänge des Halbleiterlasers ist.
10. Halbleiterlaser nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel R kleiner als 10° ist.
11. Halbleiterlaser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der abgebogene bzw. Zwischenbereich (8 b) zwischen dem ersten und dem zweiten geraden Balkenbereich (8 a, 8 c) stufenlos bzw. glatt gekrümmt ist.
12. Halbleiterlaser nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter (7) auf der oberen Fläche der aktiven Schicht (3) vorhanden ist, und daß sich die optische Wellenleitereinrichtung (8) auf der oberen Fläche der zweiten Deckschicht (5) befindet.
13. Halbleiterlaser nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturen des Gitters (7) in Furchenrichtung gesehen einen dreieckförmigen Querschnitt aufweisen.
14. Halbleiterlaser nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Wellenleitereinrichtung (8) in ihrer Längsrichtung gesehen einen im wesentlichen rechteckförmigen Querschnitt aufweist.
15. Halbleiterlaser nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Wellenleitereinrichtung stegförmig ausgebildet ist.
16. Halbleiterlaser nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Wellenleitereinrichtung durch eine Indexwellenleiterstrukur gebildet ist, beispielsweise durch eine begrabene Heterostruktur, eine Rippe oder eine kanalisierte Substratplatte.
17. Halbleiterlaser nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Deckschicht (2) eine Al x Ga1-x As-Schicht vom n-Typ enthält.
18. Halbleiterlaser nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Schicht (3) eine Al y Ga1-y As-Schicht enthält, wobei y ≦ωτ x ist.
19. Halbleiterlaser nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsschicht (4) eine Al z Ga1-z As-Schicht vom p-Typ enthält, wobei y≦ωτz ≦ωτ x ist.
20. Halbleiterlaser nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Deckschicht (5) eine Al x Ga1-x As-Schicht vom p-Typ enthält.
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