DE3643361C2 - Mehrschichtiger DFB-Halbleiterlaser - Google Patents

Mehrschichtiger DFB-Halbleiterlaser

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen DFB-Halbleiterlaser gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebenen Art, also auf einen mehrschichtigen Halbleiterlaser mit verteilter Rückkopplung (distributed feed back = DFB), in dem eine einzelne longitudinale Mode schwingen kann. Ein Halbleiterlaser dieser Gattung ist aus der Druckschrift DE 34 45 725 A1 bekannt.
Ein derartiger Halbleiterlaser weist üblicherweise Gitter mit gleichmäßiger Teilung bzw. gleichmäßigem Gitterabstand auf, um Licht durch Bragg- Reflexion zurückzukoppeln. 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-Springen 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 Zentrums zur Erzeugung einer Phasendifferenz mit dem Wert Π/2 zu verändern, also zur Erzeugung einer λ/4 Phasenverschiebung, wobei λ die 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.
Aus der deutschen Auslegeschrift DE 27 03 907 B2, die diese Möglichkeit zur Veränderung der Gitterkonstante erwähnt, ist es auch bekannt, eine Verstärkung einer gewünschten stabilen Mode innerhalb des Stoppbandes durch Einbringen einer Diskontinuität, beispielsweise in Form einer stufenartigen Änderung der Dicke der Führungsschicht in der Mitte des Rückkopplungswegs zu erreichen. Jedoch lassen sich genaue Schichtdickenänderungen ohne Phasensprünge zur Änderung der Gitterkonstante in definierten Bereichen ebenfalls nur sehr schwer herstellen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen DFB-Halbleiterlaser der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß es zur Erzeugung einer einzelnen longitudinalen Modenschwingung weder erforderlich ist, die Gitterteilung bzw. Gitterkonstante im Zentrum des Gitters noch die Dicke der gittertragenden Schicht partiell 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 Balkenzwischenbereich gehören, der zwischen den beiden geraden Balkenbereichen liegt. Auf diese Weise wird erreicht, daß sich die Gitterteilung bzw. Gitterkonstante für den abgebogenen Balkenzwischenbereich gegenüber den beiden geraden Balkenbereichen etwas vergrößert bzw. verlängert, wodurch 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.
Obwohl die Kopplung zweier paralleler, auf Abstand voneinander angeordneter Wellenleiter innerhalb einer mehrschichtigen Halbleiterlaseranordnung durch ein gekrümmtes oder schräg verlaufendes Wellenleiterstück in verschiedenen Ausführungen bereits bekannt ist (vgl. DE 33 06 085 A1, insbesondere Fig. 3; DE 28 02 173 A1, insbesondere Fig. 2 und 3; EP 0 141 420 A2, insbesondere Fig. 3), kann diesem Stand der Technik nicht die Lehre entnommen werden, welchen Bedingungen der Balkenzwischenbereich genügen muß, um zuverlässig eine bestimmte gewünschte Longitudinalmode des Laserlichts zu erzielen.
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 λ/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 Balkenzwischenbereich, der zum ersten geraden Balkenbereich unter einem Winkel Θ 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 Balkenzwischenbereich mit dem zweiten geraden Balkenbereich verbunden.
Die Beziehung zwischen der Länge l des Balkenzwischenbereichs und dem Winkel Θ, unter dem der Balkenzwischenbereich zum ersten und zweiten geraden Balkenbereich verläuft, genügt folgender Gleichung:
wobei Θ ≠ 0° ist und Λ0 die Teilung des Gitters bei Θ = 0°, n die Gitterordnung und m eine ganze Zahl sind. Die Länge l des Balkenzwischenbereichs ist vorzugsweise kleiner als etwa 1/10 der Gesamtlänge der Schicht bzw. des Halbleiterlasers. Dagegen ist der Winkel Θ 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 Balkenzwischenbereich 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 zeigt
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 AlxGa1-xAs-Schicht vom n-Typ sein kann, eine auf der oberen Fläche der aktivierenden Schicht 2 bzw. Deckschicht liegende aktive Schicht 3, beispielsweise eine AlyGa1-yAs-Schicht, wobei y ≦ωτ x ist, eine Führungsschicht 4 (guiding layer) aus z. B. AlzGa1-zAs 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. AlxGa1-xAs 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 6a und 6b 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 6a zur gegenüberliegenden Endfläche 6b des Halbleiterlasers. Der Stegwellenleiter 8 enthält insgesamt drei Abschnitte, und zwar einen ersten geraden Balkenbereich 8a, einen relativ zu diesem abgebogenen Balkenzwischenbereich 8b und einen weiteren zweiten geraden Balkenbereich 8c. Der erste gerade Balkenbereich 8a erstreckt sich von der Endfläche 6a in Richtung des Zentrums der oberen Fläche der zweiten Deckschicht 5 und verläuft in einer Richtung senkrecht zur Endfläche 6a. Der abgebogene Balkenzwischenbereich 8b des Stegwellenleiters 8 verläuft gegenüber dem ersten geraden Balkenbereich 8a unter einem Winkel Θ, wobei die Länge des abgebogenen Balkenzwischenbereichs 8b den Wert l aufweist. Der zweite gerade Balkenbereich 8c erstreckt sich vom Ende des abgebogenen Balkenzwischenbereichs 8b in Richtung der gegenüberliegenden Endfläche 6b und verläuft parallel zum ersten geraden Balkenbereich 8a.
Es wurde bereits zuvor beschrieben, in welcher Weise die Länge l des abgebogenen Balkenzwischenbereichs 8b des Stegwellenleiters 8 und der Winkel Θ bestimmt werden können, unter dem der erste gerade Balkenbereich 8a und der zweite gerade Balkenbereich 8c des Stegwellenleiters 8 jeweils zum abgebogenen Balkenzwischenbereich 8b verlaufen. Für den Fall, daß sich die oberen Kanten und der Boden bzw. die Furchen der Gitter 7 in Richtung parallel zu den Endflächen 6a und 6b erstrecken, wie oben beschrieben, wird entsprechend der Fig. 3 im Gebiet des abgebogenen Balkenzwischenbereichs 8b eine Gitterleitung Λ′ erhalten, die sich durch folgende Formel ausdrücken läßt, und zwar bezogen auf die Gitterteilung Λ0 bei einem Winkel von Θ = 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 Balkenzwischenbereich 8b in der Nähe des Zentrums des Stegwellenleiters 8 befindet, ein wenig länger als diejenige im Bereich der geradlinig verlaufenden Balkenbereiche 8a und 8c, 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 Ω1, Ω2 und Ω3 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 Ω2 und Ω3 wie folgt bestimmen:
Diese Formel (4) ist unabhängig von Ω1. Nimmt ΔΩ den Wert π + 2πm, wobei m eine ganze Zahl ist, so kann eine Phasenverschiebung von λ/4 erzeugt werden. Mit ΔΩ = π + 2πm gilt folgende Beziehung:
Mit Hilfe der Gleichungen (5) und (1) läßt sich dann folgende Beziehung bilden:
Hierbei gilt Θ ≠ 0. Die Gleichung (6) zeigt, daß die Länge l und der Winkel Θ des abgebogenen Balkenzwischenbereichs 8b 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, Λ0/n = 0,125 µm, Θ = 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 λ/4 Phasenverschiebung durch den abgebogenen Balkenzwischenbereich 8b 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 8a kann mit dem zweiten geraden Balkenbereich 8c über einen abgebogenen Balkenzwischenbereich 8b 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 Balkenzwischenbereichs 8b ist vorzugsweise kleiner als etwa 1/10 der Gesamtlänge des Halbleiterlasers, also kleiner als etwa 1/10 des Abstandes zwischen den einander gegenüberliegenden Endflächen 6a und 6b.
Der Winkel Θ des abgebogenen Balkenzwischenbereichs 8b relativ zu den Bereichen 8a und 8c 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 AlxGa1-xAs- Schicht vom n-Typ ist und daß die Deckschicht 5 durch eine AlxGa1-xAs-Schicht vom p-Typ gebildet wird. Andererseits wird als Aktivierungsschicht bzw. aktive Schicht eine AlyGa1-yAs-Schicht 3 verwendet, während als Führungsschicht eine AlzGa1-zAs-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 8a und der zweite gerade Balkenbereich 8c parallel zueinander. Jedoch verlaufen sie unter einem Winkel zur Senkrechten auf den Endflächen 6a und 6b, also unter einem Winkel zu den Endflächen 6a, 6b, der ≠ 90° ist. Auch auf diese Weise wird erreicht, daß sich die Phase im abgebogenen Balkenzwischenbereich 8b relativ zu derjenigen in den geraden Balkenbereichen 8a, 8c verschiebt, ähnlich wie bei der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Anordnung.

Claims (15)

1. Mehrschichtiger DFB-Halbleiterlaser mit
  • - einer ersten Deckschicht (2),
  • - einer auf der oberen Fläche der ersten Deckschicht (2) liegenden aktiven Schicht (3),
  • - einer auf der oberen Fläche der aktiven Schicht (3) liegenden Führungsschicht (4), die ein Gitter (7) mit gleichmäßiger Teilung enthält,
  • - einer auf der oberen Fläche der Führungsschicht (4) liegenden zweite Deckschicht (5), und
  • - einer Laserlicht übertragenden optischen Wellenleitereinrichtung (8) zur Verschiebung der Phase des in ihr verlaufenden Lichts
dadurch gekennzeichnet, daß die optische Wellenleitereinrichtung (8) auf der zweiten Deckschicht (5) angeordnet ist und folgende Abschnitte aufweist:
  • - einen ersten geraden Balkenbereich (8a),
  • - einen zweiten geraden Balkenbereich (8c), der sich parallel jedoch versetzt zur Längsrichtung des ersten geraden Balkenbereichs (8a) erstreckt, und
  • - einen Balkenzwischenbereich (8b), der den ersten geraden Balkenbereich (8a) mit dem zweiten geraden Balkenbereich (8c) verbindet und die Phase des entlang der optischen Wellenleitereinrichtung (8) übertragenen Lichts um den Wert λ/4 dadurch verschiebt, 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 (8a, 8c) gebildet ist, wobei die Beziehung zwischen der Länge l des Balkenzwischenbereichs (8b) und dem Winkel Θ, unter dem der Balkenzwischenbereich (8b) zum ersten und zweiten geraden Balkenbereich (8a, 8c) verläuft, der Gleichung genügt, in welcher Θ≠0° gilt und Λ₀ die tatsächliche Teilung des Gitters, n die Gitterordnung und m eine ganze Zahl angeben.
2. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der erste gerade Balkenbereich (8a) senkrecht zu derjenigen Richtung erstreckt, unter der die Gitterfurchen des Gitters (7) verlaufen.
3. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge l des Balkenzwischenbereichs (8b) kleiner als etwa 1/10 der Gesamtlänge des Halbleiterlasers ist.
4. Halbleiterlaser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel Θ kleiner als 10° ist.
5. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Balkenzwischenbereich (8b) zwischen dem ersten und dem zweiten geraden Balkenbereich (8a, 8c) als glatt gekrümmter Balken ausgebildet ist.
6. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter (7) auf der oberen Fläche der aktiven Schicht (3) vorhanden ist.
7. Halbleiterlaser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturen des Gitters (7) in Furchenrichtung gesehen, einen dreieckförmigen Querschnitt aufweisen.
8. Halbleiterlaser nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Wellenleitereinrichtung (8), in ihrer Längsrichtung gesehen, einen im wesentlichen rechteckförmigen Querschnitt aufweist.
9. Halbleiterlaser nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Wellenleitereinrichtung (8) stegförmig ausgebildet ist.
10. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Wellenleitereinrichtung (8) durch eine Indexwellenleiterstruktur gebildet ist.
11. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Deckschicht (2) durch eine AlxGa1-xAs-Schicht vom n-Typ gebildet ist.
12. Halbleiterlaser nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Schicht (3) eine AlyGa1-yAs-Schicht enthält, wobei y < x ist.
13. Halbleiterlaser nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsschicht (4) eine AlzGa1-zAs-Schicht vom p-Typ enthält, wobei y<z<x ist.
14. Halbleiterlaser nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Deckschicht (5) eine AlxGa1-xAs-Schicht vom p-Typ enthält.
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