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Die Erfindung betrifft eine Halbleiterlaservorrichtung zum
Erzielen von Laserschwingung mit stabilisierter
Schwingungswellenlänge, und spezieller betrifft sie eine
Laservorrichtung, die auf solchen Gebieten wie optischer
Nachrichtenübertragung, optischem Meßbetrieb, optischer
Informationsverarbeitung usw. von Nutzen ist.
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Mit der wachsenden Anzahl von Anwendungen von
Halbleiterlasern auf solchen Gebieten wie der optischen
Nachrichtenübertragung, optischen Meßvorgängen, optischer
Informationsverarbeitung usw. müssen Halbleiterlaser stabilisierte
Schwingungswellenlänge aufweisen. Die Schwingungswellenlänge
herkömmlicher Halbleiterlaser variiert kontinuierlich oder
diskontinuierlich abhängig von Temperatur- und/oder
Stromänderungen, was zu Leistungsstörungen im optischen
Ausgangssignal führt. Um diese Schwierigkeiten zu überwinden, wurden
Halbleiterlaser-Bauelemente zum Stabilisieren der
Schwingungswellenlänge entwickelt, wozu Laser vom
Beugungsgittertyp (wie Laser mit verteilter Rückkopplung (DFB-Laser),
Laser mit verteilter Braggreflexion (DBR-Laser) usw.),
interferometrische Laser mit internem Reflektor, Laser vom
Verbundresonatortyp, Laser vom Typ mit externem Resonator usw.
gehören. Jedoch haben diese die folgenden Nachteile:
herkömmliche Laser vom Beugungsgittertyp wie DFB-Laser,
DBR-Laser usw. weisen ein Beugungsgitter im Wellenleiter auf, was
den Herstellprozeß verkompliziert und die Verwendung einiger
Halbleitermaterialien erschwert.
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Herkömmlichen interferometrischen Lasern mit Innenreflektor,
die verschiedene Effektivbrechungsverhalten innerhalb ihres
Resonators zeigen, um interne Reflexion hervorzurufen, die
zu einem Interferenzeffekt führt, durch den Selektivität für
eine Longitudinalmode erzielt werden kann, fehlt es an
Reproduzierbarkeit und es ist keine starke Innenreflexion
erzielbar, was es erschwert, sie praktischer Verwendung
zuzuführen.
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Bei herkömmlichen Lasern vom Verbundresonatortyp, wozu über
Spaltflächen gekoppelte Resonatorlaser gehören (bei denen
zwei Halbleiterlaser über ihre Kristallflächen gekoppelt
sind, und/oder die über eine Ätztechnik in zwei
Halbleiterlaser unterteilt sind), arbeiten die zwei Halbleiterlaser
unabhängig, was zu einer Synchronisierung ihrer Wellenlängen
führt, wodurch es möglich ist, die Schwingungswellenlänge zu
stabilisieren. Jedoch beruht ihre Funktion auf der
Geschicklichkeit geschickter Arbeiter und auf genauer Steuerung, da
andernfalls kleine Änderungen im Abstand zwischen den zwei
Laserbauelementen Änderungen der Longitudinalmode
hervorrufen, was zu Leistungsstörungen im optischen Ausgangssignal
führt.
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Ein herkömmlicher Laser mit externem Resonator ist in Fig. 2
dargestellt, bei dem ein Halbleiterlaser-Bauelement 1 auf
einer Trägerplatte 2 angebracht ist und Laserlicht von der
lichtemittierenden vorderen Kristallfläche des
Laserbauelements 1 durch ein Fenster 4 aus diesem Laserbaueleinent 1
herausgestrahlt wird. Die Trägerplatte 2 ist an einem vom
Fenster 4 und Seitenwänden 6 umgebenen Tisch 5 befestigt. An
diesem Tisch 5 ist auch ein externer Reflektor 3 befestigt.
Ein Teil des Laserlichts von der lichtemittierenden hinteren
Kristallfläche des Laserbauteils 1 wird durch den externen
Reflektor 3 reflektiert und kehrt zum Laserbauelement 1
zurück.
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Wegen der vorstehend angegebenen Struktur tritt eine externe
Longitudinalmode auf (λe = 2L/(me + 1/2)) auf, die durch den
Abstand L zwischen der lichtemittierenden hinteren
Kristallfläche des Laserbauelements 1 und dem Reflektor 3 gegeben
ist, so daß das Laserbauelement 1 stabil nur in der
Longitudinalmode um den Peak herum schwingen kann, bei dem die
Verstärkungsverteilung für die interne Longitudinalmode (λ =
2 1/m), wie durch die Innenresonatorlänge 1 des
Laserbauelements 1 gegeben, in Übereinstimmung mit derjenigen für die
externe Longitudinalmode (λe) steht, wobei m und me ganze
Zahlen sind und das effektive Brechungsvermögen des
Halbleiterlaser-Wellenleiters ist, wobei l von 2L bis 20L
nahezu gleich ist. Wenn n 4,0 ist und l 250 um ist, wird die
Länge L des externen Resonators auf einen Wert im Bereich
von 50 um bis 0,5 mm eingestellt. Wie es wohlbekannt ist,
ist das Intervall Δλ zwischen den internen Longitudinalmoden
durch die Gleichung Δλ = λ&sub0;²/2 l gegeben, und das Intervall
Δλe zwischen den externen Longitudinalmoden ist durch die
Gleichung Δλe = λ&sub0;²/2l gegeben, wobei λ&sub0; die
Schwingungswellenlänge ist. Das Longitudinalmoden-Intervall, bei dem die
internen Longitudinalmoden in Übereinstimmung mit den
externen Longitudinalmoden stehen, ist bei einer
Schwingungswellenlänge von ungefähr 7.8OO Å der Bereich von 6 bis 60 Å,
und demgemäß schwingt das Laserbauelement 1 dann stabil in
einer Longitudinalmode, wenn der Peak der
Verstärkungsverteilung im Bereich dieser Wellenlängendifferenz liegt.
Jedoch ist es schwierig, ein Halbleiterlaser-Bauelement 1 so
auf der Trägerplatte 2 anzuordnen, daß die lichtemittierende
hintere Kristallf läche dem externen Reflektor auf parallele
Weise zugeordnet ist, und darüber hinaus ist der
Herstellprozeß kompliziert.
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Fig. 3 zeigt einen anderen Laser vom Typ mit externem
Resonator, mit einem Halbleiterchip 7, auf dessen Kristallfläche
ein Metallfilin 8 aus Au usw. vorhanden ist, der durch einen
Dampfniederschlagungsprozeß hergestellt wurde, anstelle des
externen Reflektors 3, wie er beim in Fig. 2 dargestellten
Laser vom Typ mit externem Resonator verwendet ist. Das
Reflexionsvermögen des Metallfilms 8 weist für das Laserlicht
wegen der Lichtabsorption des Metalls eine Obergrenze auf,
und darüber hinaus besteht die Tendenz, daß sich das
Reflexionsvermögen wegen Oxidation des Metalls verringert.
Darüber hinaus arbeitet der Halbleiterchip 7 nur als
reflektierende Fläche.
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Applied Physics Letters 32(11), Juni 1978, S. 724 - 725
beschreibt eine hochreflektierende, dielektrische
Beschichtung, die zur Verwendung auf den Kristallflächen eines
Halbleiter-Injektionslasers konzipiert ist.
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EP-A-0 090 485 beschreibt ein Halbleiterlaser-Bauelement vom
Typ mit externem Resonator gemäß dem Oberbegriff von
Anspruch 1.
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Gemäß der Erfindung, wie sie im unabhängigen Anspruch 1
definiert ist, weist eine Halbleiterlaservorrichtung ein
Halbleiterlaser-Bauelement und ein Halbleiterbauelement auf, die
beide unter Einhaltung eines Abstands einiger mm oder
weniger auf solche Weise auf einer einzelnen Trägerplatte
befestigt sind, daß eine der Seitenflächen des
Halbleiterbauelements einer laserlichtemittierenden Kristallfläche des
Halbleiterlaser-Bauelements auf parallele Weise zugewandt
ist, wobei die Seitenfläche des Halbleiterbauelements eine
Kristallfläche ist, die teilweise mit einem reflektierenden,
dielektrischen Film beschichtet ist, der so wirkt, daß
Laserlicht vom Halbleiterlaser-Bauelement durch ihn zu diesem
Halbleiterlaser-Bauelement zurückgeführt wird.
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Das Halbleiterbauelement arbeitet bei einer bevorzugten
Ausführungsform als Lichtdetektor, der die Intensität des
Laserlichts vom Halbleiterlaser-Bauelement erfaßt.
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Demgemäß ermöglicht es die hier beschriebene Erfindung, die
folgenden Ziele zu erreichen: (1) Schaffen einer
Halbleiterlaservorrichtung, die Laserschwingung mit stabilisierter
Schwingungswellenlänge erzielt; (2) Schaffen einer
Halbleiterlaservorrichtung, die so arbeitet, daß sie die
Laserlichtintensität erfaßt; und (3) Schaffen einer
Halbleiterlaservorrichtung, die einfach hergestellt werden kann.
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Nur beispielhaft wird nun eine spezielle Ausführungsform der
Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben, in denen:
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Fig. 1 eine perspektivische Ansicht ist, die ein
Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Halbleiterlaservorrichtung zeigt;
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Fig. 2 ein Diagramm ist, das eine erste, bereits oben
beschriebene herkömmliche Halbleiterlaservorrichtung zeigt;
und
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Fig. 3 ein Diagramm ist, das eine andere, bereits oben
beschriebene herkömmliche Halbleiterlaservorrichtung zeigt.
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Eine Kristallfläche eines Halbleiterbauelements, das in der
Nähe des Halbleiterlaser-Bauelements angeordnet ist, wird
als externer Reflektor verwendet, der Laserlicht vom
Halbleiterlaser-Bauelement zu diesem selbst zurückreflektiert.
Das Halbleiterbauelement, das aus Si oder
Verbindungshalbleitermaterialien besteht, arbeitet so, daß es das
Halbleiterlaser-Bauelement betreibt und/oder die Intensität des
Laserlichts vom Halbleiterlaser-Bauelement erfaßt. Ein Teil
der Kristallfläche des Halbleiterbauelements ist mit einem
reflektierenden, dieelektrischen Film mit hohem
Reflexionsvermögen beschichtet, so daß es leicht in der Nähe der
Kristallfläche des Halbleiterlaser-Bauelements auf parallele
Weise mit einem genauen Abstand dazwischen angeordnet werden
kann, und darüber hinaus kann eine Stabilisierung der
Schwingungswellenlänge erzielt werden.
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Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße
Halbleiterlaservorrichtung, die ein Halbleiterlaser-Bauelement 1 und einen
Halbleiterchip 7 aufweist, die beide auf solche Weise auf einer
einzelnen Trägerplatte 2 befestigt sind, daß die
lichtemittierende, hintere Kristallfläche des
Halbleiterlaser-Bauelements 1 der Kristallfläche 24 des Halbleiterchips 7 auf
parallele Weise zugewandt ist.
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Das Halbleiterlaser-Bauelement 1 wird wie folgt hergestellt:
Auf einem Substrat 11 aus p-GaAs werden eine
Stromsperrschicht 12 aus n-GaAs, eine Mantelschicht 13 aus p-GaAlAs,
eine aktive Schicht 14 aus GaAlAs, eine Mantelschicht 15 aus
n-GaAlAs sowie eine Deckschicht 16 aus n-GaAlAs der Reihe
nach durch Flüssigphasenepitaxie aufgebracht, was zu einem
mehrschichtigen Kristall mit Doppelheterostruktur für
Laserschwingung führt. Dann wird in der Stromsperrschicht 12 auf
solche Weise ein V-förmiger Kanal 17 ausgebildet, daß dieser
das Substrat 11 erreicht, was zu einem Strompfad führt. Dann
werden eine n-seitige Elektrode 18 und eine p-seitige
Elektrode 19 auf der Oberseite der Deckschicht 16 bzw. der
Rückseite des Substrats 11 hergestellt. Das sich ergebende
Halbleiterlaser-Bauelement 1 wird durch ein Lot 26 wie In usw.
an einer gegebenen Position auf der Trägerplatte 2
befestigt.
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Der Halbleiterchip 7, der auch als Photodetektor arbeitet,
umfaßt eine p-GaAs-Schicht 20, eine auf dieser p-GaAs-
Schicht 20 ausgebildete n-GaAs-Schicht 21, eine auf dieser
n-GaAs-Schicht 21 ausgebildete n-seitige Elektrode 22 und
eine auf der p-GaAs-Schicht 20 ausgebildete p-seitige
Elektrode 23. Eine der Seitenflächen, die eine durch Spaltung
erzeugte Kristallfläche ist, ist eine Photodetektorfläche
24, die der lichtemittierenden, hinteren Kristallfläche des
Halbleiterlaser-Bauelements 1 zugewandt ist. Die
Photodetektorfläche 24 verfügt über einen reflektierenden Film 25, der
Laserlicht vom Halbleiterlaser-Bauelement 1 reflektiert. Der
reflektierende Film 25 wird dadurch hergestellt, daß ein
Teil der Photodetektorfläche 24 durch einen
Elektronenstrahl-Aufdampfprozeß oder ein Sputterverfahren mit einem
mehrschichtigen, dielektrischen Film aus Al&sub2;O&sub3; und amorphem
Si beschichtet wird.
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Der Halbleiterchip 7 wird mittels des folgenden Prozesses
hinter dem Halbleiterlaser-Bauelement 1 angeordnet: Die
Photodetektorfläche 24 des Halbleiterchips 7 wird in Kontakt
mit der lichtemittierenden, hinteren Kristallfläche des
Halbleiterlaser-Bauelements 1 gebracht, das an einer
vorgegebenen Position auf der Trägerplatte 2 befestigt wurde, und
dann wird der Halbleiterchip 7 an eine vorgegebenen Position
auf der Trägerplatte 2 verschoben, an der dieser
Halbleiterchip 7 durch ein Lot 26 wie In usw. befestigt wird.
Zuleitungsdrähte 27 und 28 aus Au oder dergleichen werden mit den
n-seitigen Elektroden 18 bzw. 22 verbunden.
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Laserlicht von der hinteren Kristallfläche des
Halbleiterlaser-Bauelements 1 wird durch den reflektierenden Film 25,
der dieser hinteren Kristallfläche des
Halbleiterlaser-Bauelements 1 auf parallele Weise zugewandt ist, wirkungsvoll
reflektiert und zum Halbleiterlaser-Bauelement 1
zurückgeführt, was zu Laserlicht mit stabilisierter Wellenlänge
führt. Andererseits wird die Photodetektorfläche 24 des
Halbleiterchips 7, die nicht mit dem reflektierenden Film 25
bedeckt ist, mit Laserlicht vom Halbleiterlaser-Bauelement 1
beleuchtet, weswegen der Halbleiterchip 7 als Photodetektor
arbeitet.
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Wenn von der n-seitigen Elektrode 18 und der p-seitigen
Elektrode 19 über den Zuleitungsdraht 27 ein Treiberstrom in
das Halbleiterlaser-Bauelement 1 injiziert wird, fließt
dieser alleine durch den V-förmigen Kanal 17, so daß innerhalb
des über dem V-förmigen Kanal 17 liegenden Bereich der
aktiven Schicht 14 eine stabilisierte Laserschwingung in einem
Transversalmode beginnt. Laserlicht wird nach vorne und
hinten in bezug auf das Halbleiterlaser-Bauelement emittiert.
Das nach hinten emittierte Licht beleuchtet die
Photodetektorfläche 24 und den reflektierenden Film 25 unter einem
bestimmten Winkel zur optischen Achse des
Halbleiterlaser-Bauelements 1 (d.h. ungefähr 20º - 25º auf einer Seite in bezug
auf die optische Achse). Demgemäß bestrahlt das Licht den
gesamten Flächenbereich der Photodetektorfläche 24
einschließlich des reflektierenden Films 25, wenn der Abstand
zwischen der lichtemittierenden Kristallfläche und der
Photodetektorfläche 24 auf einen geeigneten Wert eingestellt
ist. Ein Teil des auf den reflektierenden Film 25
strahlenden Lichts wird durch diesen reflektierenden Film 25
reflektiert und kehrt zum Halbleiterlaser-Bauelement 1 zurück. Der
Rest des Lichts, der den Flächenbereich der
Photodetektorfläche 24 mit Ausnahme des reflektierenden Films 25
beleuchtet, wird durch den Halbleiterchip 7 photoelektrisch in ein
elektrisches Signal, das der Laserlichtstärke entspricht,
umgesetzt, das dann über den Zuleitungsdraht 28 aufgenommen
wird.
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Da das Reflexionsvermögen des reflektierenden Films 25 auf
einen hohen Wert eingestellt ist, wird das zum
reflektierenden Film 25 emittierte Laserlicht durch ihn wirkungsvoll
reflektiert, um zum Halbleiterlaser-Bauelement 1
zurückzukehren, und von der vorderen Kristallfläche des
Halbleiterlaser-Bauelements 1 wird Laserlicht mit stabilisierter
Wellenlänge emittiert. Der Halbleiterchip 7 dient als
überwachender Photodetektor für das Laserlicht von der vorderen
Kristallfläche
des Halbleiterlaser-Bauelements 1, so daß
mittels des vom Halbleiterchip 7 erhaltenen elektrischen
Signals eine Steuerung des in das Halbleiterlaser-Bauelement 1
zu injizierenden Treiberstroms erzielt werden kann, was es
ermöglicht, daß durch die Steuerung der
Laserausgangsintensität ein vorgegebener Pegel aufrecht erhalten wird.
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Wenn der vom reflektierenden Film 25 nicht bedeckte
Flächenbereich der Photodetektorfläche 24 mit einem anderen
reflektierenden Film mit niedrigem Reflexionsvermögen beschichtet
wird, fällt Laserlicht wirkungsvoll auf den Halbleiterchip
7, so daß die Photodetektorempfindlichkeit des
Halbleiterchips 7 verbessert werden kann.
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Wenn in der Nähe des Halbleiterlaser-Bauelements 1 zum
Betreiben desselben ein Bauteil mit integrierter Schaltung
oder dergleichen aus Si oder
Verbindungshalbleitermaterialien angeordnet wird, kann eine der Kristallflächen des
Bauteils mit integrierter Schaltung oder dergleichen als
Reflektor verwendet werden.