DE3737191C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Halbleiterdiodenlaser mit PN- Übergang, dessen Schichtenfolge auf einem Kühlsockel angeordnet ist, mit einer Elektrodenanordnung aus einer flächenhaften Kontaktelektrode auf einer Seite der Schichtenfolge und mit einer Streifenelektrode auf der anderen Seite der Schichtenfolge für den Anschluß an wenigstens eine den Halbleiterdiodenlaser aufheizende Speise­ stromquelle sowie mit einem mit dem Kühlsockel ther­ misch gekoppelten, verstärkenden aktiven Teil und mit einem vom Licht des aktiven Teils beaufschlagten passi­ ven Teil in der Gestalt eines schmalbandigen DBR-Re­ flektors, wobei der passive Teil einstückig mit dem aktiven Teil aufgebaut ist.

Ein Halbleiterdiodenlaser der eingangs genannten Art ist aus Y. Shani, A. Katzir, K.-H. Bachem, P. Norton, M. Tacke, H. M. Preier: 77 K cw Operation of Distributed Bragg Reflector Pb_{1 - x} Sn _x Se/Pb_{1 - x - y} Eu _y Sn _x Se Diode Lasers, Appl. Phys. Lett., 48, 1178 (1986) bekannt. Die Abkürzung DBR steht für Distributed Bragg Reflector. Der aktive Teil des Halbleiterdiodenlasers ist bei der be­ kannten Anordnung mit dem Kühlsockel gekoppelt, während der passive, mit einer Korrugation versehene Teil frei über den Kühlsockel hinausragend angeordnet ist und von dem mit Strom beaufschlagten Teil miterhitzt wird und daher infolge der fehlenden thermischen Kopplung mit dem Kühlsockel eine höhere Temperatur annimmt, als der aktive Laserbereich und der Kühlsockel. Durch einen solchen Halbleiterdiodenlaser mit einer periodischen Struk­ tur, durch die die Güte des Resonators schmalbandig erhöht wird, kann zwar eine Erweiterung des einmodigen Abstimmbereichs des Halbleiterdiodenlasers bei einer Ab­ stimmung durch Verändern des Speisestroms erreicht werden, jedoch ergeben sich Modensprünge zu kürzeren Wellenlängen, wobei beim Durchstimmen des Lasers Fre­ quenzlücken entstehen, die beim Einsatz eines solchen Halbleiterdiodenlasers als schmalbandige spektrosko­ pische Lichtquelle, insbesondere zur hochempfindlichen und selektiven Analyse von Abgasen sowie von atmos­ phärischen Spurengasen, besonders störend sind, da hierdurch diejenigen Absorptionslinien von Gasen, die in solche Lücken fallen, spektroskopisch nicht erfaßt werden können.

Aus der EP-OS 0 090 485 ist ein Halbleiterdiodenlaser mit einem externen Resonator bekannt. Der Laserchip und der externe Resonator sind auf zwei voneinander getrennten Kühlsockel montiert, deren Temperatur jeweils von einer separaten Stromversorgung so geregelt wird, daß die Abstimmrate der Moden des externen Resonators in Über­ einstimmung mit der Stromabstimmrate der Moden des Laserchips gebracht wird. Dieser Aufbau weist den Nachteil von drei oder mehr externen Reflexionsflächen auf, an denen Reflexions- und Beugungsverluste ent­ stehen.

Das IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. QE-23, Nr. 6, S. 835-838 (1987) zeigt einen durchstimmbaren DBR-Halbleiterdiodenlaser, dessen aktive Zone und dessen passive Zone galvanisch getrennt sind. Die EP-OS 0 169 567 A2 lehrt einen ähnlichen DBR-Halbleiterdiodenlaser, dessen passive Zone durch eine hochreflektierende Goldschicht abgeschlossen ist.

Aus dem IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. QE-18, Nr. 12, S. 1990-1991 (1982) ist es von Halbleiterdiodenlasern bekannt, daß sie bei wachsender Temperatur auch anomale Modensprünge hin zu kleineren Wellenlängen aufweisen können.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Er­ findung die Aufgabe zugrunde, einen DBR-Halbleiterdiodenlaser zu schaffen, der nur mit dem Speisestromkreis einfach und stabil und ohne Frequenzlücke durchstimmbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Schichtenfolge ganzflächig auf dem Kühlsockel montiert ist und daß der DBR-Resonator des passiven Teils mit dem Kühlsockel über eine Fotolackschicht thermisch gekoppelt ist, so daß sich beim Abstimmen der Frequenz des Halbleiterdiodenlasers durch Veränderung des Speisestroms am Arbeitspunkt des Halbleiterdiodenlasers solche Temperaturverteilungen sowohl im passiven Teil als auch im aktiven Teil einstellen, bei denen die Stromabstimmrate der DBR-Resonanzfrequenz gleich oder kleiner ist als die Stromabstimmrate der Frequenz der longitudinalen Moden.

Durch die thermische Ankopplung des passiven Teils über eine Fotolackschicht an den Kühlsockel lassen sich Modensprünge zu höheren Frequenzen vermeiden, wenn die spezielle Heizung und Kühlung in ihrer Abstimmung an die Modenabstimmung angepaßt werden. Es ergeben sich dabei "Rückwärtsmodensprünge" zu niedrigeren Frequenzen oder bei ganz genauer Anpassung im Idealfall sogar ein maximaler einmodiger Bereich ohne Sprünge, wenn beim Durchstimmen eine Erhöhung des Stroms der Speisestrom­ quelle erfolgt. Bei den Rückwärtsmodensprüngen wird zwar ein Teil des Abstimmbereichs erneut überstrichen, jedoch ist dies weit weniger störend als das Über­ springen von Abstimmbereichen ohne Erzeugung eines Ausgangssignals.

Um miteinander konkurrierende FP-Moden (Fabry-Perot-Moden) zu unterdrücken, ist es zweckmäßig, einen kurzen aktiven Bereich und einen langen passiven Bereich vorzusehen. Die Länge des aktiven, gepumpten Bereichs kann beispielsweise 230 µm und die des passiven Bereichs mit der Korrugation bei­ spielsweise 920 µm lang sein, wobei die Breite 530 µm beträgt und die Dicke der aktiven Laserschicht 1 µm. Der passive Teil ist mit dem Kühlsockel thermisch gut gekoppelt, um die Stromabstimmrate der DBR-Resonanz­ frequenz herabzusetzen, wodurch Modensprünge zu höheren Frequenzen beim Erhöhen des Speisestroms vermieden werden. Infolge der thermischen Kopplung wird der passive Teil durch den Strom weniger stark erwärmt als der aktive Teil. Wenn die Resonatorstromabstimmrate identisch mit der Modenabstimmrate ist, läßt sich ein kontinuierlich durchstimmbarer Mode innerhalb des maximalen Verstärkungsbandes erhalten.

Eine kleinere Aufheizrate des passiven Teils im Ver­ gleich zur Aufheizrate des aktiven Teils mit Modenrück­ sprüngen läßt sich gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung auch in der Weise erreichen, daß die dem Kühlsockel gegenüberliegende Elektrode des Halbleiter­ diodenlasers gesonderte Kontaktflächen für den aktiven und passiven Teil aufweist.

Weitere Ausgestaltungen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen Halbleiterdiodenlaser mit einem DBR-Re­ flektor gemäß der Erfindung in einer perspek­ tivischen Ansicht,

Fig. 2 einen Halbleiterdiodenlaser entsprechend Fig. 1 mit getrennten Kontaktelektroden für den aktiven und passiven Teil und

Fig. 3 Diagramme zur Veranschaulichung der Funk­ tionsweise des erfindungsgemäßen Halbleiter­ diodenlasers.

Der in Fig. 1 dargestellte abstimmbare DBR-Halbleiter­ diodenlaser besteht aus einem Halbleitersubstrat 1, das auf der in Fig. 1 nach oben weisenden Seite mit einer Kontaktelektrode 2 versehen ist, mit der ein Anschluß­ draht 3 zum Anschluß an einen Pol der Speisestromquelle verbunden ist. Die Abkürzung DBR steht für Distributed Bragg Reflector.

Der zweite Pol der Speisestromquelle ist über einen in der Fig. 1 nicht dargestellten Draht mit einem Kühl­ sockel 4 verbunden, auf dem der DBR-Laser ganzflächig montiert ist. Auf der der Kontaktelektrode 2 gegen­ überliegenden Seite ist eine Streifenelektrode 5 vorge­ sehen, die sich in Längsrichtung entlang dem in Fig. 1 links dargestellten aktiven Teil 6 des DBR-Lasers erstreckt.

Der in Fig. 1 rechts dargestellte Teil des Halbleiter­ substrats 1 bildet einen passiven Teil 7 in Gestalt eines schmalbandigen Bragg Reflektors. Auf der der Kontaktelektrode 2 gegenüberliegenden Seite ist der passive Teil 7 mit einer periodischen Struktur in Gestalt einer Korrugation 12 versehen, die in der Zeichnung schematisch dargestellt ist und deren Ver­ tiefungen und Erhebungen sich quer zur Längsrichtung der Streifenelektrode 5 erstrecken.

Das Halbleitersubstrat 1 verfügt über eine linke Spalt­ fläche 8 und eine rechte Spaltfläche 9. Die Spaltfläche 8 bildet einen Resonatorspiegel des Lasers. Ein PN- Übergang 10 erstreckt sich parallel zur Kontaktelek­ trode 2 und bildet den aktiven Bereich, aus dem im Bereich der Streifenelektrode 5 die Strahlung austritt, die in Fig. 1 durch Pfeile 11 veranschaulicht ist. Die Emmission des DBR-Lasers liegt beispielsweise im mittleren infraroten Spektralbereich zwischen 7,7 und 7,9 µm.

Der passive Teil 7 mit der Korrugation 12 wirkt als schmalbandiger Reflektor, dessen Durchlaßcharakteristik oder Filterkurve temperaturabhängig ist und durch den über den Anschlußdraht 3 und den Kühlsockel 4 fließen­ den Strom infolge der erzeugten Joule'schen Wärme abge­ stimmt werden kann. Infolge der ganzflächigen Montage läßt sich erreichen, daß die Stromabstimmrate der DBR-Resonanzfrequenz kleiner als die Stromabstimmrate der Moden ist.

Die Kopplung des passiven Teils 7 mit dem Kühlsockel 4 erfolgt über eine in Fig. 2 deutlicher erkennbare Foto­ lackschicht, durch die der DBR-Reflektor von dem Kühl­ sockel 4 getrennt ist und somit schwächer gekühlt wird. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel erkennt man eine Weichmetallschicht 13, z. B. aus Indi­ um, die als Bondmaterial zur Befestigung des Halblei­ tersubstrats 1 auf dem Kühlsockel 4 dient. Der Kühl­ sockel 4 kann, wie in den Figuren dargestellt, einstückig ausgebildet sein oder aber auch aus zwei getrennten, in den Figuren nicht dargestellten, separaten Kühlkörpern bestehen, um die Wärmebilanz im aktiven Teil 6 und passiven Teil 7 unterschiedlich zu beeinflussen. Die gesonderte Schicht, mit der der passive Teil 7 des in Fig. 1 dargestellten Ausführungs­ beispiels mit dem Kühlsockel 4 gekoppelt ist, gestattet durch die Auswahl ihrer Dicke eine Beeinflussung des Abstimmverhaltens des DBR-Reflektors.

Durch eine Schicht aus Fotolack, die etwa 2 µm stark ist, kann die Kühlung des den DBR-Reflektor bildenden passiven Teils 7 so angepaßt werden, daß der passive Teil 7 durch den über die Kontaktelektrode 2 fließenden Strom, der zum Teil durch den passiven Teil 7 und zum größten Teil durch aktiven Teil 6 fließt, gerade so erhitzt wird, daß er etwas weniger verstimmt wird als die Moden, wenn eine Stromänderung erfolgt. Bei einer solchen Abstimmung ergeben sich Modensprünge, die keine Lücken im monomodigen Abstimmbereich lassen.

In Fig. 2 ist ein DBR-Laser dargestellt, dessen Kon­ taktelektrode in eine aktive Kontaktelektrode 14 und eine passive Kontaktelektrode 15 aufgeteilt ist. Die Bauteile, die mit denjenigen nach Fig. 1 übereinstim­ men, tragen die gleichen Bezugszeichen. Zur Verdeut­ lichung der Schichtenfolge sind einzelne Schichten des Aufbaus auseinandergezogen dargestellt. Auch bei einer solchen Anordnung läßt sich durch ein Anpassen der Dicke einer Fotolackschicht 16, der Temperatur des Kühlsockels 4 sowie der Ströme über die aktive Kon­ taktelektrode 14 und die passive Kontaktelektrode 15 eine spezielle Heizung und Kühlung in der Weise er­ reichen, daß der passive Teil 7 in seiner Abstimmung an die Modenabstimmung angepaßt wird, wodurch ein lücken­ loser Bereich durch "Rückwärtsmodensprünge" erreicht wird oder im Idealfall bei genauer Anpassung sogar ein maximaler einmodiger Bereich ohne Sprünge.

Fig. 3b veranschaulicht die Funktionsweise des in den Fig. 1 und 2 dargestellten DBR-Lasers und zeigt das Emissionssprektrum als Funktion des Stromes. Wie man Fig. 3b entnehmen kann, erhöht sich die Frequenz der Laserstrahlung beim Ansteigen des Speisestromes aus­ gehend von einem Arbeitspunkt 17 bis zu einem Arbeits­ punkt 18, bei dem ein Modensprung zu einem Arbeitspunkt 19 erfolgt, dem eine zwischen den Arbeitspunkten 17 und 18 liegende Frequenz zugeordnet ist. Beim weiteren Ansteigen des Stromes erfolgt eine Frequenzerhöhung bis zu einem weiteren Paar von Arbeitspunkten 20, 21 mit einem weiteren Modensprung in rückwärtiger Richtung. Diese Modensprünge ergeben sich dadurch, daß die Strom­ abstimmrate der DBR-Resonanzfrequenz kleiner als die Stromabstimmrate der Moden des aktiven Teils 6 ist.

Fig. 3a zeigt im Vergleich hierzu den Verlauf eines Spektrums bei einem DBR-Laser gemäß dem Stand der Technik oder bei sonstigen Halbleiterdiodenlasern, die Modensprünge aufweisen, bei denen jeweils ein Frequenz­ bereich unter Bilden von Lücken im Spektrum übersprun­ gen wird. Die Rücksprünge in Fig. 3b treten auf, wenn die Stromabstimmrate der DBR-Resonanzfrequenz kleiner als die Stromabstimmrate der Frequenz der longitudi­ nalen Moden ist. Durch Verkleinern der Differenz läßt sich die Zahl der Rücksprünge verkleinern, um eine durchgehende Abstimmkurve anzustreben. Mit den in den Fig. 1 und 2 dargestellten DBR-Lasern können bei einem Betrieb mit einer Kühlsockeltemperatur im Bereich von 25 bis 75 Kelvin im cw-Betrieb bei etwa 7,8 µm Wellenlänge einmodige Abstimmbereiche von etwa 10 cm^-1 erhalten werden. Durch Abstimmen der Laserdioden mit Hilfe des Speisestroms konnte ein Bereich von 24 cm^-1 vollständig in einem einmodigen Betrieb abgedeckt werden.

Claims (4)

1. Halbleiterdiodenlaser mit PN-Übergang, dessen Schich­ tenfolge auf einem Kühlsockel (4) angeordnet ist, mit einer Elektrodenanordnung (2, 5) aus einer flächenhaf­ ten Kontaktelektrode (2) auf einer Seite der Schich­ tenfolge und mit einer Streifenelektrode (5) auf der anderen Seite der Schichtenfolge für den Anschluß an wenigstens eine den Halbleiterdiodenlaser aufheizende Speisestromquelle sowie mit einem mit dem Kühlsoc­ kel (4) thermisch gekoppelten, verstärkenden aktiven Teil (6) und mit einem vom Licht des aktiven Teils (6) beaufschlagten passiven Teil (7) in der Gestalt eines schmalbandigen DBR-Resonators (12), wobei der passive Teil (7) einstückig mit dem aktiven Teil (6) aufgebaut ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtenfolge ganzflächig auf dem Kühlsockel (4) montiert ist und daß der DBR-Resonator (12) des pas­ siven Teils (7) mit dem Kühlsockel (4) über eine Foto­ lackschicht (16) thermisch gekoppelt ist, so daß sich beim Abstimmen der Frequenz des Halbleiterdiodenlasers durch Veränderung des Speisestroms am Arbeitspunkt des Halb­ leiterdiodenlasers solche Temperaturverteilungen sowohl im passiven Teil (7) als auch im aktiven Teil (6) ein­ stellen, bei denen die Stromabstimmrate der DBR- Resonanzfrequenz gleich oder kleiner ist als die Stromabstimmrate der Frequenz der longitudinalen Moden.

2. Halbleiterdiodenlaser nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Fotolackschicht (16) eine Fotore­ sistschicht mit einer Stärke von 1 bis 2 Mikrometern ist.

3. Halbleiterdiodenlaser nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktelektrode (2) auf den aktiven Teil (6) beschränkt ist.

4. Halbleiterdiodenlaser nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Streifenelektrode (5) auf den aktiven Teil (6) beschränkt ist.