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Bei Halbleiterlasern und verwandten optischen Bauteilen ruft
die hierbei verwendete Trägerinjektion typischerweise
gleichzeitige Änderungen sowohl der optischen Verstärkung als
auch des Brechungsindex des Materials hervor. Die Kopplung
dieser beiden Effekte ist bei einer Vielzahl von Anwendungen
unvorteilhaft. Bei der Amplitudenmodulation rufen die Änderungen
des Brechungsindex unerwünschte Frequenzschwankungen hervor. Bei
Dauerstrichlasern rufen die Verstärkungsänderungen, die zur
Kompensation der Rauschschwankungen induziert werden,
Brechungsindex-Schwankungen hervor, die die Linienbreite
vergrößern. Im Gegensatz hierzu ist es bei Frequenzmodulatoren
die Verstärkungsänderung, die unerwünscht ist. Bei
komplizierteren Fällen, bei denen eine verzögerte Rückkopplung oder eine
Wechselwirkung zwischen Haupt- und Nebenlasern verwendet wird,
ruft die Kopplung dieser beiden Effekte Störungen und
Schwierigkeiten bei der Synchronisation hervor. Daher würde eine
Maßnahme zur Beseitigung dieser Kopplung sehr nützlich sein.
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Der Gesamteffekt der Träger kann alternativ als eine komplexe
Änderung der Dielektrizitätskonstante sein, wobei die
Verstärkung zum Imaginärteil beiträgt. Das Verhältnis des
Realteils zum Imaginärteil ist gleich dem negativen Wert des
Linienverbreiterungsfaktors α, der verschiedentlich mit einem
Wert zwischen 2 und 8 angegeben wurde. Eine Möglichkeit zur
Drehung des Vektors der Dielektrizitätskonstante in der
komplexen Ebene derart, daß dieser ausschließlich reell oder
imaginär wird, ist daher wünschenswert.
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Die Dielektrizitätskonstante, die den Betrieb bei den meisten
optoelektronischen Bauteilen steuert, ist nicht die Volumen-
Dielektrizitätskonstante in der aktiven Schicht, sondern die
effektive Dielektrizitätskonstante des verwendeten
Lichtwellenleiters. Änderungen der letzteren ergeben sich aus
Änderungen der ersten, und zwar unabhängig davon, ob sie
reell oder komplex sind, durch Multiplikation mit einem
Begrenzungsfaktor Γ, der von der Wellenleiterkonfiguration
abhängt. Wenn Γ reell ist, so wird α nicht geändert. Unter
bestimmten Umständen ist jedoch Γ komplex, wobei in diesem
Fall α geändert wird.
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Es ist ein allgemeines Ziel der vorliegenden Erfindung, einen
Laser zu schaffen, dessen Konstruktion derart ist, daß die
Modulation seiner Trägerinjektion eine Amplitudenmodulation der
Lichtausgangsleistung im wesentlichen ohne Frequenzmodulation
hervorruft, oder dessen Konstruktion alternativ derart ist, daß
sich eine Frequenzmodulation im wesentlichen ohne
Amplitudenmodulation ergibt.
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Die vorliegende Erfindung befaßt sich insbesondere mit
Konfigurationen von miteinander gekoppelten Wellenleitern, für
die der Wert von Γ eine komplexe Zahl ist, die die Eigenschaft
hat, daß der komplexe Wert von Γ für eine spezielle Übermode
derart ist, daß die Änderung der durch injizierte Träger
hervorgerufenen effektiven Dielektrizitätskonstante im
wesentlichen ausschließlich imaginär ist, oder in einem anderen
Fall im wesentlichen ausschließlich reell ist.
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Beispiele einer Injektionslaserstruktur mit zwei seitlich
gekoppelten Wellenleitern, die eine derartige Struktur mit zwei
Über- oder Supermoden ergeben, sind bereits bekannt,
beispielsweise aus E. Kapon et al, "Phase-locking characteristics of
coupled ridge-waveguide Inp/InGaAsP diode lasers", Applied
Physics Letters Band 45, Nr. 11, Seiten 1159-61 (1. Dezember
1984), und aus J. Salzman, "Lateral coupled cavity semiconductor
laser", Applied Physics Letters Band 47, Nr. 3, Seiten 195-7.
Diese bekannten Strukturen umfassen eine seitliche Kopplung
zwischen Paaren von Wellenleitern, die identische
Ausbreitungskonstanten als Ergebnis identischer Querschnitte haben, und es
wird weiter unten theoretisch gezeigt, daß eine Modulation des
Ansteuerstromes, die auf einen der Wellenleiter eines
derartigen Paares einwirkt, beständig eine Modulation sowohl
der Frequenz als auch der Amplitude irgendeiner Übermode
hervorruft, die von der Struktur emittiert wird.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Injektionslaser mit
gekoppelten Wellenleitern geschaffen, der eine Struktur
aufweist, in der eine Mehrzahl von Wellenleitern ausgebildet
ist, die seitlich gekoppelt sind, wodurch für den Laser ein Satz
von Übermoden erzielt wird, wobei der Laser einen Anschluß für
die Zuführung eines Stromes an ihn zur Steuerung der Abgabe des
Elementes der Übermoden einschließt, das den niedrigsten
Laserschwellenwert aufweist und wobei der Injektionslaser
dadurch gekennzeichnet ist, daß einer der Wellenleiter eine von
einem anderen der Wellenleiter abweichende Ausbreitungskonstante
als Ergebnis eines Formunterschiedes aufweist und daß der
Abstand des einen Wellenleiters von dem anderen, bezogen auf
ihren Unterschied der Ausbreitungskonstanten derart ist, daß
eine Modulation des dem Anschluß zugeführten Stromes die
komplexe Ausbreitungskonstante der den niedrigsten Schwellenwert
aufweisenden Übermode um einen Betrag moduliert, der einen Teil,
entweder den Realteil oder den Imaginärteil, dieser komplexen
Ausbreitungskonstante ändert, während im wesentlichen keine
Änderung des anderen Teils hervorgerufen wird.
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Es folgt eine ausführlichere Beschreibung der der Erfindung
zugrundeliegenden Theorie sowie eine Beschreibung von Lasern,
die bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung darstellen. Die
Beschreibung bezieht sich auf die beigefügten Zeichnungen, in
denen:
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Fig. 1 ein Diagramm von zwei miteinander gekoppelten
Wellenleitern ist,
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Fig. 2 eine Darstellung in der komplexen Ebene ist,
die die Wirkung einer Störung der normalisierten
Ausbreitungskonstante eines der Wellenleiter nach Fig. 1 zeigt,
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Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Lasers ist,
dessen optische Ausgangsamplitude moduliert werden kann, ohne
daß gleichzeitig eine wesentliche Frequenzmodulation auftritt,
Fig.
4 eine Querschnittsansicht des Lasers nach Fig. 3
entlang der Linie A-A' ist,
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Fig. 5 eine schematische Darstellung einer abgeänderten
Konstruktion des Lasers ist, der ähnliche Eigenschaften wie der
nach den Fig. 3 und 4 aufweist,
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Fig. 6, 7 und 8 Querschnitte des Lasers nach Fig. 5
entlang der Linien B-B', C-C' bzw. D-D' sind,
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Fig. 9 eine schematische Darstellung eines Lasers ist,
der so ausgelegt ist, daß seine optische Ausgangsfrequenz
modulierbar ist, ohne daß gleichzeitig irgendeine wesentliche
Amplitudenmodulation auftritt,
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Fig. 10 ein Querschnitt des Lasers nach Fig. 9 entlang
der Linie E-E' ist, und
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Fig. 11 eine Darstellung einer modifizierten
Ausführungsform des Lasers nach Fig. 9 ist.
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In Fig. 1 sind schematisch zwei miteinander gekoppelte
Einmoden-Wellenleiter 1 und 2 gezeigt. Diese Struktur kann zwei
Übermoden oder Supermoden unterstützen, die durch die Phasen und
Amplituden der Felder in den beiden Wellenleitern unterscheidbar
sind. In der Übermode nullter Ordnung sind die Felder
miteinander in Phase, während bei der Übermode erster Ordnung
diese Felder gegenphasig sind. Aus Vereinfachungsgründen werden
alle Ausbreitungskonstanten auf den Kopplungskoeffizienten "k"
zwischen den beiden Wellenleitern normalisiert. Wenn zu Anfang
angenommen wird, daß die beiden Wellenleiter identisch sind und
daß β&sub0; die anfängliche normalisierte Ausbreitungskonstante
jedes dieser Wellenleiter ist, wenn er vollständig von seinem
Nachbar entkoppelt ist, so kann eine Untersuchung der Auswirkung
auf die gekoppelten Wellenleiter durchgeführt werden, die sich
ergibt, wenn komplexe Inkremente der normalisierten
Ausbreitungskonstante von nur einem der Wellenleiter ausgeführt
werden. Wenn diese Störung die Form eines komplexen Inkrementes
β annimmt, das auf den Wellenleiter 2 angewandt wird, so ist
die normalisierte Ausbreitungskonstante der Übermode nullter
Ordnung gleich (β&sub0;+γ), wobei die Theorie gekoppelter
Moden die angenäherte Beziehung in Form der folgenden Gleichung
angibt:
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β = γ-1/γ.
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Fig. 2 zeigt diese Beziehung mit einer Darstellung von Kurven
der Real- und Imaginärwerte von γ in der komplexen Ebene von β.
Die Linien 20 sind Kurven eines konstanten Realteils von γ,
während die Linien 21 Kurven eines konstanten Imaginärteils von
γ sind. Diese Figur bezieht sich direkt auf den Fall der
Übermode nullter Ordnung, sie kann jedoch genauso auf den Fall
der Übermode erster Ordnung dadurch angewandt werden, daß die
Vorzeichen der Realteile von β und γ umgekehrt werden (ein
Spiegelbild um die Vertikalachse.
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Am Ursprung 0 der Darstellung nach Fig. 2 ist der Realteil von
γ gleich 1, während der Imaginärteil gleich 0 ist. Wenn nunmehr
eine Störung β durch die Injektion von Trägern in den
Wellenleiter 2 hervorgerufen wird, so ist die resultierende
Änderung von γ durch Punkte entlang einer geraden durch den
Ursprung verlaufenden Linie gegeben, die einen Gradienten
aufweist, der gleich dem Verhältnis der Änderung des
Imaginärteils von β zur Änderung des Realteils ist, d. h. ein
Gradient von -1/α. Wenn als Beispiel angenommen wird, daß α=2
ist, so ist zu erkennen, daß sich der Wert von β für die
Übermode nullter Ordnung entlang der Linie 0A ändert. Für den
Fall der Übermode erster Ordnung bedeutet die Reflektion an
der vertikalen Achse, daß die entsprechende Änderung entlang der
Linie 0B erfolgt, deren Gradient 1/α ist. Es ist zu erkennen,
daß keine dieser Linien einer Kurve eines konstanten Realteils
von γ nachfolgt, so daß für α=2 eine direkte Modulation der
Trägerinjektion in eine Seite eines Lasers, der aus einem
angepaßten Paar von miteinander gekoppelten Wellenleitern
besteht, in keiner Weise zu einer Modulation der Verstärkung
einer der Übermoden führen kann, ohne daß sich nicht
gleichzeitig eine Modulation der Frequenz dieser Übermode
ergibt. Andererseits ergibt sich ein Bereich in der Nähe des
Punktes Q, an dem die Kurven des Realteils von γ einen
Gradienten von 1/α aufweisen.
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Nunmehr sei der Effekt betrachtet, wenn die Störung zwei
Einstellungen der normalisierten Ausbreitungskonstante des
Wellenleiters 2 umfaßt. Eine dieser Einstellungen ist eine
feste Einstellung durch die Hinzufügung einer Störung β&sub1;,
die vollständig reell ist und den Wert des Schnittpunktes der
horizontalen Achse mit der geraden Linie CQD des Gradienten 1/α
hat. Die andere Einstellung ist die durch die Trägerinjektion
hervorgerufene Einstellung. Eine Modulation der Trägerinjektion
bewegt in diesem Fall den Arbeitspunkt entlang der Linie CQD.
Wenn dafür gesorgt wird, daß der Laserschwellenwert für die
Übermode erster Ordnung am Punkt Q auftritt, indem der
Kopplungskoeffizient k zwischen den beiden Wellenleitern
eingestellt wird, wird erreicht, daß eine Modulation der
injizierten Träger eine Modulation der Verstärkung hervorruft,
ohne daß eine wesentliche gleichzeitige Frequenzmodulation
auftritt.
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Der äquivalente Arbeitspunkt der Übermode nullter Ordnung ist
durch den Punkt Q' gegeben, der die Spiegelung von Q um die
vertikale Achse darstellt. Es sei bemerkt, daß der Imaginärteil
von γ für Q' größer ist als für Q. Daher erfordert die Struktur
irgendeine Form von zusätzlichen Einrichtungen zur Ausscheidung
einer Erregung der Übermode nullter Ordnung, damit eine
bevorzugte Erregung der Übermode erster Ordnung ermöglicht wird.
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Die Notwendigkeit einer derartigen Unterdrückung kann dadurch
vermieden werden, daß als Arbeitspunkt irgendein Punkt wie z. B.
der Punkt Q'' gewählt wird. Dies ist ein anderer Punkt, an dem
die Kurven des Realteils von γ einen Gradienten von 1/α haben,
doch entspricht in diesem Fall die Spiegelung an der vertikalen
Achse einem Punkt eines kleineren und nicht eines größeren,
Imaginärwertes von γ. Ein Nachteil eines Betriebs an einem
derartigen Punkt wie diesem besteht jedoch darin, daß er in
einem Bereich liegt, an dem die Verdrillung wesentlich stärker
ist, so daß der Arbeitspunkt mit einem wesentlich höheren
Ausmaß an Präzision gefunden werden muß, wobei der dynamische
Bereich entsprechend stärker begrenzt ist.
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Die entsprechende Forderung zum Finden eines Arbeitspunktes, an
dem durch die Trägerinjektion hervorgerufene Modulation keine
Änderung der Verstärkung hervorruft, besteht darin, einen Punkt
zu finden, wie zum Beispiel den Punkt R, an dem die Kurven des
Imaginärteils γ einen Gradienten von -1/α haben. In diesem Fall
ruft eine Modulation der injizierten Träger eine Bewegung des
Arbeitspunktes der Mode nullter Ordnung entlang der geraden
Linie ERF mit dem Gradienten -1/α hervor.
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Für die Beschreibung eines Beispiels eines Injektionslasers mit
gekoppelten Wellenleitern, der so ausgelegt ist, daß er eine
Übermode erster Ordnung liefert, die ohne wesentliche
gleichzeitige Frequenzmodulation amplitudenmoduliert werden
kann, wird nunmehr auf die Fig. 3 und 4 Bezug genommen. Das
halbleitende Material des Lasers dieser Figuren besteht aus
einem Indiumphosphidsubstrat 30, auf dem fünf Epitaxialschichten
zum Aufwachsen bebracht wurden. Diese umfassen eine
Indiumphosphidschicht 31, die unter einer aktiven Schicht 32 aus
quaternärem (In1-xGax,AsyP1-y)-Material
liegt, eine Wellenleiterschicht 33, die über der aktiven Schicht
liegt und ebenfalls aus quaternärem Material besteht, jedoch
einen niedrigeren Brechungsindex als die aktive Schicht hat,
eine weitere Schicht 34 aus Indiumphosphid und eine Deckschicht
35 aus quaternärem Material, das zur Erleichterung der
Herstellung eines guten elektrischen Kontaktes mit dem
Indiumphosphid der Schicht 34 vorgesehen ist. Das Substrat 30
und die Indiumphosphidschicht 31, die auf diesem direkt zum
Aufwachsen gebracht wurde, weisen einen ersten Leitungstyp,
typischerweise den n-Typ auf, während die Schichten oberhalb
der aktiven Schicht den entgegengesetzten Leitungstyp aufweisen.
Die relativen Brechungsindizes der Folge von Schichten ergeben
einen Wellenleitungseffekt in einer Richtung senkrecht zur Ebene
der Schichten, während ein entsprechender Wellenleitungseffekt
in seitlicher Richtung durch zwei Wülste 36 und 37 gebildet ist,
die durch selektives Ätzen der Schichten 34 und 35 geformt
werden. Die mit Wülsten versehene Oberfläche wird als nächstes
mit einer silizium-Passivierungsschicht 38 bedeckt, durch die
hindurch drei Fenster 39, 40 und 41 geätzt werden. Dann wird
eine Metallisierung aufgebracht, um eine Vorspannungselektrode
42 und eine Modulationselektrode 43 sowie eine Gegenelektrode 44
zu bilden.
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Jeder Wulst 36 und 37 weist zwei Teile 36a und 36b sowie 37a
und 37b auf, die unterschiedliche Funktionen erfüllen. Die Form
und der Abstand der Teile 36a und 37a ist im Hinblick auf die
Kopplungsforderung gewählt, um beim Laserschwellenwert für die
Übermode erster Ordnung einen Betriebszustand zu erzielen, der
der Lage des Punktes Q nach Fig. 2 entspricht. Die Form und
der Abstand der Teile 36b und 37b beziehen sich auf die
Auskopplung der Leistung in einer derartigen Weise, daß eine
Antireflektionsbeschichtung 45, die lediglich den Teil der
aktiven Schicht bedeckt, der unter dem Ende des Wulstes 37
liegt, als eine übermoden-Unterdrückungseinrichtung wirken
kann, die für diese Endfläche eine niedrige Reflektivität für
die Übermode nullter Ordnung aufweist, während sie gleichzeitig
eine hohe Reflektivität für die Übermode erster Ordnung
aufweist. Die Wülste sind in den Teilen 36a und 37a mit
parallelen Seiten versehen, und auch der Teil 36b ist mit
parallelen Seiten versehen, während der Teil 37b nach außen in
Richtung auf die Endfläche mit der Antireflektionsbeschichtung
verjüngt ist. An dieser Endfläche ist die Breite des Wulstes 37
ausreichend größer als die des Wulstes 36, damit im wesentlichen
die gesamte Intensität, die der Übermode nullter Ordnung
zugeordnet ist, unter dem Wulst 37 liegt, während im
wesentlichen die gesamte Intensität, die der Übermode erster
Ordnung zugeordnet ist, unter dem Wulst 36 liegt. Unter diesen
Umständen bewirkt die Antireflektionsbeschichtung 45 eine
Unterdrückung der Reflektion der Übermode nullter Ordnung,
während sie im wesentlichen keine Auswirkung auf die Übermode
erster Ordnung hat.
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Ein über die Vorspannungselektrode 42 injizierter Strom wird
auf einen Pegel eingestellt, bei dem die Teile der Wellenleiter,
die unter dieser Elektrode liegen, angenähert transparent
gemacht werden. Ein durch die Modulationselektrode 43
injizierter Strom weist eine beträchtlich höhere Stromdichte
auf, die eine stimulierte Emission hervorruft, die ausreicht, um
eine Laserbetrieb hervorzurufen. Die Differenz der stromdichten
in dem Wulst 37 zwischen dem durch die Vorspannungselektrode 42
bedeckten Teil und dem durch die Modulationselektrode 43
bedeckten Teil ruft einen entsprechenden Sprung in der
Ausbreitungskonstante hervor, wenn keine kompensierende Änderung
irgendeines anderen physikalischen Parameters an diesem Punkt
vorgesehen wird. Eine Möglichkeit zur Vermeidung von
Fehlanpassungsproblemen in der gekoppelten Wellenleiterstruktur
besteht darin, eine kompensierende Änderung in der
Ausbreitungskonstante mit Hilfe einer Stufe 46 in der Breite
des Wulstes 36 einzuführen.
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Eine Möglichkeit zum Erreichen der speziellen Konstruktion der
Laserstruktur, wie sie in den Fig. 3 und 4 gezeigt ist,
besteht darin, eine geeignete Laserwirkungslänge zu wählen, über
die die stimulierte Emission auftreten soll. Diese Länge wird
durch die Wahl der Länge des Teils 37a des Wulstes 37 bestimmt.
Dies bestimmt andererseits unter Berücksichtigung der effektiven
Reflektionskoeffizienten der Endflächen den Wert der
Amplitudenverstärkung "g" (cm&supmin;¹), bei der der
Laserschwellwert erreicht wird. Der erforderliche
Kopplungskoeffizient "k" zwischen zwei Wellenleitern ist gleich
dem Wert "g" dividiert durch den Wert des Imaginärteils γ, der
aus der Darstellung nach Fig. 2 ausgewählt wird. Damit ist
für einen Arbeitspunkt Q der Kopplungskoeffizient gleich
g/0,7cm&supmin;¹. Sobald der Wert des Kopplungskoeffizienten
bestimmt wurde, ist es eine einfache Angelegenheit, einen
symmetrischen Doppelwulst-gekoppelten Laser mit der
erforderlichen Kopplung zu konstruieren. Diese Konstruktion
wird dann modifiziert, um das erforderliche Ausmaß an
Unsymmetrie zu erzielen, um eine Änderung von kβ&sub1; in der
Ausbreitungskonstante hervorzurufen.
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Die Aufmerksamkeit wird nun auf den Injektionslaser mit
gekoppelten Wellenleitern nach den Fig. 5, 6, 7 und 8
gerichtet, der eine andere Konstruktion darstellt, die so
ausgebildet ist, daß eine Übermode erster Ordnung hervorgerufen
wird, die amplitudenmoduliert werden kann, ohne daß irgendeine
wesentliche Frequenzmodulation auftritt. Dies unterscheidet
sich von der Konstruktion des Lasers nach den Fig. 3 und 4
hauptsächlich durch die Tatsache, daß der Vorstrom nicht
irgendeinem Teil des Wulstes zugeführt wird, dem der
Modulationsstrom zugeführt wird, sowie durch die Tatsache, daß
die Zuführung des Vorstroms an den anderen Wulst auf den Bereich
beschränkt ist, der direkt entgegengesetzt zu dem Bereich
liegt, dem der Modulationsstrom zugeführt wird. Die Größe des
erforderlichen Vorstroms ist dadurch beträchtlich kleiner. Die
spontane Emission, die diesem Vorstrom zugeordnet ist, ist
daher ebenfalls kleiner, und für bestimmte Anwendungen gleicht
der Vorteil eines verringerten Rauschens irgendwelche Nachteile,
die sich aus der vergrößerten Kompliziertheit der Struktur
ergeben, mehr als aus.
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Die grundlegende Struktur des Lasers nach den Fig. 5, 6, 7
und 8 ist die eines Lasers mit verteilten Bragg-Reflektoren. In
diesem Fall ist das Indiumphosphid-Substrat 50 vom n-Leitungstyp
mit vier Exitaxialschichten versehen, die eine
Indiumphosphidschicht 51 vom n-Leitungstyp, eine Wellenleiterschicht 52 aus
quaternärem Material vom n-Leitungstyp, eine undotierte aktive
Schicht 73, ebenfalls aus quaternärem Material, jedoch mit
höherem Brechungsindex als die Wellenleiterschicht, und eine
Indiumphosphid-Schutzschicht 54 vom n-Leitungstyp umfassen.
Diese drei Epitaxialschichten werden über einem Mittelbereich
des Lasers intakt gelassen, jedoch wird an jedem Ende ein
selektives Ätzen verwendet, um die Schichten 54 und 53 zu
entfernen, so daß die obere Oberfläche der Wellenleiterschicht
52 freigelegt wird. Die freiliegenden Teile dieser
Wellenleiterschicht werden als nächstes mit einem Muster versehen, um
verteilte Bragg-Reflektoren 55 und 56 zu bilden. Dann werden
drei weitere Epitaxialschichten zum Aufwachsen gebracht, die
eine quaternäre Schicht 57 von p-Leitungstyp mit einem
Brechungsindex, der kleiner als der oder gleich dem der
Wellenleiterschicht 52 ist, eine Indiumphosphidschicht 58 vom
p-Leitungstyp und schließlich eine Deckschicht 59 vom p-
Leitungstyp aus quaternärem Material umfassen. Die
Hauptfunktion der quaternären Schicht 57 besteht darin, die
Wellenleiterschicht 52 in Abstand von dem Indiumphosphid der
Schicht 58 zu halten, wodurch sich eine bessere Anpassung
zwischen der optischen Energieverteilung des Lichtes, das sich
in dem Bereich ausbreitet, in dem die aktive Schicht noch
verbleibt, und dem ergibt, das sich in den Endbereichen
ausbreitet, von denen die aktive Schicht 53 und ihre Deckschicht
54 aus Indiumphosphid entfernt wurde. Zwei Wülste 60 und 61
werden durch selektives Ätzen der Schichten 59 und 58, und auch
wahlweise der Schicht 57 in den Bereichen gebildet, in denen sie
direkt über der Schicht 54 und nicht über der Schicht 52 liegt.
Die mit Wülsten versehene Oberfläche wird als nächstes mit
einer Silica-Passivierungsschicht 62 bedeckt, durch die hindurch
zwei Fenster 63 und 64 vor der Abscheidung einer Metallisierung
geätzt werden, um eine Vorspannungselektrode 65, eine
Modulationselektrode 66 und eine Gegenelektrode 67 zu bilden.
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Jeder Wulst 60 und 61 weist drei getrennte Teile 60a, 60b und
60c bzw. 61a, 61b und 61c auf. Die Mittelteile 60b und 61b
decken sich mit dem Mittelabschnitt des Lasers, an dem die
aktive Schicht nicht entfernt wurde. Der Endteil 61c ist aus
dem gleichen Grund sich verjüngend ausgebildet, wie dies bei
dem entsprechenden Teil 37b des Wulstes 37 des Lasers nach den
Fig. 3 und 4 der Fall war, nämlich zur Erzielung einer
physikalischen Trennung der Leistung der Übermoden nullter und
erster Ordnung. Zwischen den Teilen 60b und 60c des Wulstes 60
ist eine Stufe 67 in der Breite ausgebildet, deren Funktion die
gleiche ist wie die der Stufe 46 des Wulstes 36 des Lasers nach
den Fig. 3 und 4. Eine ähnliche Stufe 68 zwischen den Teilen
61a und 61b des Wulstes 61 erfüllt eine ähnliche Funktion am
anderen Ende des Mittelbereiches.
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Der verteilte Bragg-Reflektor 55 ist so ausgebildet, daß er eine
hohe Reflektivität für beide Übermoden ergibt, und insofern ist
er von üblicher Konstruktion. Im Gegensatz hierzu muß der
verteilte Bragg-Reflektor 56 so ausgelegt werden, daß er eine
hohe Reflektivität für die Mode erster Ordnung ergibt, deren
Leistung an dem Ende des Bauteils unter dem Rippenwulst 60
konzentriert ist, während er eine niedrige Reflektivität für die
Mode nullter Ordnung ergibt, deren Leistung an dem Ende des
Bauteils unter dem Wulst 61 konzentriert ist. Eine Möglichkeit
zum Erreichen dieses Ziels besteht darin, das reflektierende
Bragg-Profil lediglich unter dem Wulst 60 vorzusehen und es
ausreichend weit von dem aktiven Bereich entfernt zu halten,
damit im wesentlichen die gesamte Leistung nullter Ordnung aus
dem Bereich unter dem Wulst 60 ausgekoppelt ist, bevor der
Bereich des reflektierenden Bragg-Profils erreicht wurde. Eine
etwas kürzere Struktur ist jedoch möglich, wenn der Bragg-
Reflektor so angeordnet ist, daß er etwas näher an dem
Mittelabschnitt des Lasers beginnt und sein Anfangsmuster sich
nicht nur unter den Wulst 60 sondern auch unter den Wulst 61
erstreckt. Die beiden Enden des Lasers sind mit
Antireflektionsbeschichtungen 69 und 70 versehen, so daß die
Reflektionseigenschaften, die durch die Bragg-Profile definiert
sind, nicht durch Fresnel-Störreflektionen gestört werden. Bei
einer modifizierten Version dieses Lasers sind entweder einer
oder beide der verteilten Bragg-Reflektoren zusammen mit ihren
Antireflektionsbeschichtungen fortgelassen, so daß die
erforderliche Rückkopplung statt dessen durch Fresnel-
Reflektion erzielt wird. Wenn der verteilte Bragg-Reflektor 56
fortgelassen wird, so wird ein Teil der
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Antireflektionsbeschichtung 70 beibehalten, um eine Reflektion
in dem hinter dem Wulst 61 liegenden Bereich zu unterdrücken.
Wenn der verteilte Bragg-Reflektor 55 fortgelassen wird, so
kann die Beschichtung 69 fortgelassen oder in eine
reflektierende Beschichtung umgewandelt werden, um die
Lichtemission vom gegenüberliegenden Ende des Lasers aus zu
einem Maximum zu machen.
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Die Aufmerksamkeit wird nun von Bauteilen, bei denen die
Strommodulation eine Amplitudenmodulation des optischen
Ausgangssignals erzeugt, auf ein Bauteil gerichtet, bei dem eine
Strommodulation zu einer Frequenzmodulation des optischen
Ausgangssignals führt. Dieses Bauteil ist in den Fig. 9 und
10 gezeigt. Wenn zunächst jedoch auf Fig. 2 Bezug genommen
wird, so ist zu erkennen, daß wenn die Bedingungen derart
ausgebildet werden, daß die Strommodulation den Arbeitspunkt
entlang der geraden Linie ERF verschiebt, und wenn der
Laserschwellwert durch den Punkt R gegeben ist, worin die Linie
ERF eine Tangente an die Kurve eines konstanten Imaginärteils
von γ ist, so führt eine Vergrößerung der Stromansteuerung, die
das Bauteil auf einen Arbeitspunkt oberhalb von R bringt, zu
einer Bewegung zu einem Bereich mit einem kleineren Imaginärteil
von γ. Dies ist ein unstabiler Zustand, weil die verringerte
Verstärkung den Laserbetrieb löscht, und dies führt weiterhin zu
einer Vergrößerung der Trägerdichte, wodurch andererseits der
Arbeitspunkt noch weiter über R hinaus verschoben wird. Bei dem
Laser nach den Fig. 9 und 10 wird dieses Unstabilitätsproblem
dadurch beseitigt, daß der Teil des Bauteils, der die ERF-
Arbeitscharakteristik ergibt, in Tandem mit einem anderen
Kompensationsteil angeordnet ist, für den die Kopplungskonstante
ausreichend größer ist, damit er die übliche Art von
Charakteristik aufweist, in der eine ansteigende
Trägerkonzentration eine ansteigende Verstärkung hervorruft
(größerer Imaginärteil von γ).
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Der Laser nach den Fig. 9 und 10 weist die gleiche Anordnung
von Epitaxialschichten wie der Laser nach den Fig. 3 und 4
auf. Das halbleitende Material dieses Lasers besteht somit aus
einem Indiumphosphidsubstrat 90, auf dem fünf Exitaxialschichten
zum Aufwachsen gebracht wurden. Diese umfassen eine
Indiumphosphidschicht 91, die unter einer aktiven Schicht 92 aus
quaternärem Material liegt, eine Wellenleiterschicht 93, die
über der aktiven Schicht liegt und ebenfalls aus quaternärem
Material besteht, jedoch einen niedrigeren Brechungsindex als
die aktive Schicht aufweist, eine weitere Schicht 94 aus
Indiumphosphid und eine Deckschicht 95 aus quaternärem Material,
die vorgesehen ist, um die Herstellung eines guten elektrischen
Kontaktes mit dem Indiumphosphid der Schicht 94 zu erleichtern.
Zwei Wülste 96 und 97 werden durch selektives Ätzen der
Schichten 94 und 95 gebildet. Die mit Wülsten versehene
Oberfläche wird als nächstes mit einer Silika-Passivierungsschicht
98 bedeckt, durch die hindurch vier Fenster 101 bis 104 geätzt
werden. Eine Metallisierung wird dann hergestellt, um vier
Elektroden 105 bis 108 und eine Gegenelektrode 109 zu bilden.
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Jeder Wulst 96 und 97 besteht aus zwei getrennten Teilen 96a und
96b bzw. 97a und 97b. Die Teile 96a und 97a wirken zusammen, um
ein relativ schwach gekoppeltes Paar von Wellenleitern mit
Abmessungen zu bilden, die so gewählt sind, daß eine
Arbeitscharakteristik für die Übermode nullter Ordnung, die
durch die Linie ERF in Fig. 2 gegeben ist, auszubilden, wenn
der durch die Elektrode 107 injizierte Strom moduliert wird,
während der durch die Elektrode 105 injizierte Strom einen Pegel
aufweist, der eine wesentliche Transparenz in diesem Teil des
Wellenleiters aufrechterhält, der unter dem Teil 96a liegt. Die
Teile 96b und 97b wirken zusammen, um ein stärker gekoppeltes
Paar von Wellenleitern zu bilden, für die die
Arbeitscharakteristik der Übermode nullter Ordnung das übliche
Verhalten der Ausbildung einer zunehmenden Verstärkung für einen
zunehmenden Ansteuerstrom zeigt, der den Elektroden 106 und 108
zugeführt wird. Die Teile 96b und 97b sind weiterhin so
bemessen, daß das Feldprofil der Übermode nullter Ordnung, das
unter diesen Teilen liegt, räumlich gut an das Feldprofil der
entsprechenden Übermode nullter Ordnung angepaßt ist, das unter
den Teilen 96a und 97a liegt. In diesem Fall ist keine
zusätzliche Unterdrückung der Mode erster Ordnung erforderlich,
weil der entsprechende Arbeitspunkt R' der Übermode erster
Ordnung, der durch die Reflektion von R an der vertikalen Achse
gegeben ist, in einem Bereich niedrigerer Verstärkung liegt
(kleinerer Imaginärteil von γ).
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Fig. 11 zeigt eine modifizierte Ausführungsform des Lasers nach
den Fig. 9 und 10, bei dem die Anordnung der Fenster in der
Silika-Passivierungsschicht 98 geändert wurde, um die Anzahl
der benötigten getrennten Elektroden von vier auf zwei zu
verringern. Bei dieser Konstruktion ist die Passivierungsschicht
mit drei Fenstern 111, 112 und 113 versehen, und eine
Metallisierung wird dann vorgesehen, um eine Vorspannungselektrode 114,
eine Modulationselektrode 115 und eine Gegenelektrode 116 zu
bilden. Die relativen Breiten der verschiedenen Bereiche der
Fenster 111 und 113 sind so gewählt, daß wenn ein Strom in die
Vorspannungselektrode 114 injiziert wird, um eine stimulierte
Emission in den Teilen der Wellenleiter hervorzurufen, die unter
den Teilen 96b und 97b der Wülste 96 und 97 liegen, dieser Strom
außerdem eine ausreichende Injektion in die Teile 96a und 97a
hervorruft, um die darunterliegenden Teile der Wellenleiter im
wesentlichen auf den Schwellwert zu bringen. Unter diesen
Umständen muß der der Elektrode 115 zugeführte Modulationsstrom
keinen Stromsockel mehr aufweisen. Bei einer weiteren (nicht
gezeigten) Modifikation erstreckt sich das Fenster 113 nicht zu
dem Teil 97a der Rippe 97, wobei in diesem Fall der in die
Modulationselektrode injizierte Strom einen Stromsockel
erfordert.
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Die Laser nach den Fig. 4 und 5 können auch als optische
Verstärker verwendet werden, wenn sie unterhalb des
Schwellwertes betrieben werden. Sie haben gegenüber bekannten
Lasern den Vorteil, daß ihre Wellenlängenabstimmung nicht durch
die Stärke des Eingangssignals beeinflußt wird, so daß ihr
dynamischer Bereich größer ist. Optische Eingangssignale werden
vorzugsweise unter die Wülste 36b oder 36c zugeführt, und
Ausgangssignale werden am entgegengesetzten Ende abgeleitet.