DE3802404A1 - Halbleiterlaser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleiterlaseranordnung mit auf einem Halbleitersubstrat angeordneten Halbleiter­ schichten, die eine laseraktive Schicht aufweisen und mit Anschlußkontaktschichten.

In der Lichtleitfaser-Nachrichtenübertragungstechnik werden im Sender direkt modulierte Halbleiterlaser sowie Photodioden im Empfänger als elektro-optische Wandler eingesetzt. Die mit solchen optischen Komponenten aufge­ bauten Lichtleitfaser-Übertragungsstrecken erfordern in gewissen Abständen, die bei mehreren Kilometern liegen, Zwischenverstärker. Um diese Abstände zu erhöhen, werden im Gegensatz zum Direktempfang Überlagerungseffekte zweier elektromagnetischer Wellen ausgenutzt, wodurch die Eigenschaften des Detektors selber etwas in den Hin­ tergrund rücken. Bei diesem als optischen Heterodynemp­ fang bezeichneten Verfahren fällt die Signalwelle zusam­ men mit einer über einen halbdurchlässigen Spiegel ange­ koppelten Ortsüberlagerungswelle eines Lokaloszillators parallel auf die Oberfläche einer Photodiode, wobei für solche Lokaloszillatoren höchste Frequenzstabilität ge­ fordert wird.

Die für diesen Zweck eingesetzten Laseroszillatoren müs­ sen daher mit höchster Frequenzstabilität und mit hoher Phasenselektion betrieben werden können. Dies wird unter anderem dadurch erreicht, daß der Lichtweg im Resonator verlängert wird, was zu einer erhöhten Phasenstabilität und damit auch zu einer besseren Frequenzstabilität führt. Solche Laseroszillatoren werden mit mechanisch aufwendigen und kostenintensiven Aufbauten vorgenommen. So wird beispielsweise gemäß Fig. 1 ein Laserelement 4 in den Lichtweg 3 mit zwei parallel zueinander ausgerich­ teten Spiegeln 2 einer optischen Bank 1 eingesetzt. Hier­ zu muß das Laserelement 4 so ausgebildet sein, daß die Reflektionen an den Endflächen 5 hinreichend vermindert werden, um nicht das Laserelement selbst als Resonator wirken zu lassen.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Laseranordnung der eingangs genannten Art anzugeben, die bei einfacher Fertigung eine große Resonatorlänge auf­ weist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Erhöhung der Resonatorlänge die Halbleiterlaseranord­ nung kreisförmig ausgebildet ist, daß die Kontaktschich­ ten auf einander gegenüberliegenden Oberflächenseiten der Halbleiterlaseranordnung nur teilweise diese Ober­ flächen bedecken und so geometrisch angeordnet sind, daß die Strominjektion auf einen begrenzten Bereich der akti­ ven Schicht eingeschränkt ist, und das in diesem begrenz­ ten Bereich erzeugte Laserlicht aus diesem austritt und durch mehrmalige Totalreflektion an der Grenzfläche der kreisförmigen Berandung der laseraktiven Schicht derart umgelenkt wird, daß es wieder in den begrenzten Bereich eintritt.

Diese Laseranordnung gewährleistet einen frequenzstabi­ len Laserbetrieb mit hoher Phasenselektion.

In einer ersten Ausführungsform der Erfindung sind die Kontaktschichten rechteckförmig ausgebildet. Als beson­ ders vorteilhaft hat sich hierbei erwiesen, daß die Schmalseiten der rechteckförmigen Kontakte klein sind gegenüber deren Längsseiten. Die eigentliche aktive Zone ist deshalb streifenförmig ausgebildet, was der Ausbil­ dung eines dünnen Laserstrahles entgegenkommt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung sind die rechteckförmigen Kontakte so angeordnet, daß der in der Längsachse der rechteckförmigen Kontakte ver­ laufende Laserstrahl so auf die Berandung der Halbleiter­ laseranordnung trifft, daß die Bedingung für Totalreflek­ tion eingehalten wird. Dabei muß der Einfallswinkel α des Laserstrahls auf die Grenzfläche der Halbleiterlaser­ anordnung mindestens dem Wert des Winkels α _T mit α _T= arc sin (n ₂/n ₁) entsprechen, wobei n ₁ bzw. n ₂ der Bre­ chungsindex der laseraktiven Schicht bzw. des die Halb­ leiterlaseranordnung umgebenden Mediums darstellt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung wird für den gesamten Lichtweg im Resonator eine Wellen­ leiterstruktur mit seitlicher Wellenführung verwendet, wodurch besonders günstige optische Eigenschaften er­ zielt werden können, die sich auch in einem hohen dif­ ferentiellen Wirkungsgrad von ca. 20% niederschlagen.

Nachstehend wird die Erfindung anhand eines in der Zeich­ nung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Hierbei zeigt

Fig. 2a in Draufsicht eine erfindungsgemäße Halbleiter­ laseranordnung, und

Fig. 2b und 2c Schnittdarstellungen der erfindungsge­ mäßen Halbleiterlaseranordnung gemäß Fig. 2a.

Die erfindungsgemäße Halbleiterlaseranordnung 6 nach Fig. 2a ist kreisförmig ausgebildet mit einem Durchmes­ ser von ca. 10 mm und einer Dicke von ca. 0,4 mm.

Die rechteckförmigen Kontakte 9 und 10 sind gemäß den Fig. 2a, 2b und 2c so auf den Oberflächen der Halb­ leiterlaseranordnung 6 angeordnet, daß die Strominjek­ tion zwischen diesen beiden Kontaktschichten 9 und 10 auf den zu diesen Kontaktschichten deckungsgleichen Be­ reich 16 der laseraktiven Schicht 13 beschränkt ist, vergleiche hierzu Fig. 2b und 2c. Das in diesem begrenz­ ten Bereich 16, der die eigentliche laseraktive Zone darstellt, erzeugte Laserlicht tritt aus diesem Bereich aus und verläuft innerhalb der laseraktiven Schicht 13 in Richtung der Längsachse dieses rechteckförmigen Be­ reichs 16 und wird an der Berandung 7 der Halbleiter­ laseranordnung 6 total reflektiert, da der Einfallswin­ kel α des Laserstrahls die folgende Bedingung für Total­ reflektion erfüllt:

α arc sin (n ₂/n ₁).

Hierbei bedeutet n ₁ bzw. n ₂ der Brechungsindex der akti­ ven Schicht 13 bzw. des die Halbleiterlaseranordnung umgebenden Mediums. Nach dreimaliger Reflexion an der Berandung 7, entsprechend des in der Fig. 2a eingezeich­ neten Lichtweges 3, tritt der Lichtstrahl wieder in den Bereich 16 ein. Die Auskopplung des Lichtstrahles er­ folgt an der Lichtaustrittsstelle 8.

Durch diese erfindungsgemäße Ausbildung der Halbleiter­ laseranordnung wird der Resonator extrem lang, was zu einer erhöhten Phasenstabilität führt.

Die Fig. 2b zeigte den Schichtenaufbau in einer Schnittdarstellung gemäß des Schnittes AA in der Fig. 2a. Hierbei handelt es sich um eine Heterostruktur be­ stehend aus einem n-dotierten GaAs-Substrat 11, mit ei­ ner Dicke von ca. 0,5 mm. Zwischen der 0,2 µm dicken aktiven Schicht 13 aus p-dotiertem GaAs und dem Substrat 11 ist eine 2 µm dicke Begrenzungsschicht 12 aus n-do­ tiertem GaAlAs angeordnet. An die aktive Schicht 13 schließt sich eine weitere 3 µm dicke Begrenzungsschicht 14 aus p-dotiertem GaAlAs an. Die Schichtenstruktur wird mit einer 1 µm dicken Deckschicht 15 aus hoch p-dotier­ tem GaAs abgeschlossen. Die auf den beiden Oberflächen der Laseranordnung 6 angeordneten metallischen Kontakte 9 und 10 haben eine Länge L von ca. 0,6 mm und gemäß Fig. 2c eine Breite B von ca. 30 µm. Die letztgenannte Figur zeigt eine Schnittdarstellung gemäß des Schnittes BB der Fig. 2a. In den beiden Fig. 2b und 2c ist die Eingrenzung der eigentlichen aktiven Zone auf den Be­ reich 16 der aktiven Schicht 13, mit der Breite B und der Länge L, deutlich erkennbar.

Darüberhinaus kann eine Halbleiterlaseranordnung aus einer Schichtenfolge bestehen, wie sie für einen BH- Laser (vergrabener Streifenlaser, BH: buried heterojunc­ tion) typisch ist, wobei die aktive Schicht allseitig von Halbleitermaterial mit wesentlich niedrigerem Bre­ chungsindex umgeben ist. Somit ist es möglich, eine Streifenbreite des eigentlichen laseraktiven Bereiches zu realisieren, die bei ca. 1 µm liegt.

Claims (5)

1. Halbleiterlaseranordnung (6) mit auf einem Halbleiter­ substrat (11) angeordneten Halbleiterschichten, die eine laseraktive Schicht (13) aufweisen und mit Anschlußkon­ taktschichten (9, 10), dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Resonatorlänge die Halbleiterlaseranordnung (6) kreisförmig ausgebildet ist, daß die Kontaktschich­ ten (9, 10) aufeinander gegenüberliegenden Oberflächen­ seiten der Halbleiterlaseranordnung (6) nur teilweise diese Oberflächen bedecken und so geometrisch angeordnet sind, daß die Strominjektion auf einem begrenzten Be­ reich (16) der laseraktiven Schicht (13) eingeschränkt ist, und das in diesem begrenzten Bereich (16) erzeugten Laserlicht aus diesem austritt und durch mehrmalige To­ talreflektion an der Grenzfläche (7) der kreisförmigen Berandung der laseraktiven Schichten (13) derart umge­ lenkt wird, daß es wieder in den begrenzten Bereich (16) eintritt.

2. Halbleiterlaseranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktschichten (9, 10) recht­ eckförmig ausgebildet sind.

3. Halbleiterlaseranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmalseiten der rechteckförmi­ gen Kontaktschichten (9, 10) klein sind gegenüber deren Längsseiten.

4. Halbleiterlaseranordnung nach Anspruch 2 oder 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Längsachse der rechteck­ förmigen Kontaktschichten (9, 10) so gewählt ist, daß der Einfallswinkel α des in dieser Längsachse verlaufen­ den Laserstrahls auf die Grenzfläche (7) der Halbleiter­ laseranordnung (6) mindestens dem Wert des Winkels α _T mit α _T=arc sin (n ₂/n ₁) entspricht, wobei n ₁ bzw. n ₂ der Brechungsindex der laseraktiven Schicht (13) bzw. des die Halbleiterlaseranordnung (6) umgebenden Mediums dar­ stellt.

5. Halbleiterlaseranordnung nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtweg im Resonator als Wellenleiterstruktur mit seitlicher Wellenführung ausgebildet ist.