DE3809440A1 - Lichtoptische halbleitereinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine lichtoptische Halblei­ tereinrichtung gemäß den Oberbegriffen der nebengeordneten Patentansprüche 1, 2, 3 und 8, bei der der Schwingungszu­ stand eines Halbleiterlasers durch von außen einfallendes Licht gesteuert werden kann,und bei der eine Signalverar­ beitung unter Ausnutzung der Parallel-Verarbeitungseigen­ schaften sowie der hohen Geschwindigkeit des Lichts er­ folgt. Ein bistabiler Halbleiterlaser wird zur Lichtinfor­ mationsverarbeitung oder zum Lichtaustausch verwendet.

Die Fig. 4 zeigt den Aufbau einer konventionellen lichtop­ tischen Halbleitereinrichtung, wie sie in Applied Physics Letters, Band 44, Seiten 941 ff beschrieben ist.

Entsprechend der Fig. 4 ist ein Substrat 1 vom n-Typ vor­ handen. Auf dem Substrat 1 vom n-Typ liegt eine Puffer­ bzw. Zwischenschicht 11 vom n⁺-Typ, auf der sich ihrerseits übereinanderliegend eine Überzugsschicht 3 (cladding layer) vom n-Typ, eine aktive Schicht 4 und eine weitere Überzugs­ schicht 5 vom p-Typ befinden. Eingebettete und auf dem Sub­ strat 1 gebildete Schichten 6 liegen an beiden Seiten der Schichten 3, 4 und 5. Mit dem Bezugszeichen 7 ist eine Kap­ penschicht vom p-Typ bezeichnet. Auf der Kappenschicht 7 liegt eine Anodenelektrode 12. Ferner sind ein Drainbereich 13, ein Gatebereich 14 und ein Sourcebereich 15 vorhanden. Eine Photodiode trägt das Bezugszeichen 16.

Bei dieser herkönmlichen lichtoptischen Halbleitereinrich­ tung wird das von außen einfallende Licht Pein durch die Photodiode 16 in ein elektrisches Signal umgewandelt. Das elektrische Signal wird mit Hilfe eines Feldeffekttransi­ stors verstärkt, zu dem der Sourcebereich 15, der Drainbe­ reich 13 und der Gatebereich 14 gehören. Das verstärkte Si­ gnal wird zu einem Halbleiterlaser übertragen, der durch die Überzugsschicht 3 vom n-Typ, die aktive Schicht 4, die Überzugsschicht 5 vom p-Typ, die eingebetteten Schichten 6, die Kappenschicht 7 vom p-Typ und die Anodenelektrode 12 gebildet ist. Wird der Halbleiterlaser durch einen geeignet gewählten Stromwert vorgespannt bzw. in einen Arbeitszu­ stand überführt, so wird eine Lichtabgabe Paus in Überein­ stimmung mit der Änderung des einfallenden Lichts Pein durch das genannte und durch Umwandlung erzeugte elektri­ sche Signal erhalten.

Bei der herkönmlichen lichtoptischen Halbleitereinrichtung sind jedoch durch verschiedene Herstellungsprozesse gebil­ dete Elemente, wie z. B. der Halbleiterlaser, die Photodio­ de oder der Feldeffekttransistor, auf demselben Substrat integriert. Die Herstellung der Halbleitereinrichtung be­ reitet daher Schwierigkeiten und kann nur mit geringer Aus­ beute durchgeführt werden. Darüber hinaus kann der licht­ empfangende Bereich der Photodiode nicht weit genug vergrö­ ßert werden, so daß es problematisch ist, diese lichtopti­ sche Halbleitereinrichtung dann einzusetzen, wenn als Ein­ gangsinformation Videobildinformation verwendet werden soll.

Die Fig. 11 zeigt ein konventionelles lichtoptisches Logik­ element, das in IEEE Journal of Quantum Electronics, Band QE-18, Nr. 9 (1982), Seiten 1341 bis 1361 durch Christoph Harder, Kam Y. Lau und Amnon Yariv beschrieben worden ist. In Fig. 11 ist ein GaAs-Substrat vom n-Typ mit dem Bezugs­ zeichen 16 versehen. Auf dem Substrat 16 liegen übereinan­ der eine AlGaAs-Zwischenschicht 15 vom n-Typ (cladding layer), eine aktive AlGaAs-Schicht 14 und eine AlGaAs-Zwi­ schenschicht 13 vom p-Typ. Mit dem Bezugszeichen 19 ist ei­ ne AlGaAs-Stromsperrschicht vom p-Typ bezeichnet, während eine AlGaAs-Stromsperrschicht vom n-Typ das Bezugszeichen 18 trägt. Beide Stromsperrschichten 18 und 19 sind an bei­ den Seiten der aktiven Schicht 14 und der Zwischenschichten 13 und 15 vorhanden, und zwar so, wie in Fig. 11 gezeigt. Eine Zn-Diffusionsschicht 12 dient zur Verminderung des Kontaktwiderstands einer Elektrode vom p-Typ. Mit dem Be­ zugszeichen 11 ist ein SiO₂-Isolationsfilm bezeichnet. Die Bezugszeichen 10 a und 10 b markieren p-seitige Elektroden, während eine n-seitige Elektrode das Bezugszeichen 17 trägt.

Im folgenden wird der Betrieb dieses Elements näher be­ schrieben.

Als erstes erfolgt ein leichter Stromfluß durch die Elek­ trode 10 a hindurch in Vorwärtsrichtung, oder es wird die Elektrode 10 a in Sperrichtung vorgespannt. Die darunterlie­ gende aktive Schicht arbeitet dann als ein sättigungsfähi­ ger Absorber. Das bedeutet entsprechend der Fig. 12, daß sie eine große Absorption aufweist, wenn die Lichtleistung niedrig ist, und daß die Lichtabsorption abnimmt, wenn die Lichtleistung ansteigt.

Die Fig. 13 zeigt den Zusammenhang zwischen dem durch die Elektrode 10 b fließenden Strom Ib und der Lichtabgabe L. Wird der Strom Ib erhöht, so erniedrigt sich allmählich die Absorption des sättigungsfähigen Absorbers durch den An­ stieg der natürlichen Lichtemission, so daß die Laser­ schwingung einsetzt, wenn der Strom Ib den Wert Ib ₁ er­ reicht.

Nach Einsetzen der Laserschwingung ist die Absorption sehr klein, und zwar aufgrund des starken Laserlichts. Dabei wird die Laserschwingung auch dann nicht gestoppt, wenn der Strom in gewissem Umfang reduziert wird. Die Laserschwin­ gung wird nur dann beendet, wenn der Strom Ib den Wert Ib ₂ erreicht. Ninmt also der Strom Ib einen zwischen den Werten Ib ₁ und Ib ₂ liegenden Zwischenwert an, so läßt sich dieses Element als Speicherelement verwenden, das durch einen Strompuls oder durch einfallendes Licht eingeschaltet wer­ den kann, und das sich ferner durch einen Strom ausschalten läßt. Dieser Laser bildet einen Resonator durch die Spalt­ flächen an der Vorder- und Rückseite.

Es ist allerdings nicht möglich, mehrere lichtoptische Lo­ gikelemente dieser Art in serieller Anordnung zu verwenden, da Spaltflächen erforderlich sind. Um lichtoptische Logik­ elemente dieser Art miteinander zu kombinieren, sind ferner mehrere Linsen nötig. Es müssen daher sehr genaue Positio­ nierungen und Fokussierungen vorgenommen werden.

Die Fig. 18 zeigt einen konventionellen bistabilen Halblei­ terlaser nach Liu und Kamiya, Technical Digest of the 10th IEEE International Semiconductor Laser Conference, Paper J-3 (1986), Kanazawa, Japan. Gemäß Fig. 18 sind ein InP- Substrat 16 vom n-Typ, eine aktive InGaAsP-Schicht 15, eine InP-Lichtbegrenzungsschicht 14 vom p-Typ und eine InGaAsP- Kontaktschicht 13 vom p-Typ vorhanden. Mit dem Bezugszei­ chen 18 ist eine InP-Sperrschicht vom p-Typ bezeichnet, während eine InP-Sperrschicht vom n-Typ das Bezugszeichen 19 trägt. Die Bezugszeichen 12 a, 12 b geben p-seitige Elek­ troden an, während mit dem Bezugszeichen 17 eine n-seitige Elektrode bezeichnet ist.

Im folgenden wird der Betrieb dieser Einrichtung näher be­ schrieben.

Es sind drei Elektroden 12 vorhanden, wobei voneinander un­ terschiedliche Ströme durch die Elektrode 12 a im Verstär­ kungsbereich 8 einerseits und durch die Elektrode 12 b im Absorptionsbereich 9 andererseits fließen. Fig. 20 läßt er­ kennen, daß sich bei Erhöhung des Stroms die Ladungsträger­ konzentration erhöht. In Übereinstimmung damit wird der Ab­ sorptionskoeffizient verringert, so daß eine Verstärkung schnell erhalten wird. Fließt ein kleiner konstanter Strom durch den Absorptionsbereich 9 (er kann 0 sein), und wird der durch den Verstärkungsbereich 8 fließende Strom erhöht, so tritt keine Schwingung aufgrund der Absorption im Ab­ sorptionsbereich 9 auf, bis der Strom den Wert I ₁ annimmt, wie die Fig. 19 zeigt. Wird der Stromwert I ₁ überschritten, so setzt eine Schwingung ein. Nach Einsetzen der Schwingung wird Laserlicht im Absorptionsbereich 9 absorbiert. Die Zahl der Ladungsträger steigt an, so daß sich der Absorp­ tionskoeffizient vermindert, wie in Fig. 20 gezeigt ist. Wird in diesem Zustand der Strom allmählich verringert, so wird die Schwingung beendet, wenn der Strom gerade den Wert I ₂ erreicht hat. Es werden somit bistabile Eigenschaften erhalten.

Die Zeit, die der Laser für den Anstieg und den Abfall be­ nötigt etwa 200 Picosekunden, wobei dieser Wert ein Mini­ malwert ist. Die entsprechende Geschwindigkeit für den An­ stieg bzw. Abfall ist jedoch ungenügend.

Üblicherweise wird für die aktive Schicht eine Quanten-Wan­ nenstruktur verwendet, um die Betriebsgeschwindigkeit eines Halbleiterlasers zu erhöhen. In einem solchen Fall ist je­ doch der Absorptionskoeffizient der Quanten-Wannenstruktur bei nichtinjiziertem Strom niedrig, und zwar bei einer Wel­ lenlänge, bei der der Verstärkungskoeffizient bei injizier­ tem Strom seinen Höchstwert annimmt, wie in Fig. 20 gezeigt ist. Dies ist jedoch nicht ausreichend, um einen bistabilen Betrieb zu ermöglichen.

Der konventionelle bistabile Halbleiterlaser weist darüber hinaus den Nachteil auf, daß seine Betriebsgeschwindigkeit begrenzt ist, wobei ferner seine Schwingungswellenlänge un­ stabil ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine lichtopti­ sche Halbleitereinrichtung zu schaffen, die sich einfach herstellen und gruppieren läßt und die eine vergrößerte lichtempfangende Oberfläche aufweist.

Ziel der Erfindung ist es ferner, eine lichtoptische Halb­ leitereinrichtung zur Bildung eines lichtoptischen Logik­ elements anzugeben, bei dem alle Logikeinrichtungen auf demselben Substrat vorhanden sein können, ohne daß Linsen und Positionierungslinsen verwendet werden müssen, und das in der Lage ist, auch komplizierte Operationen durchzufüh­ ren.

Gemäß der Erfindung soll darüber hinaus eine lichtoptische Halbleitereinrichtung zur Bildung eines bistabilen Halblei­ terlasers zur Verfügung gestellt werden, der bei hoher Be­ triebsgeschwindigkeit und mit stabiler Schwingungswellen­ länge arbeitet.

Lösungen der gestellten Aufgaben sind den kennzeichnenden Teilen der nebengeordneten Patentansprüche 1, 2, 3 und 8 zu entnehmen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Nach einem ersten Aspekt der Erfindung ist bei einer licht­ optischen Halbleitereinrichtung, bei der ein Laserschwin­ gungszustand durch von außen einfallendes Licht steuerbar ist, in eine Halbleiter-Laserstruktur eine Schicht aus ei­ nem Material integriert, das eine durch Licht modulierbare spezifische elektrische Leitfähigkeit aufweist, wobei Licht zur Steuerung des Laserschwingungszustands durch die ge­ nannte Schicht hindurch (light conductivity modulatable layer) auf den Laser auftrifft.

Die Einrichtung kann somit in einfacher Weise und mit hoher Ausbeute hergestellt werden, und zwar mit relativ großer Lichtempfangs- bzw. Lichteingangsfläche.

Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Resonator eines Halbleiterlasers durch einen mit einem Gitter verse­ henen Lichtwellenleiter erhalten, wobei mehrere Halbleiter­ laser jeweils untereinander durch die Lichtwellenleiter verbunden sind. Ein lichtoptisches Logikelement zur Durch­ führung eines komplizierten Betriebs enthält mehrere auf demselben Substrat gebildete Logikelemente und läßt sich ebenfalls in einfacher Weise herstellen. Dazu ist es nicht erforderlich, eine große Anzahl von Linsen zu verwenden und Positionierungs- sowie Fokussierungsvorgänge bezüglich der jeweiligen Logikelemente vorzunehmen.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung besteht eine ak­ tive Schicht aus einer Quantenwannenstruktur, die eine hohe Betriebsgeschwindigkeit ermöglicht. Die Schwingungswellen­ länge wird mit Hilfe eines Gitters zu einer kürzeren Wel­ lenlänge als die durch die aktive Schicht im Spitzenbereich der Verstärkung erhaltene Schwingungswellenlänge verscho­ ben. Demzufolge wird durch das Gitter die Schwingungswel­ lenlänge stabilisiert und auf eine solche Wellenlänge fest­ gesetzt, bei der die Quantenwannenstruktur im Absorptions­ bereich einen großen Absorptionskoeffizienten aufweist. Auf diese Weise lassen sich eine höhere Betriebsgeschwindigkeit und eine stabilere Schwingungswellenlänge erzielen.

Die Zeichnung stellt neben dem Stand der Technik Ausfüh­ rungsbeispiele der Erfindung dar. Es zeigen:

Fig. 1 bis 3, 5 bis 10 und 14 bis 17 Ausführungsbeispiele der Erfindung und

Fig. 4, 11 bis 13 und 18 bis 20 konventionelle lichtopti­ sche Halbleitereinrichtungen.

Die Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Halb­ leiterlasers gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dabei sind gleiche Teile wie in Fig. 4 mit den gleichen Be­ zugszeichen versehen.

Entsprechend der Fig. 1 ist ein Substrat vom n-Typ vorhan­ den, wobei eine n-seitige Elektrode das Bezugszeichen 2 trägt. Auf dem Substrat 1 vom n-Typ sind der Reihe nach aufeinanderliegend eine Zwischenschicht 3 vom n-Typ (clad­ ding layer), eine aktive Schicht 4 und eine Zwischenschicht 5 vom p-Typ gebildet. An beiden Seiten der Schichten 3, 4 und 5 befinden sich auf dem Substrat 1 vom n-Typ eingebet­ tete Schichten 6. Auf der so erhaltenen Struktur liegt eine Kappenschicht 7 vom p-Typ. Durch diese Schichten wird ein Halbleiterlaser erhalten, der denselben Aufbau wie der kon­ ventionelle Halbleiterlaser aufweist. Das Bezugszeichen 8 kennzeichnet eine Schicht aus einem Material, dessen spezi­ fische elektrische Leitfähigkeit durch Lichteinfall verän­ derbar ist, beispielsweise aus CdS, wobei die Schicht 8 auf der Kappenschicht 7 vom p-Typ angeordnet ist. Auf der Schicht 8 liegt eine transparente Elektrode 9, die eine Aluminiumelektrode 10 trägt.

Beim Betrieb wird der Laser nach diesem Ausführungsbeispiel in einem Zustand gehalten, bei dem eine geeignete Spannung an der auf der Kappenschicht 7 vom p-Typ liegenden Materi­ alschicht 8 angelegt ist, und zwar über die Aluminiumelek­ trode 10 auf der transparenten Elektrode 9. Fällt in diesem Zustand kein Licht von außen ein, so ist der spezifische Widerstand der Materialschicht 8 (light conductivity modu­ latable material layer) hoch, so daß praktisch keine Span­ nung am Halbleiterlaser selbst anliegt. Es setzt somit kei­ ne Laserschwingung ein.

Fällt dagegen Licht von außen durch die transparente Elek­ trode 9 hindurch auf die Schicht 8, so erhöht sich der spe­ zifische elektrische Widerstand dieser Schicht 8, was zu einer Erhöhung der am Laserteil (zwischen der Kappenschicht 7 vom p-Typ und der Elektrode 2 vom n-Typ) liegenden Span­ nung führt, und zwar infolge der Lichteingabe Pein von au­ ßen. Wird infolge der Spannungserhöhung ein vorbestimmter Eingangsleistungspegel P-o überschritten, so liegt ein Spannungswert vor, bei dem eine Laserschwingung einsetzt. Der Anstieg der Laserschwingung ist in den Fig. 2 und 3 ge­ zeigt. Auch wenn die Eingangsleistung auf einen noch höhe­ ren Wert erhöht wird, wird nur die Spannung am Laserteil erhöht, wobei sich die Lichtausgabe Paus nicht sehr stark ändert (nach Einsetzen der Laserschwingung ist die Klemmen­ spannung am Laserteil beinahe konstant). Auf diese Weise wird die Laserschwingung durch von außen einfallendes Licht gesteuert.

Beim ersten Ausführungsbeispiel einer lichtoptischen Halb­ leitereinrichtung nach der Erfindung wird eine Laserschwin­ gung durch von außen einfallendes Licht gesteuert, wobei in die Halbleiterlaserstruktur eine Materialschicht integriert ist, deren durch Licht erzeugte Leitfähigkeit modulierbar ist, wobei ein Steuerlicht über diese Materialschicht auf die Halbleitereinrichtung fällt. Im Gegensatz zur konven­ tionellen Einrichtung ist es daher möglich, die Steuerung der Laserschwingung durch einfallendes Licht mit vorbe­ stimmter Intensität vorzunehmen, obwohl zur lichtoptischen Einrichtung nur ein Halbleiterlaser gehört. Die lichtopti­ sche Halbleitereinrichtung kann daher in einfacher Weise, mit hoher Genauigkeit und hoher Ausbeute hergestellt wer­ den. Ferner kann der Bereich der Eingangslicht empfangenden Oberfläche sehr stark ausgedehnt werden, was zur Informa­ tionsverarbeitung vorteilhaft ist.

Beim oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel liegt ein Laser vom sogenannten "Vergrabungstyp" vor, worauf die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist. Sie kann auch bei anderen Laserstrukturen zum Einsatz kommen. Es ist ferner möglich, mehrere der genannten Strukturen in eindimensiona­ len oder zweidimensionalen Feldern anzuordnen. Der Laser kann darüber hinaus vom sogenannten "Oberflächenlicht-Emis­ sions-Typ" sein, bei dem Steuerlicht über die obere oder untere Seite einfällt und das ausgegebene Licht von der un­ teren Seite oder oberen Seite abgestrahlt wird.

Die Fig. 5 zeigt eine lichtoptische Halbleitereinrichtung nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, die ein lichtoptisches Logikelement bildet. Bezugszeichen 1 a und 1 b in Fig. 5 markieren p-seitige Elektroden, während GaAs-Kontaktflächen vom p-Typ Bezugszeichen 2 a und 2 b tra­ gen. Das Bezugszeichen 3 kennzeichnet eine AlGaAs-Zwischen­ schicht (cladding layer) vom p-Typ, während die Bezugszei­ chen 4 a, 4 b und 4 c Gitter angeben, die auf der Oberfläche der AlGaAs-Zwischenschicht 3 vom p-Typ gebildet sind. Fer­ ner sind eine aktive AlGaAs/GaAs-Quantenwannenschicht 5, eine AlGaAs-Zwischenschicht (cladding layer) 6 vom n-Typ, ein GaAs-Substrat 7 vom n-Typ und eine Elektrode 8 vom n- Typ vorhanden. Der Laser A wird durch einen Strom gesteu­ ert, der durch die Elektrode 1 a vom p-Typ hindurchfließt, und weist einen Resonator auf, der durch die Gitter 4 a und 4 b gebildet ist. Ein solcher Laser wird üblicherweise als aufgeteilter Laser vom Bragg-Reflexionstyp bezeichnet (DBR-Laser bzw. distributed Bragg reflection type laser). Der Laser B wird durch einen Strom gesteuert, der durch die Elektrode 1 b vom p-Typ hindurchfließt, und weist einen Re­ sonator auf, der durch die Gitter 4 b und 4 c gebildet wird. Die Laser A und B sind über einen Lichtwellenleiter miteinander verbunden, der durch die das Gitter 4 b enthal­ tende Zwischenschicht 3 vom p-Typ, die aktive Schicht 5 und die Zwischenschicht 6 vom n-Typ gebildet wird.

Im folgenden wird der Betrieb dieser Einrichtung näher be­ schrieben.

Die Fig. 6 zeigt die Beziehung zwischen der Lichtabgabe L des Lasers B (der Licht über den Wellenleiter nach links und rechts in Fig. 5 abstrahlt) und einem durch die Elek­ trode 1 b hindurchfließenden Strom beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 5. Ist der Laser A abgeschaltet, so weist die Einrichtung die rechts in Fig. 6 gezeigte Strom-Lichtabga­ be-Charakteristik auf. Ist dagegen der Laser A eingeschal­ tet, so wird das Licht in den Laser B injiziert, und zwar über den das Gitter 4 b aufweisenden Lichtwellenleiter, so daß die Laserschwingung erleichtert wird. Die Einrichtung zeigt somit eine Charakteristik entsprechend der linken Kurve in Fig. 6. Ist die Einrichtung durch einen Strom Ib Ib ₀ vorgespannt (Ib ₀ ist ein Zwischenwert zwischen den Schwellenströmen des Lasers B, wenn der Laser A ein- oder ausgeschaltet ist), so wird die Lichtabgabe L des Lasers B durch den Ein- oder Ausschaltzustand des Lasers A perfekt gesteuert.

Die Fig. 7 zeigt die Beziehung zwischen der Lichtabgabe L des Lasers B und einem durch die Elektrode 1 b hindurchflie­ ßenden Strom für einen Aufbau, bei dem der Laser B zwischen zwei Lasern A und C als alternatives Ausführungsbeispiel zu dem in Fig. 5 gezeigten Beispiel angeordnet ist. Wie in Fig. 7 zu erkennen ist, läßt sich die Strom-Lichtabgabe- Charakteristik des Lasers B durch die beiden Laser A und C steuern, zwischen denen der Laser B liegt. Wird die Ein­ richtung mit einem Strom Ib=Ib ₁ vorgespannt, so wird der Laser B eingeschaltet, wenn irgendeiner der Laser A und C eingeschaltet ist. Die Einrichtung funktioniert somit als ODER-Element. Wird die Einrichtung dagegen mit einem Strom Ib=Ib ₂ vorgespannt, so wird der Laser B nur dann einge­ schaltet, wenn beide Laser A und C eingeschaltet sind. Die Einrichtung funktioniert jetzt als UND-Element.

Beim zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind mehrere Halbleiterlaser integriert auf demselben Substrat angeord­ net. Jeder Halbleiterlaser ist mit einem Lichtwellenleiter kombiniert, der im gesamten Bereich oder in einem Teilbe­ reich eines jeden Elements mit einem Gitter versehen ist. Demzufolge wird von den jeweiligen Elementen kein Licht nach außen abgestrahlt, so daß es nicht erforderlich ist, entsprechend viele Linsen zu verwenden. Es brauchen auch keine Fokussierungen oder Elementpositionierungen vorgenom­ men zu werden, so daß ein stabiles Logikelement erhalten wird, das klein und kostengünstig herstellbar ist.

Werden z. B. Gitter zweiter Ordnung als Gitter 4 a bis 4 c verwendet, so ist es möglich, Licht in Normalrichtung bzw. senkrecht zum Substrat ein- und auszugeben. Dabei kann der Schwingungszustand des Lasers B statt durch Ein- und Aus­ schalten des Lasers A auch durch Injektion von Licht über die Gitter 4 b oder 4 c gesteuert werden.

Besteht die aktive Schicht 5 aus einem Material mit stark sättigungsfähigen Absorptionseigenschaften, wenn ein Zu­ stand eingenommen wird, bei dem kein Strom injiziert wird (dies ist z. B. der Fall, wenn die aktive Schicht durch GaAs gebildet ist), so zeigen die jeweiligen Laser starke bistabile Eigenschaften, wie in Fig. 8 dargestellt ist. Sie weisen somit eine Datenspeicherfunktion auf.

Wird dagegen eine umgekehrte Vorspannung an wenigstens ei­ ne der Elektroden 1 a′ und 1 b′ angelegt, welche durch Unter­ teilung der Elektroden der jeweiligen Laser erhalten wer­ den, wie die Fig. 9 zeigt, so weisen die umgekehrt vorge­ spannten Bereiche der aktiven Schicht 5 eine stark sätti­ gungsfähige Absorptionseigenschaft auf sowie ein stark bi­ stabiles Verhalten, so daß auch auf diese Weise eine Daten­ speicherfunktion realisiert werden kann.

Beim oben beschriebenen zweiten Ausführungsbeispiel wird als Laserelement ein DBR-Laser verwendet. Hierauf ist die Erfindung jedoch nicht beschränkt. Das Laserelement kann auch eines mit sogenannter verteilter Rückkopplung sein, bei dem auch ein Gitter am unteren Teil des Elektrodenbe­ reichs vorhanden ist, wie die Fig. 10 zeigt. In Fig. 10 ist ein Lichtwellenleiter mit dem Bezugszeichen 9 versehen und weist einen Brechungsindex auf, der von demjenigen der Zwi­ schenschicht 3 vom p-Typ verschieden ist.

Die Fig. 14 zeigt eine lichtoptische Halbleitereinrichtung zur Bildung eines bistabilen Halbleiterlasers in Überein­ stimmung mit einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung. Dieser Laser kann als Laser mit verteilter Bragg-Re­ flexion bezeichnet werden (distributed Bragg reflector la­ ser). Er enthält eine p-seitige Elektrode 1 (p-Elektrode), eine GaAs-Kontaktschicht 2 vom p-Typ sowie eine AlGaAs- Lichtbegrenzungsschicht 3 vom p-Typ. Ferner sind eine akti­ ve Schicht 4 mit einer Multi-Quantenwannenstruktur, eine AlGaAs-Lichtbegrenzungsschicht 5 vom n-Typ, ein GaAs-Sub­ strat 6 vom n-Typ sowie eine Elektrode 7 vom n-Typ vorhan­ den. Die Elemente 1 bis 7 sind der Reihe nach übereinander­ liegend angeordnet. Ein Verstärkungsbereich ist mit dem Be­ zugszeichen 8 versehen, während ein Absorptionsbereich das Bezugszeichen 9 trägt. Mit dem Bezugszeichen 10 ist ein Gitter bezeichnet.

Im folgenden wird der Betrieb dieser Einrichtung näher er­ läutert.

Die Fig. 15 zeigt die Wellenlängenabhängigkeit des Verstär­ kungskoeffizienten im Strominjektionszustand und die Wel­ lenlängenabhängigkeit des Absorptionskoeffizienten der Quantenwannenstruktur bei nichtinjiziertem Strom. Wie be­ reits im Zusammenhang mit dem Stand der Technik beschrie­ ben, nimmt der Absorptionskoeffizient einen niedrigen Wert bei einer Wellenlänge λ ₁ im Bereich des Spitzenwerts des Verstärkungskoeffizienten an. Wird die Schwingungswellen­ länge mit Hilfe des Gitters 10 zu einer kürzeren Wellenlän­ ge λ ₂ verschoben, so weist der Absorptionskoeffizient einen großen Wert auf, der ausreicht, um bistabile Eigenschaften zu erhalten. Da in diesem Ausführungsbeispiel eine Quanten­ wannenstruktur für die aktive Schicht verwendet wird, kann eine hohe Betriebsgeschwindigkeit erzielt werden. Anstiegs­ zeiten im Bereich von 12 Picosekunden wurden im Experiment tatsächlich gemessen. Das Gitter dient dazu, eine longitu­ dinale Mode der einzigen Wellenlänge zu bilden, so daß eine stabile Schwingungswellenlänge erhalten wird. Beim vor­ liegenden Ausführungsbeispiel wird eine Lichtbegrenzungs­ struktur verwendet, die in Querrichtung verläuft und als Stegwellenleiter ausgebildet ist. Es ist keine Träger- bzw. Ladungsträgerbeschränkungsstruktur vorhanden. Demzufolge werden die Träger bzw. Ladungsträger im Absorptionsbereich sowie beim abfallenden Betrieb (Abschaltbetrieb) schnell in Querrichtung gestreut, so daß eine sehr kurze Abfallzeit erhalten wird. Die Abfallzeit (falling down time) lag im Experiment unterhalb von 100 Picosekunden. Sie beträgt da­ her etwa nur die Hälfe wie beim konventionellen bistabilen Halbleiterlaser.

Beim dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird zur Bildung der aktiven Schicht eine Quantenwannenstruktur ver­ wendet. Die Schwingungswellenlänge wird mit Hilfe des Git­ ters gegenüber der Wellenlänge des Spitzenwerts des Ver­ stärkungskoeffizienten zu einer kürzeren Wellenlänge ver­ schoben. Hierdurch werden die Betriebsgeschwindigkeit ver­ größert und die Schwingungswellenlänge des Lasers stabili­ siert.

Beim genannten dritten Ausführungsbeispiel wurde ein Laser vom DBR-Typ beschrieben, bei dem ein Gitter nur im Absorp­ tionsbereich vorhanden ist. Als alternative Ausbildung kann gemäß Fig. 16 ein Gitter aber auch im gesamten Bereich des Resonators vorhanden sein, um einen Laser mit verteilter Rückkopplung (distributed feedback) zu erhalten, bei dem ein Strom nur in Teilbereichen injiziert wird.

Die Fig. 17 zeigt eine weitere Alternative des dritten Aus­ führungsbeispiels. Bei dieser Einrichtung ist die Elektrode des Lasers vom DFB-Typ in eine Mehrzahl von Elektroden un­ terteilt. Dabei fließt ein großer Strom durch den Verstär­ kungsbereich 8, während ein kleiner Strom durch den Absorp­ tionsbereich 9 fließt. Auf diese Weise werden dieselben Ef­ fekte erhalten, die bereits oben beschrieben worden sind.

Bei den in den Fig. 14 und 16 dargestellten Lasern befindet sich keine Elektrode im Absorptionsbereich. Es ist daher möglich, einen Schaltvorgang durch Einstrahlung von Trig­ gerlicht in vertikaler Richtung zum Substrat in den Absorp­ tionsbereich, der keine Elektrode trägt, durchzuführen.

Claims (14)

1. Lichtoptische Halbleitereinrichtung, bei der ein La­ serschwingungszustand durch von außen einfallendes Licht steuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß in eine Halblei­ ter-Laserstruktur eine Schicht (8) aus einem Material inte­ griert ist, das eine durch Licht modulierbare spezifische elektrische Leitfähigkeit aufweist, und Licht zur Steuerung des Laserschwingungszustands durch die genannte Schicht (8) hindurch auf den Laser auftrifft.

2. Lichtoptische Halbleitereinrichtung, gekennzeichnet durch

• - ein Substrat (1) von einem ersten Leitungstyp,
• - eine erste Zwischenschicht (3) vom ersten Leitungstyp, eine aktive Schicht (4) und eine zweite Zwischenschicht (5) von einem zweiten Leitungstyp, die übereinanderlie­ gend auf dem Substrat (1) gebildet sind,
• - auf dem Substrat (1) liegende, eingebettete Schichten (6), die an beiden Seiten der aktiven Schicht (4) und der Zwischenschichten (3, 5) angeordnet sind,
• - eine auf der Zwischenschicht (5) vom zweiten Leitungstyp sowie auf den eingebetteten Schichten (6) liegende Kap­ penschicht (7) vom zweiten Leitungstyp,
• - eine auf der Kappenschicht (7) vom zweiten Leitungstyp liegende Schicht (8) aus einem Material, das eine durch Licht modulierbare spezifische elektrische Leitfähigkeit aufweist, und
• - eine positive und negative Elektrode auf dem Substrat (1) bzw. der genannten Materialschicht (8).

3. Lichtoptische Halbleitereinrichtung zur Bildung ei­ nes optischen Logikelements, gekennzeichnet durch mehrere auf einem Substrat (7) integrierte Halbleiterlaser, wobei jeder Halbleiterlaser in seinem gesamten Bereich oder in einem Teilbereich ein Gitter (4 a, 4 b, 4 c) sowie einen Lichtwellenleiter (3, 5, 6) aufweist, der mit dem Lichtwel­ lenleiter eines benachbarten Halbleiterlasers verbunden ist.

4. Lichtoptische Halbleitereinrichtung zur Bildung ei­ nes optischen Logikelements nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Gitter ein Gitter zweiter Beugungs­ ordnung ist und die Lichtein- und -ausgabe vertikal zum Substrat (7) unter Ausnutzung der zweiten Beugungsordnung erfolgt.

5. Lichtoptische Halbleitereinrichtung zur Bildung ei­ nes optischen Logikelements nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die aktive Schicht (5) des Halbleiterla­ sers eine Quantenwannenstruktur aufweist.

6. Lichtoptische Halbleitereinrichtung zur Bildung ei­ nes optischen Logikelements nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die aktive Schicht (5) des Halbleiterla­ sers ein Material enthält, das eine stark sättigungsfähige Absorption in einem Zustand aufweist, bei dem kein Strom injiziert wird.

7. Lichtoptische Halbleitereinrichtung zur Bildung ei­ nes optischen Logikelements nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Halbleiterlaser mehrere obere Elek­ troden (1 a, 1 a′ bzw. 1 b, 1 b′) aufweist und als bistabiles optisches Element arbeitet, wenn durch die mehreren oberen Elektroden unterschiedliche Ströme fließen oder eine der oberen Elektroden umgekehrt bzw. in Sperrichtung vorge­ spannt ist.

8. Lichtoptische Halbleitereinrichtung zur Bildung ei­ nes bistabilen Halbleiterlasers, gekennzeichnet durch:

• - zwei Lichtbegrenzungsschichten (3, 5) von unterschiedli­ chem Leitungstyp,
• - eine zwischen beiden Lichtbegrenzungsschichten (3, 5) an­ geordnete aktive Schicht (4) mit einer Quantenwannen­ struktur,
• - ein in der Nähe der aktiven Schicht (4) angeordnetes Gitter (10), durch das die Schwingungswellenlänge zu ei­ ner kürzeren Wellenlänge (g ₂) als die durch die aktive Schicht (4) erhaltene Schwingungswellenlänge (λ ₁) im Spitzenbereich der Verstärkung verschoben wird, und
• - Strominjektionsmittel zur ungleichmäßigen Injektion von Strom in die aktive Quantenwannenschicht (4).

9. Lichtoptische Halbleitereinrichtung zur Bildung ei­ nes bistabilen Halbleiterlasers nach Anspruch 8, gekenn­ zeichnet durch einen Strominjektionsbereich (aktiver Be­ reich) (8) ohne Beugungsgitter (10) und einen keinen Strom­ injektionsbereich darstellenden Bereich (Absorptionsbe­ reich) (9) mit einem Beugungsgitter (10).

10. Lichtoptische Halbleitereinrichtung zur Bildung ei­ nes bistabilen Halbleiterlasers nach Anspruch 8, gekenn­ zeichnet durch einen Strominjektionsbereich (8) und einen keinen Strominjektionsbereich darstellenden Bereich (9), die beide ein Beugungsgitter (10) aufweisen.

11. Lichtoptische Halbleitereinrichtung zur Bildung ei­ nes bistabilen Halbleiterlasers nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schaltoperation in Übereinstimmung mit von außen einfallendem Licht durchführbar ist, das senkrecht auf das Substrat (6) auftrifft.

12. Lichtoptische Halbleitereinrichtung zur Bildung ei­ nes bistabilen Halbleiterlasers nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schaltoperation in Übereinstimmung mit von außen einfallendem Licht durchführbar ist, das senkrecht auf das Substrat (6) auftrifft.

13. Lichtoptische Halbleitereinrichtung zur Bildung ei­ nes bistabilen Halbleiterlasers nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gitter (10) im gesamten Resonator­ bereich vorhanden ist und die Strominjektionsmittel mehrere Elektroden zur gleichmäßigen Strominjektion aufweisen.

14. Lichtoptische Halbleitereinrichtung zur Bildung ei­ nes bistabilen Halbleiterlasers nach Anspruch 8, gekenn­ zeichnet durch eine Stegwellenleiterstruktur zur Begrenzung von Licht und Strom in Querrichtung.