DE3810901C2

DE3810901C2 -

Info

Publication number: DE3810901C2
Application number: DE3810901A
Authority: DE
Inventors: Hitoshi Kagawa; Ryo Itami Hyogo Jp Hattori
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1987-03-31
Filing date: 1988-03-30
Publication date: 1992-10-08
Also published as: JPS63244894A; DE3810901A1; US4852112A; FR2613548B1; JPH0644663B2; FR2613548A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Halbleiterlaser mit einem Endflächen- Reflexionsfilm auf seiner vorderen Resonatorendfläche.

Ein Halbleiterbauteil gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 ist aus einem Artikel von M. Kume et al. bekannt, erschienen in IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. QE-21, No. 6, Juni 1985, S. 707-711. Die Al₂O₃-Schicht weist eine optische Dicke von λ/2 auf, um ein möglichst hohes Reflexionsvermögen zu erzielen. Um den Einfluß äußerer Strahlung auf die Strahlung innerhalb des Laserresonators zu verringern, ist als weitere Schicht auf der Al₂O₃-Schicht noch eine Goldschicht aufgebracht. Der aus diesen beiden Schichten hergestellte Endflächen-Reflexionsfilm weist somit hohe Reflektivität sowohl für Licht aus dem Inneren des Halbleiterresonators, wie auch für äußeres Licht auf.

Genau der gegenteilige Effekt in bezug auf die Reflektivität, nämlich möglichst geringes Reflexionsvermögen, wird erzielt, wenn eine Schicht aus einem Material mit geringerem Brechungsindex als ihn der Halbleiter aufweist, auf eine Resonatorendfläche aufgebracht wird und diese Schicht eine optische Dicke von λ/4 aufweist. Als Materialien hierfür sind in GB 20 43 989 A u. a. Al₂O₃ und SiO₂ genannt. Gemäß der eben genannten britischen Patentanmeldung ist es von Vorteil, die Schicht nicht unmittelbar auf der Resonatorendfläche, sondern auf einer zunächst auf die Resonatorendfläche aufgebrachten Schicht aufzubringen, und zwar einer mit Wasserstoff dotierten Schicht aus amorphem Silizium, welches Material im wesentlichen denselben Brechungsindex aufweist wie das Halbleitermaterial des Lasers.

Aus Patents Abstracts of Japan, Sect. E, Vol. 5, No. 66 (1981), E-55 ist ein Halbleiterlaser mit einer Al₂O₃-Schicht einer optischen Dicke von λ/4 auf der vorderen Resonatorendfläche bekannt. Auf dieser Schicht ist ein schmaler Streifen aus Si aufgebracht, der rechtwinklig zu den Ebenen der verschiedenen Schichten des Halbleiters steht. Er weist eine Dicke mit einer optischen Länge von λ/4 auf, was aufgrund als Al₂O₃, zu hohem Reflexionsvermögen führt. Der Streifen überdeckt nicht die gesamte Schichtenfolge des Lasers. Seine Erstreckung in Breiten- und Längenrichtung wird so gewählt, daß mit seiner Hilfe der Strom im Laser auf einen möglichst engen Bereich begrenzt wird und daß höhere Moden über der Grundmode geschwächt oder ganz unterdrückt werden.

Die Tatsache, daß sich durch die Dicke einer dielektrischen Schicht deren Reflexionsvermögen einstellen läßt, ist z. B. aus dem Buch von E. Hecht und A. Zajac mit dem Titel "Optics", Addision-Wesley, Februar 1979, S. 312-314 bekannt. Dort ist auch beschrieben, daß sich mit Vielfachschichten besonders geringe Reflexionsvermögen erzielen lassen.

Wie bereits eingangs erläutert, stört bei einem Halbleiterlaser von außen eingestrahltes Licht; es führt zu einem Erhöhen des Signal/Rausch(S/N)-Verhältnisses. Um ein stabiles S/N-Verhältnis zu erhalten, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, das Endflächen-Reflexionsvermögen der vorderen Endfläche des Halbleiterlasers auf einen Wert von 21±3% einzustellen. Fig. 4 zeigt den typischen Verlauf des S/N-Verhältnisses in Abhängigkeit der Rücklauf-Lichtrate in einem Fall, bei dem das Endflächen-Reflexionsvermögen 20% beträgt.

In der Fig. 5 ist das Endflächen-Reflexionsvermögen über der Filmdicke aufgetragen, und zwar für einen Fall, bei dem eine einzige Filmschicht aus Al₂O₃ als Endflächen-Schutzfilm vorhanden ist. Es ist ersichtlich, daß die Filmdicke annähernd einen vorbestimmten Wert a annehmen muß, daß ein Endflächen- Reflexionsvermögen aus von 21±3% erhalten wird. Jede Änderung der Filmdicke wirkt sich relativ stark auf das Endflächen- Reflexionsvermögen aus, was dazu führt, daß die Toleranz von ±3% im Reflexionsvermögen aufgrund der Schwankung der Filmdicke bei der Herstellung des Films nicht eingehalten werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Halbleiterlaser mit einem Endflächen-Schutzfilm zu schaffen, durch den in einfacher Weise ein stabiles Endflächen-Reflexionsvermögen von 21±3% realisierbar ist.

Die Erfindung ist durch die Merkmale von Anspruch 1 gegeben. Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist Gegenstand eines Unteranspruchs.

Der erfindungsgemäße Laser weist eine SiO₂-Schicht auf einer Al₂O₃-Schicht auf, wobei beide Schichten eine Dicke mit einer optischen Länge im Toleranzbereich um λ/4 aufweisen. In diesem Fall können die Toleranzbereiche sehr groß sein, ohne daß der Toleranzbereich von ±3% um das erwünschte Endflächen-Reflexionsvermögen von 21% herum verlassen wird. Zum Beispiel kann der Toleranzbereich für die SiO₂-Schicht ±20% betragen, wenn der Toleranzbereich für die Al₂O₃- Schicht ±10% ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Halbleiterla sers nach der Erfindung,

Fig. 2 einen Querschnitt durch den Halbleiterlaser nach Fig. 1,

Fig. 3 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Abhängigkeit des Endflächen-Reflexionsvermögens von der Filmdicke des Endflächen-Schutzfilms des in Fig. 1 gezeigten Halbleiterlasers,

Fig. 4 das Signal/Rausch-Verhältnis eines Halbleiterla sers in Abhängigkeit der Rücklauf-Lichtrate bzw. in Abhängigkeit des an der optischen Platte re flektierten Lichts, und

Fig. 5 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Abhängigkeit des Endflächen-Reflexionsvermögens von der Filmdicke eines Endflächen-Schutzfilms ei nes konventionellen Halbleiterlasers.

Die Fig. 1 zeigt den Aufbau eines Halbleiterlasers gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, während Fig. 2 einen Querschnitt durch den in Fig. 1 dargestellten Halb leiterlaser entlang der Linie II-II zeigt. In den Fig. 1 und 2 ist ein Halbleitersubstrat mit dem Bezugszeichen 8 versehen. Auf dem Halbleitersubstrat 8 befindet sich eine Stromsperrschicht 7 (current blocking layer). Auf der Stromsperrschicht 7 liegt eine zweite Zwischenschicht 6 bzw. Abdeckschicht (second cladding layer). Eine aktive Schicht 5 liegt auf der zweiten Sperr- bzw. Zwischenschicht 6, während auf der aktiven Schicht 5 eine erste Sperr- bzw. Zwischenschicht 4 angeordnet ist. Diese erste Zwischen schicht 4 trägt eine Kontaktschicht 3. Auf der vorderen Re sonatorendfläche, die z. B. durch Kristallspaltung erhalten werden kann, liegt ein Al₂O₃-Film 1 mit einer optischen Länge von λ/4, wobei auf diesem Film 1 aus Al₂O₃ ein weite rer Film 2 aus SiO₂ mit einer optischen Länge von λ/4 ange ordnet ist. Diese beiden Filme 1 und 2 bilden einen Endflä chen-Schutzfilm 10. Ein Endflächen-Schutzfilm 11 befindet sich ferner an der hinteren Resonatorendfläche. Der an die ser hinteren Endfläche vorhandene Endflächen-Schutzfilm 11 weist ein gewünschtes Reflexionsvermögen in Abhängigkeit seiner Verwendung auf. Mit dem Bezugszeichen 9 ist ein Lichtemissionsbereich gekennzeichnet, der im Zentralbereich der aktiven Schicht 5 liegt. Obwohl nicht im einzelnen dar gestellt, befindet sich auf der Kontaktschicht 3 eine p- seitige Elektrode, während das Substrat 8 mit einer n-sei tigen Elektrode verbunden ist.

Im folgenden wird der Betrieb der Einrichtung im einzelnen beschrieben.

Wird zwischen der p-seitigen und der n-seitigen Elektrode eine Spannung angelegt, so fließt ein Strom in die aktive Schicht 5. Durch die Stromsperrschicht 7 wird ein streifen förmiger Stromverlauf erhalten. Aufgrund der Rekombinatio nen von Elektronen und Löchern im Zentralbereich der akti ven Schicht 5 wird Licht emittiert, wobei das erzeugte Licht im Laserresonator hin- und herschwingt, so daß eine Laserschwingung entsteht. Das Licht wird sowohl von der vorderen als auch von der hinteren Endfläche des Laserreso nators abgestrahlt, und zwar durch die jeweiligen Endflä chen-Schutzfilme 10 und 11 hindurch. Das durch die vordere Endfläche hindurchtretende Licht wird als Ausgangslicht verwendet, während das durch die hintere Endfläche hin durchtretende Licht zu Steuerungs- oder Überwachungszwecken herangezogen wird.

Bei diesem Halbleiterlaser besteht der Endflächen-Schutz film auf der vorderen Endfläche des Halbleiterlasers aus einem Al₂O₃-Film 1 und einem SiO₂-Film 2. Sowohl die Film dicke des Al₂O₃-Films 1 als auch die Filmdicke des SiO₂- Films 2 sind so eingestellt, daß die optische Länge l = n×d den Wert λ/4 annimmt (n ist der Brechungsindex und d die Filmdicke).

Die Fig. 3 zeigt die Beziehung zwischen dem Endflächen-Re flexionsvermögen und der Filmdicke des SiO₂-Films 2, der zum Endflächen-Schutzfilm 10 gehört. In dieser Fig. 3 gibt die Kurve A den Fall an, bei dem die optische Länge des Al₂O₃-Films 1 einen Wert aufweist, der gegenüber dem Wert λ/4 um 10% verringert ist, während die Kurve B einen Fall angibt, bei dem die optische Länge des Al₂O₃-Films 1 einen Wert annimmt, der λ/4 beträgt. Dagegen gibt die Kurve C ei nen Fall an, bei dem die optische Länge des Al₂O₃-Films 1 einen Wert aufweist, der gegenüber dem Wert λ/4 um 10% vergrößert ist.

Im vorliegenden Fall weist der Brechungsindex n₁ des Al₂O₃- Films 1 einen Wert von 1,63 auf, während der Brechungsindex n₂ des SiO₂-Films 2 auf einen Wert von 1,45 eingestellt ist. Der Brechungsindex n₀ der aktiven Schicht 5 weist ei nen Wert von 3,5 auf.

Wie anhand der Fig. 3 zu erkennen ist, liegen die Spitzen der flach geneigten Kurven A, B und C des Reflexionsvermö gens innerhalb des Bereichs von 21%±3%. Selbst wenn sich die Filmdicke des zum Endflächen-Reflexionsfilms 10 gehörenden Al₂O₃-Films 1 um±10% gegenüber dem Wert λ/4 ändert, wird dennoch ein Endflächen-Reflexionsvermögen von 21±3% erhalten, da sich die Filmdicke des SiO₂-Films 2 innerhalb eines weiten Bereichs von±20% um den Wert 1/ 1,45×λ/4 herum ändern kann.

Wird demzufolge die Filmdicke des SiO₂-Films 2 auf einen Wert eingestellt, der innerhalb eines Bereichs von±20% um den Wert 1/1,45×λ/4 herum liegt, wie durch den Buchstaben X in Fig. 3 angegeben ist, so fällt das Endflächen- Reflexionsvermögen sicher in den Bereich von 21%±3%, auch wenn sich die Filmdicke des Al₂O₃-Films 1 innerhalb eines Bereichs von 10% um den Wert λ/4 herum ändert. Es wird somit in jedem Fall ein Endflächen-Reflexionsvermögen von 21%±3% erhalten. Der Halbleiterlaser nach der Er findung weist somit ein stabiles Signal/Rausch-Verhältnis auf.

Entsprechend der Erfindung besteht ein Endflächen-Schutz film aus einem Al₂O₃-Film mit einer optischen Länge von λ/4 sowie aus einem SiO₂-Film, der ebenfalls eine optische Län ge von λ/4 aufweist. Dieser Endflächen-Schutzfilm liegt auf einer Laserlicht-Emissionsendfläche, um das Endflächen-Re flexionsvermögen auf einem Wert von 21±3% zu halten. Auf diese Weise kann der optimale Wert des Endflächen-Refle xionsvermögens, also der Wert 21±3%, in einfacher Weise erzielt werden. Dieser Wert ist stabil. Der Halbleiterlaser nach der Erfindung weist daher auch eine stabile Laser schwingung auf.

Claims

1. Halbleiterlaser mit einer Al₂O₃-Schicht (1) auf seiner vorderen Resonatorendfläche und einer weiteren Schicht (2) auf der Al₂O₃-Schicht, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Al₂O₃-Schicht (1) eine Dicke mit einer optischen Länge in einem Toleranzbereich um λ/4 aufweist; und
- die weitere Schicht eine SiO₂-Schicht (2) ist, mit einer Dicke mit einer optischen Länge in einem Toleranzbereich um λ/4.

2. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Toleranzbereich für die Dicke der Al₂O₃-Schicht (1) ±10% und derjenige für die Dicke der SiO₂-Schicht (2) ±20% ist.