DE3850139T2

DE3850139T2 - Halbleiterlaser mit variabler Oszillationswellenlänge.

Info

Publication number: DE3850139T2
Application number: DE3850139T
Authority: DE
Inventors: Akira Shimizu
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1987-02-27
Filing date: 1988-02-24
Publication date: 1994-10-06
Anticipated expiration: 2008-02-25
Also published as: EP0280281B1; US4982408A; EP0280281A2; DE3850139D1; EP0280281A3

Description

Fachgebiet der Erfindung und verwandter Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Halbleiterlaser und insbesondere auf einen Halbleiterlaser, der in Abhängigkeit von einem angelegten Strom einen Laserstrahl mit variabler Wellenlänge abstrahlt.
Der Bedarf für Halbleiterlaser auf dem Gebiet der Lichtkommunikation und optischen Informationsverarbeitung steigt zusehends, wobei die Anforderungen an den Halbleiterlaser immer vielseitiger werden. Eine der Funktionen ist ein Halbleiterlaser mit variabler Wellenlänge. Wenn Informationen durch Aufstrahlen eines Laserstrahls auf ein Medium wie z. B. eine optische Karte oder optische Scheibe aufgenommen und wiedergegeben werden, so wird das Schreiben durch einen wiedergegebenen Lichtstrahl dadurch verhindert, daß ein Ausgangssignal des wiedergegebenen Lichtstrahls niedriger als das Ausgangssignal eines Aufnahme-Lichtstrahls eingestellt wird. Stellt man die Wellenlänge des Wiedergabe-Lichtstrahls auf einen niedrigen Empfindlichkeitsbereich des Mediums, so kann das Schreiben ohne schwerwiegende Reduzierung des Ausgangssignals des Wiedergabe-Lichtstrahls verhindert werden, wodurch die Informationen mit einem hohen S/N-Verhältnis wiedergegeben werden.
Für die vorherstehend genannten Anforderungen wird ein Halbleiterlaser mit variabler Wellenlänge vorgeschlagen, der ein höherwertiges Quantenniveau eines Mehrfach-Potentialtopfes (MQW) verwendet. Fig. 1 zeigt ein Energieband in der Nähe eines lichtemittierenden Bereiches im Halbleiterlaser gemäß dem Stand der Technik. Ein lichtemittierender Bereich 23 mit einer MQW-Struktur weist abwechselnd angeordnete Potentialtopf-Schichten 22 und Barrieren-Schichten 21 auf. Zum Ausbilden einer optischen Wellenleiterstruktur 24 sind an den gegenüberliegenden Seiten des lichtemittierenden Bereichs 23 und der Barrieren-Schichten 19 Schutzschichten 20 angeordnet. Beim Injizieren eines Stromes in den Halbleiterlaser werden Elektronen 25 auf einem Energieniveau E&sub0; gespeichert, die mit Löchern 26 derart rekombinieren, daß ein Lichtstrahl zwischen den Quantenniveaus von n = o (n: erste Quantenzahl) erzeugt wird (Wellenlänge α&sub1;). Erhöht man den injizierten Strom, so erhöht sich die Trägerdichte auf einem Energieniveau E&sub1; derart, daß Licht zwischen den Quantenniveaus von n = 1 durch Rekombination erzeugt wird (Wellenlänge α&sub2;). Auf diese Art und Weise wird Licht mit verschiedenen Wellenlängen mittels einem Halbleiterlaser erzeugt.
Der herkömmliche Halbleiterlaser mit variabler Wellenlänge weist jedoch folgende Nachteile auf.
(I) Zum Erzeugen von Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen ist es notwendig, daß die Absorptionsdämpfung und die Spiegeldämpfung wesentlich größer als normalerweise sind, weshalb der Wirkungsgrad eines derartigen Halbleiterlasers gering ist.
(II) Da lediglich unterschiedliche Quantenniveaus verwendet werden, ist der Unterschied zwischen den erzeugten Wellenlängen maximal einige 10 nm.
(III) Da ein Potentialtopf mit zwei oder mehreren Niveaus Voraussetzung ist, können Ein-Niveau-Potentialtöpfe nicht verwendet werden. Selbst wenn eine derartige Vorrichtung die Charakteristik verbessert.
(IV) Das Umschalten der Wellenlängen ist schwierig. (Insbesondere wenn ein Licht mit der Wellenlänge l&sub2; erzeugt wird, ist es schwierig die Erzeugung von Licht mit einer Wellenlänge von l&sub1; zu unterbinden).
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Halbleiterlaser mit variabler Wellenlänge zu schaffen, der für die variablen Wellenlängen einen großen Bereich aufweist und mit einem hohen Wirkungsgrad arbeitet.
Darüberhinaus liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Halbleiterlaser mit variabler Wellenlänge zu schaffen, bei dem eine Oszillationswellenlänge auf einfache Weise umgeschaltet werden kann. Die vorherstehend genannten Aufgaben werden erfindungsgemäß durch einen Halbleiterlaser mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst, wobei sich der Oberbegriff auf einen Halbleiterlaser bezieht, wie er aus der JP-A-59 106 171 bekannt ist.
Zum Umschalten der Wellenlängen werden die Parameter derart eingestellt, daß eine Lichtverstärkung der lichtemittierenden Schicht einer längeren Oszillationswellenlänge dann in einer Oszillationswellenlänge von einer der lichtemittierenden Schichten mit kürzeren Oszillationswellenlängen positiv ist, wenn ein Strom in der Nähe eines Oszillations-Schwellwertes an die lichtemittierenden Schichten angelegt wird.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Energieband eines herkömmlichen Halbleiterlasers mit variabler Wellenlänge,
Fig. 2 eine Schnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Halbleiterlasers,
Fig. 3 ein Energieband des Halbleiterlasers gemäß Fig. 2,
Fig. 4 eine Strom-Licht-Ausgangssignalcharakteristik des Halbleiterlasers gemäß Fig. 2,
Fig. 5 einen Wechsel in der Trägerdichte in den lichtemittierenden Schichten in Abhängigkeit von einer injizierten Stromdichte gemäß dem Halbleiterlaser von Fig. 2,
Fig. 6 eine Licht-Verstärkungscharakteristik des Halbleiterlasers gemäß Fig. 2,
Fig. 7 ein Energieband zum Verdeutlichen der Arbeitsweise des Halbleiterlasers gemäß Fig. 2,
Fig. 8 eine Strom-Licht-Ausgangssignalcharakteristik eines weiteren Ausführungsbeispiels,
Fig. 9 einen Wechsel der Trägerdichte in den lichtemittierenden Schichten in Abhängigkeit von einer injizierten Stromdichte gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel,
Fig. 10 eine Licht-Verstärkungscharakteristik gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel, und
Fig. 11 bis 13 Energiebänder von weiteren möglichen Abänderungen.
Fig. 2 zeigt eine Schnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels des Halbleiterlasers. 1 bezeichnet ein ndotiertes GaAs-Substrat, 2 eine n-dotierte GaAs-Pufferschicht, 5 eine n-dotierte AlGaAs-Schutzschicht, 4 eine optische Wellenleiterstruktur, 3 eine p-dotierte AlGaAs-Schutzschicht, 6 eine p-dotierte GaAs-Deckschicht und 7 und 8 bezeichnen Elektroden. Die optische Wellenleiterstruktur 4 weist eine pdotierte AlGaAs-Barrierenschicht 9&sub2;, eine zweite nichtdotierte AlGaAs-lichtemittierende Schicht 12, eine p-dotierte AlGaAs-Barrierenschicht 11, eine erste nicht-dotierte GaAslichtemittierende Schicht 10 und eine p-dotierte AlGaAs- Barrierenschicht 9&sub1; auf, welche in dieser Reihenfolge auf der Schutzschicht 5 aufgebracht sind. Die Schutzschichten 3 und 5 haben geringere Brechungsindexes als die optische Wellenleiterstruktur 4 und bewirken eine Begrenzung des durch die lichtemittierenden Schichten der Struktur 4 emittierten Lichts.
Die Herstellung des Halbleiterlasers erfolgt durch Aufwachsen der verschiedene Energieabstände aufweisenden Halbleiterschichten auf dem Substrat 1 mittels einem herkömmlichen Halbleiterherstellungsverfahren wie beispielsweise Flüssigphasen-Epitaxie (LPE), organischen Metallbedampfungsphasen- Wachstum (MO-CVD) oder Molekularstrahl-Epitaxie (MBE). Eine Laserresonanzebene wird durch Spalten der Halbleiterschichtenstruktur ausgebildet. Ein gestreifter aktiver Bereich kann durch Begrenzen eines Strominjektionsbereichs parallel zur Resonanzebene mittels bekannter Vorrichtungen wie beispielsweise Strombegrenzungsschichten ausgebildet werden.
Fig. 3 zeigt ein Energieband in der Nähe der optischen Wellenleiterstruktur 4 des Halbleiterlasers gemäß Fig. 2. Gleiche Elemente von Fig. 2 sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, wobei auf eine genaue Beschreibung verzichtet wurde. Die erste lichtemittierende Schicht 10 weist einen geringeren Bandabstand als die zweite lichtemittierende Schicht 12 auf. Die Pufferschichten 9&sub1;, 9&sub2; und 11 besitzen einen größeren Bandabstand als die lichtemittierenden Schichten 10 und 12.
Beim Anlegen eines Stromes an die Elektroden 7 und 8 von Fig. 2 über eine nicht gezeigte Spannungsversorgung werden Elektronen 14 in die erste lichtemittierende Schicht 10 und die zweite lichtemittierende Schicht 12 injiziert und die Elektronen 14 und die Löcher 15 rekombinieren in der ersten lichtemittierenden Schicht 10, wobei Licht der Wellenlänge α&sub1; abgegeben wird. Erhöht man den Injektionsstrom, so rekombinieren die Elektronen 14 und die Löcher 15 auch in der zweiten lichtemittierenden Schicht 12, wobei Licht der Wellenlänge α&sub2; abgegeben wird.
Fig. 4 zeigt eine Strom-Licht-Ausgangssignalcharakteristik des Halbleiterlasers, wobei I einen Strom und P&sub1; und P&sub2; die Ausgangssignale des Lichts mit den Wellenlängen α&sub1; und α&sub2; bezeichnen. Beim Erhöhen des Stromes I wird Licht mit einer Wellenlänge α&sub1; an einem ersten Stromschwellwert I = I1th erzeugt, während Licht mit der Wellenlänge α&sub2; an einem zweiten Stromschwellwert I = I2th erzeugt wird.
Die grundsätzliche Arbeitsweise des Halbleiterlasers wird mittels Fig. 7 erklärt, welche eine obere Hälfte des Energiebandes des Halbleiterlasers gemäß Fig. 2 zeigt und in der die gleichen Elemente wie in Fig. 3 mit gleichen Bezugszeichen versehen sind und auf deren Beschreibung verzichtet wurde. In Fig. 7 stellen n&sub1; und n&sub2; Trägerdichten in der ersten lichtemittierenden Schicht 10 und der zweiten lichtemittierenden Schicht 12 dar, wobei j die Injektionsstromdichte darstellt. In die zweite lichtemittierende Schicht 12 injizierte Träger werden spontan abgegeben oder rekombinieren ohne Lichtemission mit einer Rate r&sub2;. Mit einer Rate r&sub2;&sub1; erfolgt ihre Übertragung in die erste lichtemittierende Schicht 10 und die verbleibenden Träger rekombinieren unter Induktionsemission. Darüberhinaus werden die in die erste lichtemittierende Schicht 10 übertragenen Träger spontan abgegeben oder rekombinieren ohne Lichtemission mit einer Rate r&sub1; und die verbleibenden Träger rekombinieren unter Induktionsemission. Die Gleichungen für diese Raten unter den angegebenen Bedingungen ergeben sich wie folgt (e(Elektronenladung) = 1):
wobei w&sub1; und w&sub2; die Photonenenergien des Lichts mit den Wellenlängen α&sub1; und α&sub2; bezeichnen, S&sub1; und S&sub2; die Strahldicken der Lichtstrahlen mit den Wellenlängen α&sub1; und α&sub2;, Γ&sub1; und g&sub1; (n&sub1;) der konfine Koeffizient und die Verstärkung des Lichts mit der Wellenlänge α&sub1; in der ersten lichtemittierenden Schicht 10 bezeichnen, Γ&sub2; und g&sub2;(n&sub2;) den konfinen Koeffizienten und die Verstärkung des Lichts mit der Wellenlänge α&sub2; in der zweiten lichtemittierenden Schicht 12, Γ&sub2; und g'(n&sub1;) den confinen Koeffizienten und die Verstärkung des Lichts mit der Wellenlänge α&sub2; in der ersten lichtemittierenden Schicht 10, und L&sub1; und L&sub2; die Dicken der ersten lichtemittierenden Schicht 10 und der zweiten lichtemittierenden Schicht 12 bezeichnen.
Stabile Lösungen erhält man für die vorherstehend genannten Raten-Gleichungen durch die folgenden drei Bereiche, wobei die Sättigung der Trägerdichte bei der Oszillation berücksichtigt wird.
Zum leichteren Verständnis ist in Fig. 5 ein Wechsel der Trägerdichte in Abhängigkeit von der injizierten Stromdichte j dargestellt. Eine Trägerdichte n&sub1; in der ersten lichtemittierenden Schicht 10 erfüllt die Gleichung j = j1th. Eine Trägerdichte n&sub2; in der zweiten lichtemittierenden Schicht 12 erfüllt die Gleichung j = j2th.
Die Trägerdichten n1th und n2th seien als konstant angenommen. Tatsächlich ändern sie sich jedoch. Selbst wenn eine Änderung in Betracht gezogen wird, ändert sich der Zustand von (i) → (ii) → (iii), sofern der injizierte Strom ansteigt.
Fig. 6 zeigt eine Verstärkungsverteilung des Halbleiterlasers, wenn j2th < j ist. 17 und 16 bezeichnen Lichtverstärkungen der ersten lichtemittierenden Schicht 10 und der zweiten lichtemittierenden Schicht 12.
Die Wellenlängen α&sub1; und α&sub2; und die Stromschwellwerte I1th und I2th können durch die Dicke der ersten lichtemittierenden Schicht, der zweiten lichtemittierenden Schicht 12 oder der Spaltschicht 11 und dem Kristallmischungsverhältnis bzw. der Dotierung ausgewählt werden.
Beim Halbleiterlaser wird sowohl das Licht mit der Wellenlänge α&sub1; als auch das Licht mit der Wellenlänge α&sub2; im optischen Wellenleiter geführt und an einem im wesentlichen gleichen Punkt an den Endflächen des Lasers abgegeben.
Die Änderung der Wellenlänge erfolgt somit nicht ohne Bedingung. Nachfolgend werden die funktionellen Bedingungen und der spezielle Aufbau des Halbleiterlasers erklärt.
Die Halbleiterlaserbedingungen sind nachfolgend aufgeführt:
Wenn
Oszillationsbedingung für das Licht mit der Wellenlänge
α&sub1; : G&sub1; = 0 (15)
Oszillationsbedingung für das Licht mit der Wellenlänge
α&sub2; : G&sub2; = 0 (16)
wobei α&sub1;: Dämpfungskoeffizient des Lichts mit der Wellenlänge α&sub1;
α&sub2;: Dämpfungskoeffizient des Lichts mit der Wellenlänge α&sub2;
L: Länge eines Resonators des Halbleiterlasers
R: (Haupt-)Reflexionskoeffizient an der Endfläche des Resonators
Von diesen Gleichungen werden die Gleichungen (17) und folgende abgeleitet.
(a) n1th und j1th,
von den Gleichungen (4), (18) und (20) ergeben sich n1th und j1th wie folgt:
(b) Bedingung unter der das Licht mit der Wellenlänge α&sub1; als erstes oszilliert (Arbeitsbedingung für einen Halbleiterlaser mit variabler Wellenlänge).
Aus den Gleichungen (3), (14) und (16) ergibt sich die folgende Bedingung:
(c) n2th und j2th
Aus den Gleichungen (5), (6), (14) und (16) ergibt sich n2th durch
und j2th ergibt sich durch
j2th = L&sub2;(r&sub2;&sub1; + r&sub2;) n2th (21)
Die Funktionsformen von g&sub1; (n&sub1;) und g&sub2; (n&sub2;) sind von der Struktur der aktiven Schicht abhängig. Die Funktionsformen der spezifischen Struktur können mittels dem in "Semiconductor Laser and Light Integrated Circuit": herausgegeben von Suematsu, OHM Co. Ltd., 1984 oder "Heterostructure Lasers", herausgegeben von Casey and Panish, Academic, 1978, angegebenen Verfahren leicht berechnet oder gemessen werden. Gleiches gilt für α&sub1;, α&sub2;, r&sub1;, r&sub2;, r&sub2;&sub1;, Γ&sub1;, Γ&sub2;, Γ'&sub2;, α&sub1; und α&sub2;.
Die Ergebnisse werden in die Gleichungen (17) und folgende derart eingesetzt, daß die Bedingung für die gewünschte Charakteristik erhalten wird.
Für einige Kombinationen von x in den entsprechenden Bereichen gemäß Fig. 3 und der Dicke L&sub1;, L&sub2;, LB und LG werden g&sub1; (n&sub1;), g&sub2; (n&sub2;), α&sub1;, α&sub2;, . . . mit dein vorherstehend genannten Verfahren bestimmt. Die Ergebnisse werden in die Gleichungen (17) und folgende eingesetzt, die Arbeitsbedingungen für den Halbleiterlaser mit variabler Länge (Bedingung der Gleichung (19)) überprüft und j1th und j2th bestimmt. Auf diese Weise werden spezifische x und L&sub1;, L&sub2;, . . . für den Halbleiterlaser mit variabler Wellenlänge für gewünschte Charakteristika bestimmt. Folglich kann der Halbleiterlaser genauso leicht wie der durch ein MBE-Verfahren, MO CVD-Verfahren oder LPE- Verfahren hergestellter herkömmlicher Halbleiterlaser hergestellt werden.
Als Beispiel sei ein Verfahren zur Steuerung der Größe von j1th beschrieben. Zum Verringern j1th kann L&sub1; verringert oder r&sub2;&sub1; vergrößert werden, wie aus Gleichung (18) ersichtlich ist. Zum Vergrößern von r&sub2;&sub1; kann eine Differenz zwischen dem Bandabstand der Barrierenschicht 11 und der zweiten lichtemittierenden Schicht 12 verringert werden, oder die Breite LB der Barrierenschicht verringert werden. Darüberhinaus kann j1th durch Änderung der Breite LG der optischen Wellenleiterstruktur zum Vergrößern von Γ&sub1; verringert werden. Andererseits kann zum Vergrößern von j1th das Entgegengesetzte ausgeführt werden.
Nachfolgend werden spezielle Ausführungsbeispiele näher beschrieben.

Ausführungsbeispiel 1:

Der Halbleiterlaser mit der Struktur gemäß Fig. 2 wurde mittels dem Molekularstrahl-Expitaxie-Verfahren hergestellt. Eine n-dotierte GaAs-Pufferschicht 2 mit einer Dicke von 1 um und eine n-dotierte (Dotierung 5 · 10¹&sup7;cm&supmin;³) Al0,7Ga0,3As Schutzschicht 5 mit einer Dicke von 2 um werden auf einem ndotierten GaAs-Substrat 1 aufgewachst. Nachfolgend werden der Reihe nach eine Barrierenschicht 9&sub2;, eine zweite lichtemittierende Schicht 12, eine Barrierenschicht 11, eine erste lichtemittierende Schicht 10 und eine Barrierenschicht 9&sub1; auf der Schutzschicht 5 durch Aufwachsen aufgebracht. Die erste lichtemittierende Schicht 10 ist eine nicht-dotierte GaAs- Schicht, die zweite lichtemittierende Schicht eine nichtdotierte Al0,1Ga0,9As-Schicht und die Barrierenschichten 9&sub1;, 11 und 9&sub2; bestehen aus p-dotierten Al0,3Ga0,7As (Dotierungskonzentration 3 · 10¹&sup8; cm&supmin;³). Die Dicken der Schichten sind L&sub1; = 20 nm (200 Å), L&sub2; = 20 nm (200 Å), LB = 8 nm (80 Å), LG = 0,1 um in Fig. 3. Eine p-dotierte Al0,70Ga0,3As-Schutzschicht 3 (Dotierungskonzentration 1 · 10¹&sup8;cm&supmin;³) mit einer Dicke von 1,5 um und eine p-dotierte GaAs-Deckschicht 6 mit einer Dicke von 0,5 um auf der Barrierenschicht 9&sub1; aufgewachst. Abschnitte der Deckschicht 6 und der Schutzschicht 3 werden in der Nähe der Barrierenschicht 9&sub1; derart geätzt, daß ein gestreift vertiefter Bereich ausgebildet wird, und eine Elektrode 8 wird mittels einer dielektrischen Maske derart durch Metallbedampfung aufgebracht, daß sie lediglich die Oberseite der nicht geätzten Deckschicht 6 kontaktiert. Eine Elektrode 7 wird mittels Metallbedampfung auf der Unterseite des Substrats ausgebildet. Die geschichtete Struktur wird zum Erzeugen eines Halbleiterlasers mit einer Laserresonanzebene gespalten.
Nunmehr wird der dem Halbleiterlaser zugeführte Strom stufenweise erhöht. Bei 110 mA wird ein Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 870 nm abgegeben und bei 120 mA wird zusätzlich ein Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 800 nm abgegeben.
Falls der Halbleiterlaser derart entworfen wurde, daß beim Zuführen eines Stromes in der Nähe des Oszillationsschwellwerts eine Lichtverstärkung der lichtemittierenden Schicht für die längere Oszillationswellenlänge positiv bei der Oszillationswellenlänge für eine der lichtemittierenden Schichten für die kürzere Oszillationswellenlänge ist, dann erhält man einen Halbleiterlaser mit einer umschaltbaren Wellenlänge (Licht mit der Wellenlänge α&sub1; wird nicht erzeugt, wenn Licht mit der Wellenlänge α&sub2; erzeugt wird). Nachfolgend wird ein Beispiel dafür beschrieben.
Einen derartigen Halbleiterlaser erhält man durch geeignete Auswahl der Materialien der lichtemittierenden Schichten 10 und 12 in der Struktur gemäß Fig. 2. Fig. 8 zeigt eine Strom- Licht-Ausgangssignalcharakteristik eines solchen Halbleiterlasers. In Fig. 8 stellt I einen Strom dar, und P&sub1; und P&sub2; bezeichnet Lichtausgangssignale mit den Wellenlängen α&sub1; und α&sub2; Beim Erhöhen des Stromes I wird Licht mit der Wellenlänge α&sub1; an einem ersten stromschwellwert I = I1th erzeugt, und Licht mit der Wellenlänge α&sub2; wird am zweiten Stromschwellwert I = I2th erzeugt. Beim weiteren Erhöhen des Stromes stoppt das Licht mit der Wellenlänge α&sub1; bei I = I1V zu Oszillieren und es wird nur Licht mit der Wellenlänge α&sub2; abgegeben. Demnach wird durch Umschalten des Injektionsstromes zwischen einem Strom, der die Bedingung erfüllt I1th < I < I2th, und einem Strom, der die Bedingung erfüllt I > I1V, Licht mit den Wellenlängen α&sub1; und α&sub2; voneinander getrennt erzeugt.
Die grundsätzliche Arbeitsweise des Ausführungsbeispiels ist dem anhand von Fig. 7 beschriebenen ähnlich, weshalb die Gleichungen der Raten durch die Gleichungen (1) und (2) wie im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 angegeben sind. Gleichgewichtsbedingungen für die Raten-Gleichungen sind in 4 Gebieten gegeben. Sie entsprechen den Gebieten (i) bis (iii) wie sie von den Gleichungen (3)-(12) bis zum Erzeugen von Licht mit der Wellenlänge α&sub2; angegeben sind. Das Gebiet (iii) wird durch den Bereich von j2th ≤ j < j1V bestimmt. Zusätzlich gibt es folgende Gebiete:
Aus der Gleichung (12) folgt
Das Verhalten von Fig. 8 erklärt sich aus den vorherstehend genannten Gleichungen. Aus Gleichung (12) folgt, wenn
g'&sub2;(n1th) > 0 (26)
dann verringert sich P&sub1; im Gebiet von I2th ≤ I < I1V, und es gilt, P&sub1; = 0 wenn I = I1V. Somit ist das Umschalten zwischen den Wellenlängen α&sub1; und α&sub2; vollständig.
Zur Verständniserleichterung ist eine Änderung der Trägerdichte in Abhängigkeit von der Injektionsstromdichte j in Fig. 9 dargestellt. Die Trägerdichte n&sub1; in der ersten lichtemittierenden Schicht genügt der Bedingung j = j1th und beginnt mit der Abnahme bei j = j1V. Die Trägerdichte n&sub2; in der zweiten lichtemittierenden Schicht genügt der Bedingung 3 = j2th. Auch wenn bisher angenommen wurde, daß n1th und n2th konstant sind, ändern sie sich in Wirklichkeit leicht. Auch unter Berücksichtigung dieses Umstandes ändert sich der Zustand von (i) → (ii) → (iii) → (iv), wenn sich der injizierte Strom erhöht.
Fig. 10 zeigt die Verteilung der Verstärkung des Halbleiterlasers für I2th < I < I1V. Die Bezugszeichen 17 und 16 bezeichnen die Lichtverstärkung der ersten lichtemittierenden Schicht 10 und der zweiten lichtemittierenden Schicht 12. Wenn die Lichtverstärkung der ersten lichtemittierenden Schicht 10 bei der Oszillationswellenlänge α&sub2; der zweiten lichtemittierenden Schicht 12 positiv ist, so findet der Prozeß (iv) statt, wodurch das Umschalten zwischen den Wellenlängen α&sub1; und α&sub2; ausgeführt wird.
Die Werte von α&sub1;, α&sub2;, I1th, I2th und I1V können durch Änderung der Dicken der ersten lichtemittierenden Schicht 10, der zweiten lichtemittierenden Schicht 12 und der Spaltschicht 11, sowie die Dotierung und das Kristallmischungsverhältnis auf jeden beliebigen Wert eingestellt werden. Ist die Differenz zwischen den Wellenlänge α&sub1; und α&sub2; groß, so ist es notwendig, den Wellenlängenbereich, in dem die Lichtverstärkung in der ersten lichtemittierenden Schicht 10 positiv ist, groß zu wählen, um die Bedingungen der Gleichung (26) zu erfüllen. In diesem Fall kann die Breite L&sub1; der ersten lichtemittierenden Schicht verringert werden. Folglich verringert sich Γ und ein größerer Wert für n&sub1; ist für Γ&sub1;g&sub1;(n&sub1;) erforderlich, um ein für die Laseroszillation notwendiges Niveau zu erreichen, weshalb n1th ansteigt. Daraus folgt, daß sich der Wellenlängenbereich, in dem die Verstärkung positiv ist, verbreitert.
Die Arbeitsbedingungen erfordern zu den Bedingungen gemäß den Gleichungen (17) bis (21) folgende zusätzliche Bedingungen:
(d) Bedingung der Existenz von j1V (Umschaltbedingung)
Aus Gleichung (12) ist die Gleichung (26) zu erfüllen.
(e) j1V
Gegeben ist die Gleichung (25).
Die Gestaltung des Halbleiterlasers gemäß diesen Bedingungen entspricht der des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 4. Nachfolgend wird dieses Ausführungsbeispiel beschrieben.

Ausführungsbeispiel 2:

Ein Halbleiterlaser mit der Struktur gemäß Fig. 2 wird mittels einem Molekularstrahl-Epitaxie-Verfahren hergestellt. Eine ndotierte GaAs-Pufferschicht 2 mit einer Dicke von 1 um und eine n-dotierte Al0,6Ga0,4As-Schutzschicht 5 (Dotierungskonzentration 5 · 10¹&sup7;cm&supmin;³) mit einer Dicke von 2 um werden auf einem ndotierten GaAs-Substrat 1 durch Aufwachsen erzeugt. Eine Barrierenschicht 9&sub2;, eine zweite lichtemittierende Schicht 12, eine Barrierenschicht 11, eine erste lichtemittierende Schicht 10 und eine Barrierenschicht 9&sub1; werden in dieser Reihenfolge durch Aufwachsen auf die Schutzschicht 5 erzeugt. Die erste lichtemittierende Schicht 10 besteht aus nicht-dotiertem GaAs, die zweite lichtemittierende Schicht 12 aus nicht-dotiertem Al0,12Ga0,88As, die Barrierenschicht aus p-dotiertem Al0,28Ga0,72As (Dotierungskonzentration 4 · 10¹&sup8;cm&supmin;³) und die Barrierenschichten 9&sub1; und 9&sub2; bestehen aus p-dotiertem Al0,3Ga0,7As (Dotierungskonzentration 4 · 10¹&sup8;cm&supmin;³). Die Dicken der Schichten in Fig. 2 sind L&sub1; = 6 nm (60 Å), L&sub2; = 12 nm (120 Å), LB = 8 nm (80 Å) und LG = 0,2 um. Eine p-dotierte Al0,6Ga0,4As-Schutzschicht 3 (Dotierungskonzentration 1 · 10¹&sup8; cm&supmin;³) mit einer Dicke von 1,5 um und eine p-dotierte GaAs- Deckschicht 6 mit einer Dicke von 0,5 um werden durch Aufwachsen auf der Barrierenschicht 9&sub1; erzeugt. Abschnitte der Deckschicht 6 und der Schutzschicht 3 werden in der Nähe der Barrierenschicht 9&sub1; derart geätzt, daß sie einen gestreiften vertieften Bereich ausbilden. Anschließend wird mit einer dielektrischen Schicht maskiert und eine Elektrode 8 mittels Metallbedampfung aufgebracht, so daß sie nur die obere nicht geätzte Schicht 6 kontaktiert. Eine Elektrode 7 wird durch Metallbedampfung an der Unterseite des Substrats 1 aufgebracht. Zum Herstellen eines Halbleiterlasers mit einer Laserresonanzebene wird die Schichtenstruktur gespalten.
In den Halbleiterlaser wird ein stufenweise sich erhöhender Strom injiziert. Bei 80 mA wird ein Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 830 nm abgegeben und bei 85 mA wird zusätzlich ein Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 780 nm abgegeben. Beim weiteren Erhöhen des Stroms wird bei 88 mA das Abgeben von Licht mit der Wellenlänge 830 nm unterbunden und nur noch der Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 780 nm abgegeben.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Beispielsweise können wie in Fig. 11 und 12 dargestellt, eine Vielzahl von ersten lichtemittierenden Schichten 10&sub1; und 10&sub2; und eine Vielzahl von zweiten lichtemittierenden Schichten 12&sub1; und 12&sub2; vorgesehen sein, um das Lichtausgangssignal zu erhöhen. Gemäß Fig. 13 ist eine dritte lichtemittierende Schicht 18 zum Abgeben von Licht mit einer Wellenlänge α&sub3; vorgesehen, um einen 3-Wellenlängen- Halbleiterlaser auszubilden. Auf gleiche Weise können 4- oder Mehr-Wellenlängen-Halbleiterlaser ausgebildet werden. Während sich der Halbleiterlaser gemäß der vorherstehend genannten Ausführungsbeispiele auf AlGaAs-Systeme bezieht, ist die Erfindung auch auf Halbleiterlaser mit anderen Materialien wie beispielsweise InGaAsP anwendbar. Die Erfindung beinhaltet alle derartigen Modifikationen. In den Fig. 11 bis 13 bezeichnen 11&sub1;, 11&sub2; und 11&sub3; Barrierenschichten, wobei gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 2 bezeichnet sind, und auf ihre genaue Beschreibung verzichtet wird.
In einem Halbleiterlaser zum Abgeben von Laserstrahlen mit einer abhängig von einem dem Halbleiterlaser angelegten Strom abhängigen Frequenz sind ein Halbleitersubstrat (1) eine auf dem Substrat ausgebildete optische Wellenleiterstruktur (4) mit zwei oder mehr Halbleiter-lichtemittierenden Schichten (10, 12) und Barrierenschichten (9&sub1;, 9&sub2;), welche einen größeren Bandabstand als die lichtemittierenden Schichten aufweisen, abwechselnd aufeinander geschichtet. Schutzschichten (3, 5) befinden sich an den gegenüberliegenden Seiten der Wellenleiterstruktur und weisen einen geringeren Brechungsindex als die Wellenleiterstruktur auf. Darüberhinaus ist eine Vorrichtung (7, 8) zum Anlegen eines Stromes an die lichtemittierenden Schichten vorgesehen, wobei die Wellenleiterstruktur wenigstens eine erste und eine zweite lichtemittierende Schicht aufweisen, welche Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen abgeben.

Claims

1. Halbleiterlaser mit

einem Halbleitersubstrat (1);

einer optischen Wellenleiterstruktur (4), welche auf dem Substrat (1) ausgebildet ist und zwei oder mehr Halbleiterlichtemittierende Schichten und Barrierenschichten mit einem größeren Bandabstand als dem der lichtemittierenden Schichten aufweist, welche wechselweise aufeinandergeschichtet sind;

wobei die Struktur (4) wenigstens eine erste lichtemittierende Schicht (10) und eine zweite lichtemittierende Schicht (12) aufweist, welche entsprechend Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen abgeben;

Schutzschichten (3, 5), welche an gegenüberliegenden Seiten der Struktur (4) angebracht sind und einen geringeren Brechungsindex als die Struktur (4) aufweisen; und

Vorrichtungen (7, 8) zum Anlegen eines Stromes an die Halbleiter-lichtemittierenden Schichten, dadurch gekennzeichnet, daß

die erste lichtemittierende Schicht (10) und die zweite lichtemittierende Schicht (12) Licht mit Wellenlängen α&sub1; und α&sub2; abgeben, wobei α&sub1; länger als α&sub2; ist, da der Bandabstand der ersten lichtemittierenden Schicht (10) kleiner als der Bandabstand der zweiten lichtemittierenden Schicht (12) ist, und die folgende Bedingung für variable Wellenlängen in Abhängigkeit vom Strom erfüllt ist

wobei n&sub1; und n&sub2; Trägerdichten der ersten lichtemittierenden Schicht (10) und der zweiten lichtemittierenden Schicht (12) sind, Γ&sub2; und g(n&sub2;) der konfine Koeffizient und die Verstärkung in der zweiten lichtemittierenden Schicht (12) mit der Oszillationswellenlänge α&sub2; sind, Γ'&sub2; und g'&sub2; (n&sub1;) der konfine Koeffizient und die Verstärkung des Lichts mit der Wellenlänge α&sub2; in der ersten lichtemittierenden Schicht (10) sind, r&sub2; eine Rate der spontanen Emission oder nicht lichterzeugenden Rekombinationen von Trägern in der zweiten lichtemittierenden Schicht (12) ist, r&sub2;&sub1; eine Rate für den Übergang von Trägern von der zweiten lichtemittierenden Schicht (12) zur ersten lichtemittierenden Schicht (10) ist, n1th eine Sättigungsträgerdichte der ersten lichtemittierenden Schicht (10) ist, L&sub1; und L&sub2; Dicken der ersten lichtemittierenden Schicht (10) und der zweiten lichtemittierenden Schicht sind, α&sub2; ein Dämpfungskoeffizient des Lichts mit der Wellenlänge α&sub2; ist, L eine Länge eines Resonators des Halbleiterlasers und R ein Hauptreflexionskoeffizient einer Endebene des Resonators ist.

2. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Wellenleiterstruktur (4) drei oder mehr Halbleiterlichtemittierende Schichten (10, 12, 18) zum Abgeben von Licht mit verschiedener Wellenlänge aufweist.

3. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitersubstrat (1), die optische Wellenleiterstruktur (4) und die Schutzschichten (3, 5) aus GaAs und AlGaAs bestehen.

4. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten lichtemittierenden Schichten (10, 12) aus nicht-dotierten Halbleitern bestehen und die Barrierenschichten (9&sub1;, 9&sub2;) dotiert sind.

5. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Verstärkung der ersten lichtemittierenden Schicht (10) bei der Wellenlänge α&sub2; positiv wird, wenn dem Halbleiterlaser ein Strom in der Nähe eines Oszillationsschwellwerts zugeführt wird.