DE3926053C2 - Flächenemissions-Halbleiter-Laservorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Flächenemissions-Halbleiter-Laservorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Flächenemissions-Halbleiter-Laser besitzen gegenüber Kanten-Emissions-Lasern einen Vorteil dahingehend, daß ihre lichtemittierende Oberfläche (der Bereich eines Gitters) größer ist, daß die Energiedichte niedriger ist und daher ohne destruktive Überhitzung mehr Leistung erzeugt werden kann. Ferner kann der aktive Bereich eines Flächenemissions-Halbleiter-Lasers länger als derjenige eines Fabry-Perot-Laser-Resonators (FP) gemacht werden, so daß eine größere Verstärkung ohne Nebenfrequenzbildung durch Ver­ wendung des Gitters erreichbar ist. Für noch höhere Ausgangsleistungen können die Ausgänge von Flächenemissions-Halbleiter-Lasern mit einem optischen Hohlleiter und mit einem Gitter- oder verteilten Bragg-Reflektor (DBR) kombiniert werden. Hierzu wird verwiesen auf Fig. 1 der Zeitschrift "Optics Letters", Band 13, Nr. 4, April 1988, Seiten 312 bis 314 (N. W. Carlson et al, "Dynamically Stable O° Phase Mode Operation Of A Grating-surface-emitting Diode-laser Array"). In solchen Vorrichtungen kann jedoch infolge von Verlusten im Hohlleiter der Phasengleichlauf der vielen Laser nicht ausreichend sein, um die Erzeugung von Neben­ frequenzen sowie eines inkohärenten Lichtstrahls mit einer großen Hauptstrahlbreite und hoher Amplitude sowie breiten Nebenzipfeln zu verhindern. Aus der Zeitschrift "IEEE Journal Of Quantum Electronics", Band QE-11, Nr. 7, July 1975, Seiten 451 bis 457 (P. Zory et al, "Grating-Coupled Double-Heterostructure AlGaAs Diode Lasers") ist es bekannt, zwei Laser longitudinal gefluchtet anzuordnen. Die Leistung ist jedoch auf diejenige eines einzigen Laserpaars beschränkt.

In "Appl. Phys. Lett.", 50 (11), 1987, Seite 659 bis 661 wird eine Laser­ vorrichtung der eingangs genannten Art offenbart. Gemäß Seite 659, linke Spalte, Absatz 4 bis rechte Spalte, Absatz 1 weist diese bekannte Vorrichtung voneinander beabstandet angeordnete Laserzonen auf, die zwischen sich Zentralzonen begrenzen und auf der zweiten Hauptfläche der Substratschicht angeordnet sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hohe Ausgangsleistung von Flächenemissions-Halbleiter-Lasern bei gutem Phasengleichlauf und kohären­ tem Ausgangslichtstrahl zu erzielen. Insbesondere soll die abgegebene Leistung mindestens eines Paars derartiger Laser kombiniert werden.

Für eine Flächenemissions-Halbleiter-Laservorrichtung eingangs genann­ ter Art wird die erfindungsgemäße Lösung im Kennzeichen des An­ spruchs 1 beschrieben. Eine bevorzugte Ausgestaltung ist Gegenstand des Anspruchs 2. Weitere Ausgestaltungen werden in den übrigen Ansprüchen angegeben.

Danach werden Flächenemissions-Halbleiter-Laser parallel zueinander ausgerichtet, nebeneinander angeordnet sowie miteinander gekoppelt; ihre Licht-Aus­ gangssignale werden kombiniert, was zu größerer Phasen- und Fre­ quenzkohärenz sowie schmaleren und in der Amplitude verminderten Seitenzipfeln führt und erfindungsgemäß werden zwei Laser längs derselben Achse longitudinal gefluchtet, um eine noch größere Kohärenz verglichen mit der Addition der Lichtausgangssignale von mehr als zwei longitudinal ausgerichtet aneinander gereihten Lasern zu erreichen, wobei zur Erhöhung der Ausgangsleistung bei hoher Phasen- und Frequenzkohärenz zwei oder mehr Longitudinal-Laser-Paare parallel zueinander (und nebeneinander) angeordnet einer einzigen Emissions­ fläche zugeordnet werden.

Bei den erfindungsgemäß zu verwendenden Lasern kann es sich bevorzugt um die bekannten DH-LOC- oder QW-Typen handeln. DH-LOC-Laser sind Doppel-Hetero-Struktur-Resonatorlaser mit großem Hohlraum (double heterostructure-large optical carity). QW-Laser sind Quantentopf-Laser (quantum well laser).

Anhand der schematischen Darstellung von Ausführungsbeispie­ len werden Einzelheiten der Erfindung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenschnittzeichnung eines DH-LOC-Lasers;

Fig. 2 eine Draufsicht auf den Laser von Fig. 1;

Fig. 3 eine Seitenschnittzeichnung eines Quantentopf­ lasers (QW); und

Fig. 4 eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel mit mehreren seitlich benachbarten Lasern.

Fig. 1 zeigt eine insgesamt mit 10 bezeichnete Laservorrich­ tung mit einem N-Kontakt 11, z. B. aus gesintertem Ni/Ge/Au, unter einem Substrat 12, z. B. aus N-leitendem GaAs mit ei­ nem Dotierniveau von etwa 10¹⁸ cm^-3 und einer Dicke von etwa 100 Mikrometern. Die zentrale Oberseite des Substrats 12 besitzt einen 1 Mikrometer tiefen Kanal 13, der weiter un­ ten beschrieben wird. Die ebenfalls unten beschriebenen Laser gehören daher zum kannelierten Planarsubstrat-Typ (CSP-Typ). Über dem Substrat 12 befindet sich eine N-Mantel­ schicht 14 mit N-Leitung. Die Mantelschicht 14 bildet auch eine Sperre gegen Löcher. Über der Mantelschicht 14 befin­ det sich eine Aktivschicht 16 mit einer Dicke zwischen etwa 50 und 200 nm, vorzugsweise etwa 80 nm (Nanometer). Die Aktivschicht 16 wird nicht absichtlich dotiert und besteht typisch aus Al_zGa_1-zAs, wobei 0 ≦ Z ≦ 0,13 gilt. Über der Aktivschicht 16 liegt eine Sperrschicht 18, die eine Sperre gegen Elektronen bildet und eine Dicke von etwa 20 bis 100 nm besitzt sowie nicht absichtlich dotiert ist. Es versteht sich, daß die Schichten 16 und 18 normalerweise bei der Herstellung etwas durch ihre jeweiligen Nachbarschichten dotiert werden.

Über der Sperrschicht 18 liegt als optisches Medium eine Wellenleiter- bzw. Hohlleiterschicht 20 mit großem opti­ schen Resonator. Die Hohlleiterschicht 20 enthält typisch Al_yGa_1-yAs mit 0,15 ≦ y ≦ 0,4 und mit einer Dicke zwischen etwa 0,25 und 1 Mikrometer sowie mit N-Dotierung von etwa 5 × 10¹⁷ cm^-3. In der Mitte der oberen Oberfläche der Hohl­ leiterschicht 20 befindet sich eine Gitterfläche 22 mit einer Oberflächen-Riffelung. Die Riffelung besitzt eine Doppelamplitude von etwa 100 nm mit einem Abstand von et­ wa λ/n_e, wobei λ die Wellenlänge des erzeugten Lichts und n_e der effektive Brechungsindex der Hohlleitermode sind. Das Profil der Riffelung wird so gewählt, daß die λ/n_e Periodenstruktur beträchtliche Komponenten bei λ/n_e, beispielsweise bei Verwendung von V-Rillen, ent­ hält, an denen die Breite an der Spitze der Rillen etwa die Hälfte des gegenseitigen Rillenabstands beträgt.

Über den Endstücken der Hohlleiterschicht 20 befindet sich eine P-Mantelschicht 24 mit Abschnitten 24a bzw. 24b. Die P-Mantelschicht 24 wird P-leitend dotiert. Die Schichten 14, 18 und 24 werden typisch hergestellt aus Al_xGa_1-xAs mit 0,3 ≦ x ≦ 0,8. Die Mantelschichten 14 und 24 besitzen typisch eine Dicke von etwa 1 Mikrometer und ein Dotierni­ veau von etwa 5 × 10¹⁷ cm^-3.

Über den Segmenten 24a und b der Mantelschicht 24 liegen Segmente 26a und b einer Deckschicht 26. Diese wird typisch aus GaAs mit P-Leitung mit einem Dotierniveau zwischen et­ wa 10¹⁸ und 10¹⁹ cm^-3 mit einer Dicke von etwa 0,5 Mikro­ metern hergestellt, über den Segmenten 26a und 26b der Deck­ schicht 26 wird eine P-Kontaktschicht 28 mit Segmenten 28a und 28b vorgesehen. Die Segmente 28a und 28b werden typisch aus der sukzessiven Schichtenfolge Titan/Platin/Gold gebil­ det, wobei die Titan-Schicht am nächsten zur Deckschicht 20 liegen soll.

An den Seiten der Struktur werden reflektierende Fazett- Schichten 30a und 30b, beispielsweise als passend geschich­ tete Endstücke bestehend aus einem dielektrischen Stapel abwechselnder Schichten von SiO₂ und Al₂O₃. Typisch werden etwa drei Paare (also sechs Stück) solcher Schichten einge­ setzt, wobei jede Schicht eine Dicke von etwa einer Vier­ tel-Wellenlänge besitzen soll (vgl. die US-PS 40 92 659).

Es ist vorteilhaft, wenn die longitudinal gefluchteten DH-LOC-Laser 31a und 32b mit der vorgeschriebenen Struktur jeder eine Länge L1 von etwa 200 Mikrometern besitzen. Die Länge L2 des Gitters soll vorzugsweise etwa 300 Mikrometer betragen. Die Laser oder Laserzonen 32a und 32b werden also durch gegenüberliegende Kanten der Gitterfläche 22 auf Ab­ stand gesetzt, wobei sich das Gitter über eine Zentralzone der Laservorrichtung zwischen den Lagerzonen 32a und 32b erstreckt.

Nach Fig. 2 besitzt die Vorrichtung 10 eine Breite W von etwa 300 Mikrometern. Die Oberkanten 34a, b des Kanals 13 an der Oberseite des Substrats 12, die durch gestrichelte Linien 34a, b angedeutet werden, wird vorzugsweise etwa 4 bis 8 Mikrometer breit gemacht, während der Kanalboden 36a, b des Kanals 13, der durch die gestrichelten Linien 36a, b angedeutet wird, schmaler sein soll. Die Kanal-Seitenwände, die mit 38a, b bezeichnet werden, bilden einen Winkel von etwa 57° mit der Oberseite des Substrats 12.

Eine Vorrichtung nach dem beschriebenen Ausführungsbeispiel kann nach der Flüssigphasen-Epitaxie-Technik unter Verwen­ dung passender Reagenzien und Dotierstoffe in bekannter Weise hergestellt werden. Der Kanal 13 kann durch Ätzen des Substrats längs dessen 111A-Ebene unter Verwendung der Caroschen Lösung (H₂SO₄/H₂O₂/H₂O in einem Volumenverhältnis von 5/1/1) bei 20°C gebildet werden. In ähnlicher Weise können die jeweiligen Segmente der Schichten 24, 26 und 28 durch Abätzen der Zentralteile dieser Schichten gebildet werden, wenn bei dem Abätzen die die Segmente bildenden Endabschnitte, die Teil der Laser 32a, b sind, maskiert werden. Ein Vorzugsätzmittel, wie eine Carosche 1/1/8-Lö­ sung, kann verwendet werden.

Bei Betrieb wird eine positive Spannung an den P-Kontakt 28 und eine negative Spannung an den N-Kontakt 11 angelegt. Löcher werden aus dem P-Kontakt 28 in die Aktivschicht 16 injiziert; dabei wirkt die N-Mantelschicht 14 als Sperre gegen eine weitere Abwärtsbewegung der Löcher. Ähnlich wer­ den Elektronen aus dem N-Kontakt 11 in die Aktivschicht 16 injiziert, wobei die Sperrschicht 16 als Sperre gegen eine weitere Aufwärtsbewegung der Elektronen wirkt. Bei einem Schwellstrom wird die Besetzungszahlinversion erreicht und die stimulierte Emission von Photonen beginnt. Von beiden Lagerzonen 32a und 32b erzeugte Photonen gelangen in die Hohlleiterschicht 20 und ein erster Teil der Photonen, der auf die Gitterfläche 22 auftrifft, wird durch die Wechsel­ wirkung mit der λ/n_e-Komponente des Gitters senkrecht zum Hohlleiter 22 emittiert; diese Photonen werden durch die Pfeile 34 angedeutet. Ein zweiter Teil der Photonen, der auf die Gitterfläche 22 auftrifft, wird durch die Wirkung der λ/n_e-Komponente der Gitteroberfläche 22 zurück in die Laserzonen 32a und 32b reflektiert, wodurch die optische Rückkopplung vergrößert und die Laserwirkung verstärkt werden.

Da der Betrag der Reflexion abhängig von der Wellenlänge des von jeder der Laservorrichtungen erzeugten Lichts ist, ergibt sich eine beträchtliche Rückkopplung nur bei einer speziellen Periode. Das durch die Laserzonen 32a und 32b erzeugte Licht wird daher in der Frequenz blockiert bzw. stabilisiert. Der verbleibende Teil der aus jeder der Laser­ zonen 32a und 32b kommenden und auf die Gitterfläche 22 auftreffenden Photonen wird durch die das optische Medium bildende Hohlleiterschicht 20 zur anderen Laserzone gelei­ tet, so daß sich ein Phasengleichlauf der beiden Laserzonen ergibt. Da die beiden Laserzonen 32a und 32b sich dasselbe Bauelement teilen, wird durch die beiden Laserzonen sowohl betreffend die Frequenz als auch die Phase gleichlaufendes Licht erzeugt und schließlich durch die Gitterfläche 22 senkrecht zu dieser Fläche emittiert.

Es ist vorteilhaft, daß bei Verwendung von nur zwei longitu­ dinal gefluchteten Laserzonen 32a und 32b die Hohlleiter­ schicht 22 relativ kurz gemacht werden kann und nur geringe Verluste bedingt, so daß der Phasen- und Frequenz-Gleich­ lauf der beiden Laserzonen 32a und 32b besser ist, als wenn mehrere derartige Laser verwendet werden. Dieses führt wei­ terhin zu einer Stabilisierung der Longitudinal-Mode des Lasers 32 mit dem Ergebnis einer einzigen Emissionsfrequenz verglichen mit der Vielzahl von Moden in einem Fabry-Perot- Laser-Resonator. Schließlich liefert die erfindungsgemäße Vorrichtung eine größere Ausgangsleistung als nur ein einzi­ ger Laser.

Fig. 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung mit zwei Laserzonen 32a und 32b des oben erläuterten QW-Typs. In der Zeichnung wird nur der Laser 32a dargestellt, da der Laser 32b natürlich identisch mit ersterem ist. Elemente von Fig. 3, die Elementen von Fig. 1 entsprechen, werden mit denselben Bezugsziffern bezeichnet. Die Mantelschichten 14 und 24 werden zwischen etwa 0,5 und 2,5 Mikrometer dick gemacht und aus Al_xGa_{1- x}As mit 0,4 ≦ x ≦ 1 und einem Dotierniveau zwischen etwa 10^-17 und 5 × 10¹⁸ cm^-3 eines passenden Dotierstofftyps hergestellt. Der Zentralbereich der Mantelschicht 24 ent­ hält einen verteilten Bragg-Reflektor (DBR = Distributed Bragg Reflector) und ist an den Tälern des Bragg-Reflektors 22 etwa 100 nm dick. Undotierte Begrenzungsschichten 36 und 40 werden zwischen etwa 50 und 400 nm dick gemacht und aus Al_xGa_1-xAs mit 0,15 ≦ x ≦ 0,60 hergestellt. Sie können entweder abgestuft oder nicht abgestuft sein. Die undo­ tierte Quantentopfschicht 38 (QW) wird zwischen etwa 1 und 40 nm dick gemacht und kann Al_xGa_1-xAs mit 0 ≦ x ≦ 1 enthalten.

Im allgemeinen besitzt das QW-Ausführungsbeispiel nach Fig. 3, verglichen mit DH-LOC-Lasern einen kleineren Schwell­ strom, eine verminderte Abhängigkeit des Schwellstroms von der Temperatur und eine vergrößerte Differential-Quanten­ ausbeute.

Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemä­ ßen Vorrichtung, mit deren Hilfe eine größere Licht-Aus­ gangsleistung verglichen mit der Leistung eines Einzelpaar- Lasers zu erreichen ist und trotzdem die Phasen- und Fre­ quenzkohärenz erhalten wird. In diesem Ausführungsbeispiel wird das Substrat 12 seitlich, beispielsweise an den reflek­ tierenden Fazettschichten 30a, b und an der Gitterfläche 22 seitlich mehr ausgedehnt. Die Gitterfläche 22 bildet dabei eine einzige Integralvorrichtung für den Phasengleichlauf und für das Zusammenfassen aller Ausgänge aller Laser zum Erreichen einer hohen Kohärenz.

Wegen der Klarheit der Darstellung werden in Fig. 4 nur die Kanäle 13 der CSP/LOC-Laserzonen 32a und 32b gezeigt (CSP-LOC = Channeled Substrate Planar - Large Optical Cavi­ ty). Jeder der fünf Kanäle 13a bis e erstreckt sich unter nur einem Paar von entsprechenden longitudinal gefluchteten Lasern wie in Fig. 1. Insgesamt liegen also zehn Laser vor. Die einzelnen Kanäle 13a, 13c, 13d und 13e werden ge­ geneinander mit einem typischen Mitte-Mitte-Abstand d zwi­ schen etwa 4 und 10 Mikrometern parallel zueinander ausge­ richtet. Die lateralen optischen Moden (parallel zu der Übergangsebene) der Laser sind daher miteinander gekoppelt mit den Ergebnis einer Phasen- und Frequenz-Kopplung sowie -Kohärenz auf dem ganzen Areal. Dieses liefert daher aus­ gehend von der Gitterfläche 22 und normal zum Substrat 12 ein Ausgangslicht einer einzigen Wellenlänge. Abhängig von L1 und dem Wirkungsgrad der Gitterfläche 22 ist es möglich, die Lichtausgangsleistung um einen Faktor von etwa 10 bis 50 gegenüber einem Einzellaser zu erhöhen. QW-Laser nach Fig. 3 können in der Vorrichtung nach Fig. 4 ebenso wie DH-LOC-Laser eingesetzt werden.

Claims (3)

1. Flächenemissions-Halbleiter-Laservorrichtung zum Emittieren eines Ausgangs-Lichtsignals senkrecht zu einer Laserhauptfläche, mit einem Substrat (12) mit einander gegenüberliegenden ersten und zweiten Hauptflächen; einem ersten Kontakt (11) auf der er­ sten Hauptfläche des Substrats (12); ersten und zweiten Laserzonen (32a, 32b), die zwischen sich eine Zentralzone begrenzen und auf der zweiten Hauptflä­ che des Substrats angeordnet sind; einem sich über die Zentralzone und die beiden Laserzonen (32a, 32b) erstreckenden optischen Medium (20), durch welches von den ersten und zweiten Laserzonen erzeugtes Licht vordringt; einer Deckschicht (26a, 26b) und zweiten Kontakten (28a, 28b), die über dem optischen Medium liegen; sowie einer in die zweiten Kontakte (28a, 28b) und in die Deckschicht (26a, 26b) geätzten einzigen optischen Gitterfläche (22), die sich über die Zentralzone in optischer Verbindung mit dem op­ tischen Medium (20) erstreckt und die Laser- Hauptfläche definiert, wobei die ersten und zweiten Laserzonen (32a, 32b) an gegenüberliegenden Seiten längs der Gitterfläche (22) angeordnet sind, wobei die Gitterfläche (22) Gitterperioden zum Pha­ sengleichlauf und zum Kombinieren des in das opti­ sche Medium vordringenden sowie von den ersten und zweiten Laserzonen (32a, 32b) erzeugten Lichtes be­ sitzt, derart daß das Ausgangslichtsignal (34) senk­ recht zu der Laser-Hauptfläche durch die Gitterflä­ che (22) austritt, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Laserzonen (32a, 32b) in Längs­ richtung des Lasers auf Abstand gesetzt sind und hinsichtlich ihrer seitlichen Begrenzungsflächen fluchten sowie jede der Laserzonen mehrere, parallele, seitlich ne­ beneinander angeordnete Phasengleichlauf-Laser auf der zweiten Hauptebene des Substrats (12) besitzen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Laser des Doppel-Heteroübergangs-Typs mit großem optischem Hohlraum bzw. DH-LOC-Laser vorgesehen sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Laser des Quantentopf-Typs bzw. QW-La­ ser vorgesehen sind.