DE3934865A1 - Hochfrequent modulierbarer halbleiterlaser - Google Patents

Hochfrequent modulierbarer halbleiterlaser

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Description

Halbleiterlaser sind sehr leistungsfähige Sender für die optische Übertragungstechnik, da sich mit ihnen elektrooptische Signalumwandlung im GHz-Bereich durchführen läßt. Die Modulationsbandbreite ist auf ca. 30 GHz beschränkt, wenn nur die Verkopplung zwischen elektrischen Ladungsträgern und Photonen ausgenützt wird, da die Lebensdauer der elektrischen Ladungsträger nicht beliebig reduziert werden kann.
Modulierte optische Signale mit Modulationsfrequenzen ober­ halb von 30 GHz wurden bisher mit Halbleiterlasern erzeugt, indem die elektromagnetischen Wellen der Fabry-Perot-Moden dieser Laser durch Modulation verkoppelt wurden (mode locking).
In der Veröffentlichung von J. Werner, G. Guekos und H. Melchior: "Laser diode with an integrated gain/loss modulator for the generation of picosecond optical pulses by active mode locking", 17th European Solid State Device Research Conference (ESSDERC "87), S. 1065-1068 ist eine Laseranordnung be­ schrieben, bei der ein Halbleiterlaser mit einem Modulator integriert ist und zur Erzeugung von optischen Pulsen mit einer Dauer von 8 ps ein mit einem Reflexionsgitter versehener externer Resonator angekoppelt ist. Dieser externe Resonator bewirkt eine Modenkopplung.
In der Veröffentlichung von K.Y. Lau: "Efficient narrow­ band direct modulation of semiconductor injection laser at millimeter wave frequencies of 100 GHz and beyond" in Appl. Phys. Lett. 52, 2214-2216 (1988) wird die Modenkopplung für Modulationsfrequenzen oberhalb 100 GHz bei einem GaAlAs-Laser mit Tandem-Kontakt beschrieben.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen einfach auf­ gebauten mit Frequenzen oberhalb 30 GHz modulierbaren Halb­ leiterlaser anzugeben.
Diese Aufgabe wird mit dem Halbleiterlaser mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Es folgt eine Beschreibung des erfindungsgemäßen Halbleiter­ lasers anhand der Fig. 1 bis 3.
Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Halbleiterlaser mit einer Wellenleiterschicht im Querschnitt.
Fig. 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Halbleiterlaser mit zwei getrennten Wellenleiterschichten im Querschnitt.
Fig. 3 zeigt den erfindungsgemäßen Halbleiterlaser von Fig. 2 in einer alternativen Ausgestaltung im Querschnitt.
Der wesentliche Gedanke der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß bei dem Halbleiterlaser zwei miteinander zu verkoppelnde Moden durch zwei in der Umgebung der aktiven Schicht sich be­ findende Gitter selektiert werden. Die Modulationsfrequenz ent­ spricht der halben Differenzfrequenz dieser beiden selektierten Moden oder ganzzahligen Vielfachen davon. Ein erfindungsge­ mäßer Aufbau besteht in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 in einem Wellenleiter mit einer Wellenleiterschicht 5, an die eine erste DFB-Gitterschicht und eine zweite DFB-Gitter­ schicht transversal anschließen. Das erste DFB-Gitter 3 in der ersten DFB-Gitterschicht und das zweite DFB-Gitter 4 in der zweiten DFB-Gitterschicht sind parallel zu der Wellenleiter­ schicht 5 in longitudinaler Richtung angeordnet. Durch diese beiden DFB-Gitter werden zwei Schwingungsmoden in der als aktive Schicht fungierenden Wellenleiterschicht 5 selektiert. Die erste Gitterkonstante C1 des ersten DFB-Gitters 3 und die zweite Gitterkonstante C2 des zweiten DFB-Gitters 4 sind von­ einander verschieden, wobei diese Differenz der Gitterkonstanten C1, C2 so klein ist, daß das Vierfache dieser Differenz oder ganzzahlige Teile davon die Wellenlänge ist, die der Modulations­ frequenz im GHz-Bereich entspricht.
Die Wellenleiterstruktur ist mit einer ersten Deckschicht 1 und einer zweiten Deckschicht 2 transversal begrenzt. Die Wellenleiterstruktur, d. h. die Wellenleiterschicht 5, die erste DFB-Gitterschicht und die zweite DFB-Gitterschicht sind z. B. aus InGaAsP, die erste und zweite Deckschicht 1, 2 aus InP. Die erste Deckschicht 1 und die erste DFB-Gitter­ schicht sind für elektrische Leitung eines ersten Leitungs­ typs (z. B. n), die zweite Deckschicht 2 und die zweite DFB- Gitterschicht für elektrische Leitung eines entgegenge­ setzten zweiten Leitungstyps (z. B. p) dotiert. Die Wellenleiter­ schicht 5 ist dotiert (n- oder p-leitend) oder sie bleibt un­ dotiert. Über eine erste Elektrode 11 auf der ersten Deck­ schicht 1 und eine zweite Elektrode 12 auf der zweiten Deck­ schicht 2 kann ein Betriebsstrom an diese Wellenleiterstruktur angelegt werden.
Die Materialzusammensetzung für die Wellenleiterschicht 5, die als aktive Schicht fungiert, wird vorteilhaft so gewählt, daß die dem Energiebandabstand dieser Materialzusammensetzung ent­ sprechende Wellenlänge näherungsweise gleich dem Zweifachen der ersten Gitterkonstanten C1 und näherungsweise gleich dem Zweifachen der sich von der ersten Gitterkonstanten C1 nur geringfügig unterscheidenden zweiten Gitterkonstanten C2 ist.
Für die Wellenleiterstruktur des erfindungsgemäßen Halbleiter­ lasers sind verschiedene, prinzipiell gleichwertige Aus­ führungsformen möglich. Die Wellenleiterstruktur kann aus einem einzelnen Wellenleiter bestehen, der gleichzeitig als aktiver Bereich zur Erzeugung des Laserlichtes dient. Dieser aktive Bereich ist in der Ausführungsform nach Fig. 1 die Wellenleiterschicht 5. Das erste DFB-Gitter 3 in der ersten DFB-Gitterschicht und das zweite DFB-Gitter 4 in der zweiten DFB-Gitterschicht können auch in diese Wellenleiterschicht 5 eingebaut sein. Möglich sind für die Wellenleiterstruktur Doppelheterostrukturen (DH), Quantum-well-Strukturen (QW, Single-QW) oder Multi-quantum-well-Strukturen (Multi-QW), jeweils mit oder ohne separate Wellenführungsschichten (SC, separate confinement) . Während die elektronische Wellenführung im wesentlichen durch die Dotierung, d. h. den Leitfähigkeits­ typ, gegeben ist, sorgen separate Wellenführungsschichten für eine optische Wellenführung, d. h. diese separaten Wellenführungsschichten sind aus einem Material mit gegenüber der Wellenleiterschicht 5 unterschiedlichem Brechungsindex. Diese separaten Wellenführungsschichten können zwischen der Wellenleiterschicht 5 und der ersten DFB-Gitterschicht bzw. der zweiten DFB-Gitterschicht oder an den der Wellenleiter­ schicht 5 jeweils abgewandten Begrenzungsflächen der DFB- Gitterschichten eingebaut sein, oder das erste und zweite DFB-Gitter 3, 4 sind in Schichten, die eine separate Wellen­ führung bewirken, eingebaut.
Wesentlich ist in jedem Fall, daß zwei DFB-Gitter mit von­ einander geringfügig verschiedenen Gitterkonstanten so an einen als Resonator ausgebildeten Wellenleiter angekoppelt sind, daß gerade zwei miteinander hochfrequent zu verkoppeln­ de Schwingungsmoden selektiert werden.
Fig. 2 zeigt eine alternative Ausführungsform des erfindungs­ gemäßen Halbleiterlasers im Querschnitt, bei der die Wellen­ leiterschicht 5 durch eine Struktur aus zwei verkoppelten einzelnen Wellenleitern, nämlich einer ersten Wellenleiter­ schicht 5, einer zweiten Wellenleiterschicht 7 und einer da­ zwischen befindlichen Zwischenschicht 6 ersetzt ist. Die zweite Wellenleiterschicht 7 kann in dem vorliegenden Aus­ führungsbeispiel wie die erste Wellenleiterschicht 5 InGaAsP sein. Die Zwischenschicht 6 ist vorteilhaft InP und für elektrische Leitungen desselben Leitungstyps wie die zweite Wellenleiterschicht 7, die zweite DFB-Gitterschicht 4 und die zweite Deckschicht 2 dotiert. Über eine erste Elektrode 11 und eine zweite Elektrode 12 kann an diese Struktur ein Betriebs­ strom angelegt werden.
Die erste Gitterkonstante C1 und die zweite Gitterkonstante C2 sind wieder geringfügig voneinander verschieden, entsprechend der halben Wellenlänge, die zu der Differenz der Schwingungs­ frequenzen der beiden zu selektierenden Moden gehört. Wenn die intrinsisch oder p- oder n-dotierte erste Wellenleiterschicht als aktive Schicht zur Strahlungserzeugung eingesetzt wird, sollte die dem Energiebandabstand des Materials dieser ersten Wellenleiterschicht 5 entsprechende Wellenlänge näherungsweise gleich der zweifachen ersten Gitterkonstanten des ersten DFB- Gitters 3 in der ersten DFB-Gitterschicht sein. Der Energie­ bandabstand des Materials der zweiten Wellenleiterschicht 7 soll größer sein als der Energiebandabstand der ersten Wellenleiterschicht 5.
In einer speziellen Ausführungsform kann die Materialzusammen­ setzung der ersten Wellenleiterschicht 5 gleich der Material­ zusammensetzung der zweiten Wellenleiterschicht 7 sein.
Die Ausführungsform nach Fig. 3 unterscheidet sich von der vorhergehenden dadurch, daß eine dritte Elektrode 13 auf einer freien Oberfläche 8 der Zwischenschicht 6 aufgebracht ist. Bei dieser Ausführungsform erfolgt die Dotierung der Schichten symmetrisch zur Zwischenschicht 6, die für elektrische Leitungen eines ersten Leitungstyps dotiert ist. Die erste Wellenleiterschicht 5 und die zweite Wellenleiterschicht 7 sind intrinsisch dotiert oder p- oder n-dotiert. Das erste DFB-Gitter 3 in der ersten DFB-Gitterschicht und das zweite DFB-Gitter 4 in der zweiten DFB-Gitterschicht sowie die erste Deckschicht 1 und die zweite Deckschicht 2 sind für elektrische Leitungen eines in bezug auf die Zwischenschicht 6 entgegengesetzten zweiten Leitungstyps dotiert. Der Betriebs­ strom wird für beide Wellenleiterschichten 5, 7 zentral über die dritte Elektrode und die Zwischenschicht 6 zugeführt. Ein Vorteil dieser Anordnung ist, daß durch Einstellen des Betriebs­ stromes eine der Wellenleiterschichten aktiv und die andere passiv betrieben werden kann. So kann z. B. der Betriebsstrom zwischen der ersten Elektrode 11 und der dritten Elektrode 13 unterhalb der Anregungsschwelle für Laserstrahlung in der ersten Wellenleiterschicht 5 liegen, so daß diese erste Wellen­ leiterschicht 5 als passive Wellenleiterschicht betrieben wird. Über die Höhe des anliegenden Betriebsstromes kann der Brechungsindex in dieser ersten Wellenleiterschicht 5 geändert werden, so daß die Frequenz der durch das erste DFB-Gitter 3 in der ersten DFB-Gitterschicht in dieser ersten Wellenleiter­ schicht 5 selektierten Mode variiert werden kann. Die zweite Wellenleiterschicht 7 wird dann über den zwischen die zweite Elektrode 12 und die dritte Elektrode 13 angelegten Betriebs­ strom oberhalb der Anregungsschwelle, also aktiv betrieben. Für die jeweils aktiv betriebene Schicht sollte wieder die Näherungsgleichung zwischen der Gitterkonstanten des unmittel­ bar zugeordneten Gitters und der halben der betreffenden Materialzusammensetzung entsprechenden Wellenlänge erfüllt sein. Auch bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 können die beiden Wellenleiterschichten 5, 7 entweder aus dem gleichen Material sein und die gleiche Dicke, d. h. transversale Abmessung aufweisen oder voneinander verschieden sein. Die Zusammensetzung der Materialien der beiden Wellenleiter­ schichten 5, 7 sollte nicht so verschieden sein, daß die den Energiebandabständen entsprechenden Wellenlängen um mehr als 0,5 µm verschieden sind.
Wesentlich für die erfindungsgemäße Anordnung ist, daß die verschiedenen Schichten und die Gitter so dimensioniert sind, daß die Intensitäten der Strahlungsmoden auf diesen Wellenlei­ terstrukturen etwa gleichmäßig auf beide Wellenleiterschichten verteilt ist.
Außerdem können die Spiegel der durch diese Wellenleiter ge­ bildeten Resonatoren (Endflächen des gespaltenen Halbleiter­ schichtaufbaus) zusätzlich beschichtet sein, um die Reflexion der Strahlung zu erhöhen (bis zu vollständiger Reflexion). Für jede der vorhandenen Wellenleiterschichten 5, 7 kommen ver­ schiedene Strukturen, wie z. B. Doppelheterostruktur oder Quantum-well-Struktur, in Frage. Ebenso ist es möglich, eines der vorgesehenen Gitter zwischen diese Wellenleiterschichten einzubauen.
Wesentlich ist dabei, daß von den auf der Wellenleiterstruktur ausbreitungsfähigen Moden jeweils zwei, mit einer der Modulationsfrequenz entsprechenden Differenz der Wellenlängen, selektiert werden, wobei diese Moden durch die Modulations­ frequenz verkoppelt werden.

Claims (7)

1. Halbleiterlaser mit einer Wellenleiterstruktur mit mindestens einer für Strahlungserzeugung vorgesehenen ersten Wellenleiterschicht (5) aus einem Halbleitermaterial mit einem ersten Energiebandabstand und
  • - mit einem an diese erste Wellenleiterschicht (5) für Modenselektion angekoppelten ersten DFB-Gitter (3) mit einer ersten Gitterkonstanten (C1),
  • - wobei das Zweifache dieser ersten Gitterkonstanten (C1) näherungsweise gleich der Wellenlänge ist, die dem ersten Energiebandabstand entspricht, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß an diese Wellenleiterstruktur ein zweites DFB-Gitter (4) mit einer zweiten Gitterkonstanten (C2) für Modenselektion angekoppelt ist,
  • - daß diese zweite Gitterkonstante (C2) von der ersten Gitter­ konstanten (C1) verschieden ist und
  • - daß das Zweifache des Absolutbetrages der Differenz zwischen der ersten Gitterkonstanten (C1) und der zweiten Gitter­ konstanten (C2) gleich der Wellenlänge ist, die einer für Modenkopplung vorgesehenen Modulationsfrequenz entspricht.
2. Halbleiterlaser nach Anspruch 1,
  • - bei dem die erste Wellenleiterschicht (5) transversal durch zwei einander gegenüberliegende sich in Längsrichtung er­ streckende Flächen begrenzt ist und
  • - bei dem das erste DFB-Gitter (3) sich longitudinal entlang und parallel zu einer dieser Flächen erstreckt, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß auf der diesem ersten DFB-Gitter (3) gegenüberliegenden Seite der ersten Wellenleiterschicht (5) das zweite DFB- Gitter (4) ausgebildet ist und
  • - daß sich dieses zweite DFB-Gitter (4) longitudinal entlang und parallel zu der anderen die erste Wellenleiterschicht (5) transversal begrenzenden Fläche erstreckt.
3. Halbleiterlaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß zwischen der ersten Wellenleiterschicht (5) und dem zweiten DFB-Gitter (4) mindestens eine zweite Wellenleiter­ schicht (7) angeordnet ist,
  • - daß zwischen der ersten Wellenleiterschicht (5) und dieser zweiten Wellenleiterschicht (7) eine die erste Wellenleiter­ schicht (5) von der zweiten Wellenleiterschicht (7) abgren­ zende Zwischenschicht (6) angeordnet ist,
  • - daß die erste Wellenleiterschicht (5) und die zweite Wellen­ leiterschicht (7) über diese Zwischenschicht (6) verkoppelt sind und
  • - daß die Anordnung der ersten Wellenleiterschicht (5), der zweiten Wellenleiterschicht (7), der Zwischenschicht (6), des ersten DFB-Gitters (3) und des zweiten DFB-Gitters (4) so dimensioniert ist, daß die Intensität der Strahlungsmoden etwa gleichmäßig auf die erste Wellenleiterschicht (5) und die zweite Wellenleiterschicht (7) verteilt ist.
4. Halbleiterlaser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Wellenleiterschicht (5) eine andere transversale Abmessung hat als die zweite Wellenleiterschicht (7).
5. Halbleiterlaser nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß die erste Wellenleiterschicht (5) aus einem anderen Material ist als die zweite Wellenleiterschicht (7) und
  • - daß die Differenz der Wellenlängen, die dem Energiebandab­ stand des Materials der ersten Wellenleiterschicht (5) bzw. dem Energiebandabstand des Materials der zweiten Wellen­ leiterschicht (7) entsprechen, maximal 0,5 µm ist.
6. Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Wellenleiterschicht (5) für elektrische Leitung eines ersten Leitungstyps und die zweite Wellenleiterschicht (7) für elektrische Leitung eines entgegengesetzten zweiten Leitungstyps dotiert ist.
7. Halbleiterlaser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Wellenleiterschicht (5) und die zweite Wellen­ leiterschicht (7) gleichartig aufgebaut sind.
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