DE4014233A1

DE4014233A1 - Dfb-laserdiode mit reiner gainkopplung

Info

Publication number: DE4014233A1
Application number: DE19904014233
Authority: DE
Inventors: Bernd Dr Borchert
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1990-05-03
Filing date: 1990-05-03
Publication date: 1991-11-07

Description

Für viele Anwendungen in der optischen Nachrichtentechnik werden monomodige DFB-Laserdioden benötigt. Bei den bisher verfügbaren DFB-Laserdioden wurde überwiegend ein Bragg-Gitter mit reiner Indexkopplung für den DFB-Effekt verwendet. Für nicht beidseitig entspiegelte DFB-Laserdioden führen die statistisch variierenden Phasen zwischen dem Gitter und den beiden Spiegelendflächen zu einer Variation vieler Laser parameter, was die Ausbeute dieser Bauelemente deutlich re duzieren kann (s. hierzu J. Buus IEE Proceedings Part J 133, 163-164 (1986) und J. Glinski e. a. in IEEE Journal of Quantum Electronics QE-23, 849-859 (1987)). Die Theorie der DFB-Laserdioden sagt voraus, daß der Einfluß dieser Phasen schwankungen auf DFB-Laserdioden mit Gainkopplung sehr viel kleiner ist, was wiederum die Ausbeute erhöhen sollte. Ein Aufbau für eine DFB-Laserdiode mit Gainkopplung ist von Y. Nakano e. a. Appl. Phys. Lett. 55, 1606-1608 (1989) ange geben. Dabei ist ein periodisches Verlustgitter in die Laser struktur eingebaut, ohne daß es möglich ist, eine reine Gain kopplung damit zu realisieren. In dieser Veröffentlichung von Y. Nakano sind auf ein Substrat nacheinander übereinander auf gewachsen eine untere Mantelschicht, eine aktive Schicht, eine Confinementschicht für die Eingrenzung der Ladungsträger, eine periodisch strukturierte Absorptionsschicht, die das DFB- Gitter darstellt, eine obere Mantelschicht und eine Kontakt schicht. Die Absorptionsschicht mit dem darin ausgebildeten DFB-Gitter ist über Gainkopplung an die aktive Schicht ange koppelt. Zusätzlich zu der Gainkopplung liegt hier wegen der periodischen Strukturierung dieser Absorptionsschicht auch Indexkopplung vor.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Aufbau für eine DFB-Laserdiode mit Gainkopplung anzugeben, bei dem es möglich ist die Indexkopplung beliebig klein zu halten.

Diese Aufgabe wird mit der DFB-Laserdiode mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Es folgt eine Beschreibung des er findungsgemäßen Aufbaus anhand der Fig. 1 und 2, die je weils eine erfindungsgemäße Schichtfolge im Querschnitt zeigen.

Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist, zusätzlich zu der die Gainkopplung bewirkenden mit einer gitterartigen Strukturierung versehenen Absorptionsschicht eine weitere gitterartige Schichtstruktur, die eine reine Indexkopplung be wirkt, vorzusehen. In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist dafür die folgende Anordnung vorgesehen. Die aktive Schicht 3 befindet sich zwischen einer transversal dazu angeordneten ersten Mantelschicht und einer transversal dazu angeordneten zweiten Mantelschicht. In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist die aktive Schicht 3 auf ihrer Unterseite, d. h. der dem Substrat zugewandten Seite, von der ersten Mantelschicht 2 be grenzt. Zwischen der als obere Begrenzung angeordneten zweiten Mantelschicht 6 und der aktiven Schicht 3 befinden sich die für die Gainkopplung vorgesehene Absorptionsschicht 7 und zu sätzlich dazu eine erste Gitterschicht 4 und eine zweite Gitter schicht 5. Um die Indexkopplung, die durch die Absorptions schicht 7 bewirkt ist, abzuschwächen, sind die Brechungsindexe der ersten Gitterschicht 4 und der zweiten Gitterschicht 5 so durch die betreffenden Materialzusammensetzungen festgelegt, daß eine weitgehende Kompensation der Indexkopplung der Ab sorptionsschicht 7 durch die Variation der Brechungsindexe der ersten Gitterschicht 4 und der zweiten Gitterschicht 5 bewirkt ist. Die erste Gitterschicht 4 befindet sich auf der aktiven Schicht 3 und hat im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Strukturierung der der aktiven Schicht 3 abgewandten Ober fläche mit im Längsschnitt rechteckigem Profil. Auf die ent sprechenden streifenförmigen Erhebungen der Oberfläche der ersten Gitterschicht 4 sind streifenförmige Bereiche der Ab sorptionsschicht 7 aufgebracht. Die Bereiche zwischen diesen streifenförmigen Bereichen der Absorptionsschicht 7 sind bis in die darunter befindlichen Gräben der ersten Gitterschicht 4 durch das Material der zweiten Gitterschicht 5 aufgefüllt und die zweite Gitterschicht 5 so dick aufgewachsen, daß die Ab sorptionsschicht 7 vollständig bedeckt ist und die der aktiven Schicht 3 abgewandte Oberfläche der zweiten Gitterschicht 5 eben ist. Auf diese ebene Oberfläche ist die zweite Mantel schicht 6 aufgewachsen.

Die in Fig. 1 eingezeichnete Dicke 9 der Absorptionsschicht 7 und die ebenfalls eingezeichnete Differenz 8 zwischen maximaler und minimaler Dicke der ersten Gitterschicht 4 sind so bemessen, daß eine vorgegebene Indexkopplung, die sich aus der durch die Absorptionsschicht 7 bewirkte Indexkopplung und durch die durch die Brechungsindexe der Gitterschichten 4, 5 bewirkte Indexkopplung zusammensetzt, bewirkt ist. Um eine möglichst gute Gainkopplung zu erreichen, sollte die Ab sorptionsschicht 7 aus dem gleichen Material, d. h. derselben Materialzusammensetzung sein, wie die aktive Schicht 3. Die Brechungsindexe, d. h. genauer die Realteile der Brechungs indexe, der ersten Mantelschicht 2 und der zweiten Mantel schicht 6 sind niedriger als der Brechungsindex der aktiven Schicht 3. Ebenso ist der Brechungsindex der ersten Gitter schicht 4 kleiner als der Brechungsindex der aktiven Schicht 3, während der Brechungsindex der zweiten Gitterschicht 5 größer sein muß als der Brechungsindex der ersten Gitter schicht 4, wenn eine zumindest teilweise Kompensation der Indexkopplung bewirkt werden soll. Mit der Anordnung nach Fig. 1 läßt sich daher eine DFB-Laserdiode mit reiner Gain kopplung realisieren. Statt der Anordnung der Absorptions schicht 7 zwischen der aktiven Schicht 3 und der zweiten Mantelschicht 6 ist auch eine Anordnung der Absorptions schicht 7 und der Gitterschichten 4, 5 zwischen der ersten Mantelschicht 2 und der aktiven Schicht 3 möglich. Die zweite Gitterschicht 5 kann auch entfallen, wenn die Gräben der ersten Gitterschicht 4 von der zweiten Mantelschicht 6 aufge füllt sind.

Fig. 2 zeigt einen entsprechenden Aufbau, bei dem die Ab sorptionsschicht 7 ebenfalls in Form von periodisch ange ordneten parallel verlaufenden Streifen ausgebildet ist, mit dem Unterschied, daß jetzt die erste Gitterschicht 4 die Be reiche zwischen diesen Streifen der Absorptionsschicht 7 und darüber befindlichen grabenförmigen Aussparungen in der zweiten Gitterschicht 5 ausfüllt. Es sind wieder die Differenz 8 zwischen maximaler und minimaler Dicke der ersten Gitter schicht 4 und die Dicke 9 der Absorptionsschicht 7 einge zeichnet. Der übrige Aufbau entspricht dem von Fig. 1. Eine teilweise Kompensation der Indexkopplung, die durch die Ab sorptionsschicht 7 bewirkt ist, ist bei dem Aufbau der Fig. 2 nur möglich, wenn der Realteil des Brechungsindexes der ersten Gitterschicht 4 größer ist als der Realteil des Brechungsindex der zweiten Gitterschicht 5. Auch bei der Anordnung nach Fig. 2 ist es möglich, daß die zweite Gitterschicht 5 entfällt und deren Schichtanteil von der zweiten Mantelschicht 6 mit umfaßt wird.

Durch geeignete Wahl der Materialzusammensetzungen der ersten Gitterschicht 4 und der zweiten Gitterschicht 5 ist es zu mindest in der Anordnung entsprechend Fig. 1 möglich, auf beiden Seiten der aktiven Schicht 3 den gleichen Realteil des effektiven Brechungsindexes einzustellen und gleichzeitig die gesamte Indexkopplung zu eliminieren. Eine Eliminierung der Indexkopplung nach Fig. 2 ist ebenfalls möglich. Wegen der Einschränkung, daß die Brechungsindexe der Gitterschichten 4, 5 jeweils kleiner sein müssen als der Brechungsindex der aktiven Schicht 3, um eine transversale Strahlungsführung zu bewirken, ist allerdings keine Anpassung der effektiven Brechungsindexe oberhalb und unterhalb der aktiven Schicht 3 möglich.

Zum Zwecke der Stromzufuhr sind das Substrat 1 und die erste Mantelschicht 2 jeweils für elektrische Leitung eines ersten Leitungstyps, z. B. n-Leitung, dotiert und die erste Gitter schicht 4, die zweite Gitterschicht 5, die zweite Mantel schicht 6 und die Absorptionsschicht 7 für elektrische Leitung eines zweiten Leitungstyps, z. B. p-Leitung dotiert. Auch bei dem Aufbau nach Fig. 2 ist eine Anordnung der Ab sorptionsschicht 7 und der ersten und zweiten Gitterschicht 4, 5 zwischen der ersten Mantelschicht 2 und der aktiven Schicht 3 möglich. Um die Realteile der Brechungsindexe der ver schiedenen Schichten optimal einstellen zu können, werden die erste Gitterschicht 4 und die zweite Gitterschicht 5 vorzugs weise aus quaternärem Material aufgewachsen.

Claims

1. DFB-Laserdiode mit Gainkopplung mit auf einem Substrat (1) übereinander aufgewachsenen Schichten aus Halbleitermaterial, zu denen mindestens eine erste Mantelschicht (2), eine zweite Mantelschicht (6) und eine aktive Schicht (3) gehören, und mit einer periodisch strukturierten Absorptionsschicht (7) zwischen der aktiven Schicht (3) und der zweiten Mantelschicht (6), dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen der aktiven Schicht (3) und der Absorptionsschicht (7) eine erste Gitterschicht (4) vorhanden ist,
daß diese erste Gitterschicht (4) eine periodische Strukturierung aufweist und
daß die Stärke einer durch die Absorptionsschicht (7) be wirkten Indexkopplung durch eine durch die erste Gitter schicht (4) bewirkte Indexkopplung wie vorgegeben einge stellt ist.

2. DFB-Laserdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen der ersten Gitterschicht (4) und der zweiten Mantelschicht (6) eine zweite Gitterschicht (5) vorhanden ist,
daß die Absorptionsschicht (7) durch periodisch angeordnete streifenförmige Bereiche zwischen der ersten Gitterschicht (4) und der zweiten Gitterschicht (5) gebildet ist und
daß die zweite Gitterschicht (5) zwischen diese streifen förmigen Bereiche bis in die erste Gitterschicht (4) hinein reichend ausgebildet ist.

3. DFB-Laserdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen der ersten Gitterschicht (4) und der zweiten Mantelschicht (6) eine zweite Gitterschicht (5) vorhanden ist,
daß die Absorptionsschicht (7) durch periodisch angeordnete streifenförmige Bereiche zwischen der ersten Gitterschicht (4) und der zweiten Gitterschicht (5) gebildet ist und
daß die erste Gitterschicht (4) zwischen diese streifen förmigen Bereiche bis in die zweite Gitterschicht (5) hin einreichend ausgebildet ist.

4. DFB-Laserdiode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Absorptionsschicht (7) dieselbe Materialzusammen setzung wie die aktive Schicht (3) hat und
daß der Realteil des Brechungsindexes der ersten Gitterschicht (4) kleiner ist als der Realteil des Brechungsindexes der zweiten Gitterschicht (5).

5. DFB-Laserdiode nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Absorptionsschicht (7) dieselbe Materialzusammensetzung hat wie die aktive Schicht (3) und
daß der Realteil des Brechungsindexes der ersten Gitterschicht (4) größer ist als der Realteil des Brechungsindexes der zweiten Gitterschicht (5).

6. DFB-Laserdiode nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz (8) zwischen maximaler und minimaler Dicke der ersten Gitterschicht (4), die Dicke (9) der Absorptions schicht (7) und die Brechungsindexe der ersten Gitter schicht (4) und der zweiten Gitterschicht (5) für eine Minimierung der longitudinalen Variation des Realteils des effektiven Brechungsindexes bemessen sind, so daß praktisch eine reine Gainkopplung vorhanden ist.