DE4310578C2 - Wellenlängenabstimmbarer Halbleiterlaser - Google Patents

Wellenlängenabstimmbarer Halbleiterlaser

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Halbleiterlaser, der elektrisch über einen Schwingungswellenlängenbereich abstimm­ bar ist. Insbesondere betrifft die Erfindung einen wellenlän­ genabstimmbaren Halbleiterlaser mit Mehrelektroden-DFB-Aufbau (DFB = Distributed Feedback) bei dem jede Zone in einem DFB- Resonator (Resonator mit verteilter Rückkopplung) durch mehrere Elektroden unabhängig gesteuert wer­ den kann.
In den vergangenen Jahren wurden immer mehr Untersuchungen und Entwicklungsarbeiten auf dem Gebiet des optischen Fre­ quenzteilungs-Multiplexbetriebs (optischer FDM) durchgeführt. Der optische FDM läßt sich auf verschiedenen Gebieten einset­ zen, beispielsweise bei der optischen Massenkommunikation, der optischen Vermittlung, beim optischen Schalten und beim opti­ schen Rechenbetrieb. Ein Halbleiterlaser ist eine Quelle für kohärentes Licht, welches sich in einem optischen FDM verwen­ den läßt, ist kompakt und zuverlässig aufgebaut und kann innerhalb eines Schwingungswellenlängenbereichs elektrisch abgestimmt werden.
Für einen FDM hoher Kapazität ist es erforderlich, einen Halbleiterlaser zur Verfügung zu haben, der innerhalb eines breiten Schwingungswellenlängen-Bereichs abgestimmt werden kann. Um viele Frequenzkanäle hoher Dichte innerhalb des vor­ bestimmten Wellenlängenbereichs im Multiplexbetrieb zu bedie­ nen, ist es wünschenswert, daß der von jedem Kanal belegte Frequenzbereich schmaler gemacht wird. Insbesondere bei der Nachrichtenübertragung mit kohärentem Licht, bei der es sich um eine spezielle optische FDM-Anwendung handelt, wird eine Lichtquelle benötigt, die einen Lichtstrahl mit geringer spektraler Linienbreite aussendet, damit ein elektrisches Si­ gnal zur Verfügung steht, welches aus dem Signallichtstrahl und einem lokal erzeugten Lichtstrahl gebildet wird.
Außerdem wurde ein Halbleiterlaser mit externem Hohlraum ent­ wickelt, welcher außerhalb eines Halbleiterchips eine wellen­ längenselektive Einrichtung besitzt. Der Halbleiterlaser mit externem Hohlraum ist jedoch für die Verwendung bei einem op­ tischen FDM nicht empfehlenswert im Hinblick auf Größe, Stabilität, Kosten und Zuverlässigkeit. Ein monolithisch aufgebauter, wellenlängenabstimmbarer Halb­ leiterlaser wird für den optischen FDM benötigt. Die wellen­ längenabstimmbaren Halbleiterlaser, die derzeit untersucht werden, werden nach vier Typen klassifiziert:
  • 1) Halbleiterlaser mit Temperatursteuerung;
  • 2) Mehrelektroden-Halbleiterlaser mit verteilter Bragg- Reflexion (DBR);
  • 3) Mehrelektroden-Halbleiterlaser mit verteilter Rück­ kopplung (DFB);
  • 4) Halbleiterlaser mit Doppelführung.
Ein Halbleiterlaser mit Temperatursteuerung besitzt eine Heizvorrichtung in der Nähe der aktiven Zone, um die Tempera­ tur der aktiven Schicht anheben zu können. Im allgemeinen verschiebt sich der Wellenlängenbereich eines Halbleiterla­ sers zur Seite des langwelligen Lichts, wenn die Temperatur zunimmt. Dieses Phänomen wird als "Rotverschiebung" bezeich­ net. Der Laser läßt sich deshalb in einem breiten Wellenlän­ genbereich abstimmen, während eine geringe Linienbreite bei­ behalten wird. Da seine aktive Schicht beträchtlich aufge­ heizt wird, ist der Laser jedoch nicht so zuverlässig, wie es erwünscht ist.
Bei einem Mehrelektroden-DBR-Halbleiterlaser werden Ladungs­ träger in die Bragg-Reflexionszone injiziert, um dadurch die Bragg-Wellenlänge stark zu ändern. Sicherlich läßt sich der Mehrelektroden-DBR-Laser innerhalb eines breiten Bereichs der Schwingungswellenlänge abstimmen. Da aber Träger in den Bragg-Wellenleiter injiziert werden, der passiv ist, schwankt die interne Ladungsträgerdichte. Folglich emittiert dieser Laser einen Strahl mit einer Linienbreite, die 10 MHz oder mehr beträgt, so daß dieser Laser kaum als Lichtquelle kohärenten Lichts für die Nachrichtenübertragung einsetzbar ist. Außerdem ändert sich die Bragg-Wellenlänge, es gibt Sprünge über mehrere Schwingungstypen, und der Mehrelektro­ den-DBR-Halbleiterlaser läßt sich kontinuierlich nur inner­ halb eines schmalen Schwingungswellenlängen-Bereichs abstim­ men.
Ein Mehrelektroden-DFB-Halbleiterlaser weist mehrere Ab­ schnitte auf, die in Längsrichtung eines Resonators angeord­ net sind. Die Bilanz der Ladungsträgerdichte in diesen Ab­ schnitten wird geändert, um auf diese Weise die durchschnitt­ liche Ladungsträgerdichte zu variieren. Als Ergebnis ändert sich die Schwingungswellenlänge des Lasers.
Wenn ein starker Strom gleichmäßig in den Laser injiziert wird, wie es in Fig. 2A durch die ausgezogene Kurve darge­ stellt ist, konzentriert sich im Fall des in Fig. 1 darge­ stellten, drei Elektroden aufweisenden Phasenverschiebungs- DFB-Lasers mit Antireflexionsbeschichtungen auf beiden Seiten Licht in der Nähe des Phasenverschiebungsabschnitts, wie dies in Fig. 2B durch die ausgezogene Linie dargestellt ist. Aus diesem Grund nimmt die induzierte Emission an dem Phasenver­ schiebungsabschnitt zu, wodurch die Ladungsträgerdichte im Mittelbereich der Vorrichtung geringer ist als an deren En­ den, wie in Fig. 2C durch eine ausgezogene Kurve dargestellt ist. Aufgrund der ungleichförmigen Ladungsträgerdichte (d. h. des axialen Hole-Burnings), ist die mittlere Ladungsträger­ dichte höher als dann, wenn die Stromdichte entlang der Achse der Vorrichtung gleichmäßig ist. Je höher die mittlere La­ dungsträgerdichte ist, desto niedriger ist der Brechungsindex, und desto kürzer ist die Schwingungswellenlänge.
Wenn mehr Strom in dem Mittelabschnitt des Lasers als in des­ sen Endabschnitte injiziert wird, wie in Fig. 2A durch die gestrichelte Linie angedeutet ist, wird die Ladungsträger­ dichte praktisch gleichmäßig, wie in Fig. 2C durch die ge­ strichelte Linie dargestellt ist. Die mittlere Ladungsträger­ dichte nimmt deshalb ab, so daß das Bauelement eine Rotver­ schiebung erfährt oder sich sein Wellenlängenbereich zur Seite des langwelligeren Lichts verschiebt. Da die gesamte Zone aktiv ist, ändert sich ihre mittlere Trägerdichte zur Zeit der Strominjektion nicht besonders. Deshalb läßt sich eine kleine Linienbreite realisieren. Da sich aber die mitt­ lere Ladungsträgerdichte nicht besonders stark ändert, ist der änderbare Wellenlängenbereich auf lediglich 2 nm be­ grenzt.
Bei einem Halbleiterlaser mit Doppelführung werden die Ströme, die der aktiven Schicht und der Lichtleitschicht (oder der zweiten aktiven Schicht), die eng benachbart lami­ niert sind, unabhängig voneinander gesteuert. Dieses Bauele­ ment ist in Dickenrichtung in Schichten unterteilt, vergli­ chen mit dem Mehrelektroden-DBR- oder -DFB-Laser, der in axi­ aler Richtung in mehrere Abschnitte unterteilt ist. Das Bau­ element arbeitet in einer Betriebsart ähnlich der Betriebsart eines Mehrelektroden-DBR-Lasers, wenn die Wellenleiter­ schicht, die ein passives Element darstellt, verwendet wird, und arbeitet in einer Betriebsart des Mehrelektroden-DFB-La­ sers, wenn die Wellenleiterschicht durch eine zweite aktive Schicht ersetzt wird.
Sowohl bei dem Mehrelektroden-DBR-Laser als auch bei dem Meh­ relektroden-DFB-Laser hat nicht nur der oben erläuterte La­ dungsträgereffekt, sondern auch der Wärmeeffekt Anteil an den Änderungen der Schwingungswellenlänge. Auch bei dem in den Fig. 1 und Fig. 2A bis 2C dargestellten Laser hat die durch die Stromzunahme verursachte Temperaturerhöhung im Mittelab­ schnitt Anteil an der Rotverschiebung.
Der Mehrelektroden-DBR-Laser und der Doppelführungs-Halblei­ terlaser lassen sich kaum anwenden bei einem Übertragungssy­ stem mit kohärentem Licht, da diese Laser einen Strahl emit­ tieren, dessen spektrale Linienbreite nicht ausreichend schmal ist. Außerdem läßt sich der temperaturgesteu­ erte Halbleiterlaser kaum zur Verwendung bei der Übertragung mit kohärentem Licht empfehlen, da dieser Laser nicht so zu­ verlässig ist, wie es erwünscht ist, und zwar aufgrund der an die aktive Schicht gelangenden Wärme zum Ändern der Schwin­ gungswellenlänge. Deshalb erscheint der Mehrelektroden-DFB- Halbleiterlaser zur Verwendung bei einem Übertragungssystem mit kohärentem Licht geeignet.
Als Verfahren zum Verbessern der Wellenlängen-Abstimmbarkeit eines Mehrelektroden-DFB-Halbleiterlasers kennt man eine als "Verstärkungsanhebung" (gain-Ievering) bekannte Methode. Das Prinzip der Verstärkungsanhebung ist diskutiert in K. Y. Lau, Appl. Phys. Lett., Vol. 57 (25), S. 2632-2634 (Dezember 1990). Diese Methode wird im folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 3 und 4 kurz erläutert.
Fig. 3 zeigt einen in der Verstärkung angehobenen DFB-Quan­ tenschicht-Halbleiterlaser (gain-levered DFB quantum well semi­ conductor laser). Fig. 4 ist eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Ladungsträgerdichte und der Verstär­ kung, die bei diesem in der Verstärkung angehobenen DFB-Quan­ tenschicht-Laser beobachtet wird. Wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, besitzt der Laser eine starke Nicht-Linearität, weil seine Verstärkung in der Zone hoher Ladungsträgerdichte in Sättigung geht.
Es wird angenommen, daß die Betriebspunkte der Zonen 1 und 2 des Lasers bei einem Punkt A (gleichmäßig angeregter Zustand) der in Fig. 4 gezeigten Kurve liegen. Wenn der in die Zone 1 injizierte Strom verringert wird, wodurch sich die Ladungs­ trägerdichte in der Zone 1 allmählich verringert, erhöht sich die Ladungsträgerdichte in der Zone 2 unter Aufrechterhaltung der Verstärkung auf den Anfangswert. Im Ergebnis verschieben sich die Betriebspunkte der Zonen 1 und 2 zu den Punkten B1 und B2 gemäß Fig. 4. Aufgrund der Nicht-Linearität der die Beziehung zwischen der Trägerdichte und der Verstärkung dar­ stellenden Kurve erhöht sich die mittlere Ladungsträgerdichte des Lasers, wenn die Betriebspunkte der Zonen 1 und 2 von dem Punkt A (gleichmäßige Erregung) zu den Punkten B1 und B2 (un­ gleichmäßige Erregung) verschoben werden. Die Schwingungswel­ lenlänge verschiebt sich deshalb zur Seite des kurzwelligen Lichts. (Das heißt, es erfolgt eine Blauverschiebung.) Auf­ grund der Stromänderung ändern sich die Verstärkung und die Ladungsträgerdichte (d. h. die Schwingungswellenlänge) stark in den Zonen 1 bzw. 2. Aus diesem Grund wird die Zone 1 als Verstärkungssteuerzone und die Zone 2 als Wellenlängen-Steu­ erzone betrachtet.
Wenn aufgrund des Effekts der Verstärkungsanhebung die Erre­ gung ungleichmäßig gemacht wird, damit also eine Blauver­ schiebung bewirkt wird, nimmt nicht nur die mittlere Ladungs­ trägerdichte zu, sondern auch die mittlere Stromdichte, und zwar als unvermeidliche Folge der Temperaturanhebung des La­ sers. Dieser Temperaturanstieg verursacht eine Rotverschie­ bung, welche die Blauverschiebung aufhebt. Folglich läßt sich der in der Verstärkung angehobene DFB-Quantenschicht-Laser nicht über einen so breiten Wellenlängenbereich abstimmen, wie man an sich erwarten könnte.
Im Fall eines Mehrelektroden-DFB-Halbleiterlasers ändert sich die Verteilung des Brechungsindex innerhalb des Resonators mit der Ladungsträgerdichte-Verteilung im Resonator. Folglich ändert sich die Wellenlänge, bei der der Laser eine Minimum- Schwellenverstärkung zum Schwingen benötigt, nicht. Anderer­ seits ändert die Änderung in der Verteilung des Brechungsin­ dex im Resonator die Phasenanpaßbedingung. Wenn die Wellen­ länge, bei der der Laser eine minimale Schwellenverstärkung zum Anschwingen benötigt, im Phasenanpaßzustand stets erfüllt wird, läßt sich erwarten, daß der Laser weiterhin stabil schwingt.
Bei dem herkömmlichen Mehrelektroden-DFB-Laser ist es je­ doch schwierig, gleichzeitig die Schwellenverstärkungs-Bedin­ gung und die Phasenanpaßbedingung zu steuern. Der herkömmli­ che Mehrelektroden-DFB-Laser schwingt stabil, jedoch nur in­ nerhalb eines kleinen Wellenlängenbereichs. Bei einem drei Elektroden aufweisenden Phasenverschiebungs-DFB-Laser bei­ spielsweise wird, wenn der in den Mittelabschnitt des Resona­ tors injizierte Strom erhöht wird, während die in die Endab­ schnitte injizierten Ströme auf einem konstanten Wert gehal­ ten werden, die Verteilung des Brechungsindex über die Länge des Resonators geändert, was unvermeidlich sowohl die Bedin­ gung der Schwellenverstärkung als auch die Phasenanpaßbedin­ gung ändert. Deshalb ist ein Modensprung, wie er in Fig. 19 dargestellt ist, unvermeidlich. Als Konsequenz ist der Wel­ lenlängenbereich, in welchem der Laser abgestimmt werden kann, innerhalb eines Schwingungstyps auf 1 nm oder weniger begrenzt.
Bei dem herkömmlichen Mehrelektroden-DFB-Laser gibt es ein weiteres Problem. Wenn ein Strom in jede Zone des Lasers in­ jiziert wird, verteilt sich nicht nur die Ladungsträger­ dichte, sondern auch die Temperatur ungleichförmig. Aufgrund der ungleichmäßigen Verteilung der Ladungsträgerdichte und der ungleichmäßigen Temperaturverteilung ist der Brechungsin­ dex, welcher sowohl von der Ladungsträgerdichte als auch von der Temperatur abhängt, nicht gleichförmig. Aufgrund dieser komplexen Schwingungsbedingungen ist es schwieriger, die Be­ triebsart des Mehrelektroden-DFB-Lasers zu steuern.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines wellenlängenab­ stimmbaren Halbleiterlasers mit Mehrelektroden-Aufbau und verteilter Rückkopplung, bei dem die gegenseitige Auslöschung von Trägereffekt und Wärmeeffekt unterdrückt wird, und der einen breiten abstimmbaren Wellenlängenbereich aufweist.
Diese Aufgabe wird jeweils durch die in den Patentansprüchen 1, 4, 6, 11 und 12 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Aus der EP 0 409 487 A2 ist ein dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 entsprechender, wellenlängenabstimmbarer Halbleiterlaser mit verteilter Rückkopplung bekannt, bei dem auf dem Halbleitersubstrat eine Wellenleiterschicht unter Zwischenlage eines Beugungsgitters ausgebildet ist. Auf der Wellenleiterschicht ist eine aktive Schicht und auf dieser wiederum eine Abdeckschicht angeordnet sind. Auf der Oberfläche des Halbleiterlasers sind segmentierte Elektroden vorgesehen, so daß sich die Stromdichten in den jeweiligen Halbleiterlaserabschnitten steuern lassen.
Kotaki J., Ishikawa, H: "Wavelenght tunable DFB and DBR lasers for coherent optical fibre communications" in GB-Z: IEE Proceedings-J, Vol. 138, No. 2, 1991, Seiten 171 bis 177, gibt einen Überblick über die Funktionsweise und den Entwicklungsstand bei der Wellenlängenabstimmung von Lasern mit verteilter Rückkopplung (DFB) und mit verteiltem Bragg-Reflektor (DBR), wobei untersucht wird, wie der maximale Wellenlängen- Abstimmungsbereich durch die maximale Änderung des Brechungsindex in dem Halbleitermaterial begrenzt wird.
In: Lee, T.-P.: "Recent Advances in Long-Wavelength Semiconductor Lasers for Optical Fiber Communication" in US-Z: Proceedings of the IEEE, Vol. 79, No. 3, März 1991, Seiten 253 bis 276, sind wellenlängenabstimmbare Halbleiterlaser mit verteilter Rückkopplung (DFB) sowie Laser mit mehreren Wärmesenken und verspannten Quantenschichten diskutiert, siehe zum Beispiel Fig. 23.
In der US 4 932 034 ist ein Halbleiterlaser mit verteilter Rückkopplung beschrieben, bei dem ein Beugungsgitter unterhalb der aktiven Schicht vorgesehen ist und auf der Oberfläche des Elements segmentierte Elektroden angeordnet sind, die parallel geschaltet sind und durch zwei Stromquellen gespeist werden.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines herkömmlichen, drei Elektroden aufweisenden Phasenverschiebungs-DFB-La­ sers;
Fig. 2A, 2B und 2C graphische Darstellungen zum Erläutern der Arbeitsweise des in Fig. 1 gezeigten Phasenverschie­ bungs-DFB-Lasers mit drei Elektroden;
Fig. 3 ein Diagramm zum Erläutern des im Stand der Technik erzielten Verstärkungsanhebungseffekts;
Fig. 4 eine graphische Darstellung, die den Effekt der Ver­ stärkungsanhebung im Stand der Technik erläutert;
Fig. 5 eine perspektivische Ansicht eines Phasenverschie­ bungs-DFB-Lasers, der in der Wellenlänge abstimmbar ist und drei Elektroden aufweist, sowie eine erste Aus­ führungsform der Erfindung bildet;
Fig. 6 eine Schnittansicht entlang der aktiven Schicht des Lasers nach Fig. 5;
Fig. 7A und 7B Schnittansichten entlang Linien, die senkrecht zu der aktiven Schicht des in Fig. 5 gezeigten Lasers verlaufen;
Fig. 8 eine Schnittansicht, die im einzelnen die aktive Schicht des Lasers nach Fig. 5 zeigt;
Fig. 9 eine Schnittansicht entlang der Streifen der aktiven Schicht des Halbleiterlasers gemäß einer zweiten Aus­ führungsform der Erfindung;
Fig. 10A und 10B Schnittansichten entlang Linien senkrecht zur aktiven Schicht des Lasers nach Fig. 9;
Fig. 11A und 11B graphische Darstellungen der Beziehung zwi­ schen der differentiellen Verstärkung und der La­ dungsträgerdichte sowie der Beziehung zwischen der differentiellen Verstärkung und der Stromdichte, bei dem in Fig. 9 gezeigten Halblei­ terlaser;
Fig. 12 eine Schnittansicht eines Halbleiterlasers gemäß ei­ ner dritten Ausführungsform der Erfindung, betrachtet in Längsrichtung des Resonators des Lasers;
Fig. 13A und 13B schematische Darstellungen der Bandstruktur in der Nähe der aktiven Schicht des Halbleiterlasers nach Fig. 12;
Fig. 14 eine Draufsicht auf den allgemeinen Aufbau eines Halbleiterlasers gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 15 eine Schnittansicht entlang den Streifen der aktiven Schicht des Halbleiterlasers nach Fig. 14;
Fig. 16 eine Schnittansicht entlang einer Linie senkrecht zu den Streifen der aktiven Schicht des Lasers nach Fig. 14;
Fig. 17 eine Schnittansicht, die im einzelnen die aktive Schicht des Lasers nach Fig. 14 zeigt;
Fig. 18A, 18B, 18C und 18D graphische Darstellungen, welche die Stromverteilung, die Verteilung der Ladungsträ­ gerdichte, die Temperaturverteilung und die Vertei­ lung des Brechungsindex des Resonators des Halblei­ terlasers nach Fig. 14 zeigen;
Fig. 19 eine graphische Darstellung der Beziehungen zwischen Schwingungswellenlänge und injiziertem Strom, bei dem Laser nach Fig. 14 und dem herkömmli­ chen, drei Elektroden aufweisenden DFB-Halb­ leiterlaser;
Fig. 20 eine Schnittansicht entlang einer Linie senkrecht zu den Streifen der aktiven Schicht eines Halbleiterla­ sers gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfin­ dung;
Fig. 21 eine Draufsicht auf den allgemeinen Aufbau eines Halbleiterlasers gemäß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung; und
Fig. 22 eine Schnittansicht entlang einer Linie senkrecht zu den Streifen der aktiven Schicht des Lasers nach Fig. 21.
Die vorliegende Erfindung betrifft einen wellenlängenabstimm­ baren Halbleiterlaser mit einem Mehrelektroden-DFB-Aufbau (einen Aufbau mit verteilter Rückkopplung), der einen Resona­ tor mit verteilter Rückkopplung und erste und zweite Elektro­ den zum unabhängigen Steuern der Stromdichten in dem ersten bzw. dem zweiten Abschnitt des Resonators aufweist. Der wel­ lenlängenabstimmbare Halbleiterlaser ist derart ausgebildet, daß die Temperaturänderungen sich stärker auswirken bei einer Änderung der Dichte des injizierten Stroms in dem ersten Ab­ schnitt des Resonators, verglichen mit dem zweiten Abschnitt des Resonators.
Um die Schwingungswellenlänge zu ändern, wird der Wärmeeffekt gegenüber dem Ladungsträgereffekt in dem ersten Abschnitt des Resonators verstärkt, wohingegen der Wärmeef­ fekt bezüglich des Trägereffekts im zweiten Abschnitt des Re­ sonators unterdrückt wird. Der Strom in dem ersten Abschnitt und der Strom in dem zweiten Abschnitt können erhöht bzw. verringert werden, um auf diese Weise die Schwingungswellenlänge bei der gleichen Ausgangsleistung zu ändern. Wenn der Strom im ersten Abschnitt erhöht wird, fördern der Wärmeef­ fekt und der Trägereffekt eine Rotverschiebung bzw. eine Blauverschiebung, jedoch ist die Rotverschiebung gegenüber der Blauverschiebung dominant, weil der Wärmeeffekt gestei­ gert wird. Wenn der Strom im zweiten Abschnitt verringert wird, begünstigen der Wärmeeffekt und der Ladungsträgereffekt die Blauverschiebung bzw. die Rotverschiebung, jedoch domi­ niert die Rotverschiebung, weil der Wärmeeffekt unterdrückt wird. Im Ergebnis tragen beide Abschnitte zur Rotverschiebung bei, und der Laser läßt sich in einem breiten Wellenlängenbe­ reich abstimmen. Da beide Zonen im Schwingungszustand blei­ ben, läßt sich auch dann eine schmale spektrale Linienbreite aufrechterhalten, wenn die Schwingungswellenlänge stark geän­ dert werden kann.
Es können verschiedene Maßnahmen getroffen werden, um die Temperatur in dem ersten Abschnitt stärker zu ändern als in dem zweiten Abschnitt aufgrund der Änderung der Dichte des injizierten Stroms. Derartige Maßnahmen sind:
1. Man kann dem ersten und dem zweiten Abschnitt unter­ schiedliche Wirkungsgrade bei der Wärmeübertragung verleihen. Z.B. können die Abschnitte derart geformt sein, daß der erste Abschnitt weniger Wärme verliert als der zweite Abschnitt. Genauer gesagt, wird der erste Abschnitt so geformt, daß er einen Mesa-Querschnitt entlang der Linie senkrecht zur Reso­ natorachse aufweist, während der zweite Abschnitt so geformt ist, daß er einen planaren oder Mesa-Querschnitt aufweist, der größer als der Mesa-Querschnitt des ersten Abschnitts ist. Wird von dieser Maßnahme Gebrauch gemacht, so hat der erste Abschnitt einen höheren Wärmewiderstand als der zweite Abschnitt, und die Temperatur steigt im ersten Abschnitt stärker an als im zweiten Abschnitt. Wie oben beschrieben wurde, tra­ gen also beide Abschnitte zur Rotverschiebung bei, so daß der Laser in einem großen Wellenlängenbereich abgestimmt werden kann, während eine schmale spektrale Linienbreite aufrechter­ halten bleibt.
Alternativ kann eine erste Schicht mit geringer spezifischer Wärmeleitfähigkeit zwischen der aktiven Schicht im ersten Ab­ schnitt und einer Wärmesenke ausgebildet werden, und die erste Schicht liegt im zweiten Abschnitt nicht zwischen der aktiven Schicht und der Wärmesenke, wodurch das gleiche Er­ gebnis erzielt wird. Es kann wünschenswert sein, daß der er­ ste Abschnitt einen Wärmewiderstand aufweist, der 30% oder mehr höher liegt als derjenige des zweiten Abschnitts. Falls dies so ist, kann der Temperaturunterschied zwischen dem er­ sten Abschnitt und der Wärmesenke um mindestens 30% größer als zwischen dem zweiten Abschnitt und der Wärmesenke sein. Dies führt zu einer signifikanten Differenz zwischen dem er­ sten und dem zweiten Abschnitt hinsichtlich des Wärmeeffekts auf die Schwingungswellenlänge.
2. Man kann dem ersten und dem zweiten Abschnitt ver­ schiedene elektrische Widerstandswerte verleihen. Beispiels­ weise hat mindestens ein Teil des Stromwegs zu der aktiven Schicht im ersten Abschnitt einen elektrisch höheren Wider­ stand als der entsprechende Teil des Stromwegs zu der aktiven Schicht des zweiten Abschnitts. Der Ausdruck "Stromweg" um­ faßt hier eine Halbleiter-Mantelzone, eine Kontaktzone, eine Metallverdrahtung o. dgl. Das Verfahren zur Beeinflussung des elektrischen Widerstands des Stromwegs kann in einer Än­ derung der Dotierstoffkonzentration, einer Dicken- oder Brei­ tenänderung oder in einer Änderung der Zusammensetzung der den Stromweg bildenden Halbleiterschicht bestehen. Ein alter­ natives Verfahren besteht darin, einen sogenannten Hetero­ übergang zu bilden, der eignen Ladungsträgerstrom sperrt. Man kann eine dünne Elektrode im ersten Abschnitt vorsehen, wäh­ rend im zweiten Abschnitt eine breite Elektrode verwendet wird. Bei dieser Maßnahme wird in dem ersten Abschnitt mehr Wärme erzeugt als im zweiten Abschnitt, wenn in beide Ab­ schnitte Ströme injiziert werden. Die durch die Verdrahtung oder den Elektrodenwiderstand verbrauchte Leistung wird in Wärme umgesetzt. (Grob gesagt, ist die sich ergebende Tempe­ raturänderung proportional zum Quadrat der Änderung des Stroms.) Als Ergebnis haben beide Abschnitte Anteil an der Förderung der Rotverschiebung, und der Laser läßt sich in ei­ nem breiten Wellenlängenbereich abstimmen, während eine schmale spektrale Linienbreite erhalten bleibt.
Genauer gesagt, ist es wünschenswert, daß der differentielle Widerstand des ersten Abschnitts das Zwei- oder Mehrfache des Widerstands des zweiten Abschnitts beträgt (5 Ω oder weni­ ger). Wenn der erste Abschnitt einen differentiellen Wider­ stand von 5 Ω oder mehr gegenüber dem zweiten Abschnitt auf­ weist, und der beiden Abschnitten zugeführte Strom eine Stärke von 200 mA hat, ist die Leistungsaufnahme im ersten Abschnitt um 0,2 W größer als im zweiten Abschnitt. Folglich ergibt sich ein signifikanter Unterschied hinsichtlich der Wärme, die von dem ersten und dem zweiten Ab­ schnitt erzeugt wird.
3. Man kann unterschiedliche Verhältnisse von wirkungslo­ sem Strom für den ersten und den zweiten Abschnitt vorsehen. Beispielsweise wird der erste Abschnitt derart ausgebildet, daß er einen größeren wirkungslosen Strom aufweist als der zweite Abschnitt. Genauer gesagt, wird ein höherer Leck­ strom in der vergrabenen Schicht erzwungen, die eine Seite der aktiven Schicht in dem ersten Abschnitt kon­ taktiert, verglichen mit dem zweiten Abschnitt. Alternativ können der erste und der zweite Abschnitt derart ausgebildet werden, daß die Ladungsträgerdichte in der aktiven Schicht sich mit der Stromdichte im ersten Abschnitt weniger ändert als im zweiten Abschnitt. Eine weitere Möglichkeit be­ steht darin, die Lebensdauer der Ladungsträger in der aktiven Schicht für den ersten Abschnitt kürzer zu machen als für den zweiten Abschnitt, beispielsweise mit Hilfe von Störstellen- Dotierung.
Ein weiteres Verfahren zum Einstellen verschiedener Verhält­ nisse von unwirksamem Strom für den ersten und den zweiten Abschnitt besteht darin, den Schichtaufbau der Abschnitte un­ terschiedlich zu gestalten, um auf diese Weise dazu beizutra­ gen, daß Elektronen die aktive Schicht im ersten Abschnitt in größerer Anzahl überschwemmen als im zweiten Abschnitt. Ge­ nauer gesagt, wird die Barriere der Quantenschicht im ersten Abschnitt weniger hoch oder dicker gemacht, oder es wird die Bandlücke in der Mantelschicht im ersten Abschnitt kleiner gemacht als im zweiten Abschnitt, damit mehr Elektro­ nen die aktive Schicht überfließen.
Wenn der erste Abschnitt dadurch ein höheres Verhältnis des wirkungslosen Stroms erhält, daß ein größerer Leckstrom in der vergrabenen Schicht des ersten Abschnitts ausgebildet wird als im zweiten Abschnitt, so wird im ersten Abschnitt mehr Wärme erzeugt als im zweiten Abschnitt. Deshalb tragen beide Abschnitte zu der Rotverschiebung bei, und der Laser läßt sich in einem breiten Wellenlängenbereich abstimmen, während eine schmale spektrale Linienbreite erhalten bleibt.
Wünschenswert ist es, daß der zu dem ersten Abschnitt ge­ führte wirkungslose Strom, der nicht für die angeregte Emis­ sion verwendet wird, um ein Vielfaches größer ist als der Strom, der dem zweiten Abschnitt zugeführt wird. Wenn der ef­ fektive Strom und der wirkungslose Strom 200 mA bzw. 100 mA betragen und der Spannungsabfall 1,5 V beträgt, so erzeugt der erste Abschnitt gegenüber dem zweiten Abschnitt um 0,15 W mehr Wärme.
4. Man verleiht der Ladungsträgerdichte für den ersten Abschnitt eine höhere differentielle Verstärkung als für den zweiten Abschnitt und verleiht so hinsichtlich der Dichte des injizierten Stroms dem ersten Abschnitt eine geringere diffe­ rentielle Verstärkung als dem zweiten Abschnitt. Diese Maß­ nahme läßt sich erreichen, indem man hinsichtlich der La­ dungsträgerdichte für den ersten Abschnitt eine größere dif­ ferentielle Verstärkung einstellt als für den zweiten Ab­ schnitt, und indem man die Änderung der Ladungsträgerdichte, die durch die Änderung des injizierten Stroms verursacht wird, mit Hilfe der im Abschnitt 3 angegebenen Methode redu­ ziert. Die differentielle Verstärkung läßt sich bezüglich der Ladungsträgerdichte im ersten Abschnitt durch ein anderes Verfahren erhöhen, bei dem der Effekt der Verstärkungsanhe­ bung dadurch erhöht ist, daß die Arbeitspunkte des ersten und des zweiten Abschnitts geändert werden oder die aktiven Schichten des ersten und des zweiten Abschnitts mit unter­ schiedlichen Strukturen ausgebildet werden.
Bei den in den Abschnitten 3 und 4 beschriebenen Maßnahmen muß der Strom im ersten Abschnitt mehr geändert werden als im zweiten Abschnitt, um in der aktiven Schicht die gleiche Än­ derung der Ladungsträgerdichte zu erzielen. Deshalb ändert sich die Temperatur in dem ersten Abschnitt mehr als in dem zweiten Abschnitt, wodurch beide Abschnitte die Rotverschie­ bung begünstigen. Folglich läßt sich der Laser in einem brei­ ten Wellenlängenbereich unter Beibehaltung einer schmalen spektralen Linienbreite abstimmen.
Die Stromdichte J und die Ladungsträgerdichte N in der akti­ ven Schicht, welche die Schwellenwert-Schwingungswellenlänge beherrschen, haben folgende Beziehung zueinander:
N/J = (l - Rof) × τn/(e · d) (1),
wobei Rof das Verhältnis eines Überlaufstroms, τn die Lebens­ dauer der Ladungsträger in der aktiven Schicht, e eine elek­ trische Elementarladung, und d die Dicke der aktiven Schicht bezeichnen. Der Wert τn wird reduziert, um die Ladungsträgerdichte in der aktiven Schicht zu ändern, oder es wird der Wert Rof erhöht, um die Anzahl von Elektronen zu ändern, die die aktive Schicht überfließen (d. h. das Verhältnis des wirkungslosen Stroms), um dadurch das Verhältnis N/J für den ersten Ab­ schnitt zu verringern.
Wenn der erfindungsgemäße Halbleiterlaser in der Betriebsart mit angehobener Verstärkung betrieben wird, arbeitet der zweite Abschnitt, in dem sich die Wellenlänge stark mit Ände­ rungen der Ladungsträgerdichte ändert, als Wellenlängen-Steu­ erzone. Im Betrieb mit Anhebung der Verstärkung ist die dif­ ferentielle Verstärkung hinsichtlich der Ladungsträgerdichte in dem Wellenlängen-Steuerabschnitt größer als in der ersten Zone, die als Verstärkerzone fungiert. Folglich ist der Ver­ größerungsfaktor α der Linienbreite im zweiten Abschnitt größer, was den Ladungsträgereffekt betont. Wie im Abschnitt 4 angegeben ist, ist die differentielle Verstärkung bezüglich der Ladungsträgerdichte, Γ dG/dN, im zweiten Abschnitt klei­ ner als im ersten Abschnitt, während die differentielle Ver­ stärkung bezüglich der Stromdichte, Γ dG/dJ, im ersten Ab­ schnitt kleiner als im zweiten Abschnitt ist. Γ ist der Lichteingrenzungskoeffizient und G ist die Verstärkung.
Hieraus folgt, daß die erste bis vierte Maßnahme kombinierbar sind. Selbst wenn die numerische Differenz kleiner ist als es oben erläutert wurde, ist es möglich, zu unterscheiden zwi­ schen dem Wärmeeffekt im ersten Abschnitt und demjenigen im zweiten Abschnitt.
5. Man kann auf einer Seite jedes Abschnitts eine Tempe­ ratursteuerelektrode anordnen. In einem Halbleiterlaser mit mehreren aufgeteilten Elektroden, die entlang den Streifen des lichtemittierenden Abschnitts beabstandet sind, enthält jede aufgeteilte Elektrode mindestens zwei Elektroden, die in einer Ebene senkrecht zu den Streifen verlaufen. Über diese Elektroden werden Ströme in die zwei Abschnitte des lichte­ mittierenden Abschnitts derart injiziert, daß die Temperatu­ ren dieser Abschnitte sich unterschiedlich ändern, wenn sich die in den lichtemittierenden Abschnitt injizierten Ströme pro Längeneinheit der Streifen ändern.
Beispiele dieser Maßnahme sind folgende:
  • a) Die zwei Elektroden sind derart angeordnet, daß der Abstand zwischen der ersten Elektrode und der aktiven Schicht sich von demjenigen zwischen der zweiten Elektrode und der aktiven Schicht unterscheidet, und zwar in einer Ebene, die senkrecht zur Resonatorachse verläuft.
  • b) Die zwei Elektroden sind derart ausgebildet, daß der Widerstand zwischen der ersten Elektrode und der aktiven Schicht sich vom Widerstand zwischen der zweiten Elektrode und der aktiven Schicht unterscheidet.
  • c) Es werden Heizmittel verwendet, um den Bereich entlang des Resonators zu erhitzen, anstatt zwei Elektroden auszubil­ den.
Abgesehen von den oben angegebenen Maßnahmen lassen sich fol­ gende Maßnahmen gemäß der Erfindung ergreifen:
  • 1) Der zweite Abschnitt wird auf der Vorderseite des La­ sers angeordnet (d. h. auf der lichtemittierenden Seite), und der vorderen bzw. der hinteren Spiegelfläche wird ein gerin­ ges bzw. ein hohes Reflexionsvermögen verliehen. Bei dem zwei Elektroden aufweisenden DFB-Laser, dessen vordere und hintere Facette verschiedene Reflexionsvermögen aufweisen, konzen­ triert sich das elektrische Feld des Lichts im Resonator an der hinteren Facette, und der Brechungsindex des hinteren Ab­ schnitts hat großen Anteil an den Wellenlängenänderungen. Die Lichtausgabe hängt stark von dem in den an der lichtemittie­ renden Fläche gelegenen Abschnitt injizierten Strom ab. Um eine Rotverschiebung durch den Wärmeeffekt zu erreichen, ohne die Lichtabgabe zu ändern, muß man den Strom im lichtemittie­ renden Abschnitt geringfügig reduzieren und den Strom im hin­ teren Abschnitt stark erhöhen. Hierdurch wird der Wärmeeffekt im hinteren Abschnitt erhöht, was eine noch stärkere Änderung der Schwingungswellenlänge ermöglicht.
  • 2) Zur Bildung der Phasenverschiebungszone eines Beu­ gungsgitters im mittleren Abschnitt eines Mehrelektroden-DFB- Lasers, dessen Resonator aus mindestens drei Abschnitten be­ steht, oder des Mittelabschnitts und der beiden Endabschnitte wird vorzugsweise eine Beschichtung mit geringem Reflexions­ vermögen auf jeder Laserfacette gebildet. Erwünscht ist, daß kL gleich 2 oder größer als 2 ist, wobei k der Kopplungskoeffizient die­ ses Beugungsgitters und L die Resonatorlänge ist. Der Wärme­ effekt im mittleren Abschnitt verstärkt sich, wodurch sich die Schwingungswellenlänge stärker ändern läßt.
  • 3) Man verwendet eine verspannte Quantenschicht (strained quantum well layer) für mindestens einen Teil der aktiven Schicht. Die Verwendung einer verspannten Quanten­ schicht mit einer hohen differentiellen Verstärkung für die aktive Schicht verbessert die Kennwerte der aktiven Schicht oder kompensiert deren Kennlinienbeeinträchtigung. Außerdem erhöht die verspannte Quantenschicht die Frei­ heit für die differentielle Verstärkung und die Schwellen- Trägerdichte. In anderen Worten, die Trägerschicht läßt sich bei diesem Aufbau modifizieren, um den Effekt der Verstär­ kungsanhebung sehr stark hervorzuheben.
  • 4) Man wendet die Stromgegenkopplung an, beispielsweise über den ersten Abschnitt, um eine automatische Frequenzrege­ lung (AFC) zu erreichen. Erfindungsgemäß hat der erste Ab­ schnitt größeren Anteil an den Wellenlängenänderungen als der zweite Abschnitt, weil der Wärmeeffekt im ersten Abschnitt stärker betont wird als im zweiten Abschnitt. Um die AFC zu erreichen, wäre es besser, die Stromgegenkopplung oder Fre­ quenzmodulation auf den ersten Abschnitt statt auf den zwei­ ten Abschnitt anzuwenden. Bei dieser Maßnahme wird eine zu­ verlässige AFC erreicht.
  • 5) Man verwendet einen Abschlußwiderstand, eine Netzla­ dung o. dgl., um Hochgeschwindigkeitssignale zu zumindest einen Abschnitt, beispielsweise dem ersten Abschnitt, zu lei­ ten, um auf diese Weise eine Frequenzmodulation zu erreichen. Dieses Verfahren unterstützt den Effekt der sehr schnellen und sehr effizienten Frequenzmodulation. Das thermische An­ sprechverhalten sollte so schnell sein, daß eine Hochge­ schwindigkeits-Frequenzmodulation gewährleistet ist. Erfin­ dungsgemäß ist das thermische Ansprechverhalten so schnell, daß es im Sub-Nanosekundenbereich liegt, da die Wärmequelle sich in der Nähe der aktiven Schicht befindet.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Fig. 5 bis 8 zeigen einen wellenlängenabstimmbaren, drei Elektroden aufweisenden DFB-Halbleiterlaser gemäß einer er­ sten Ausführungsform der Erfindung. Fig. 5 ist eine perspek­ tivische Ansicht des Lasers. Fig. 6 ist eine Schnittansicht entlang des Streifens der aktiven Schicht des Lasers. Fig. 7A ist eine Schnittansicht des Mittelabschnitts (d. h. des ersten Abschnitts) des Lasers, betrachtet entlang einer Linie senk­ recht zu dem Streifen der aktiven Schicht. Fig. 7B ist eine Schnittansicht eines der Endabschnitte (d. h. des zweiten Ab­ schnitts) des Lasers, betrachtet entlang einer Linie senk­ recht zu dem Streifen der aktiven Schicht. Fig. 8 ist eine Schnittansicht, die im einzelnen die aktive Schicht des Halb­ leiterlasers zeigt.
Der Laser enthält ein n-leitendes InP-Substrat 1, eine aktive Schicht 2 (einschließlich einer Wellenleiterschicht), die auf dem Substrat 1 ausgebildet ist, eine p-leitende InP-Mantel­ schicht 3, die auf der aktiven Schicht 2 ausgebildet ist, eine p-leitende InGaAs-Kontaktschicht 4 für ohmschen Kontakt, gebildet durch Mesa-Streifen und ausgebildet auf der Mantel­ schicht 3, eine die Mesa-Streifen begrabende, p-leitende InP- Schicht 6, eine n-leitende InP-Schicht 7, eine p-leitende In- GaAsP-Schicht 8 und eine undotierte InGaAsP-Schicht 9. Diese aktiven Schichten wurden durch chemische Niederschlagung aus der Dampfphase, speziell durch Anwendung des metallorganischen CVD-Verfahrens hergestellt.
Wie in Fig. 8 im einzelnen zu sehen ist, enthält die aktive Schicht einen verspannten Quantenschichtaufbau, wobei eine un­ tere Lichtleitschicht 23 auf der Unterseite der verspannten Quantenschicht ausgebildet ist, und eine obere Lichtleit­ schicht 24 auf der Oberseite der verspannten Quantenschicht gebildet ist. Der Schichtaufbau besteht aus gestreckten Lochschichten 21 und Barrierenschichten 22, die einander ab­ wechseln. Die Schichten 21 bestehen aus In0,7Ga0,3As und ha­ ben eine Dicke von 3 nm. Die untere Lichtleitschicht 23 be­ steht aus InGaAsP mit einer Dicke von 30 nm. Die obere Licht­ leitschicht 24 besteht aus InGaAsP und hat eine Dicke von 100 nm. In der Schicht 24 ist ein Beugungsgitter 25 ausgebildet. Die Barrierenschicht 22 hat eine Dicke von 10 nm, ist bezüg­ lich des InP gitterangepaßt und besteht aus InGaAsP mit einer Zusammensetzung, die einer Wellenlänge von 1,3 µm entspricht. Das Beugungsgitter 25 ist in die p-leitende InP-Schicht ver­ graben. Das Beugungsgitter 25 besitzt eine Phasenverschie­ bungszone 26 am Mittelpunkt des Laser-Resonators.
Wie am besten in Fig. 5 und 6 zu sehen ist, definieren Nuten 10 drei Abschnitte des Halbleiterlasers, nämlich einen Mit­ telabschnitt 11 und Endabschnitte 12 und 13. Ohmsche p-lei­ tende Elektroden 14a, 14b und 14c aus Au/Zn/Au sind auf den ohmschen Kontaktschichten 4 ausgebildet, ausgenommen die Ab­ schnitte in der Nähe der Nuten 10. Die Elektrode 14a im Mit­ telabschnitt 11 besitzt eine Breite von 4 µm. Die Elektroden 14b und 14c an den beiden Endabschnitten 12 und 13 haben eine Breite von 20 µm. Wegen der unterschiedlichen Breiten der ohmschen Elektroden 14a, 14b und 14c besitzt der mittlere Ab­ schnitt 11 einen Kontaktwiderstand von 10 Ω, während die Endabschnitte 12 und 13 einen Kontaktwiderstand von 5 Ω auf­ weisen.
Wie aus den Fig. 5 und 7A ersichtlich ist, besitzt der Mit­ telabschnitt 11 zwei parallele Mesa-Nuten 15 in der Oberseite. Diese Nuten 15 definieren zwischen sich einen Mesa-Streifen mit einer Breite von 7 µm. Jede Mesa-Nut 15 wurde gebildet, indem die entsprechenden Teile der InGaAsP-Schichten 8 und 9 entfernt wurden.
Auf denjenigen Abschnitten der ohmschen Kontaktschichten 4, die nicht von den ohmschen p-leitenden Elektroden 14a, 14b und 14c bedeckt sind, ist eine Isolierschicht 16 gebildet. Jeweils aus Cr/Au bestehende Verdrahtungen 17a, 17b und 17c sind auf den ohmschen Kontaktschichten 4 und der Isolier­ schicht 16 ausgebildet.
Bondstellen 18a, 18b und 18c aus Ti/Pt/Au, die jeweils als Verdrahtung dienen, sind auf den Verdrahtungen 17a, 17b bzw. 17c gebildet. Der Ti/Pt/Au-Draht 18a ist an der Seitenfläche der Nut 15 an der Streifenseite teilweise entfernt. Die rest­ liche Cr/Au-Schicht 17a fungiert als Widerstandsschicht mit einem Reihenwiderstand von etwa 10 Ω. Die n-leitende ohmsche Elektrode 19 ist auf der Unterseite des InP-Substrats 1 aus­ gebildet.
Der Halbleiterlaser-Chip ist etwa 1 mm lang, etwa 300 µm breit und etwa 80 µm dick. Der Mittelabschnitt 11 ist etwa 400 µm lang, während die Endabschnitte 12 und 13 etwa 300 µm lang sind. Die Facetten des Chips sind durch Spalten gebil­ det. Sie sind mit einer Schicht 20 überzogen, die ein Refle­ xionsvermögen von lediglich 1% oder weniger besitzen. Das Beugungsgitter 25 besitzt einen Kopplungskoeffizienten k von 30 cm-1.
Der Laserchip wird auch mit Hilfe eines AuSn-Lots auf einer Wärmesenke montiert. Die Wärmesenke, die als Masseelektrode fungiert, wird mit Hilfe eines Temperatursensors und eines Peltierelements auf einer vorbestimmten Temperatur gehalten. Jede Elektrodenstelle 18 wird durch Bonden mit einer auf ei­ nem Keramiksubstrat ausgebildeten Spannungsversorgungsleitung verbunden. Die in die Abschnitte 11, 12 und 13 injizierten Ströme können unabhängig voneinander gesteuert werden. Der Laserchip, die Wärmesenke, der Temperatursensor und das Keramik­ substrat werden in ein Lasermodul eingebaut, zusammen mit ei­ ner Optik, die dazu verwendet wird, den Laserchip mit einer optischen Ausgangsfaser, einem optischen Isolator, einer Aus­ gangs-Monitor-Photodiode u. dgl. zu verbinden.
Wie aus der Beschreibung hervorgeht, erfolgt eine auto­ matische Leistungsregelung (APC) bei der ohmschen Elektrode 14b an der lichtemittierenden Seite, da die Lichtabgabe in starkem Maß von dem in den Abschnitt 12 injizierten Strom ab­ hängt, wobei der Abschnitt 12 sich in der Nähe der lichtemit­ tierenden Facette befindet, während eine automatische Fre­ quenzregelung (AFC) bei der ohmschen Elektrode 14a des Mit­ telabschnitts 11 stattfindet, da der Mittelabschnitt 11 mehr beiträgt zu den Wellenlängenänderungen als die Endabschnitte 12 und 13. Zur Erreichung einer Hochgeschwindigkeits-FSK-Mo­ dulation am Halbleiterlaser wird der ohmschen Elektrode 14a über einen Impedanzanpaßwiderstand ein Modulationsstrom zuge­ führt. In diesem Fall kann als ein Teil dieses Impedanzan­ paßwiderstands zumindest ein Teil eines Widerstands verwendet werden, dessen Widerstandswert größer als derjenige des zwei­ ten Abschnitts.
Der in Fig. 5 dargestellte, wellenlängenabstimmbare Laser ar­ beitet grundsätzlich nach denselben Prinzipien wie der in Fig. 1 gezeigte herkömmliche Laser. Der Halbleiterlaser nach Fig. 5 ist in der Lage, eine vorherrschendere Rotverschiebung zu erreichen, da der Temperaturanstieg in starkem Maß von dem erhöhten Strom abhängt, der dem Mittelabschnitt 11 zugeführt wird. Genauer gesagt, der Serienwiderstand aus der Elektrode 14a, dem Draht 17a und dem Elektrodenfleck 18a beträgt etwa 18 Ω mehr als der Serienwiderstand der Endabschnitte 12 und 13. Die aufgrund des hohen Serienwiderstands erzeugte Wärme wird über einen Kanal in der Nähe der aktiven Schicht 2 in die Wärmesenke geleitet. Die Temperatur der aktiven Schicht 2 steigt weit höher an als bei dem in Fig. 1 gezeigten herkömm­ lichen wellenlängenabstimmbaren Laser. Dies ist der Grund da­ für, daß man eine starke Rotverschiebung in dem Halbleiterla­ ser nach Fig. 5 erzielt.
Der Effekt der selektiven Sättigung (hole burning effect) trägt ebenfalls zur Rotverschiebung bei, wie es bei dem in Fig. 1 gezeigten herkömmlichen wellenlän­ genabstimmbaren Laser der Fall ist. Die erforderliche Tempe­ raturänderung ist deshalb geringer als bei einem reinen tem­ peraturgesteuerten wellenlängenabstimmbaren Laser, während die Zuverlässigkeit höher ist als bei letzterem. Da die se­ lektive Sättigung unterdrückt ist, nimmt die Gesamtträger­ dichte ab, obschon die Trägerdichte des Mittelabschnitts zu­ nimmt, und der Trägereffekt trägt nicht zu der Blauver­ schiebung, sondern zu der Rotverschiebung bei.
Um die Wellenlänge zu ändern, während die Ausgangsleistung konstant gehalten wird, muß man die in die Endabschnitte 12 und 13 gelangenden Ströme reduzieren, indem man den in den Mittelabschnitt 11 injizierten Strom erhöht. Die aus der Ab­ nahme der Trägerdichten in den Abschnitten 12 und 13 resul­ tierende Rotverschiebung dient zur Unterdrückung der selekti­ ven Sättigung. Die aus dem Wärmeeffekt in den Abschnitten 12 und 13 resultierende Blauverschiebung ist möglicherweise pro­ blematisch. Der Einfluß der Blauverschiebung wird aber erfin­ dungsgemäß aus folgendem Grund unterdrückt.
Da der Endabschnitt 12 sich in der Nähe der lichtemittieren­ den Fläche befindet, beeinflußt der in den Abschnitt 12 inji­ zierte Strom die Lichtabgabe stärker als der in den Mittelab­ schnitt 12 injizierte Strom. Damit brauchen die in die Endab­ schnitte 12 und 13 gelangenden Ströme nicht so stark redu­ ziert werden wie der in den Mittelabschnitt 11 gelangende Strom erhöht wird, wenn die Ausgangsleistung unverändert ge­ halten werden soll. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel er­ höht die vom Mittelabschnitt 11 kommende Wärme beide Endab­ schnitte 12 und 13 beträchtlich, was unvermeidlich die Licht­ abgabe verringert. Um diese verringerte Lichtabgabe zu kom­ pensieren, gibt es in den Abschnitten 12 und 13 etwas größere Ströme. Die Reduzierung des Stroms in den Abschnitten 12 und 13 ist, falls notwendig, sehr geringfügig. Da die Verringe­ rung der Ströme in den Endabschnitten 12 und 13 klein ist und die Wärme von dem Mittelabschnitt 11 in die Abschnitte 12 und 13 übertragen wird, erfolgt praktisch kein Temperaturabfall in den Endabschnitten 12 und 13. Dies ist der Grund, warum die durch den Wärmeeffekt verursachte Blauverschiebung unter­ drückt wird.
Deshalb läßt sich der oben beschriebene Laser innerhalb eines breiten Wellenlängenbereichs abstimmen, während der Laser im DFB-Einzelmodenbetrieb schwingt, d. h. während das Ausgangs­ licht auf einem konstanten Wert gehalten wird. Da außerdem die aktive Schicht 2 des Lasers einen verspannten Quanten­ schicht-Aufbau mit einer hohen differentiellen Verstärkung auf­ weist, ist der Laser vorteilhaft gegenüber dem herkömmlichen wellenlängenabstimmbaren Laser hinsichtlich der Schwellen- Schwingungswellenlänge, der maximalen Ausgangsleistung, der spektralen Schwingungs-Linienbreite u. dgl.
Bei dem drei Elektroden aufweisenden wellenlängenabstimmbaren DFB-Halbleiterlaser nach der ersten Ausführungsform, bei der beide Facetten mit einer Beschichtung niedrigen Reflexions­ vermögens ausgestattet sind, beeinflußt die Elektrode des Mittelabschnitts, die ein starkes elektrisches Feld aufweist, die Wellenlänge des Ausgangslichts stärker als die Elektroden der Endabschnitte, und die Elektroden der Endabschnitte, die eng benachbart zu der lichtemittierenden Fläche angeordnet sind, beeinflussen die Stärke des Ausgangslichts stärker als die Elektrode im Mittelabschnitt. Erfindungsgemäß hat der Mittel­ abschnitt, der die Wellenlänge des Ausgangslichts beeinflußt, hauptsächlichen Einfluß auf den Wärmeeffekt und wird deshalb als erster Abschnitt verwendet. Aber selbst wenn der Mittel­ abschnitt als zweiter Abschnitt eingesetzt wird, erreicht man die gleichen Vorteile wie bei der ersten Ausführungsform (Fig. 5). Auch erzielt man den gleichen Vorteil, wenn der La­ ser so modifiziert wird, daß er einen Phasensteuerabschnitt aufweist, eine asymmetrische Struktur besitzt, Abschnitte be­ sitzt, die sich im Aufbau von der aktiven Schicht und dem Beugungsmuster unterscheiden, mehrere verteilte Phasenver­ schiebungszonen besitzt, auf jeder Seite ein Fenster und keine aktive Schicht besitzt, und eine lichtemittierende, ge­ neigte Fläche besitzt, die nicht senkrecht zu dem Streifen der aktiven Schicht verläuft.
Ein abstimmbarer DFB-Halbleiterlaser nach einer zweiten Aus­ führungsform der Erfindung soll im folgenden unter Bezugnahme auf die Fig. 9, 10A und 10B sowie Fig. 11A und 11B beschrie­ ben werden. Fig. 9 ist eine Schnittansicht entlang des Strei­ fens der aktiven Schicht des Lasers. Fig. 10A ist eine Schnittansicht entlang einer Linie senkrecht zur aktiven Schicht des ersten Abschnitts 111 des Lasers nach Fig. 9. Fig. 10B ist eine Schnittansicht entlang einer Linie senk­ recht zu der aktiven Schicht des Seitenabschnitts 112 des in Fig. 9 gezeigten Lasers. Fig. 11A und 11B sind graphische Darstellungen der Beziehung zwischen der differentiellen Ver­ stärkung und der Trägerdichte sowie der Beziehung zwischen der differentiellen Verstärkung und der Trägerdichte sowie der Beziehung zwischen der differentiellen Verstärkung und der Stromdichte, jeweils betrachtet bei dem Laser nach Fig. 9.
Es handelt sich hier um einen zwei Elektroden aufweisenden, wellenlängenabstimmbaren DFB-Laser mit einem selbst ausge­ richteten, eingeschnürten Mesa-Aufbau (SACM-Aufbau). Der La­ ser enthält ein n-leitendes InP-Substrat 1, eine aktive Quan­ tenschicht 2, die auf dem Substrat 1 ausgebildet ist, eine auf der aktiven Schicht 2 ausgebildete, p-leitende InP- Mantelschicht 3 und zwei p-leitende, ohmsche Kontakte bil­ dende InGaAs-Schichten 4 auf der Mantelschicht 3. Die aktive Schicht 2, die Mantelschicht 3 und die Kontaktschichten 4 sind mit Hilfe des organischen Metall-CVD-Verfahrens gebil­ det. Der Laser enthält außerdem ein auf der aktiven Schicht 2 ausgebildetes Beugungsgitter 25 und eine auf demjenigen Ab­ schnitt der aktiven Schicht 2, der in dem ersten Abschnitt 111 ausgebildet ist, geformte Zinkdiffusionsschicht 102. Die ohmschen Kontaktschichten 4 sind voneinander beabstandet und bilden zwischen sich eine Nut 10. Die zwei ohmschen Kontakt­ schichten 4 sind Komponenten der Abschnitte 111 bzw. 112. Derjenige Abschnitt der Mantelschicht 3, auf dem keine ohm­ sche Kontaktschicht gebildet ist, ist mit einer SiO2-Schicht 16 bedeckt.
Wie in Fig. 10A und 10B gezeigt ist, sind beide Abschnitte 111 und 112 ähnlich wie ein schmaler Mesa geformt. Der Ab­ schnitt 111 besitzt eine ohmsche Elektrode 14a und einen Bonddraht (Luftbrücken-Draht) 18a, der mit einem (nicht gezeigten) Bond­ flecken verbunden ist. In ähnlicher Weise besitzt der zweite Abschnitt 112 eine ohmsche Elektrode 14b und einen Bond­ draht 18b, der an den anderen (nicht gezeigten) Bondflec­ ken angeschlossen ist. Eine gemeinsame n-leitende ohmsche Elektrode 19 ist auf der Unterseite des Substrats 1 ausgebil­ det. Der erste Abschnitt 111 ist etwa 600 µm lang, der zweite Abschnitt 112 ist etwa 300 µm lang. Diejenige Facette des La­ sers, die ein Ende des ersten Abschnittes 111 besitzt, ist mit einer hochreflektierenden Beschichtung 120 beschichtet, während die entgegengesetzte Facette des Lasers, die ein Ende des zweiten Abschnitts 112 bildet, mit einer Beschichtung 20 geringen Reflexionsvermögens beschichtet ist. Obschon nicht gezeigt, wird der Laserchip zusammen mit anderen optischen Bauelementen, Stromversorgungsleitungen und einer Temperatur­ steuereinrichtung in ein Lasermodul eingebaut.
Da die aktive Schicht des ersten Abschnitts 111 mit Zink do­ tiert ist, bei dem es sich um ein p-Leitung hervorrufendes Dotiermittel handelt, hat der erste Abschnitt 111 eine größere differentielle Verstärkung als der zweite Abschnitt 112 hinsichtlich der Ladungsträgerdichte. Allerdings beträgt die Lebensdauer τn der Ladungsträger des ersten Abschnitts 111 lediglich 0,3 ns, während die Lebensdauer τn der Ladungs­ träger in dem zweiten Abschnitt 112 2 ns beträgt, was unver­ meidlich darauf zurückzuführen ist, daß der erste Abschnitt 111 mit Zink dotiert ist. Wie aus der obigen Gleichung (1) hervorgeht, muß die Stromdichte im ersten Abschnitt 111 um ein Vielfaches mehr geändert werden als im zweiten Abschnitt 112, um dadurch die Ladungsträgerdichte im ersten Abschnitt 111 so stark wie im zweiten Abschnitt 112 zu ändern.
Da das Zink auch in die vergrabenen, homogenen Übergänge in beiden Seiten der aktiven Schicht 2 eindotiert ist, ist in diesen Übergängen die Rekombinations-Lebensdauer der Ladungs­ träger kürzer als im übrigen Teil der aktiven Schicht 2. Das Verhältnis des Leckstroms ist deshalb im ersten Abschnitt 111 höher als im zweiten Abschnitt 112. Wie aus Fig. 11B ersicht­ lich ist, ist die differentielle Verstärkung im ersten Ab­ schnitt 111 hinsichtlich der Stromdichte kleiner als im zwei­ ten Abschnitt 112. Im Ergebnis ist der unwirksame Stromfluß im ersten Abschnitt 111 größer als der unwirksame Stromfluß im zweiten Abschnitt 112. Anders ausgedrückt, der größere An­ teil des Stroms, der in dem ersten Abschnitt 111 verbraucht wird, wird in Wärme umgesetzt.
Im folgenden wird der Betrieb der zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiterlasers unter Bezugnahme auf die Fig. 11A und 11B erläutert. Zunächst handelt es sich bei den Arbeitspunkten der Abschnitte 111 und 112 um die in Fig. 11A dargestellten Punkte A1 und A2. Wenn nun der Strom im ersten Abschnitt 111 zu dem Wert B1 hin verstärkt wird, während der Strom im zweiten Abschnitt 112 auf den Wert B2 verringert wird, ändert sich die Schwingungswellenlänge des Lasers, wäh­ rend die Leistung des aus dem Ende des zweiten Abschnitts 112 emittierten Lichts kaum geändert wird. Im ersten Abschnitt 111 ist die Zunahme der Trägerdichte gering, und die Zunahme der Stromdichte ist beträchtlich. Die durch den Wärmeeffekt bedingte Rotverschiebung ist daher wesentlich größer als die durch den Trägereffekt bewirkte Blauverschiebung. In dem zweiten Abschnitt 112 ist die Abnahme der Stromdichte gering, und deshalb ist der Temperaturabfall, falls überhaupt vorhan­ den, gering. Die durch den Wärmeeffekt bedingte Blauverschie­ bung ist mithin vernachlässigbar. Allerdings herrscht die Rotverschiebung im zweiten Abschnitt 112 wegen des Trägeref­ fekts vor, da die differentielle Verstärkung hinsichtlich der Trägerdichte klein ist und damit der Linienbreiten-Vergröße­ rungsfaktor α groß ist.
Im Ergebnis läßt sich mit dem Laser eine größere Rotverschie­ bung als bei dem herkömmlichen Mehrelektroden-DFB-Laser er­ reichen. Während die Rotverschiebung vonstatten geht, arbei­ tet der Laser nach der zweiten Ausführungsform der Erfindung weiter im Einzelmoden-DFB-Betrieb. Selbst wenn die spektrale Linienbreite sich geringfügig durch die leckstrombedingte La­ dungsträgerschwankung erhöht, kann der Laser eine schmale Li­ nienbreite aufrechterhalten, die schmaler ist als bei einem DBR-Laser mit passiver Wellenleiterschicht. Wegen der effek­ tiven Nutzung sowohl des Wärmeeffekts als auch des Trägeref­ fekts kann der Laser mehr Leistung mit höherer Zuverlässig­ keit abgeben als ein Laser des Typs, bei dem lediglich der Wärmeeffekt zur Wellenlängenabstimmung beiträgt.
Bei der zweiten Ausführungsform beeinflußt die in der Nähe der Facette mit der hochreflektierenden Beschichtung gelegene Elektrode die Wellenlänge des Ausgangslichts stärker als die Elektrode, die in der Nähe der lichtabgebenden Facette mit der Beschichtung 20 geringen Reflexionsvermögens gelegen ist, und die in der Nähe der lichtabgebenden Fläche gelegene Elek­ trode beeinflußt die Stärke des Ausgangslichts stärker als die Elektrode in der Nähe der mit dem hochreflektierenden Überzug versehenen Facette. Folglich wird die APC-Rückkopp­ lung an die Elektrode 14b gelegt, wohingegen die AFC-Rück­ kopplung an die Elektrode 14a gelegt wird. Den gleichen Vor­ teil erhält man, wenn der Laser nach der zweiten Ausführungs­ form in verschiedener Weise modifiziert wird, wie es oben für die erste Ausführungsform angegeben wurde.
Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Fig. 12 und 13A und 13B eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiterlasers beschrieben. Fig. 12 ist eine Schnittansicht eines Halbleiterlasers gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung, betrachtet entlang der Länge des Laser-Resona­ tors. Fig. 13A und 13B sind schematische Darstellungen der Bandstruktur in der Nähe der aktiven Schicht des Lasers.
Es handelt sich hier um einen zwei Elektroden aufweisenden, wellenlängenabstimmbaren DFB-Laser, der einen selbstausge­ richteten, eingeschnürten Mesa-Aufbau (SACM-Aufbau) aufweist. Der Laser enthält ein n-leitendes InP-Substrat 1, eine auf dem Substrat 1 ausgebildete Wellenleiterschicht 200, eine auf der Schicht 200 ausgebildete, undotierte InP-Ätzstopp­ schicht 201, eine auf der Schicht 201 ausgebildete aktive Quantenschicht 2, eine weitere auf der Schicht 201 aus­ gebildete aktive Quantenschicht 202, eine auf den aktiven Schichten 2 und 202 ausgebildete InP-Mantelschicht 3 und zwei p-leitende, ohmsche Kontakte bildende InGaAsP-Schichten 4, die auf der Mantelschicht 3 ausgebildet sind. Die Lichtlei­ terschicht 200, die Ätzstoppschicht 201, die aktiven Schichten 2 und 202, die Mantelschichten 3 und die ohmschen Kontaktschichten 4 sind nach dem organischen Metall-CVD-Ver­ fahren gebildet. Die Wellenleiterschicht 200 besteht aus un­ dotiertem InGaAsP aus einer Zusammensetzung, die eine Band­ lücke von 1,1 µm besitzt. Die Ätzstoppschicht 201 hat eine Dicke von 10 nm. Die Mantelschicht 3 ist aus p-leitendem InP gebildet.
Der Laser enthält weiterhin ein an der Grenzstelle zwischen dem Substrat 1 und der Wellenleiterschicht 200 ausgebildetes Beugungsgitter 25. Die Wellenleiterschicht 200 besitzt eine Dicke von 100 nm und hat eine im wesentlichen flache Ober­ seite. Wie in Fig. 13A gezeigt ist, besitzt die aktive Quan­ tenschicht 2 des ersten Abschnitts 211 eine Barrieren­ schicht 221 aus InGaAsP aus einer Zusammensetzung mit einer Bandlücke von 1,3 µm. Wie in Fig. 13B dargestellt ist, be­ sitzt die aktive Quantenschicht 202 des zweiten Ab­ schnitts 212 eine Barrierenschicht 222, die aus InGaAsP einer Zusammensetzung mit einer Bandlücke von 1,1 µm gebildet ist. Jede Quantenschicht 220 besteht aus In0,53Ga0,47As, ist 8 nm dick und besitzt 10 Quantenlöcher. Barrierenschichten 221a und 222a, beide sandwichartig zwischen der Ätzstoppschicht 201 und der untersten Lochschicht ausgebildet, besitzen eine Dicke von 30 nm. Barrierenschichten 221b und 222b, beide sandwichartig zwischen der obersten Lochschicht und der p­ leitenden Mantelschicht 3 ausgebildet, besitzen eine Dicke von 70 nm. Barrierenschichten 221c und 222c, beide sandwich­ artig zwischen den Lochschichten 220 eingefaßt, besitzen eine Dicke von 12 nm.
Der Laser mit dem oben angegebenen Aufbau läßt sich dadurch herstellen, daß man die Wellenleiterschicht 200, die Kanal­ stoppschicht 201 und die aktiven Schichten 2 oder 220 bil­ det, dann die überflüssigen Bereiche der aktiven Schicht 2 oder 202 und auch die nicht benötigten Abschnitte der Ätz­ stoppschicht 201 entfernt und schließlich durch Wachstum die restlichen Abschnitte der aktiven Schicht 202 oder 2 bil­ det. Außerdem können den aktiven Schichten 2 und 202 unter­ schiedliche Ladungsträger-Lebensdauern verliehen werden, in­ dem das Material dotiert wird oder die Wachstumsbedingungen gesteuert werden.
Die beiden ohmschen Kontaktschichten 4 sind voneinander beab­ standet und bilden zwischen sich eine Nut 10. Auf den ohm­ schen Kontaktschichten 4 sind p-leitende ohmsche Elektroden 14a bzw. 14b ausgebildet. Derjenige Oberseitenabschnitt der Mesa-Struktur, auf dem keine ohmsche Kontaktschicht ausgebil­ det ist, ist mit einer SiO2-Schicht 16 bedeckt. Drähte 18a und 18b sind an einem Ende der ohmschen Elektroden 14a bzw. 14b angebracht und stehen mit ihrem anderen Ende mit nicht gezeigten Bondflecken in Verbindung. Eine gemeinsame n-lei­ tende ohmsche Elektrode 19 ist auf der Unterseite des Sub­ strats 1 gebildet. Der erste Abschnitt 211 ist etwa 400 µm lang, der zweite Abschnitt 212 ist etwa 200 µm lang. Dieje­ nige Facette des Lasers, die am Ende des ersten Abschnitts 211 liegt, ist mit einer hochreflektierenden Beschichtung 120 versehen, während die gegenüberliegende Facette des Lasers, die ein Ende des zweiten Abschnitts 212 bildet, mit einer Be­ schichtung 20 geringen Reflexionsvermögens beschichtet ist.
Obschon nicht dargestellt, wird der Laserchip wie beim zwei­ ten Ausführungsbeispiel zusammen mit optischen Bauelementen, Stromversorgungsleitungen und Temperatursteuermitteln in ein Lasermodul eingebaut. Eine APC-Rückkopplung wird an die Elek­ trode 14b und eine AFC-Rückkopplung an die Elektrode 14a ange­ schlossen.
Im folgenden wird die Arbeitsweise der dritten Ausführungs­ form des erfindungsgemäßen Halbleiterlasers erläutert. Insbesondere wird beschrieben, wie die Rotverschiebung der Wellenlänge erfolgt, wenn die Ströme in den Abschnitten 211 und 212 erhöht bzw. verringert werden, während die Aus­ gangsleistung an der lichtemittierenden Fläche, die mit einem Überzug 20 geringen Reflexionsvermögens versehen ist, auf ei­ nem konstanten Wert gehalten wird.
Das Leitungsband zwischen der Lochschicht 220 und der Barrie­ renschicht 221 der aktiven Schicht 2 besitzt eine Band-Dis­ kontinuität ΔEc von etwa 61 meV. Der Quantenpegel in der Lochschicht 220 ist um 35 meV höher als die Bandkante. Damit besitzt jedes Loch des ersten Abschnitts 211 lediglich eine Quantenpegel-Tiefe von etwa 26 meV. Die Hälfte oder mehr von sämtlichen zugeführten Elektronen überfließt die zweidimen­ sionale Elektronendichte der Löcher bei einem hohen Stromin­ jektionspegel.
Andererseits besitzt das Leitungsband zwischen der Loch­ schicht 220 und der Barrierenschicht 222 der aktiven Schicht 202 eine Band-Diskontinuität ΔEc von etwa 113 meV. Der Quan­ tenpegel in der Lochschicht 220 hat von der Bandkante einen Abstand von 45 meV. Jedes in dem zweiten Abschnitt 212 gebil­ dete Loch besitzt eine Quantenpegeltiefe von etwa 68 meV. Das Verhältnis der die zweidimensionale Elektronendichte des Lochs überströmenden Elektronen ist bei einem hohen Stromin­ jektionspegel niedrig.
Der erste Abschnitt 211, in dem jedes Quantenloch hinsicht­ lich des Quantenpegels flach ist, besitzt eine längere Spit­ zenverstärkungswellenlänge als der zweite Abschnitt 212, in welchem jedes Quantenloch hinsichtlich des Quantenpegels tief ist. Folglich wird die Schwingungswellenlänge bezüglich der Spitzenverstärkungswellenlänge in dem ersten Abschnitt 211 auf eine kürzere Wellenlänge eingestellt als im zweiten Ab­ schnitt 212. Die differentielle Verstärkung bezüglich der La­ dungsträgerdichte hat hinsichtlich der Spitzenverstärkung bei kürzerer Wellenlänge die Neigung, größer zu sein. Deshalb ist es möglich, für den ersten Abschnitt 212 eine größere diffe­ rentielle Verstärkung einzustellen als für den zweiten Ab­ schnitt 212, bezogen auf die Ladungsträgerdichte. Alternativ kann eine größere differentielle Verstärkung bezüglich der Stromdichte für den zweiten Abschnitt 212 eingestellt werden, da das Verhältnis des unwirksamen Stroms im zweiten Abschnitt 212 niedriger ist als im ersten Abschnitt 211. Weiterhin ist es wie beim zweiten Ausführungsbeispiel möglich, die diffe­ rentielle Verstärkung hinsichtlich der Ladungsträgerdichte noch weiter zu erhöhen, um die differentielle Verstärkung hinsichtlich der Stromdichte noch weiter zu verringern, indem man die aktive Schicht im zweiten Abschnitt 2 dotiert. Als Ergebnis hat die differentielle Verstärkung eine solche Be­ ziehung bezüglich der Ladungsträgerdichte und der Strom­ dichte, wie sie in Fig. 11A und 11B dargestellt ist.
Der durch die Rekombination der überlaufenden Elektronen be­ dingte unwirksame Strom ist daher im ersten Abschnitt 211 größer als im zweiten Abschnitt 212. Die Verstärkungsände­ rung, verursacht durch den injizierten Strom, ist im ersten Abschnitt 211 weniger ausgeprägt als im zweiten Abschnitt 212, und die Temperatur steigt im ersten Abschnitt 211 stär­ ker an als im zweiten Abschnitt 212. Somit vergrößert der im ersten Abschnitt 211 erreichte Wärmeeffekt die Rotverschie­ bung wie beim zweiten Ausführungsbeispiel. Der Temperaturab­ fall im zweiten Abschnitt 212, falls überhaupt vorhanden, ist so gering, daß die durch die Ladungsträgerverringerung be­ wirkte Rotverschiebung vorherrschend ist. In anderen Worten, der Laser nach der dritten Ausführungsform der Erfindung er­ zielt eine vorherrschende Rotverschiebung.
Bei der dritten Ausführungsform ist es nicht absolut notwen­ dig, daß die beiden Abschnitte 211 und 212 hinsichtlich der Verstärkungs-Ladungsträgerdichten-Beziehung und der Verstär­ kungs-Stromdichten-Beziehung gegenläufig sind, wie dies in Fig. 11A und 11B gezeigt ist. Der oben beschriebene Vorteil kann auch dadurch erhalten werden, daß man die Abschnitte 211 und 212 hinsichtlich des Beitrags des Wärmeeffekts und des Beitrags des Ladungsträgereffekts ungleich macht. Be­ sonders wirksam ist es, wenn die in Fig. 11A dargestellte Be­ ziehung Verstärkung/Ladungsträgerdichte und die in Fig. 11B dargestellte Beziehung Verstärkung/ Stromdichte in dem ersten Abschnitt 211 und dem zweiten Abschnitt 212 gelten. Das dritte Ausführungsbeispiel läßt sich auf verschiedene Weise modifizieren, so wie das erste Aus­ führungsbeispiel in der oben erläuterten Weise modifiziert wurde.
Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Fig. 14, 15 und 16 ein Mehrelektroden-DFB-Halbleiterlaser gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Fig. 14 ist eine Draufsicht auf den allgemeinen Aufbau dieses Lasers. Fig. 15 ist eine Schnittansicht entlang des Streifens der aktiven Schicht des Lasers. Fig. 16 ist eine Schnittansicht entlang einer Linie senkrecht zu dem Streifen der aktiven Schicht.
Der Laser enthält ein n-leitendes InP-Substrat 301, ein auf dem Substrat 301 gebildetes Beugungsgitter 302, eine auf dem Gitter 302 gebildete aktive Schicht (einschließlich der Wel­ lenleiterschicht), eine halbisolierende, p-leitende InP- Schicht 304, die unter Einbettung der Seiten der mesaförmigen aktiven Schicht 303 gebildet ist, eine auf der aktiven Schicht 303 und der halbisolierenden Schicht 304 ausgebil­ dete, p-leitende InP-Mantelschicht 305, und eine auf der Man­ telschicht 305 ausgebildete, p-leitende Kontaktschicht 306 aus InGaAs. Die Schichten 303, 304, 305 und 306 sind durch das organische Metall-CVD-Verfahren gebildet. Die Kontakt­ schicht 306 ist durch eine SiO2-Schicht 307 in mehrere Teile bei den jeweiligen Elektroden unterteilt. Zwei Kontaktschich­ ten 306 sind entlang des Streifens der aktiven Schicht 303 gebildet, d. h. in Längsrichtung des Laser-Resonators.
Der Mehrelektroden-DFB-Halbleiterlaser setzt sich aus drei Abschnitten entlang des Resonators zusammen. Jeder Abschnitt ist 300 µm lang. Der Laser enthält außerdem eine Phasenver­ schiebungszone 311, die im Mittelabschnitt des Beugungsgit­ ters 302 ausgebildet ist. Die Phasenverschiebungszone 311 entspricht einer viertel Wellenlänge. Beide Facetten des La­ sers, durch Spalten gebildet, sind mit einer SiNx-Schicht 312 überzogen, die ein Reflexionsvermögen von nur 1% oder darun­ ter besitzt. In Fig. 14 bedeuten die gestrichelten Linien die Stelle, an der der Streifen der aktiven Schicht 303 gelegen ist.
Wie in Fig. 17 im einzelnen dargestellt ist, wird die aktive Schicht 303 mit einer Quantenschicht-Struktur ausgebildet, wobei eine untere InGaAsP-Lichtleitschicht 333 an der Unterseite der Quantenschicht-Struktur und eine obere InGaAsP-Lichtleit­ schicht 334 an der Oberseite der Quantenschicht-Struktur gebil­ det ist. Die Quantenschicht-Struktur besteht aus InGaAsP-Loch- Schichten 331 und InGaAsP-Barrierenschichten 332, die einan­ der abwechseln. Die Lochschichten 331 haben eine Dicke von 6 nm, die Barrierenschichten 332 eine Dicke von 10 nm. Die un­ tere Lichtleitschicht 333 besitzt eine Dicke von 70 nm, und die obere Lichtleitschicht 334 hat eine Dicke von 30 nm.
Bei der vierten Ausführungsform sind auf den unterteilten Zo­ nen aufgeteilte, p-leitende ohmsche Elektroden 308 aus Au/Zn/Au ausgebildet. Jede ohmsche Elektrode 308 umfaßt eine erste und eine zweite Elektrode 308a und 308b, die parallel zur Richtung des Resonators gebildet sind. Verdrahtungs/Bond- Flecken 309a aus Cr/Au stehen in Kontakt mit der Elektrode 308a, und Verdrahtungs/Bond-Flecken 309b aus Cr/Au stehen in Kontakt mit den Elektroden 308b.
Die ersten Elektroden 308a befinden sich gerade oberhalb der aktiven Schicht 303, und die zweiten Elektroden 308b sind von den ersten Elektroden 308a beabstandet. Die Elektroden 308a und 308b sind in einer Ebene senkrecht zur Länge des Resona­ tors angeordnet, wie aus Fig. 16 hervorgeht, bei der es sich um eine Schnittansicht entlang einer Linie senkrecht zu den Streifen der Schicht 303 handelt. Auf der Unterseite des Sub­ strats 301 ist eine n-leitende Elektrode 310 als ohmsche Kon­ taktelektrode gebildet.
Der Laserchip wird auf einer Wärmesenke (d. h. Masseelektrode) mit Hilfe eines AuSn-Lots montiert. Die als Masseelektrode fungierende Wärmesenke wird mit Hilfe eines Temperatursensors und eines Peltier-Elements auf einer vorbestimmten Temperatur gehalten. Die Bondstellen 309a und 309b werden durch Bonden mit auf einem Keramiksubstrat ausgebildeten Stromversorgungs­ leitungen verbunden. Die in die Abschnitte des Lasers zu in­ jizierenden Ströme lassen sich deshalb unabhängig voneinander steuern.
Der Kontaktwiderstand jeder ersten Elektrode 308a und derje­ nige jeder zweiten Elektrode 308b beträgt 10 Ω, so daß die durch die Kontaktwiderstände an der Elektroden 308a und 308b erzeugte Wärme ein großer Teil der gesamten Wärme ist, die erzeugt wird, wenn Ströme in die Abschnitte des Lasers inji­ ziert werden. Jede erste Elektrode 308a ist von der aktiven Schicht 303 um eine Strecke beabstandet, die kürzer ist als der Abstand zwischen jeder zweiten Elektrode 308b und der ak­ tiven Schicht 303. Folglich trägt die Elektrode 308a in größerem Maß als die Elektrode 308b dazu bei, die Temperatur der aktiven Schicht 303 zu ändern, wenn der in den Abschnitt injizierte Strom variiert wird.
Genauer gesagt, bestimmt sich die Anzahl von in die aktive Schicht 303 in­ jizierten Ladungsträgern durch die Summe der Ströme, die von den Elektroden 308a und 308b in den einen Ab­ schnitt injiziert werden, während die Temperatur der aktiven Schicht 303 nicht nur von der Summe der genannten Ströme ab­ hängt, sondern auch vom Verhältnis eines dieser Ströme zu dem anderen Strom. Hieraus folgt, daß in jedem Abschnitt des La­ sers die Summe der von den Elektroden 308a und 308b kommenden Ströme geändert und dadurch die Verteilung der Ladungsträger­ dichte über die Länge des Resonators geändert wird, und außerdem das Verhältnis der von den Elektroden 308a und 308b gelieferten Ströme geändert wird, wodurch die Temperaturver­ teilung entlang der Resonatorlänge gesteuert wird. Dies er­ möglicht die Steuerung der Verteilung des Brechungsindex un­ abhängig von der Verteilung der Ladungsträgerdichte innerhalb des Resonators. Im Ergebnis kann der Laser in einem stabilen Schwingungszustand bei jeder gewünschten Ladungsträgerdich­ ten-Verteilung bleiben.
Im folgenden wird die Arbeitsweise der vierten Ausführungs­ form unter Bezugnahme auf Fig. 18A bis 18D erläutert. Fig. 18A bis 18D veranschaulichen die Stromverteilung, die Vertei­ lung der Ladungsträgerdichte, die Temperaturverteilung und die Verteilung des Brechungsindex, sämtlich beobachtet bei dem Resonator des Lasers nach Fig. 14, wenn unterschiedliche Ströme in die Laserabschnitte injiziert werden.
Wenn in den Mittelabschnitt ein größerer Strom injiziert wird als in den Endabschnitt, wie es in Fig. 18A gezeigt ist, steigt die Ladungsträgerdichte im Mittelabschnitt um ΔN stär­ ker an als in den Endabschnitten, wie aus Fig. 18B ersicht­ lich ist. Gleichzeitig steigt die Temperatur des Mittelab­ schnitts um ΔT über diejenige des Endabschnitts an, wie aus Fig. 18C ersichtlich ist. Der Brechungsindex jedes Abschnitts erhöht sich im Verhältnis zur Temperatur und umgekehrt pro­ portional zur Trägerdichte. Folglich kann der Brechungsindex des Mittelabschnitts höher oder niedriger sein als an jedem der Endabschnitte, abhängig davon, wie stark ΔN und ΔT den Brechungsindex beeinflussen. Wieviel ΔN und ΔT zum Brechungs­ index beitragen, hängt nicht nur von der Struktur des Bauele­ ments, sondern auch von den Vorströmen ab, die in die Elek­ troden 308a und 308b eingespeist werden.
Bei einem λ/4-Phasenschieber-DFB-Laser beispielsweise sollte die Differenz Δn zwischen dem Brechungsindex des Mittelab­ schnitts und demjenigen eines Endabschnitts unter einen ge­ wissen Wert reduziert werden, damit die Schicht beim Schwin­ gungstyp 0-ter Ordnung arbeiten kann. Bei dem herkömmlichen drei Elektroden aufweisenden DFB-Laser jedoch ist es unmög­ lich, die Verteilung der Ladungsträgerdichte und die Tempera­ turverteilung unabhängig zu steuern. Es ist dann unvermeid­ lich, daß eine solche Differenz im Brechungsindex Δn, die nicht einen Modensprung aus der Mode 0-ter Ordnung veranlaßt, nur innerhalb eines sehr schmalen Bereichs beim herkömmlichen DFB-Laser mit drei Elektroden erhalten werden kann. Folglich läßt sich der herkömmliche Laser nicht innerhalb eines brei­ ten Wellenlängenbereichs abstimmen.
Bei der vierten Ausführungsform der Erfindung wird das Ver­ hältnis zwischen den Strömen, die aus der ersten und der zweiten Elektrode 308a und 308b injiziert werden, geändert, und dadurch wird die Temperatur der aktiven Schicht 303 geän­ dert, ohne dabei die Anzahl von in die aktive Schicht 303 in­ jizierten Ladungsträgern zu ändern. Folglich lassen sich ΔN und ΔT unabhängig voneinander steuern. Die Differenz im Bre­ chungsindex Δn kann man so erhalten, daß sie in einen Bereich fällt, bei dem kein Sprung aus der Mode 0-ter Ordnung er­ folgt, abhängig weder von dem Temperaturverlauf noch von dem Vorstrom des Bauelements.
Um den Brechungsindex im Mittelabschnitt zu erhöhen, reicht es aus, den in den Mittelabschnitt von entweder der ersten Elektrode 308a oder der zweiten Elektrode 308b injizierten Strom zu erhöhen, um dadurch das Verhältnis zwischen diesen Strömen größer zu machen. Um den Brechungsindex im Mittelab­ schnitt zu verringern, reicht es aus, das Verhältnis zwischen diesen Strömen zu verkleinern. In dem in den Fig. 18A bis 18D dargestellten Fall wird der aus der ersten Elektrode 308a in den Mittelabschnitt geleitete Strom erhöht, was das Verhält­ nis dieses Stroms zu dem aus der zweiten Elektrode 308b inji­ zierten Strom heraufsetzt und dadurch die Temperatur im Mit­ telabschnitt anhebt, ohne die Ladungsträgerdichteverteilung zu ändern, so daß schließlich der Brechungsindex gleichmäßig im Mittelabschnitt verteilt ist. Der Laser nach der vierten Ausführungsform läßt sich daher in einem stabilen Schwin­ gungszustand halten und läßt sich ohne Modensprung in einem breiten Wellenlängenbereich abstimmen. Da der Laser einen stabilen Schwingungsbetrieb beibehält, läßt sich eine schmale spektrale Linienbreite des Lasers erreichen, und man kann eine Abstimmung in einem großen Wellenlängenbereich vorneh­ men.
Die Anwendung der Erfindung ist nicht beschränkt auf den Be­ trieb 0-ter Ordnung eines λ/4-Phasenschieber-DFB-Lasers. Vielmehr ist die Erfindung auch einsetzbar bei dem Schwin­ gungstyp positiver oder negativer erster Ordnung und läßt sich bei einem Resonator verwenden, der keine Phasenverschie­ bungszone besitzt. Um den λ/4-Phasenschieber-DFB-Laser entwe­ der für die Mode erster Ordnung zu betreiben oder einen DFB- Laser ohne Phasenschieberzone zu betreiben, reicht es aus, das Verhältnis zwischen den aus den Elektroden 308a und 308b in jeden Abschnitt injizierten Ströme auf einen solchen Wert einzustellen, daß die Differenz im Brechungsindex Δn auf ei­ nem solchen Wert bleibt, der den gewünschten Schwingungstyp stabilisiert.
Im folgenden wird ein Mehrelektroden-DFB-Halbleiterlaser nach einer fünften Ausführungsform der Erfindung anhand der Fig. 20 beschrieben. Fig. 20 ist eine Schnittansicht entlang einer Linie senkrecht zu den Streifen der aktiven Schicht des Halb­ leiterlasers. Dieser Laser ist identisch mit der vierten Aus­ führungsform, mit der Ausnahme, daß zwei Elektroden 308a und 308b vorgesehen sind, die unterschiedliche Kontaktwiderstände besitzen und dazu dienen, verschiedene Ströme in den Ab­ schnitt zu injizieren, um so die Temperaturänderung in den aktiven Schichten des Lasers zu steuern.
Die p-leitenden InGaAs-Kontaktschichten 306a und 306b besit­ zen verschiedene Konzentrationen einer eine p-Leitung bewirkenden Dotierung, und sie besitzen verschiedene Kontaktwiderstände, d. h. 10 Ω und 5 Ω. Damit hat die auf der Kontaktschicht 306a gebildete Elektrode 308a mehr Anteil an der Temperaturände­ rung der aktiven Schicht als die Elektrode 308b, die auf der Kontaktschicht 306b gebildet ist. Die Verteilung der Ladungs­ trägerdichte und die Verteilung des Brechungsindex im Resona­ tor des Lasers lassen sich unabhängig voneinander dadurch steuern, daß lediglich die Summe der Ströme, die aus den Elektroden 308b und 308b in jeden Abschnitt injiziert werden, und das Verhältnis eines dieser Ströme zu dem anderen wie beim vierten Ausführungsbeispiel geändert wird.
In jedem Abschnitt dieses Lasers sind die Elektroden 308a und 308b von der aktiven Schicht 303 um die gleiche Entfernung beabstandet. Statt dessen kann die Elektrode 308a dichter an der aktiven Schicht 303 gelegen sein als die Elektrode 308b gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel, und die Temperatur läßt sich stärker ändern, auch wenn das Verhältnis zwischen den aus den Elektroden 308a und 308b injizierten Ströme un­ verändert bleibt.
Im folgenden wird eine sechste Ausführungsform eines Mehr­ elektroden-DFB-Halbleiterlasers unter Bezugnahme auf die Fig. 21 und 22 beschrieben. Fig. 21 ist eine Draufsicht auf den allgemeinen Aufbau des Lasers, und Fig. 22 ist eine Schnittansicht entlang einer Linie senkrecht zu den Streifen der aktiven Schicht des Lasers. In Fig. 21 bezeichnen die ge­ strichelten Linien die Lage der Streifen der aktiven Schicht.
Wie bei der vierten Ausführungsform ist unterhalb der aktiven Schicht 303 ein Beugungsgitter 302 gebildet. Im Mittelab­ schnitt des Beugungsgitters 302 ist eine Phasenverschiebungs­ zone 311 ausgebildet. Die Zone 311 entspricht einer viertel Wellenlänge. Beide, durch Spalten gebildete Spiegelflächen des Lasers sind mit einer SiNx-Schicht 312 beschichtet, die ein Reflexionsvermögen von nur 1% oder weniger besitzt.
Auf der aktiven Schicht 303 ist eine p⁺-leitende InP-Mantel­ schicht 305a mit hoher Zn-Konzentration gebildet. Die aktive Schicht 303 und die Mantelschicht 305a sind wie ein Mesa ge­ ätzt und geformt. Eine halbisolierende, p-leitende InP- Schicht 304 ist unter Einbettung der mesaförmigen aktiven Schicht 303 und der mesaförmigen Mantelschicht 301 gebildet.
Auf der halbisolierenden, p-InGaAs-Schicht 304 ist eine p⁻- leitende InP-Mantelschicht 305b mit geringer Zn-Konzentration ausgebildet. Auf der InP-Mantelschicht 305b ist eine p-In- GaAs-Kontaktschicht 306 gebildet, die durch einen SiO2-Iso­ lierfilm 307 in mehrere Abschnitte bei den jeweiligen Elek­ troden unterteilt ist.
Die p-leitende ohmsche Elektrode 308b ist direkt oberhalb der aktiven Schicht 303 gelegen. Die p-leitenden ohmschen Elek­ troden 308a sind auf beiden Seiten der Elektrode 308b mit Ab­ stand von dieser angeordnet. Die Mantelschicht 305a, die eine hohe Zn-Konzentration besitzt, hat geringen Widerstand, wäh­ rend die Mantelschicht 305b aufgrund der geringen Zn-Konzen­ tration hohen Widerstand besitzt. Damit erzeugt jede Mantel­ schicht 305b mehr Wärme als die Mantelschicht 305a. In ande­ ren Worten: Die in beiden Mantelschichten 305b erzeugte Wärme stellt einen größeren Anteil der Gesamtwärme dar, wenn die Ströme in den Laser injiziert werden.
Der Widerstand zwischen der aktiven Schicht 303 und der je­ weiligen Elektrode 308a ist größer als der Widerstand zwi­ schen der aktiven Schicht 303 und der Elektrode 308b. Folg­ lich trägt jede ohmsche Elektrode 308a mehr zu der Tempera­ turänderung der aktiven Schicht 303 bei als die ohmsche Elek­ trode 308b. Die Verteilung der Ladungsträgerdichte und die Brechungsindex-Verteilung in dem Laser-Resonator lassen sich unabhängig voneinander dadurch steuern, daß lediglich die Summe der in jeden Abschnitt aus den Elektroden 308a und 308b injizierten Ströme und das Verhältnis des aus der Elektrode 308a injizierten Stroms zu dem von der Elektrode 308b inji­ zierten Strom geändert wird, wie es bei der oben beschriebe­ nen vierten und fünften Ausführungsform der Fall ist.
Wie stark die Temperatur der aktiven Schicht 303 sich ändert, wird durch die Wärme, die in der aktiven Schicht 303 erzeugt wird, außerdem durch die Wärme, die in den Kontaktab­ schnitten zwischen den beiden Elektroden 308a und der Schicht 303 sowie zwischen der Elektrode 308b und der Schicht 303 er­ zeugt wird, und ferner durch die Wärme bestimmt, die in solchen Abschnit­ ten der Mantelschicht 305 erzeugt wird, die sandwichartig zwischen der jeweiligen Elektrode 308a und der Schicht 303 sowie zwischen der Elektrode 308b und der Schicht 303 einge­ schlossen sind. Bei der vierten Ausführungsform reduziert sich die in der Mantelschicht 305 erzeugte Wärme auf ein Mi­ nimum, und die gleiche Wärmemenge wird an dem Kontaktbereich zwischen der Elektrode 308a und der Schicht 303 und dem Kon­ taktbereich zwischen der Elektrode 308b und der Schicht 303 erzeugt, und die Elektroden 308a und 308b haben verschiedene Abstände von der aktiven Schicht 303. Bei der fünften Ausfüh­ rungsform reduziert sich die an der Mantelschicht 305 er­ zeugte Wärme auf ein Minimum, die Elektroden 308a und 308b befinden sich in der gleichen Entfernung von 02882 00070 552 001000280000000200012000285910277100040 0002004310578 00004 02763der aktiven Schicht 303, und es werden unterschiedliche Wärmemengen an dem Kontaktbereich zwischen der Elektrode 308a und der Schicht 303 einerseits und dem Kontaktbereich zwischen der Elektrode 308b und der Schicht 303 andererseits erzeugt. Bei der sechsten Ausführungsform reduziert sich die an der Man­ telschicht 305 erzeugte Wärme auf ein Minimum, und die Menge der an der Mantelschicht 305b erzeugten Wärme wird erhöht, um so die Temperaturänderung aufgrund des Verhältnisses des von der jeweiligen Elektrode 308a injizierten Stroms zu dem von der Elektrode 308b injizierten Stroms zu erhöhen.
Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen und in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Jede Ausführungsform besitzt einen InGaInAs-wellenlängenabstimmba­ ren Laser. Nichtdestoweniger läßt sich die Erfindung anwenden bei wellenlängenabstimmbaren Lasern aus verschiedenen anderen Stoffen, wie InGaAlAs, AlGaInAs, AlGaInP, InGaAsSb, ZnCdSSe u. dgl. Das im Rahmen der Erfindung verwendete Substrat muß kein n-leitendes Substrat sein. Der sich in einer Ebene senkrecht zur Länge des Resonators erstreckende Laser muß nicht in eine Halbleiterschicht eingebettet sein. Außerdem ist die aktive Schicht nicht auf eine aktive Quantenschicht beschränkt. Darüber hinaus braucht das Beugungsgitter sich nicht über den gesamten Resonator hinweg zu erstrecken. Es kann auch lediglich an dessen Endabschnitten vorgesehen sein.
Der eingebettete Laseraufbau ist nicht auf den BH-Typ oder den oben erwähnten SACM-Typ beschränkt. Außerdem kann der er­ findungsgemäße Laser so modifiziert werden, daß er in andere Elemente integriert wird oder ein Feld zusammen mit anderen Elementen bildet.
Wie im einzelnen erläutert wurde, ändert sich erfindungsgemäß die Temperatur im ersten Abschnitt des DFB-Resonators stark und in dessen zweitem Abschnitt gering, und zwar aufgrund der Änderung der in diese Abschnitte injizierten Ströme. Die ge­ genseitige Auslöschung des Trägereffekts und des Wärmeeffekts wird deshalb unterdrückt, und deshalb kann der erfindungsge­ mäße Laser kontinuierlich innerhalb eines breiten Wellenlän­ genbereichs abgestimmt werden, verglichen mit dem herkömmli­ chen DFB-Laser.
Der erfindungsgemäße Laser besitzt eine Einrichtung zum Steu­ ern der Ladungsträgerdichte-Verteilung und der Temperaturver­ teilung über die Länge des Resonators unabhängig voneinander. Deshalb kann der Laser einen stabilen Schwingungszustand für eine gegebene Ladungsträgerdichte-Verteilung beibehalten und läßt sich in einem breiten Wellenlängenbereich abstimmen.

Claims (12)

1. Wellenlängenabstimmbarer Halbleiterlaser, umfassend ein Halbleitersubstrat (1) mit einer ersten und einer zweiten Hauptfläche;
einen Resonator mit verteilter Rückkopplung durch ein Beugungsgitter (25), der eine aktive Schicht (2) und eine Mantelschicht (3) aufweist und auf der ersten Hauptfläche des Substrats (1) gebildet und streifenförmig ausgestaltet ist, wobei der Resonator unterteilt ist in einen ersten Abschnitt (11) und mindestens einen zweiten Abschnitt (12, 13), die entlang des Resonators ausgerichtet sind, und eine auuf dem ersten und dem mindestens einen zweiten Abschnitt (11, 12, 13) des Resonators ausgebildete erste und mindestens eine zweite Elektrode (14a, 14b, 14c) zum Steuern der Stromdichten in dem ersten und dem mindestens einen zweiten Abschnitt (11, 12, 13) unabhängig voneinander, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Temperatur in dem ersten Abschnitt (11) aufgrund von Änderungen der in den ersten und den mindestens einen zweiten Abschnitt (11, 12, 13) injizierten Ströme mehr ändert als in dem mindestens einen zweiten Abschnitt (12, 13), indem der erste und der mindestens eine zweite Abschnitt (11, 12, 13) derart ausgebildet sind, daß der Wärmewiderstand im ersten Abschnitt (11) größer ist als in dem mindestens einen zweiten Abschnitt (12, 13).
2. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Abschnitt (11) in einer Ebene senkrecht zum Resonator einen mesaförmigen Querschnitt aufweist und der mindestens eine zweite Abschnitt (12, 13) entlang der Ebene einen mesaförmigen oder planaren Querschnitt aufweist, der größer ist als der Querschnitt des ersten Abschnitts (11).
3. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Abschnitt (11) einen Wärmewiderstand besitzt, der mindestens 30% größer ist als derjenige des mindestens einen zweiten Abschnitts (12, 13).
4. Wellenlängenabstimmbarer Halbleiterlaser, umfassend ein Halbleitersubstrat (1) mit einer ersten und einer zweiten Hauptfläche; einen Resonator mit verteilter Rückkopplung durch ein Beugungsgitter (25), der eine aktive Schicht (2) und eine Mantelschicht (3) aufweist und auf der ersten Hauptfläche des Substrats (1) gebildet und streifenförmig ausgestaltet ist, wobei der Resonator unterteilt ist in einen ersten Abschnitt (11) und mindestens einen zweiten Abschnitt (12, 13) die entlang des Resonators ausgerichtet sind, und eine auf dem ersten und dem mindestens einen zweiten Abschnitt (11, 12, 13) des Resonators ausgebildete erste und mindestens eine zweite Elektrode (14a, 14b, 14c) zum Steuern der Stromdichten in dem ersten und dem mindestens einen zweiten Abschnitt (11, 12, 13) unabhängig voneinander, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Temperatur in dem ersten Abschnitt (11) aufgrund von Änderungen der in den ersten und den mindestens einen zweiten Abschnitt (11, 12, 13) injizierte Ströme mehr ändert als in dem mindestens einen zweiten Abschnitt (12, 13), wozu ein erster Strompfad zum Zuführen von Strom zu der aktiven Schicht (2) in dem ersten Abschnitt (11) und ein zweiter Strompfad zum Zuführen eines Stroms zu der aktiven Schicht (2) in dem mindestens einen zweiten Abschnitt (12, 13) vorgesehen sind und der erste Strompfad einen elektrischen Serienwiderstand besitzt, der größer ist als der elektrische Serienwiderstand des zweiten Strompfads.
5. Halbleiterlaser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Strompfad sich in der Dotierstoffkonzentration, in der Dicke, in der Breite oder in der Zusammensetzung von dem zweiten Strompfad unterscheidet und deshalb einen größeren elektrischen Widerstand aufweist als der zweite Strompfad.
6. Wellenlängenabstimmbarer Halbleiterlaser, umfassend ein Halbleitersubstrat (1) mit einer ersten und zweiten Hauptfläche; einen Resonator mit verteilter Rück­ kopplung durch ein Beugungsgitter (25), der eine aktive Schicht (2) und eine Mantelschicht (3) aufweist und auf der ersten Hauptfläche des Substrats (1) gebildet und streifenförmig ausgestaltet ist, wobei der Resonator unterteilt ist in einen ersten Abschnitt (111; 211) und einen zweiten Abschnitt (112; 212), die entlang des Resonators ausgerichtet sind, und eine auf dem ersten und dem zweiten Abschnitt (111, 112; 211, 212) des Resonators ausgebil­ dete erste und zweite Elektrode (14a, 14b) zum Steuern der Stromdichten in dem ersten und dem zweiten Abschnitt (111, 112; 211, 212) unabhängig voneinander, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sich die Temperatur in dem ersten Abschnitt (111; 211) aufgrund von Änderungen der in den ersten und den zweiten Abschnitt (111, 112; 211, 212) injizierten Ströme mehr ändert als im zweiten Abschnitt (112; 212), wozu der erste Abschnitt (111; 211) und der zweite Abschnitt (112; 212) derart ausgebildet sind, daß ein unwirksamer Stromfluß in dem ersten Abschnitt (111; 211) größer ist als ein unwirksamer Stromfluß in dem zweiten Abschnitt (112; 212).
7. Halbleiterlaser nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine ver­ grabende Schicht, die eine Seite der aktiven Schicht (2) kontaktiert, wobei in dem ersten Abschnitt (111) zwangsweise ein größerer Leckstrom fließt als im zweiten Abschnitt (112).
8. Halbleiterlaser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Ladungsträgerdichte aufgrund einer Änderung der Dichte eines durch die aktive Schicht (2) fließenden Stroms in dem zweiten Abschnitt (112; 212) stärker ändert als im ersten Abschnitt (111; 211).
9. Halbleiterlaser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladungsträger-Lebensdauer in der aktiven Schicht (2) des ersten Abschnitts (111) kleiner ist als in der aktiven Schicht (2) des zweiten Abschnitts (112).
10. Halbleiterlaser nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladungsträger-Lebensdauer in der aktiven Schicht (2) des ersten Abschnitts (111) ver­ kürzt wird aufgrund einer in die aktive Schicht (2) des ersten Abschnitts (111) einge­ brachten Störstoffdotierung.
11. Wellenlängenabstimmbarer Halbleiterlaser, umfassend
ein Halbleitersubstrat (301);
eine streifenförmige aktive Schicht (303);
ein sich entlang der streifenförmigen aktiven Schicht (303) erstreckendes Beugungsgitter (302); und
mehrere entlang der streifenförmigen aktiven Schicht (303) in einem ersten und mindestens einem zweiten Abschnitt angeordnete Elektroden (308), von denen mindestens eine eine erste und eine zweite Teilelektrode (308a, 308b) in gegenseitigem Abstand aufweist, wobei die erste und die zweite Teilelektrode (308a, 308b) senkrecht zur Richtung der streifenför­ migen aktiven Schicht (303) beabstandet sind und eine Änderung des pro Längeneinheit der streifenförmigen aktiven Schicht (303) in die erste Teilelektrode (308a) injizierten Stroms eine Temperaturänderung der aktiven Schicht (303) hervorruft, die sich von derjenigen unterscheidet, die durch eine Änderung des Stroms hervorgerufen wird, der in die zweite Teilelektrode (308b) pro Längeneinheit der aktiven Schicht (303) injiziert wird, wobei die erste Teilelektrode (308a) und die zweite Teilelektrode (308b) von der streifenförmigen aktiven Schicht (303) verschieden weit beabstandet sind.
12. Wellenlängenabstimmbarer Halbleiterlaser, umfassend
ein Halbleitersubstrat (301);
eine streifenförmige aktive Schicht (303);
ein sich entlang der streifenförmigen aktiven Schicht (303) erstreckendes Beugungsgitter (302); und
mehrere entlang der streifenförmigen aktiven Schicht (303) in einem ersten und mindestens einem zweiten Abschnitt angeordnete Elektroden (308), von denen mindestens eine eine erste und eine zweite Teilelektrode (308a, 308b) in gegenseitigem Abstand aufweist, wobei die erste und die zweite Teilelektrode (308a, 308b) senkrecht zur Richtung der streifenför­ migen aktiven Schicht (303) beabstandet sind und eine Änderung des pro Längeneinheit der streifenförmigen aktiven Schicht (303) in die erste Teilelektrode (308a) injizierten Stroms eine Temperaturänderung der aktiven Schicht (303) hervorruft, die sich von derjenigen unterscheidet, die durch eine Änderung des Stroms hervorgerufen wird, der in die zweite Teilelektrode (308b) pro Längeneinheit der aktiven Schicht (303) injiziert wird, wobei sich der Widerstand zwischen der ersten Teilelektrode (308a) und der streifenförmigen aktiven Schicht (303) von dem Widerstand der zweiten Teilelektrode (308b) und der streifenförmi­ gen aktiven Schicht (303) unterscheidet.
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