DE4338606C2 - Gewinngekoppelte Laserdiode - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine gewinngekoppelte DFB- Laserdiode.

Innerhalb der letzten Jahre ist es gelungen, gewinngekoppelte DFB-Laserdioden herzustellen, deren Grundprinzip auf der Mo­ dulation der optischen Verstärkung bzw. Dämpfung in einem Stehwellenresonator beruht. Die Modulation der Verstärkung bzw. Dämpfung ermöglicht dabei im Bereich der gewünschten Wellenlänge konstruktive oder destruktive Interferenz zwi­ schen optischer Intensität und Verstärkungsverlauf. Dies be­ wirkt im allgemeinen, daß eine einzige Eigenschwingung des Resonators eine gegenüber den anderen deutlich erhöhte opti­ sche Lebensdauer besitzt, was im Laserbetrieb dazu führt, daß im wesentlichen nur Strahlung dieser einen Wellenlänge emit­ tiert wird. Dies wird als Modenselektion bezeichnet, und es hat sich herausgestellt, daß damit Bauelemente hergestellt werden können, die in dieser Hinsicht (Nebenmodenunterdrückung) den bisher üblichen indexgekoppel­ ten DFB-Lasern überlegen sind.

Gewinngekoppelte DFB-Laser wurden bisher als Halbleiterlaser in den Materialsystemen GaAlAs/GaAs, InGaAlAs/InP, In­ GaAsP/InP realisiert, indem die longitudinale Modulation der Schichtdicke einer verstärkenden (gewinngekoppelter DFB-Laser mit Gewinngitter) oder einer dämpfenden (gewinngekoppelter DFB-Laser mit Verlustgitter) Schicht aus Halbleitermaterial durchgeführt wurde. Dazu ist es notwendig, daß nach der Her­ stellung des Gitters dieses in einem weiteren Epitaxieschritt überwachsen wird, so daß die einkristalline Struktur erhalten bleibt. Der Herstellungsprozeß wird dadurch aufwendig. Derar­ tige gewinngekoppelte Laserstrukturen sind z. B. in den fol­ genden Veröffentlichungen beschrieben:
B. Bochert et al.: "Fabrication and characteristics of improved strained quantum-well GaInAlAs gain-coupled DFB la­ sers" in Electronics Letters 29, 210-211 (1993);
W. T. Tsang et al.: "Long-Wavelength InGaAsP/InP Distributed Feedback Lasers Incorporating Gain-Coupled Mechanism" in IEEE Photonics Technology Letters 4, 212-215 (1992);
Y. Nakano et al.: "Facet reflection independent, single lon­ gitudinal mode oscillation in a GaAlAs/GaAs distributed feed­ back laser equipped with a gain-coupling mechanism" in Ap­ plied Physics Letters 55, 1606-1608 (1989);
G. P. Li et al.: "1.55 µm index/gain coupled DFB lasers with strained layer multiquantum-well active grating" in Electro­ nics Letters 28, 1726-1727 (1992).

In der US 5 093 835 ist ein Halbleiterlaser beschrieben, der als gewinngekoppelter DFB-Laser ausgebildet ist. Bei dieser Laserdiode ist vertikal angrenzend an eine Schichtstruktur mit einer aktiven Schicht zwischen Begrenzungsschichten eine in Längsrichtung des Lasers periodisch in der Schichtdicke variierende Absorptionsschicht mit einer für eine Anpassung des Brechungsindexes vorgesehenen, ebenfalls in der Schicht­ dicke periodisch variierenden Anpassungsschicht vorgesehen. Diese Schichten sind auf der der aktiven Schicht abgewandten Seite von einer Deckschicht bedeckt. Eine Weiterbildung die­ ser Laserdiode ist in der US 5 143 864 beschrieben.

In der DE 38 09 609 A1 ist eine Laserdiode beschrieben, bei der eine obere Begrenzungsschicht der aktiven Schicht oder ein oberer Schichtanteil dieser oberen Begrenzungsschicht mit einer gitterartigen DFB-Struktur versehen ist. Die Oberseite dieser Struktur ist mit einer Diffusion versehen und mit ei­ ner Metallisierungsbeschichtung planarisierend bedeckt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine gewinngekop­ pelte Laserdiode anzugeben, die einfacher und mit geringerem Anteil an Ausschuß herstellbar ist als bisherige gewinngekop­ pelte Laserdioden.

Diese Aufgabe wird mit der Laserdiode mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Bei der erfindungsgemäßen Laserdiode ist die für die Gewinn­ kopplung vorgesehene Gitterschicht als letzte Epitaxieschicht oder erst im Anschluß an die Epitaxie als nicht kristalline Schicht aufgebracht und strukturiert. Auf diese Gitterschicht ist eine Kontaktschicht, vorzugsweise aus Metall, aufge­ bracht. Um die geforderte Modenselektion zu erreichen, ist von dieser Gitterschicht und dieser Kontaktschicht jeweils eine Schicht aus einem Material das in Verbindung mit dem Schichtwellenleiter entweder stark oder nur wenig dämpfend auf eine im Wellenleiter geführte Welle wirkt.

Es folgt eine Beschreibung der erfindungsgeinäßen Laserdiode anhand der Fig. 1 bis 4.

Fig. 1 bis 3 zeigen jeweils eine Ausführungsform im Quer­ schnitt.

Fig. 4 zeigt ein Diagramm für den Realteil des Brechungsin­ dexes für eine beispielhafte Schichtstruktur.

Die erfindungsgemäße Laserdiode besteht aus einem Halbleiter­ kristall mit den für die Strahlungserzeugung und -führung vorgesehenen Schichten, insbesondere der aktiven Schicht 7. In den Figuren ist der Schichtwellenleiter 4 mit der darin enthaltenen aktiven Schicht 7 jeweils eingezeichnet. Darauf befindet sich die in longitudinaler Richtung (z-Richtung in den Fig. 1 bis 3) in der Dicke periodisch variierte Git­ terschicht 3, die die Modulation des effektiven Gewinns an der Oberfläche des Halbleiterkristalls realisiert. Das Mate­ rial dieser Gitterschicht 3 kann kristallin oder nicht kri­ stallin sein. In der Darstellung von Fig. 1 ist beispielhaft für den Fall nicht kristallinen Materiales die Gitterschicht 3 periodisch auf halbe Länge der Gitterperiode 5 vollständig entfernt. Die Gitterschicht 3 kann statt dessen wie in Fig. 3 dargestellt periodisch in der Dicke nur moduliert sein. Die Gitterschicht 3 kann auch mehrlagig ausgebildet sein.

Bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Laserdiode wird nach der Epitaxie diese Gitterschicht 3 entweder als Einzel­ schicht oder als Schichtenfolge aufgebracht, wobei das oder die verwendeten Materialien aufgrund ihrer Eigenschaften (d. h. ihres komplexen Brechungsindexes) in Zusammenwirken mit dem Schichtwellenleiter 4 entweder stark dämpfend auf die ge­ führte Welle wirken oder aufgrund ihrer feldverdrängenden Wirkung nur eine geringfügige Dämpfung verursachen, im fol­ genden und in den Ansprüchen als "absorbierendes Material" bzw. als "feldverdrängendes Material" bezeichnet. Die Gitter­ schicht 3 kann z. B. mittels Abhebetechnik (lift-off), mit­ tels eines naßchemischen Ätzverfahrens oder eines Trockenätz­ verfahrens in longitudinaler Richtung dickenmoduliert werden.

Auf der Gitterschicht 3 ist eine Kontaktschicht 2 aufge­ bracht, vorzugsweise die Oberfläche einebnend. Falls die Git­ terschicht 3 aus stark absorbierend wirkendem Material be­ steht, ist als Kontaktschicht 2 ein Material mit feldverdrän­ gender Wirkung aufgebracht. Falls die Gitterschicht 3 feld­ verdrängend wirkt, ist die Kontaktschicht 2 aus einem Materi­ al, das zu einer wesentlichen Dämpfung der geführten Welle führt. In zur Schichtebene vertikaler Richtung (x-Richtung in den Fig. 1 bis 3) folgen also absorbierendes und feldver­ drängendes Material oder umgekehrt. Wegen der in der Richtung der Wellenausbreitung (z-Richtung in den Fig. 1 bis 3) variierenden Dicke dieser Schichten wechseln stärker ab­ sorbierend wirkende und stärker feldverdrängend wirkende Abschnitte in dieser Richtung einander ab, wodurch die vorge­ sehene Modulation der Dämpfung der in den Wellenleiter geführ­ ten Welle zustande kommt. Die Kontaktschicht 2 ist am zweck­ mäßigsten Metall. Auf der Kontaktschicht 2 kann eine Metalli­ sierung 1 aufgebracht sein.

Als Materialien, welche eine starke Absorption bewirken, kommen z. B. Titan, Nickel, Chrom oder Platin in Betracht. Besteht die Gitterschicht 3 aus einem dieser Materialien, ist die Kontaktschicht 2 aus feldverdrängendem Material, z. B. ein Metall wie Gold oder Silber. Die hier angegebenen Ma­ terialien und deren optische Eigenschaften beziehen sich im wesentlichen auf eine Realisierung des Bauelements zur Emis­ sion bei der Wellenlänge 1,55 µm, bei der die erfindungsgemä­ ße Anwendung besonders vorteilhaft erscheint. Die Angaben treffen aber auch noch auf Wellenlängen von 1,3 µm sowie 0,85 µm (GaAs) zu.

Als feldverdrängendes Material kommt entweder ein Metall wie z. B. Gold oder Silber in Betracht oder ein Dielektrikum, wie z. B. Aluminium- oder Siliziumoxid, ggf. Siliziumnitrid. Der Vorteil der Verwendung von Metall auch für die Gitterschicht 3 besteht darin, daß es zusätzlich als Kontaktmaterial wirkt, wohingegen im Fall des Dielektrikums die elektrische Kontaktierung zwischen den Gitterstegen der Gitterschicht 3 hindurchgeführt werden muß. Zwischen den Gitterstegen muß al­ so die Gitterschicht 3 z. B. wie in Fig. 1 entfernt sein. Bei Verwendung von feldverdrängendem Material für die Gitter­ schicht 3 ist die Kontaktschicht 2 aus einem Material, das eine starke Wellenabsorption bewirkt (z. B. Titan, Nickel, Chrom oder Platin). Bei Verwendung eines der genannten Me­ talle wird gleichzeitig ein elektrischer Kontakt hergestellt.

Alternativ kann die Gitterschicht 3 kristallin sein. Vorteil­ haft wird die Gitterschicht 3 dann als oberste Epitaxie­ schicht des Halbleiterkristalls absorbierend ausgebildet. Diese oberste Halbleiterschicht wird z. B. durch reaktives oder naßchemisches Ätzen strukturiert. Diese kristalline Git­ terschicht 3 kann ebenfalls niederohmig kontaktiert sein. Die die Kontaktschicht 2 bildende Kontaktmetallisierung muß feld­ verdrängend wirken, um die Modulation der optischen Verluste sicherzustellen. In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 ist die Gitterschicht 3 in longitudinaler Richtung periodisch entfernt und in den zwischen den Gitterstegen befindlichen Bereichen ein oberer Schichtanteil des Schichtwellenleiters 4 entfernt. Auch hier kann auf der Kontaktschicht 2 eine Metal­ lisierung 1 aufgebracht sein.

Allen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Laserdiode ist gemeinsam, daß zur Herstellung nur ein Epitaxieschritt und keine Gitterüberwachsung notwendig ist. Da die Strukturierung des Gitters nach der Epitaxie erfolgt, können die Dicken und Zusammensetzungen der Epitaxieschichten vor der Dimensionie­ rung der Gitterperiode bestimmt werden. Die Eigenschaften der Epitaxieschichten wie Fotolumineszenz und effektiver Bre­ chungsindex des Schichtwellenleiters 4 können somit nach der Epitaxie überprüft werden, und die Dimensionierung der Git­ terperiode kann darauf abgestimmt werden.

Ein Vorteil der nicht kristallinen Realisierung besteht darin, daß das dämpfende Material eine nicht sättigbare Ab­ sorption besitzt und damit die optisch wirksame Dämpfungsmo­ dulation intensitätsunabhängig ist. Zur Herstellung der late­ ralen Wellenführung eignen sich alle bisher angewandten Strukturen wie z. B. Stegwellenleiterlaser (MCRW, BCRW), CSP- Laser oder bei Mehrfachepitaxie auch vergrabene Heterostruk­ turen (BH).

In Fig. 4 ist ein Diagramm dargestellt, bei dem der Realteil des effektiven Brechungsindexes in Abhängigkeit von der ver­ tikalen Position in der Schichtstruktur (x-Koordinate in den Fig. 1 bis 3) für ein besonders vorteilhaftes Ausführungs­ beispiel der erfindungsgemäßen Laserdiode eingezeichnet ist. Der Schichtwellenleiter 4 umfaßt hier eine untere Confine­ mentschicht 6 (z. B. n-InP), die aktive Schicht 7 (z. B. i- InGaAsP der Wellenlänge 1,55 µm) und eine dreilagige obere Confinementschicht aus einer Ätzstopschicht 8 (z. B. p-In­ GaAsP der Wellenlänge 1,3 µm), einer Begrenzungsschicht 9 (z. B. p-InP) und einer Wellenleiterschicht 10, die zusammen mit der aktiven Schicht 7 einen Doppelwellenleiter bildet, (z. B. p-InGaAsP der Wellenlänge 1,3 µm). Die dickenmodulierte Git­ terschicht 3 ist hier Titan. Als Kontaktmetall der Kontakt­ schicht 2 wird Gold verwendet. Es wird eine Kopplung von 10,5-10,4 √ cm^-1 erreicht.

Claims (6)

1. Gewinngekoppelte Laserdiode mit einer aktiven Schicht in einem Schichtwellenleiter (4), mit einer Gitterschicht (3) und mit einer Kontaktschicht (2), wobei diese Gitterschicht (3) zwischen diesem Schichtwellenleiter (4) und dieser Kon­ taktschicht (2) angeordnet ist,
bei der diese Gitterschicht (3) nicht kristallin ist,
bei der diese Kontaktschicht (2) nicht kristallin ist und un­ mittelbar auf dieser Gitterschicht (3) aufgebracht ist,
bei der diese Gitterschicht (3) zur Modenselektion mit einer periodischen Strukturierung versehen ist und
bei der von den Materialien dieser Gitterschicht (3) und die­ ser Kontaktschicht (2) je eines absorbierend und eines feld­ verdrängend wirkt.

2. Laserdiode nach Anspruch 1, bei der das absorbierende Material ein Element aus der Gruppe von Titan, Nickel, Chrom und Platin ist.

3. Laserdiode nach Anspruch 1 oder 2, bei der das feldverdrängende Material ein Element aus der Gruppe von Gold, Silber, Aluminiumoxid, Siliziumoxid und Si­ liziumnitrid ist.

4. Laserdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Gitterschicht (3) aus absorbierendem Material ist.

5. Laserdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Gitterschicht (3) aus feldverdrängendem Material ist.

6. Laserdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Kontaktschicht (2) Metall ist.