DE4420389A1 - Optoelektronisches Halbleiter-Bauelement mit verbesserter Wellenlängen-Durchstimmbarkeit und reduzierter optische Linienbreite - Google Patents
Optoelektronisches Halbleiter-Bauelement mit verbesserter Wellenlängen-Durchstimmbarkeit und reduzierter optische LinienbreiteInfo
- Publication number
- DE4420389A1 DE4420389A1 DE4420389A DE4420389A DE4420389A1 DE 4420389 A1 DE4420389 A1 DE 4420389A1 DE 4420389 A DE4420389 A DE 4420389A DE 4420389 A DE4420389 A DE 4420389A DE 4420389 A1 DE4420389 A1 DE 4420389A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- semiconductor
- grating
- component according
- layers
- semiconductor layer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
- H01S5/12—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region the resonator having a periodic structure, e.g. in distributed feedback [DFB] lasers
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
- H01S5/1028—Coupling to elements in the cavity, e.g. coupling to waveguides adjacent the active region, e.g. forward coupled [DFC] structures
- H01S5/1032—Coupling to elements comprising an optical axis that is not aligned with the optical axis of the active region
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/06—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
- H01S5/062—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium by varying the potential of the electrodes
- H01S5/06203—Transistor-type lasers
- H01S5/06206—Controlling the frequency of the radiation, e.g. tunable twin-guide lasers [TTG]
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
- H01S5/1028—Coupling to elements in the cavity, e.g. coupling to waveguides adjacent the active region, e.g. forward coupled [DFC] structures
- H01S5/1032—Coupling to elements comprising an optical axis that is not aligned with the optical axis of the active region
- H01S5/1035—Forward coupled structures [DFC]
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
- H01S5/12—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region the resonator having a periodic structure, e.g. in distributed feedback [DFB] lasers
- H01S5/1206—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region the resonator having a periodic structure, e.g. in distributed feedback [DFB] lasers having a non constant or multiplicity of periods
- H01S5/1215—Multiplicity of periods
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
- H01S5/12—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region the resonator having a periodic structure, e.g. in distributed feedback [DFB] lasers
- H01S5/1225—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region the resonator having a periodic structure, e.g. in distributed feedback [DFB] lasers with a varying coupling constant along the optical axis
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
- H01S5/12—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region the resonator having a periodic structure, e.g. in distributed feedback [DFB] lasers
- H01S5/1228—DFB lasers with a complex coupled grating, e.g. gain or loss coupling
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/40—Arrangement of two or more semiconductor lasers, not provided for in groups H01S5/02 - H01S5/30
- H01S5/4025—Array arrangements, e.g. constituted by discrete laser diodes or laser bar
- H01S5/4031—Edge-emitting structures
- H01S5/4043—Edge-emitting structures with vertically stacked active layers
Description
Die erfindungsgemäße Lösung dient der kontinuierlichen und
gleichmäßigen Wellenlängendurchstimmbarkeit von
optoelektronischen Halbleiterbauelementen und insbesondere
der Erweiterung des Wellenlängen-Durchstimmungsbereiches.
Zum bekannten Stand der Technik gehören Veröffentlichungen,
welche Halbleiterlaser mit größeren Wellenlängen-
Durchstimmungs-Bereichen behandeln, wie z. B.
- - S. Illek, W. Thulke, and M.-C. Amann, "Codirectionally coupled twin-guide laser diode for broadband electronic wavelength tuning", Electron.Lett. 27, 2207 (1991) und
- - EP 0 552 390 A1 M. C. Amann "Abstimmbare Laserdiode"
- - R. C. Alferness, U. Koren, L. L. Buhl, B. I. Miller, M. G. Young, T. L. Koch, G. Raybon, and C. A. Burrus, "Widely tunable InGaAsP/InP laser based on a vertical coupler intracavityfilter", OFC-92, (1992), PD-2, pp. 321-24.
- - US-PS 4,904,045 R. C. Alferness, T. L. Koch, U. Koren, I. E. Zucker "Grating coupler with monolithically integrated quantum well index modulator".
In diesen Arbeiten werden Halbleiterlaser beschrieben,
welche auf vertikalen Koppler-Filtern basieren.
Desweiteren ist eine Veröffentlichung bekannt, in welcher
ein interferometrischer Y-Laser mit vier Steuerströmen
beschrieben wird. Siehe
- - W. Idler, M. Schilling, D. Bauer, G. Laube, K. Wünstel, and O. Hildebrand, "Y-Laser with 38 nm tuning range", Electron. Lett. 27, 2268 (1991).
In einer weiteren Arbeit von
- - V. Jayaraman, A. Mathur, L. A. Coldren, and P. D. Dapkus, "Very wide tuning range in a sampled grating DBR laser", 13th IEEE Intern. Semiconductor Laser Conference Sept. 1992, Japan, PD-11, pp. 21-22
wurde der Aufbau eines Halbleiterlasers mit zwei DBR-
Bereichen beschrieben, von denen jeder DBR-Bereich eine
Übergitterstruktur aufweist. Auf dem einen Teilbereich der
Übergitterperiode liegt ein Gitter konstanter
Gitterperiode, auf dem anderen Teilbereich existiert kein
Gitter. Beide DBR Gitter haben unterschiedliche
Übergitterperioden. Diese Struktur ist bezüglich der
Gleichheit der Schwellenverstärkung benachbarter Supermoden
nicht optimiert, was ihren Wellenlängen-Durchstimmungs-
Bereich verkleinert, sowie die Durchstimmungs-Linearität
verschlechtert.
Eine weitere bekannte Veröffentlichung von
- - Y. Tohmori, Y Yoshikuni, T. Tamamura, M. Yamamoto, Y Kondo, and H. Ishii, "Ultrawide wavelength tuning with single longitudinal mode by super structure grating (SSG) DBR lasers", 13th IEEE Intern. Semiconductor Laser Conference lSept. 1992, Japan, 0-6, pp. 268-69.
- - EP- PS 0 559 192 A2 Y. Tohmori, Y. Yoshikuni, H. Ishii, T. Tamamura "Distributed reflector and wavelength - tunable semiconductor laser"
beruht darauf, daß keine quasi-kontinuierliche Änderung der
Gitterperiode in longitudinaler Richtung vorgenommen wurde,
da ESL (zeitaufwendig und teuer) für die Erzeugung der
gesamten DBR Gitter eingesetzt wurde. Dabei ist man aus
Kosten- und Zeitgründen bei der Realisierung von Gittern
mit variabler Gitterperiode auf eine "stufenförmige"
Änderung der Gitterperiode mit typischerweise nur i = 10
verschiedenen "Stufen" (Zahl i der Sektionen, welche
innerhalb einer Übergitterperiode unterschiedliche
Gitterperiode Λi aufweisen) beschränkt (Abb. 3). Bei der
Realisierung des SSG Lasers wurden innerhalb einer
Übergitterperiode zehn Sektionen von gleicher Länge
definiert (d. h. mit 10 verschiedenen Gitterperioden in
jeder Übergitterperiode). Dabei steigt die Gitterperiode in
linearer Treppenform von einer Seite einer
Übergitterperiode zur anderen an. Dadurch wurden Vorteile,
welche Gitter mit quasi-kontinuierlicher Änderung der
Gitterperiode bieten, fast nicht genutzt.
Ziel der Erfindung ist es, ein optoelektronisches
Halbleiter-Bauelement zu entwickeln, das eine
kontinuierliche und gleichmäßige Wellenlängen-
Durchstimmbarkeit aufweist, und durch das sich die optische
Linienbreite reduzieren läßt.
Die erfindungsgemäße Halbleiterstruktur enthält, wie in
Fig. 1 dargestellt, vertikal integriert insgesamt drei
verschiedene DFB-Gitter G1; G2; G3 sowie zwei aktive
Bereiche. Im linken Bildteil ist ein Schnitt durch die
Struktur in jener Ebene gezeigt, welche durch die
longitudinale und vertikale Richtung aufgespannt wird. Der
rechte Bildteil zeigt ein Beispiel eines möglichen
Brechungsindex Verlaufs, wobei die vertikale Richtung in
beiden Bildteilen zueinander korrespondiert. Die
verwendeten verschiedenen Halbleiter-Schichten b.z.w
Halbleiter-Schichtpakete sind von 1 bis 15 nummeriert.
Die aktiven Schichten, in denen optische Verstärkung
auftritt, sind in Fig. 1 in den Halbleiter-Schichten 11 und
5 untergebracht und in diesem Beispiel als Vielfach-
Potentialtopf Struktur ausgeführt. Die Halbleiter-Schichten
bestehen bestehen hierbei abwechselnd aus Potentialtöpfen
der Dicken Lz1 bzw. Lz2 und aus Potentialbarrieren der
Dicken LB1 bzw. LB2. Das Material der Potentialtöpfe weist
dabei eine Bandlücke auf, welche unterhalb der
Emissionsenergie des Lasers liegt und das Barrierenmaterial
der Potentialbarrieren ist dabei durch eine Bandlücke
gekennzeichnet, die oberhalb der Emissionsenergie der
stimulierten Emission liegt. Entsprechend ist der
Brechungsindex der Topfmaterialien größer als derjenige der
Barrierenmaterialien. Die Breiten der Potentialtöpfe Lz1
und Lz2 sowie die Breiten der Potentialbarrieren LB1 und
LB2 liegen in der Größenordnung einiger Nanometer. Die Zahl
der Potentialtöpfe beträgt m₁ bzw. m₂.
Die beiden DFB-Gitter G1 und G2 werden vorzugsweise in
Halbleiter-Schichten mit geringerem Brechungsindex als
derjenige der aktiven Schichten angeordnet. Die Gitter
flankieren dabei die aktiven Schicht-Strukturen. Zur
präzisen Kontrolle der Kopplungskoeffizienten bietet sich
hierzu die Verwendung der Halbleiter-Schichten 2 und 14 mit
wohldefinierter Dicke (au bzw. ao) an, welche jeweils auf
Teilbereichen der Gitter komplett durchgeätzt und
wiederbewachsen wurden. Dabei weisen die Halbleiter
schichten 1, 3, 13 und 15, welche die Gitter umgeben, einen
jeweils niedrigeren Brechungsindex auf, als die Halbleiter-
Schichten 2 und 14. Die Gitter weisen eine
Übergitterstruktur auf, d. h. daß neben der Kristallgitter-
Periodizität eine weitere Periodizität (Übergitter-
Periodizität) in der Größenordnung einiger zig µm
existiert, wobei innerhalb einer Übergitter-Periode ein
DFB-freier Bereich sowie das DFB-Gitter variabler
Gitterperiode (Fig. 1) liegt. Die Gitter liegen jeweils nur
auf periodisch wiederkehrenden Teilstücken der Länge Lgo
bzw. Lgu vor. Die Übergitter-Periode ist jeweils durch Lo
bzw. Lu gegeben. Auf den Teilstücken der Länge Lgo bzw. Lgu
ist ferner, wie oben bereits erwähnt, die Gitterperiode
variiert. Es sei Λ1,0 (bzw. Λ2,0) die kürzeste (bzw.
längste) Gitterperiode für das in der Schicht 14 liegende
Gitter. Entsprechend sei Λ1,u (bzw. Λ2,u) die kürzeste
(bzw. längste) Gitterperiode für das in der Schicht 2
liegende Gitter. Falls (Λ2,0-Λ1,0) kleiner als
(Λ2,u-Λ1,u) ist, und innerhalb einer Übergitter-Periode
monoton longitudinal steigende oder fallende Gitter-
Perioden vorliegen, sind die Gitter-Perioden Λ1,0 und
Λ2,0 (bzw. Λ1,u und Λ2,u) durch folgende Beziehung
näherungsweise mit dem maximalen Wellenlängen-
Durchstimmungsbereich verknüpft:
Δλ ≈ 2 neff1 (Λ2,0-Λ1,0) (1)
Für den Fall, daß (Λ2,u-Λ1,u) kleiner als (Λ2,0-Λ1,u)
ist, ergibt sich Δλ näherungsweise durch:
Δλ ≈ 2 neff2 (Λ2,u-Λ1,u) (2)
Das in der Halbleiter-Schicht 2 liegende kontradirektionale
Gitter weist typischerweise Gitterperioden Λ1,u-Λ2,u
zwischen ca. 220 und 240 nm auf. Die Gitterperioden Λ1,0
und Λ2,0 liegen in derselben Größenordnung, sind jedoch
von Λ1,u und Λ2,u verschieden. Das Gitter in der
Halbleiter-Schicht 2 dient hauptsächlich der
kontradirektionalen Kopplung des Lichtes, das größtenteils
in dem von der Halbleiter-Schicht 5 dominierten
Wellenleiter geführt wird. Entsprechend dient das in
Halbleiter-Schicht 14 angeordnete Gitter hauptsächlich der
kontradirektionalen Kopplung des Lichtes, das größtenteils
in dem von der Halbleiter-Schicht 11 dominierten
Wellenleiter geführt wird. Der Kopplungskoeffizient wird
näherungsweise durch folgende Beziehung festgelegt:
wobei C₆/C der normierte confinement-Faktor des optischen
Feldes in der Halbleiter-Schicht 6, n₁₄ (bzw. n₁₃) der
Brechungsindex in Halbleiter-Schicht 14 (bzw. 13), λ die
Lichtwellenlänge und W₁/Λ2,0 (bzw. W₁/Λ1,0) der
Minimalwert (bzw. Maximalwert) des Tastverhältnisses des
DFB Gitters ist. Eine analoge Beziehung gilt für K₂.
Das in Fig. 1 ungefähr in Bildmitte angeordnete Gitter G3
dient zur kodirektionalen Kopplung der beiden Wellenleiter,
die hauptsächlich durch die laseraktiven Halbleiter-
Schichten 11 und 5 gebildet werden. Dieses Gitter G3 der
Gitterperiode Λ liegt in einem Halbleiter-Bereich, der für
die Emissionswellenlänge des Laserlichts transparent ist,
d. h. eine große Bandlücke und einen entsprechend kleinen
Brechungsindex aufweist. Zur genauen Kontrolle des
Kopplungskoeffizienten K₃ wird auch in diesem Fall eine
Halbleiter-Schicht 8 wohldefinierter Dicke a verwendet,
welche auf den Teilbereichen der Länge (Λ-W) komplett
durchgeätzt und durch die Halbleiter-Schicht 9
wiederbewachsen wurde. Die Gitterperiode Λ liegt in der
Größenordnung einiger Mikrometer und dient der
kodirektionalen Kopplung der beiden Wellenleiter. Λ wird
näherungsweise durch die Beziehung
festgelegt, wobei Überkopplung von Licht um die zentrale
Wellenlänge λ auftritt. Die effektiven Brechungsindizes der
Moden in den zwei Wellenleitern, welche jeweils durch die
Halbleiter-Schichten 5 und 11 dominiert werden, sind in
Gleichung (4) durch neff1 und neff2 wiedergegeben. Der
kodirektionale Kopplungsfaktor K₃ ist u. a. durch die
Strukturparameter, insbesondere die Abstände dmo und dmu,
sowie die genauen Brechungsindexverhältnisse bestimmt und
ist näherungsweise durch folgende Beziehung festgelegt.
Die verwendeten Größen haben folgende Bedeutung: ω
Kreisfrequenz des Lichtes, ε₀ statische
Dielektrizitätskonstante, Φ Mittelwert der Modenleistungen
beider Moden, n₈ Brechungsindex der Halbleiter-Schicht 8,
n₉ = n₇ Brechungsindex der das Gitter umgebenden
Halbleiter-Schichten 7 bzw. 9, E₁(z) Vektor der
elektrischen Feldstärke der Mode 1, welche hauptsächlich in
der Halbleiter-Schicht 11 geführt wird, und E₂(z) Vektor
der elektrischen Feldstärke der Mode 2, welche
hauptsächlich in der Halbleiter-Schicht 5 geführt wird, zg3
vertikale Koordinate des geometrischen Mittelpunktes des
Gitters G3.
Die Schichten 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13 und 15 haben nicht
notwendigerweise dieselbe kristallographische
Zusammensetzung. Entsprechendes gilt für die nicht
abgeätzten Teile der Halbleiter-Schichten 2, 14, sowie der
Barrierenteile der aktiven Halbleiter-Schichten 5 und 11.
Eine Ausführungsmöglichkeit bezüglich der Dotierung ist die
Verwendung von n-leitenden Halbleiter-Schichten 7, 8 und 9
sowie p-Dotierung in den Halbleiter-Schichten 1 bis 3 und
13 bis 15. Das Bauelement kann mit nur zwei Steuerströmen
betrieben werden, analog zum TTG-Laser (tunable-twin-guide-
Laser). Die technologische Realisierung der lateralen
Wellenführung kann technologisch, wie z. B. bei
- - S. Illek, W.Thulke, C. Schanen, H. Lang, and M.-C. Amann, "Over 7 Nm (875 GHz) continuous wavelength tuning by tunable twin-guide (TTG) laser diode", Electron. Lett. 26, 46 (1990) und bei
- - Z. M. Chuang, J. W. Scott, D. B. Young, and L. A. Coldren; "Strained InGaAs/GaAs Quantum well constricted-mesa lasers and application in a vertical twin-guide tunable laser" IEEE Photonics Technol. Lett. 4, 315 (1992)
beschrieben, ausgeführt werden.
Folgende Bauelemente können z. B. in der vorgeschlagenen
Struktur realisiert werden: Halbleiter-Laser, Halbleiter-
Laserverstärker, Koppler, Wellenlängenkonverter und Filter.
Die vorgeschlagene Struktur kann in verschiedenen
Materialsystemen realisiert werden, wie z. B. InGaAsP/InP,
InGaAlAs/InP und AlInGaAsSb/InP. Nach Wahl des
Materialsystems werden folgende Größen rechnerisch
optimiert: die einzelnen Dicken der Halbleiter-Schichten,
die Zusammensetzung der Halbleiter-Schichten (Komposition),
die laterale Geometrie, die Gesamtlänge des Lasers, die
Kopplungskoeffizienten K₁, K₂ und K₃, sowie alle in Fig. 1
enthaltenen Größen.
Folgende Modifikationen und Grenzfälle sind in der
vorgeschlagenen Realisationsmöglichkeit enthalten:
- a) Der rechte Teil in Fig. 1 zeigt das Beispiel einer Indexkopplung. Jedoch ist auch Verlustkopplung möglich, d. h. Verwendung einer dünnen Halbleiterschicht in den Halbleiter-Schichten 2 und 14, welche die Wellenlänge des emittierten Lichtes absorbiert. Desgleichen kann auch Gewinnkopplung verwendet werden.
- b) Im Fall a=0 liegen nur zwei kontradirektional koppelnde Gitter vor. In diesem Fall ist dmu + dmo kleiner und in der Größenordnung von ca. 100 nm.
- c) Nur eine der beiden Halbleiter-Schichten 11 und 5 ist aktiv. Die andere ist passiv, d. h., sie weist z. B. keine Potentialtöpfe auf und ist in diesem Falle durch einen effektiven Index der in dieser Halbleiter-Schicht hauptsächlich geführten Mode getrennt, der wesentlich kleiner als derjenige der Mode ist, welche hauptsächlich in der anderen Halbleiter-Schicht geführt wird. Jedoch bleibt der Brechungsindex immer oberhalb von den Werten, welche die Halbleiter-Schichten 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13 und 15 aufweisen.
Im Falle, daß nur eine der Halbleiter-Schichten 11 und 5
aktiv ist, wird die optische Ausgangsleistung hauptsächlich
durch den Steuerstrom in der aktiven Halbleiter-Schicht
festgelegt und die Wellenlängendurchstimmung hauptsächlich
durch den Steuerstrom der passiven Halbleiter-Schicht
vorgenommen.
Die erfindungsgemäße Lösung weist folgende Vorteile
gegenüber dem bekannten Stand der Technik auf:
- - Aufgrund der automatischen Phasenanpassung sind nur zwei Steuerströme zur Nutzung des gesamten zugänglichen Wellenlängen-Durchstimmungs-Bereiches nötig. Für den Einsatz des erfindungsgemäßen Lasers in optoelektronischen Systemen ist es ein ganz wesentlicher Vorteil, wenn die Steuerung des Bauelements mit nur 2 anstatt 3 Steuerströmen möglich ist. Desweiteren zeichnet sich das erfindungsgemäße Bauelement durch eine kontinuierlichere und gleichmäßigere Wellenlängen- Durchstimmbarkeit aus.
- - Bei der Verwendung zweier aktiver Schichten mit verschiedenen Verstärkungsprofilen (= Änderung der optischen Verstärkung [gain] mit der Wellenlänge) die gegeneinander bezüglich der Wellenlänge verschoben sind, erhöht sich der insgesamt erreichbare Wellenlängenbereich durch die Kombination zweier Verstärkungsprofile. [Wellenlängen-Durchstimmung kann nur maximal innerhalb eines Wellenlängenbereichs stattfinden, der innerhalb des vom Verstärkungsprofil abgedeckten Bereichs liegt.]
- - Auch komplizierte Funktionen Λ(x), d. h. quasi- kontinuierliche Änderungen der Gitterperiode, lassen sich in diesem Konzept verwenden ( Fig. 2). Sie lassen sich z. B. mit Elektronenstrahl-Lithographie (ESL) und Zell-Projektion herstellen. Bei dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung wird die in einer Übergitterperiode enthaltene Gitterstruktur nur einmal, und zwar in vergrößertem Maßstab (z. B. 10×vergrößert; A=10), beispielsweise mittels ESL auf eine Zell- Projektions-Maske geschrieben. Durch die Definition in vergrößertem Maßstab und anschließender Verkleinerung bei der Projektion lassen sich alle geometrischen Datails um den Faktor A präziser definieren (1:A = Verkleinerungsmaßstab). Das läßt sich gut am Beispiel des DFB-Gitters mit variabler Gitter-Periode, welches sich innerhalb einer Übergitter-Periode befindet, zeigen. Fig. 2 zeigt Λ(x) für ein mit ESL und Zellprojektion realisiertes Gitter variabler Gitterperiode. Fig. 3 zeigt Λ(x) für ein direkt mit ESL definiertes Gitter variabler Gitter-Periode. Es läßt sich in Fig. 2 eine um den Faktor A feinere Unterteilung in Sektionen, in denen die Gitter-Periode jeweils konstant ist, erreichen als in Fig. 3. Die Zahl i verschiedener Sektionen kann bei der Verwendung von Zell-Projektion auf z. B. A|Λ1,u-Λ2,u|/δΛ bzw. A|Λ1,0-Λ2,0|/δΛ erhöht werden. Momentan können mit ESL Änderungen benachbarter Gitterperioden von ca. δΛ = 0.1 nm erreicht werden. Dies ergibt zum Beispiel für das erste Gitter G1 mit |Λ1,0-Λ2,0 = 20 nm, A = 10 und δΛ = 1 nm eine mögliche Sektionszahl i = 200 innerhalb jeder Übergitterperiode. Dadurch kann in jeder Übergitter-Periode eine quasi-kontinuierliche Änderung der Gitterperiode in longitudinaler Richtung (chirped grating) realisiert werden. Diese mit ESL realisierte präzise Urstruktur kann mittels Zell-Projektion vervielfältigt werden, d. h., sie kann in den auf die Halbleiter-Schichten 2 bzw. 14 aufgebrachten Photolack (ESL-Lack) an alle gewünschten Stellen beliebig oft (und gegenüber einer vollständigen Realisierung mit ESL) mit sehr geringem Zeitaufwand und kostengünstig nebeneinander projiziert werden. Durch den möglichen Einsatz gezielter Funktionen Λ = Λ(x) lassen sich gleiche Schwellenwerte der einzelnen longitudinalen Supermoden erzielen, ohne Einbuße bei grundlegenden Lasereigenschaften zu erleiden. Durch die quasi freie Wählbarkeit der Variation der Gitterperiode [Λ = Λ(x), chirped grating] in longitudinaler Richtung, sowie die Wahl anderer Parameter wie z. B. Lgo, Lgu, Lo und Lu, lassen sich durch optimale Kombination viele wichtige Laserkenngrößen optimieren. Dabei ist die Wahl von Λ = Λ(x) besonders wichtig. Es können z. B. größere Wellenlängendurchstimmung, kleinere Linienbreiten und höhere Ausgangsleistungen erzielt werden.
Claims (18)
1. Optoelektronisches Halbleiter-Bauelement mit
verbesserter Wellenlängen-Durchstimmbarkeit und
reduzierter optischer Linienbreite, dadurch
gekennzeichnet, daß es aus 15 auf einem
Halbleitersubstrat aufgebrachten Halbleiter-
Schichten/Halbleiter-Schichtpaketen (1-15) und drei in
verschieden Halbleiter-Schichten angeordneten DFB-
Gittern unterschiedlicher Struktur besteht, daß im
fünften und im elften Halbleiter-Schichtpaket (5; 11)
zwei aktive Schichtenfolgen mit optischer Verstärkung
angeordnet sind, welche vorzugsweise als
Vielfachpotentialtopf-Struktur ausgeführt sind, daß das
erste und das zweite DFB-Gitter (G1; G2) in
Halbleitermaterialschichten mit geringerem
Brechungsindex und definierter Dicke angeordnet sind,
welche die aktiven Schichten mit höherem Brechungsindex
im fünften und im elften Halbleiter-Schichtpaket (5; 11)
flankieren, daß das erste DFB-Gitter (G1) in der
zweiten Halbleiter-Schicht (2) und das zweite DFB-
Gitter (G2) in der vierzehnten Halbleiter-Schicht (14)
angeordnet ist, daß die erste, dritte, dreizehnte und
fünfzehnte Halbleiter-Schicht (1; 3; 13; 15), welche die
DFB-Gitter (G1; G2) umgeben, jeweils niedrigere
Brechungsindizes als die zweite und die vierzehnte
Halbleiter-Schicht (2; 14) aufweisen, daß das erste und
das zweite DFB-Gitter (G1; G2) eine Übergitter-
Periodizität in Größe einiger zig µm aufweist, wobei
innerhalb einer Übergitter-Periode ein DFB-freier
Bereich, sowie jeweils ein Gitter mit variabler
Gitterperiode liegen, daß die achte Halbleiter-Schicht
(8) einen größeren Brechungsindex aufweist als die
siebente und neunte Halbleiter-Schicht (7; 9), daß das
in der achten Halbleiter-Schicht (8) befindliche dritte
DFB-Gitter (G3) die zwei Wellenleiter, die
hauptsächlich aus dem fünften und dem elften
Halbleiter-Schichtpaket (5; 11) gebildet werden,
kodirektional koppelt, und daß die Wellenlängen-
Durchstimmung vorzugsweise mit zwei Steuerströmen
vorgenommen wird.
2. Optoelektronisches Halbleiter-Bauelement nach Anspruch
1, dadurch gekennzeichnet, daß die aktiven Halbleiter-
Schichten, die im fünften und elften Halbleiter-
Schichtpaket (5; 11) angeordnet sind, als Vielfach-
Potentialtopf-Struktur ausgeführt sind, welche
abwechselnd aus Potentialtöpfen der Dicken (Lz1 b.z.w.
Lz2) und aus Potentialbarrieren der Dicken (LB1 b.z.w.
LB2) bestehen, daß das Topfmaterial dabei eine
Bandlücke aufweist, welche unterhalb der
Emissionsenergie des Lasers liegt, daß das
Barrierenmaterial eine Lücke aufweist, die oberhalb der
Emissionsenergie der stimulierten Emission liegt, daß
damit der Brechungsindex der Topfmaterialien größer als
der Brechungsindex der Barrierenmaterialien ist, und
daß die Potentialtopfbreiten (Lz1 und Lz2) sowie die
Barrierenbreiten (LB1 und LB2) in der Größenordnung
einiger Nanometer liegen.
3. Optoelektronisches Halbleiter-Bauelement nach Anspruch
1, dadurch gekennzeichnet, daß das dritte DFB-Gitter
(G3), welches zur kodirektionalen Kopplung der beiden
Wellenleiter dient, eine Gitterperiode (Λ) aufweist,
welche in einem Halbleiter-Bereich liegt, der für die
Emissionswellenlänge des Laserlichtes transparent ist
und somit eine große Bandlücke und einen entsprechend
kleinen Brechungsindex aufweist, wobei zur Kontrolle
des Kopplungskoeffizienten (K₃) eine Halbleiter-Schicht
wohldefinierter Dicke (a) verwendet wird, welche auf
den Teilbereichen der Länge (Λ-W) komplett durchgeäzt
und durch die neunte Halbleiter-Schicht (9)
wiederbewachsen wurde, daß die Gitterperiode (Λ) in der
Größenordnung einiger Mikrometer liegt.
4. Optoelektronisches Halbleiter-Bauelement nach Anspruch 1
bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die siebente, achte
und neunte Halbleiter-Schicht (7; 8; 9) als n-leitende
Halbleiter-Schichten ausgebildet sind und daß die erste
bis dritte Halbleiter-Schicht (1 bis 3) und die
dreizehnte bis fünfzehnte Halbleiter-Schicht (13 bis
15) eine p-Dotierung enthalten.
5. Optoelektronisches Halbleiter-Bauelement nach Anspruch 1
bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die siebente, achte
und neunte Halbleiter-Schicht (7; 8; 9) eine p-Dotierung
enthalten, und daß die erste bis dritte Halbbleiter-
Schicht (1 bis 3) und die dreizehnte bis fünfzehnte
Halbleiter-Schicht (13 bis 15) als n-leitende
Halbleiter-Schichten ausgebildet sind.
6. Optoelektronisches Halbleiter-Bauelement nach Anspruch 1
bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das fünfte und das
elfte Halbleiter-Schichtpaket (5; 11) nominell undotiert
ist.
7. Optoelektronisches Halbleiter-Bauelement nach Anspruch 1
bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das fünfte und das
elfte Halbleiter-Schichtpaket (5; 11) schwächer als die
sie umgebenden Halbleiter-Schichten dotiert ist.
8. Optoelektronisches Halbleiter-Bauelement nach Anspruch 1
bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur des
ersten und des dritten Gitters (G1; G3) vorzugsweise mit
einer Zellprojektions-Maske realisiert wird, welche die
gesamte Struktur mindestens einer Übergitter-Periode
enthält, und daß die Zellprojektions-Maske mit extrem
hochauflösender Lithografie definiert ist.
9. Optoelektronisches Halbleiter-Bauelement nach Anspruch 1
bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich die drei DFB-
Gitter (G1; G2; G3) nicht über die gesamte longitudinale
Ausdehnung des optoelektronischen Halbleiter-
Bauelements erstrecken, sondern jeweils individuelle
Grenzen aufweisen.
10. Optoelektronisches Halbleiter-Bauelement nach Anspruch 1
bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke (a)
der achten Halbleiter-Schicht (8) gleich null ist und
die Summe der Schichtdicken der siebenten und neunten
Halbleiter-Schicht (7; 9) zusammen in der Größenordnung
von ca. 100 nm liegen.
11. Optoelektronisches Halbleiter-Bauelement nach Anspruch 1
bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Gitter
(G1) eine komplexe Kopplung aufweist.
12. Optoelektronisches Halbleiter-Bauelement nach Anspruch 1
bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Gitter
(G2) eine komplexe Kopplung aufweist.
13. Optoelektronisches Halbleiter-Bauelement nach Anspruch 1
bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß sich die spektralen
Gewinnprofile des fünften und des elften Halbleiter-
Schichtpaketes (5; 11) spektral berühren, bzw.
überlappen.
14. Optoelektronisches Halbleiter-Bauelement nach Anspruch 1
bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß sich die spektralen
Gewinnprofile des fünften und des elften Halbleiter-
Schichtpaketes (5; 11) spektral nicht berühren.
15. Optoelektronisches Halbleiter-Bauelement nach Anspruch 1
bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergitter-
Periode (Lo) gleich der Gitter-Länge (Lgo) ist.
16. Optoelektronisches Halbleiter-Bauelement nach Anspruch 1
bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergitter-
Periode (Lu) gleich der Gitter-Länge (Lgu) ist.
17. Optoelektronisches Halbleiter-Bauelement nach Anspruch 1
bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke
(dso) gleich Null ist.
18. Optoelektronisches Halbleiter-Bauelement nach Anspruch 1
bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke
(dsu) gleich Null ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4420389A DE4420389B4 (de) | 1994-05-31 | 1994-05-31 | Optoelektronisches Halbleiter-Bauelement mit verbesserter Wellenlängen-Durchstimmbarkeit und reduzierter optischer Linienbreite |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4420389A DE4420389B4 (de) | 1994-05-31 | 1994-05-31 | Optoelektronisches Halbleiter-Bauelement mit verbesserter Wellenlängen-Durchstimmbarkeit und reduzierter optischer Linienbreite |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4420389A1 true DE4420389A1 (de) | 1995-12-07 |
DE4420389B4 DE4420389B4 (de) | 2007-05-03 |
Family
ID=6520326
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE4420389A Expired - Fee Related DE4420389B4 (de) | 1994-05-31 | 1994-05-31 | Optoelektronisches Halbleiter-Bauelement mit verbesserter Wellenlängen-Durchstimmbarkeit und reduzierter optischer Linienbreite |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE4420389B4 (de) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2001098813A2 (en) * | 2000-06-18 | 2001-12-27 | Beamus Ltd. | Dynamically variable diffractive optical devices |
US6885804B2 (en) * | 2002-02-07 | 2005-04-26 | Electronics And Telecommunications Research Institute | Semiconductor optical devices with differential grating structure and method for manufacturing the same |
FR3043852A1 (fr) * | 2015-11-13 | 2017-05-19 | Commissariat Energie Atomique | Dispositif laser et procede de fabrication d’un tel dispositif laser |
Family Cites Families (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3934865A1 (de) * | 1989-10-19 | 1991-04-25 | Siemens Ag | Hochfrequent modulierbarer halbleiterlaser |
-
1994
- 1994-05-31 DE DE4420389A patent/DE4420389B4/de not_active Expired - Fee Related
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2001098813A2 (en) * | 2000-06-18 | 2001-12-27 | Beamus Ltd. | Dynamically variable diffractive optical devices |
WO2001098813A3 (en) * | 2000-06-18 | 2002-09-12 | Beamus Ltd | Dynamically variable diffractive optical devices |
US7460302B2 (en) | 2000-06-18 | 2008-12-02 | Beamus, Ltd. | Dynamic optical devices |
US8811823B2 (en) | 2000-06-18 | 2014-08-19 | Beamus, Ltd. | Dynamic optical devices |
US6885804B2 (en) * | 2002-02-07 | 2005-04-26 | Electronics And Telecommunications Research Institute | Semiconductor optical devices with differential grating structure and method for manufacturing the same |
FR3043852A1 (fr) * | 2015-11-13 | 2017-05-19 | Commissariat Energie Atomique | Dispositif laser et procede de fabrication d’un tel dispositif laser |
US9899800B2 (en) | 2015-11-13 | 2018-02-20 | Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives | Laser device and process for fabricating such a laser device |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE4420389B4 (de) | 2007-05-03 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE102009028823B4 (de) | Diodenlaser und Laserresonator für einen Diodenlaser mit verbesserter lateraler Strahlqualität | |
EP0890204B1 (de) | Gütegesteuerter halbleiterlaser | |
DE3445725C2 (de) | ||
EP0418705B1 (de) | Interferometrischer Halbleiterlaser | |
DE102009019996B4 (de) | DFB Laserdiode mit lateraler Kopplung für große Ausgangsleistungen | |
DE102009001505A1 (de) | Oberflächenemittierende Halbleiterlaserdiode und Verfahren zur Herstellung derselben | |
EP0397045A2 (de) | Halbleiterlaser | |
EP0671640A2 (de) | Verfahren zur Herstellung eines Gitters für ein optoelektronisches Bauelements | |
DE60011277T2 (de) | Lichtwellenleiter und herstellungsverfahren | |
EP0664587A1 (de) | Abstimmbare Laserdiode | |
DE60204168T2 (de) | Phasenverschobene oberflächenemittierende dfb laserstrukturen mit verstärkenden oder absorbierenden gittern | |
EP0552390A1 (de) | Abstimmbare Laserdiode | |
DE102017200061A1 (de) | Halbleiterlaserelement mit verteilter Rückkopplung | |
EP0976183A1 (de) | Wellenlängenabstimmbares optoelektronisches bauelement | |
EP0632298A2 (de) | DFB oder DBR Gitter | |
DE4420389B4 (de) | Optoelektronisches Halbleiter-Bauelement mit verbesserter Wellenlängen-Durchstimmbarkeit und reduzierter optischer Linienbreite | |
DE602004008096T2 (de) | Steuerung der ausgangsstrahldivergenz in einem halbleiterwellenleiterbauelement | |
WO2012168437A1 (de) | Kantenemittierender halbleiterlaser | |
EP0632299A2 (de) | Optoelektronisches Bauelement mit Rückkopplungsgitter | |
DE10340190B4 (de) | DFB-Halbleiterlaser | |
DE4334525A1 (de) | Optoelektronisches Bauelement mit verteilter Rückkopplung und variierbarem Kopplungskoeffizienten | |
DE19500136A1 (de) | Optoelektronisches Bauelement mit axialer Gitterperiodenmodulation | |
DE102006042196A1 (de) | Oberflächenemittierender Halbleiterkörper mit vertikaler Emissionsrichtung und stabilisierter Emissionswellenlänge | |
EP1677396B1 (de) | BH-DFB-Laser mit getapertem optischen Wellenleiter | |
DE3809440C2 (de) | Bistabiler Halbleiterlaser |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: DEUTSCHE TELEKOM AG, 53175 BONN, DE |
|
8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
8125 | Change of the main classification |
Ipc: H01S 5/065 |
|
8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: ADC TELECOMMUNICATIONS, INC., EDEN PRAIRIE, MINN., |
|
8128 | New person/name/address of the agent |
Representative=s name: EISENFUEHR, SPEISER & PARTNER, 28195 BREMEN |
|
8364 | No opposition during term of opposition | ||
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |
Effective date: 20121201 |