DE4420389B4 - Optoelektronisches Halbleiter-Bauelement mit verbesserter Wellenlängen-Durchstimmbarkeit und reduzierter optischer Linienbreite - Google Patents

Optoelektronisches Halbleiter-Bauelement mit verbesserter Wellenlängen-Durchstimmbarkeit und reduzierter optischer Linienbreite Download PDF

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Abstract

Optoelektronisches Halbleiter-Bauelement mit verbesserter Wellenlängen-Durchstimmbarkeit und reduzierter optischer Linienbreite, bestehend aus fünfzehn auf einem Halbleitersubstrat aufgebrachten Halbleiter-Schichten oder Halbleiter-Schichtpaketen (1–15) und drei in verschiedenen Halbleiter-Schichten angeordneten DFB-Gittern unterschiedlicher Struktur,
• wobei im fünften und im elften Halbleiter-Schichtpaket (5; 11) zwei aktive Schichtenfolgen mit optischer Verstärkung angeordnet sind, welche als Vielfachpotentialtopf-Struktur ausgeführt sind, und ein erstes DFB-Gitter (G1) in der zweiten Halbleiter-Schicht (2) und ein zweites DFB-Gitter (G2) in der vierzehnten Halbleiter-Schicht (14) angeordnet ist, und diese beiden Gitter in Halbleiterschichten 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,
• und wobei 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,
• und wobei das erste und das zweite DFB-Gitter (G1;...

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 1Sept. 1992, Japan, 0-6, pp. 268-69. und
    • – 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 (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.
  • Aus DE 39 348 65 A1 ist ein optoelektronisches Halbleiter-Bauelement mit verbesserter Wellenlängen-Durchstimmbarkeit und reduzierter optischer Linienbreite bekannt. Diese Lösung beschreibt einen hochfrequenten modulierbaren Halbleiterlaser (oberhalb von 30 GHz) mit zwei kontradirektional koppelnden DFB-Gittern. Die Gitterperioden sind bei dieser Lösung sehr ähnlich und innerhalb eines Gitters konstant.
  • In E Yamamoto et al. Jap. J. Applied Phys. 30, L1884 (1991) und E. Yamamoto et al. IEE Proceedings, 139, 24 (1992) werden optoelektronische Bauelemente beschrieben, welche ein kontradirektional koppelndes Gitter und 2 aktive Schichten aufweisen. Der Wellenlängen Durchstimmungsbereich liegt hier bei ca. 10nm.
    •
  • Aufgabe 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.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch Schaffung eines Optoelektronischen Halbleiter-Bauelementes mit verbesserter Wellenlängen-Durchstimmbarkeit und reduzierter optischer Linienbreite, bestehend aus fünfzehn auf einem Halbleitersubstrat aufgebrachten Halbleiter-Schichten oder Halbleiter-Schichtpaketen und drei in verschiedenen Halbleiter-Schichten angeordneten DFB-Gittern unterschiedlicher Struktur,
    • • wobei im fünften und im elften Halbleiter-Schichtpaket zwei aktive Schichtenfolgen mit optischer Verstärkung angeordnet sind, welche als Vielfachpotentialtopf-Struktur ausgeführt sind und ein erstes DFB-Gitter in der zweiten Halbleiter-Schicht und ein zweites DFB-Gitter in der vierzehnten Halbleiter-Schicht angeordnet ist, und diese beiden Gitter in Halbleiterschichten mit geringerem Brechungsindex und definierter Dicke angeordnet sind, welche die aktiven Schichten mit höherem Brechungsindex im fünften und im elften Halbleiter-Schichtpaket flankieren,
    • • und wobei die erste, dritte, dreizehnte und fünfzehnte Halbleiter-Schicht, welche die DFB-Gitter umgeben, jeweils niedrigere Brechungsindizes als die zweite und die vierzehnte Halbleiter-Schicht aufweisen,
    • • und wobei das erste und das zweite DFB-Gitter eine Übergitter-Periodizität im Bereich zwischen 10μm und 100μm aufweist, wobei innerhalb einer Übergitter-Periode ein DFB-freier Bereich, sowie jeweils ein Gitter mit variabler Gitterperiode liegen,
    • • und wobei die achte Halbleiter-Schicht einen größeren Brechungsindex aufweist als die siebente und neunte Halbleiter-Schicht,
    • • und wobei das in der achten Halbleiter-Schicht befindliche dritte DFB-Gitter die zwei Wellenleiter, die hauptsächlich aus dem fünften und dem elften Halbleiter-Schichtpaket gebildet werden, kodirektional koppelt,
    • • und wobei die Wellenlängen-Durchstimmung mit zwei Steuerströmen vorgenommen wird.
  • Bevorzugte Ausführungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
    •
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 schematisch im Querschnitt die Struktur eines optoelektronischen Halbleiter-Bauelementes gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung;
  • 2 einen ersten Graph für eine Gitter-Periode; und
  • 3 einen zweiten Graph für eine Gitter-Periode.
  • Wie 1 zeigt, enthält die Struktur eines dort schematisch im Querschnitt dargestellten optoelektronischen Halbleiter-Bauelementes gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung 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 1 in den Halbleiter-Schichten 11 und 5 untergebracht und in diesem Beispiel als Vielfach-Potentialtopf Struktur ausgeführt. Die Halbleiter-Schichten 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 (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,o (bzw. Λ2,o) die kürzeste (bzw. längste) Gitterperiode für das in der Schicht 14 liegende Gitter. Entsprechend sei Λ1,u (bzw. Λ2,u) die kürzste (bzw. längste) Gitterperiode für das in der Schicht 2 liegende Gitter. Falls (Λ2,o – Λ1,o) 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,o und Λ2,o (bzw. Λ1,u und Λ2,u) durch folgende Beziehung näherungsweise mit dem maximalen Wellenlängen-Durchstimmungsbereich verknüpft: Δλ ≈ 2 neff1 (Λ2,o – Λ1,o) (1)
  • Für den Fall, daß (Λ2,u – Λ1,u) kleiner als (Λ2,o – 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,o und Λ2,o 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:
    Figure 00080001
    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,o (bzw. W1/Λ1,o) der Minimalwert (bzw. Maximalwert) des Tastverhältnisses des DFB Gitters ist. Eine analoge Beziehung gilt für K2.
  • Das in 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
    Figure 00080002
    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.
  • Figure 00090001
  • Die verwendeten Größen haben folgende Bedeutung: ω Kreisfrequenz des Lichtes, εo 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, E 1(z) Vektor der elektrischen Feldstärke der Mode 1, welche hauptsächlich in der Halbleiter-Schicht 11 geführt wird, und E 2(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 1 enthaltenen Größen.
  • Folgende Modifikationen und Grenzfälle sind in der vorgeschlagenen Realisationsmöglichkeit enthalten:
    • a) Der rechte Teil in 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 (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. 2 zeigt Λ(x) für ein mit ESL und Zellprojektion realisiertes Gitter variabler Gitterperiode. 3 zeigt Λ(x) für ein direkt mit ESL definiertes Gitter variabler Gitter-Periode. Es läßt sich in 2 eine um den Faktor A feinere Unterteilung in Sektionen, in denen die Gitter-Periode jeweils konstant ist, erreichen als in 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,o – Λ2,o|/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,o – Λ2,o| = 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 (14)

  1. Optoelektronisches Halbleiter-Bauelement mit verbesserter Wellenlängen-Durchstimmbarkeit und reduzierter optischer Linienbreite, bestehend aus fünfzehn auf einem Halbleitersubstrat aufgebrachten Halbleiter-Schichten oder Halbleiter-Schichtpaketen (1–15) und drei in verschiedenen Halbleiter-Schichten angeordneten DFB-Gittern unterschiedlicher Struktur, • wobei im fünften und im elften Halbleiter-Schichtpaket (5; 11) zwei aktive Schichtenfolgen mit optischer Verstärkung angeordnet sind, welche als Vielfachpotentialtopf-Struktur ausgeführt sind, und ein erstes DFB-Gitter (G1) in der zweiten Halbleiter-Schicht (2) und ein zweites DFB-Gitter (G2) in der vierzehnten Halbleiter-Schicht (14) angeordnet ist, und diese beiden Gitter in Halbleiterschichten 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, • und wobei 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, • und wobei das erste und das zweite DFB-Gitter (G1; G2) eine Übergitter-Periodizität im Bereich zwischen 10μm und 100μm aufweist, wobei innerhalb einer Übergitter-Periode ein DFB-freier Bereich sowie jeweils ein Gitter mit variabler Gitterperiode liegen, • und wobei die achte Halbleiter-Schicht (8) einen größeren Brechungsindex aufweist als die siebente und neunte Halbleiter-Schicht, • und wobei 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 wobei die Wellenlängen-Durchstimmung mit zwei Steuerströmen vorgenommen wird.
  2. Optoelektronisches Halbleiter-Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aktiven Halbleiter-Schichten (5; 11) als Vielfach-Potentialtopf-Struktur ausgeführt sind, welche abwechselnd aus Potentialtöpfen und aus Potentialbarrieren bestehen, daß das Topfmaterial eine Bandlücke aufweist, welche kleiner als die Emissionsenergie des Lasers ist, daß das Barrierenmaterial eine Bandlücke aufweist, die größer als die Emissionsenergie des Lasers ist, 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) im Bereich von 2 bis 10 Nanometern 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, wobei die Gitterschicht (8) eine Materialzusammensetzung aufweist, welche für die Emissionswellenlänge des Laserlichtes transparent ist und somit eine größere Bandlücke und einen entsprechend kleineren Brechungsindex aufweist als die Quantenfilme in den aktiven Schichten (5, 11), wobei zur Kontrolle des Kopplungskoeffizienten (K3) eine Halbleiter-Schicht wohldefinierter Dicke a verwendet wird, welche auf den Teilbereichen der Länge L = Λ – W komplett durchgeätzt und durch die neunte Halbleiter-Schicht (9) wiederbewachsen wurde, und daß die Gitterperiode Λ im Bereich von 2 bis 10 Mikrometern liegt.
  4. Optoelektronisches Halbleiter-Bauelement nach einem der Ansprüche 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 einem der Ansprüche 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 Halbleiter-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 einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das fünfte und das elfte Halbleiter-Schichtpaket (5; 11) nominell undotiert sind.
  7. Optoelektronisches Halbleiter-Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das fünfte und das elfte Halbleiter-Schichtpaket (5; 11) schwächer als die sie umgebenden Halbleiter-Schichten dotiert sind.
  8. Optoelektronisches Halbleiter-Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, 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.
  9. Optoelektronisches Halbleiter-Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Gitter eine komplexe Kopplung aufweist.
  10. Optoelektronisches Halbleiter-Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Gitter eine komplexe Kopplung aufweist.
  11. Optoelektronisches Halbleiter-Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß sich die spektralen Gewinnprofile des fünften und des elften Halbleiter-Schichtpaketes (5; 11) spektral berühren oder überlappen.
  12. Optoelektronisches Halbleiter-Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß sich die spektralen Gewinnprofile des fünften und des elften Halbleiter-Schichtpaketes (5; 11) spektral nicht berühren.
  13. Optoelektronisches Halbleiter-Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergitter-Periode L0 des zweiten Gitters (G2) gleich der Gitter-Länge Lgo ist.
  14. Optoelektronisches Halbleiter-Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergitter-Periode Lu des ersten Gitters (G1) gleich der Gitter-Länge Lgu ist.
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