DE60011277T2

DE60011277T2 - Lichtwellenleiter und herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE60011277T2
Application number: DE60011277T
Authority: DE
Inventors: Christopher James O'GORMAN; Paul Royston MCEVOY; David Dundrum MCDONALD; Paul Frederick Julianstown LOGUE; Michel Pascal LANDAIS
Original assignee: College of the Holy and Undivided Trinity of Queen Elizabeth near Dublin
Current assignee: College of the Holy and Undivided Trinity of Queen Elizabeth near Dublin
Priority date: 1999-09-23
Filing date: 2000-09-25
Publication date: 2005-06-23
Anticipated expiration: 2020-09-26
Also published as: US6978057B1; EP1214763B1; AU7550000A; DE60011277D1; EP1214763A1; WO2001022543A1; ATE268511T1; IES20000772A2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Lichtwellenleiter und ein Verfahren zum Schaffen des Lichtwellenleiters.
Lichtwellenleiter können als optische Filter z. B. zum Filtern von Licht zur Bereitstellung von Licht mit einer im wesentlichen einzigen vorgegebenen Wellenlänge geschaffen werden. Lichtwellenleiter können auch als Halbleiterlaserlicht erzeugende Vorrichtungen geschaffen werden. Falls Lichtwellenleiter als Filter geschaffen werden, können solche Filter einen Glasfaserkern aufweisen, der einen Lichtweg zum Führen von Laserlicht durch den Filter definiert, und sie können auch Halbleiterwellenleiter sein. Der Glasfaserkern ist von einem Mantelmedium mit einem Brechungsindex umgeben, der sich von demjenigen des Glasfaserkerns unterscheidet, um das Licht im Wesentlichen innerhalb des Glasfaserkerns zu begrenzen. Halbleiterlaserlicht erzeugende Vorrichtungen, z. B. Laserdioden, weisen ein lichtleitendes Medium auf, das einen Lichtweg definiert, der effektiv ein Wellenleiter zum Führen des im lichtleitenden Medium entlang dem Lichtweg erzeugten Laserlichts ist.
Lichtwellenleiter mit wellenlängenselektiven Eigenschaften sind in der optischen Technik besonders nützlich. Glasfaservorrichtungen sind z. B. für viele Anwendungen bei optischer Modem-Kommunikation und Erfassung, beim Wellenlängen-Multiplexverfahren (Wavelength Division Multiplexing, WDM) und anderen Lichtleiteranwendungen nützlich. Faser-Bragg-Gitter- (FBG-) Vorrichtungen, Glasfaserlaser, Vorrichtungen mit verteiltem Bragg-Reflektor (Distributed Bragg Reflector, DBR) und Vorrichtungen mit verteilter Rückkopplung (Distributed Feedback, DFB) sind als wellenlängenselektive Vorrichtungen und Quellen für diese Anwendungen verwendet worden. Wellenlängenselektion ist ein wichtiges Attribut bei optischen Filtern und Lichtstrahlern. Faser-Bragg-Gitter für Wellenlängenselektion und Gitter mit verteilter Rückkopplung für Einwellenlängen- oder Einmodenbetrieb von Halbleiterlasern sind z. B. wesentliche Elemente von WDM-Kommunikationstechnologie. Auf dem Gebiet der Glasfaser-Lichtwellenleiter sind Anstrengungen zum Ersinnen neuer Gitterstrukturen für neue Komponentenfunktionalität, z. B. langperiodische Faser-Bragg-Gitter, und zur Verbesserung der Leistung vorhandener Komponenten unternommen worden.
Auf dem Gebiet der Halbleiterlaser haben Fabry-Perot- (FP-) Laserresonatoren viele Vorteile gegenüber anderen Lasertypen hinsichtlich Kosten und guter Verarbeitbarkeit, aber sie haben eine schlechte Einwellenlängen- oder Einmodenleistung. Folglich sind Anstrengungen unternommen worden, um einen FP-Laser zu ersinnen, der einen ausreichenden Einmodencharakter zur Verwendung bei den oben erwähnten Anwendungen hat. Ein Ansatz zum Erhalten von Einlongitudinalmoden-FP-Lasern ist durch Coldren et al (L.A. Coldren, B.I. Miller, K. Iga und J.A. Rentschler in App/ied Physics Letters (1981), 38(5), S. 315–317; K.J. Ebeling, L.A. Coldren, B.I. Miller und J.A. Rentschler in Applied Physics Letters (1983), 42(1), S. 6–8) beschrieben. Coldren et al unterteilten einen GalnAsP-Laser in zwei gekoppelte Abschnitte durch Ausbilden einer seichten Rille im Halbleitermaterial durch reaktives Ionenätzen. Bei einer Konfiguration, bei der zwei Abschnitte (mit den Längen I₁ und I₂) durch eine Rille mit ca. 1 μm Breite und I₂/I₁, = 1/8 getrennt sind, ist festzustellen, dass jede achte Mode im Emissionsspektrum gesteigert ist, wogegen die dazwischenliegenden Moden unterdrückt sind. Diese Unterscheidung zwischen Moden führt zu im Wesentlichen Einmoden- oder -Wellenlängenbetrieb. Die Möglichkeit von "Multielement-" oder Multiresonatorabschnitt-Lasern ist ebenfalls offenbart.
DeChiaro (L.F. DeChiaro: Journal of Lightwave Technoloy (1990), 8(11), 1659–1669; und Journal of Lightwave Technolgy (1991), 9(8), 975–986) offenbart, dass ein sich dem Einlongitudinalmodenbetrieb annähernder Betrieb bei Seitenmodenunterdrückung von 20 dB durch Einbringen von absorbierenden Bereichen an geeigneten Stellen entang der aktiven Schicht einer Rückenwellenleiter-Vorrichtung erreichen lässt.Die absorbierenden Defekte werden mittels eines auf den aktiven Streifen des Wellenleiters fokussierten gepulsten Xenonlasers in der aktiven Schicht erzeugt. Es wird zu verstehen gegeben, dass ein sich dem Einmodenbetrieb annähernder Betrieb mit verringer ter Spektralbreite durch Platzieren von N-absorbierenden Stellen entlang dem aktiven Bereich, wobei sich die n-te Stelle in einer Distanz von L/2ⁿ von einer der Laserfacetten befindet (wobei L die Länge des Resonators ist), erreichen lässt.
Kozlowski und Young et al, (D.A. Kozlowski; J.S. Young; J.M.C. England und R.G.S. Plumb: Electronics Letters (1995), 31(8), 648–650 und IEE Proceedings; Part J. Optoelectronics (1996), 143(1), 71–76; J.S. Young; D.A. Kozlowski; J.M.C. England und R.G.S. Plumb: E/ectronics Letters (1995), 31(4), 290–291) haben offenbart, dass durch einen fokussierten Ga⁺-Innenstrahl entlang dem laseraktiven Bereich einer FP-Vorrichtung zum Anregen reflektierender und nichtstrahlender Defekte geätzte Grübchen zu Quasi-Einmodenbetrieb mit 30 dB Seitenmodenunterdrückung bei einem vernachlässigbaren Anstieg des Schwellenstroms führen. Mit an Bruchpositionen (1/2, 1/4 und 1/8 der Resonatorlänge) eingebrachten Defektstellen modifiziert die durch die Defekte bewirkte Streuung das Verstärkungsprofil, wobei einige Moden gesteigert und andere unterdrückt werden. Es ist anerkannt, dass die von der Zuverlässigkeit des zur Ausbildung der Grübchen angewendeten Ätzprozesses mittels fokussiertem Innenstrahl abhängige Position und Tiefe der Grübchen für den Betrieb der Vorrichtung entscheidend sind.
Corbett und McDonald (B. Corbett und D. McDonald: Electronics Letters (1995), 31(25), 2181–2182; D. McDonald und B. Corbett: IEEE Photonics Technolgy Letters (1996), 8(9), 1127–1129) offenbaren eine Technik zum Umwandeln der Multilongitudinalmoden-Abgabe eines 1,3 μm-Ruckenwellenleiter-PF-Lasers in eine einzelne Mode durch Einbringen von Brechungsindex-Störungen entlang der Länge des Rückens. Diese Störungen bestehen in der Form von in den Führungsrücken geätzten Schlitzen mit einer gesteuerten Tiefe und Stelle bezüglich der physischen Gesamtlänge der Vorrich tung und bilden mehrere Bereiche mit geändertern Brechnungsindizes im Lasseresonator. Die Schlitze erreichen nicht den aktiven Bereich des Lasers, sondern bewirken Brechungsindexstörungen an fotolithografisch definierten Positionen entlang der Länge des Resonators, wobei sie bewirken, dass einige optische Moden eine Reflexion durchmachen. Optische Frequenzen, die mit einer der Unterabschnittslängen resonant sind, werden gesteigert. Es wird festgestellt, dass ein Multimodenlaser mit Schlitzen in den Positionen 1/2, 1/4 und 1/8 der physischen Resonator-Gesamtlänge ein Quasi-Einmodenverhalten mit einem Seitenmodenunterdrückungsverhältnis (Side Mode Suppression Ratio, SMSR) bis zu 25 dB aufweist. Die Moden, die die Laserbedingung für den modifizierten Resonator erfüllen, werden verstärkt und haben so eine niedrigere Schwellenverstärkung und erreichen die Schwelle zuerst.
Im Allgemeinen neigen die oben besprochenen Vorrichtungen jedoch dazu, an Nachteilen zu leiden. Sie neigen im Allgemeinen dazu, relativ ineffizient zu sein, und sie stellen keine hinreichende Laserlichtabgabe mit einer im Wesentlichen einzigen vorbestimmten Wellenlänge bereit. Außerdem verlieren die oben besprochenen Wellenleiter relativ leicht ihre Einmodenleistung, während sich die Betriebstemperatur ändert, und ferner kann die Einmodenleistung infolge von Änderungen des Ansteuerungsstroms verloren gehen.
Deshalb gibt es einen Bedarf an einem Lichtwellenleiter und einem Verfahren zum Schaffen des Lichtwellenleiters, der eine Laserlichtabgabe mit einer im Wesentlichen einzigen vorbestimmten Wellenlänge bereitstellt.
Die vorliegende Erfindung ist auf das Schaffen eines solchen Lichtwellenleiters und eines Verfahrens zum Schaffen eines Lichtwellenleiters gerichtet.
Gemäß der Erfindung wird ein Lichtwellenleiter zum Abgeben von Licht mit einer im Wesentlichen einzigen vorbestimmten Wellenlänge geschaffen, wobei der Lichtwellenleiter ein einen in Längsrichtung verlaufenden Lichtweg zum Führen des Lichts definierendes lichtleites Medium aufweist, wobei der Lichtweg in Längsrichtung zwischen jeweiligen beabstandeten ersten und zweiten Enden verläuft, und eine Einrichtung, um partielle longitudinale Reflexionen des Lichts entlang dem Lichtweg an zumindest zwei beabstandeten partiellen reflektierenden Stellen entlang dem Licht weg zum Ableiten von Licht mit der vorbestimmten Wellenlänge zu bewirken, wobei die Einrichtung zum Bewirken der partiellen Reflexionen die reflektierenden Stellen entlang dem Lichtweg in Distanzen vom ersten Ende entlang dem Lichtweg anordnet, die Funktionen der effektiven optischen Länge des Lichtweges unter Berücksichtigung einer Änderung zur eigentlichen Länge des Lichtweges sind, die sich aus der Wirkung der Einrichtung zum Bewirken der partiellen Reflexionen auf der eigentlichen Länge des Lichtweges ergibt, wobei die Distanzen der reflektierenden Stellen entlang dem Lichtweg vom ersten Ende so gewählt sind, dass die zwischen dem ersten Ende und jeder reflektierenden Stelle aufgebauten stehenden Wellen und die stehende Welle oder stehenden Wellen, die zwischen beliebigen zwei reflektierenden Stellen aufgebaut werden, und die zwischen dem ersten und zweiten Ende aufgebaute stehende Welle alle zueinander in harmonischer Beziehung stehen.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung weist die Einrichtung zum Bewirken der partiellen Reflexionen des Lichts an den zumindest zwei reflektierenden Stellen eine einen Brechungsindex ändernde Einrichtung auf, um den effektiven Brechungsindex des lichtleitenden Mediums, der dem entlang dem Lichtweg durchgehenden Licht präsentiert wird, an jeder der zumindest zwei reflektierenden Stellen zum Bewirken der partiellen Reflexionen zu ändern.
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist die Länge jeder reflektierenden Stelle in der Längsrichtung des Lichtwegs relativ kurz.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung liegt die Länge jeder reflektierenden Stelle in der Längsrichtung des Lichtweges im Bereich von 0,3 Mikrometern bis 200 Mikrometern.
Vorzugsweise liegt die Länge jeder reflektierenden Stelle in der Längsrichtung des Lichtwegs im Bereich von 1 Mikrometer bis 4 Mikrometer.
Die jeweiligen Längen der reflektierenden Stellen entlang dem Lichtweg können die gleichen oder verschieden sein. Die effektiven Brechungsindizes der jeweiligen reflektierenden Stellen können die gleichen oder verschieden sein.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist die Distanz jeder reflektierenden Stelle vom ersten Ende entlang dem Lichtweg eine Funktion des Produkts der eigentlichen Länge des Lichtweges und des eigentlichen Brechungsindex des lichtleitenden Mediums, das den Lichtweg definiert, minus die Summe der Produkte der Längen der reflektierenden Stellen und der Differenzen zwischen jeweiligen effektiven Brechungsindizes der reflektierenden Stellen und dem eigentlichen Brechungsindex des den Lichtweg definierenden lichtleitenden Mediums.
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist die Distanz jeder reflektierenden Stelle vom ersten Ende entlang dem Lichtweg eine Funktion der Summe der Produkte der Längen der reflektierenden Stellen, die zwischen dem ersten Ende und dieser reflektierenden Stelle liegen, und der Differenzen zwischen jeweiligen effektiven Brechungsindizes der reflektierenden Stellen und dem eigentlichen Brechungsindex des den Lichtweg definierenden lichtleitenden Mediums.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Distanz jeder reflektierenden Stelle vom ersten Ende entlang dem Lichtweg eine Funktion der Summe des Produkts der halben Länge dieser reflektierenden Stelle und der Differenz zwischen ihrem effektiven Brechungsindex und dem eigentlichen Brechungsindex des den Lichtweg definierenden lichtleitenden Mediums.
Bei einer noch weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Distanz jeder reflektierenden Stelle vom ersten Ende entlang dem Lichtweg eine Funktion des eigentlichen Brechungsindex des den Lichtweg definierenden lichtleitenden Mediums.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird die Distanz der p-ten reflektierenden Stelle vom ersten Ende entlang dem Lichtweg durch folgende Formel geliefert:
worin:
L die Distanz der p-ten reflektierenden Stelle vom ersten Ende entlang dem Lichtweg ist,
X der Bruchteil der eigentlichen optischen Länge ist, an dem das Element zu platzieren ist,
L_Vorricht die eigentliche Länge des Lichtwegs ist,
n_Vorricht der durchschnittliche Brechungsindex der lichtleitenden Schichten des ungestörten lichtleitenden Mediums des Lichtweges ist, der dem Licht präsentiert wird,
I_i die Länge der j-ten reflektierenden Stelle in Richtung des Lichtwegs ist,
Δn_i die Differenz zwischen dem effektiven Brechungsindex der i-ten partiell reflektierenden Stelle und dem durchschnittlichen Brechungsindex des ungestörten Lichtwegs ist,
I_p die Länge der p-ten reflektierenden Stelle in Richtung des Lichtweges ist, und
Δn_p die Differenz zwischen dem effektiven Brechungsindex der p-ten partiell reflektierenden Stelle und dem durchschnittlichen Brechungsindex des Lichtwegs ist.
Die einen Brechungsindex ändernde Einrichtung umfasst vorzugsweise mehrere einen Brechungsindex ändernde Elemente, wobei ein einen Brechungsindex änderndes Element für je eine reflektierende Stelle vorgesehen ist und die jeweiligen einen Brechungsindex ändernden Elemente in Distanzen vom ersten Ende entlang dem Lichtweg liegen, die den Distanzen vom ersten Ende der entsprechenden reflektierenden Stelle ähnlich sind.
Vorteilhaft ist jedes einen Brechungsindex ändernde Element von einem aktiven Bereich, in dem der Lichtweg definiert ist, beabstandet angeordnet.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist jedes einen Brechungsindex ändernde Element durch eine einen Brechungsindex ändernde Rille gebildet, die in einem dem lichtleitenden Medium benachbarten Medium, aber davon beabstandet ausgebildet ist.
Die Tiefe der einen Brechungsindex ändernden Rillen kann die gleiche oder verschieden sein.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich jedes einen Brechungsindex ändernde Element im Wesentlichen transversal in Bezug auf den Lichtweg.
Alternativ sind die jeweiligen reflektierenden Stellen durch einen Dotierungsstoff gebildet.
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird die Distanz vom ersten Ende entlang dem Lichtweg zu jeder reflektierenden Stelle zur Mitte der reflektierenden Stelle gemessen.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Lichtwellenleiter ein Wellenleiter für Laserlicht.
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist der Wellenleiter eine Halbleiterlaserlicht erzeugende Vorrichtung.
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist der Lichtwellenleiter ein passiver Halbleiterwellenleiter.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist ein Rücken auf einer Oberfläche des Halbleiterlaserwellenleiters zum Definieren des Lichtwegs durch das lichtleitende Medium geschaffen.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die einen Brechungsindex ändernden Elemente im Rücken an der reflektierenden Stelle entsprechenden Stellen angeordnet.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung sind die einen Brechungsindex ändernden Elemente im Rücken an der partiellen reflektierenden Stelle direkt entsprechenden Stellen angeordnet.
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist der Lichtwellenleiter ein vergrabener Heterostrukturlaser.
Alternativ weist der Lichtwellenleiter einen Glasfaserwellenleiter auf.
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist der Wellenleiter ein Filter mit einem Glasfaserkern, der das lichtleitende Medium zum Definieren des Lichtweges bildet, wobei der Glasfaserkern von einem Mantelmedium mit einem Brechungsindex umgeben ist, der sich von demjenigen des Glasfaserkerns unterscheidet.
Be einer weiteren Ausführungsform der Erfindung befindet sich jedes einen Bre-chungsindex ändernde Element im Mantelmedium und verläuft um dieses.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung bewirkt die Einrichtung zum Bewirken der partiellen Reflexionen die partiellen Reflexionen an mindestens drei reflektierenden Stellen entlang dem Lichtweg.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung sind die reflektierenden Stellen in jeweiligen Distanzen vom ersten Ende vorgesehen, die den folgenden Bruchteilen der eigentlichen Länge des Lichtwegs entsprechen, nämlich 1/14, 1/7, 3/14, 2/7, 3/7, 4/7 und 5/7 entlang dem Lichtweg. Die jeweiligen Distanzen entlang dem Lichtweg vom ersten Ende, an dem sich die reflektierenden Stellen befinden, die den Bruchteilen 1/14, 1/7, 3/14, 2/7, 3/7, 4/7 und 5/7 der eigentlichen Länge des Lichtwegs entsprechen, betragen vorzugsweise 39,3, 78,6, 118,0, 157,3, 235,9, 314,5 und 393,1 Mikrometer.
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung sind reflektierende Stellen in jeweiligen Distanzen vom ersten Ende vorgesehen, die den folgenden Bruchteilen der eigentlichen Länge des Lichtweges entsprechen, nämlich 1/16, 1/8, 3/16, 1/4, 5/16, 3/18, 1/2, 5/8 und 3/4 entlang dem Lichtweg. Die jeweiligen Distanzen entlang dem Lichtweg vom ersten Ende, an dem sich die reflektierenden Stellen befinden, die den Bruchteilen 1/16, 1/8, 3/16, 1/4, 5/16, 3/8, 1/2, 5/8 und 3/4 der eigentlichen Länge des Lichtwegs entsprechen, betragen bei einem Wellenleiter mit einer eigentlichen Länge von 300 Mikrometern vorzugsweise 18,74, 37,55, 56,36, 75,16, 93,97, 112,78, 150,26, 187,74 und 225,23 Mikrometer.
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung weist der Lichtwellenleiter mehrere in Form eines Arrays vorgesehene Lichtwellenleiter auf.
Die Wellenlänge des von den jeweiligen Wellenleitern des Arrays abgegedenen Lichts kann die gleiche oder verschieden sein.
Ferner stellt die Erfindung ein Array von Lichtwellenleitern bereit, wobei die jeweiligen Lichtwellenleiter Lichtwellenleiter gemäß der Erfindung sind.
Außerdem schafft die Erfindung ein Verfahren zum Schaffen eines Lichtwellenleiters zum Abgeben von Licht mit einer im Wesentlichen einzigen vorbestimmten Wellenlänge, wobei das Verfahren Vorsehen ein einen in Längsrichtung verlaufenden Lichtweg zum Führen des Lichts definierendes lichtleitendes Medium aufweist, wobei der Lichtweg in Längsrichtung zwischen jeweiligen beabstandeten ersten und zweiten Enden verläuft, und Vorsehen einer Einrichtung, um partielle longitudinale Reflexionen des Lichts entlang dem Lichtweg an zumindest zwei beabstandeten partiellen reflektierenden Stellen entlang dem Lichtweg zum Ableiten des Lichts mit der vorbestimmten Wellenlänge zu bewirken, wobei die Einrichtung zum Bewirken der partiellen Reflexionen so vorgesehen ist, dass die reflektierenden Stellen in Distanzen vom ersten Ende entlang dem Lichtweg angeordnet sind, die Funktionen der effektiven optischen Länge des Lichtweges unter Berücksichtigung einer Änderung zur eigentlichen Länge des Lichtweges sind, die sich aus der Wirkung der Einrichtung zum Bewirken der partiellen Reflexionen auf der eigentlichen Länge des Lichtweges ergibt, wobei die Distanzen der reflektierenden Stellen entlang dem Lichtweg vom ersten Ende so gewählt sind, dass die zwischen dem ersten Ende und jeder reflektierenden Stelle aufgebauten stehenden Wellen und die stehende Welle oder stehenden Wellen, die zwischen beliebigen zwei reflektierenden Stellen aufgebaut werden, und die zwischen dem ersten und zweiten Ende aufgebaute stehende Welle alle zueinander in harmonischer Beziehung stehen.
Die Vorteile der Erfindung sind zahlreich. Wegen der Tatsache, dass die partiellen reflektierenden Stellen in Distanzen vom ersten Ende des Lichtwegs angeordnet sind, die auf der effektiven optischen Länge des Lichtweg statt auf der eigentlichen Länge des Lichtwegs beruhen, sind die partiellen reflektierenden Stellen an der im Wesentlichen exakten Stelle angeordnet, die das Aufbauen entsprechender stehender Wellen oder Oberschwingungen von ihnen mit gewünschter Wellenlänge zwischen der jeweiligen partiellen reflektierenden Stelle und dem ersten Ende des Lichtwellenleiters erleichtert. Auf diese Weise geben die Lichtwellenleiter gemäß der Erfindung Licht mit einer im wesentlichen einzigen vorbestimmten Wellenlänge ab. Dies schafft somit Lichtwellenleiter mit wesentlichen Vorteilen gegenüber Lichtwellenleitern vom Stand der Technik, bei denen die partiellen reflektierenden Stellen in Distanzen von einem Ende des Lichtwellenleiters angeordnet sind, die der eigentlichen Länge des Lichtwegs entsprechen. Da die effektive Länge des Lichtwegs je nach der Anzahl der im Lichtweg angeordneten partiellen reflektierenden Stellen und dem effektiven Brechungsindex der partiellen reflektierenden Stellen schwankt, sind die partiellen reflektierenden Stellen bei Vorrichtungen vom Stand der Technik nicht an optimalen Stellen zum Aufbauen von stehenden Wellen mit der gewünschten Wellenlänge oder Oberschwingungen von ihnen positioniert.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass sie die Bestimmung der Emissionscharakteristiken des Lichtwellenleiters erlaubt, nachdem die Epitaxialschicht-Wachstumsphase der Herstellung einer Laserdiode abgeschlossen ist.
Ein weiterer und besonders wichtiger Vorteil der Erfindung besteht darin, dass sie einen robusten Lichtwellenleiter schafft, der im Wesentlichen temperaturstabil ist und bei Schaffung des Wellenleiters als Laserdiode die Einmodennatur der Laserdiodenlichtemission über einen relativ großen Temperaturbereich ebenfalls temperaturstabil ist und insbesondere über einen angemessen weiten Betriebsstrombereich stromstabil ist und daher eine Laserlichtabgabe mit einer vorbestimmten Wellenlänge erzeugt, die über einen angemessenen Temperatur- und Betriebsstrombereich stabil ist.
Die Erfindung wird anhand der folgenden Beschreibung einiger ihrer bevorzugten Ausführungstormen, die nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen aufgeführt sind, deutlicher verstanden; es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Wellenleiter- Laserdiode des Rückentyps
2 eine Querschnitt-/Seitenansicht der Laserdiode auf der Linie II–II von 1,
3 eine vergrößerte Querschnittansicht ähnlich 2 eines Abschnitts der Laserdiode von 1 bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung,
4 eine auf mathematischen Modellen der Schwellenverstärkung basierende grafische Darstellung, aufgetragen über Wellenlängen für zwei Laserdioden, wobei eine auf dem Stand der Technik und eine auf der Erfindung beruht,
5 eine auf einem mathematischen Modell eines Kurvenbilds basierende grafische Darstellung der Facettenausgangsleistung, aufgetragen über dem Betriebsstrom für die dominante Lasermode und mehrere Nebenlasermoden der auf der Erfindung basierenden Laserdiode,
6 eine auf einem mathematischen Modell eines Kurvenbilds basierende grafische Darstellung des Seitenmodenunterdrückungsverhältnisses, aufgetragen über dem Betriebsstrom für eine auf der Erfindung basierende Laserdiode,
7 eine auf einem mathematischen Modell eines Kurvenbilds basierende grafische Darstellung der Schwellenverstärkung, aufgetragen über Wellenlängen für drei auf der Grundlage der Erfindung geschaffene Laserdioden,
8 eine auf einem mathematischen Modell eines Kurvenbilds basierende grafische Darstellung der Facettenleistung, aufgetragen über dem Betriebsstrom für auf der Grundlage der Erfindung geschaffene Laserdioden,
9 eine auf einem mathematischen Modell eines Kurvenbilds basierendegrafische Darstellung des Seitenmodenunterdrückungsverhältnisses, aufgetragen über dem Betriebsstrom für eine auf der Erfindung basierende Laserdiode,
10(a) und (b) perspektivische Ansichten jeweiliger Laserdioden ebenfalls gemäß der Erfindung,
11 eine perspektivische Ansicht eines Arrays von Laserdioden ebenfalls gemäß der Erfindung, und
12(a) bis (c) Kurvenbilder der Leistungsabgabe, aufgetragen über der Wellenlänge identischer, gemäß der Erfindung geschaffener Laserdioden, die verschiedenen Betriebsströmen ausgesetzt sind.
Nunmehr wird auf die Zeichnungen und zunächst auf die 1 bis 3 verwiesen, die eine im Allgemeinen durch das Bezugszeichen 1 angegebene bereitgestellte Laservorrichtung des Brückentyps zum Abgeben eines Laserlichts mit einer im Wesentlichen einzigen Wellenlänge zeigen. Die Laserdiode 1 ist durch eine geschichtete Struktur mit einer sandwichartig zwischen einer unteren Substratschicht 3 und einer oberen Schicht 4 angeordneten aktiven Schicht 2 gebildet. Die aktive Schicht 2 bildet ein lichtleitendes Medium 5, in dem das Laserlicht erzeugt wird. Zwar ist die Laserdiode 1 veranschaulicht und kurz als drei Schichten, nämlich die Substratschicht 3, die aktive Schicht 2 und die obere Schicht 4, aufweisend beschrieben worden, dem Fachmann ist jedoch ohne Weiteres klar, dass die Laserdiode 1 viele weitere Schichten haben wird, insbesondere im Bereich der aktiven Schicht, wegen der Zweckmäßigkeit und einfachen Veranschaulichung und Beschreibung wird die Laserdiode jedoch als nur drei Schichten 2, 3 und 4 aufweisend beschrieben. Die geschichtete Struktur der Laserdiode 1 wird von einem Halbleiterscheibchen abgespalten, und während des Spaltens werden erste und zweite Enden 8 bzw. 9 mit ersten und zweiten Spiegelfacetten 10 bzw. 11 ausgebildet. Zur internen Reflektion von innerhalb des aktiven Bereichs 2 erschichtet sein oder nicht beschichtet sein. Ein Paar in der oberen Schicht 4 ausgebildeter paralleler langgestreckter Kanäle 12 erstreckt sich längs zwischen den jeweiligen ersten und zweiten Enden 8 und 9, um einen sich zwischen den ersten und zweiten Enden 8 und 9 erstreckenden langgestreckten Rücken 14 zu bilden. Der Rücken 14 definiert in der aktiven Schicht 2 einen langgestreckten Lichtweg 15, der sich zwischen den ersten und zweiten Enden 8 und 9 erstreckt und dem entlang Laserlicht erzeugt und durch kleine emittierende Bereiche 16 in den ersten und zweiten Spiegelfacetten 10 und 11 in den ersten und zweiten Enden 8 und 9 der Laserdiode 1 geleitet wird. Elektrische Kontakte (nicht gezeigt) sind an einer unteren Oberfläche 18 der Substratschicht 3 und an einer oberen Oberfläche 19 des Rückens 11 zum Anlegen einer Spannung über die Laserdiode 1 zum Ansteuern eines Stroms durch die Laserdiode 1, um wiederum das Laserlicht entlang dem Lichtweg 15 zu erzeugen, vorgesehen.
Eine Einrichtung, um partielle longitudinale Reflexion des Lichts im Lichtweg 15 an vier beabstandeten partiellen reflektierenden Stellen 20 entlang dem Lichtweg 15 zu bewirken, weist bei dieser Ausführungsform der Erfindung vier einen Brechungsindex ändernde Elemente auf, nämlich vier einen Brechungsindex ändernde Rillen 21 zum Ändern des effektiven Brechungsindex des lichtleitenden Mediums im Lichtweg 15 an den jeweiligen reflektierenden Stellen 20. Durch Ändern des effektiven Brechungsindex des lichtleitenden Mediums im Lichtweg 15, der dem durch den Lichtweg 15 geleiteten Laserlicht präsentiert wird, wird eine partielle longitudinale Reflexion des geleiteten Laserlichts an jeder der reflektierenden Stellen 20 bewirkt. Die einen Brechungsindex ändernden Rillen 21 sind im Rücken 14 ausgebildet. Die einen Brechungsindex ändernden Rillen sind in Distanzen L vom ersten Ende 8, die den Distanzen L vom ersten Ende, an dem die reflektierenden Stellen 20 vorzusehen sind, ähnlich sind, angeordnet.
Das Merkmal des Bildens partieller reflektierender Stellen entlang einem Lichtweg einer Laserdiode zum Abgeben von Laserlicht mit einer im Wesentlichen einzigen vorbestimmten Wellenlänge ist bekannt. Bei Vorrichtungen vom Stand der Technik sind die partiellen reflektierenden Stellen jedoch entlang dem Lichtweg in Distanzen angeordnet, die direkt einem Bruchteil der eigentlichen Länge des Lichtwegs entsprechen, anders gesagt der eigentlichen Länge der Laserdiode zwischen den jeweiligen ersten und zweiten Enden 8 und 9, um Licht mit der gewünschten Wellenlänge oder Oberschwingung von ihr zu reflektieren. Solche Bruchteile betragen typischerweise 1/2, 1/4, 1/8, 1/16 usw. der eigentlichen Länge des Lichtwegs. Es wurde jedoch festgestellt, dass die Einbringung der reflektierenden Stellen die effektive optische Länge des Lichtwegs ändert, und durch Anordnen der reflektierenden Stellen in Teildistanzen der eigentlichen Länge des Lichtwegs die Positionen der reflektierenden Stellen nicht mehr der gewünschten Wellenlänge oder Oberschwingung von ihr entsprechen. Entsprechend überwindet die Laserdiode 1 gemäß der Erfindung dieses Problem durch Vorsehen der einen Brechungsindex ändernden Rillen 21 in jeweiligen Distanzen L vom ersten Ende 8 der Laserdiode 1 zum Bilden der reflektierenden Stellen in entsprechenden Distanzen L vom ersten Ende 8, die auf Teillängen der effektiven optischen Länge des Lichtwegs 15 basieren, die sich aus den Wirkungen der reflektierenden Stellen 20 auf die eigentliche Länge des Lichtwegs ergibt.
Nunmehr wird insbesondere auf 3 verwiesen, bei der die effektive optische Länge des sich aus der Wirkung der reflektierenden Stellen 20 ergebenden Lichtwegs 15 L_eff durch die folgende Gleichung gegeben ist:
worin:
L_Vorricht die eigentliche Länge des Lichtweges 15 ist, nämlich die Länge der Laserdiode 1 zwischen den jeweiligen ersten und zweiten Enden 8 und 9, und in Abhängigkeit von der Wellenlänge der gewünschten Einmoden-Wellenlänge gewählt wird;
n_Vorricht der durchschnittliche Brechungsindex der lichtleitenden Schichten des ungestörten lichtleitenden Mediums des Lichtwegs 15 ist;
I_i die Länge der i-ten einen Brechungsindex ändernden Rille 21 in der Längsrichtung des Lichtwegs 15 ist;
Δn_i die Differenz zwischen dem durch die i-te Rille 21 bewirkten effektiven Bre chungsindex der reflektierenden Stelle 20 und dem durchschnittlichen Brechungsindex des ungestörten lichtleitenden Mediums des Lichtwegs 15 ist.
Der Begriff "durchschnittlicher Brechungsindex" in Bezug auf das lichtleitende Medium bedeutet den durchschnittlichen Brechungsindex der lichtleitenden Schichten des lichtleitenden Mediums, die dem durch das lichtleitende Medium gehenden Licht präsentiert werden. Der Begriff "ungestört" bedeutet bei Verwendung zum Qualifizieren des lichtleitenden Mediums in Bezug auf den durchschnittlichen Brechungsindex den durchschnittlichen Brechungsindex der lichtleitenden Schichten des lichtleitenden Mediums, der dem durch das lichtleitende Medium gehenden Licht präsentiert würde, wenn die reflektierenden Stellen 20 weggelassen würden.
Auf der Basis von Gl. 1 ist dementsprechend die optische Länge Lg vom ersten Ende 8 entlang dem Rücken 14, bei der die p-te Rille 21 auf der effektiven optischen Länge des Lichtwegs 15 basierend platziert werden soll, durch die Gleichung gegeben:
worin:
I_p die Länge der p-ten einen Brechungsindex ändernden Rille 21 in der Längsrichtung des Lichtwegs 15 ist,
Δn_p die Differenz zwischen dem durch die p-te Rille 21 bewirkten effektiven Brechungsindex der reflektierenden Stelle 20 und dem durchschnittlichen Brechungsindex des ungestörten lichtleitenden Mediums des Lichtwegs 15 ist; und die anderen Terme wie in Bezug auf Gl. 1 definiert sind.
Demgemäß ist auf Grund von Gl. 1 und Gl. 2 die eigentliche Distanz L vom ersten Ende 8 entlang dem Rücken 14, in der die p-te einen Brechungsindex ändernde Rille 21 angeordnet sein soll, durch die folgende Gleichung gegeben:
worin:
X der Bruchteil der Länge des Lichtwegs ist, an dem die p-te einen Brechungsindex ändernde Rille 21 zu platzieren ist;
und
die anderen Terme wie in Bezug auf Gl. 1 und Gl. 2 definiert sind.
Bei der obigen Gl. 1 und Gl. 2 werden die Distanzen L und L_g der Rillen 21 vom ersten Ende 8 zu einer Mittellinie 25 jeder Rille 21 gemessen.
In 3 erscheinen die partiellen longitudinalen Reflexionen des entlang dem Lichtweg 15 erzeugten und geleiteten Laserlichts neben der Mittellinie 25 an jeder reflektierenden Stelle 20, die mit der Mittellinie 25 der entsprechenden Rille 21 übereinstimmt. Die partiellen longitudinalen Reflexionen des Laserlichts sind durch die Pfeile A veranschaulicht. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung sind die Länge I_i der einen Brechungsindex ändernden Rillen 21 miteinander identisch, und es wird angenommen, dass die Länge in der longitudinalen Richtung des Lichtwegs 15 der reflektierenden Stellen 20 der Länge I_i der einen Brechungsindex ändernden Rillen 21 ähnlich und somit zueinander ähnlich ist. Außerdem sind die einen Brechungsindex ändernden Rillen 21 und wiederum die reflektierenden Stellen 20 in gleichen Intervallen entlang der Länge des Lichtwegs 15 angeordnet. Es ist jedoch klar, dass in der Praxis die Länge I_i der einen Brechungsindex ändernden Rillen und wiederum die reflektierenden Stellen 20 voneinender abweichen können, und dass ferner auch der Abstand zwischen benachbarten einen Brechungsindex ändernden Rillen und entsprechenden reflektierenden Stellen 20 ebenfalls schwanken kann.
Zum vollständigeren Verständnis der Erfindung werden die partiellen Reflexionen des Laserlichts an den jeweiligen reflektierenden Stellen 20 unter Bezugnahme auf 3 beschrieben. Zwecks Einfachheit der Erklärung ist die dem ersten Ende 8 nahe gelegenste Rille 21 als Rille 21a bezeichnet, und ihre entsprechende reflektierende Stelle ist als 20a bezeichnet. Die nächste Rille ist 21b, und ihre entsprechende reflektierende Stelle ist 20b, usw. bis Rille 21d und reflektierende Stelle 20d. Sich entlang dem Lichtweg 15 in der Richtung von der ersten Spiegelfacette 10 zur zweiten Spiegelfacette 11 ausbreitendes Laserlicht trifft anfangs auf die erste reflektierende Stelle 20a, und eine partielle Reflexion des sich ausbreitenden Lichts wird als Folge des geänderten Brechungsindex an der reflektierenden Stelle 20a an der ersten partiellen reflektierenden Stelle 20a zur ersten Spiegelfacette 10 reflektiert. Dementsprechend wird eine stehende Welle zwischen der ersten Spiegelfacette 10 und der ersten von den partiellen reflektierenden Stellen 20a aufgebaut. Der Rest des sich ausbreitenden Laserlichts setzt sich durch die erste partielle reflektierende Stelle 20a zur zweiten partiellen reflektierenden Stelle 20b fort, an der eine zweite partielle Reflexion erfolgt. Aufgrund der Tatsache, dass die zweite partielle reflektierende Stelle 20b auf der effektiven Länge des Lichtwegs 15 statt auf der eigentlichen Länge des Lichtwegs 15 basierend angeordnet wurde, ist der vom Licht von der ersten Spiegelfacette 10 zur zweiten partiellen reflektierenden Stelle 20b zurückgelegte effektive Lichtweg genau das Doppelte des von der ersten Reflexion zurückgelegten, die bei der ersten partiellen reflektierenden Stelle 20a auftrat. Dementsprechend wird eine stehende Welle zwischen der zweiten partiellen reflektierenden Stelle 20b und der ersten Spiegelfacette 10 aufgebaut, die eine Oberschwingung der zwischen der ersten reflektierenden Stelle 20a und der ersten Spiegelfacette 10 aufgebauten stehenden Welle ist. Dritten und vierten partiellen Reflexionen treten an den jeweiligen dritten und vierten reflektierenden Stellen 20c und 20d auf, die stehende Wellen zwischen sich selbst und der ersten Spiegelfacette 10 aufbauen. Da der vom Licht von der ersten Spiegelfacette 10 zu den jeweiligen dritten und vierten reflektierenden Stellen 20c und 20d zurückgelegte effektive Lichtweg das Drei- bzw. Vierfache desjenigen des vom Licht von der ersten Spiegelfacette 10 zur ersten reflektierenden Stelle 20a zurückgelegten beträgt, stehen die zwischen der ersten Spiegelfacette 10 und den dritten und vierten reflektierenden Stellen 20c und 20d aufgebauten stehenden Wellen mit der ersten und zweiten stehenden Welle in harmonischer Beziehung.
Die von den jeweiligen reflektierenden Stellen 20 bewirkten partiellen Reflexionen sind zwar als genau an den Mittellinien 25 der jeweiligen reflektierenden Stellen 20 stattfindend beschrieben worden, dem Fachmann ist jedoch klar, dass die eigentlichen partiellen Reflexionen an den Grenzschichten auftreten, wo sich der Brechungsindex des Lichtwegs 15 von einem Brechungsindexwert in einen anderen ändert. Anders gesagt, treten die partiellen Reflexionen eigentlich an den Grenzschichten 26 und 27 der reflektierenden Stellen 20 auf. In der Praxis werden die zwischen dem ersten Ende 8 und den jeweiligen reflektierenden Stellen 20 aufgebauten stehenden Wellen oder die Oberschwingungen von ihnen jedoch zu einer Wellenlänge hin gezogen werden, die der effektiven optischen Länge des Lichtwegs zwischen jeweiligen ersten Enden 8 und den Mittellinien 25 der jeweiligen reflektierenden Stellen 20 entspricht.
Damit eine Laserdiode gemäß der Erfindung mit m reflektierenden Stellen 20 mit gleicher Länge I_i und Brechungsindexdifferenzänderung ?n_i eine Mode mit einer gewünschten Wellenlänge, ?, emittiert, muss die folgende Bedingung erfüllt sein:
worin:
K eine ganze Zahl ist;
n_i der effektive Brechungsindex jeder der reflektierenden Stellen ist; und
die anderen Terme wie bereits in Bezug auf die Gleichungen Gl. 1, Gl. 2 und Gl. 3 definiert sind.
Je größer die Differenz ?n_i zwischen dem effektiven Brechungsindex der reflektierenden Stellen 20 und dem durchschnittlichen Brechungsindex des lichtleitenden Mediums des Lichtwegs 15 bei einer Laserdiode mit der Länge L_Vorricht und einem durchschnittlichen Brechungsindex n_Vorricht ist, um so ausgeprägte ist die Wirkung der reflektierenden Stellen 20.
Der Wert der Terme L_Vorricht, n_Vorricht i, I_i und Δn kann so gewahlt werden, dass sich eine Rillenkonfiguration ergibt, bei der die gewünschte Wellenlänge einer Emissionsmode der Laserdiode 1 entspricht. Bei Halbleiterlasern schwankt L_Vorricht typischerweise von 0,2 mm bis 1 mm, obwohl bei Glasfaserwellenleitervorrichtungen die Längen, nämlich L_Vorricht, bis mehrere Meter betragen können; n_Vorricht hängt vom Wesen des Materials ab, aus dem die aktive Schicht aufgebaut ist, und kann von ungefähr 1,5 bis ungefähr 5 betragen; ?n kann typischerweise von 0,1 bis 1 sein und würde vorzugsweise sehr wahrscheinlich im Bereich von 0,4 bis 0,8 liegen; die Anzahl der Rillen 21 kann typischerweise von 3 bis ungefähr 60 betragen, und I_i kann typischerweise von ungefähr 1 Mikrometer bis ungefähr 20 Mikrometer betragen, wobei die untere Grenze durch das Ätzen oder andere Verfahren zum Ausbilden der Rille definiert ist.
Die letzte Wirkung auf die Auswahl der Gesamtzahl m von Rillen 21 und ihrer Länge I_i ist der Abstand zwischen den am wenigsten unterdrückten Moden. Dieser Abstand kann je nach der Rillenstruktur schwanken, aber bei einer Struktur mit gleich beabstandeten Rillen 21 und wiederum gleich beabstandeten reflektierenden Stellen 20 ist er durch die folgende Gleichung gegeben:
worin: alle Terme wie in den Gleichungen Gl. 1 bis Gl. 4 definiert sind.
Bei komplexeren Laserdioden gemäß der Erfindung mit Rillen 21 mit unterschiedlichen Längen I_i einschließlich reflektierender Stellen 20 mit sich unterscheidenden Brechungsindizes kann ein ähnliches Verfahren zum Bestimmen von ?λ verwendet werden, aber der zweite Teil des Ausdrucks der optischen Länge, mI_iΔn, wird durch die Summierung der Anderungen der optischen Länge ersetzt.
Es ist vorgesehen, dass das erfindungsgemäße Verfahren zum Erzeugen der Laserdiode 1 bei der Herstellung passiver Rückenwellenleiter, Glasfasergitter und Glasfaserlaser, in denen reflektierende Stellen 20 gemäß dem bereits beschriebenen Verfahren je nach der gewünschten Betriebswellenlänge positioniert werden, gleichermaßen angewandt und genutzt werden kann. Die Positionen der einen Brechungsindex ändernden Rillen 21 zum Bilden der partiellen reflektierenden Stellen entlang solcher Wellenleiter würden bestimmt, wie bereits beschrieben, und sie würden auf der effektiven optischen Länge des Wellenleiters basieren. Insbesondere die in Gleichung Gl. 3 ausgedrückte Beziehung würde zur Bestimmung der Position der einen Brechungsindex ändernden Rillen 21 dem Wellenleiter entlang verwendet. Falls gewünscht, können solche Wellenleiter mit einem separaten herkömmlichen Halbleiterlaser gekoppelt werden, oder der Laser und Wellenleiter können als eine einzige Einheit gebildet werden, wobei die dem Fachmann wohl bekannten Herstellungstechniken verwendet werden. Bei solchen Glasfaserwellenleitern können die eigentliche Länge der Vorrichtung und wiederum die eigentliche Länge des Lichtwegs durch die Distanz zwischen den äußersten einen Brechungsindex ändernden Rillen der Sequenz definiert werden, und die Positionen dazwischenliegender einen Brechungsindex ändernder Rillen würde durch Bezugnahme auf eine oder mehrere der äußersten einen Brechungsindex ändernden Rillen bestimmt.
Die Nutzen und Vorteile von Laserdioden gemäß der Erfindung sind anhand der folgenden Beschreibung von Beispielen für Laserdioden und ihrer sich ergebender Laserlichtabgaben klar verständlich.
Beispiel 1
Bei diesem Beispiel wurden mathematische Modelle zweier Halbleiter-Rückenwellenleiter-Laserdioden auf der Grundlage von Laserdioden mit identischen geschichteten Strukturen berechnet. Eine der Laserdioden basierte auf dem Stand der Technik, wobei die einen Brechungsindex ändernden Rillen 21 auf der eigentlichen Länge des Lichtwegs 15 basierend positioniert waren, während die andere Laserdiode auf der Erfindung basierte, wobei die einen Brechungsindex ändernden Rillen 21 auf dem effektiven Lichtweg 15 gemäß der Erfindung basierend positioniert waren. Beim Berechnen der mathematischen Modelle wurde angenommen, dass die jeweiligen Laserdioden insofern einen ähnlichen allgemeinen Aufbau wie derjenige der unter Bezugnahme auf 1 beschriebenen Laserdiode aufwiesen als die Laserdioden mit einem durch benachbarte parallele, sich longitudinal erstreckende Kanäle 12 ausgebildeten Rücken 14 versehen waren. Die eigentliche Länge jeder Laserdiode betrug 300 Mikrometer, somit ergab sie einen Lichtweg 15 mit einer eigentlichen Länge von 300 Mikrometern. Bei jeder Laserdiode wurde angenommen, dass neun einen Brechungsindex ändernde Rillen 21 mit identischer Länge I_i von 1 Mikrometer an Bruchpositionen 1/16, 1/8, 3/16, 1/4, 5/16, 3/8, 1/2, 5/8 und 3/4 der Länge der Laserdiode von der ersten Spiegelfacette 10 entfernt in den Rücken 14 geätzt waren. Bei der auf dem Stand der Technik basierenden Laserdiode wurde angenommen, dass die einen Brechungsindex ändernden Rillen 21 an diesen Bruchpositionen auf der eigentlichen Länge der Laserdiode basierend, anders gesagt, auf der eigentlichen Länge des Lichtwegs 15 basierend postioniert waren. Bei der anderen, auf der Erfindung basierenden Laserdiode wurde angenommen, dass die einen Brechungsindex ändernden Rillen 21 an den auf der effektiven Länge des Lichtwegs 15 basierenden Bruchpositionen positioniert waren, wodurch ein Spielraum für die Änderung des Bre chungsindex der reflektierenden Stellen 20 gemäß der Erfindung geschaffen wurde. Die Distanzen der jeweiligen einen Brechungsindex ändernden Rillen 21 von der ersten Spiegelfacette 10 jeder Laserdiode sind in Tabelle 1 aufgeführt. Spalte 1 von Tabelle 1 gibt die Bruchposition der Länge der Laserdiode von der ersten Spiegelfacette 10 an, an der die jeweiligen einen Brechungsindex ändernden Rillen 21 positioniert sind. Spalte 2 von Tabelle 1 gibt die eigentlichen Distanzen von der ersten Spiegelfacette 10 entlang dem Rücken 11 an, in denen die jeweiligen einen Brechungsindex ändernden Rillen 21 in der Laserdiode auf dem Stand der Technik basierend auf der eigentlichen Länge des Lichtwegs 15 basierend positioniert sind. In Spalte 3 von Tabelle 1 sind die eigentlichen Distanzen entlang dem Rücken 11 von der ersten Spiegelfacette 10 aufgeführt, in denen die einen Brechungsindex ändernden Rillen 21 in der Laserdiode auf der Erfindung basierend und auf der effektiven Länge des Lichtwegs 15 basierend positioniert sind, wobei die Änderungen des Brechungsindex des Lichtwegs an den reflektierenden Stellen 20 berücksichtigt sind. In allen Fällen erstrecken sich die in den Spalten 2 und 3 von Tabelle 1 aufgeführten Abmessungen von der ersten Spiegelfacette 10 zu den Mittellinien 25 der jeweiligen Rillen 21 jeder Laserdiode. Der durchschnittliche eigentliche oder unveränderte Brechungsindex des lichtleitenden Mediums des Lichtwegs 15 jeder Laserdiode, nämlich n_Vorricht wurde als 3,2031 angenommen. Die Differenz zwischen dem eigentlichen Brechungsindex n_Vor _richt des Lichtwegs 15 und dem Brechungsindex n_i jeder partiellen reflektierenden Stelle 20, nämlich ?n_i, wurde als 0,4 angenommen.
TABELLE 1
4 veranschaulicht die Schwellenverstärkung aufgetragen über der Wellenlänge für jede Laserdiode von Beispiel 1. Die ausgezogene Linie in 4 stellt das Kurvenbild der Schwellenspannung aufgetragen über der Wellenlänge für die auf der Erfindung basierende Laserdiode dar, wogegen die gestrichelte Linie das Kurvenbild der Schwellenverstärkung aufgetragen über der Wellenlänge für die Laserdiode vom Stand der Technik darstellt. Bei jeder stellt die Schwellenverstärkung die zur Überwindung von Spiegelverlusten in den Laserdioden erforderliche Verstärkung dar. Laserwellenlängen mit einer niedrigeren Schwellenverstärkung erreichen den Laserschwellenwert bei niedrigeren Pumpniveaus und werden deshalb vorzugsweise unter diesen Pumpbedingungen emittiert. Dies ist die Grundlage der Seitenmodenunterdrückung, die im Wesentlichen zur Einlongitudinalmoden-Emission führt. In 4 ist der Grad oder das Ausmaß der Unterdrückung von Seitenmoden um eine gegebene Mode durch die Differenz der Schwellenverstärkungswerte für eine interessierende Mode, z. B. die durch den Pfeil A in 4 angegebene Mode, und die nahegelegensten Moden auf jeder Seite dieser speziellen Mode angegeben. So ist aus 4 klar ersichtlich, dass die auf der Erfindung basierende Laserdiode eine bessere Seitenmodenunterdrückung aufweist als die auf dem Stand der Technik basierende Lasrediode.
Aus 4 ist ebenfalls ersichtlich, dass es eine wesentliche Differenz von ungefähr 3 nm bis 4 nm bei den Wellenlängenpositionen der gesteigerten Moden des von der auf der Erfindung basierenden Laserdiode emittierten Lichts im Gegensatz zu denen der auf dem Stand der Technik basierenden Laserdiode gibt.
Nunmehr wird auf 5 verwiesen, in der ein Kurvenbild der durch Facettenleistung dargestellten Lichtabgabe aufgetragen über dem Betriebsstrom der auf der Erfindung basierenden Laserdiode mit den in Tabelle 1 aufgeführten Merkmalen dargestellt ist. Die Kurven von 5 stellen unterschiedliche mögliche Longitudinalmoden dar. Es ist jedoch ziemlich klar zu sehen, dass insbesondere eine Mode eine wesentlich höhere Abgabe als alle anderen Moden ergibt. Dies ist kennzeichnend für die Einmodennatur der Laserlichtabgabe der auf der Erfindung basierenden Laserdiode von Tabelle 1.
In 6 ist ein Kurvenbild des Seitenmodenunterdrückungsverhältnisses aufgetragen über dem Betriebsstrom der auf der Erfindung basierenden Laserdiode von Tabelle 1 dargestellt. Diese Kurve zeigt das Seitenmodenunterdrückungsverhältnis zwischen der Laserlicht vorzugsweise ausstrahlenden Einmode und der nächsten nahegelegensten Mode. Bei Strömen über 20 Mikro-mA wird das Seitenmodenunterdrückungsverhältnis als ungefähr 40 dB berechnet.
Beispiel 2
Bei diesem Beispiel wurden mathematische Modelle von drei Laserdioden mit identischer Länge und mit identischer Länge mit den Laserdioden von Tabelle 1 auf der Erfindung basierend berechnet. Der Grundaufbau der drei Laserdioden wurde als dem in 1 insofern als ähnlich angenommen als jede der Laserdioden eine Wellenleiterlaserdiode des Rückentyps ist, wobei jede einen durch parallele benachbarte, sich longitudinal erstreckende Kanäle 12 gebildeten Rücken 14 hat. Die einen Brechungsindex ändernden Rillen 21 sind auf dieselbe Weise im Rücken 14 gebildet wie unter Bezugnahme auf die Laserdiode 1 beschrieben. Tabelle 2 gibt die Distanzen an , in denen die Position der einen Brechungsindex ändernden Rillen 21 entlang dem Rücken 14 von der ersten Spiegelfacette 10 angenommen wird. Bei diesem Beispiel wird ange nommen, dass die erste Laserdiode mit neun einen Brechungsindex ändernden Rillen 21 gebildet ist, wogegen angenommen wird, dass die zweite mit drei einen Brechungsindex ändernden Rillen 21 gebildet ist. Es wird angenommen dass die dritte mit sechs einen Brechungsindex ändernden Rillen 21 versehen ist. Spalte 1 von Tabelle 2 gibt die Bruchpositionen der Länge der Laserdioden der einen Brechungsindex ändernden Rillen 21 von der ersten Spiegelfacette 10 für die ersten zwei Laserdioden, nämlich die Neunrillen- und Dreirillenlaser, an. Die Distanzen der einen Brechungsindex ändernden Rillen 21 von der ersten Spiegelfacette 10 der Neunrillenlaserdiode sind in Spalte 2 von Tabelle 2 aufgeführt, und wie zu sehen ist, ist angenommen, dass sich die neun einen Brechungsindex ändernden Rillen in Positionen befinden, die mit denen identisch sind, in denen sich die neun einen Brechungsindex ändernden Rillen 21 in der auf der Erfindung basierenden Laserdiode von Tabelle 1 befanden, und daher berücksichtigen sie die effektive optische Länge des Lichtwegs der Laserdiode. Die angenommenen Positionen der drei einen Brechungsindex ändernden Rillen 21 von den ersten Spiegelfacetten 10 sind in Spalte 3 von Tabelle 2 aufgeführt, und diese Positionen berücksichtigen die effektive optische Länge des Lichtwegs.
In Spalte 4 von Tabelle 2 sind die Bruchpositionen der Länge der Laserdiode aufgeführt, in denen sich die einen Brechungsindex ändernden Rillen 21 von der ersten Spiegelfacette 10 bei der Sechsrillenlaserdiode dieses Beispiels befinden. In Spalte 5 von Tabelle 2 sind die eigentlichen Distanzen von der ersten Spiegelfacette 10 aufgeführt, in denen die Position der sechs einen Brechungsindex ändernden Rillen 21 entlang dem Rücken der dritten Laserdiode angenommen wird. Die Distanzen von Spalte 5 basieren auf der effektiven optischen Länge des Lichtwegs der dritten Laserdiode. Die Länge I_i jeder einen Brechungsindex ändernden Rille 21 der Neun- oder Dreirillenlaserdioden wurde als 1 Mikrometer angenommen, und die Länge I_i der Sechsrillenla-serdiode wurde als 1,5 Mikrometer angenommen.
TABELLE 2
In Tabelle 3 ist der Aufbau der Schichtstruktur aufgeführt, die für die drei bei diesem Beispiel 2 besprochenen Laserdioden angenommen wurde. Die Schichten der Struktur sind von der Substratschicht 3 zur oberen Schicht 4 aufeinanderfolgend aufgeführt, wobei die Einzelheiten der Substratschicht 3 oben in jeder Spalte angegeben und die Einzelheiten der oberen Schicht 4 unten in jeder Spalte angegeben sind. Die Abkürzung Q.W. (quantum well) steht für Quantenbrunnenschichten. Die Abkürzung bar. (barrier) steht für Sperrschichten zwischen Quantenbrunnenschichten; ?-angepasst bedeutet, dass aufeinanderfolgende Schichten auf den angegebenen Grad wellenlängenangepasst sind.
TABELLE 3
7 veranschaulicht ein Kurvenbild der Schwellenverstärkung aufgetragen über der Wellenlänge für jede der drei Laserdioden dieses Beispiels. Die durchgezogene Linie stellt das Kurvenbild der Schwellenverstärkung aufgetragen über der Wellenlänge der Neunrillenlaserdiode dar, die strichpunktierte Linie stellt das Kurvenbild der Schwellenverstärkung aufgetragen über der Wellenlänge der Sechsrillenlaserdiode dar, wogegen die gestrichelte Linie das Kurvenbild der Schwellenverstärkung aufgetragen über der Wellenlänge für die Dreirillenlaserdiode darstellt. Aus 7 ist ersichtlich, dass die Neunrillenlaserdiode die niedrigste Schwellen- und die größte Verstärkungsdifferenz zwischen Moden (d. h. Seitenmodenunterdrückung) der drei Laserdioden ergibt. Die Sechs- und Neunrillenlaserdioden wurden gewählt, um eine Emissionswellenlänge von ungefähr 1552,52 nm zu ergeben.
Nunmehr wird auf die 8 und 9 verwiesen, wobei 8 ein Kurvenbild der durch Facettenleistung dargestellten Lichtabgabe aufgetragen über dem Betriebsstrom für die Sechsrillenlaserdiode von Beispiel 2 darstellt. 9 veranschaulicht ein Kurvenbild des Seitenmodenunterdrückungsverhältnisses aufgetragen über dem Betriebsstrom für die Sechsrillenlaserdiode von Beispiel 2. Aus 8 ist klar zu sehen, dass insbesondere eine Mode eine wesentlich höhere Abgabe als alle anderen Moden ergibt. Dies deutet folglich auf die im Wesentlichen Einmodennatur der Abgabe der Sechsrillenlaserdiode von Beispiel 2 hin. 9 zeigt, dass Ströme über 200 mA ein Seitenmodenunterdrückungsverhältnis von ungefähr 40 dB ergeben. Aus dem oben Stehenden ergibt sich deshalb, dass eine Änderung des Musters der einen Brechungsindex ändernden Rillen und der Anzahl von einen Brechungsindex ändernden Rillen, die die Laseremissionswellenlänge steuern, bewirkt werden kann.
10 zeigt zwei ähnliche Halbleiterlaservorrichtungen 30(a) und 30(b) mit jeweils einer aktiven Schicht 31, die sandwichartig zwischen einer unteren Schicht 32 und einer oberen Schicht 33 angeordnet ist. Spalten des Halbleiterscheibchens in Plättchen (Chips) definiert erste und zweite Spiegelfacetten 34 und 35. Jede Vorrichtung 30 weist ferner einen oben auf den oberen Schichten 33 angeordneten Rücken 36 auf. In jedem Fall sind mehrere einen Brechungsindex ändernde Rillen 37 in die Rücken 36 geformt. Die Distanzen der einen Brechungsindex ändernden Rillen 21 von den ersten Spiegelfacetten 34 jedem Rücken 36 entlang sind hinsichtlich der effektiven optischen Länge des Lichtwegs jeder Vorrichtung definiert. Der einzige Unterschied zwischen den zwei gezeigten Vorrichtungen 30 besteht in der Schlitzkonfiguration. Die erste Vorrichtung 30(a) hat einen zusätzlichen Schlitz 37(a), wogegen die zweite Vorrichtung 30(b) keinen Schlitz in dieser Position hat, wie durch den Pfeil 37(b) angegeben.
Nunmehr wird auf 11 verwiesen, in der ein Array 50 von drei im selben Plättchen gebildeten Laserdioden 51a, 51b und 51c dargestellt ist. Jede Laserdiode 51 des Arrays 50 hat einen im Wesentlichen ähnlichen Aufbau wie die unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 beschriebene Laserdiode, und ähnliche Komponenten sind durch dasselbe Bezugszeichen gekennzeichnet. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung sind die Rücken 14 der jeweiligen Laserdioden 51 durch Paare benachbarter paralleler Kanäle gebildet, die den in der oberen Schicht 4 der Laserdiode 1 ausgebildeten Kanäle 12 ähneln, zwecks einfacher Veranschaulichung sind jedoch die Abschnitte der die Kanäle enthaltenden oberen Schicht 4 des Laserarrays 50 weggelassen. Obwohl die Laserdioden 51 des Arrays 50 in demselben Plättchen gebildet sind, wirken sie als drei separate Laserdioden 51, wobei die effektive Nachzeichnung der jeweiligen Laserdioden 51 durch die gestrichelten Linien 52 angegeben ist. Die Laserdiode 51a ist mit sechs einen Brechungsindex ändernden Rillen 21 versehen, die sechs entsprechende reflektierende Stellen 20 bilden. Bei der Laserdiode 51b bilden fünf einen Brechnungsindex ändernde Rillen 21 fünf entsprechende reflektierende Stellen 20, während bei der Laserdiode 51c vier einen Brechungsindex ändernde Rillen 21 vier entsprechende reflektierende Stellen 20 bilden. Bei jeder der drei Laserdioden 51 ist die Positionierung der einen Brechungsindex ändernden Rillen 21 von der ersten Spiegelfacette 10 erfindungsgemäß und auf der effektiven optischen Länge des Lichtwegs 15 der Laserdioden 51 bestimmt. Bei der Laserdiode 51b ist die einen Brechungsindex ändernde Rille 21, die der ersten der einen Brechungsindex ändernden Rillen 21 von der ersten Spiegelfacette 10 der Laserdiode 51a entspricht, weggelassen worden, wogegen bei der Laserdiode 51c die zwei einen Brechungsindex ändernden Rillen, die den ersten und zweiten einen Brechungsindex ändernden Rillen 21 von der ersten Spiegelfacette 10 der Laserdiode 51a entsprechen, weggelassen worden sind. Die Distanzen der übrigen einen Brechungsindex ändernden Rillen 21 auf den Rücken 14 der Laserdioden 51b und 51c von der ersten Spiegelfacette 10 ähneln den Abständen zwischen den einen Brechungsindex ändernden Rillen 21 der Laserdiode 51 von der ersten Spiegelfacette 10. Entsprechend sind durch Schaffen von Laserdioden 1 in einem dem Array 50 ähnlichen Array Laserdioden geschaffen, die jeweilige Laserlichtabgaben mit unterschiedlichen einzelnen Wellenlängen bereitstellen.
Solche Arrays von Laserdioden sind auf dem Gebiet der Telekommunikation besonders vorteilhaft, womit die Wellenlängen der Laserdioden an die Rasteranforderungen der Internationalen Fernmeldeunion (IFU; englisch: International Telecommunications Union, ITU) angepasst werden können. Die IFU-Richtlinien für optische Übertragungssysteme nach dem Wellenlängen-Multiplexverfahren (WDM) empfehlen die Wellenlängen und den Kanalabstand von WDM-Systemen für Systeme mit und ohne Repeater (Wiederholer). Das gegenwärtige System basiert auf einer bei 193,1 THz verankerten Rasterreferenz und hat zusätzliche Kanäle im Abstand von 100 GHz über und unter dieser Referenzfrequenz. Die gegenwärtige Norm berücksichtigt insgesamt 41 Kanäle mit einem Abstand von 100 GHz. Dieser Abstand ändert sich bei Systemen mit 4 oder mehr Kanälen auf 200 GHz und bei Systemen mit 4 Kanälen auf 400 Ghz. Ein Vorteil der Laserdioden der vorliegenden Erfindung für diese Anwendung besteht darin, dass bei einem Array von erfindungsgemäßen Laserdioden auf einem einzigen für angenommen 193,1 THz ausgelegten Plättchen mit einer nominell ähnlichen FP-Struktur durch Optimieren der einen Brechungsindex ändern den Rillenkonfiguration einzelner Laser im Array die Laserwellenlänge in eine andere auf dem ITU-Gitter geändert werden kann, die 100, 200 oder 400 GHz von der Gitterreferenz entfernt ist. Als Folge können benachbarte Laserdioden auf einem Laserarray Frequenzen aufweisen, die mit dem IFU-Wellenlängengitter übereinstimmen. Dies ist vom Gesichtspunkt der Implementierung von Mehrwellenlängenquellen ein besonderer Vorteil.
Selbstverständlich können andere Anordnungen von einen Brechungsindex ändernden Rillen in den Laserdioden des Arrays von 11 verwendet werden, die Anzahl der einen Brechungsindex ändernden Rillen kann sich z. B. bei jeder Laserdiode unterscheiden, und tatsächlich können sich die jeweiligen Positionen der einen Brechungsindex ändernden Rillen von der ersten Spiegelfacette ebenfalls unterscheiden. Die Länge I_i und/oder die Tiefe von einen Brechungsindex ändernden Rillen können zum Verändern der Differenz zwischen dem effektiven Brechungsindex der partiellen reflektierenden Stellen und dem durchschnittlichen Brechungsindex des lichtleitenden Mediums des Lichtwegs ebenfalls geändert werden. Die quer verlaufende Breite des Rückens über dessen oberer Oberfläche kann zum Verändern des effektiven Brechungsindex der reflektierenden Stellen ebenfalls verändert werden.
Solche Laserarrays sind typischerweise mit 3 Mikrometer breiten und ungefähr 1,3 Mikrometer hohen Rücken versehen. Die Zwischenrückendistanzen zwischen Rücken benachbarter Laser gemessen zu einer sich längs erstreckenden Mittellinie jedes Rückens betragen ungefähr 250 Mikrometer. Falls die Rücken durch Ätzen entsprechender paralleler Kanäle gebildet sind, sind die Kanäle typischerweise ungefähr 8 Mikrometer breit. Das Metallisierungsmuster der Laser des Arrays ist so ausgelegt, dass die Laserdioden desselben Arrays elektrisch voneinander isoliert sind und unab-hängig stromangesteuert sein können. Im Übringen sind alle anderen Verarbeitungsschritte bei der Herstellung solcher Arrays von Laserdioden dem Fachmann wohl bekannt.
Beispiel 3
Bei diesem Beispiel wurde eine Laserdiode gemäß der Erfindung geschaffen. Die Laserdiode hatte einen allgemeinen Aufbau ähnlich demjenigen der Laserdiode der 1 bis 3. Die Laserdiode hatte eine Länge von 550 Mikrometern, anders gesagt betrug die eigentliche Länge des Lasers entlang dem Lichtweg zwischen dem jeweiligen ersten und zweiten Ende der Laserdiode 550 Mikrometer. Die Laserdiode war mit sieben identischen einen Brechungsindex ändernden Rillen entlang seinem Rücken in Distanzen von ihrem ersten Ende versehen, die den Bruchteilen 1/14, 1/7, 3/14, 2/7, 3/7, 4/7 und 5/7 des Lichtwegs der Laserdiode entsprachen. Die einen Brechungsindex ändernden Rillen der Laserdiode waren in den folgenden Distanzen entlang dem Rücken der Laserdiode vom ersten Ende angeordnet, nämlich 39,3, 78,6, 118,0, 157,3, 235,9, 314,5 und 393,1 Mikrometer. Diese Stellen für die einen Brechungsindex ändernden Rillen 21 basieren auf der effektiven optischen Länge des Lichtwegs, um die entsprechenden stehenden Wellen und/oder Oberschwingungen von ihnen aufzubauen. Die Laserdiode wurde unter Anwendung des in Corbett und McDonald erwähnten, dem Fachmann wohl bekannten Herstellungsverfahrens hergestellt. Die geschichtete Struktur der Laserdiode war wie in Tabelle 3 aufgeführt. Der Rücken der Laserdiode war 2,7 Mikrometer breit, und die einen Brechungsindex ändernden Rillen hatten eine Länge I_i von 1,5 Mikrometern und eine Tiefe von ungefähr 1 Mikrometer.
Zum Nachweis der Stabilität der Lasermode der Laserdiode dieses Beispiels wurde die Laserdiode drei verschiedenen Betriebsströmen ausgesetzt, nämlich Betriebsströmen mit dem 1,25-fachen des Schwellenstroms, mit dem 1,5-fachen des Schwellenstroms und mit dem 1,75-fachen des Schwellenstroms der Laserdiode.
Nunmehr wird auf die 12(a) bis (c) verweisen, die ein Kurevenbild der Leistungsabgabe aufgetragen über der von der mit den drei Betriebsströmen arbeitenden Laserdiode erhaltenen Wellenlänge zeigen. 12(a) zeigt das Kurvenbild der Leistungsabgabe aufgetragen über der Wellenlänge für die dem Betriebsstrom mit dem 1,25-fachen des Schwellenstroms ausgesetzte Laserdiode. 12(b) zeigt das Kurvenbild der Leistungsabgabe aufgetragen über der Wellenlänge für die dem Betriebsstrom mit dem 1,5-fachen des Schwellenstroms ausgesetzte Laserdiode. 12(c) zeigt das Kurvenbild der Leistungsabgabe aufgetragen über der Wellenlänge für die dem Betriebsstrom mit dem 1,75-fachen des Schwellenstroms ausgesetzte Laserdiode.
In jedem Fall ist zu sehen, dass die Leistungsabgabe eine Einmoden-Leistungsabgabe mit guten Seitenmodenunterdrückungen von typischerweise über 20 dB ist und außerdem die Wellenlänge der Lichtabgabe über die drei Betriebsströme stabil bleibt.
Obwohl bei den beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung die partiellen reflektierenden Stellen der Laserdioden als durch die einen Brechungsindex ändernden Rillen gebildet beschrieben worden sind, könnte jede andere Einrichtung zum Schaffen von partiellen reflektierenden Stellen verwendet werden. Im Allgemeinen ist jedoch vorgesehen, dass die partiellen reflektierenden Stellen durch Ändern des effektiven Brechungsindex der partiellen reflektierenden Stelle gebildet werden. Ebenso gut wie der effektive Brechungsindex durch die einen Brechungsindex ändernden Rillen geändert wird, kann der effektive Brechungsindex an den partiellen reflektierenden Stellen z. B. durch Dotieren der partiellen reflektierenden Stellen oder durch Dotieren von Lasern neben den lichtleitenden Schichten an den reflektierenden Stellen entsprechenden Stellen geändert werden. Selbstverständlich kann jede andere Art der Störung des lichtleitenden Mediums im Lichtweg zum Ändern des effektiven Brechungsindex der partiellen reflektierenden Stellen verwendet werden.
Obwohl die Laserdioden als Laserdioden des Brückentyps beschrieben wurden natürlich klar, dass Laserdioden anderen Typs und anderer Bauweise gemäß der Erfindung geschaffen werden können. Die Laserdioden und Laserwellenleiter gemäß der Erfindung könnten z. B. vergrabene Heterostrukturlaser sein, und natürlich könn te jede beliebige andere Laserdiode und Laserwellenleiterkonstruktion verwendet werden.
Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf Laserdioden beschrieben worden ist, ist dem Fachmann ohne Weiteres klar, dass die Vorteile der Erfindung erlangt werden können, wenn die Erfindung auf passive Wellenleiter, z. B. optische Filter und Ähnliches angewandt wird. Solche optische Filter können als Halbleiter gebildet werden, sie würden aber typischerweise durch einen Glasfaserkern gebildet, der von einem Mantelmedium mit einem Brechungsindex umgeben ist, der sich von demjenigen des Glasfaserkerns unterscheidet. Partielle reflektierende Stellen im Glasfaserkern würden durch eine geeignete Einrichtung wie z. B. durch Bilden von einen Brechungsindex ändernden Rillen vorgesehen, die typischerweise im den Glasfaserkern umgebenden Mantelmedium gebildet würden und sich um das Medium erstrecken würden.
Die Wellenleiter gemäß der Erfindung und das Verfahren zum Schaffen der Wellenleiter wurden zwar als Laserlichtwellenleiter beschrieben, jedoch ist dem Fachmann ohne Weiteres klar, dass die Wellenleiter für jede andere Lichtart neben Laserlicht geschaffen werden können.

Claims

Lichtwellenleiter zum Abgeben von Licht mit einer im wesentlichen einzigen vorbestimmten Wellenlänge, wobei der Lichtwellenleiter ein einen in Längsrichtung verlaufenden Lichtweg (15) zum Führen des Lichts definierendes lichtleitendes Medium (2) aufweist, wobei der Lichtweg (15) in Längsrichtung zwischen jeweiligen beabstandeten ersten und zweiten Enden (8, 9) verläuft, und eine Einrichtung (20, 21), um partielle longitudinale Reflexionen des Lichts entlang dem Lichtweg (15) an zumindest zwei beabstandeten partiellen reflektierenden Stellen (20) entlang dem Lichtweg (15) zum Ableiten von Licht mit der vorbestimmten Wellenlänge zu bewirken; dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (20, 21) zum Bewirken der partiellen Reflexionen die reflektierenden Stellen (20) entlang dem Lichtweg (15) in Distanzen vom ersten Ende (8) entlang dem optischen Weg (15) anordnet, die Funktionen der effektiven optischen Länge des Lichtweges (15) unter Berücksichtigung einer Änderung zur eigentlichen Länge des Lichtweges (15) sind, die sich aus der Wirkung der Einrichtung (20, 21) zum Bewirken der partiellen Reflexionen auf der eigentlichen Länge des Lichtweges (15) ergibt, wobei die Distanzen der reflektierenden Stellen entlang dem Lichtweg vom ersten Ende so gewählt sind, dass die zwischen dem ersten Ende und jeder reflektierenden Stelle aufgebauten stehenden Wellen und die stehende Welle oder stehenden Wellen, die zwischen beliebigen zwei reflektierenden Stellen aufgebaut werden, und die zwischen dem ersten und dem zweiten Ende aufgebaute stehende Welle alle zueinander in harmonischer Beziehung stehen.
Lichtwellenleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (20,21) zum Bewirken der partiellen Reflexionen des Lichts an den zumindest zwei reflektierenden Stellen (20) eine einen Brechungsindex ändernde Einrichtung (21) aufweist, um den effektiven Brechungsindex des lichtleitenden Mediums (2), der dem entlang dem Lichtweg (15) durchgehenden Licht präsentiert wird, an jeder der zumindest zwei reflektierenden Stellen (20) zum Bewirken der partiellen Reflexionen zu ändern.
Lichtwellenleiter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge jeder reflektierenden Stelle (20) in der Längsrichtung des Lichtweges (15) im Bereich von 0,3 Mikrometer bis 200 Mikrometer liegt.
Lichtwellenleiter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Längen der reflektierenden Stellen (20) entlang dem Lichtweg die gleichen oder verschieden sein können und die effektiven Brechungsindizes der jeweiligen reflektierenden Stellen (20) die gleichen oder verschieden sein können.
Lichtwellenleiter nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Distanz jeder reflektierenden Stelle (20) vom ersten Ende (8) entlang dem Lichtweg eine Funktion des Produkts der eigentlichen Länge des Lichtweges (15) und des eigentlichen Brechungsindex des lichtleitenden Mediums (2), das den Lichtweg definiert, minus die Summe der Produkte der Längen der reflektierenden Stellen (20) und der Differenzen zwischen jeweiligen effektiven Brechungsindizes der reflektierenden Stellen (20) und dem eigentlichen Brechungsindex des den Lichtweg (15) definierenden lichtleitenden Mediums ist.
Lichtwellenleiter nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Distanz der p-ten reflektierenden Stelle (20) vom ersten Ende (8) entlang dem Lichtweg (15) durch die Formel:
geliefert wird, worin: L die Distanz der p-ten reflektierenden Stelle vom ersten Ende entlang dem Lichtweg ist, X der Bruchteil der eigentlichen optischen Länge ist, an dem das Element zu platzieren ist, L_Vorricht die eigentliche Länge des Lichtweges ist, n_Vorricht der durchschnittliche Brechungsindex der lichtleitenden Schichten des ungestörten lichtleitenden Mediums des Lichtweges ist, der dem Licht präsentiert wird, I_i die Länge der i-ten reflektierenden Stelle in Richtung des Lichtweges ist, Δn_i die Differenz zwischen dem effektiven Brechungsindex der i-ten reflektierenden Stelle und dem durchschnittlichen Brechungsindex des ungestörten Lichtweges ist, I_p die Länge der p-ten reflektierenden Stelle in Richtung des Lichtweges ist, und Δn_p die Differenz zwischen dem effektiven Brechungsindex der p-ten reflektierenden Stelle und dem durchschnittlichen Brechungsindex des Lichtweges ist.
Lichtwellenleiter nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die einen Brechungsindex ändernde Einrichtung (21) mehrere einen Brechungsindex ändernde Elemente (20) umfasst, wobei ein einen Brechungsindex änderndes Element für je eine reflektierende Stelle vorgesehen ist und die jeweiligen einen Brechungsindex ändernden Elemente in Distanzen vom ersten Ende entlang dem Lichtweg liegen, die den Distanzen vom ersten Ende der entsprechenden reflektierenden Stelle ähnlich sind.
Lichtwellenleiter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass jedes einen Brechungsindex ändernde Element (21) von einem aktiven Bereich beabstandet angeordnet ist, innerhalb dessen der Lichtweg definiert ist.
Lichtwellenleiter nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass jedes einen Brechungsindex ändernde Element (21) durch eine einen Brechungsindex ändernde Rille (21) gebildet wird, die in einem dem lichtleitenden Medium benachbarten Medium, aber davon beabstandet ausgebildet ist, und die Tiefe der einen Brechungsindex ändernden Rillen (21) die gleiche oder verschieden sein kann.
Lichtwellenleiter nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass jedes einen Brechungsindex ändernde Element (20) sich im wesentlichen transversal in Bezug auf den Lichtweg (15) erstreckt.
Lichtwellenleiter nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen reflektierenden Stellen (20) durch einen Dotierungsstoff gebildet sind und die Distanz vom ersten Ende entlang dem Lichtweg zu jeder reflektierenden Stelle zur Mitte der reflektierenden Stelle gemessen wird.
Lichtwellenleiter nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtwellenleiter ein Wellenleiter für Laserlicht ist.
Lichtwellenleiter nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtwellenleiter ein passiver Halbleiterwellenleiter ist.
Lichtwellenleiter nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rücken (14) auf einer Oberfläche des Halbleiterwellenleiters zum Definieren des Lichtweges durch das lichtleitende Medium geschaffen ist und die einen Brechungsindex ändernden Einrichtungen (21) im Rücken (14) an der reflektierenden Stelle entsprechenden Stellen angeordnet sind.
Lichtwellenleiter nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtwellenleiter ein vergrabener Lichtwellenleiter ist.
Lichtwellenleiter nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenleiter ein Filter mit einer Glasfaser ist, die das lichtleitende Medium zum Definieren des Lichtweges bildet, wobei der Glasfaserkern von einem Mantelmedium mit einem Brechungsindex umgeben ist, der von demjenigen des Glasfaserkerns verschieden ist.
Lichtwellenleiter nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass jedes einen Brechungsindex ändernde Element (20) sich im Mantelmedium befindet und um dieses verläuft.
Lichtwellenleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (20, 21) zum Bewirken der partiellen Reflexionen die partiellen Reflexionen an mindestens drei reflektierenden Stellen (20) entlang dem Lichtweg (15) bewirkt.
Lichtwellenleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektierenden Stellen (20) in jeweiligen Distanzen vom ersten Ende vorgesehen sind, die den folgenden Bruchteilen der eigentlichen Länge des Lichtweges entsprechen, nämlich 1/14, 1/7, 3/14, 2/7, 3/7, 4/7 und 5/7 entlang dem Lichtweg.
Lichtwellenleiter nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektierenden Stellen (20) in jeweiligen Distanzen vom ersten Ende vorgesehen sind, die den folgenden Bruchteilen der eigentlichen Länge des Lichtweges entsprechen, nämlich 1/16, 1/8, 3/16, 1/4, 5/16, 3/8, 1/2, 5/8, und 3/4 ent-lang dem Lichtweg.
Lichtwellenleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit mehreren in Form eines Arrays (50) vorgesehenen Lichtwellenleitern, wobei die Wellenlän ge des von den jeweiligen Lichtwellenleitern des Arrays abgegebenen Lichts die gleiche oder verschieden sein kann.
Array von Lichtwellenleitern, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Lichtwellenleiter des Arrays Lichtwellenleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche sind.
Verfahren zum Schaffen eines Lichtwellenleiters zum Abgeben von Licht mit einer im wesentlichen einzigen vorbestimmten Wellenlänge, wobei das Verfahren umfasst: Vorsehen eines lichtleitenden Mediums (2), das einen in Längsrichtung verlaufenden Lichtweg (15) zum Führen des Lichts definiert, wobei der Lichtweg (15) in Längsrichtung zwischen jeweiligen beabstandeten ersten und zweiten Enden (8, 9) verläuft, und Vorsehen einer Einrichtung (20, 21) zum Bewirken partieller longitudinaler Reflexionen des Lichts entlang dem Lichtweg (15) an mindestens zwei beabstandeten partiell reflektierenden Stellen (20) entlang dem Lichtweg zum Ableiten des Lichts mit der vorbestimmten Wellenlänge, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtungen (20, 21) zum Bewirken der partiellen Reflexionen so vorgesehen sind, dass die reflektierenden Stellen (20) in Distanzen vom ersten Ende (8) entlang dem Lichtweg (15) liegen, die Funktionen der effektiven optischen Länge des Lichtweges (15) unter Berücksichtigung einer Änderung zur eigentlichen Länge des Lichtweges (15) sind, die sich aus der Wirkung der Einrichtungen (20, 21) zum Bewirken der partiellen Reflexionen auf der eigentlichen Länge des Lichtweges (15) ergibt, wobei die Distanzen der reflektierenden Stellen entlang dem Lichtweg vom ersten Ende so gewählt sind, dass die zwischen dem ersten Ende und jeder reflektierenden Stelle aufgebauten stehenden Wellen und die stehende Welle oder stehenden Wellen, die zwischen beliebigen zwei reflektierenden Stellen aufgebaut werden, und die zwischen dem ersten und zweiten Ende aufgebaute stehende Welle alle zueinander in harmonischer Beziehung stehen.
Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (20, 21) zum Bewirken der partiellen Reflexionen des Lichts an den mindestens zwei reflektierenden Stellen (20) durch eine einen Brechungsindex ändernde Einrichtung (21) vorgesehen ist, um den dem entlang dem Lichtweg (15) durchgehenden Licht präsentierten Brechungsindex des lichtleitenden Mediums (2) an jeder der mindestens zwei reflektierenden Stellen (20) zum Bewirken der partiellen Reflexionen zu ändern.
Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge jeder reflektierenden Stelle (20) in der Längsrichtung des Lichtweges (15) im Bereich von 0,3 Mikrometer bis 200 Mikrometer liegt.
Verfahren nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Längen der reflektierenden Stellen (20) entlang dem Lichtweg die gleichen oder verschieden sein können und der effektive Brechungsindex der jeweiligen reflektierenden Stellen (20) der gleiche oder verschieden sein kann.
Verfahren nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Distanz der p-ten reflektierenden Stelle (20) vom ersten Ende (8) entlang dem Lichtweg (15) durch die Formel:
geliefert wird, worin: L die Distanz der p-ten reflektierenden Stelle vom ersten Ende entlang dem Lichtweg ist, X der Bruchteil der eigentlichen optischen Länge ist, an dem das Element zu platzieren ist, L_Vorricht die eigentliche Länge des Lichtweges ist, n_Vorricht der durchschnittliche Brechungsindex der lichtleitenden Schichten des ungestörten lichtleitenden Mediums des Lichtweges ist, der dem Licht präsentiert wird, I_i die Länge der i-ten reflektierenden Stelle in Richtung des Lichtweges ist, Δn_i die Differenz zwischen dem effektiven Brechungsindex der i-ten reflektierenden Stelle und dem durchschnittlichen Brechungsindex des ungestörten Lichtweges ist, I_p die Länge der p-ten reflektierenden Stelle in Richtung des Lichtweges ist, und Δn_p die Differenz zwischen dem effektiven Brechungsindex der p-ten reflektierenden Stelle und dem durchschnittlichen Brechungsindex des Lichtweges ist.