DE68925554T2

DE68925554T2 - Vielfachhalbleiterlaser mit grosser Ausgangsleistung und hoher Strahlqualität

Info

Publication number: DE68925554T2
Application number: DE68925554T
Authority: DE
Inventors: Dan Botez; Michael Jansen; Luke J Mawst; Gary Lee Peterson; William Walter Simmons; Jaroslava Zitkova Wilcox; Jane Jan Jan Yang
Original assignee: TRW Inc
Current assignee: Northrop Grumman Space and Mission Systems Corp
Priority date: 1988-10-07
Filing date: 1989-09-28
Publication date: 1996-06-05
Anticipated expiration: 2009-09-29
Also published as: EP0363076A3; EP0450668B1; DE68925827T2; EP0363076A2; EP0450668A3; JPH0574238B2; DE68925827D1; US4985897A; JPH02237089A; DE68925554D1; EP0450668A2; EP0363076B1

Description

Die Erfindung betrifft allgemein Halbleiterdiodenlaser und insbesondere eindimensionale Reihen von Halbleiterdiodenlasern, die monolithisch aufgebaut sind. Aus einem einzigen Element bestehende Diodenlaser sind hinsichtlich der Ausgangsleistung auf etwa 30 Milliwatt (mW) begrenzt, während Vielfachdiodenlaser so gestaltet werden können, daß Ausgangsleistungen mit einigen hundert Milliwatt erreichbar sind. Solche starken Ausgangsleistungen sind wichtig für optische Kommunikationssysteme, Laserdrucker und andere Anwendungen.
Einen Überblick über den Stand der Technik phasengekoppelter Vielfachlaser findet sich in der Veröffentlichung mit dem Titel "Phase-Locked Arrays of Semiconductor Diode Lasers" von Dan Botez und Donald Ackley, IEEE Circuits and Devices Magazine, Band 2, Nr. 1, Seiten 8 - 17, Januar 1986.
Zur Erläuterung des allgemeinen Hintergrundes sei ausgeführt, daß ein Halbleiterdiodenlaser eine vielschichtige Struktur aus Halbleitermaterialien unterschiedlichen Typs aufweist, die chemisch mit "Verunreinigungen" dotiert sind, um entweder einen Überschuß an Elektronen (n-Typ) oder einen Überschuß an Elektronen-Lehrstellen bzw. Löchern (p-Typ) zu erzeugen. Die Grundstruktur eines Halbleiterlasers ist die einer Diode mit einer n-Schicht, einer p-Schicht und mit einer nichtdotierten aktiven Schicht, die dazwischen eingeschlossen ist. Wenn an die Diode bei Normalbetrieb eine Spannung in Vorwärtsrichtung angelegt wird rekombinieren Elektronen und Löcher im Bereich der aktiven Schicht und Licht wird emittiert. Die Schichten auf beiden Seiten der aktiven Schicht haben üblicherweise einen kleineren Brechungsindex als die aktive Schicht und wirken wie ein Mantel bei einem dielektrischen Wellenleiter, der das Licht auf eine Richtung senkrecht zu den Schichten eingrenzt. Unterschiedliche Techniken werden üblicherweise eingesetzt, um das Licht auch in Querrichtung einzugrenzen und Kristallflächen werden an gegenüberliegenden Enden der Anordnung positioniert, um mehrfache Reflexionen des Lichtes hin und zurück in Längsrichtung der Anordnung zu bewirken. Liegt der Diodenstrom oberhalb eines Schwellenwertes, so tritt eine Laserwirkung auf und Licht wird aus einer der Flächen emittiert, und zwar in einer Richtung, die im wesentlichen senkrecht steht zu der emittierenden Fläche.
Verschiedene Techniken sind verwendet worden, um das Licht in Querrichtung im Halbleiterlaser einzuschließen, d.h. senkrecht zur Richtung des emittierten Lichtes und in der Ebene der aktiven Schicht. Wird nur ein sehr schmaler elektrischer Kontakt verwendet, um der Vorrichtung Strom zuzuführen, so ist die Laserwirkung auf einen entsprechend kleinen Bereich eingeschränkt; dieses Verfahren wird allgemein als "Verstärkungsführung" bezeichnet. Bei hohen Leistungen haben verstärkungsgeführte Vorrichtungen starke Instabilitäten und erzeugen hochgradig astigmatische Strahlen mit zwei Intensitätsmaxima. Bei den meisten Anwendungen von Hochleistungshalbleiterlasern besteht auch die Anforderung nach einem beugungsbegrenzten Strahl, d.h. einem Strahl, dessen räumliche Spreizung nur durch die Beugung des Lichtes begrenzt ist, und zwar auf einen Wert, der im wesentlichen proportional zur Wellenlänge des emittierten Lichtes, dividiert durch die Breite der emittierenden Quelle, ist. Aufgrund der Forderung nach einem stabilen, beugungsbegrenzten Strahl war die Forschung in diesem Bereich hauptsächlich auf sogenannte indexgeführte Laser gerichtet. Bei diesen Lasern werden unterschiedliche Strukturen eingesetzt, um dielektrische Wellenleiteranordnungen zum Eingrenzen des Lichtes in Querrichtung zu erreichen, d.h. senkrecht zur Richtung der Lichtemission und im wesentlichen in der Ebene der aktiven Schicht.
Die meisten Halbleiterstrukturen für die sogenannte Index-Führung in Querrichtung in Vielfachlaseranordnungen sind bekannt als sogenannte "Führungen mit positivem Index", d.h. der Brechungsindex ist in mit den Laserelementen ausgerichteten Bereichen am höchsten und fällt in Bereichen zwischen diesen Elementen auf geringere Werte ab, wodurch das Licht in den Laserelementen wirksam eingefangen wird. Eine andere Art der sogenannten Index- Führung wird als sogenannte "Führung mit negativem Index" oder auch als "Anti-Führung" bezeichnet, wobei der Brechungsindex in Bereichen, die mit den Laserelementen ausgerichtet sind, am kleinsten ist und zwischen diesen Elementen auf einen höheren Wert steigt. Ein Teil des Lichtes, das mit dem einen höheren Brechungsindex aufweisenden Material in Berührung kommt, wird aus den Bereichen der Laserelemente austreten, weshalb für solche Systeme bisweilen auch der Begriff "Leck-Mode-Laseranordnung" gebraucht wird.
Im allgemeinen kann ein System von Laser-Emittern in einer oder mehreren von einer Vielzahl möglicher Konfigurationen oszillieren, die als Array-Moden (Gruppen- oder Reihen-Moden) bekannt sind. Bei der üblicherweise am meisten bevorzugten Gruppen-Mode oszillieren alle Emitter in Phase. Dies ist als die sogenannte "Fundamentale" oder auch die Gruppen-Mode mit 0º-Phasenverschiebung bekannt und erzeugt eine Struktur im Fernfeld, bei der der Großteil der Energie in einer einzigen Keule konzentriert ist, deren Breite im Idealfall nur durch die Beugung des Lichtes begrenzt ist. Wenn gekoppelte Laser-Emitter um 180º außer Phase sind, so wird die Gruppe (Reihe) in einer Gruppen-Mode (Reihen-Mode) mit 180º Phasenverschiebung betrieben, was auch als Gruppen-Mode bezeichnet wird, die "außer Phase" ist, und es werden zwei relativ weiten Abstand aufweisende Keulen in der Verteilungsstruktur des Fernfeldes erzeugt. Zwischen diesen beiden Extremen gibt es eine Vielzahl von Moden, je nach der Phasenjustierung der getrennten Emitter und, allgemein formuliert, gibt es N mögliche Gruppen- Moden für eine Gruppe mit N Elementen. Viele Lasergruppen arbeiten gleichzeitig in zwei oder drei Gruppen-Moden und erzeugen einen oder mehrere Strahlen, die typischerweise zwei- oder dreimal breiter sind als der Beugungsgrenzwert.
Das US-Patent US-A-4,723,252 beschreibt eine phasengekoppelte Lasergruppe, die ein Substrat aufweist mit zwei unter Abstand angeordneten Gruppen von Kanälen, die sich in Richtung auf unterschiedliche Reflexionsflächen der Gruppe erstrecken. Die Symmetrieachsen der Kanäle der einen Gruppe sind in Bezug auf die Symmetrieachsen der anderen Gruppe versetzt. Es wird dort festgestellt, daß die Einkoppelung von in den optischen Wellenleitern über der einen Gruppe von Kanälen sich fortpflanzendem Licht in die Wellenleiter über der anderen Gruppe von Kanälen keine Phasendifferenz zwischen den Oszillationen benachbarter Kanäle induziert.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung betreffen zwei eng zusammenhängende Probleme, die beim Betrieb von Lasergruppen hoher Leistung und mit hoher Strahlqualität auftreten. Das erste Problem betrifft die fortdauernde Suche nach einer Lasergruppenanordnung mit hoher Helligkeit (Leistung pro Einheitswinkel), die in einer ausgewählten Gruppen-Mode arbeitet, ohne daß die Effizienz und die Kompaktheit der Anordnung leidet. Einige Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung betreffen dieses Erfordernis und stellen eine Lasergruppe mit hoher Ausgangsleistung bereit, die entweder in der fundamentalen Gruppen- Mode arbeitet ("in-phase") oder in einer Gruppen-Mode, die nicht in Phase ("out-of-phase") arbeitet.
Ein zweiter wichtiger Problembereich ist Gegenstand der europaischen Patentanmeldung 91109377.1, einer Teilanmeldung aus der vorliegenden Anmeldung, und betrifft den Grad der Kohärenz und der Gleichförmigkeit der Ausgangsintensitäten, die mittels der Lasergruppe erhalten werden können. Vor jener Erfindung war eine Kopplung zwischen Lasern beschränkt auf eine Kopplung sogenannter "nächster Nachbarn", d.h. nur unmittelbar aneinanderliegende Laser konnten gekoppelt werden. Hierdurch wurde nur ein sehr begrenztes Ausmaß von Gesamtkohärenz erreicht, und es ergab sich eine charakteristische Intensitätsverteilung im Nahfeld, die einer Cosinus-Verteilung entsprach. Wie in der nachfolgenden Zusammenfassung ausgeführt ist, haben bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung zum Ziel, eine Halbleiterlasergruppe bereitzustellen mit einem hohen Grad an Kohärenz und einer praktisch gleichförmigen Intensitätsverteilung der Lasergruppe im Nahfeld.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Reihen-Struktur von Halbleiterlasern bereitgestellt mit folgenden Merkmalen:
Einer Einrichtung zum Erzeugen einer Laserwirkung in der Struktur, einschließlich eines Substrates, einer aktiven Halbleiterschicht und umgebenden Mantelschichten, die nacheinander auf dem Substrat geformt sind, Elektroden, die auf gegenüberliegenden Seiten des Substrates ausgeformt sind, um eine Spannung über die aktive Schicht anzulegen, und einem Paar von Reflexionsflächen, von denen zumindest eine eine emittierende Fläche ist und die an gegenüberliegenden Enden der Reihenstruktur ausgebildet sind, wobei die Reihe weiterhin folgendes aufweist:
Einen ersten und einen zweiten Satz von Wellenleitern, die jeweils parallele Längsachsen aufweisen, wobei die Sätze in angenäherter Justierung zueinander oder zueinander versetzt derart angeordnet sind, daß jeder Satz Strahlung in den anderen emittiert;
einen in Querrichtung nicht geführten Beugungsbereich, der zwischen den ersten und zweiten Sätzen von Wellenleitern derart angeordnet ist, daß zwischen den Sätzen von Wellenleitern ausgetauschte Strahlung hindurchläuft; und
eine im Inneren der Struktur angeordneten Einrichtung zum Unterdrücken unerwünschter Gruppen-Moden,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Beugungsbereich eine Länge hat, die etwa gleich ist einem Vielfachen der halben Talbot-Distanz, die gegeben ist durch die Größe nd²/λ, wobei n eine positive ganze Zahl ist, d der periodische Abstand der Wellenleiter in den ersten und zweiten Sätzen von Wellenleitern in Querrichtung und λ die Wellenlänge des Lichtes im Beugungsbereich, welches durch die Laserwirkung der Anordnung erzeugt wird.
Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung hat der Beugungsbereich eine Länge, die gleich ist einem ungeraden Vielfachen der halben Talbot-Länge und die zwei Reihen (Gruppen) von Wellenleitern sind selektiv zueinander in Querrichtung justiert und wirken als ein Raumfilter, um unerwünschte Gruppen-Moden aus dem Ausgangssignal der Struktur zu eliminieren. Bei einer Variante dieses Ausführungsbeispieles sind die beiden Reihen (Gruppen) in Bezug zueinander in Querrichtung um einen halben periodischen Abstand der Elemente versetzt, so daß die aktiven Laserelemente einer Reihe mit den Zwischenbereichen der Elemente der anderen Reihe fluchten. Diese Anordnung begünstigt einen Betrieb in der fundamentalen Reihen-Mode und eliminiert wirkungsvoll die phasenverschobene Mode aus dem Ausgangssignal der Vorrichtung. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel sind die aktiven Laserelemente jeder Reihe etwa zueinander ausgerichtet, wodurch nur die phasenverschobene Reihen-Mode begünstigt wird.
Die Länge des Beugungsbereiches kann auch ein geradzahliges Vielfaches der halben Talbot-Länge sein, wie beispielsweise eine volle Talbot-Länge, wobei die Vorrichtung weiterhin eine Einrichtung zum Unterdrücken von phasenverschobenen Gruppen-Moden aufweist.
Die insoweit beschriebene Struktur könnte zwei getrennt hergestellte Reihen verwenden, die durch den ungeführten Beugungsbereich in Querrichtung getrennt sind. Bevorzugt ist aber die Gesamtstruktur monolithisch aufgebaut. Das heißt, der Beugungsbereich ist eine Halbleiterstruktur, die integral mit den Halbleiter-Reihen ausgebildet ist. Obwohl das Ganze als eine Struktur hergestellt ist, sind trotzdem einige Vorteile dadurch zu erreichen, daß eine unabhängige elektrische Steuerung des Beugungsbereiches durch Verwendung getrennter Elektroden für das Einspeisen von Strom in die Einrichtung beibehalten wird. Bei dem Beugungsbereich kann es sich um einen aktiven Halbleiterlaserbereich handeln, der eine solche getrennte Elektrode oder eine mit der Reihe von Wellenleitern gemeinsame Elektrode verwendet, oder bei dem Beugungsbereich kann es sich um einen passiven ebenen Wellenleiter ohne Elektroden handeln.
Die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung verwendet Antileiter für die zwei Reihen von Wellenleitern, obwohl auch Wellenleiter mit positivem Index alternativ verwendet werden könnten. Auch wird die Verwendung des halben ersten Talbot-Abstandes für die Länge des Beugungsbereiches vorgezogen. Vielfache dieser Länge sollten die gleichen Ergebnisse liefern.
Gemäß anderen Ausführungsbeispielen der Erfindung wird eine praktisch gleichförmige Intensitätsverteilung im Nahfeld mittels einer Laserreihe durch Ausnutzen einer Resonanzbedingung erreicht, die in einer Reihe von Antiführungen auftritt, die so strukturiert sind, daß sie nahe oder in einem engen Bereich von Parametern liegen, die diesen Zustand begünstigen. Genauer bedeutet dies, daß für eine gegebene Betriebswellenlänge die Breite, der Elementenabstand und der Brechungsindex der Antiführungen so ausgewählt werden, daß ein Arbeitspunkt nahe oder an der Resonanzbedingung erzeugt wird, bei der die Kopplung nicht nur zwischen benachbarten Wellenleitern erfolgt, sondern zwischen allen Wellenleitern, d.h. eine Kopplung von jedem Wellenleiterelement zu allen anderen Elementen der Reihe. Mit einer solchen vollständigen oder parallelen Kopplung wird die Kohärenz der Anordnung maximal und es wird eine praktisch gleichförmige Verteilung im Nahfeld erreicht.
Kurz und allgemein ausgedrückt, weist eine Laserreihe gemäß diesen Ausführungsbeispielen der Erfindung eine Einrichtung auf zum Erzeugen einer Laserwirkung in der Struktur und einen Satz von Wellenleitern mit negativem Index, deren Längsachsen parallel ausgerichtet sind, mit einer Breite in Querrichtung der Antileiter-Elemente von d&sub0; und einem Abstand s zwischen den Elementen. Die Wellenleiter erzeugen in den Antileiter-Elementen Wanderwellen in Querrichtung mit einer Wellenlänge λ&sub0;, die etwa 2d&sub0; entspricht, und eine Wellenlänge λ&sub1; in den Bereichen zwischen den Elementen. Der Abstand s zwischen den Elementen ist so gewählt, daß er etwa gleich ist einer ungeraden Anzahl halber Wellenlängen, oder m λ&sub1;/2, wobei m eine ungerade ganze Zahl ist, um eine Resonanzbedingung für die Fundamental-Mode der Reihe zu erzeugen, bei der eine starke Kopplung zwischen allen Elementen der Reihe und ein hoher Grad an Kohärenz der Anordnung gegeben ist. Die Vorrichtung enthält auch eine Einrichtung innerhalb der Reihenstruktur zum Unterdrücken eines Betriebs in einer phasenverschobenen Reihen-Mode.
Es ergibt sich, daß die Wellenlänge λ&sub1; von Wanderwellen in Querrichtung im Bereich zwischen den Elementen von der Differenz Δn zwischen den (transversalen) wirksamen Brechungsindizes der Antileiter-Elemente und dem (transversalen) wirksamen Brechungsindex des Bereiches zwischen den Elementen abhängt. Entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung werden diese Differenz der Indizes und der Abstand s so gewählt, daß ein Arbeitspunkt gegeben ist, der nahe genug an der Resonanzbedingung liegt, um eine starke Kopplung zwischen allen Elementen der Reihe zu erreichen, wobei jedoch auch eine starke Diskriminierung zwischen der Fundamental-Mode und den benachbarten Moden höherer Ordnung gegeben ist.
Eine Möglichkeit der Bereitstellung einer Einrichtung zum Unterdrücken der phasenverschobenen Mode bei dieser Struktur liegt darin, zwischen den Elementen eine Halbleiteranordnung zum Erzeugen von Verlusten zwischen den Elementen vorzusehen, welche einen Betrieb in einer phasenverschobenen Reihen-Mode unterdrückt. Dies kann in Form einer transversalen Antileiter-Struktur erfolgen, die beträchtliche Strahlungsverluste an das Substrat ermöglicht, oder es kann auch eine absorbierende Schicht vorgesehen werden, die im Bereich zwischen den Elementen für Absorptionsverluste sorgt.
Die gleichförmige Verteilung im Nahfeld, die durch die Resonanzbedingung erreicht wird, ist ein wünschenswertes Merkmal für fast jede Laserreihe, dies ist aber auch eine erwünschte Betriebsbedingung für eine Reihe gemäß der Erfindung, d.h. zusammen mit einem Beugungsbereich, der eine Länge hat, die bezogen ist auf die Talbot-Distanz. Ein wichtiges Ausführungsbeispiel der Erfindung sieht deshalb die Verwendung des Talbot-Effektes zusammen mit einem Raumfilter vor, um unerwünschte Reihen-Moden (Gruppen- Moden) zu eliminieren und die Reihen der Vorrichtung sind als Antileiter aufgebaut, die der Resonanzbedingung genügen oder nahe bei ihr liegen.
Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß die vorliegende Erfindung einen beträchtlichen Fortschritt im Bereich von Halbleiterlaserreihen darstellt. Die Erfindung erlaubt insbesondere einen Betrieb mit relativ hohen Leistungen und Strömen, ohne daß die Strahlqualität leidet, und auch einen Betrieb in einer ausgewählten Mode, wobei eine hohe Effizienz und Vorrichtungskohärenz gegeben ist. Weitere Vorteile bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung, die Bezug nimmt auf die Zeichnung.

Kurzbeschreibung der Figuren

Fig. 1 ist eine vereinfachte Draufsicht auf eine Halbleiterlaserreihung entsprechend einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, die so ausgelegt ist, daß ein Betrieb in der phasengleichen Reihen-Mode bevorzugt ist;
Fig. 2 ist eine vereinfachte Draufsicht ähnlich Fig. 1, wobei jedoch ein Betrieb in der phasenverschobenen Reihen-Mode begünstigt ist;
Fig. 3 ist ein vereinfachter und teilweiser Querschnitt einer Antileiter-Reihung, die bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet wird;
Fig. 4 zeigt die Variation des wirksamen Brechungsindex quer über die Anordnung gemäß Fig. 3;
Fig. 5 zeigt die Variation des Brechungsindex in Querrichtung an einem Punkt zwischen Antileiter-Kanälen der Anordnung gemäß Fig. 3;
Fig. 6 ist eine schematische Darstellung der optischen Feldamplitude in einem einzigen Antileiter;
Fig. 7a ist eine schematische Darstellung ähnlich Fig. 6, jedoch ist hier die optische Feldamplitude für eine Reihe von Antileitern im Resonanzfall dargestellt;
Fig. 7b zeigt die Variation des wirksamen Brechungsindex in Querrichtung, entsprechend der Darstellung in Fig. 7a;
Fig. 8 ist ein Satz von grafischen Darstellungen, die die Veränderung der Strahlungsverluste für unterschiedliche Reihen-Moden in Abhängigkeit von der Differenz des Brechungsindex zwischen Antileiter-Kanalbereichen und Bereichen zwischen den Elementen der Struktur zeigt, und zwar über einen Bereich, der eine Resonanzbedingung in der fundamentalen Reihen-Mode enthält;
Fig. 9 zeigt ein Intensitätsprofil im Nahfeld für Licht, das von einer Reihe von Antileitern bei Resonanz in der Fundamental- Mode emittiert ist;
Fig. 10 ist ähnlich Fig. 9, jedoch wird hier das Intensitätsprofil im Nahfeld für die fundamentale Reihen-Mode an einer Stelle gezeigt, die nahe der Resonanzbedingung für die phasenverschobene Reihen-Mode ist;
Fig. 11 ist ein Schnitt ähnlich Fig. 3, jedoch unter Einschluß einer lichtabsorbierenden Schicht im Bereich zwischen den Elementen, um einen Betrieb in der gleichphasigen Reihen-Mode mit oder nahe der Resonanz zu bevorzugen; und
Fig. 12 ist eine Darstellung ähnlich Fig. 5, die die Änderung des effektiven Brechungsindex in Querrichtung an einer Stelle zwischen Antileiter-Kanälen der in Fig. 11 gezeigten Struktur zeigt.

Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen

Wie in den Zeichnungen illustriert ist, betrifft die vorliegende Erfindung Verbesserungen im Bereich von Halbleiterlaserreihen. Insbesondere betrifft die Erfindung den Betrieb von Laserreihen mit hohen Leistungspegeln durch Verwendung des Talbot-Effekts zusammen mit einigen die innere Struktur der Reihung betreffenden Maßnahmen, um phasenverschobene Betriebs-Moden der Reihe zu unterdrücken. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft zusätzlich noch die Verbesserung der Betriebseigenschaften, wenn eine Reihe von Antileitern unter einer ausgewählten Bedingung in oder nahe dem Resonanzpunkt betrieben wird.
Der Talbot-Effekt ist ein Beugungsphänomen, das erstmals im 19. Jahrhundert beobachtet worden ist. Wenn eine Anzahl von Lichtquellen gleicher Intensität und Wellenlänge in periodischen Abständen in einer Reihe angeordnet wird und die abgegebenen Lichtstrahlen in ein Beugungsmedium eingestrahlt werden, dann rekombiniert das gebeugte Licht zu Bildern der Lichtquellen in einer Ebene, die einen berechenbaren Abstand zu der Reihe einnimmt; dieser Abstand wird als Talbot-Länge bezeichnet. Die erste Talbot-Länge ist gegeben durch 2d²/λ, wobei d der periodische Abstand der Lichtemitter und λ die Wellenlänge der emittierten Strahlung im Beugungsmedium sind. Im allgemeinen erfolgt eine Wiedererzeugung der Bilder auch an anderen Stellen, die weiter von den Emittern entfernt sind, gegeben durch den Ausdruck 2nd²/λ, wobei n eine ganze Zahl ist.
Es wurde entdeckt, daß eine Reihe von Lasern mit hohem Grad an gegenseitiger Kohärenz betrieben werden kann, wenn der Talbot- Effekt ausgenutzt wird. Wird eine spiegelnde Oberfläche bei der Hälfte des Talbot-Abstandes von den Emittern entfernt angeordnet, so wird das gebeugte Licht der Emitter auf den Emittern selbst wieder zu einem Bild zusammengefügt. Eine Schwierigkeit derartiger Anordnungen, die zunächst nicht erkannt worden ist, liegt darin, daß auch eine Bilderzeugung bezüglich der phasenverschobenen Reihen-Mode erfolgt, wie auch in der fundamentalen Reihen- Mode. Entsprechend muß jede Vorrichtung zur Verbesserung der Kohärenz mittels des Talbot-Effektes einen möglichen Betrieb in der phasenverschobenen Reihen-Mode berücksichtigen.
Das in Fig. 1 gezeigte Ausführungsbeispiel der Erfindung weist eine erste Reihe von Halbleiterlaser-Wellenleitern auf, die allgemein durch das Bezugszeichen 10 bezeichnet ist, und eine zweite Reihe von Halbleiterlaser-Wellenleitern 12. Jede Reihe (Gruppe) weist Laserelemente auf, die jeweils unter einem regelmäßigen Abstand d&sub0; angeordnet sind, und die Reihen sind in Querrichtung durch einen ungeführten Bereich 14 getrennt, dessen Breite etwa einer halben Talbot-Länge entspricht. In der Anordnung gemäß Fig. 1 sind die Elemente der Reihe 10 auf die Bereiche zwischen den Elementen der Reihe 12 ausgerichtet, wodurch ein Betrieb in der Fundamental-Mode oder in der gleichphasigen Reihen-Mode bevorzugt wird. Die Reihen 10 und 12 sind an ihren vom Beugungsbereich 14 abgekehrten Enden aufgespalten, um verspiegelte Oberflächen 15 zu bilden, und die Querschnitte der Reihen sind, wie noch näher erläutert wird, in herkömmlicher Weise hergestellt, um eine Führung des Lichtes entweder mit einem positiven oder mit einem negativen Index zu erhalten.
Berücksichtigt man, daß eine der Reihen in der phasengleichen bzw. fundamentalen Reihen-Mode arbeitet, so ergibt sich, daß die Emissionen dieser Reihe durch den Beugungsbereich 14 gehen und wieder an Orten in der Mitte der Bereiche zwischen den ursprünglich emittierenden Laserelementen abgebildet werden, d.h. an den Zentren der Wellenleiter in der anderen Laserreihe. Emissionen in der phasenverschobenen Mode werden an den gleichen in Querrichtung beabstandeten Orten der emittierenden Reihe wieder abgebildet, d.h. an den Mittelpunkten der Bereiche zwischen den Elementen in der gegenüberliegenden Reihe, und es erfolgt eine wirksame Unterdrückung durch den Raumfiltereffekt, der durch die ausgewählten Lateralpositionen der zwei Reihen bedingt ist.
Die Anordnung gemäß Fig. 2 entspricht derjenigen von Fig. 1 mit der Ausnahme der Justierung der zwei Reihen in Lateralrichtung, was in Fig. 2 durch die geänderten Bezugszeichen 10' und 12' angedeutet ist. Hier sind die zwei Reihen zumindest angenähert zueinander fluchtend, und phasenverschobene Reihen-Moden-Emissionen aus einer Reihe werden direkt in die andere Reihe eingeführt, weil die phasenverschobene Strahlung in ihrer Ursprungsform bei einer halben Talbot-Länge wieder zu einem Bild zusammengefügt wird. Die phasengleiche Mode wird unterdrückt, weil sie beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 in die Bereiche zwischen den Elementen wieder zu einem Bild zusammengefügt wird. Wird bei diesem Ausführungsbeispiel die fundamentale Mode gewünscht, so können 180º-Phasenverschieber (nicht gezeigt) extern eingesetzt werden, und zwar an Stellen, die jeweils abwechselnden Elementen entsprechen. Es können aber auch Anwendungen vorkommen, bei denen die phasenverschobene Mode erwünscht ist.
Der Beugungsbereich 14 ist im allgemeinen ein ganzzahliges Vielfaches von einer halben Talbot-Länge. Somit kann die Länge dieses Bereiches allgemein durch den Ausdruck (2n-1)d&sub0;²/λ ausgedrückt werden, wobei n eine positive ganze Zahl ist.
Fig. 2 kann auch dazu dienen, eine weitere Variante der Erfindung zu illustrieren, bei der die Länge des Beugungsbereiches 14' ein geradzahliges Vielfaches einer halben Talbot-Länge ist, beispielsweise eine volle Talbot-Länge. In diesem Fall werden sowohl die Fundamental-Mode als auch die phasenverschobene Reihen- Mode wieder abgebildet und einige zusätzliche Einrichtungen müssen intern in der Anordnung vorgesehen werden, um die phasenverschobene Mode zu unterdrücken. Diese Einrichtungen können unterschiedliche Formen annehmen, einige Beispiele werden später beschrieben.
Die besondere Struktur der Wellenleiter 10 und 12 ist nicht besonders kritisch für die allgemeine Lehre der Erfindung. Die Wellenleiter können eine Leitung mit positivem Index oder eine Leitung mit negativem Index verwenden. Ein zur Zeit bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung hat die Form von Reihen von Anti-Leitern, wie beispielhaft in Fig. 3 gezeigt ist. Die Halbleiter-Reihenstruktur enthält ein Substrat 16 aus Gallium-Arsenid (GaAs) vom p+-Typ, auf dem eine Schicht 17 aus Aluminium-Gallium- Arsenid vom p-Typ ausgeformt ist mit 30% Aluminium (Al0,3Ga0,7As) und eine Pufferschicht 18 aus Aluminium-Gallium-Arsenid vom p-Typ mit 10% Aluminium (Al0,1Ga0,9As). Das Laserwirkung aufweisende Element ist teilweise durch Kanäle 20 gebildet, die in den Schichten 17 und 18 ausgeformt sind und teilweise auch in das Substrat 16 reichen. Über dem Kanal 20 und der Pufferschicht 18 ist eine erste Deckschicht 22 aus Aluminium-Gallium-Arsenid vom p-Typ mit 30% Aluminium angeordnet (Al0,3Ga0,7As). Eine aktive Schicht 24 aus undotiertem GaAs ist über der ersten Deckschicht 22 angeordnet und eine zweite Deckschicht aus Al0,3Ga0,7As vom n-Typ ist über der aktiven Schicht ausgebildet. Die aktive Schicht 24 ist undotiert, und die Deckschichten 22 und 26 sind entsprechend dotiert, um eine Diodenwirkung über die aktive Schicht in Form eines p-n-Überganges zu erhalten. Die Struktur wird durch eine weitere Schicht Gallium-Arsenid vom n+-Typ eingekapselt, und eine Metallschicht ist für eine elektrische Kontaktgabe vorgesehen, wobei die beiden letztgenannten Anordnungen nicht dargestellt sind. In herkömmlicher Weise wird eine weitere Kontaktschicht (ebenfalls nicht gezeigt) auf der unteren Fläche des Substrats 16 ausgeformt.
Gemäß Fig. 4 ist der wirksame Brechungsindex in den Bereichen der Kanäle 20 geringer als in den Bereichen zwischen den Kanälen (also den Bereichen zwischen den Elementen). Deshalb bilden die Kanäle 20 eine Reihe von Anti-Leitern in Querrichtung (Lateralrichtung). Wie das US-Patent 4,860,298 beschreibt, bewirkt eine solche Reihe sowohl eine strenge Modenbegrenzung als auch eine strenge Kopplung zwischen den Elementen. Im gegenwärtig bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung bewirken die Reihen 10 und 12 eine Anti-Leitung in Lateralrichtung, obwohl auch in Abwandlung dieses Ausführungsbeispieles eine Leitung mittels positivem Index möglich ist.
Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Halbleitermaterialien entweder Aluminium-Gallium-Arsenid (AlGaAs) oder Indium-Gallium-Arsenid-Phosphid (InGaAsP), je nach der gewünschten Wellenlänge, jedoch sind auch andere Halbleitermaterialien verwendbar. Das aktive Material weist einen sogenannten Quanten-Potentialtopf auf, nämlich eine separat gebildete Heterostruktur, jedoch ist dies nicht kritisch für die Erfindung. Das zur Zeit angewandte Herstellungsverfahren ist die metallorganische chemische Dampfabscheidung (MOCVD), jedoch ist auch eine Epitaxie (LPE) in flüssiger Phase möglich, ebenso eine Molekularstrahl-Epitaxie (MBE) oder eine andere chemische Dampfabscheidungstechnik.
Ein grundlegender Vorteil der Erfindung ist die verstärkte Leistung pro Einheitswinkel, verglichen mit ähnlichen Strukturen, bei denen kein Beugungsbereich und keine Raumfilterung verwendet werden. Auch können die Reihen unter Verwendung dieser Lehren verbreitert werden, ohne daß ein Verlust an Leistung pro Raumwinkeleinheit auftritt. Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß die geführten und die nicht geführten Bereiche der Anordnung separat durch getrennte Stromelektroden steuerbar sind, wodurch eine Optimierung der Leistung der Anordnung durch getrennte Optimierung jedes Bereichs möglich ist. Eine Möglichkeit ist ein Aufbau des Beugungsbereiches als ein passiver planarer Wellenleiter ohne Elektroden. Ein weiterer Vorteil der Vorrichtung ist ihre verbesserte Diskriminierung von unerwünschten Reihen-Moden.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft die Verwendung einer Resonanzbedingung oder einer annähernden Resonanzbedingung in einer Reihe von Antileitern, um einen Betrieb in der fundamentalen Reihen-Mode auf den höchstmöglichen Leistungspegeln zu erreichen. Im allgemeinen ist die Kopplung zwischen den Elementen in einer linearen Reihe von Halbleiterlaser- Wellenleitern auf eine Kopplung zwischen benachbarten Wellenleitern begrenzt. Diese Nachbar-zu-Nachbar-Kopplung erzeugt eine charakteristische cosinusförmige Intensitätsverteilung im Nahfeld und gibt eine schlechte Gesamtkohärenz quer über die Vorrichtung. Für eine maximale Kohärenz der Vorrichtung sollten alle Elemente der Reihe gleichförmig miteinander gekoppelt sein und für eine maximale Effizienz sollte das Intensitätsprofil im Nahfeld so gleichförmig wie möglich sein. Eine andere Bedingung für maximale Leistung in einer einzigen Mode ist eine maximale Trennung zwischen der Fundamental-Mode und der nächstliegenden Mode höherer Ordnung.
Ein einziger Antileiter kann als ein Generator von Wanderwellen in Lateralrichtung auf jeder Seite des Wellenleiters verstanden werden. Fig. 6 zeigt einen zentralen Kernbereich in einem Antileiter mit der Breite d&sub0; und einem (transversalen) effektiven Brechungsindex n&sub0;, der von zwei abdeckenden Bereichen mit höherem (transversalen) effektiven Brechungsindex n&sub1; umgeben ist. Herausleckende Wellen sind sogenannte Wanderwellen mit einem lateralen Fortpflanzungsvektor h&sub1;, der gegeben ist durch:
h&sub1; = ((n&sub1;k)² - β²),
wobei k die Fortpflanzungskonstante im freien Raum und β die Fortpflanzungskonstante für die Fundamental-Mode sind. Es ergibt sich, daß die Wellenlänge in Lateralrichtung für die herausleckenden Wellen wie folgt dargestellt werden kann:
λ&sub1; = λ/ (n&sub1;² - neff²),
wobei neff der (laterale) effektive Index der Fundamental-Mode ist, welcher gleich β/k ist.
Im Antileiter-Kern ist der laterale Fortpflanzungsvektor gegeben durch:
h&sub0; = ((n&sub0;k)² - β²),
worin eine laterale Wellenlänge λ&sub0; definiert ist als
λ&sub0; = /(n&sub0;² - neff²).
Wenn das Index-Differential, n = n&sub1;-n&sub2;, größer als etwa 2 x 10&supmin;² ist und wenn die Kernbreite größer ist als etwa 2µm (Mikrometer), dann wird der Fortpflanzungsvektor h&sub0; für einen einzelnen Antileiter sehr gut angenähert dargestellt durch π/d&sub0;, was bedeutet, daß die Wellenlänge im Antileiterelement gegeben ist durch λ&sub0; ≈ 2d&sub0;. Deshalb ist für die Fundamental-Mode eines ungestörten Wellenleiters die Elementenbreite im wesentlichen die Hälfte von λ&sub0;.
Eine konstruktive Interferenz zwischen stehenden Wellen aus mehreren Antileitern tritt dann auf, wenn die Phasendifferenz zwischen gleichgerichteten Wellen, die aus aufeinanderfolgenden Antileitern austreten (auslecken), ein geradzahliges Vielfaches von 2π ist. Fig. 7 zeigt eine Reihe mit einer Periode Λ, so daß Λ = d&sub0; + s, wobei s der Elementenabstand ist. Wenn in diesem Falle eine ausleckende Welle lateral in der Reihe um einen WegΛ wandert, ändert sich ihre Phase um einen Winkel 2qπ, wobei q eine ganze Zahl ist. Im Resonanzfall erfolgt keine abschwächende Interferenz zwischen ausgeleckten Wellen aus getrennten Kanälen und deshalb wird keine Energie zurück in einen Wellenleiter reflektiert. Jeder Wellenleiter in der Reihe kann deshalb als ungestört angesehen werden.
Die ungestörte Elementenbreite d entspricht einer halben Wellenlänge und deshalb einer Phasenverschiebung π. Entsprechend sollte deshalb für den Resonanzfall der Abstand s zwischen den Elementen einem ungeraden Vielfachen einer halben Wellenlänge im Abstandsmedium entsprechen, d.h. einer Phasenverschiebung von (2q-1)π. Unter Verwendung der Bezeichnung m = 2q - 1 und der obigen Ausdrücke für λ&sub0; und λ&sub1;, ergibt sich als Bedingung für Resonanz in der fundamentalen Reihen-Mode:
Einfacher ausgedrückt ist die Resonanzbedingung für die fundamentale Reihen-Mode s = mλ&sub1;/2 für gerade Werte von m. Fig. 7 illustriert die Resonanzbedingung für den Fall m = 3, d.h. es liegen drei halbe Wellenlängen in jedem Abstand s zwischen den Elementen, und es erfolgt eine konstruktive Interferenz zwischen den ausgeleckten Wellen aus jedem Paar von Wellenleitern. Für gerade Werte von m, hat die phasenverschobene Reihen-Mode Resonanz. Wie Fig. 7 zeigt, unterliegen die Wanderwellen zweier benachbarter Antileiter dann, wenn die Distanz s beispielsweise vier halbe Wellenlängen beträgt, einer destruktiven Interferenz, d.h. es ergibt sich eine Antiresonanz-Bedingung für die fundamentale Mode. Für die phasenverschobene Reihen-Mode ergibt sich aber bei einer geradzahligen Anzahl von halben Wellenlängen im Raum zwischen den Elementen eine Resonanz für diese Mode.
Fig. 9 zeigt das Intensitätsprofil im Nahfeld für eine Reihe von zehn Antileitern, die mit Resonanz für die Fundamental-Mode angeordnet sind. Im Resonanzfall ist der Strahlungsverlust in den Antileitern maximal und das Intensitätsprofil ist im wesentlichen gleichförmig über die Reihe. Der wahrscheinlich größte Einzelvorteil dieser Anordnung liegt im Resonanzfall darin, daß jedes Element in gleicher Weise zu allen anderen in der Reihe gekoppelt ist. Eine derart starke Kopplung ergibt eine hohe Kohärenz über die Reihe, einen weiten Bereich von Bedingungen für eine Phasenkopplung und eine Trennung zwischen den Moden, die relativ unabhängig von dem Element in der Reihe ist. Darüber hinaus entspricht das gleichförmige Intensitätsprofil einem gleichförmigen Profil des eingegebenen Stromes, und es wird die Effizienz der Anordnung maximal. Auch werden die Wirkungen des sogenannten räumlichen "Lochbrennens" (hole burning) minimiert.
Ist für die phasenverschobene Mode Resonanz gegeben, nämlich unter Verwendung eines geradzahligen Wertes von m, so entspricht dies grob einer Antiresonanz-Bedingung für die Fundamental-Mode, wenn gleichgerichtete ausgeleckte Wellen von benachbarten Wellenleitern außer Phase sind. Das Intensitätsprofil im Nahfeld ist für diesen Fall in Fig. 10 (in Gegenüberstellung) dargestellt. Die Kopplung ist in diesem Falle auf eine Nachbar-zu-Nachbar-Beziehung reduziert und das Profil degeneriert zu einer cosinusartigen Form von gleichartig gekoppelten Reihen.
Fig. 8 zeigt die Ergebnisse bei Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung im oder nahe dem Resonanzpunkt für die Fundamental- Mode. In der Figur ist der Gesamt-Strahlungsverlust für unterschiedliche Werte des Differentials des Brechungsindex Δn aufgetragen. Wie sich ergibt, ist die Resonanzbedingung für konstante Werte von d und s eine Funktion der Werte des Brechungsindex der zwei beteiligten Materialien. Wird das Index-Differential über einen Bereich nahe der Resonanzbedingung variiert, hat der Gesamt-Strahlungsverlust eine örtliche Spitze bei der Resonanzbedingung. Die durchgezeichnete Kurve 40 zeigt den Strahlungsverlust für die Fundamental-Mode und die Spitze 42 entspricht der Resonanzbedingung für die Fundamental-Mode in einer Reihe aus zehn Elementen. Es sei daran erinnert, daß bei einer Reihe aus zehn Elementen zehn Reihen-Moden vorliegen. Diese werden bisweilen als die Moden L=1 (die Fundamentale), L=2 usw. bis L=10 (die phasenverschobene oder außer Phase arbeitende Mode) bezeichnet. Die gestrichelte Linie 44 stellt den Strahlungsverlust für die Mode L=2, also die der Fundamental-Mode am nächsten liegende Mode höherer Ordnung, dar. Es ist zu erkennen, daß diese Mode zwei lokale Maxima 46 und 48 an Stellen aufweist, die symmetrisch auf jeder Seite der Fundamental-Resonanz liegen. Diese Spitzen weisen Differentialwerte für den Index auf, die mit A' und A auf der entsprechenden Achse bezeichnet sind. Die andere gestrichelte Linie 50 zeigt den Strahlungsverlust für die phasenverschobene Reihen-Mode (L=10), bei der eine Spitze bei einem höheren Wert von Δn gegeben ist, der außerhalb des in der Figur dargestellten Bereiches liegt.
Für einen Betrieb alleine in der fundamentalen Reihen-Mode müssen Einrichtungen zum Eliminieren oder wirksamen Unterdrücken von unerwünschten Betriebs-Moden vorgesehen werden. Die phasenverschobene Mode kann durch irgendeine der diskutierten Techniken unterdrückt werden. Die einzige andere Reihen-Mode, die ein Problem darstellen könnte, ist die nächstliegende Mode höherer Ordnung, L=2. Wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung genau am Resonanzpunkt 42 der Fundamental-Mode betrieben wird, so würde die Mode L=2 einen gleichen Strahlungsverlust bewirken und es bestünden Schwierigkeiten, die beiden Moden zu trennen. Ein Betrieb am Punkt A ergibt aber immer noch eine hinreichende Nähe am Resonanzpunkt, um die gewünschten Vorteile eines Resonanzbetriebes zu erreichen. Der Unterschied in den Strahlungsverlusten der Fundamental-Mode und der Mode L=2 an dieser Stelle ist aber maximal, so daß eine Trennung der beiden Moden erleichtert ist.
Die phasenverschobene Reihen-Mode kann mittels eines Kopplungsbereichs mit einem weiten Wellenleiter unterdrückt werden, wie im US-Patent 4,852,113 offenbart und beansprucht ist.
Eine zweite Möglichkeit der Unterdrückung der phasenverschobenen Reihen-Mode ist die Verwendung einer Anordnung, bei der der Talbot-Effekt auftritt, wie hier vorstehend erläutert ist. Insbesondere ist die in Fig. 1 gezeigte und unter Bezugnahme darauf diskutierte Anordnung so aufbaubar, daß Wellenleiter-Reihen 10 und 12 des Antileiter-Typs verwendet werden können, wobei die Anordnung so gewählt ist, daß der Betrieb mit Resonanz für die Fundamental-Mode erfolgt. Diese Kombination ist ideal, weil die Resonanzbedingung ein nahezu gleichförmiges Intensitätsprofil im Nahfeld erzeugt, wodurch der Talbot-Effekt verstärkt wird. Darüber hinaus stellt die erfindungsgemäße Vorrichtung unter Verwendung des Talbot-Effektes eine wirksame Technik der Unterdrückung der phasenverschobenen Mode in dieser Einrichtung bereit.
Eine dritte Möglichkeit der Unterdrückung der phasenverschobenen Mode ist die spezielle Anordnung der Antileiter-Reihe gemäß Fig. 3. Wie sich aus Fig. 9 ergibt, ist in der Fundamental-Mode das Intensitätsfeld zwischen den Elementen bei oder nahe der Resonanz vernachlässigbar. An einer von der Resonanz der Fundamental-Mode entfernten Stelle hingegen sowie nahe der Resonanz der phasenverschobenen Reihen-Mode hat die Fundamental-Mode eine beträchtliche Feldintensität zwischen Antileiter-Elementen, wie in Fig. 10 gezeigt ist. In ähnlicher Weise hat die phasenverschobene Mode nahe dem Resonanzpunkt der Fundamental-Mode eine beträchtliche Feldintensität zwischen den Elementen. Deshalb kann die phasenverschobene Reihen-Mode wirksam unterdrückt werden, wenn hinreichende Verluste zwischen den Elementen in der Anordnung erzeugt werden. Bezüglich dieses Aspektes der Erfindung seien zwei verschiedene Ausführungsbeispiele genannt. Bei einem Ausführungsbeispiel wird der Querschnitt gemäß Fig. 3 so strukturiert, daß Strahlungsverluste zwischen den Elementen auftreten, und beim anderen Ausführungsbeispiel (in Fig. 11 gezeigt) wird zwischen den Elementen ein Absorptionsverlust eingeführt.
Um hinreichende Strahlungsverluste am Substrat 16 einzuführen, muß die untere Deckschicht 17 relativ dünn sein. Der gesamte Bereich zwischen den Elementen wirkt wie ein transversaler Wellenleiter und falls Strahlungsverluste zum Substrat auftreten, wirkt die Anordnung wie ein transversaler Antileiter. Wie beim Bezugszeichen 60 in Fig. 3, die die Intensitätsänderung über den transversalen Querschnitt im Bereich zwischen den Elementen anzeigt, dargestellt ist, tritt ein beträchtlicher Strahlungsverlust zum Substrat auf. Dieser Verlust reduziert die Intensität zwischen den Elementen, die für den Betrieb in der phasenverschobenen Mode erforderlich ist (Fig. 10), so daß diese Mode wirksam unterdrückt ist.
Zwei Beispiele bezüglich der erforderlichen Abmessungen zur Erreichung dieser Strahlungsverluste zwischen den Elementen sind:

Beispiel 1:

Stärke der aktiven Schicht da = 900Å
Stärke der Schicht 22 t = 0,1µm
Stärke der Schicht 18 dw = 0,4µm
Stärke der Schicht 17 dc = 0,4µm

Beispiel 2:

Stärke der aktiven Schicht da = 900Å
Stärke der Schicht 22 t = 0,2µm
Stärke der Schicht 18 dw = 0,44µm
Stärke der Schicht 17 dc = 0,4µm
Die Bereiche, in denen ein nennenswerter Strahlungsverlust zwischen den Elementen eintritt, sind wohl die folgenden:
Stärke der aktiven Schicht da = 800-1,000Å
Stärke der Schicht 22 t = 0,05-0,2µm
Stärke der Schicht 18 dw = 0,35-0,5µm
Stärke der Schicht 17 dc ≤ 0,4µm
Von diesen Abmessungen ist die kritischste wohl die Stärke dc, die dann, wenn sie kleiner oder gleich 0,4µm ist, den erforderlichen Verlust zwischen den Elementen einführt, um die phasenverschobene Reihen-Mode zu unterdrücken.
Die in Fig. 11 dargestellte Variante weist eine lichtabsorbierende Schicht 62 aus Gallium-Arsenid zwischen den Schichten 18 und 22 auf. Die Stärke der lichtabsorbierenden Schicht 62 kann beispielsweise im Bereich von 0,1-0,2µm liegen. Der Absorptionsverlust hat die gleiche Wirkung wie der Strahlungsverlust, nämlich eine Reduzierung der Feldintensität zwischen den Elementen und dadurch eine Unterdrückung der phasenverschobenen Reihen-Mode.
Zusammenfassend sind also vorstehend zwei Techniken näher beschrieben. Eine ist die Verwendung eines nicht geführten Beugungsbereichs zwischen zwei Reihen von Wellenleitern, die so gewählt sein können, daß ein räumlicher Filtereffekt auftritt, um eine gewünschte Reihen-Mode zu begünstigen. Dies ergibt eine Laser- Reihe mit einer verstärkten Leistung pro Raumwinkeleinheit mit zusätzlichen Vorteilen hinsichtlich der Möglichkeit, große Reihen vorzusehen, hinsichtlich der Möglichkeit, die elektrische Anregung der Vorrichtung zwecks einer besseren Optimierung zu steuern, und hinsichtlich einer verbesserten Modendiskriminierung. Die zweite offenbarte Technik ist die Verwendung einer Resonanzbedingung in einer Antileiter-Reihe, um eine gleichförmige Intensitätsstruktur im Nahfeld und eine verbesserte Kopplung sowie eine verbesserte Vorrichtungskohärenz zu erzeugen. Dieses Merkmal kann mit dem erstgenannten Merkmal kombiniert werden, um die phasenverschobene Mode zu unterdrücken; jedoch kann die phasenverschobene Mode auch durch andere Einrichtungen unterdrückt werden, wie die Einführung von Strahlungsverlusten zwischen den Elementen oder Absorptionsverluste in der Antileiter-Reihe.
Obwohl mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung im einzelnen zur Illustrierung beschrieben worden sind, können unterschiedliche Abänderungen vorgenommen werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Dementsprechend kann der Gegenstand der Erfindung nicht eingeschränkt werden, außer durch die beigefügten Ansprüche.

Claims

1. Halbleiter-Laserreihenanordnung mit:

einer Einrichtung zum Erzeugen einer Laserwirkung in einer Struktur (10, 12) einschließlich einem Substrat (16), sowie einer aktiven Halbleiterschicht (24) und umgebenden Deckschichten (17, 18, 22, 26), die nacheinander auf dem Substrat ausgebildet sind, Elektroden, die auf gegenüberliegenden Flächen des Substrats ausgeformt sind, um eine Spannung über die aktive Schicht anzulegen, und einem Paar von Reflexionsflächen (15), von denen zumindest eine eine emittierende Fläche ist und die an gegenüberliegenden Enden der Reihenanordnung ausgebildet sind, wobei die Anordnung weiterhin aufweist:

einen ersten und einen zweiten Satz von Wellenleitern (10, 12), von denen jeder parallele Längsachsen hat, wobei die Sätze zumindest annähernd zueinander fluchtend ausgerichtet sind oder gegeneinander derart versetzt sind, daß jeder Satz Strahlung in den anderen Satz emittiert;

einen lateralen ungeführten Beugungsbereich (14), der zwischen den ersten und zweiten Sätzen von Wellenleitern angeordnet ist, so daß zwischen den Sätzen von Wellenleitern (10, 12) ausgetauschte Strahlung hindurchgeht; und

eine in der Anordnung angeordnete Einrichtung zum Unterdrücken unerwünschter Reihen-Moden;

dadurch gekennzeichnet, daß

der Beugungsbereich eine Länge hat, die zumindest annähernd gleich ist einem Vielfachen einer halben Talbot-Länge, gegeben durch die Größe nd²/λ, wobei n eine positive ganze Zahl, d der periodische Lateralabstand der Wellenleiter in den ersten und zweiten Sätzen von Wellenleitern und λ die Wellenlänge des Lichtes im Beugungsbereich, erzeugt durch die Laserwirkung der Einrichtung, sind.

2. Halbleiter-Laserreihenanordnung gemäß Anspruch 1, wobei:

die Länge des Beugungsbereichs (14) ein ungerades Vielfaches der halben Talbot-Länge ist; und die Einrichtung zum Unterdrücken unerwünschter Reihen-Moden durch die Orte der ersten und zweiten Sätze von Wellenleitern inhärent gegeben ist, wobei die Längsachsen der Wellenleiter in dem ersten Satz (10') in Bezug auf die Längsachsen der Wellenleiter in dem zweiten Satz (12') so ausgerichtet sind, daß eine ausgewählte Reihen-Mode begünstigt ist.

3. Halbleiter-Laserreihenanordnung gemäß Anspruch 2, wobei:

die Längsachsen der Wellenleiter in dem ersten Satz (10) zumindest annähernd auf Bereiche zwischen den Elementen der Wellenleiter in dem zweiten Satz (12) ausgerichtet sind, um die fundamentale Reihen-Mode zu begünstigen und die phasenverschobene Reihen-Mode zu unterdrücken.

4. Halbleiter-Laserreihenanordnung gemäß Anspruch 2, wobei:

die Längsachsen der Wellenleiter in dem ersten Satz (10') zumindest annähernd auf die Längsachsen der Wellenleiter in dem zweiten Satz (12') ausgerichtet sind, um die phasenverschobene Reihen-Mode zu begünstigen und die fundamentale Reihen-Mode zu unterdrücken.

5. Halbleiter-Laserreihenanordnung gemäß Anspruch 1, wobei:

die Länge des Beugungsbereiches (14) ein geradzahliges Vielfaches der halben Talbot-Länge ist und

die Einrichtung zum Unterdrücken unerwünschter Reihen-Moden eine Struktur aufweist, die in zumindest einer der ersten und zweiten Sätze von Wellenleitern liegt.

6. Halbleiter-Laserreihenanordnung gemäß Anspruch 5, wobei:

die ersten und zweiten Sätze (10, 12) von Wellenleitern Antileiter sind; und

die interne Struktur von zumindest einem der ersten und zweiten Sätze von Wellenleitern eine Einrichtung aufweist zum Erzeugen von Verlusten zwischen den Elementen, die eine Unterdrückung der phasenverschobenen Reihen-Mode fördern.

7. Halbleiter-Laserreihenanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei:

die Länge des Beugungsbereichs (14) zumindest annähernd gleich ist (d²/λ), oder der Hälfte der ersten Talbot-Länge.

8. Halbleiter-Laserreihenanordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei:

der Beugungsbereich (14) aus Halbleitermaterial besteht und die gesamte Vorrichtung in eine monolithische Struktur integriert ist.

9. Halbleiter-Laserreihenanordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei:

die ersten und zweiten Sätze von Wellenleitern (10, 12) Antileiter sind.

10. Halbleiter-Laserreihenanordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei:

der Beugungsbereich (14) ein passiver ebener Wellenleiter ist.

11. Halbleiter-Laserreihenanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei:

die Elektroden zum Anlegen einer Spannung über die aktive Schicht (24) eine gesonderte Elektrode zur unabhängigen Steuerung des an den Beugungsbereich angelegten Stromes aufweisen.