DE68925827T2

DE68925827T2 - Halbleiterlaser-Array mit hoher Ausgangsleistung und hoher Strahlqualität

Info

Publication number: DE68925827T2
Application number: DE68925827T
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: 1996-07-11
Anticipated expiration: 2009-09-29
Also published as: EP0363076B1; EP0450668B1; JPH0574238B2; EP0450668A2; EP0363076A3; US4985897A; JPH02237089A; DE68925554D1; DE68925827D1; DE68925554T2; EP0450668A3; EP0363076A2

Description

Die Erfindung betrifft allgemein Haibleiterdiodenlaser 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 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 und es werden zwei relativ weiten Abstand aufweisende Keulen in der Verteilungsstruktur des Femfeldes 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.
Die vorliegende Erfindung ist eine Teilanmeldung aus der europäischen Patentanmeldung 89309891.3, die zwei eng miteinander verwandte Probleme bezüglich des Betriebs von Laserreihen mit hohen Leistungen und mit hoher Strahlqualität betrifft. Das erste Problem betrifft die fortdauernde Suche nach Laser-Reihenstrukturen hoher Helligkeit (Leistung pro Einheitswinkel), die in einer ausgewählten Reihenmode arbeiten, ohne daß die Effizienz und die Kompaktheit der Anordnung leidet.
Ein zweiter wichtiger Problembereich, mit dem sich die vorliegende Erfindung beschäftigt, ist der Grad an Kohärenz und Gleichförmigkeit der Ausgangsintensitäten, die über die Laserreihe erhalten werden können. Vor der 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 begrenzter Grad an Gesamtkohärenz erreicht und es ergab sich eine charakteristische Intensitätsverteilung im Nahfeld, die einer Cosinus-Verteilung entsprach. Wie in der nachfolgenden Zusammenfassung ausgeführt ist, stellen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung eine Halbleiter-Laserreihe bereit, die einen hohen Grad an Vorrichtungskohärenz und eine praktisch gleichförmige Intensitätsverteilung im Nahfeld der Laser-Reihe aufweist.
Erfindungsgemäß wird eine Halbleiter-Laser-Reihenanordnung bereitgestellt, mit folgenden Merkmalen:
eine Einrichtung zum Erzeugen einer Laserwirkung in einer Struktur, einschließlich eines Substrates, einer aktiven Halbleiterschicht und umgebenden Mantelschichten, die nacheinander auf dem Substrat geformt sind, Elektroden, die auf gegenüberliegenden Seiten des Substrates ausgebildet sind, um eine Spannung über die aktive Schicht zu legen, wobei die genannte Struktur weiterhin folgendes aufweist: ein Paar reflektierender Flächen, von denen zumindest eine eine emittierende Fläche ist und die an gegenüberliegenden Enden der Reihenstruktur ausgebildet sind; und
einen Satz von Wellenleitern mit negativem Index mit parallelen Längsachsen, wobei jedere Wellenleiter einen Kern mit sogenannter "Antiführung" aufweist, der ein Wellenleiterelement bildet, wobei das ummantelnde Material die Elemente in Querrichtung umgibt und sogenannte Zwischenelement-Bereiche bildet derart, daß die Wellenleiter eine laterale Breite der Antileiter-Elemente von do und einen Abstand s zwischen den Elementen aufweisen;
wobei die Wellenleiter, jeweils getrennt betrachtet, laterale Wanderwellen erzeugen, die eine Wellenlänge λo aufweisen, die etwa gleich ist 2do, und zwar im Antileiter-Kern, und wobei die Wellenlänge im Antileiter-Mantelmaterial λ&sub1; ist;
und wobei der Abstand s zwischen den Elementen so gewählt ist, daß er angenähert gleich ist einem ungeraden Vielfachen halber Wellenlängen, oder mλ&sub1;/2, wobei m eine ungerade ganze Zahl ist, um eine Resonanzbedingung für eine Reihen-Mode mit 0º Phasenverschiebung zu erzeugen, in der eine starke Kopplung zwischen allen Elementen der Reihe und ein hoher Grad an Vorrichtungskokärenz erreicht sind.
Erfindungsgemäß wird eine praktisch gleichförmige Intensitätsverteilung im Nahfeld erreicht mittels einer Laserreihe durch Verwendung einer Resonanzbedingung, die in einer Reihe von Antileitern auftritt, die so strukturiert sind, daß ein enger Bereich von Parametern eingehalten ist, der diesen Zustand begünstigt. Genauer gesagt werden für eine gegebene Betriebswellenlänge die Breite, der Abstand zwischen den Elementen und die Brechungsindizes der Antileiter so ausgewählt, daß sich ein Arbeitspunkt ergibt, der der Resonanzbedingung entspricht oder nahe bei ihr liegt, wobei eine Kopplung nicht nur zwischen aneinanderliegenden Wellenleitern auftritt, sondern zwischen allen Wellenleitern, d.h. es liegt eine Kopplung von jedem Wellenleiterelement zu allen anderen Elementen der Reihe vor. Mit einer derartigen vollständigen oder parallelen Kopplung wird die Kohärenz der Gesamtanordnung weitestgehend erreicht, und es ergibt sich eine praktisch gleichförmige Intensitätsverteilung im Nahfeld.
Kurz und in allgemeinen Worten ausgedrückt, weist eine Halblei ter-Laserreihe gemäß der Erfindung eine Einrichtung auf zum Erzeugen einer Laserwirkung in einer Struktur und einen Satz von Wellenleitern mit negativem Index, die parallele Längsachsen aufweisen, wobei die Breite in Querrichtung der Antileiter-Elemente d&sub0; und der Abstand zwischen den Elementen s ist. Die Wellenleiter erzeugen laterale Wanderwellen mit einer Wellenlänge λ&sub0;, die etwa 2d&sub0; entspricht, in den Antileiter-Elementen, während die Wellenlänge in den Bereichen zwischen den Elementen λ&sub1; beträgt. Der Abstand s zwischen den Elementen ist so gewählt, daß er zumindest annähernd gleich ist einem ungeradzahligen Vielfachen einer halben Wellenlänge, d.h. mλ&sub1;/2, wobei m eine ungerade ganze Zahl ist, um eine Resonanzbedingung für eine Reihen-Mode mit 0º Phasenverschiebung zu erzeugen, bei der eine starke Kopplung zwischen allen Elementen der Reihe und ein hoher Grad an Vorrichtungskohärenz gegeben sind. Die Vorrichtung weist vorzugsweise auch eine Einrichtung innerhalb der Reihenstruktur auf, um einen Betrieb in einer Reihen-Mode mit 180º Phasenverschiebung zu unterdrücken.
Es ergibt sich weiterhin, daß die Wellenlänge λ&sub1; der lateralen Wanderwellen im Bereich zwischen den Elementen von der Differenz Δn zwischen dem (transversalen) effektiven Brechungsindex des Antileiter-Elementes und dem (transversalen) effektiven Brechungsindex des Bereiches zwischen den Elementen abhängt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung werden diese Index-Differenz und der Abstand s so gewählt, daß sich ein Arbeitspunkt ergibt, der nahe genug an der Resonanzbedingung liegt, um eine starke Kopplung zwischen allen Elementen der Reihe zu ergeben, wobei jedoch zusätzlich eine starke Diskriminierung zwischen der Reihen-Mode mit 0º Phasenverschiebung und den benachbarten Moden höherer Ordnung erreicht ist.
Eine Möglichkeit der Bereitstellung einer Einrichtung zum Unterdrücken der Reihen-Mode mit 180º Phasenverschiebung bei einer derartigen Struktur ist der Einbau von Halbleitern zwischen den Elementen, um Verluste zwischen den Elementen einzuführen, die einen Betrieb in der Reihen-Mode mit 180º Phasenverschiebung unterdrücken. Dies kann z.B. geschehen durch den Einbau transversaler Antileiter-Strukturen, die beträchtliche Strahlungsverluste zum Substrat ermöglichen, oder es können auch absorbierende Schichten vorgesehen werden, die Absorptionsverluste zwischen den Elementen bewirken.
Die durch die Resonanzbedingung erreichte nahezu gleichförmige Verteilung im Nahfeld ist eine erwünschte Eigenschaft nahezu jeder Laserreihe; dies ist jedoch auch eine erwünschte Anforderung im Betrieb einer Reihe, deren Beugungsbereich eine Länge aufweist, die in Beziehung steht zu der sogenannten Talbot- Distanz. Bei einem wichtigen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der Talbot-Effekt zusammen mit einem Raumfilter benutzt, um unerwünschte Reihen-Moden zu eliminieren, und die Reihen der Einrichtung sind als Antileiter aufgebaut, welche die definierte Resonanzbedingung erfüllen oder nahe daran liegen.
Wie sich aus dem Vorstehenden ergibt, stellt die vorliegende Erfindung einen beträchtlichen Fortschritt im Bereich der Halbleiter-Laserreihen dar. Insbesondere erlaubt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung einen Betrieb mit vergleichsweise hohen Leistungen und Antriebsströmen ohne Beeinträchtigung der Strahlqualität in einer ausgewählten Mode, wobei eine hohe Effizienz und Kohärenz gegeben sind. Andere Ausführungsbeispiele und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden, ins Einzelne gehenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die auf die Zeichnungen Bezug nimmt.

Kurzbeschreibung der Figuren

Fig. 1 ist eine vereinfachte Draufsicht auf eine Halbleiter-Laserreihe gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, die so zusammengestellt ist, daß ein Betrieb in einer Reihen-Mode mit 0º Phasenverschiebung begünstigt ist;
Fig. 2 ist eine vereinfachte Draufsicht auf eine Anordnung ähnlich der in Fig. 1 gezeigten, allerdings ist nunmehr ein Betrieb in einer Reihen-Mode mit 180º Phasenverschiebung begünstigt;
Fig. 3 ist ein vereinfachter Teilschnitt einer Antileiter-Reihe gemäß der Erfindung;
Fig. 4 ist eine Darstellung der Änderung des effektiven Brechungsindex in Querrichtung über die in Fig. 3 gezeigte Struktur;
Fig. 5 ist eine Darstellung der Änderung des Brechungsindex in Transversalrichtung an einer Stelle in der Mitte zwischen Antileiter-Kanälen der in Figur 3 gezeigten Struktur;
Fig. 6 ist eine schematische Darstellung der optischen Feldamplitude in einem einzigen Antileiter;
Fig. 7a ist eine schematische Darstellung der lateralen Änderung des effektiven Brechungsindex, entsprechend der Darstellung in Fig. 7a;
Fig. 8 ist ein Satz von grafischen Darstellungen der Änderung der Strahlungsverluste für unterschiedliche Reihen-Moden in bezug auf die Differenz des Brechungsindex zwischen Antileiter-Kanalbereichen und Bereichen zwischen Elementen der Struktur, und zwar über einen Bereich, der die Resonanzbedingung bezüglich der Reihen-Mode mit 0º Phasenverschiebung umfaßt;
Fig. 9 ist eine grafische Darstellung des Intensitätsprofils im Nahfeld des von einer Reihe von Antileitern im Resonanzfall für die Mode mit 0º Phasenverschiebung emittierten Lichtes;
Fig. 10 ist eine der Fig. 9 ähnliche grafische Darstellung, jedoch wird hier das Intensitätsprofil im Nahfeld für eine Reihen-Mode mit 0º Phasenverschiebung an einer Stelle gezeigt, die nahe ist der Resonanzbedingung für die Reihen-Mode mit 180º Phasenverschiebung;
Fig. 11 ist ein Querschnitt ähnlich der Darstellung in Fig. 3, jedoch ist nun eine Licht absorbierende Schicht zwischen den Elementen vorgesehen, um einen Betrieb in der Reihen-Mode mit 0º Phasenverschiebung am Resonanzpunkt oder nahe bei ihm zu begünstigen; und
Fig. 12 ist eine grafische Darstellung ähnlich der Fig. 5, in der die Änderung des effektiven Brechungsindex in Querrichtung an einer Stelle zwischen zwei Antileiter-Kanälen der in Fig. 11 gezeigten Struktur dargestellt ist.
Wie in den Figuren zur Erläuterung dargestellt ist, betrifft die Erfindung Verbesserungen im Bereich von Halbleiter-Laserreihen. Insbesondere betrifft die Erfindung Verbesserungen der Betriebsparameter, wenn eine Reihe von Antileitern unter einer ausgewählten Bedingung am oder nahe dem Resonanzpunkt betrieben wird. Die Laserreihe arbeitet mit hohen Leistungspegeln, vorzugsweise unter Ausnutzung des Talbot-Effektes in Kombination mit einigen in der Reihenstruktur vorgesehenen Einrichtungen zum Unterdrücken von Reihenmoden, die nicht in Phase sind.
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, rekombiniert das gebeugte Licht zu Bildern der Lichtquelle 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 unter Verwendung des Talbot-Effektes mit einem hohen Maß an wechselseitiger Kohärenz betrieben werden kann. Wird eine spiegelnde Fläche unter einem Abstand, der der halben Talbot-Länge entspricht, von den Emittern entfernt aufgestellt, so wird das gebeugte Licht der Emitter auf die Emitter selbst wieder abgebildet. Eine Schwierigkeit einer derartigen Anordnung, die zunächst nicht erkannt worden ist, liegt darin, daß auch eine Abbildung der um 180º phasenverschobenen Reihen-Mode erfolgt, sowie auch der um 0º phasenverschobenen Reihen-Mode. Dementsprechend muß eine Vorrichtung, die die Kohärenz mittels des Talbot-Effektes verbessern will, auch die Möglichkeit berücksichtigen, daß eine Reihen-Mode betrieben werden kann, die nicht in Phase ist.
Fig. 1 zeigt eine erste Reihe von Halbleiterlaser-Wellenleitern, die allgemein durch das Bezugszeichen 10 bezeichnet sind, und eine zweite Reihe von Halbleiterlaser-Wellenleitern 12. Jede Reihe weist Laserelemente auf, die periodisch jeweils unter einem Abstand 5 angeordnet sind, und die Reihen sind durch einen in Querrichtung nicht geführten Bereich 14 getrennt, der eine Breite aufweist, die etwa einer halben Talbot-Länge entspricht. Bei der in Fig. 1 gezeigten Anordnung sind die Elemente der Reihe 10 in bezug auf die Bereiche zwischen den Elementen der Reihe 12 ausgerichtet, wodurch ein Betrieb in der Reihen-Mode mit 0º Phasenverschiebung begünstigt wird. Die Reihen 10 und 12 sind an ihren vom Beugungsbereich 14 abgekehrten Enden aufgespalten, um verspiegelte Flächen 15 zu bilden und, wie weiter unten diskutiert werden wird, die Querschnitte der Reihen sind zwecks Verwendung im Sinne der vorliegenden Erfindung so hergestellt, daß sie eine Führung von Licht mittels des sogenannten negativen Index ermöglichen.
Wird berücksichtigt, daß eine der Reihen in einer Reihen-Mode mit 0º Phasenverschiebung läuft, so ergibt sich, daß die Emissionen dieser Reihe durch den Beugungsbereich 14 durchgelassen werden 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 um 180º 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 gemäß Fig. 1 mit der Ausnahme der Justierung der zwei Reihen in Lateralrichtung, was in Fig. 2 durch die geänderten Bezugszeichen 10º und 12' angedeutet ist. Hier sind die beiden Reihen zumindest annähernd zueinander fluchtend ausgerichtet und um 180º phasenverschobene Reihen-Moden-Emissionen aus einer Reihe werden direkt in die andere Reihe eingekoppelt, weil die phasenverschobene Strahlung in ihrer Ursprungsform bei einer halben Talbot-Länge wieder zu einem Bild zusammengefügt wird. Die Mode mit 0º Phasenverschiebung 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 Mode mit 0º Phasenverschiebung 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 Falle werden sowohl die Mode mit 0º Phasenverschiebung als auch die Mode mit 180º Phasenverschiebung wieder abgebildet, und einige zusätzliche Einrichtungen müssen intern in der Anordnung vorgesehen werden, um die um 180º phasenverschobene Mode zu unterdrücken. Diese Einrichtungen können unterschiedlich gestaltet sein; einige Varianten werden später hier beschrieben.
Ein zur Zeit bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung hat die Form von Reihen von Anti-Leitern, wie beispielhaft in Fig. 3 gezeigt ist, welche in den Strukturen von Wellenleitern 10 und 12 verwendet werden. Die Halbleiterreihenstruktur enthält ein Substrat 16 vom p+ Typ aus Galliumarsenid (GaAs), auf dem eine Schicht 17 vom p-Typ aus Aluminium-Gallium-Arsenid ausgeformt ist mit 30% Aluminium (Al0,3Ga0,7As), und eine Pufferschicht 18 vom n- oder p-Typ aus Aluminium-Gallium-Arsenid 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 die weitere in bezug genommene Anmeldung 89309891.3 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.
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 des bevorzugten Beispiels 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 Reihen-Mode mit 0º Phasenverschiebung 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 Mode mit 0º Phasenverschiebung 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; = λ/ [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 Mode mit 0º Phasenverschiebung 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 Weg Λ 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 Reihen-Mode mit 0º Phasenverschiebung:
Λ = λ&sub0;/2 + mλ&sub1;/2 d&sub0; + mλ/{s [n&sub1;² - n&sub0;² + (λ/2d&sub0;)²}, für m = 1,3,5,...2q-1.
Einfacher ausgedrückt ist die Resonanzbedingung für die Reihen- Mode mit 0º Phasenverschiebung 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 Reihen-Mode mit 180º Phasenverschiebung 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 Mode mit 0º Phasenverschiebung. Für die Reihen-Mode mit 180º Phasenverschiebung 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 Mode mit 180º Phasenverschiebung 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 Mode mit 0º Phasenverschiebung. 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 Mode mit 0º Phasenverschiebung und die Spitze 42 entspricht der Resonanzbedingung für die Mode mit 0º Phasenverschiebung 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 mit 180º Phasenverschiebung arbeitende Mode) bezeichnet. Die gestrichelte Linie 44 stellt den Strahlungsverlust für die Mode L=2, also die der Mode mit 0º Phasenverschiebung 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 um 180º 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 Reihen-Mode mit 0º Phasenverschiebung müssen Einrichtungen zum Eliminieren oder wirksamen Unterdrücken von unerwünschten Betriebs-Moden vorgesehen werden. Die um 180º 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 um 0º phasenverschobenen 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 Mode mit 0º Phasenverschiebung und der Mode L=2 an dieser Stelle ist aber maximal, so daß eine Trennung der beiden Moden erleichtert ist.
Die Unterdrückung der um 180º phasenverschobenen Mode erfolgt mit der Anordnung der Antileiter-Reihe gemäß Fig. 3. Wie sich aus Fig. 9 ergibt, ist in der um 0º phasenverschobenen Mode das Intensitätsfeld zwischen den Elementen bei oder nahe der Resonanz vernachlässigbar. An einer von der Resonanz der 0º Mode entfernten Stelle hingegen sowie nahe der Resonanz der um 180º phasenverschobenen Reihen-Mode hat die 0º Mode eine beträchtliche Feldintensität zwischen Antileiter-Elementen, wie in Fig. 10 gezeigt ist. In ähnlicher Weise hat die um 180º phasenverschobene Mode nahe dem Resonanzpunkt der 0º Mode eine beträchtliche Feldintensität zwischen den Elementen. Deshalb kann die um 180º phasenverschobene Reihen-Mode wirksam unterdrückt werden, wenn hinreichende Verluste zwischen den Elementen in der Anordnung erzeugt werden. Es seien zwei verschiedene Ausführungsbeispiele genannt, um dies erfindungsgemäß zu erreichen. 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 um 180º 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 um 180º 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 um 180º phasenverschobenen Reihen- Mode.

Claims

1. Halbleiterlaserreihenstruktur mit:

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

einem Satz von Wellenleitern (10, 12) mit negativem Index und mit parallelen Längsachsen, wobei jeder Wellenleiter einen Antileiter-Kern aufweist, der ein Wellenleiter-Element bildet, wobei das ummantelnde Material (17, 18) die Elemente in Querrichtung umgibt und Bereiche zwischen den Elementen bildet und wobei die Wellenleiter eine Antileiter-Elementarbreite in Querrichtung von d&sub0; und einen Abstand s zwischen den Elementen aufweisen;

wobei die Wellenleiter bei getrennter Betrachtung in Querrichtung Wanderwellen erzeugen, die eine Wellenlänge λ&sub0;, entsprechend etwa 2d&sub0;, im Antileiter-Kern und eine Wellenlänge λ&sub1; im Antileiter-Mantelmaterial aufweisen;

und wobei der Abstand s zwischen den Elementen so gewählt ist, daß er angenähert gleich ist einem ungeradzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge, oder mλ&sub1;/2 wobei m eine ungerade Zahl ist, um eine Resonanzbedingung für die Reihen-Mode mit 0º Phasenverschiebung zu erzeugen, in der eine starke Kopplung zwischen allen Elementen der Reihe mit einem hohen Grad an Vorrichtungskohärenz gegeben ist.

2. Halbleiterlaserreihenstruktur gemäß Anspruch 1 mit weiterhin einer Einrichtung (60) innerhalb der Reihenstruktur zum Unterdrücken eines Betriebs in der Reihen-Mode mit 180º Phasenverschiebung.

3. Halbleiterlaserreihenstruktur gemäß Anspruch 2, wobei:

die Wellenlänge λ&sub1; der lateralen Wanderwellen in den Bereichen zwischen den Elementen abhängt von der Differenz Δn zwischen dem Brechungsindex des Antileiter-Elementes und dem Brechungsindex des Bereiches zwischen den Elementen; und

die Werte von Δn und s so gewählt sind, daß ein Arbeitspunkt gegeben ist, der nahe genug an der Resonanzbedingung liegt, um eine starke Kopplung zwischen allen Elementen der Reihe zu ergeben, wobei jedoch eine starke Diskriminierung zwischen der Mode mit 0º Phasenverschiebung und den benachbarten Moden höherer Ordnung gegeben ist.

4. Halbleiterlaserreihenstruktur gemäß Anspruch 3, wobei die Einrichtung zum Unterdrücken der Reihen-Mode mit 180º Phasenverschiebung folgendes aufweist:

eine Halbleiterstruktur zwischen den Elementen zum Erzeugen von Verlusten zwischen den Elementen, wodurch ein Betrieb in der um 180º verschobenen Reihen-Mode unterdrückt ist.

5. Halbleiterlaserreihenstruktur gemäß Anspruch 4, wobei die Struktur zum Erzeugen von Verlusten zwischen den Elementen eine transversale Antileiter-Struktur aufweist, die beträchtliche Strahlungsverluste zum Substrat bewirkt.

6. Halbleiterlaserreihenstruktur gemäß Anspruch 4, wobei die Struktur zum Erzeugen von Verlusten zwischen den Elementen eine absorbierende Schicht (62) aufweist, die für Absorptionsverluste in den Bereichen zwischen den Elementen sorgt.