DE69006518T2 - Halbleiterlaser-Verstärker. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Halbleiterlaserverstärker.
• Optische Halbleiterlaserverstärker haben viele mögliche Anwendungen in zukünftigen optischen Systemen, insbesondere in optischen Kommunikationssystemen und optischer Datenverarbeitung. Solche Verstärker stellen eine hohe Verstärkung bei niedrigem Leistungsverbrauch bereit und ihre Einzelmoden-Wellenleiterstruktur macht sie insbesondere geeignet für die Verwendung mit optischen Einmodenfasern.
• Die bei der optischen Kommunikation verwendete Strahlung liegt nicht notwendigerweise in dem sichtbaren Bereich und die Worte "optisch" und "Licht", wenn sie in dieser Beschreibung verwendet werden, sollen nicht so interpretiert werden, als ob sie irgendeine solche Beschränkung bedeuten. Hauptsächlich, wenn optische Siliziumdioxidfaser als das Übertragungsmedium verwendet werden, ist Infrarot-Strahlung von besonderer Nützlichkeit, da Verlustminima in solchen Fasern bei ungefähr 1,3 und 1,55 um auftreten.
• In optischen Übertragungssystemen, die longitudinale Einzelmodenlaser verwenden, können die Effekte der Faserdispersion klein sein, wobei die Hauptbeschränkung für den Abstand der Leitungsverstärker die Signalabschwächung aufgrund von Faserverlust ist. Solche Systeme erfordern nicht eine vollständige Regeniemng des Signales bei jedem Leitungsverstärker, eine Verstärkung des Signales ist ausreichend. Demgemäß können Halbleiterlaserverstärker als lineare optische Leitungsverstärker für intensitätsmodulierte oder koherente Systeme verwendet werden. Lineare Leitungsverstärker, und insbesondere Wanderwellen-Leitungsverstärker, haben die zusätzlichen Vorteile mit bitraten-unabhängig und bidirektional zu sein und in der Lage zu sein Multiplexbetrieb zu unterstützen.
• Ein Halbleiterlaserverstärker kann in einem optischen Empfänger benutzt werden, um das optische Signal zu verstärken, bevor es den Fotodetektor erreicht, um dadurch die Erfassungssensitivität zu erhöhen. Die Verbesserung kann insbesondere für Bitraten größer als 1 Gbit/s bemerkt werden, was solche Verstärker potentiell nützlich bei der Entwicklung von empfindlichen Breitbandempfängern zur Verwendung in zukünftigen Fasersystemen macht.
• Die Leistung von Laserverstärkern in Systemen ist abhängig von verschiedenen Faktoren, einschließlich der Verstärkergewinn- und Sättigungscharakteristik, der optischen Verstärkerbandbreite, der Stabilität der Verstärkung bezüglich Vorstrom und -temperatur, den Verstärkerrauschcharakteristiken und der Empfindlichkeit gegenüber Eingangssignalpolarisation. Klar ist es für jede praktische Anwendung wünschenswert, daß die Verstärkung frequenzunabhängig ist, zumindest innerhalb dem Frequenzbereich der optischen Eingabe. Dies ist natürlich von besonderer Bedeutung, wenn der Laserverstärker in Systemen verwendet werden soll, die Wellenlängen-Teilungsmultiplex (WDM) beinhalten, oder in Systemen, wo optische Träger verschiedene unterschiedliche Wellenlängen verwendet werden, insbesondere, wo mehrere solche Träger gleichzeitig verwendet werden. Eine zweite wünschenswerte Charakteristik für ein praktisches System ist die, daß die Verstärkung des Laserverstärkers unabhängig von der Eingangssignalpolarisation sein sollte. Diese letzte Charakteristik ist von besonderer Bedeutung in optischen Fasersystemen, da zufällige Polarisationsschwankungen derzeit unvermeidbar in praktischen Systemen sind. Es sind viele Forschungen gemacht worden mit dem Zweck, Laserstrukturen mit hoher Verstärkung über eine nützliche Breite optischer Bandbreite zu finden mit geeignet niedriger Polarisationsempfindlichkeit. Demgemäß, obwohl nützlich hohe Verstärkung typischerweise zwischen 24 und 29 dB erreicht worden sind, bleibt die Polarisationsempfindlichkeit ein Problem. Insbesondere, obwohl Polarisationsempfindlichkeiten so niedrig wie 2 bis 3 dB erreicht worden sind, liegen typische Empfindlichkeiten zwischen 3 und 6 dB, und die Ergebnisse waren stark frequenzabhängig, Polarisationsempfindlichkeiten von 7 dB oder mehr sind typisch bei nicht bevorzugten Frequenzen, demgemäß können Laserverstärker nicht zufrieden-stellend in WDM-Systemen verwendet werden.
• Bei kürzlichen Demonstrationen von Wanderwellen-Halbleiterlaserverstärker-Systemen (TWSLA) (siehe z.B.: Proc. ECOC, Brighton, 1988, Seiten 163 bis 166, D. J. Malyon et al, und Electronic Letters, Band 24, 1988, Seiten 551 bis 552, G. Grosskopf et al) mußte die Polarisation des Eingangssignales sorgfältig gesteuert werden aufgrund einer polarisationsabhängigen Verstärkung. Das Problem von polarisationsabhängiger Verstärkung scheint verschlimmert zu sein in Vorrichtungsentwürfen, die hoch gesättigte Ausgangsleistung ergeben. Tatsächlich hatte der TWSLA mit der höchsten berichteten Ausgabe bei 3 dB Verstärkungskompression (+9 dBm) eine Polarisationsempfindlichkeit von 7 dB, Electronic Letters, Band 23, 1987, Seiten 218 bis 219, T. Saitoh und T. Mukai. Verstärkungsvariationen sind entweder durch elektronische Einrichtungen (Proceedings, ECOC, Brighton, 1988, Seiten 487 bis 490, A. D. Ellis et al) oder durch Verwendung orthogonal ausgerichteter Zwei-Verstärker-Konfigurationen (Electronic Letters, Band 24, Seiten 1075 bis 1076, N. A. Olsson; Electronic Letters, Band 23, 1987, Seiten 1387 bis 1388, G. Grosskopf et al). Obwohl diese Schemen erfolgreich demonstriert worden sind, werden zusätzliche Komponenten für ihre Implementierung erforderlich.
• Es wäre klar wünschenswert, einen TWSLA mit niedriger Polarisationsempfindlichkeit zu haben, aber nicht auf Kosten der hohen gesättigten Leistung, die für einen breiten dynamischen Bereich und eine gute Signal-Zu-Rauschen-Effizienz (siehe z.B. IEEE Trans, MTT-30, 1982, Seiten 1548 bis 1556, T. Mukai et al) benötigt werden.
• In einem neueren theoretischen Aufsatz (Transaction of the IEICE, Band E71, Nr. 5, Mai 1988, Seiten 482 bis 484) berichteten Saitoh und Mukai, daß die optimale Konfiguration zum Erreichen von polarisationsunempfindlicher Verstärkung in einem Wanderwellen-Halbleiter-Laserverstärker, während eine hohe Ausgabeleistung und eine niedrige Rauscheffezienz gehalten wird, eine mit einer dicken, kurzen aktiven Schicht ist. Saitoh und Mukai sagen voraus, daß ein undotierter 1,5 um-GaInAsP-Wanderwellen-Verstärker mit einer Dicke der aktiven Schicht von 0,5 um und einer Länge der aktiven Schicht von 45 um eine 20 dB Signalverstärkung haben könnte bei einem Betriebsstrom von 100 mA und einer Polarisationsempfindlichkeit von nur 0,6 dB. Sie sagen auch voraus, daß unter diesen Bedingungen solch eine Vorrichtung eine gesättigte Ausgabeleistung P3dB von 9,6 dBm und eine Rauschzahl (die Verschlechterung im S/N-Verhältnis, die aus der Verstärkung resuliert) von 4 dB haben würde.
• Einer der Nachteile von Strukturen des von Saitoh und Mukai vorgeschlagenen Types ist der, das bei solch einer dicken aktiven Schicht es eine große Wahrscheinlichkeit gibt, daß Wellenmoden, andere als der Wellenmode von nullter Ordnung, in der vertikalen Richtung unterstützt werden. Zusätzlich führen die hohen Stromdichten, die aus der Verwendung von kurzen Vorrichtungen resultieren, wahrscheinlich zu Problemen mit der Betriebssicherheit und der thermischen Dissipation.
• Es ist zuvor vorgeschlagen worden, Laserverstärker mit einer Wellenleiterschicht zu benutzen, die von der aktiven Schicht getrennt ist, aber im allgemeinen war dies im Kontext optisch integrierter Schaltungen (OIC). In solchen Schaltungen wird eine Wellenleitungsanordnung verwendet, um die zu verarbeitenden optischen Signale um die Schaltung zu leiten ("pipe"); die aktive Schicht eines Laserverstärkers ist von dem Wellenleiter beabstandet und arbeitet in Verbindung damit in einem direktionalen Kopplermodus. Eine solche Anordnung ist im Umriß in dem britischen Patent 1539028 beschrieben. Die wellenleitende Schicht in solchen Anordnungen scheint nur dazu vorgesehen zu sein, um als eine Leitung zu wirken, um optische Signale zwischen dem OIC-Eingang und -Ausgang und verschiedenen Verabeitungspunkten in dem OIC zu leiten, wobei die optischen Signale anfänglich entweder durch eine Laserquelle, die Teil des OIC ist, bereitgestellt worden sind, oder sie sind von dem OIC von einer entfernten Quelle empfangen worden. Soweit wir wissen hat niemand beobachtet oder vorgeschlagen, daß die effektive Hinzufügung einer Wellenleiterschicht zu einer Laserverstärkerstruktur eine Reduktion der Polarisationsempfindlichkeit ergibt oder wahrscheinlich ergibt.
• In einer anderen Referrenz, die sich auf OIC bezieht, IEEE Journal of Quanturn Electronics, QE-23, 1987, Nr. 6, Seiten 1021 bis 1026, Oberg, Bröberg und Lindgren, ist ein Laserverstärker in einer passiven wellenleitenden Struktur integriert. Das Ziel der berichteten Arbeit war es die Möglichkeit zum Herstellen solch einer zusammengesetzten Struktur aufzubauen, und wenn möglich zu demonstrieren, bei der die Verbindung zwischen aktiven und passiven Teilen eine hohe Kopplungseffizienz und ein Reflektionsvemögen ergibt, das niedrig genug ist, um einen Wanderwellen-Typ-Betrieb des Laserverstärkers zu erlauben Wieder dient die passive Wellenleiterstruktur als eine Leitung für die Verteilung von optischen Signalen, die verarbeitet werden sollen. Es wird in dem Aufsatz vorgeschlagen, daß solche OIC in Vermittlungssystemen für lokale Netzwerke anstelle von diskreten Verstärkern verwendet werden könnten, wobei die OIC die Verstärkung und andere notwendigen Funktionen bereitstellen, wodurch Verbindungsschwierigkeiten, Kopplungsverluste und ungewollte Reflektionen eliminiert werden. Natürlich ist ein Wanderwellenbetrieb für Laserverstärker bei solchen Anwendungen wünschenswert, wegen dem Bedürfnis die Wellenlängenempfindlichkeit zu minimieren.
• Die von Oberg et al verwendete Struktur ist ungewöhnlich darin, daß der passive Wellenleiter und die aktive Schicht des Verstärkers auf einer gemeinsamen planaren n-InP-Pufferschicht gebildet sind. Über die aktive InGaAsP-Schicht (λg = 1,3 um) ist eine p-InP-"Depressions"-Schicht gebildet. Der passive Wellenleiter aus p-InGaAsP (λg = 1,08 um) hat eine Dicke von 0,55 und 0,3 um nahe an bzw. weit weg von dem Übergang. Das passive Wellenleitermaterial setzt sich über die Depressionsschicht fort, die über der aktiven Schicht liegt, wobei die gesamte Dicke des Stapels Wellenleiter-Depressionsschicht-aktive Schicht offensichtlich gleiche wie der unmittelbar benachbarten Bereich aus passivem Wellenleitermaterial ist, d.h. ungefähr 0,55 um. Die aktive und die Depressionsschicht sind jeweils 0,22 bzw. 0,18 um oder beide 0,15 um dick. Es scheint daher, daß in dem aktiven Bereich der Stapel Wellenleiter-Depressionsschicht-Aktive-Schicht als ein zusammengesetzter Wellenleiter funktioniert und nicht in einem Direktional-Koppler-Modus. Es gibt jedoch keinen Vorschlag, daß solch eine Struktur zur Verwendung als eine diskrete Vorrichtung hergestellt werden sollte, der Wellenleiter ist klar nur zur Verwendung als eine Signalleitung in einem OIC vorgestellt. Oberg et al sagen auch, nicht überraschend, nichts über die Polarisationsempfindlichkeit eines Verstärkers mit solch einer Struktur aus.
• Es ist uns jedoch ein diskreter Laserverstärker bekannt, der eine aktive Schicht und eine separate wellenleitende Schicht aufweist, beschrieben im US-Patent 4,742,307 im Namen von Thylen, übertragen auf an L.M. Ericsson. Die Vorrichtung soll die Probleme der Rückwärtsreflektion und von nach hinten ausgestrahltem Rauschen überwinden, die bei konventionellen Verstärkern auftreten. Um diese Probleme zu überwinden, arbeitet die Vorrichtung nach dem Prinzip eines direktionalen Kopplers. Zu verstärkendes Licht wird zu einem passiven Wellenleiter eingegeben, der sich bis zu der Ausgabefacette fortsetzt, wo er mit einer Ausgabefaser ausgerichtet ist. Beabstandet von dem passiven Wellenleiter in einer direktionalen Kopplerbeziehung ist die aktive Schicht der Vorrichtung. Die Enden der aktiven Schicht der Vorrichtung bleiben ungepumpt oder sind geätzt, um eine grobe Oberfläche bereitzustellen, wobei das Ziel ist den Betrag von nach hinten wandernden Signalen zu reduzieren, die zuräck in den passiven Wellenleiter gekoppelt sind. Weil die Vorrichtung in einem direktionalen Kopplermodus arbeiten muß, muß die Trennung zwischen der aktiven und der wellenleitenden Schicht ziemlich breit sein, z.B. 1 um. Es gibt nirgends einen Vorschlag, daß die Vorrichtung eine niedrige Polarisationsempfindlichkeit hat, oder in irgendeiner Weise geeignet ist, Eingabesignale, die im in Polarisationszustand variabel sind, zu empfangen.
• Die vorliegende Erfindung will einen Halbleiterlaserverstärker bereitstellen, der eine hohe Verstärkung und eine niedrige Polarisationsempfindlichkeit über einen nützlich breiten Frequenzbereich hat.
• Gemäß einem ersten Gesichtspunkt stellt die vorliegende Erfindung einen Halbleiterlaserverstärker bereit, der kein Gitter aufweist, wobei der Verstärker eine aktive Schicht aufweist, die durch eine erste epitaxiale Schicht, eine Wellenleiterschicht, die von der aktiven Schicht getrennt ist und durch eine zweite epitaxiale Schicht bereitgestellt ist, und eine Eingabefacette und eine Ausgabefacette aufweist, wobei die Wellenleiterschicht und die aktive Schicht sich jeweils zu beiden der Facetten erstrecken und voneinander durch einen Abstand geringer als 1 Micron getrennt sind, wobei die Anordnung so ist, daß bei Verwendung eine optische Welle in der aktiven Schicht mit der Wellenleiterschicht zusammenwirkt, wodurch die Polarisationsempfindlichkeit des Verstärkers reduziert wird.
• Wir haben die überraschende Tatsache entdeckt, daß bei Verwendung einer Struktur die analog zu einem Laser mit verteilter Rückkopplung und einer eingegrabenen Heterostruktur ist, der eine Wellenleiterschicht und eine aktive Schicht in enger Zuordnung hat, aber ohne das Gitter, es möglich ist eine hohe Verstärkung und niedrige Polarisationsempfindlichkeit über einen nützlich breiten Wellenlängenbereich zu erzielen.
• Ausführungsbeispiele der Erfindung werden jetzt nur beispielhaft mit Bezug auf die begleitende Zeichnung beschrieben werden, in der:
• Figur 1 eine schematische perspektivische Ansicht eines Ausfährungsbeispiels eines Laserverstärkers gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
• Figur 1a ein schematischer vertikaler Schnitt längs der Linie A-A durch die Vorrichtung der Figur 1 ist;
• Figur 2 ein ähnlicher schematischer vertikaler Schnitt durch einen Laser mit verteilter Rückkopplung ähnlich in der Struktur zu dem Verstärker der Figur 1 ist;
• Figur 3 ein Graph ist, der die Verstärkung eines optischen Verstärkers gemäß der Erfindung für orhogonal eingegebene Polarisationszustände ist;
• Figur 4 ein Graph ist, der die Verstärkungssättigungscharakteristik eines Laserverstärkers gemäß der Erfindung veranschaulicht, die bei 1516 nm gemessen worden ist;
• Figur 5 ein schematisches Diagramm der experimentiellen Ordnung ist, die beim Herstellen der Ergebnisse, die in den Figuren 3 und 4 reproduziert werden, verwendet worden ist; und
• Figur 6 eine Serie von Photolumineszenzkurven für eine Serie von Vorrichtungen zeigt, in denen die Trennung zwischen der Wellenleiterschicht und der aktiven Schicht variiert worden war.
• Bezugnehmend jetzt auf Fig. 2 weist ein Laser mit verteilter Rückkopplung (DFB-Laser) von bekanntem Typ eine eingegrabene Heterostruktur- Mesa auf, in der das Gitter 2, das die Rückkopplung bereitstellt, die für den Laserbetrieb notwendig ist, in einer Oberfläche einer Halbleiterschicht 3, einer anderen als die aktive Schicht 4 des Lasers, aufgewachsen ist, wobei die erstere Schicht als eine Wellenleiterschicht funktioniert, und zusätzlich eine Abstandsschicht 5 bereitgestellt ist, die die Wellenleiterschicht und die aktive Schicht trennt. Die Abstandsschicht 5 ist aus verschiedenen Gründen bereitgestellt:
• (i) Typischerweise müssen die Wellenleiterschicht 3 und die aktive Schicht 4 unterschiedliche Refraktionsindizes haben, beide können aber quaternäre Halbleiter sein, basierend auf den gleichen Elementen, obwohl sie natürlich unterschiedliche Zusammensetzungen haben.
• Während dem Aufwachsen der Heterostruktur werden abrupte Änderungen des Gasflusses erwartet, wenn die Schicht 3 unmittelbar nach der Schicht 4 oder umgekehrt aufgewachsen würde. Durch Aufwachsen einer Abstandsschicht mit einer vollständig unterschiedlichen Zusammensetzung, d.h. eher einem binären als einem quaternären Halbleiter; auf das erste Aufwachsen von Schichten 3 und 4, ist es leicht möglich, die Gasflußrate ziemlich konstant zu halten und noch die gewünschten Eigenschaften in den Schichten 3 und 4 zu produzieren. Wie es der Fachmann der Heterostruktur-Herstellung schätzen wird, wird, während die Abstandsschicht, die in dem vorliegenden Beispiel InP aufweist, die unter Verwendung von z.B. einem Gasstrom A aufgewachsen wird, ein Gasstrom B, der gerade verwendet worden ist, um die aktive InGaAsP-Schicht aufzuwachsen, für die InGaAsP-Wellenleiterschicht-Zusammensetzung stabilisiert sein und zum Abfall laufen. Wenn die Abstandsschicht vollständig ist, wird ein Gasstrom A zum Abfall gesandt und ein Gasstrom B wird in den Reaktor eintreten.
• (ii) Die Abstandsschicht erleichtert auch das Ätzen der Mesastruktur unter Verwendung in der Zusammensetzung ausgewählter nasser chemischer Ätzmittel.
• iii) Von mehr direkter Bedeutung im Kontext von Lasern mit verteilter Rückkopplung ist es möglich, das optische Koppeln zu dem Gitter in der Wellenleiterschicht zu steuern durch Einstellen der Dicke der Abstandsschicht. Die Abstandsschicht sollte auch einen Trägerüberfluß unterdrücken.
• Der Laserverstärker von Fig. 1 wurde unter Verwendung von drei Stufen von MOVPE-Aufwachsen hergestellt, weitere Detalls davon können in den folgenden zwei Veröffentlichungen gefunden werden: Nelson A.W., Devlin, W.J., Hobbs, R.E., Lenton, C.G.D. und Wong, S., "High power, low threshold BH lasers operating at 1.52 um grown entirely by low pressure MOVPE", Elec. Lett., 1985, Bd. 21, Seiten 888 bis 889; und Cooper, D.M., Evans, J.S., Lealman, I.F., Regnault, J.C., Spurdens, P.C. und Westbrook, L.D., "Properties of detuned BH distributed feedback lasers grown by MOVPE", Aufsatz ThK2 OFC '88, New Orleans, Louisiana, USA.
• Alle drei Stufen werden in einem horizontalen Reaktor ausgeführt, der bei atmosphärischem Druck unter Verwendung der Metallalkyle Trimethyl-Indium (TMIn) und Trimethyl-Gallium-Triäthyl-Phosphor (TMGa.TEP) als die Quellen der Gruppe III und von Arsin und Phosphin als die Vorläufer der Elemente der Gruppe V arbeitet. Dimethylzink und Hydrogensulfid stellten die n- bzw. p-Dotierungen bereit und alle Aufwachsstufen wurden bei 650 ºC durchgeführt. Die erste Stufe betraf Aufwachsen einer planaren Struktur auf einem InP-Wafer 1, die aus einer InP- Pufferschicht vom n-Typ besteht, die 6,2 um dick ist, gefolgt von einer 0,18 µm dicken aktiven InGaAsP-Schicht 4 (λ = 1,53 um), einer InP- Abstandsschicht 5 vom p-Typ und 0,16 um Dicke, einer InGaAsP-Wellenleiterschicht 3 (λ = 1,13 um) von 0,23 um Dicke und schließlich einer dünnen (0,05 um) InP-Abdeckschicht 7 vom p-Typ.
• Ein Mesa wurde dann unter Verwendung einer SiO&sub2;-Maske, konventioneller Fotolithographie und ausgewählten Ätzungen von HBr und 3(IN):1:1 (K&sub2;Cr&sub2;O&sub7;:H&sub2;SO&sub4;:HCl) gebildet. Die Breite der Wellenleiterschicht war 2,0 um und die Breite der aktiven Schicht nach dem Einkerben war 1,4 um.
• Stromblockierschichten 8 aus p- und n-InP wurden selektiv um die Mesa aufgewachsen. Nach dem Entfernen des Oxides wurde die gesamte Vorrichtung mit einer InP-Schicht vom p-Typ und einer p+ -Kontaktschicht 10 aus InGaAs bedeckt. Kontakte wurden unter Verwendung gesputtertem Ti/Pt/Au 11 auf der p-Seite und Ti/Au 12 auf der n-Seite hergestellt.
• Typische Vorrichtungsschwellwerte für 250 um und 500 um Vorrichtungen vor dem Zerstückeln waren ungefähr 12 mA bzw. 9 mA. Individuelle Laserverstärker wurden durch Zerstückeln der Wafer in Barren, 500 um breit, gebildet, die dann mit einer Einzelschichtbeschichtung aus HfO&sub2; (die Vorrichtungen hatten ein Grund-Facettenrefraktionsvermögen von ungefähr 0,25 %) facettenbeschichtet oder mit Breitband-, Dreischicht- Beschichtungen aus (i) Aluminiumoxid, Silizium- und Magnesiumfluorid oder (ii) Aluminiumoxid, Silizium und Siliziumdioxid (bei gegebenem Grund-Facettenreflektionsvermögen in dem Bereich von 0,01 bis 0,1 %). Der Schwellenstrom der Vorrichtung nach dem AR-Beschichten war typischerweise 100 mA Schließlich wurden die Laserverstärker mit der p- Seite nach unten auf Diamanthitzesenken montiert unter Verwendung eines Au/Sn-Lötmittels.
• Fig. 5 zeigt die experimentelle Anordnung, die verwendet wurde, um die Leistungsfähigkeit des TWSLA gemäß der Erfindung festzusetzen. Der Laserverstärker 20, der getestet wird, empfängt über ein mit einer AR beschichteten Linse beendetes Faser 21 Licht von einer Lichtquelle 22. Zwischen der Lichtquelle 22 und dem Laserverstärker 20 gibt es einen Dämpfer 23, einen 3-dB-Koppler 24 und eine Polarisationssteuerungseinrichtung 25. Der Koppler 24 ermöglicht, daß die optische Eingabeleistung überwacht werden kann. Die Facetteneingabeleistung zu dem Verstärker war -28 dBm. Die Ausgabe des Laserverstärkers 20 wird in eine weitere Faser 26 mit Linsenende gekoppelt und dann über einen weiteren 3-dB- Koppler 27 und einen Dämpfer 28 in einen optischen Empfänger 29.
• DFB-Laser mit einer eingegrabenen Heterostruktur (BH), die auch durch den gesamten MOVPE-Prozeß (der oben genannte Aufsatz ThK2 von Cooper, D.M. et al) hergestellt worden sind, wurden als optische Quelle 22 verwendet. Diese DFB-Laser waren temperatureinstellbar, jeder mit einem Einstellbereich von 3 nm. Laser mit Wellenlängenbereichen, die bei 1503, 1509 und 1516 nm zentriert waren, wurden in den Experimenten verwendet.
• Fig. 3 zeigt die interne TE- und TM-Verstärkung eines Beispieles eines TWSLA gemäß der Erfindung als eine Funktion des Vorstroms. Die Effekte von Fabry-Perot-Grundresonanzen wurden erlaubt durch Nacheinstellen der unterschiedlichen Polarisationen. Typischerweise gibt es eine 3-dB-Durchlaßbereichswelligkeit bei einem Vorstrom von 95 mA.
• Wie aus der Figur gesehen werden kann, zeigt der TWSLA, der hier beschrieben ist, eine sehr niedrige Polarisationsempfindlichkeit. Tatsächlich war die Polarisationsempfindlichkeit der Vorrichtung kleiner als die Meßungenauigkeit von 1 dB (die Meßungenauigkeit wurde durch wiederholte Messungen unter den gleichen Bedingungen geschätzt und es wurde herausgefunden, daß sie ähnlich der Streuung in den Gesamtdaten war), bei einer zugeordneten Verstärkung von 30 dB. Die Messungen der Fig. 3 sind für eine Quellenwellenlänge von 1509 nm. Ähnliche Ergebnisse wurden mit der gleichen Vorrichtung bei 1503 und 1516 nm erhalten.
• Fig. 4 zeigt die Ergebnisse der Messung der Verstärkung der Vorrichtung als eine Funktion der Eingabeleistung, wobei die Vorrichtung für ungesättigte Verstärkung von 20 und 28 dB vorgespannt war: die gesättigten Ausgabeleistungen war 0 bzw. 5,2 dB bei dem Kompressionspunkt von 3 dB.
• In Vorrichtungen gemäß der Erfindung ist die Polarisationsabhängigkeit des optischen Begrenzungsfaktors stark eliminiert worden.
• Wie zuvor erwähnt, ist der in Fig. 1 gezeigte Laserverstärker aus einem Laser mit verteilter Rückkopplung entwickelt worden. Da der Laserverstärker ohne Gitter hergestellt ist, liegen die Hauptgründe zum Bilden der Wellenleiterschicht nach der aktiven Schicht (dies sind "Rückschmelzen" des Gitters und die Notwendigkeit, die empfindliche aktive Schicht der Vorrichtung über dem Gitter aufzuwachsen, zu vermeiden) nicht länger vor.
• Demzufolge ist es machbar, die Wellenleiterschicht vor der aktiven Schicht aufzuwachsen. Wenn dies getan ist, wird die Abstandsschicht nicht länger benötigt, um Ätzen der Mesastruktur unter Verwendung von in der Zusammensetzung ausgewählten nassen chemischen Ätzmitteln zu erleichtern, obwohl darauf hingewiesen werden soll, daß, da die Q1.5 aktive Schicht schneller als die Q1.1 Wellenleiterschicht in dem vorliegenden Mesa-Definitionsprozeß ätzt, das wegen der Wellenleiterschicht unter der aktiven Schicht wahrscheinlich zu Problemen beim Ätzen des vollständigen Mesa wie oben beschrieben führen würde. Eine alternative Struktur, die dies und andere Probleme einfacher Umkehrung vermeidet, wird nun beschrieben. Ähnlich wird die Abstandsschicht nicht länger als ein Mittel zum Steuern des optischen Koppelns zu dem Gitter benötigt. Daher würde die Abstandsschicht in solch einer "invertierten" Struktur nur einem ihrer ursprünglichen Zwecke dienen, nämlich dem, das Einhalten eines stabilen Gasflusses während den verschiedenen Aufwachsstufen zu erleichtern. Wir haben herausgefunden, daß ein stabiler Gasfluß eingehalten werden kann, ohne daß man eine Abstandsschicht aufwachsen müß, in welchem Falle man die Abstandsschicht weglassen kann. Natürlich würde in solchen invertierten Strukturen der Wellenleiter eher vom n-Typ als vom p-Typ sein, und, da die Trägermobilität und -rekombination unterschiedlich sein wird, kann dies zu einer unterschiedlichen optischen Wirksamkeit führen.
• Die "alternative" Struktur, auf die sich oben bezogen wurde, basiert auf dem folgenden Planar. Auf einem InP-Substrat vom n-Typ wird eine n- InP-Pufferschicht von typischerweise 2 um Dicke, ein GaInAsP-Wellenleiter (λ = 1,1 um) von 0,2 um Dicke, ein n-InP-Abstandshalter von 0,2 um Dicke, eine undotierte aktive GaInAsP-Schicht (λ = 1,5 um) von 0,2 um Dicke und eine p-InP-Abdeckung von 0,3 um Dicke aufgewachsen. Ein Mesa wird wie normal durch selektives Ätzen der p-InP-, der Q1.5 (der aktiven Schicht) und der n-InP-Schichten wiederum gebildet. Die Q1.1 (Wellenleiter) Schicht wird nicht geätzt und davon wird erwartet, daß es Vorteile bezüglich der Betriebssicherheit hat. Die potentiellen Nachteile sind, daß es nötig ist, auf einer Q1.1-Oberfläche aufzuwachsen und die beschränkte verfügbare Höhe, um in Blockierschichten einzupassen. Es wird geglaubt, daß die folgenden Vorteile diese potentiellen Nachteile mehr als ausgleichen: der Prozeß ist einfacher als der zuerst beschriebene, eine genaue Steuerung der Mesahöhe ist möglich, die elektronischen Eigenschaften der Blockierschichten werden wahrscheinlich von der reduzierten Lochinjektion profitieren - Löcher, die von der Valenzbanddiskontinuität in der doppelten Q1.1/InP-Heterostruktur eingefangen werden.
• Eine weitere nützliche Modifizierung der oben beschriebenen Struktur ist es, eine Mesa zu verwenden, die breiter als normalerweise in einem Laseroszillator erlaubt ist. Ein Erhöhen der Breite ist möglich bei nicht resonanten Vorrichtungen mit niedrigem Reflektionsvermögen, wie z.B. TWSLA, weil die optische Weile nur einen Hauptdurchgang durch die Vorrichtung macht. Typischerweise wird die optische Eingabe zu dem Laserverstärker durch eine optische Einzelmodenfaser geliefert. Der Grundschwingungstyp wird durch die Eingabefaser gekoppelt werden, und es kann sein, daß es nicht genug Abstand gibt, um viel Leistung in die erlaubten Schwingungstypen höherer Ordnung einer breiteren Struktur zu koppeln. Ein Vorteil der Verwendung einer breiteren Struktur ist der, daß sich eine erhöhte Ausgabeleistung ergeben kann.
• Genauso wie das Herstellen von Vorrichtungen mit Wellenleiter- und aktiven Schichten, die durch eine 0,2 um dicke Abstandsschicht getrennt sind, wurden andere Trennungen versucht. In Fig. 6 sind Fotoluminiszenzkurven für vier Vorrichtungstypen gezeigt, wobei jeder Vorrichtungstyp eine unterschiedliche Trennung des Wellenleiter-/aktiven Bereiches hat. Die Fotoluminiszenzkurven sind alle unter Verwendung von Vorrichtungen mit aktiven Schichten mit einer quaternären Zusammensetzung (GaInAsP) und mit einer Wellenlänge äquivalent zu 1,3 um hergestellt worden und mit Wellenleiterschichten mit einer quaternären Zusammensetzung (GaInAsP) mit einer Wellenlänge äquivalent zu 1,1 um. Für die vier Kurven war die Trennung 0,2 um, 0,11 um, 0,04 um und 0. Die Fotoluminiszenzcurven veranschaulichen, daß auch für eine Trennung so klein wie 0,04 um es eine Rekombination in der Wellenleiterschicht unterschiedlich von der in der aktiven Schicht gibt. Wenn die Trennung zwischen der aktiven und der Wellenleiterschicht anwächst, erhöht sich der Anteil der Rekombination, die in dem Wellenleiter stattfindet (zumindest während der Fotoluminiszenzmessung) auf Kosten der Rekombination in der aktiven Schicht. In allen unseren Vorrichtungskonfigurationen sind die aktive Schicht und der Wellenleiter optisch sehr eng gekoppelt. Wir glauben, daß dies wichtig ist, wenn niedrige Polarisationsempfindlichkeit erreicht werden soll für die Wellenleiterschicht und die aktive Schicht, um effektiv als ein einzelner Wellenleiter zu wirken - d.h. ohne irgendeine direktionale Kopplercharakteristik. Mit nur einem kleinen Abstand, von ungefähr 0,2 um, zwischen der wellenleitenden und der aktiven Schicht ist es möglich, die optische Ausgabe von einer mit einer Linse versehenen Faser gleichzeitig in die aktive und die wellenleitende Schicht zu speisen. Bei der Unmenge unserer Experimente ist solch eine Anordnung mit guten Ergebnissen verwendet worden. Wir haben auch, soweit es mit einem mit einer Linse versehenen Faserende möglich war, das optische Eingabesignal primär auf den aktiven Bereich mit Überlauf auf die Wellenleiterschicht gerichtet. Solch eine Anordnung ergab auch eine niedrige Polarisationsempfindlichkeit und es wird geglaubt, daß diese Annäherung bevorzugt ist, wenn es eine größere Trennung zwischen der aktiven und der wellenleitenden Schicht gibt. Um eine niedrige Polarisationsempfindlichkeit zu erhalten, glauben wir, daß die Trennung zwischen der aktiven und der wellenleitenden Schicht beträchtlich kleiner als 1 um sein sollte. Bevorzugter glauben wir, daß die Trennung nicht mehr als 0,7 um sein sollte und noch bevorzugter sollte sie nicht mehr als 0,6 um sein. Wie ein Fachmann erkennen wird, wird die präzise obere Grenze in jedem Falle von den Refraktionsindizes der aktiven, der wellenleitenden und der trennenden Schicht abhängen, da diese Faktoren alle den Kopplungsgrad zwischen der aktiven und der wellenleitenden Schicht beeinflussen.
• Obwohl in den oben beschriebenen Beispielen die Wellenleiterschichten gezeigt wurden, die quaternäres Material mit einer Wellenlänge äquivalent zu 1,1 um aufwiesen, ist es natürlich möglich, andere Zusammensetzungen zu verwenden, unter der Voraussetzung, daß sie einen größeren Bandabstand als der der aktiven Schicht haben. Z.B. haben wir in Vorrichtungen mit aktiven Schichten mit einer Zusammensetzung mit einer Wellenlänge äquivalent zu 1,5 um erfolgreich Wellenleiterschichten mit einer Wellenlänge äquivalent zu 1,3 um verwendet.

Claims (20)

1. Halbleiterlaserverstärker, der kein Gitter aufweist, wobei der Verstärker eine aktive Schicht, die durch eine erste epitaxiale Schicht, eine Wellenleiterschicht, die von der aktiven Schicht getrennt ist und durch eine zweite epitaxiale Schicht bereitgestellt ist, und eine Eingabefacette und eine Ausgabefacette aufweist, wobei die Wellenleiterschicht und die aktive Schicht sich jeweils zu beiden der Facetten erstrecken und von einander durch einen Abstand geringer als 1 Mikron getrennt sind, wobei die Anordnung so ist, daß bei Verwendung eine optische Welle in der aktiven Schicht mit der Wellenleiterschicht zusammenwirkt, wodurch die Polarisationsempfindlichkeit des Verstärkers reduziert wird.

2. Verstärker gemäß Anspruch 1, worin die Trennung zwischen der aktiven Schicht und der Wellenleiterschicht klein genug ist, so daß bei Verwendung signifikanter Austausch von modaler Leistung zwischen den Schichten vermieden wird.

3. Verstärker gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die aktive Schicht über der Wellenleiterschicht aufgewachsen ist.

4. Verstärker gemäß Anspruch 1 oder 2, worin die Wellenleiterschicht über der aktiven Schicht aufgewachsen ist.

5. Verstärker gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Trennung zwischen der aktiven Schicht und der Wellenleiterschicht 0,6 Mikron oder weniger ist.

6. Verstärker gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die aktive Schicht einen quartären Halbleiter aufweist, der eine bandkantenequivalente Wellenlänge zwischen 1,3 und 1,55 Mikron hat.

7. Verstärker gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die aktive Schicht eine Dicke von weniger als 0,4 um hat.

8. Verstärker gemäß Anspruch 7, worin die aktive Schicht eine Dicke von wenigstens 0,15 Mikron hat.

9. Verstärker gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die aktive Schicht eine Breite von nicht mehr als 2 um hat.

10. Verstärker gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die aktive Schicht eine Länge von 250 um oder mehr hat.

11. Verstärker gemäß Anspruch 10, worin die aktive Schicht eine Länge von mehr als 300 um hat.

12. Verstärker gemäß Anspruch 10 oder 11, worin die aktive Schicht eine Länge von 500 um oder weniger hat.

13. Verstärker gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Reflektivitäten der Endfacetten des Verstärkers nicht mehr als 0,25 % bei der Betriebswellenlänge des Verstärkers sind.

14. Verstärker gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Polarisationsempfindlichkeit des Verstärkers nicht 3dB über den Frequenzbereich 1500 bis 1520 nm überschreitet.

15. Verstärker gemäß Anspruch 14, worin die Polarisationsempfindlichkeit nicht 1dB über den Frequenzbereich 1500 bis 1520 nm überschreitet.

16. Verstärker gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die gesättigte Ausgangsleistung zumindest 5dBm ist.

17. Anordnung, die einen Halbleiterlaserverstärker gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche und eine Eingabeeinrichtung aufweist, die bei Verwendung angeordnet ist, um optische Eingabesignale, die einen variablen Polarisationszustand haben, auf die Eingangsfacette des Laserverstärkers zu richten, wobei die Eingabeeinrichtung bei Verwendung die optischen Eingangssignale dazu veranlaßt auf sowohl die aktive als auch auf die Wellenleiterschichten der Eingangsfacette aufzutreffen.

18. Anordnung gemäß Anspruch 17, worin bei Verwendung die Eingabeeinrichtung angeordnet ist, so daß die eingegebenen optischen Signale an der Eingangsfacette eine größere optische Intensität auf der aktiven Schicht als auf der Wellenleiterschicht bereitstellen.

19. Anordnung gemäß Anspruch 17 oder 18, worin die Eingabeeinrichtung eine optische Faser und eine Linseneinrichtung aufweist.

20. Verfahren zum Verstärken variabler optischer Polarisationssignale, wobei das Verfahren Zuführen der zu verstärkenden optischen Signale zu einer Facette eines Halbleiterlaserverstärkers aufweist, wobei der Laserverstärker eine aktive Schicht und eine getrennte Wellenleiterschicht aufweist, die sich jeweils soweit wie die Facette erstrecken und die um nicht mehr als 1 um getrennt sind, und wobei die zu verstärkenden optischen Eingabesignale auf sowohl die Wellenleiterschicht als auch die aktive Schicht der Facette auftreffen.