DE69033773T2

DE69033773T2 - Anordnung zur optischen Verbindung

Info

Publication number: DE69033773T2
Application number: DE69033773T
Authority: DE
Inventors: Kurt Berthold; Anthony Fredric John Levi; Ronald A. Nordin; Richard N. Nottenburg
Original assignee: AT&T Corp
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1989-09-15
Filing date: 1990-09-07
Publication date: 2002-07-04
Anticipated expiration: 2010-09-08
Also published as: EP0675580A2; EP0675580A3; EP0417989A3; US5099489A; JPH03106094A; DE69033773D1; EP0675580B1; EP0417989A2; JP2555297B2

Description

Hintergrund der Erfindung

Halbleiterlaser finden in einer Reihe von technologischen Gebieten Verwendung. Beispielsweise haben solche Laser eine verbreitete Verwendung in faseroptischen Kommunikationssystemen gefunden. Die Arbeitsgeschwindigkeit faseroptischer Kommunikationssysteme hat sich dramatisch erhöht, bis zu dem Punkt, dass wenigstens ein kommerziell verfügbares System im Gigahertz-Bereich arbeitet. Der Trend zu einer immer höheren Arbeitsgeschwindigkeit wird vermutlich anhalten. Daher wäre es außerordentlich wünschenswert, Halbleiterlaser zur Verfügung zu haben, bei denen eine einfache, schnelle Modulation der Ausgänge möglich ist.
Zusätzlich zur Erhöhung des Informationsdurchsatzes durch eine Erhöhung der Bitrate bei einer einzigen, festgelegten Wellenlänge wird auch an eine Erhöhung des Durchsatzes durch Wellenlängen-Multiplex, auch als Wellenlängen-Getrenntlage-Multiplex bezeichnet, gedacht. Für diese Anwendung wäre es wünschenswert, Halbleiterlaser zur Verfügung zu haben, die auf mehr als einer Wellenlänge arbeiten können, und insbesondere solche, die schnell zwischen zwei (und möglicherweise mehreren) Wellenlängen umgeschaltet werden können. Solche Laser wären auch für Anwendungen in optischen Informationsspeichersystemen von Interesse, insbesondere wenn die beiden Ausgangswellenlängen relativ weit voneinander getrennt sind. Beispielsweise könnte die längere der beiden Wellenlängen verwendet werden, um gespeicherte Informationen zu "lesen", und die kürzere könnte verwendet werden, um gespeicherte Informationen in das Speichermedium zu "schreiben".
Laser, die auf zwei Wellenlängen emittieren, sind im Fachgebiet bekannt. Man vergleiche beispielsweise N.K. Dutta et al., Applied Physics Letters, Bd. 48(25), Seiten 1725- 1726; H.E. Maes et al. Electronics Letters, Bd. 18(9), Seiten 372-374; und Y. Tokuda et al., Applied Physics Letters, Bd. 51(21), Seiten 1664-1666. Diese Veröffentlichungen offenbaren Laser mit zwei getrennten und unabhängigen aktiven Zonen, jeweils einer für jede Wellenlänge. Solche Anordnungen sind schwer herzustellen und werden daher vermutlich teuer sein.
Eine spezielle Art von Halbleiterlaser, der nach dem Stand der Technik bekannt ist, ist der so genannte "Quantumwell"- oder Quantenquellen-Laser, der auch als Quantentroglaser bezeichnet wird. Man vergleiche beispielsweise W.T. Tsang et al., IEEE Journal of Quantum Electronics, Bd. QE-20(10), Seiten 1119-1132, wo Quantumwell-Laser (einschließlich Laser mit einem einzigen Quantentrog, auch als Single-Quantumwell-Laser bezeichnet) und deren Wachsen durch Molekularstrahlepitaxie besprochen sind. Man vergleiche auch N.B. Patel et al., IEEE Journal of Quantum Electronics, Bd. QE-23(6), Seiten 988-992, wo Betrachtungen zum Schwellstrom bei Single-Quantumwell(SQW) - Lasern mit abgestufter Barriere diskutiert sind, die auch als Graded-Barriere-SQW-Laser bezeichnet werden.
M. Mittelstein et al. Applied Physics Letters, Bd. 49(25), Seiten 1689-1691 berichten, dass es durch Abspalten von Single-Quatumwell-Lasern auf zunehmend kürzere Längen (Längen im Bereich von 70-470 um) möglich ist, die Wellenlänge des strahlenden Übergangs, auch als Lasingwellenlänge bezeichnet, zu ändern. Wie allgemein bekannt ist, ist die Modenverstärkung eines Lasers eine Funktion der Länge der aktiven Zone des Lasers. Somit führt das Abspalten von ansonsten identischen Lasern auf immer kürzere Längen dazu, dass die Laser eine immer geringere Modenverstärkung aufweisen. Diese Verstärkung wird herkömmlicherweise in Wellenzahl gemessen (cm-1). Mittelstein et al. berichten von einer abrupten Änderung der Lasingwellenlänge bei etwa 100 cm-1. Diese Änderung wurde mit dem Ausgehen des strahlenden Übergangs vom zweiten Subband des Quantentroges assoziiert.
Die Güteschaltung, auch als Q-Switch bezeichnet und bei Farbstofflasern allgemein bekannt, ist auch für Halbleiterlaser bekannt. Man vergleiche beispielsweise D.Z. Tsang et al., Applied Physics Letters, Bd. 45(3), Seiten 204 -206, wo ein gütegeschalteter Laser offenbart ist, der einen Verstärkungsabschnitt und, elektrisch im Wesentlichen von diesem isoliert, einen Modulatorabschnitt aufweist. Die Länge des ersteren liegt im Bereich von 150-250 um, und die des letzteren im Bereich von 25-75 um. Ein "Wellenleiter"- Abschnitt zwischen dem Verstärkungs- und dem Modulatorabschnitt ist 25 um lang. Die Verstärkung der Laserkavität kann geändert werden, indem die elektrische (Sperr-)Vorspannung an dem Modulatorabschnitt geändert wird, was eine Amplitudenmodulation des Laserausgangs ermöglicht. Die Veröffentlichung berichtet, dass Anordnungen im Dauerstrichbetrieb mit vollen an/aus-Modulationsraten von 10 GHz betrieben worden sind.
Ebenfalls wird das Güteschalten eines Lasers mit mehreren Quantentrögen, auch als Multi-Quantumwell-Laser bezeichnet, mit einem monolithischen Intrakavitäts- Verlustmodulator berichtet, und zwar von Y. Arakawa et al., Applied Physics Letters, Bd. 48(9), Seiten 561-563. Diese Arbeitsgruppe berichtet auch von einem Halbleiterlaser, der einen Verstärkungsabschnitt und, elektrisch im Wesentlichen von diesem isoliert, einen Modulatorabschnitt aufweist. Die Längen des Verstärkungsabschnitts und des Modulatorabschnitts betrugen 250 bzw. 50 um, und der Widerstand zwischen den beiden Abschnitten lag bei 5 k(.
Y. Tokuda et al., Applied Physics Letters, Bd. 49(24), Seiten 1629-1631, erzeugten das Umschalten von Wellenlängen bei einem Single-Quantumwell-Laser mittels geeigneter Änderung des Injektionsstromes. Da die Änderung in dem betreffenden Strom typischerweise relativ groß ist, kann erwartet werden, dass die Umschaltung von einem deutlichen Chirp der Ausgangsstrahlung begleitet ist.
Eine Anordnung, wie sie im Oberbegriff von Anspruch 1 beschrieben ist, ist in den japanischen Patentzusammenfassungen, Bd. 010, Nr. 145 (E-407), Mai 1986 und in JP-A-61006942 offenbart.
Aus zumindest zum Teil zuvor besprochenen Gründen wäre es sehr wünschenswert, einen Halbleiterlaser zur Verfügung zu haben, dessen Ausgangsstrahlung leicht und schnell moduliert und/oder zwischen zwei vorgegebenen Wellenlängen umgeschaltet werden könnte, insbesondere zwischen zwei relativ weit voneinander getrennten Wellenlängen. Die vorliegende Anmeldung offenbart einen solchen Laser. Sie offenbart außerdem ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Lasers und offenbart ferner einen Laserverstärker mit vorteilhaften Merkmalen.
Halbleiterlaser werden in Einrichtungen zum Verbinden elektronischer Systeme, Teilsysteme und/oder Komponenten verwendet, z. B. in Einrichtungen zum Verbinden von zwei oder mehreren Schaltungsplatinen, die Teil einer Anordnung wie beispielsweise einer elektronischen Schalteinrichtung sind. Man hat bereits erkannt, dass optische Verbindungen eine erhöhte Arbeitsgeschwindigkeit ermöglichen können und zu einer weniger dichten (und somit "transparenteren") "Hintergrundebene" führen können.
Bei Anordnungen, die optische Verbindungseinrichtungen beinhalten, weisen diese Einrichtungen typischerweise einen Halbleiterlaser auf, dessen Ausgangsstrahlung entsprechend einem elektrischen Signal, das an einem geeigneten Punkt an einer ersten elektronischen Anordnung oder Teilanordnung auftritt, moduliert wird (typischerweise an/ausgeschaltet). Die Ausgangsstrahlung des Lasers wird typischerweise in eine optische Faser, die auch als Glasfaser oder Lichtwellenleiter bezeichnet wird, eingekoppelt (obwohl prinzipiell auch eine optische Kommunikation im freien Raum möglich ist), wird durch die Faser zu einer oder mehreren leiterabwärts gelegenen Stellen übertragen, wo bewirkt wird, dass die Strahlung auf einen Detektor auftrifft, welcher in Reaktion auf die auf den Detektor auftreffende Strahlung ein elektrisches Signal erzeugt. Das so erzeugte elektrische Signal kann (mit oder ohne Aufbereitung und/oder anderer Bearbeitung) ein Eingangssignal für eine zweite elektronische Anordnung oder Teilanordnung bilden.
Generell weist die erste Anordnung oder Teilanordnung ein digitales Gatter auf, dessen Ausgang als Eingang für Verstärkereinrichtungen dient, die dazu dienen, den relativ hohen Strom zur Verfügung zu stellen, der für das Modulieren des Laserausgangs entsprechend dem Ausgang des digitalen Gatters erforderlich ist. Solche Ausgangsverstärker sind im Fachgebiet allgemein bekannt und stellen einen wesentlichen Kostenfaktor bei optischen Verbindungsanordnungen dar.
Angesichts der Kosten und anderer Nachteile optischer Verbindungsanordnungen nach dem Stand der Technik wäre es sehr wünschenswert, optische Verbindungseinrichtungen zur Verfügung zu haben, welche nicht die Nachteile aufweisen, die sich aus der Notwendigkeit der Verwendung von Ausgangsverstärkern ergeben. Die vorliegende Erfindung offenbart eine solche Verbindungseinrichtung.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Erfindung ist durch die Ansprüche definiert. Die Erfindung gemäß Anspruch 1 ist eine Anordnung, die einen Quantentroglaser mit einem monolithisch integrierten Intrakavitäts-Verlustabschhitt beinhaltet. Erfindungsgemäße Anordnungen weisen somit zusätzlich zu einem oder mehreren "Verstärkungs"abschnitten einen oder mehrere "Verlust"abschnitte auf. Durch Änderung der Vorspannungszustände an dem Verlustabschnitt (welcher von dem Verstärkungsabschnitt elektrisch im Wesentlichen isoliert ist) kann die Modenverstärkung der Struktur verändert werden. Die Vorspannungszustände werden typischerweise durch Änderung der elektrischen Vorspannung an dem Verlustabschnitt verändert, können aber auch durch optisches Pumpen des Verlustabschnitts verändert werden.
Die erfindungsgemäße Anordnung beinhaltet einen Quantumwell- oder Quantentroglaser mit LC/LA > 20, wobei LC und LA die Gesamtlänge der optischen Kavität der Anordnung bzw. des Verlustabschnitts/der Verlustabschnitte ist, und wobei der Isolationswiderstand zwischen dem/den Verlustabschnitt(en) und dem/den Verstärkungsabschnitten) größer als 3 k( ist. Wenn beispielsweise geeignete Reflexionsschichten auf die Facetten einer solchen Struktur aufgebracht werden, kann die Anordnung als schneller, güteschaltbarer Laser verwendet werden.
Die Erfindung ist in einer Anordnung verkörpert, die einen Laser beinhaltet, wobei der Laser einen Halbleiterkörper mit einem Verstärkungsabschnitt und, optisch mit dem Verstärkungsabschnitt gekoppelt aber elektrisch im Wesentlichen von diesem isoliert, einem Verlustabschnitt der Länge LA aufweist. Die Anordnung beinhaltet ferner Mittel, um den Fluss eines elektrischen Stromes durch den Verstärkungsabschnitt zu bewirken, und Mittel, um den Verlustabschnitt elektrisch vorzuspannen. Der Körper weist wenigstens einen Quantentrog auf. Mit dem Körper ist eine Verstärkung für Strahlung einer gegebenen Wellenlänge verknüpft. Die Strahlung wird allgemein durch strahlende Übergänge, auch als Lasing bezeichnet, von einem der dem Quantentrog oder den Quantentrögen zugehörigen Subbänder bewirkt. Die Anordnung weist typischerweise außerdem Einrichtungen zur Ausnutzung der von dem Laser emittierten Strahlung auf. Wesentlich ist, dass LC/LA größer als 20 ist, wobei LC der Abstand zwischen den Facetten des Lasers ist. Darüber hinaus ist der elektrische Isolationswiderstand zwischen dem Verstärkungsabschnitt und dem Verlustabschnitt größer als 3 k(. Bei diesen erfindungsgemäßen Anordnungen kann die Verstärkung für die Strahlung leicht verändert werden, indem die Vorspannung des Verlustabschnitts geändert wird, was eine schnelle Amplitudenmodulation der Laserstrahlung ermöglicht. Die Vorspannung des Verlustabschnitts wird typischerweise durch Änderung der elektrischen Vorspannung an dem Verlustabschnitt geändert, kann aber auch durch optisches Pumpen des Verlustabschnitts geändert werden.
In einer speziellen erfindungsgemäßen Ausführungsform weist die Anordnung optische Verbindungseinrichtungen auf.
Die Anordnung weist wenigstens ein digitales Gatter (beispielsweise in ECL-, MOS- oder CMOS-Technologie ausgeführt) mit einem elektrischen Ausgang auf, wobei der Ausgang ohne dazwischenliegende Verstärker elektrisch mit dem Verlustabschnitt des Mehrelektrodenlasers verbunden ist, wobei der Ausgang des Gatters so vorgesehen ist, dass der Laserausgang zwischen einem relativ niedrigen Wert (beispielshalber einer Intensität von Null) und einem relativ hohen Wert (beispielshalber einer Strahlungsleistung von über 1 uW) umgeschaltet werden kann.
Die augenblicklich bevorzugte erfindungsgemäße Anordnung beinhaltet eine Vielzahl digitaler Gatter (G1, G2, ..., Gn; n ( 2), Einrichtungen zum Zusammenfassen der Ausgänge der Gatter in ein gemultiplextes elektrisches Signal, Einrichtungen zum Anlegen des gemultiplexten elektrischen Signals, ohne Verstärkung, an den Verlustabschnitt des Mehrelektrodenlasers, Lichtwellenleitereinrichtungen, Einrichtungen zum Erfassen der durch die Leitereinrichtung übertragenen Laserstrahlung, Einrichtungen zum Demultiplexen des elektrischen Ausgangs der Detektoreinrichtung und eine elektronische Anordnung, Teilanordnung oder Einrichtung, die auf wenigstens eines der entmultiplexten elektrischen Signale anspricht.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 stellt schematisch einen beispielhaften Laser einer erfindungsgemäßen Anordnung dar;
Fig. 2 gibt beispielhafte Werte der Intensität des emittierten Lichts in Abhängigkeit vom Injektionsstrom als eine Funktion der Vorspannung des Verlustabschnitts an; die
Fig. 3 und 4 zeigen beispielhafte Daten der Intensität des emittierten Lichts in Abhängigkeit von der Wellenlänge;
Fig. 5 stellt schematisch eine erfindungsgemäße Anordnung dar;
Fig. 6 stellt schematisch einen räumlichen Lichtmodulator dar;
Fig. 7 stellt schematisch einen optischen Verstärker mit variabler Verstärkung dar; und
Fig. 8 stellt schematisch den relevanten Teil einer erfindungsgemäßen Anordnung dar, welche optische Verbindungseinrichtungen beinhaltet.
Analoge Bestandteile sind in verschiedenen Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Es ist nicht versucht worden, die wahren Abmessungen und/oder Größenverhältnisse darzustellen.

Detaillierte Beschreibung einiger bevorzugter Ausführungsformen

Fig. 1 stellt schematisch einen beispielhaften Laser 10 einer erfindungsgemäßen Anordnung dar. Es handelt sich um einen auf GaAs basierenden verstärkungsgeführten GRINSCH-SQW- Laser, der auch als Graded-Index-Separate-Confinement- Heterostructure-Single-Quantumwell-Laser bezeichnet wird. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese spezielle Art von Laser oder Materialsystem eingeschränkt. Beispielsweise können erfindungsgemäße Anordnungen in anderen Halbleitersystemen realisiert sein (z. B. das InGaAsP/InP-System) und können mehr als einen Quantentrog aufweisen. Darüber hinaus kann die Erfindung in anderen Arten von Lasern verkörpert sein, z. B. QW-Lasern mit vergrabener Heterostruktur (BH), DFB-Lasern, welche ein externes Bragg-Element nutzen, und Lasern mit geätzten, anstatt von abgespalteten, Facetten.
Der Laser 10 beinhaltet ein halbisolierendes < 100> - orientiertes GaAs-Substrat 11 mit einer darauf befindlichen epitaktischen Schicht 12 aus n+-GaAs. Ein Teil von 12 ist durch den Kontaktstreifen 13 aus Metall abgedeckt, und ein anderer Teil bildet das Substrat für eine epitaktische n-AlGaAs-Schicht 14. Der etwa 11 nm dicke GaAs-Quantentrog 16 ist zwischen zwei 200 nm dicken, abgestuften, epitaktischen AlxGa1-xAs-Wellenleiterzonen (15 und 17) eingeschlossen, in welchen sich x von 0,2 auf 0,55 ändert, wobei x = 0,2 am nächsten zu 16 liegt. Auf der Schicht 17 befindet sich die epitaktische p-AlGaAs-Schicht 18, wobei ein Teil derselben von der unterteilten epitaktischen p+-GaAs-Schicht 19 bedeckt ist, welche ihrerseits von einem unterteilten Kontaktstreifen aus Metall (20 und 21) bedeckt ist. Schmale Lücken, beispielshalber mit einer Breite von 2 um, sind zwischen 21 und den beiden Teilen von 20 vorgesehen. Der Streifen hat eine Breite W und eine Gesamtlänge LC, und der Abschnitt 21 hat die Länge LA. Wesentlich ist, dass zumindest bei einigen Ausführungsformen LC sehr viel größer als LA sein kann, vorzugsweise ist LC/LA > 10 oder sogar 20, was wegen der mit dem kleinen LA verbundenen geringen Kapazität und dem üblichen Betrieb mit Sperr-Vorspannung potentiell schnelle Anordnungen ergibt. Die Streifenteile 20 bilden den "Verstärkungs"abschnitt der Anordnung und der Teil 21 bildet den "Verlust"abschnitt. Letzterer ist von erstem elektrisch isoliert. Die Isolation ergibt sich beispielshalber aufgrund von implantierten Zonen 22 und 22'. Es wird darauf geachtet, sicherzustellen, dass sich die Isolationsimplantierung nicht bis zu der aktiven Zone der Anordnung ausdehnt. Der elektrische Widerstand zwischen dem Verstärkungs- und dem Verlustabschnitt ist vorteilhafterweise hoch, typischerweise größer als 3 oder 10 k(, vorzugsweise größer als 100 k(. Mittels einer Isolationsimplantierung von Sauerstoff kann leicht eine Isolierung von über 1 M( erzielt werden, was zu der potentiell höheren Geschwindigkeit beiträgt. Reflexionsbeschichtungen können, wie Fachleuten allgemein bekannt ist, auf beiden Facetten des Lasers vorgesehen sein.
Fig. 1 stellt außerdem schematisch eine Einrichtung zum elektrischen Kontaktieren der Verstärkungsabschnitte dar, und eine getrennte Einrichtung zum Kontaktieren des Verlustabschnitts. Was die anliegende Spannung und den durchfließenden Strom betrifft, so sind diese für erstere hier als VG bzw. IG bezeichnet, und die letzterem zugehörige Spannung und Stromstärke sind als VA bzw. IA bezeichnet. IG wird häufig als Injektionsstrom bezeichnet.
Wie Fachleute leicht erkennen werden, müssen die Verstärkungs- und Verlustabschnitte nicht wie gezeigt gestaltet sein. Beispielsweise braucht der Verstärkungsabschnitt nicht aus zwei gleichen Teilen zu bestehen sondern kann statt dessen ungeteilt sein, oder kann aus mehr als zwei Teilen bestehen. Darüber hinaus brauchen die erfindungsgemäßen Anordnungen nicht einen einzigen Verlustabschnitt aufzuweisen.
Der Laser der Anordnung kann durch jedes geeignete Verfahren erzeugt werden, beispielsweise durch einen Molekularstrahlepitaxie (MBE) beinhaltenden Prozess, durch herkömmliche Fotolithographie und Ätzen, und durch Sputterabscheidung von Metallschichten. Vorteilhafterweise wird der unterteilte Metallstreifen als Ätzmaske für die darunter liegende p+-Schicht und als eine Implantierungsmaske verwendet.
Ein Laser mit einem monolithischen Intrakavitäts- Verlustabschnitt (oder Verlust"modulator"), wie er exemplarisch durch die Anordnung aus Fig. 1 gegeben ist, kann gütegeschaltet werden, indem die Vorspannung an dem (typischerweise in Sperrrichtung vorgespannten) Verlustabschnitt geändert wird. Die Änderung der Vorspannung kann zu einer Änderung der Intensität der von dem Laser emittierten Strahlung führen. Wir haben festgestellt, dass es, indem LA sehr viel kleiner als LC gemacht wird (LC/LA größer als 20), und indem zwischen dem Verlustabschnitt und dem Verstärkungsabschnitt ein relativ hoher Isolationswiderstand vorgesehen wird (größer als 3 k(, vorzugsweise größer als 10 oder 100 k(), möglich ist, eine beträchtliche Lichtleistung mit einer sehr kleinen elektrischen Leistung zu schalten. Beispielhaft wurde bei einem InGaAs/InP-BH-GRINSCH-SQW-Laser (QW-Dicke d = 16 nm, Breite der aktiven Zone etwa 2 um, Lücken zwischen Verlustabschnitt und Verstärkungsabschnitten jeweils 6 um, LA = 6 um, LC = 300 um, Isolationswiderstand > 3 k() die Lichtintensität von etwa 8 mW bis etwa 0,5 mW mit einer Änderung von VA von 30 mv (IG = 80 mA, VA ~ 0V) geschaltet. Die Gesamtänderung der elektrischen Leistung zu dem Absorbierungs- oder Leistungsaufnahmeabschnitt betrug etwa 30 uW.
Die kleine Abmessung, die Ansteuerung mit geringem Strom und die geringe Kapazität des in Sperrrichtung vorgespannten Verlustabschnitts zumindest einiger Laser erfindungsgemäßer Ausführungsformen ermöglichen eine schnelle elektrische Modulation der Ausgangsleistung des Lasinglichts durch Änderung der elektrischen Vorspannung an dem Verlustabschnitt, während der Injektionsstrom IG typischerweise konstant gehalten wird. Wegen der Ansteuerung mit geringem Strom können relativ kleine und unkomplizierte, schnelle Transistorausführungen verwendet werden, um den Verlustabschnitt anzusteuern, was zu reduzierten Kosten und typischerweise zu erhöhter Zuverlässigkeit führt.
Die schnelle Amplitudenmodulation des Laserausgangs kann auch durch optisches Pumpen des Verlustabschnitts eines Lasers einer erfindungsgemäßen Anordnung erreicht werden. Bei diesem Laser ist IG typischerweise ebenfalls konstant.
Exemplarisch ist auch VA konstant, und es wird bewirkt, dass Pumpstrahlungspulse von einem anderen Laser auf den Verlustabschnitt des Lasers auftreffen. Wesentlich ist, dass die bei bevorzugten Ausführungsformen zur elektrischen Isolierung des Verlustabschnittes von dem Verstärkungsabschnitt verwendete Isolationsimplantierung typischerweise die nicht-strahlende Lebensdauer der optisch erzeugten Elektron-Loch-Paare herabsetzt und daher die Ansprechgeschwindigkeit auf die Pulse erhöht.
Quantentrog-Anordnungen mit einem monolithischen Intrakavitäts-Verlustmodulator können auch vorteilhaft als optische Verstärker verwendet werden. Eine solche Anordnung ist schematisch in Fig. 7 dargestellt, wobei der Halbleiterkörper 70 im Wesentlichen eine wie in Fig. 1 gezeigte Struktur aufweist, ausgenommen, dass anstatt wie bei dieser hier Antireflexionsbeschichtungen (71 und 71') verwendet werden. Solche Beschichtungen sind Fachleuten allgemein bekannt. Es wird bewirkt, dass Strahlung einer gegebenen Wellenlänge auf eine der Facetten des Verstärkers auftrifft, darin in Fachleuten allgemein bekannter Weise verstärkt wird, von der anderen Facette emittiert und in eine geeignete Ausnutzungsanordnung (nicht gezeigt) eingekoppelt wird. Der Verstärkungsgrad kann mittels einer elektrischen Vorspannung verändert werden, die an den Verlustabschnitt der Anordnung angelegt wird, optional zusammen mit einem optischen Pumpen des Verlustabschnitts.
Ein solcher Laserverstärker hat viele vorteilhafte Merkmale und viele Anwendungen. Der Lichtausgang kann durch den Verlustabschnitt überwacht und/oder gesteuert werden. Da der Betrieb der Anordnung einen einzigen Durchgang von Photonen durch die Struktur beinhaltet, und da der Verlustabschnitt sehr kurz sein kann (in der Größenordnung von 10 um oder noch weniger), ist eine Modulation des Verstärkerausgangs mit sehr hoher Geschwindigkeit möglich. Die Anordnung kann zur spannungsgesteuerten Pulsformung optischer Signale verwendet werden, oder als ein räumlicher Lichtmodulator. Sie kann ebenfalls vorteilhaft in einem integrierten rauscharmen Detektor verwendet werden, indem ein erfindungsgemäßer Verstärkungsabschnitt in Verbindung mit einem in Sperrrichtung vorgespannten p-i-n- Leistungsaufnahmeabschnitt verwendet wird. Wenn er mit mehreren Verlustabschnitten vorgesehen ist, kann der Verstärker als ein Kodierer/Dekodierer oder als ein logisches Element oder Verknüpfungsglied verwendet werden, im Wesentlichen analog zu der später beschriebenen Weise.
In Fig. 2 sind beispielhafte Kurven 20, 21 und 22 der Lichtintensität pro Facette in Abhängigkeit von dem Injektionsstrom IG für einen in Fig. 1 gezeigten Laser dargestellt. Die Breite W des Kontaktstreifens betrug 20 um, die Gesamtlänge der Kavität LC betrug 500 um und die Länge LA des Verlustabschnitts war 20 um. Für einen feststehenden Injektionsstrom kann das Ändern der Vorspannung an dem Verlustabschnitt zu einer Änderung der Ausgangsintensität führen. Beispielsweise reduziert das Ändern der Vorspannung von einer geringen Durchlassspannung (welche IA = 15 mA ergibt) zu einer Sperr-Vorspannung (VA = -0,2 und -1,0 V) die Ausgangsintensität von etwa 7,5 mW auf etwa 2,5 bzw. 0,5 mW. Bei IA = 15 mA betrug der Schwellstrom Ith 80 mA und die Lasingwellenlänge lag bei 869 nm, was strahlenden Elektronenübergängen aus dem ersten Quantenzustand (n = 1) in dem Quantentrog entspricht. Der Schwellstrom erhöhte sich mit zunehmender negativer Vorspannung etwas, möglicherweise durch den Starkeffekt des Quanteneinschlusses in dem Verlustabschnitt und der Schrumpfung der Bandlücke in dem Verstärkungsabschnitt. Die Ergebnisse aus Fig. 2 zeigen, dass unter geeigneten Betriebsbedingungen Laser von erfindungsgemäßen Anordnungen durch Vorspannen des Verlustabschnitts in Sperrrichtung effizient amplitudenmoduliert werden können.
In den Fig. 3 und 4 sind exemplarische Ergebnisse der Intensität des emittierten Lichts in Abhängigkeit von der Wellenlänge für einen Laser der in Fig. 1 gezeigten Art dargestellt. Der Laser hatte eine Gesamtlänge der Kavität von LC = 400 um, LA = 60 um und eine Streifenbreite von W = 6 um. Die Geometrie der Anordnung war so gewählt, dass sich eine relativ geringere Verstärkung ergab (aufgrund von Stromaufspaltung und seitlicher Stromdiffusion), wodurch bei einigen Vorspannungszuständen ein Lasing aus dem zweiten Subband (n = 2) des Quantentroges auftrat. Insbesondere zeigt Fig. 3 die Intensität des emittierten Lichts für einen Injektionsstrom von IG = 245 mA und einen in Durchlassrichtung vorgespannten Verlustabschnitt (IA = 20 mA). Bei diesen Vorspannungszuständen hat die Lichtintensität ein starkes Maximum bei ( = 842 nm, was einem Lasing aus dem zweiten Subband entspricht. Fig. 4 zeigt, dass bei anderen Vorspannungszuständen, nämlich einem in Sperrrichtung vorgespannten Verlustabschnitt (VA = -0,3 V), die emittierte Intensität ein starkes Maximum bei ( = 875 nm hat, was einem Lasing aus dem ersten Subband entspricht. Für dazwischenliegende Vorspannungszustände, z. B. für IA = 2 mA, wird ein Lasing sowohl aus dem ersten als auch aus dem zweiten Subband beobachtet.
Wie Fachleuten allgemein bekannt ist, hängt die Energiedifferenz zwischen den Subbändern n = 1 und n = 2 eines Quantentroges unter anderem von der Dicke des Troges ab. Somit ist die Wellenlängendifferenz ((, die bei erfindungsgemäßen Anordnungen erzielt werden kann, eine Gestaltungsvariable. Wie die Fig. 3 und 4 zeigen, kann (( relativ groß sein, größer als 30 nm. Dies ist ein wesentlicher Vorteil, wie später diskutiert werden soll.
In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform zum Umschalten von Wellenlängen beträgt (1-(2 wenigstens 10 nm. Diese relativ große Wellenlängendifferenz ermöglicht Anwendungen (z. B. Informationsspeichersysteme), die mit Wellenlängenumschaltlasern nach dem Stand der Technik nicht möglich sind. Bei Anordnungen nach dem Stand der Technik (z. B. DFB-Lasern mit einem elektrisch gesteuerten Bragg- Element) beträgt die maximal erreichbare Wellenlängendifferenz ((typischerweise deutlich weniger als 10 nm, häufig in der Größenordnung von 1 nm.
In Fig. 5 ist schematisch eine Anordnung dargestellt, bei welcher der erfindungsgemäße Laser in Abhängigkeit von den Vorspannungszuständen Strahlung der Wellenlänge (1 oder (2 emittiert. Die emittierte Strahlung wird von einer Ausnutzungseinrichtung empfangen, z. B. einem Halbleiterdetektor auf einer separaten oder auf derselben elektronischen Anordnung oder Teilanordnung, einer optischen Speicherplatte oder einem anderen optischen Speichermedium, oder einer optischen Faser. Eine Verstärkungsstromversorgung stellt den Injektionsstrom IG an dem Verstärkungsabschnitt des Lasers bereit, und eine Vorspannungsversorgung ist elektrisch mit dem Verlustabschnitt verbunden. Die Vorspannungszustände werden in Reaktion auf ein Vorspannungssteuersignal gesetzt.
Exemplarisch wird bei VA = 0 IG auf einen Wert des oder nahe des kritischen Stromes Icrit gesetzt, dessen Wert von verschiedenen Verstärkungsverlusten in der Struktur abhängt. Das Anlegen einer Vorspannung in Durchlassrichtung an den Verlustabschnitt führt dann zu einem Lasing aus einem der Subbänder des Quantentroges (z. B. dem ersten Subband), und eine geeignete Sperr-Vorspannung kann zu einem Lasing aus einem anderen Subband (z. B. dem zweiten Subband) führen.
Eine erfindungsgemäße Anordnung kann einen räumlichen Lichtmodulator 60 umfassen, welcher schematisch in Fig. 6 dargestellt ist. Der beispielhafte, elektrisch gesteuerte räumliche Lichtmodulator 60 weist einen Halbleiterkörper mit im Wesentlichen einer wie in Verbindung mit Fig. 1 beschriebenen Schichtstruktur auf, welcher aber zwei Sätze unterteilter p-Kontaktstreifen beinhaltet. Insbesondere sind die Kontakte der beiden Verstärkungsabschnitte (20 und 20') elektrisch verbunden, genauso wie die Kontakte der beiden Verlustabschnitte (21 und 21'). Zwischen den beiden unterteilten Kontaktstreifen ist ein Raster oder Gitter 62 vorgesehen, wobei der Wiederholabstand des Gitters so gewählt ist, dass Strahlung effektiv im Wesentlichen in einem deutlichen Winkel ( in den freien Raum ausgekoppelt wird. Beispielsweise kann für eine Strahlung einer Wellenlänge von etwa 1,5 um ein Gitter mit einer Periode von etwa 0,5 um zu einem ( der Größenordnung von 70º führen. Es sind Reflexionsschichten 61 und 61' vorgesehen, wobei 61' so gewählt ist, dass Laserstrahlung aus der zugehörigen Facette emittiert wird. Die Richtung der Emission (d. h. der in Fig. 6 angegebene Winkel () hängt von der Wellenlänge der Laserstrahlung ab. Somit führt das Bewirken einer Änderung der Wellenlänge von (1 zu (2 mittels einer Änderung der Vorspannungszustände der Verlustabschnitte zu einer Änderung in (. Ein elektrisch gesteuerter räumlicher Lichtmodulator hat viele Anwendungen, z. B. optisches Abtasten, in Verteilerschaltungen für Lichtwellen und bei optischen Verbindungen von Chip zu Chip zwischen räumlich getrennten elektronischen und/oder optoelektronischen Teilsystemen oder Systemen.
Beispielhaft für eine erfindungsgemäße Anordnung ist eine optische Informationsspeicheranordnung, welche einen wie auf den vorangegangenen Seiten der Beschreibung definierten Laser beinhaltet, wobei die relativ lange Wellenlänge verwendet wird, um in einem geeigneten Speichermedium gespeicherte Informationen zu lesen, und wobei die relativ kurze Wellenlänge verwendet wird, um Informationen in das Medium zu schreiben, z. B. durch Erzeugen von Elektron-Loch- Paaren oder durch Induzieren einer geeigneten chemischen Reaktion.
Eine weitere beispielhafte erfindungsgemäße Anordnung beinhaltet einen erfindungsgemäßen Laser mit zwei (oder möglicherweise mehreren) unabhängig ansprechbaren Verlustabschnitten. Eine solche Anordnung kann verwendet werden, um logische Verknüpfungen auszuführen und hat Anwendungen in der optischen Datenübertragung mit Frequenzumtastung. Beispielsweise können, indem die relativ lange Emissionswellenlänge des Lasers mit der logischen 0 und die relativ kurze Wellenlänge mit der logischen 1 verknüpft wird, zwei Verlustabschnitte (A und B) positiv (+V (0) oder negativ (-V (1) vorgespannt werden, sodass für ein feststehendes IG das Lasingausgangslicht eine Wellenlänge entsprechend der Wahrheitstabelle oder Verknüpfungstafel für UND aufweist, nämlich:

Verlustabschnitt Ausgangswellenlänge

Für einen etwas höheren Injektionsstrom kann der Lasingausgang eine Wellenlänge entsprechend der Verknüpfungstafel für ODER aufweisen, nämlich:

Verlustabschnitt Ausgangswellenlänge

Es gibt andere logische Funktionen, die durch die erfindungsgemäße optoelektronische Einrichtung ausgeführt werden können. Beispielsweise kann die Verknüpfungstafel für Addition erzeugt werden, indem die relativ lange Wellenlänge als die "Summe" definiert wird, und die relativ kurze Wellenlänge als der "Übertrag", wenn die Anordnung so gestaltet ist, dass ein Vorspannen beider Verlustabschnitte in Sperrrichtung den Laser abschaltet.
Da (( bei erfindungsgemäßen Lasern relativ groß sein kann, ist es häufig möglich, bei zuvor beschriebenen Anordnungen preisgünstige Filter und Gitter zu verwenden. Dies ist ein offensichtlich vorteilhafter Aspekt der Erfindung.
Bei bevorzugten Ausführungsformen ist der Laser zusammen mit elektronischen Einrichtungen oder Teilanordnungen (z. B. Einrichtungen zum Bewirken eines elektrischen Stromflusses durch den Verstärkungsabschnitt und die Einrichtung zum Anlegen einer elektrischen Vorspannung an den Verlustabschnitt) auf einem herkömmlichen Halbleitersubstrat angeordnet. Optional können auf demselben Substrat andere optoelektronische Einrichtungen, z. B. Detektoren und/oder ein anderer Laser, angeordnet sein. Darüber hinaus kann der in dem in Sperrrichtung vorgespannten Verlustabschnitt fließende Fotostrom durch bekannte Einrichtungen überwacht werden und kann genutzt werden, um über eine Rückkopplungsschleife den Lichtausgang zu regulieren, indem entweder VA oder IG (oder beide) geändert werden. Die Einrichtungen zum Ausführen dieser Regelung kann vorteilhafterweise ebenfalls in das gemeinsame Substrat integriert sein, wie Fachleuten leicht einleuchten wird.
Beispiel 1: Auf einem (100)-orientierten n-InP-Substrat wurden durch MOVPE bei Atmosphärendruck (man vergleiche T. Tanbun-Ek et al., Applied Physics Letters, Bd. 55, Seite 819) epitaktische Schichten aufgewachsen. Zuerst wurde eine 1 um n-InP-Pufferschicht aufgewachsen. Danach wurde der untere Teil der GRINSCH-Schichten mit 22 nm dicken, stufenartigen, undotierten quartären Schichten, gitterangepasst zu InP, mit abnehmender Bandlücke von 1,0 um, 1,1 um, 1,25 um, 1,33 um aufgewachsen. Ein einziger ternärer Quantentrog mit einer Dicke von etwa 14 nm wurde als nächstes gewachsen. Danach wurde der obere Teil der einschließenden GRINSCH-InGaAsP-Schichten gewachsen (Bandlücke zunehmend von 1,33 um bis 1,0 um in 4 Stufen). Darauf folgte eine InP-Rücksetzschicht, um Effekte von Zn-Diffusion aus der darüber liegenden Deckschicht (50 nm, undotiert), der p-InP-Deckschicht (1 um) und der p-InGaAsP-Abdeckschicht, die aufeinanderfolgend gewachsen wurden, zu minimieren. Unter Verwendung eines im Wesentlichen wie bei T. Tanbun-Ek et al., Electronics Letters, Bd. 24, Seite 1483 beschriebenen Verfahrens wurde ein BH-Laser hergestellt. Die Breite der aktiven Zone wurde auf etwa 2 um reduziert, erneut wurde Fe-dotiertes halbisolierendes InP gewachsen, und es wurden herkömmliche Metallisationsschichten abgeschieden. Der p-seitige Kontakt wurde strukturiert, sodass sich Lücken von 6 um zwischen dem einzigen Verlustabschnitt und den beiden Teilen des Verstärkungsabschnitts ergaben. LA war 6 um, und die Anordnung wurde so abgespalten, dass sich LC = 800 um ergab. Der so hergestellte Laser wurde unter Verwendung herkömmlicher Einrichtungen getestet. Für IG = 250 mA und VA = 0,3 V hatte die Ausgangsstrahlung ( = 1,51 um und war elektrisch transversal (TE-) polarisiert. Eine Änderung von IG auf 330 mA und von VA auf -0,4 V führte zu einer Ausgangsstrahlung von ( = 1,46 um, ebenfalls TE-polarisiert. Die Schaltgeschwindigkeit war durch die verwendete Elektronik begrenzt.
Beispiel 2: Ein Laser wurde im Wesentlichen wie in Beispiel 1 beschrieben hergestellt, außer dass der Laser vier Quantentröge aufwies und LA etwa 30 um betrug. Die Wellenlänge der Ausgangsstrahlung konnte im Wesentlichen wie in Beispiel 1 umgeschaltet werden, außer dass (( etwa 60 nm betrug. Ferner konnte die Wellenlänge durch Ändern von VA (innerhalb eines gegebenen Subbandes) abgestimmt werden.
Fig. 8 stellt schematisch den relevanten Teil einer besonders bevorzugten Anordnung gemäß der Erfindung dar. Die Anordnung beinhaltet eine Vielzahl (nicht notwendigerweise identischer) digitaler Gatter G1, G2, ..., Gn auf der Schaltungsplatine 81, die durch die Bezugszahlen 801, 802, ..., 80n bezeichnet sind. Die Ausgänge der n Gatter sind in der Multiplexereinrichtung 82 zusammengeführt, wobei die gemultiplexten Ausgangssignale 83 ohne Verstärkung auf den Verlustabschnitt des Mehrelektroden-Quantentroglasers 84 geführt werden. Außerdem wird auf den Laser mittels herkömmlicher und nicht gezeigter Einrichtungen der Ansteuerstrom 85 geführt. Gatter und Multiplexereinrichtung können ebenfalls herkömmlich sein. Das Ausgangslicht 86 (nicht notwendigerweise sichtbar) des Lasers 84, welches auf das gemultiplexte Signal 83 anspricht, wird mittels herkömmlicher Einrichtungen in den Lichtwellenleiter 87 eingekoppelt, läuft durch die Faser und wird von einem (oder möglicherweise mehreren, nicht notwendigerweise an derselben Stelle vorgesehenen) Detektoren 88 erfasst. Der Detektor oder die Detektoren können herkömmlich sein. Der Detektorausgang 89 wird auf Einrichtungen, nicht gezeigt, geführt, welche in herkömmlicher Weise auf den Ausgang ansprechen, die beispielshalber Multiplexereinrichtungen beinhalten.

Claims

1. Anordnung, umfassend:

a) eine Vielzahl digitaler elektronischer Gatter (801 - 80n), wobei jedes Gatter einen elektrischen Ausgang hat;

b) Multiplexereinrichtungen (82) zum Zusammenfassen des elektrischen Ausgangs der genannten Gatter auf einem Leiter (83);

c) einen optischen Sender (84) mit einem Strahlungsausgang, der auf den elektrischen Ausgang der Gatter reagiert;

d) Detektoreinrichtungen (88) und Mittel (87), die zum Auftreffen des Strahlungsausgangs des optischen Senders auf die Detektoreinrichtungen (88) vorgesehen sind, wobei die Detektoreinrichtungen (88) einen elektrischen Ausgang (89) haben; und

e) Einrichtungen, die auf den Ausgang der Detektoreinrichtungen reagieren;

dadurch gekennzeichnet, dass

f) der optische Sender (84) ein Quantenquellenlaser (10) mit einem oder mehreren Verstärkungsabschnitt(en) (20) und einem Verlustabschnitt (21) ist, wobei der Verlustabschnitt (21) mit den Multiplexereinrichtungen (82) verbunden ist;

g) der Verlustabschnitt (21) ohne dazwischenliegende Verstärker über den Leiter und die Multiplexereinrichtungen (82) mit den Gattern verbunden ist;

h) der Isolationswiderstand zwischen dem Verlustabschnitt (21) und dem Verstärkungsabschnitt (20) größer als 3 kO ist; und

i) LC/LA größer als 20 ist, wobei LC die Länge des Körpers des Halbleiterlasers (10) und LA die Länge des Verlustabschnitts ist, sodass durch Änderung der Vorspannungszustände an dem Verlustabschnitt die modale Verstärkung des optischen Senders geändert werden kann.

2. Anordnung nach Anspruch 1, bei welcher die Anordnung eine elektronische Schalteinrichtung ist.