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Die vorliegende Erfindung betrifft einen abstimmbaren
Halbleiterlaser mit verteilter Rückkopplung, der einen breiten
Abstimmbereich hat und eine Charakteristik schmaler
Linienbreite zeigt.
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Ein Halbleiterlaser mit verteilter Rückkopplung (distributed
feedback (DFB)) mit drei Elektroden ist auf
Wellenlängenabstimmung und Linienbreitenreduzierung hin untersucht worden.
Es ist jedoch nicht verwirklicht worden, einen
wellenlängenabstimmbaren Halbleiterlaser mit verteilter Rückkopplung zu
erhalten, der notwendigerweise und ausreichenderweise einen
breiten Abstimmbereich und eine schmale Linienbreite hat.
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Es ist ein Ziel der Erfindung, einen wellenlängenabstimmbaren
Halbleiterlaser zu schaffen, der einen breiteren
Abstimmbereich und bessere Linienbreiten-Charakteristika hat als in
der Vergangenheit.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Halbleiterlaser mit
verteilter Rückkopplung gemäß Anspruch 1 geschaffen.
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Das heißt gemäß der vorliegenden Erfindung, daß in einem
Halbleiterlaser mit verteilter Rückkopplung (im folgenden als
DFB-Laser bezeichnet), von dem erwartet werden kann, daß er
eine exzellente Einzel-Wellenlängen-Lasercharakteristik sogar
im Fall einer Hochgeschwindigkeits-Modulation zeigt, die
Elektrode zur Strominjektion in vier oder mehr Elektroden in
der Richtung des Hohlraumes aufgeteilt ist, von denen nicht-
benachbarte miteinander elektrisch verbunden sind, um zwei
Elektrodengruppen zu bilden, so daß die Strominjektion zu
aktiven Schichten in den den jeweiligen Elektroden
entsprechenden Bereichen erreicht werden kann, indem man die
individuellen Elektroden benutzt. Diese Bereiche sind in zwei
Gruppen von Wellenlängensteuerbereichen bzw.
Verstärkungssteuerbereichen entsprechend der zwei Elektrodengruppen unterteilt,
und die beiden Bereiche sind abwechselnd zueinander
angeordnet. In diesem Fall sind die Längen jeder Elektrode und jedes
Bereiches so eingestellt, daß die Gesamtlänge der
Wellenlängensteuerbereiche größer als die Gesamtlänge der
Verstärkungssteuerbereiche ist. Es ist bevorzugt, daß das Verhältnis
der Gesamtlängen der Wellenlängensteuerbereiche und der
Verstärkungssteuerbereiche im Bereich von 5:1 bis 5:4 liegt. Der
Brechungsindex in jedem Wellenlängensteuerbereich wird durch
Änderung der Strominjektion in diesen verändert, um die
Laserwellenlänge zu variieren, und die Gesamtverstärkung wird
konstant gehalten durch Steuerung der Strominjektion in die
Verstärkungssteuerbereiche, wodurch es möglich wird,
Ausgangs(Output)licht mit konstanter Ausgangsleistung und einer
variablen einzelnen Wellenlänge zu erhalten.
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Einheitliche Strominjektion in den DFB-Laser schafft
Ausgangslicht einer Wellenlänge λ&sub0;, die gegeben ist durch
λ&sub0; = 2Λn, wobei Λ die Periode des Beugungsgitters und n der
Brechungsindex der lichtemittierenden Schicht ist. Weil der
Brechungsindex n mit der Trägerdichte in der
lichtemittierenden Schicht durch Nutzung des Plasmaeffektes variiert
werden kann, ist gefunden worden, daß die Laserwellenlänge mit
der Änderung des Brechungsindex variiert.
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In der oben beschriebenen Struktur, in der die Gesamtlänge
der Wellenlängensteuerbereiche größer ist als die Gesamtlänge
der Verstärkungssteuerbereiche, bestimmt, wenn der
Brechungsindex des Wellenlängensteuerbereiches durch Änderung der
Strominjektion in diesen nach n' verändert wird, die Änderung
im Brechungsindex des Wellenlängensteuerbereiches die Gesamt-
Laserwellenlänge, die sich zu einer Wellenlänge λ', gegeben
durchs λ' = 2Λn' verändert. Auf der anderen Seite verändert
sich die Intensität des Ausgangslichtes auch entsprechend,
aber die Gesamtverstärkung kann durch Steuerung des
Injektionsstromes zu den Verstärkungssteuerbereichen konstant
gehalten werden, indem er mit Anstieg oder Abfall des Stromes
in die Wellenlängensteuerbereiche verändert wird.
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Außerdem wird, weil die Wellenlängensteuerbereiche und die
Verstärkungssteuerbereiche über den Hohlraum des Lasers fein
verteilt sind, eine Uneinheitlichkeit von Parametern wie des
Brechungsindex und der Verstärkung im Laser-Hohlraum auch
effektiv unterdrückt in Bezug auf Variationen der
Laserwellenlänge, und infolgedessen ist die Linienbreite weniger
verschlechtert.
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Im folgenden werden Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung anhand von Beispielen detailliert im Vergleich zum Stand
der Technik und in Bezug zu den begleitenden Zeichnungen
beschrieben werden, in denen
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Fig. 1 eine Querschnittsansicht ist, die einen
Halbleiterlaser einer Ausführungsform gemäß der
vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
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Fig. 2 eine Querschnittsansicht eines
Halbleiterlasers
einer anderen Ausführungsform gemäß der
vorliegenden Erfindung ist und
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Fig. 3 eine Querschnittsansicht eines konventionellen
abstimmbaren Halbleiterlasers mit schmaler
Linienbreite ist.
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Um die Unterschiede zwischen dem Stand der Technik und der
vorliegenden Erfindung klar zu machen, wird zuerst ein
Beispiel des Standes der Technik beschrieben.
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Ein Halbleiterlaser, der bezüglich Wellenlängenabstimmung und
Linienbreitenreduzierung untersucht wurde, ist ein
DFB(distributed feedback)-Halbleiterlaser mit langem Hohlraum mit
drei Elektroden, so wie in Fig. 3 gezeigt, und es ist
berichtet worden, daß der Halbleiterlaser einen maximalen
kontinuierlichen Abstimmbereich von 1.9 nm und eine minimale
Linienbreite von 550 kHz aufweist ("TUNABLE, NARROW-LINEWIDTH AND
HIGH-POWER λ/4-SHIFTED DFB LASER", ELECTRONICS LETTERS,
20. Juli 1989, Vol. 25, No. 15, pp 990-992).
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Mit der veranschaulichten Struktur wird der Lochbrenneffekt
(hole burning effect) durch Steuerung des Verhältnisses eines
Stromes Ic eines Mittelbereiches zu einem Strom Is von
Seitenbereichen gesteuert, um die Schwellen-Trägerdichte zu
variieren und so eine Wellenlängenabstimmung zu erreichen.
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In Systemen mit kohärenter Übertragung, von denen erwartet
werden kann, daß sie, Verglichen mit konventionellen
Übertragungssystemen, den Wiederholer(repeater)abstand verlängern
und die Leitungskapazität vergrößern, ist es unentbehrlich,
daß die Lichtquelle an der übertragenden Seite und die als
lokaler Oszillator dienende Lichtquelle an der Empfangsseite
in ihrer Linienbreite schmal und in ihrer
Oszillationswellenlänge
variabel ist, und es ist gefordert, daß ihre
Linienbreite unabhängig von Wellenlängenveränderungen schmal
bleibt.
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In solch einem wellenlängenabstimmbaren Halbleiterlaser des
Standes der Technik wie in Fig. 3 gezeigt, der durch
Steuerung des Lochbrenneffektes in dem Mittelbereich gesteuert
wird, ist jedoch der Wellenlängenabstimmbereich wegen einer
Grenze für die Variation der Trägerdichte durch Unterdrückung
des Lochbrenneffektes nicht so breit wie angestrebt. Außerdem
ist es zur Vergrößerung des Wellenlängenabstimmbereiches bis
nahe an seine Grenze notwendig, das Verhältnis des Stroms des
Mittelbereiches zu dem Strom der Seitenbereiche wesentlich zu
verändern. Mit großer Variation des Stromverhältnisses jedoch
werden die Trägerdichte und die Verteilung des Brechungsindex
in dem Laser deutlich ungleichförmig in Richtung der
Lichtausbreitung, was zu erhöhter Linienbreite führt.
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Entsprechend ist es unmöglich, einen wellenlängenabstimmbaren
Halbleiterlaser zu erhalten, der notwendigerweise und
ausreichenderweise einen breiten Abstimmbereich und eine schmale
Linienbreite hat.
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Ein anderer abstimmbarer DFB-Laser, der aus zwei Gruppen von
Bereichen mit gemeinsamen Elektroden besteht, ist in
DE-A-37 06 866 offenbart.
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Die vorliegende Erfindung wird jetzt beschrieben werden.
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Fig. 1 veranschaulicht eine Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung. In Fig. 1 bezeichnet die Bezugsziffer 1 ein n-Typ-
InP Substrat, 2 eine n-Typ InGaAsP Wellenleiterschicht, 3
eine aktive Schicht InGaAsP, 4 eine
InGaAsP-Ausgleichs(Puffer)schicht und 5 ein Beugungsgitter mit einem Viertel-
Wellenlängen-Phasenverschiebungs-Punkt
6 in seiner Mitte. Die
aktive Schicht 3 ist in fünf Regionen 7, 8, 9, 10 und 11
entlang der Ausbreitungsrichtung des Lichts aufgeteilt, und es
sind Elektroden 12, 13, 14, 15 und 16 auf den entsprechenden
Bereichen gebildet. Die Elektroden 12, 14 und 16 sind
elektrisch untereinander verbunden, um eine erste
Elektrodengruppe zu bilden, während die Elektroden 13 und 15 elektrisch
miteinander verbunden sind, um eine zweite Elektrodengruppe
zu bilden. Die Längen der Bereiche 7, 8, 9, 10 und 11 sind
225um, 100um, 150um, 100um bzw. 225um, und die Gesamt-
Hohlraumlänge ist 800um. Die Bezugszeichen 17, 18, 19 und 20
bezeichnen Bereiche mit hohem Widerstand zur elektrischen
Isolation, die durch Implantation von Protonen usw. gebildet
werden können. Bezugszeichen 21 weist eine n-Seiten-Elektrode
aus. In der Nähe beider Facetten sind Fensterstrukturen 22
und 23 zur Verhinderung der Reflektion von den Facetten
vorgesehen.
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In dieser Ausführungsform sind die Bereiche 7, 9 und 11
Wellenlängensteuerbereiche und die Bereiche 8 und 10 sind
Verstärkungssteuerbereiche. Das Längenverhältnis zwischen beiden
Bereichen ist ungefähr 3:1. Wie vorher beschrieben ist es
möglich, die Laserwellenlänge durch Änderung eines Stromes I&sub1;
zu ändern, der in die Wellenlängensteuerbereiche injiziert
wird, und die Gesamtverstärkung durch Steuerung eines Stromes
I&sub2;, der in die Verstärkungssteuerbereiche injiziert wird,
konstant zu halten.
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Fig. 2 veranschaulicht eine andere Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung. Diese Ausführungsform ist in ihrer
Struktur identisch mit der in Fig. 1 gezeigten, außer daß in
jedem Verstärkungssteuerbereich kein Beugungsgitter
vorgesehen ist, und die Mechanismen zur Wellenlängenabstimmung und
zur Verstärkungssteuerung sind auch dieselben wie die in der
Ausführungsform der Fig. 1. Wenn der Strom zum
Verstärkungssteuerbereich für die Verstärkungssteuerung geändert wird,
verändert sich auch der Brechungsindex des Bereiches, weil
aber der Bereich in dieser Struktur kein Beugungsgitter hat,
wird die Brechungsindexveränderung überhaupt keine Störung
der Laserwellenlänge verursachen. Entsprechend kann von
dieser Ausführungsform erwartet werden, daß sie einen stabileren
Einzelwellenlängen-Betrieb und einen breiteren Abstimmbereich
erreicht.
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Wenn die Laserwellenlänge stark von λ abweicht, vergrößert
sich das Ungleichgewicht zwischen den Mengen der
Injektionsströme entsprechend, aber durch Anwendung einer Struktur, in
der z.B. die Länge pro Einheitsbereich weiter reduziert wird,
um die Anzahl der Bereiche für eine weitere Homogenisierung
des Brechungsindex und anderer Parameter in dem Hohlraum zu
erhöhen, kann die effektive Hohlraumlänge im wesentlichen
konstant gehalten werden und somit die Verschlechterung der
Linienbreite verhindert werden. Entsprechend verbessert sich
in diesen Ausführungsformen, obwohl beschrieben ist, daß sie
fünf Elektroden (d.h. Bereiche) haben, die Homogenität
solcher Parameter wie des Brechungsindex und der Verstärkung
innerhalb des Hohlraums, wenn die Anzahl der Elektroden über
mindestens vier hinaus erhöht wird.
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Die Linienbreite kann durch Verlängerung der Gesamtlänge des
Hohlraums verschmälert werden.
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Darüberhinaus kann ein Gerät mit schmaler Linienbreite durch
Einführung eines solchen Quanteneffektes wie MQW oder
dergleichen in die lichtemittierende Schicht erreicht werden.
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Obwohl im obigen nicht besonders auf die Struktur des
optischen Wellenleiters Bezug genommen wurde, können alle
Wellenleiterstrukturen,
auch eine unterirdische (buried) Struktur,
angewendet werden. Außerdem, was die Halbleitermaterialien
betrifft, kann die vorliegende Erfindung nicht nur mit
solchen der vorher erwähnten InGaASP/InP-Systeme benutzt
werden, sondern auch mit anderen Halbleitermaterialien der
InAlGaAs/InP, AlGaAs/GaAS-Systeme usw..
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Wie oben beschrieben ist es gemäß der vorliegenden Erfindung
möglich, einen Halbleiterlaser zu verwirklichen, der
kontinuierlich abstimmbar ist, einen breiten Abstimmbereich und
gleichmäßig über den gesamten Abstimmbereich eine schmale
Linienbreite hat und der als Lichtquelle mit
Einzelwellenlänge benutzt werden kann.
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Von Ausführungsformen des erfindungsgemäßen abstimmbaren
Halbleiterlasers kann theoretisch erwartet werden, daß sie
einen kontinuierlichen Abstimmbereich von 5 nm oder mehr und
eine Linienbreite unterhalb 500 kHz erreichen.
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Von einer Ausführungsform des abstimmbaren Halbleiterlasers,
in der die periodischen Riffelungen auf keiner der aktiven
Schichten und der den aktiven Schichten benachbarten
Schichten der Verstärkungssteuerbereiche ausgebildet sind, kann
erwartet werden, daß sie einen stabileren
Einzelwellenlängenbetrieb und einen breiteren Abstimmbereich aufweist.
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Der erfindungsgemäße Halbleiterlaser ist sehr
vielversprechend als Lichtquelle für kohärente Übertragung, optische
Messungen usw. und ist daher von großem Nutzen.