DE69104817T2 - Laservorrichtung zur Emission von einmodiger Strahlung mit geringer transversaler Divergenz. - Google Patents

Laservorrichtung zur Emission von einmodiger Strahlung mit geringer transversaler Divergenz.

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Description

    Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft Kanten-emittierende Halbleiterlaser und Vorrichtungen und Systeme, die derartige Laser enthalten.
    • Hintergrund der Erfindung
  • Kanten-emittierende Halbleiterlaser finden in vielen technologischen Bereichen, von optischen Faserkommunikationssystemen bis zu Compact Disc-Spielern, und bis zu schreib-lesefähigen optischen Datenspeichersystemen ihre Anwendung. Bei vielen dieser Anwendungen ist es hocherwünscht, daß der Querschnitt des Laserstrahls im wesentlichen kreisförmig ist. Es ist beispielsweise einfach zu erkennen, daß der erreichbare Kopplungswirkungsgrad zwischen einem Kanten-emittierenden Laser und einer optischen Faser (im speziellen einer Einzelmodenfaser) typischerweise sehr viel höher ist, falls der Laser ein im wesentlichen symmetrisches Fernfeldmuster hat als dies der Fall wäre, falls der Laser ein hochgradig asymmetrisches Fernfeldmuster hätte. Bekanntermaßen haben herkömmliche Kanten-emittierende Halbleiterlaser typischerweise ein hochgradig asymmetrisches Fernfeldmuster.
  • S. Uehara et al. beschreiben beispielsweise in Optoelectronics, Band 5, Seiten 71-80 (1990) einen 0,98 um-InGaAs-Laser mit Quantentrog mit verspannter Schicht, der als leistungsfähige Pumpquelle für einen Erdotierten Faserverstärker beschrieben wird. Wie auf Seite 78 dieser Veröffentlichung beschrieben, war die volle Breite beim halben Maximum (Full Width at Half Maximum, FWHM, Halbhöhenspiztenbreite) des Fernfeldmusters des Lasers parallel zum Übergang des Lasers 7º, war jedoch 50º senkrecht zum Übergang, was zu einem Kopplungsiwrkungsgrad zu einer Einzelmodenfaser von lediglich ungefähr 20 % führte.
  • V.S. Shah et al. beschreiben in Journal of Lightwave Technology, Band 8 (9), Seiten 1313-1318 (1990) eine Technik zum Verbessern des Kopplungswirkungsgrades zwischen einem herkömmlichen Laser (d.h. einem Laser mich hochgradig elliptischem Fernfeldmuster) und einer Einzelmodenfaser. Diese Technik umfaßt das Bereitstellen einer Faser mit einer keilförmigen Endfläche und typischerweise einem sich nach oben verjüngenden Ende. Der maximal erreichte Kopplungswirkungsgrad betrug 47 %.
  • Eine derartige Technik wäre klarerweise außerhalb des Labors schwierig zu realisieren und ist in jedem Falle lediglich an Laser-Faserkombinationen angepaßt.
  • Y.C. Chen et al. beschreiben in Electronic Letters, Band 26 (17) Seiten 1348-1350 (1990) einen Laser mit einer Strahldivergenz in der Richtung senkrecht zum Übergang, die mit derjenigen parallel zum Übergang vergleichbar ist. Der Laser ist ein Einzelquantenmuldenlaser, der vier passive Wellenleiter umfaßt, wobei die sich ergebende Anordnung 5 Eigenmoden hat, wobei berichtet wird, daß der Eigenmode im Bertriebszustand derjenige mit dem größtem Einschlußfaktor mit dem Verstärkungsmedium ist. Falls ein derartiger Laser bei hohen Leistungspegeln betrieben wird, wird dieser häufig nicht nur den fundamentalen Mode emittieren, sondern ebenfalls Moden höherer Ordnung, welches wiederum zu verschlechtertem Kopplungswirkungsgrad führt.
  • Verminderte Asymmetrie des Fernfeldmusters würde nicht nur erhöhten Wirkungsgrad des Lichtsammelns ermöglichen, sondern könnte es neben anderem ebenfalls ermöglichen, die Anforderungen an die Abberationskorrektur zu senken. Ein relativ kreisförmiger Strahl mit niedrigem Divergenzwinkel (beispielsweise 10º mal 10º) könnte ebenfalls die Toleranzen gegenüber Fehljustierung für die Laser/Faserkopplung deutlich entlasten.
  • Im Hinblick auf die erreichbaren Vorteile bei Verfügbarkeit eines Kanten-emittierenden Einzelmodenlasers mit verminderter Asymmetrie des Fernfeldmusters wären Laser von großem Interesse, die zuverlässig bei allen wichtigen Leistungspegeln einzelmodig sind und die ein im wesentlichen symmetrisches Fernfeldmuster haben. Diese Anmeldung beschreibt derartige Laser.
    • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die Erfindung ist in Anspruch 1 definiert. Diese umfaßt generell einen Kanten-emittierenden Laser mit einer Einzel-Wellenleiteranordnung und umfaßt eine Einrichtung zum Vermindern der transversalen Fernfelddivergenz der emittierten Strahlung im Vergleich zu einem ansonsten identischen Laser ohne diese Einrichtung. Die Einrichtung umfaßt eine Reflektoreinrichtung, beispielsweise einen querverteilten Bragg-Reflektor bzw. einen Transverse Distributed Bragg Reflector oder TDBR, einschließlich eines quasiperiodischen TDBR, der im wesentlichen parallel zum Übergang des Lasers angeordnet ist. In typischer Weise ist in erfindungsgemäßen Einrichtungen die Fernfeld-Querdivergenz höchstens das Doppelte der Divergenz in der Ebene des Übergangs und vorzugsweise sind die beiden Divergenzen im wesentlichen gleich und unterhalb von 20º. In einer speziellen bevorzugten Ausführungsform, die periodische TDBRs umfaßt, ist die Periode A, die zu den TDBRs gehört, so ausgewählt, daß A = % ist, wobei % die geführte Wellenlänge der ausgesandten Strahlung in der Laseranordnung ist. Generell gilt 2 λg > Λ ≥ λg.
  • Das IEEE Journal of Quantum Electronics, Band QE-15, Nr. 3, März 1979, Seiten 128-134 beschreibt eine Laseranordnung mit symmetrisch verteiltem Bragg-Einschluß (Symmetric Distributed Bragg Confinement Laser, DBC-Laser) entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Anspruch 4 betrifft eine Vorrichtung mit einem Laser wie in Anspruch 1 definiert.
    • Figurenbeschreibung
  • Fig. 1 zeigt schematisch einen beispielhaften erfindungsgemäßen Kanten-emittierenden Laser,
  • Fig. 2 zeigt schematisch die Leitungsbandkante eines wichtigen Abschnitts eines beispielhaften Quantentroglasers mit quer verteilten Bragg-Reflektoren (TDBRs),
  • Fig. 3 zeigt die Quer-Fenfeldverteilung in einem beispielhaften erfindungsgemäßen Laser,
  • Fig. 4 zeigt Kurven der quer verlaufenden Strahldivergenz als Funktion der TDBR-Brechungsindexstufe Δn bei einem beispielhaften erfindungsgemäßen Laser und
  • Fig. 5 zeigt Kurven der Strahlungsintensität als Funktion der Fernfeldmuster in Querrichtung für einen beispielhaften erfindungsgemaßen Laser.
    • Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
  • Fig. 1 zeigt schematisch einen beispielhaften erfindungsgemaßen Laser 10. Auf dem Substrat 11 (beispielsweise n&spplus; GaAs) ist eine Mehrlagenstruktur 12 ausgebildet, die einen aktiven Bereich 13 (beispielhaft mit einem oder mehreren Quantentrögen d.h. Quantenmulden) und quer verteilte Bragg-Reflektoren (TDBRs) 140 und 141 umfaßt. Einrichtungen 150 und 151 zur Herstellung elektrischen Kontaktes zum Laser sind ebenfalls dargestellt. Das Bezugszeichen 16 bezeichnet die von dem Laser emittierte Strahlung. Es ist festzuhalten, daß neben einer Metallisierungsschicht (nicht dargestellt) und möglicherweise anderen Hilfsschichten (ebenfalls nicht dargestellt) die Mehrlagenstruktur 12 eine Halbleiter-Heterostruktur mit im wesentlichen abrupten (und typischerweise einigen kontinuierlichen) Änderungen der Zusammensetzung ist. Es wird ebenfalls festgehalten, daß TDBRs nicht periodisch sein müssen sondern quasi-periodisch sein können (beispielsweise "zwitschernd", "chirped"). Die Verwendung quasiperiodischer TDBRs kann eine Senkung der Reflektordicke ermöglichen, während im wesentlichen die Fähigkeit, Strahlquerdivergenz zu senken, bewahrt wird.
  • Fig. 2 zeigt schematisch die Leitungsbandkante des relevanten Abschnitts der Mehrlagenstruktur 12. Die Figur kann ebenfalls so verstanden werden, daß sie schematisch das Querschnitts-Zusammensetzungsprofil der Anordnung darstellt. Der aktive Bereich 13 besteht aus drei 7 nm dicken In0,2Ga0,8As-Quantentrögen und 4 GaAs-Barrieren. Jeder TDBR (140, 141) besteht aus einer Vielzahl von Halbleiterschichten, beispielsweise acht Paaren aus Al0,15Ga0,85As/Al0,05Ga0,95As-Schichten. Die Bezugszeichen 200 und 201 bezeichnen getrennte einschließende Schichten mit sich änderndem Brechungsindex (Gradientenbrechungsindex-Einschlußschichten). Der Abstand zwischen den zwei TDBRs wird vorteilhafterweise auf ungefähr eine Periode eingestellt, beispielsweise ungefähr 0,3 um für einen 0,98 um-Laser.
  • Die theoretische Basis für die Konstruktion einer gemäß der Erfindung in einem Laser verwendbaren TDBR-Struktur ist bekannt. Siehe beispielsweise P. Yeh et al., Journal of the Optical Society of America, Band 67 (4), seiten 423-438 (1977), speziell Gleichung 59. Siehe ebenfalls P. Yeh et al., Applied Physics Letters, Band 32 (2), Seiten 104-105 (1978). In Kürze gesagt ist die Anordnung so, daß der quergerichtete Wellenvektor der lasernden Mode (kx) die Bedingung kx= π/Λ erfüllt, wobei Λ vorstehend als Periode der TDBR-Mehrfachschichten definiert war. Dies ist ähnlich zu der bekannten longitudinalem Umlaufphasenbedingung für konventionelle um λ/4 verschobene Laser mit verteilter Rückkopplung (DFB-Laser). Wie die λ/4- verschobenen DFB-Laser einzig einen einzelnen logitudinalen Moden auswählen, wählt ein korrekt konstruierter TDBR-Laser lediglich den fundamentalen Quermode aus und unterdrückt alle Moden höherer Ordnung.
  • Ein bedeutender Konstruktionsparameter für erfindungsgemäße Laser ist Λ, der Wiederholungsabstand des TDBP.- Typischerweise ist 2λg > Λ ≥ λg, wobei λg die "geführte" Wellenlänge ist, d.h. die Wellenlänge im Wellenleiter der Laserstrahlung. Da Halbleiterlaser typischerweise M Materialien mit relativ hohem Brechungsindex umfassen, sollte man sich bewußt sein, daß λg typischerweise viel kürzer als die Wellenlänge der Laserstrahlung in Luft ist.
  • Durch Herstellung von &Lambda; < 2&lambda;g wird die Ausbildung eines Oberflächen-emittierenden Lasers mit gekoppelter Kavität mit Gitter zweiter Ordnung verhindert. Dies verhindert die Möglichkeit von Quermoden höherer Ordnung. Andererseits kann keine Querresonanz für &Lambda; < &lambda;g auftreten. Es wird darauf hingewiesen, daß aufgrund neben anderem dem großen Bereich möglicher &lambda;g die Konstruktion eines erfindungsgemäßen Lasers typischerweise ein iteratives Vorgehen und selbst-konsistente Erfassung der Laserparameter erfordert.
  • In einer derzeit bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist &Lambda;=&lambda;g. Dies führt in seiner Wirkung zur Ausbildung zweier gekoppelter Kavitäten, wobei eine zu den Längsabmessungen des Wellenleiters gehört und die andere zu demjenigen eines Oberflächen-emittierenden Lasers mit vertikaler Kavität und Gitter zweiter Ordnung (Vertical 2nd Order Grating Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL). Die Existenz dieser "gekoppelten Kavitäten" führt zu einem besonders stabilen Laserausgangssignal (die Laserwellenlänge ist beispielsweise weniger empfindlich gegenüber Temperatur und/oder Ausgangsleistungsänderungen), da im allgemeinen lediglich einer der vielen erlaubten longitudinalen Moden sowohl in der Nähe des Maximum des Verstärkungsspektrum ist als auch die zweite Ordnung SEL-Umlaufphasenbedingung erfüllt.
  • Die optische Querfeldverteilung in einem Laser mit der Schichtstruktur aus Fig. 2 ist in Fig. 3 dargestellt, welche den entsprechenden Ort der Mitte des aktiven Bereichs des Lasers als auch den Ort der TDBR angibt. Wie zu erkennen ist, erstreckt sich ein wesentlicher Anteil des gesamten optischen Feldes in die TDBRs. Der evaneszente Abfall der optischen Intensität in den TDBRs, welcher die Strahldivergenz festlegt, wird auf einfache Weise durch den Unterschied der Brechungsindizes (&Lambda;n) des TDBR's gesteuert.
  • Fig. 4 zeigt die berechnete Strahlquerdivergenz als Funktion von &Lambda;n für drei verschiedene Abstände (tc) zwischen den TDBRs. Durch Auswahl des geeigneten tc und &Lambda;n kann die Strahlquerdivergenz an die seitliche Divergenz für beispielsweise optimale Kopplung in eine Einzelmodenfaser oder für das Erreichen minimaler fokussierter Punktgröße angepaßt werden. Die experimentellen Daten stimmen sehr gut mit den theoretischen Ergebnissen überein. Die Berechnung beruhte auf einer bekannten Theorie, wie sie beispielsweise in den vorstehend zitierten Veröffentlichungen von Yeh et al. enthalten ist.
  • Fig. 5 zeigt die beobachteten Quer-Fernfeldmuster für verschiedene Ausgangsleistungen eines breitflächigen TDBR-Lasers (50 um Breite) gemäß der Erfindung. Es wurden extrem stabile Quer-Fernfeldmuster für Ausgangsleistungen von 0 - 1,38 Watt (pro Fläche) ohne irgendeine Änderung der Strahlform beobachtet. Die beobachteten Quer-Fernfeldmuster (d.h. zur Ebene des Übergangs senkrechten Fernfeldmuster) und ein FWHM-Winkel von 15,6º stimmen gut mit den theoretischen Vorhersagen überein.
  • Erfindungsgemäße Laser sind durch bekannte Techniken herstellbar. Beispielsweise wurden auf einem n&spplus;-GaAs-Substrat durch MBE in Folge die nachstehenden Schichten abgeschieden: eine 500 nm n&spplus; GaAs-Pufferschicht, 8 Paare von Al0,15Ga0,85As/Al0,05Ga0,95As-Schichten, wobei jede der Schicht 150 nm dick war, auf 5x10¹&sup8;cm&supmin;³ n-dotiert war; eine 100 nm dicke Al0,15Ga0,85As-Schicht, auf 5x10¹&sup8;cm&supmin;³ n-dotiert; eine 164 nm dicke AlxGa1-xAs-Schicht (wobei x linear von 0,15 auf 0 abnahm), n-dotiert auf 5x10¹&sup8;cm&supmin;³; eine 10 nm GaAs-Schicht, n-dotiert auf 3x10¹&sup7;cm&supmin;³; drei 7 nm dicke In0,2Ga0,8As-Schichten (nicht absichtlich dotiert) getrennt durch 12 nm dicke GaAs-Schichten (nicht absichtlich dotiert); eine 10 nm GaAs- Schicht, p-dotiert auf 3x10¹&sup7;cm&supmin;³; eine 164 nm AlxGa1-xAs-Schicht (wobei x linear von 0 auf 0,15 zunahm), p-dotiert auf 5x10¹&sup8;cm&supmin;³; eine 100 nm Al0,15Ga0,85As-Schicht, p-dotiert auf 5x10¹&sup8;cm&supmin;³; 8 Paare von Al0,15Ga0,85As/Al0,05Ga0,95As-Schichten, wobei jede der Schichten 150 nm dick war, auf 5x10¹&sup8;cm&supmin;³ p-dotiert war und eine 150 nm p&spplus;&spplus; GaAs-Deckschicht. Die sich ergebende Mehrlagenstruktur wurde durch herkömmliche Einrichtungen (umfassend Lithographie, Naßätzen, Metallisierung, Spaltung) zu individuellen Lasern bearbeitet.

Claims (6)

1. Kanten-emittierender Halbleiterlaser, welcher zur Emission von Einzelmodenstrahlung geeignet ist, wobei dem Laser ein Übergang, eine Längsrichtung und in einer Ebene senkrecht zur Längsrichtung eine erste Richtung senkrecht zum Übergang zugehörig ist und eine zweite Richtung parallel zum Übergang zugehörig ist und zu der Strahlung ein Fernfeldmuster mit einer Divergenz jeweils in der ersten und der zweiten Richtung gehört, wobei der Laser eine einzelne Wellenleiterstruktur enthält und ferner eine Einrichtung zum Vermindern der Divergenz des Fernfeldmusters in der ersten Richtung enthält, wobei die Einrichtung umfaßt,
eine Reflektoreinrichtung (140, 141), die im wesentlichen parallel zum Übergang angeordnet ist und einen verteilten Bragg-Reflektor hat, welcher eine Vielzahl von Halbleiterschichten mit einer ersten Schicht mit einem ersten Brechungsindex und einer zweiten Schicht, welche mit der ersten Schicht in Kontakt steht und einen zweiten Brechungsindex hat, der vom ersten Brechungsindex abweicht, hat,
dadurch gekennzeichnet, daß dem verteilten Bragg-Reflektor eine Schichtperiode &Lambda; zugeordnet ist, die derart ausgewählt ist, daß 2&lambda;g > &Lambda; &ge; &lambda;g, wobei &lambda;g die geführte Wellenlänge der Einzelmoden- Strahlung in dem Laser ist.
2. Laser nach Anspruch 1, umfassend zwei verteilte Bragg-Reflektoren im wesentlichen parallel zur Längsrichtung und einen oder mehrere Quantentröge (13), die zwischen den zwei verteilten Bragg-Reflektoren angeordnet sind, wobei &Lambda; = &lambda;g ist.
3. Laser nach Anspruch 1, in welchem der Reflektor ein quasi-periodischer verteilter Bragg-Reflektor ist.
4. Vorrichtung umfassend
a) einen Halbleiterlaser,
b) eine Einrichtung zum Fließenlassen eines Stroms durch den Laser, so daß der Laser elektromagnetische Strahlung emittiert und
c) eine Benutzereinrichtung, die zum Empfangen wenigstens eines Teils der durch den Halbleiterlaser emittierten Strahlung geeignet ist, wobei der Laser ein Kanten-emittierender Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 3 ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei welcher die Vorrichtung eine optische Faserkommunikationsvorrichtung ist und die Einrichtung von c) eine optische Faser umfaßt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4, in welcher die Vorrichtung eine Datenverarbeitungsvorrichtung ist und die Einrichtung von c) eine optische Datenspeichereinrichtung umfaßt.
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