DE69210589T2

DE69210589T2 - Halbleiterlaser

Info

Publication number: DE69210589T2
Application number: DE69210589T
Authority: DE
Inventors: Rodney Tucker
Original assignee: University of Melbourne
Current assignee: University of Melbourne
Priority date: 1991-02-13
Filing date: 1992-02-12
Publication date: 1996-10-02
Anticipated expiration: 2012-02-13
Also published as: WO1992015136A1; EP0571476A1; ATE137893T1; JPH06505364A; CA2103720A1; AU636792B2; EP0571476A4; DE69210589D1; EP0571476B1; AU8343991A

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf einen Haibleiterlaser und insbesondere auf einen verbesserten Halbleiterlaser mit niedrigem Schwellenstrom und hohem externen Quantenwirkungsgrad.
Die meisten bekannten Halbleiterlaser umfassen einen einzelnen Halbleiterchip mit einem Paar von elektrischen Kontakten. Einer dieser Kontakte ist mit einem p-leitfähigen bzw. p-Typ- Material an einer Seite einer internen Sperrschichtdiode verbunden, und der andere Kontakt ist mit einem n-Typ-Material an der anderen Seite der internen Sperrschichtdiode verbunden. Der Laser wird betrieben, wobei der p-Typ-Kontakt (oder die Anode) mit einer mit Bezug auf den n-Typ-Kontakt (oder die Kathode) positiven Versorgungsspannung verbunden ist, so daß die interne Grenzschicht bzw. der interne übergang in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist. In die in Vorwärtsrichtung vorgespannte Grenzschicht gepumpter oder injizierter Strom bewirkt ein Ansteigen der Ladungsträgerdichte in der aktiven Schicht des Lasers, was die optische Verstärkung in der aktiven Schicht vergrößert. Die aktive Schicht ist im allgemeinen auf einen schmalen Streifen beschränkt, um die Ladungsträger zu begrenzen, und das optische Feld ist herkömmlicherweise durch eine Wellenleiterstruktur auf das Gebiet des aktiven Streifens eingezwängt. Der Anschlußklemmenstrom, bei dem die optische Verstärkung in dem Laser gerade ausreichend ist, um ein Aufnehmen der Laserfunktion zu erzeugen bzw. sog. Lasing hervorzurufen, ist als der Schwellenstrom bezeichnet. Wenn der Anschlußklemmenstrom über diesen Schwellenstrom hinaus vergrößert wird, vergrößert sich die Lichtabgabe aus dem Laser merklich.
Es gibt eine Anzahl von Berichten über Mehrfachabschnitt- Halbleiterlaser mit mehrfachen Abschnitten entlang der Länge des aktiven Bereichs. Diese Laser schließen spaltflächen-gekoppelte Resonatorlaser ("cleaved-coupled cavity laser"), Mehrfachabschnitt-Laser mit verteilter Rückkopplung, abstimmbare Laser mit verteilten Braggreflektoren bzw. abstimmbare DBR-Laser und Verstärkungsübersetzungslaser ("gain-levered lasers") ein. Diese Laser haben im allgemeinen mehr als einen p-Typ-Kontakt bzw. Anschluß (oder Anode), aber teilen sich den gleichen n-Typ-Kontakt (oder Kathode). Das Verfahren zum Ansteuern dieser Laser hängt von der speziellen Anwendung ab. Jedoch werden bei bisher bekannten Mehrfachabschnitt-Lasern die Mehrfach-Abschnitte in dem Laser elektrisch angesteuert, wobei getrennte Ansteuerströme für jeden Abschnitt eingesetzt sind. Da die getrennten Abschnitte entlang der Länge des aktiven Bereichs dieser Laser parallel betrieben werden, ergibt sich der Gesamtschwellenstrom der Mehrfachabschnitt-Einrichtung im wesentlichen als die Summe der Ströme der einzelnen Abschnitte beim Einsetzen der Lasertätigkeit.
Zwei wesentliche Anforderungen an Halbleiterlaser für viele Anwendungen sind, daß sie (a) einen geringen Schwellenstrom und (b) einen hohen externen Quantenwirkungsgrad haben (definiert als das Verhältnis der Gesamtanzahl emittierter Photonen pro Zeiteinheit zur Anzahl der durch die äußeren Anschlüsse pro Zeiteinheit in die Einrichtung injizierten Elektronen). Bei bisherigen Halbleiterlaserentwürfen wurden der Schwellenstrom und Quantenwirkungsgrad durch die Tatsache begrenzt, daß jedes in die Einrichtung injizierte Elektron maximal einen Ladungsträger (das heißt, Loch-Elektron-Paar) in dern aktiven Bereich erzeugt. Aus diesem Grund war der externe Quantenwirkungsgrad bei allen bisherigen Entwürfen nicht größer als 100 %.
Bei Anwendungen die es erfordern, daß der Laser durch ein elektrisches Eingangssignal mit sehr hochfrequenten Frequenzanteilen (1 GHz und mehr) moduliert wird, ist es oft notwendig, eine Impedanzanpassung des Lasers an die elektrische Signalquelle vorzunehmen. Viele elektrische Signalquellen in diesem Frequenzbereich haben einen Ausgang mit einer charakteristischen Impedanz von 50 Ohm. Somit sollte für eine gute Impedanzanpassung an einen Laser der Laser einen Eingangswiderstand von 50 Ohm haben. Jedoch haben herkömmliche Halbleiterlaser einen Eingangswiderstand in der Größenordnung von 1 bis 5 Ohm, der sich aus einem Grenzschichtwiderstand von weniger als einem Ohm und einem Reihenkontaktwiderstand von 1 bis 5 Ohm ergibt. Eine allgemeine Lösung für dieses Impedanzanpassungsproblem besteht im Anschluß eines 47-Ohm Widerstands in Reihe zu dem Laser. Diese Lösung stellt eine annehmbare Impedanzanpassung zur Verfügung, aber ist ineffizient, da der größte Anteil der HF-Leistung als wärme in dem Widerstand verlorengeht.
Für ausführlichere Erläuterungen in Bezug auf aus dem Stand der Technik bekannte Halbleiterlaser können die folgenden Veröffentlichungen herangezogen werden, deren vollständiger Inhalt hierin durch Bezugnahme eingeschlossen ist.
1. I.P. Kaminow und R.S. Tucker, "Mode-controlled semiconductor lasers", in Guided-Wave Optoelectronics, Ed. T. Tamir, Springer Verlag, Berlin, 1988.
2. J.E. Bowers und M.A. Pollack, "Semiconductor lasers for telecommunication", in Optical Fiber Telecommunications II, Ed. S.E. Miller und I.P. Kaminow, Academic Press, San Diego, 1988.
3. G.P. Agrawal und N.K. Dutta, "Long-Wavelength Semiconductor Lasers", Van Nostr und Reinhold, New York, 1986.
4. W.T. Tsang, N.A. Olsson und R.A. Logan, "High speed direct single-frequency modulation with large tuning rate und frequency excursion in cleaved-coupled cavity semiconductor lasers," Appl. Phys. Lett., Vol 42, S. 650-652, 1983.
5. M. Kuznetsov, L.W. Stulz, T.L. Koch, U. Koren und B. Teil, "Tuneable two-segment distributed feedback lasers," Electron. Lett., Vol 25, S. 686-687, 1989.
6. H. Shoji, Y. Arakawa und Y. Fujii, "New bistable wavelength switching device using a two-electrode distributed feedback laser," IEEE Photon. Technol. Lett., Vol 2, S. 109- 110, 1990.
7. T.L. Koch, U. Koren, R.P. Gnall, C.A. Burrus und B.I. Miller, "Continuously tuneable 1.5 micron multiple-quantum-well GalnAs/GalAsP distributed Bragg reflector lasers," Elektron. Lett., Vol 24, S. 1431-1433, 1988.
8. D. Gajic und K.Y. Lau, "Intensity noise in the ultrahigh efficiency t undem-contact quantum weil lasers," Proceedings, Conference on Lasers und Electrooptics, Anaheim, California, 21. - 25. Mai 1990, S. 362-364.
9. R.S. Tucker, "High-speed modulation of semiconductor lasers," J. Lightwave Technol., Vol. Lt-3, S. 1180-1192, 1984.
10. J. Schlafer und R.B. Lauer, "Microwave packaging of optoelectronic components," IEEE Trans. Microwave Theory Tech., Vol 38, S. 518-523.
11. Y. Arakawa und A. Yariv, "Quantum well lasers - gain, spectra dynamics," IEEE J. Quantum Electron., Vol 22, S. 1887-1899, 1986.
12. T. Saitoh und T. Mukai, "Recent progress in semiconductor laser amplifiers", J. Lightwave Technol., Vol 6, S. 1656-1664, 1988.
13. M. Gustavsson, A. Karlsson und L. Thylen, "Travelling wave semiconductor laser amplifier detectors," J. Lightwave Technol., Vol 8, S. 610-617, 1990.
Eine Aufgabe dieser Erfindung besteht darin, einen verbesserten Halbleiterlaser zu schaffen, der die Einschränkung bekannter Halbleiterlaser überwindet oder vermeidet, indem er einen geringeren Schwellenstrom und einen höheren externen Quantenwirkungsgrad hat.
Demzufolge schafft die Erfindung einen Halbleiterlaser mit:
einem Körper aus Halbleitermaterial;
mehreren zweifach Heterogrenzschicht-Übergangslaserabschnitten, die in diesem Körper definiert sind, wobei die Laserabschnitte innerhalb des Körpers elektrisch voneinander isoliert sind, jeder der mehreren Laserabschnitte einen aktiven Bereich hat, wobei die aktive Bereiche in Richtung der Laseremission optisch miteinander gekoppelt sind; und
einer Verbindunganordnung, die die mehreren Laserabschnitte miteinander in Reihe schaltet.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung schafft die Erfindung einen Halbleiterlaser mit:
einem Körper aus Halbleitermaterial; einem in dem Körper definierten ersten Laserabschnitt, wobei der erste Laserabschnitt eine erste n-Schicht und eine erste p-Schicht enthält, welche einen ersten Zweifachheteroübergang ausbilden, wobei ein erster aktiver Bereich an dem ersten Zweifachheteroübergang angeordnet ist;
einem in dem Körper definierten zweiten Laserabschnitt, wobei der zweite Laserabschnitt eine zweite n-Schicht und eine zweite p-Schicht enthält, welche einen zweiten Zweifachheteroübergang ausbilden, wobei ein zweiter aktiver Bereich an dern zweiten Zweifachheteroübergang angeordnet ist, der zweite aktive Bereich optisch eng mit dem ersten aktiven Bereich in der Richtung der Laseremission gekoppelt ist;
einer in dem Körper angeordneten Isolatoranordnung zum elektrischen Isolieren der ersten n-Schicht von der zweiten n- Schicht; und
einer Einrichtung zum elektrischen Koppeln der ersten p- Schicht mit der zweiten n-Schicht.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung schafft die Erfindung einen Halbleiterlaser mit:
einem Körper aus Halbleitermaterial;
mehreren in dem Körper definierten Laserabschnitten, wobei die Laserabschnitte einen Stapel aus Schichten aus Halbleitermaterial umfassen, welcher eine oberflächenemittierende Einrichtung mit vertikalem Resonator ausbildet, wobei jeder der mehreren Laserabschnitte einen aktiven Bereich hat, die aktiven Bereiche optisch miteinander gekoppelt sind; und
einer Verbindungsanordnung, die die mehreren Laserabschnitte in Reihe zueinander elektrsich verbindet.
Zum besseren Verständnis der Erfindung sind nun spezifische Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische seitliche Schnittansicht eines Halbleiterlasers gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 2 eine Fig. 1 ähnliche Ansicht einer Modifikation des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels;
Fig. 3a eine schematische Draufsicht auf einen Halbleiterlaser gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 3b eine schematische Perspektivansicht des Lasers aus Fig. 3(a); und
Fig. 4 eine Querschnittsansicht eines Halbleiterlasers gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 1 zeigt den grundlegenden Aufbau des Lasers. Die Darstellung zeigt einen Querschnitt des Lasers für n = 3 (drei Abschnitte). Die drei Abschnitte 10, 11 und 12 sind durch kurze Abschnitte halbisolierenden oder isolierenden Materials 13 zwischen dem p-Typ-Material an den Anodenseiten der drei Abschnitte sowie zwischen dem n-Typ-Material an den Kathodenseiten des Lasers elektrisch voneinander isoliert. Die Kathoden der Abschnitte 10 und 11 sind jeweils mit den Anoden der Abschnitte 11 und 12 querverbunden. Die verschiedenen Anschlüsse an die Anoden und Kathoden erfolgen durch Ohm'sche Kontakte 9. Der aktive Bereich oder die aktive Schicht 14 und ihr zugehöriger optischer Wellenleiter ist in Fig. 1 als über die gesamte Länge des Lasers kontinuierlich dargestellt. Dies erfordert einen kurzen bzw. kleinen Abstand zwischen den drei Abschnitten des Lasers, um optische Verluste in den nicht gepumpten Bereichen zwischen den Abschnitten zu minimieren. Alternativ könnte der aktive Bereich 14 des Lasers eng an einen passiven Wellenleiter 15 (Fig. 2) entlang der gesamten Länge der Einrichtung gekoppelt sein, wobei für die Herstellung abstimmbarer DBR-Laser und anderer integrierter Fotoeinrichtungen kürzlich entwickelte Verfahren verwendet werden können. Diese enge Kopplung erzeugt eine übertragung optischer Leistung mit geringem Verlust von einem aktiven Bereich eines Abschnitts zu dem passiven Wellenleiter und zurück zu dem aktiven Bereich des nächsten benachbarten Abschnitts. Mit dieser Möglichkeit konnte das Material des aktiven Bereichs 14 in den Zwischenräumen zwischen den Abschnitten von dem passiven Wellenleiter 15 weggeätzt werden, wodurch durch ungepumptes aktives Material bedingte Verluste beseitigt wurden.
Fig. 3(a) und 3(b) zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei der Laser detaillierter dargestellt ist und planar aufgebaut ist, und wobei die Grenzschichtebene parallel zu der Halbleiterkristalloberfläche 16a ist. Die Einrichtung ist in bzw. aus einem halbisolierenden Körper 16 ausgebildet, um jeweils eine elektrische Isolation zwischen den n-Typ-Kathodenbereichen 17, 18 und 19 unter jedem Abschnitt 10, 11, 12 vorzusehen. Der Körper ist auf einem halbisolierenden Substrat 16c ausgebildet. Herkömmliche Ohm'sche Kontakte zu dem p-Typ-Material erfolgen jeweils an den Anoden 20, 21 und 22 jedes Abschnitts. Das n-Typ-Material an der Kathode jedes Abschnitts liegt teilweise unterhalb des aktiven Bereichs 14 und erstreckt sich zu beiden Seiten des aktiven Bereichs. Auf einer Seite erstreckt sich das n-Typ-Material unterhalb einer Wanne 23a, 23b oder 23c und erstreckt sich auf der anderen Seite des n-Typ-Bereichs unter den halbisolierenden Bereich 16 und die Kontaktmetallisierung 24, die einen Ohm'schen Kontakt zu der p-Schicht hat (dies ist klar in Fig. 3 (b) sichtbar). Die Wannen 23a, 23b, 23c sind abwechselnden seitlich des aktiven Bereichs 14 in den halbisolierenden Körper 16 eingeätzt, um Zugriff auf die n-Typ-Schichten 17, 18 und 19 zu ermöglichen, und herkömmliche Ohm'sche Kontakte zu den n-Typ-Schichten erfolgen am Boden der Wannen. Bereich 14 könnte einen passiven Wellenleiter wie oben beschrieben enthalten, um optische Leistung eng von einem Abschnitt zum nächsten zu koppeln, oder ein kurzer Abstand zwischen den aktiven Bereichen kann verwendet werden, um eine optische Kopplung mit geringen Verlusten zwischen den aktiven Bereichen benachbarter Abschnitte vorzusehen. Die Metallisierung 24 wird verwendet, um jede der n-Typ-Schichten 17, 18 und 19 mit den geeigneten p-Typ-Schichten 20, 21 und 22 an angrenzenden Abschnitten zu verbinden. Die mit der n-Typ- Schicht 19 in Abschnitt 12 verbundene Metallisierung 24 stellt eine Verbindung zu der n-Kontakt-Verdrahtungsanschlußfläche bzw. dem n-Kontakt-Bondingpad 50 für den Laser her, und die Metallisierungsschicht 24 mit einem Ohm'schen Kontakt zu dem p-Typ-Material in Abschnitt 10 ist die p-Kontakt-Verdrahtungsanschlußfläche für den Laser. Die Metallisierungsschicht 24 oberhalb des Abschnitts 10 bildet eine Verdrahtungsanschlußfläche ähnlich der Anschlußfläche 50 aus. Kristallendflächen bzw. Endfacetten 26 und 26a treten an entgegengesetzten Enden des Lasers auf, und die punktierten Linien 27 geben die Grenzen der vergrabenen n-Typ-Schichten wieder.
Aus Gründen der Einfachheit ist der in Fig.en 1 bis 3 schematisch dargestellte Laser eine Fabry-Perot-Einrichtung, die in den obigen Veröffentlichungen 1 bis 3 erörtert ist, und die keine Vorkehrungen zur Steuerung des optischen Spektrums hat. Jedoch können die Entwurfsprinzipien des Lasers dieser Erfindung auf Halbleiterlaser mit eingebauten Wellenlängensteuerstrukturen wie beispielsweise auf Laser mit verteilter Rückkopplung und DBR-Laser angewendet werden. Das Halbleitermaterial in der aktiven Schicht oder dem aktiven Gebiet kann ein Substratmaterial bzw. Bulkmaterial wie beispielsweise GaAs oder InGaAsP (abhängig von der vorgesehenen Betriebswellenlänge) oder ein Quantentopf- bzw. Potentialtopfmaterial sein. Potentialtopf-Laser bieten die Möglichkeit verringerter Schwellenströme, verglichen mit Lasern, die Grundmaterial bzw. Bulkmaterial in der aktiven Schicht verwenden, und der durch diese Erfindung geschaffene Laser ist bestrebt diesen Schwellenstrom weiterhin um einen Faktor von n zu verringern (wobei n die Anzahl von isolierten Laserabschnitten ist). Das Haibleitermaterial in der aktiven Schicht würde herkömmlicherweise unter Verwendung eines herkömmlichen epitaxialen Aufwachsverfahrens wie beispielsweise Gasphasenepitaxie (VPE = vapour phase epitaxi), Molekularstrahlepitaxie (MBE = molecular beam epitaxi) oder metallorganische Gasphasenepitaxie (MOVPE = metalorganic vapour phase epitaxi) aufgewachsen werden. Die elektrische Isolation zwischen den n-Typ-Kathodenbereichen 17, 18 und 19 würde unter Verwendung herkömmlicher Verarbeitungsverfahren folgen. Beispielsweise könnten die n- Typ-Kathodenbereiche anfänglich in einer durchgängigen Schicht hergestellt werden und dann durch Dotieren oder Implantieren von p-Typ-Material oder anderen Dotierstoffen in die Isolationsschichten isoliert werden, um das dazwischen auftretende Material halbisolierend zu machen und deshalb die n-Typ-Kathodenbereiche zu isolieren.
Der in Fig. 3(a) und 3(b) dargestellte Laser hat einen planaren Aufbau, bei dem die Grenzschichtebene parallel zur Halbleiterkristalloberfläche 16a ist. Ein (nicht dargestelltes) alternatives Ausführungsbeispiel bestünde darin, eine quer verlaufende Grenzflächenanordnung zu verwenden. Bei einer Einrichtung mit quer verlaufender Grenzfläche wäre die Struktur ähnlich der in Fig. 3 gezeigten, aber mit einer unterschiedlichen Grenzflächengeometrie.
Ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 4 dargestellt. In diesem Fall handelt es sich bei dem Laser um eine an einer Oberfläche emittierende Vertikal-Resonator-Einrichtung ("vertical-cavity surface-emitting device") und das Licht pflanzt sich durch die Einrichtung in einer zur Grenzschichtebene senkrecht verlaufenden Richtung fort. Fig. 4 ist ein Querschnitt der Einrichtung, rechtwinklig zu den Ebenen der einzelnen Grenzschichten bzw. übergänge. Der Laser umfaßt einen Stapel von Schichten aus Halbleitermaterial, wobei es sich bei einigen um Potentialtopfmaterialien handeln kann. Schichten von p-Typ-Material 28 und n-Typ-Material 29 schlie ßen das aktive Material 30 für jeden Abschnitt des Lasers sandwichartig ein (der Laser gemäß Fig. 4 hat 2 Abschnitte), und Ohm'sche Kontakte 31 sowie 32 schaffen jeweils Verbindungen zu dem p-Kontakt und n-Kontakt. Der Metallisierungsbereich 33 schafft Ohm'sche Kontakte und eine direkte Verbindung zwischen den beiden Abschnitten. Das emittierte Licht ist durch die mit 34 bezeichneten Pfeile dargestellt.
Die Funktionsweise des Lasers gemäß dem Ausführungsbeispiel dieser Erfindung aus Fig. 4 und dessen Vorteile im Vergleich zu herkömmlichen Lasern sind leicht verständlich, wenn ein n- Abschnittslaser bzw. Laser aus n-Abschnitten, wie er in Fig. 1 bis 3 gezeigt ist, mit einem herkömmlichen Laser verglichen wird, der aus identischen Materialien und einer identischen aktiven Schicht wie der Laser aus n-Abschnitten besteht und identische Gesamtabmessungen hat, aber lediglich einen elektrischen Kontakt bzw. Anschluß für den gesamten aktiven Bereich anstatt der n in Reihe geschalteten Abschnitte bei dem vorliegenden Laser hat.
Es sei zuerst der herkömmliche Laser betrachtet. Jedes aus einer externen Quelle in den aktiven Bereich des herkömmlichen Lasers injizierte Elektron erzeugt in dem aktiven Bereich einen freien Ladungsträger (aus Gründen der Einfachheit sind Leckströme vernachlässigt, jedoch verändert dies nicht die Schlußfolgerungen). Andererseits bewirkt bei dem vorliegenden Laser jedes in den erfindungsgemäßen Laser aus n-Abschnitten aus einer externen Quelle injizierte Elektron, daß ein Elektron durch jeden der n Abschnitte hindurchläuft, da alle n Abschnitte in Reihe geschaltet sind. Somit erzeugt jedes extern injizierte Elektron in jedem der n Abschnitte des aktiven Bereichs einen freien Ladungsträger. Der Nettoeffekt besteht darin, daß jedes in den Laser aus n Abschnitten injizierte Elektron eine Gesamtheit von n freien Ladungsträgern in dem gesamten aktiven Bereich erzeugt (das heißt, unter Berücksichtigung aller Abschnitte zusammen). Als ein Ergebnis ist der Schwellenstrom des vorliegenden Lasers um einen Faktor n geringer als der Schwellenstrom des herkömmlichen Lasers und der externe Quantenwirkungsgrad des vorliegenden Lasers ist um das n-fache größer als der des herkömmlichen Lasers.
Bei herkömmlichen Lasern ist der externe Quantenwirkungsgrad aufgrund von Leckströmen und optischen Verlusten in dem Hohlraum geringer als 100 %. Diese Leckströme und Verluste werden auch bei dem durch diese Erfindung geschaffenen Laser vorhanden sein, da jedoch der Quantenwirkungsgrad bei der vorliegenden Erfingung um das n-fache größer ist, sind externe Quantenwirkungsgrade oberhalb von 100 % möglich.
Ein einfaches Modell ist zum Erläutern der Eigenschaften des erfindungsgemäßen Lasers und zum Vergleichen desselben mit einem herkömmlichen Laser dienlich. Wir beginnen damit, Eigenschaften des herkömmlichen Lasers mit einem einzelnen elektrischen Kontakt Werte zuzuweisen. Der herkömmlichen Laser hat einen Schwellenstrom Ith, einen externen Quantenwirkungsgrad von y, einen elektrischen Reihenwiderstand zwischen seinen externen Kontakten von R sowie eine Klemmenspannung an der Schwelle bzw. beim Erreichen des Schwellenstroms von Vth.
Wie oben erklärt, hat der vorliegende Laser einen Schwellenstrom von Ith/n und einen externen Quantenwirkungsgrad von ny. Es sei angenommen, daß die Spannung über jedem Abschnitt des vorliegenden Lasers die gleiche wie die Spannung über dem herkömmlichen Laser an der Schwelle ist. Da die einzelnen Abschnitte des vorliegenden Lasers in Reihe geschaltet sind, ist die Gesamtspannung über den Anschlüssen des Lasers an der Schwelle nVth. Die an den Laser an der Schwelle abgegebene elektrische Leistung ist das Produkt des Schwellenstroms und der Spannung über den Anschlüssen an der Schwelle. Diese Leistung beträgt IthVth, die identisch zu der an den herkömmlichen Laser an der Schwelle abgegebenen elektrischen Leistung ist.
Da jeder Abschnitt des vorliegenden Lasers n-mal kürzer als der einzelne bzw. einzige Abschnitt bei dem herkömmlichen Laser ist, ist der Kontaktbereich jedes Abschnitts n-Mal kleiner als bei dem herkömmlichen Laser. Somit ist der Widerstand jedes Abschnitts nR. Da jeder dieser Abschnitte in Reihe geschaltet ist, ist der Gesamtwiderstand des Lasers an seinen externen Anschlüssen n²R.
Dieser Anstieg des Klemmenwiderstands des vorliegenden Lasers, verglichen mit dem herkömmlichen Laser, schafft die Möglichkeit, einen Laser mit vorgeschriebenem Eingangswiderstand zu entwerfen. Beispielsweise könnte ein Laser mit einem Eingangswiderstand von 50 Ohm unter Verwendung einer Struktur entworfen werden, bei der R = 5,5 Ohm und n = 3 ist.
Die vorliegende Erfindung wurde zuvor im Hinblick auf bevorzugte Laserausführungsbeispiele beschrieben, die ein kohärentes optisches Signal mit einer Intensität erzeugen, die abhängig von dem Ansteuerstrom an den Anschlußklemmen des Lasers ist. Wenn der Laser vom Fabry-Perot-Typ ist (das heißt, er kein mit dem aktiven Bereich gekoppeltes Frequenzsteuerungs-Beugungsgitter enthält), dann kann der Laser in einen optischen Verstärker umgewandelt werden, in dem Antireflexionsbeschichtungen oder andere Einrichtungen wie beispielsweise ewinkelte Facetten hinzugefügt werden. Antireflexionsbeschichtungen sind in Fig. 3 (a) durch die unterbrochenen Lininen 26b und 26c an den beiden Facetten bzw. Kristallendflächen des Lasers dargestellt. Die Antireflexionsbeschichtungen 26b und 26c lassen den Lasingvorgang verlöschen, und an einer Kristallendfläche eingekoppeltes Licht wird durch den aktiven Bereich des Lasers verstärkt. Die Funktionsweise von optischen Halbleiterverstärkern (gelegentlich auch als Halbleiterlaserverstärker bezeichnet) ist in der Literatur hinreichend dokumentiert (vergleiche beispielsweise vorangehende Veröffentlichungen 1 und 12).
Es gibt zumindest zwei Hauptvorteile gegenüber herkömmlichen optischen Verstärkern, die durch ein derzeit bevorzugtes als Beispiel dienendes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Laserverstärkers geschaffen werden.
Zuerst war die aktive Einrichtung bei bisher in der Literatur erörterten Halbleiterverstärkern eine Einrichtung mit einem Abschnitt oder einer Einrichtung mit mehreren Abschnitten, wobei die Abschnitte elektrisch parallel angesteuert wurden.
Diese Anordnungen sind "herkömmliche" optische Verstärker. Der durch die Erfindung geschaffene optische Verstärker stellt dieselbe optische Verstärkung wie ein herkömmlicher optischer Verstärker mit den gleichen Gesamtabmessungen und dern gleichen Halbleitermaterial zur Verfügung, arbeitet aber mit einem um das n-fache geringeren Ansteuerstrom als der herkömmliche optische Verstärker.
Als zweites ist bekannt, daß ein optischer Verstärker auf Halbleiterbasis als ein optischer Detektor betreibbar ist, während er gleichzeitig das optische Signal verstärkt (vergleiche vorangehend angeführte Veröffentlichung 13). Diese Detektorfähigkeit entsteht, weil die Ladungsträgerdichte in dern optischen Verstärker, und somit die Grenzschichtspannung, sich ändert, wenn die Intensität des injizierten optischen Signals sich ändert. Der durch diese Erfindung geschaffene optische Verstärker arbeitet ebenfalls als ein Detektor, während er gleichzeitig das Eingangssignal verstärkt. Jedoch bietet er einen signifikanten Vorteil im Detektoransprechver halten verglichen mit dem herkömmlichen optischen Verstärker/Detektor. Dies entsteht deshalb, weil die Grenzschichtspannung jedes Abschnitts des optischen Verstärkers eine Änderung der Grenzschichtspannung erzeugen wird, die in etwa die gleiche wie die Änderung der Grenzschichtspannung des herkömmlichen optischen Verstärkers ist. Da die n Abschnitte des vorliegenden optischen Verstärkers in Reihe zueinander geschaltet sind, wird sich die Spannungsveränderung über den n Abschnitten addieren. Somit wird der diese Erfindung enthaltende optische Verstärker/Detektor in etwa die n-fache Detek torempfindlichkeit bzw. das Detektoransprechverhalten (in Volt pro Watt) des herkömmlichen Verstärkers/Detektors aufweisen.
Es wird aus der vorangehenden Beschreibung offensichtlich sein, daß die vorliegende Erfindung einen verbesserten Halbleiterlaser schafft, der verglichen mit bekannten derartigen Einrichtungen merkliche Vorteile aufweist. Es wird auch offensichtlich sein, daß die Anordnung verändert werden kann, um viele unterschiedliche Anwendungen vorzusehen, während ungeachtet dessen weiterhin ein Laser zur Verfügung steht, der einen größeren Quantenwirkungsgrad und einen geringeren Schwellenstrom hat.
Der gesamte Inhalt der mit der australischen Patentanmeldung eingereichten vorläufigen Beschreibung, von der dies die komplette Beschreibung ist, ist hiermit in diese Beschreibung aufgenommen und bildet einen Teil der Offenbarung dieser Beschreibung. Die Ansprüche bilden einen Teil der Offenbarung dieser Beschreibung.

Claims

1. Halbleiterlaser, mit:

einem Körper aus Halbleitermaterial;

mehreren in diesem Körper definierten Doppelhetero- Grenzschichtübergangs-Laserabschnitten, wobei die Laserabschnitte innerhalb des Körpers elektrisch voneinander isoliert sind, jeder der mehreren Laserabschnitte einen aktiven Bereich hat, wobei die aktiven Bereiche in Richtung der Laseremission optisch miteinander gekoppelt sind; und

einer Verbindunganordnung, die die mehreren Laserabschnitte in Reihe zueinander elektrisch verbindet.

2. Haibleiterlaser nach Anspruch 1, wobei:

jeder der mehreren Laserabschnitte eine p-Schicht und eine n-Schicht enthält; und

der Laser ferner eine in dem Substrat angeordnete elektrische Isolationsseinrichtung enthält, um jede p-Schicht von jeder anderen der p-Schichten zu isolieren, und um jede n-Schicht von jeder anderen der n-Schichten elektrisch zu isolieren.

3. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, wobei

der Körper eine äußere Oberfläche definiert und die Verbindungsanordnung an der äußeren Materialoberfläche angeordnete Metallisierungseinrichtungen umfaßt, um die mehreren Laserabschnitte in Reihe zueinander elektrisch zu verbinden.

4. Haibleiterlaser nach Anspruch 1, wobei

die Verbindungsanordnung einen mit einem ersten der mehreren Laserabschnitte verbundenen Versorgungsspannungsanschluß enthält, wobei der Versorgungsspannungsanschluß im Betrieb an eine externe Ansteuerstromquelle gekoppelt ist, wobei durch den Versorgungsspannungsanschluß in den Halbleiterlaser injizierte Elektronen jeden der mehreren Abschnitte durchlaufen, um einen freien Ladungsträger in jedem der mehreren Abschnitte zu erzeugen.

5. Halbleiterlaser nach Anspruch 3, wobei

der Laser planar aufgebaut ist und die Metallisierungseinrichtung sich zwischen einem n-Typ-Kathodenbereich von einem Abschnitt und einem p-Typ-Anodenbereich eines anderen der Abschnitte erstreckt, wobei sich die Metallisierungseinrichtung in eine in den Körper geätzte Wanne erstreckt, um den n-Typ-Kathodenbereich am Boden der Wanne zu kontaktieren und sich zu der äußeren Oberfläche erstreckt, um das p-Typ- Material zu kontaktieren, wobei der n-Typ-Kathodenbereich planar ist und sich unter den und zu jeder Seite des aktiven Bereichs hin erstreckt.

6. Halbleiterlaser nach Anspruch 5, wobei

sich der aktive Bereich kontinuierlich durch die mehreren Laserabschnitte zwischen der Kathode und Anode jedes Abschnitts erstreckt.

7. Halbleiterlaser mit:

einem Körper aus Halbleitermaterial;

einem in dem Körper definierten ersten Laserabschnitt, wobei der erste Laserabschnitt eine erste n-Schicht und eine erste p-Schicht enthält, welche einen ersten Doppelhetero-Grenzschichtübergang ausbilden, wobei ein erster aktiver Bereich an dem ersten Doppelhetero-Grenzschichtübergang angeordnet ist;

einem in dem Körper definierten zweiten Laserabschnitt, wobei der zweite Laserabschnitt eine zweite n- Schicht und eine zweite p-Schicht enthält, welche einen zweiten Doppelhetero-Grenzschichtübergang ausbilden, wobei ein zweiter aktiver Bereich an dem zweiten Doppelhetero-Grenzschichtübergang angeordnet ist, der zweite aktive Bereich optisch eng mit dem ersten aktiven Bereich in der Richtung der Laseremission gekoppelt ist;

einer in dem Körper angeordneten Isolationsanordnung zum elektrischen Isolieren der ersten n-Schicht von der zweiten n-Schicht; und

einer Einrichtung zum elektrischen Koppeln der ersten p-Schicht mit der zweiten n-Schicht.

8. Halbleiterlaser nach Anspruch 7, wobei

die Isolationsanordnung auch die erste p-Schicht von der zweiten p-Schicht elektrisch isoliert.

9. Halbleiterlaser mit:

einem Körper aus Halbleitermaterial;

mehreren in dem Körper definierten Laserabschnitten, wobei die Laserabschnitte einen Stapel aus Schichten aus Halbleitermaterial umfassen, welcher eine an einer Oberfläche emittierende Vertikal-Resonator-Einrichtung bildet, wobei jeder der mehreren Laserabschnitte einen aktiven Bereich hat, wobei die aktiven Bereiche optisch miteinander gekoppelt sind; und

einer Verbindungsanordnung, die die mehreren Laserabschnitte in Reihe zueinander elektrisch verbindet.

10. Halbleiterlaser nach Anspruch 9, wobei

der Körper eine äußere Oberfläche definiert und die Verbindungsanordnung Metallisierungseinrichtungen umfaßt, die an der äußeren Materialoberfläche angeordnet sind, um die mehreren Laserabschnitte in Reihe zueinander elektrisch zu verbinden.

11. Halbleiterlaser nach Anspruch 9, wobei

die Verbindungsanordnung einen mit einem ersten der mehreren Laserabschnitte verbundenen Versorgungsspannungsanschluß enthält, wobei der Versorgungsspannunganschluß im Betrieb an eine externe Ansteuerstromquelle gekoppelt ist, wobei durch den Versorgungsspannungsanschluß in den Halbleiterlaser injizierte Elektronen jeden der mehreren Abschnitte durchlaufen, um einen freien Ladungsträger in jedem der mehreren Abschnitte zu erzeugen.