DE69217344T2 - Abstimmbarer Laser mit gekoppelter Quantumwell-Struktur - Google Patents

Abstimmbarer Laser mit gekoppelter Quantumwell-Struktur

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen das Gebiet der Halbleiter-Vorrichtungen. Im einzelnen behandelt die Erfindung eine Halbleiter-Laservorrichtung. In weiteren Einzelheiten betrifft die Erfindung einen gekoppelten Quantenquellenlaser, bei dem die Ausgangslichtwellenlänge und die Amplitude durch ein elektrisches Feld abgestimmt werden können.
    • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Der Einsatz optischer Kommunikationsmittel läßt eine signifikante verstärkung der Kommunikations- und Rechnerleistung erwarten. Und zwar aus dem Grund, weil bei der Übertragung durch Licht mehr Informationen codiert werden können als bei der Übertragung elektrischer Signale. Um Daten mit Licht darzustellen (oder zu codieren) und durch Licht zu übertragen, müssen die übertragenen Lichtsignale gesteuert werden, so daß der Empfänger die gesendeten Informationen finden kann. Ein Lichtsignal zu steuern bedeutet Übertragen eines Lichtsignals mit einer wohl definierten wellenlänge und die Fähigkeit, die übermittelte Lichtwellenlänge modulieren zu können. Quantenquellen-Halbleiterlaser sind für die optische Kommunikation sehr geeignet, weil sie klein sind und Licht aussenden, das eine wohldefinierte Wellenlänge hat. Daher kann der Laser ganz nahe an einem kleinen Optikfaser-Wellenleiter montiert werden und Licht einer definierten Wellenlänge direkt in den Lichtwellenleiter einspeisen.
  • Das Problem mit Halbleiterlasern bei der optischen Kommunikation ist, daß die ausgesandte Strahlungsfrequenz nicht schnell eingestellt oder signifikant moduliert werden kann. Das ist bei der optischen Kommunikation bedeutsam, weil die Datenmenge, die über einen einzigen Lichtwellenleiter übertragen wird, dramatisch zunimmt, wenn die Daten unter Verwendung unterschiedlicher Lichtfrequenzen codiert werden können. Die von Halbleiterlasern ausgestrahlte Lichtfrequenz hängt ab von der relativen Position der Leitungs- und Valenzbandkanten im Material, aus dem der Laser besteht. Eine Veränderung der relativen Positionen der Leitungs- und Valenzbänder setzt in der Regel das Verändern der Temperatur der Vorrichtung oder das Aufbringen eines mechanischen Drucks auf die Gitterstruktur der Vorrichtung voraus. Die Anwendung dieser Art physikalischen Bedingungen auf den Laser, um den Lichtfrequenzausgang abzustimmen, geht viel langsamer vor sich, als erforderlich ist, um Daten für die optische Übertragung zu codieren. Daher können in der Regel Halbleiterlaser Daten durch Benutzen der Frequenz des ausgestrahlten Lichts nicht codieren, und daraus ergibt sich, daß die Kapazität für die Datenübertragung mit einem Halbleiterlaser über einen Lichtwellenleiter signifikant abnimmt.
  • Im allgemeinen wird von einer Halbleiterstruktur Licht ausgesandt, wenn ein Elektron einen Übergang von einem Leitungsband des Halbleitermaterials zu einem Valenzband macht und dabei Energie verliert. Die verlorene Energie ist gleich dem Energieunterschied zwischen den Leitungsband- und den Valenzbandkanten plus der Energie über und unter den Bandkanten für einen bestimmten Elektronenübergang. Die von einem Elektron beim Übergang vom Leitungsband zum Valenzband verlorene Energie wird vom Halbleiter als Licht ausgestrahlt. Das Licht hat eine Frequenz, die der verlorenen Energie proportional ist, und eine Wellenlänge, die der verlorenen Energie umgekehrt proportional ist. Da die Elektronen, die den Übergang vom Leitungsband zum Valenzband machen, im allgemeinen viele unterschiedliche Werte verlorener Energie aufweisen, hat das ausgestrahlte Licht nicht nur eine einzige Wellenlänge oder auch ein enges Band von Wellenlängen. In der Regel weist die von einem Halbleiter abgestrahlte Strahlung ein breites Wellenlängenspektrum auf.
  • Im Gegensatz zu einer typischen, lichtabstrahlenden Halbleitervorrichtung strahlt der Halbleiterlaser ein Licht mit einem engeres Wellenlängenband ab. Das geschieht deswegen, weil viele Elektronen Übergänge zwischen wohl definierten Energiebändern machen. Die Energiebänder sind wohl definiert, weil das Lasern mit einer Wellenlänge dahin tendiert, das Lasern mit anderen Wellenlängen zu unterdrücken. Der Laserausgang ist nützlich, aber seine Anwendung ist begrenzt, weil der Bereich der abgestrahlten Wellenlängen beschränkt ist. Der Halbleiterlaser hat einen begrenzten Bereich abgestrahlter Wellenlängen, weil die Wellenlänge vom Material gesteuert wird, aus dem der Laser besteht. Eine Möglichkeit, wie man die Wellenlänge des abgestrahlten Lichts eines Lasers modifizieren kann, der aus einem bestimmten Material gemacht ist, ist es, einen Quantenquellenlaser herzustellen. Ein Quantenquellenlaser hat mehrfache diskrete Leitungs- und Valenzzustände, deren Energien von der Breite der Quantenquelle abhängen. Das Quantenquellen-Laserausgangslicht hat ein enges Wellenlängenband, das sich von den Wellenlängen unterscheidet, die von einem typischen Halbleiterlaser erzeugt wird, der aus dem gleichen Material besteht, und die Differenz hängt ab von der Breite der Quantenquelle. Der Ausgang eines typischen Halbleiterlaser aus einem bestimmten Material kann nämlich verändert werden, indem man einen Quantenquellenlaser aus dem gleichen Material herstellt.
  • Das Problem sowohl beim typischen Halbleiterlaser als auch beim Quantenquellenlaser ist, daß sie nicht in der Lage sind, die Wellenlänge des abgestrahlten Lichts abzustimmen, sobald der Laser gefertigt ist. Auf dem Stand der Technik wurde versucht das Problem durch Verändern der physikalischen Zustände des Quantenquellenlasers zu lösen. Diese Arten der physikalischen Veränderungen sind zu langsam für den praktischen Einsatz eines Quantenquellenlasers für die oben genannten Kommunikationsanwendungen. Auf dem Stand der Technik wurde auch versucht, ein angelegtes elektrisches Feld zu benutzen, um sowohl die Wellenlänge als auch die Intensität eines Quantenquellenlasers zu verändern. Die vorgeschlagenen Einrichtungen würden durch Modulieren der optischen Übergangsenergien einer Quantenquelle und durch Verändern der Anzahl der Elektronen und Defektelektronen, die in Abhängigkeit von der Position sich in einer Quantenquelle wieder kombinieren, betrieben werden. Das Problem bei den Intensitäts-Modulierungsvorrichtungen ist, daß die Vorrichtungen den Laser nur ein- und wieder ausschalten. Das Lasern findet in diesen Vorrichtungen nur dann statt, wenn kein elektrisches Feld vorhanden ist und diese Vorrichtungen das elektrische Feld zum Ausschalten des Lasers benutzen. Das Problem bei Einzelquantenquellenlasern, die eine Wellenlängenmodulation versuchen, ist, daß das zum Verschieben der Wellenlänge des Lasers erforderliche Feld zu groß für die kleine Verschiebung ist, die sich erzeugen läßt. Und zwar deswegen, weil die Wellenlängenverschiebung in einer einzigen Quantenquelle proportional zum Quadrat des elektrischen Feldes und zur vierten Potenz der Breite der Quantenquelle ist. Daher sind große Veränderungen im elektrischen Feld erforderlich, um kleine Veränderungen in der Wellenlänge zu bewirken.
  • FR-A-2656168 offenbart einen gekoppelten Quantenquellen-Halbleiterlaser, der über einen integrierten Modulator frequenzoder intensitätsmoduliert werden kann.
    • AUFGABEN DER ERFINDUNG
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Fertigung eines optischen Modulators und eines optischen Schalters.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Fertigung eines Halbleiterlasers mit einem frequenzmodulierten Lichtausgang.
  • Noch eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Fertigung eines Halbleiterlasers mit einem frequenzmodulierten Lichtausgang, wobei die Lichtfrequenz über einen weiteren Bereich moduliert wird.
  • Noch eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Fertigung eines Halbleiterlasers mit einem frequenzmodulierten Lichtausgang, wobei die Lichtfrequenz mit einem elektrischen Feld über einen weiten Frequenzbereich moduliert wird.
  • Noch eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Fertigung eines Halbleiterlasers mit einem frequenzmodulierten Lichtausgang, wobei die Lichtfrequenz mit einem schwachen elektrischen Feld über einen weiten Bereich moduliert wird.
  • Noch eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Fertigung eines Halbleiterlasers mit einem frequenzmodulierten und amplitudenmodulierten Lichtausgang, wobei die Lichtfrequenz und die -amplitude mit einem schwachen elektrischen Feld über einen weiten Bereich moduliert wird.
    • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung gemäß Definitionen in den Ansprüchen 1, 4, 7 und 8 betrifft die Verwendung von Quantenquellen im aktiven Bereich eines Halbleiterlasers, um die Frequenz und die Amplitude des Lichtausgangs des Lasers zu modulieren.
  • In einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die gekoppelten Quantenquellen in einem Halbleiterlaser doppelter Heterostruktur mit gradiertem Brechungsindex enthalten. Der aktive Bereich dieses abstimmbaren Lasers besteht aus zwei Quantenquellen mit einer Breite von etwa 5 nm oder weniger, die von einer Sperrschicht mit einer Dicke von etwa 2 nm oder weniger getrennt sind. Das Quantenquellenmaterial ist ein GaAs-Eigenhalbleiter und die Sperrschicht besteht aus AlxGa1-xAs wobei x 0,23 ist. Der aktive Bereich ist umgeben von der doppelten Heterostruktur, bei der eine Seite ein dotierter p-Typ und die andere Seite ein dotierter n-Typ ist. Der entstehende Laser ist eine Struktur vom p-i-n- Typ. Eine umgekehrte Vorspannung gegenüber der Flachbandspannung der p-i-n-Struktur wird über die p-i-n-Struktur angelegt, die sowohl die Frequenz als auch die Intensität des Laserausgangs moduliert. Der abstimmbare Laser wird mit unterschiedlichen herkömmlichen Mitteln gepumpt, einschließlich sowohl elektrisches als auch optisches Pumpen. Die Modulation der Wellenlänge ist in etwa linear über einen 1,5 V- Betriebsbereich. Ein abstimmbarer Laser, wie aus der vorhegenden Erfindung, mit einer Ausgangswellenlänge, die über ein elektrisches Feld moduliert wird, ist sehr nützlich für die optische Kommunikation und für den Bau optischer Computer.
    • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Fig. 2 zeigt die physikalische Struktur eines abstimmbaren Halbleiterlasers gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • Fig. 3 zeigt eine alternative physikalische Struktur des aktiven Bereichs eines abstimmbaren Halbleiterlasers gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • Fig. 4 zeigt das Banddiagramm für den abstimmbaren Halbleiterlaser gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • Fig. 5(a) und 5(b) zeigen die Auswirkungen eines elektrischen Feldes auf den aktiven Bereich des abstimmbaren Halbleiterlaser gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • Fig. 6 zeigt die Auswirkung eines elektrischen Feldes auf das Laserausgangsspektrum des abstimmbaren Halbleiterlasers gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • Fig. 7 zeigt die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Fig. 8 zeigt eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
  • Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Fig. 1 zeigt einen abstimmbaren Halbleiterlaser und einen herkömmlichen Laser, wobei der Lichtausgang des herkömmlichen Lasers der Lichteingang des abstimmbaren Halbleiterlasers ist. Der herkömmliche Laser 20 strahlt ein monochromatisches Licht 40 mit einer Wellenlänge von etwa 760 nm ab. Dieses Licht wird auf einen etwa 10 um breiten und entlang der Länge des Halbleiterlasers 30 verlaufenden Bereich 22 des Halbleiterlasers 30 gebündelt. Die Struktur und der Betrieb herkömmlicher Laser, wie des Lasers 20, ist auf dem Stand der Technik wohl bekannt. Der herkömmliche Laser 20 pumpt Lichtenergie in den abstimmbaren Halbleiterlaser 30. Der abstimmbare Halbleiterlaser 30 wandelt die Lichtenergie vom herkömmlichen Laser in einen Lichtausgang 50 um. Der Lichtausgang 50 weist eine Wellenlänge ünd eine Amplitude auf, die von der über den Halbleiterlaser 30 angelegten Spannung moduliert wird. Der Halbleiterlaser 30 weist eine Vielschicht-Halbleiterstruktur auf, in der ein aktiver Bereich 60 zwischen eine p-Typ-Schicht 32 und eine n-Typ-Schicht 36 gelegt ist. Die p-Typ-Schicht ist hochkonzentriert dotiert, so daß ein guter ohmscher Kontakt 39 aufgebracht werden kann. Ohmsche Kontakte werden sowohl auf p-Typ-Bereiche als auch auf n-Typ- Bereiche aufgebracht, und eine Spannungsquelle 24 wird über diese Kontakte an den Halbleiterlaser 30 gelegt. Die angelegte Spannung modifiziert das eingebaute elektrische Feld über der p-i-n-Struktur der Laserstruktur 30. Die Spannungsquelle 24 wird zum Ausbilden eines elektrischen Felds über den Bereich 60 benutzt, um die Frequenz und die Intensität des Ausgangslichts 50 zu modulieren.
  • Der abstimmbare Laser 30 umfaßt einen GaAs-Kappenbereich 32 vom p-Typ, der bis ungefähr 10²&sup0; Atome per Kübikzentimeter (cm³) vom p-Typ dotiert ist, und ist etwa 50 nm dick. Der Bereich 32 ist an eine Spannungsquelle 24 angeschlossen. Der Bereich 60 liegt zwischen dem Kappenbereich 32 vom p-Typ und dem Bereich 36 vom n-Typ. Der Bereich 36 vom n-Typ ist eine GaAs-Schicht, die mit einem Dotierungsmittel vom n-Typ bis etwa 10¹&sup8;/cm³ dotiert ist und liegt an der Masse der Spannungsquelle 24. Die Länge (L) des abstimmbaren Lasers 30 beträgt etwa 300 µm und die Höhe (H) etwa 140 µm. Die lichtabstrahlende Fläche 38 und die ihr gegenüberliegende Fläche 37 stehen senkrecht auf der Ebene des aktiven Bereichs. Die lichtabstrahlenden Flächen 37 und 38 sind hoch-reflektierende Facetten. Die Oberflächen des Lasers, die kein Licht abstrahlen, stehen nicht notwendigerweise senkrecht auf der Ebene der aktiven Schicht und können unregelmäßig geformt sein. Der aktive Bereich wird aus mehrfachen coplanaren Schichten aus Stoffen gebildet, die spezifische Eigenschaften haben. Die Eigenschaften der Materialschichten in der Halbleiterstruktur und ihre gegenseitigen Auswirkungen auf die angewandten Betriebsbedingungen bestimmen die Eigenschaften des Lichtausgangs 50. Das abgestrahlte Licht 50 weist ein enges Wellenlängenband auf (ähnlich dem Ausgang 40) wobei die Wellenlänge und die Intensität des abgestrahlten Lichts 50 durch die Höhe der angelegten Vorspannung 24 moduliert wird.
  • Die Fig. 2a und 2b illustrieren im Detail die vertikale Struktur des abstimmbaren Lasers 30. Fig. 2a zeigt, daß der Bereich 60 zwischen dem p-Typ-Bereich 32 und dem n-Typ- Bereich 36 liegt. Zwischen dem aktiven Bereich 120 und dem p- Typ-Bereich 32 liegen die Mantelschichten 110 und 115. Die Mantelschichten 130 und 135 liegen zwischen der aktiven Schicht 120 und dem n-Typ-Bereich 36. Diese Mantelschichten sind Lagen aus AlxGa1-xAs, wobei x zwischen 0 und 1 liegt und AlxGa1-xAs n- oder p-dotiert ist. Die erste Schicht 110 ist eine 600 nm dicke Schicht aus AlxGa1-xAs mit x= 0,36, p- dotiert bis etwa 10¹&sup8;/cm³. Die zweite Schicht 115 ist eine AlxGa1-xAs-Schicht, wobei x nach und nach von 0,63 bis 0,23 abnimmt, die Schicht ist 150 nm dick und p-dotiert bis etwa 5 x 10¹&sup7;/cm³. Der Al-Gehalt in Schicht 115 nimmt stückweise linear ab, könnte aber auch parabolisch oder auf andere Weise abnehmen.
  • Schicht 115 liegt zwischen dem aktiven Bereich 120 und der Schicht 110. Fig. 2b zeigt, daß der aktive Bereich 120 drei Schichten umfaßt. Die erste 122 und die dritte 126 Schicht des aktiven Bereichs sind nicht dotierte (oder eigenleitende) GaAs-Schichten. Diese Schichten sind in etwa 5 nm dick, könnten aber im Bereich 2 bis 6 nm liegen. Die zweite Schicht 124 ist eine nichtdotierte AlxGa1-xAs-Schicht, bei der x=0,23 ist. Diese Schicht ist etwa 2 um dick, könnte aber im Bereich von einer Monomolekularschicht (etwa 0,3 nm) bis zu einer Dicke von 3,5 um reichen. Die Breite der zweiten Schicht 124 hängt zusammen mit der Breite der ersten und der dritten Schicht. Wenn z.B. die erste und die dritte Schicht 4 nm dick sind, erstreckt sich die zweite Schicht 124 von einer Monomolekularschicht bis 3,5 mm Dicke. Wenn die erste und die dritte Schicht 5 nm dick ist, erstreckt sich die zweite Schicht 124 von einer Monomolekularschicht bis zu einer Dicke von 3 nm. Die maximale Dicke der zweiten Schicht nimmt ab mit der zunehmenden Dicke der ersten und der dritten Schicht.
  • Fig. 2b zeigt, daß dieser aktive Bereich 120 zwei Quantenquellen aufweist, die durch eine dünne Sperrschicht getrennt sind. Der aktive Bereich 120 liegt an der Schicht 130 an, die eine 1.500 Å (1 Å = 10&supmin;¹&sup0; m) dicke AlxGa1-xAs-Schicht ist, in der x schrittweise von 0,23 auf 0,63 zunimmt. Die Zunahme der Aluminiumkonzentration ist stückweise linear, könnte jedoch auch parabolisch oder in einer anderen Form sein. Die Schicht 130 ist n-dotiert bis zu einer Konzentration von 5 x 10¹&sup7;/cm³. Die abgestufte Aluminiumkonzentration in den Schichten 115 und 130 variiert den Brechungsindex dieser Schichten. Der abgestufte Brechungsindex der Schichten 115 und 130 beschränkt vorn aktiven Gebiet abgestrahltes Licht auf den Bereich zwischen den Schichten 135 und 110. Schicht 130 liegt zwischen der Schicht 135 und dem aktiven Gebiet 120. Die Schicht 135 ist eine AlxGa1-xAs-Schicht, in der x=0.63 ist. Die Schicht 135 ist 0,8 µm dick und n-dotiert auf eine Konzentration von 10¹&sup8;/cm³. Schicht 135 liegt zwischen Schicht 130 und der GaAs-Schicht 36.
  • Fig. 3 zeigt, daß der aktive Bereich 120 auch aus Quantenquellenpaaren bestehen kann. Die Mantellagen 115 und 130 liegen über bzw. unter paarweise gekoppelten Quantenquellen. Jedes Quantenquellenpaar wird aus zwei eigenleitenden GaAs- Schichten mit einer Dicke zwischen 2 und 6 nm gebildet. Die zwei GaAs-Schichten sind durch eine AlxGa1-xAs-Schicht getrennt, die eine Dicke zwischen 3,5 nm und der Dicke einer Monomolekularschicht aufweist. Eine Isolierschicht 128 trennt das Quantenquellenpaar, das aus den Schichten 126, 124 und 122 besteht, von dem Quantenquellenpaar, das aus den Schichten 126', 124' und 122' besteht. Diese Isolierschicht ist in Wirklichkeit eine sehr dicke Sperrschicht. Die Isolierschicht 128 hat eine Dicke von mindestens etwa 10 nm. Das Material, das die Isolierschicht 128 bildet, ist das gleiche Material, das die Sperrschicht zwischen einzelnen Quantenschichten bildet, kann aber auch jedes andere epitaktisch kompatible Material sein, das zwischen Paaren gekoppelter Quantenquellen als Sperrschicht wirkt. Im vorliegenden Fall ist dieses Material ein eigenleitendes AlxGa1-xAs mit x=0,23.
  • Die Fig. 4 und 5 zeigen genauer den Betrieb des abstimmbaren Lasers 30. Fig. 4 zeigt die Leitungs- und Valenzbänder für den abstimmbaren Laser 30, wenn eine externe Spannungsquelle angelegt wird, die die eingebaute Spannung der Struktur kompensiert. Diese Bedingung heißt auch die Flachbandbedingung. Die externe Spannung, die erforderlich ist, um in dieser Struktur Flachbandbedingungen zu erreichen, beträgt etwa 1,5 V, die an den p-Typ-Bereich 32 gegenüber dem n-Typ-Bereich angelegt wird. Der aktive Bereich des abstimmbaren Laser 30 besteht aus den Lagen 122, 124 und 126. Diese Lagen sind innerhalb einer Struktur von Typ einer doppelten Heterostruktur mit gradiertem Brechungsindex (GRINSCH) eingeschlossen.
  • Die den aktiven Bereich umgebende Struktur vom GRINSCH-Typ ist auf dem Stand der Technik wohl bekannt und soll hier nur kurz gestreift werden. Der Abstand 410 zwischen der unteren Kante des Leitungsbands (Ec) und der oberen Kante des Valenzbandes (eV) im p-Typ-GaAs beträgt bei Zimmertemperatur etwa 1,43 eV. Dieser Unterschied, genannt Energiebandabstand, beträgt auf der n-Typ-GaAs-Schicht 36 auch etwa 1,43 eV. Dieser Unterschied steigt in den Schichten 110 und 135 auf etwa 2, eV an. Diese Steigerung des Energiebandabstands erzeugt einen Energiewall, der verhindert, daß sich die Träger, wie Elektronen und Defektelektronen, die sich zwischen den Schichten 110 und 135 befinden, in die Schichten 32 oder 36 bewegen. Träger, die injiziert oder auf andere Weise zwischen die Schichten 110 und 135 gebracht werden, bleiben im Bereich zwischen den Schichten 110 und 135 gefangen, weil sie nicht genug Energie haben, um den Energiewall überwinden zu können.
  • In den Schichten 130 und 115 nimmt der Energiebandabstand in Abhängigkeit von der Tiefe linear ab, wenn man sich in Richtung zum aktiven Bereich bewegt, weil die Alumimiumkonzentration in den Schichten 115 und 130 linear abnimmt. Wenn die Aluminiumkonzentration in Abhängigkeit von der Tiefe (d) in der Laserstruktur konstant bleibt, ist auch der Energiebandabstand in Abhängigkeit von der Tiefe konstant. Die Schichten 122 und 126 haben kleinere Energiebandabstände als der Rest der Laserstruktur, weil die Schichten 122 und 126 undotierte GaAs-Schichten sind, die kein zusätzliches Aluminium enthalten. Die Schicht 124 ist eine AlxGa1-xAs-Zusarnmensetzung, wobei x=0,23 ist, und hat einen Energiebandabstand ähnlich dem der Schichtkanten der Lagen 115 und 130. Fig. 4 zeigt, daß die Schichten 122, 124 und 126 zwei Quantenquellen erzeugen, deren Träger durch die Schichten 115 und 130 auf diese Quantenquellen beschränkt sind.
  • Das Einschließen der Träger im Bereich, der die Quantenquellen enthält, ist bei Quantenquellenlasern bedeutsam, weil eine Laseraktion nur dann stattfindet, wenn ein Licht-Schwellenwert aus dem Trägerübergang zwischen den Leitungszuständen und den Valenzzuständen in einer Quantenquelle abgestrahlt wird. Das heißt, daß eine Mindestmenge Träger in den Leitungs- und Valenzzuständen der Quantenquellen vorhanden sein muß, um eine Laserwirkung zu bekommen. Viele Träger kombinieren sich mit anderen Energiezuständen in der Halbleitergitterstruktur und sind dann in den Leitungs- und Valenzzuständen nicht vorhanden, wenn keine solche Begrenzung vor genommen wird. Daraus ergibt sich, daß es nicht zu Laserwirkungen kommt, weil in den Quantenquellen-Leitungs- und - Valenzzuständen nicht genügend Träger vorhanden sind. Der Laserschwellenwert ist der Mindeststrom, der in die Quantenquelle injiziert werden muß, um eine Laseraktion hervorzurufen. Der Laserschwellenwert nimmt ab, wenn der Energiewall der Schichten 110 und 135 verstärkt wird. Das geschieht deswegen, weil beim Injizieren der Träger in die Quantenquelle weniger von diesen genügend Energie zum Überwinden des Energiewalls aufweisen und also mehr für die Lichterzeugung zur Verfügung stehen. Auf ähnliche Weise nimmt der Laserschwellenwert der Quantenquellenlaser ab, wenn die Temperatur der Vorrichtung gesenkt wird. Wieder deswegen, weil weniger Träger genügend Energie haben, den Energiewall zu überwinden. Daher wird ein Verändern der Betriebstemperatur des Lasers oder ein Verändern der Höhe des Energiewalls durch Einsatz unterschiedlicher Materialien für die Schichten 110 oder 135 (wie z.B. eine andere Aluminiummenge in der AlGaAs-Zusammensetzung) nur die Wirksamkeit der Vorrichtung steigern, jedoch nicht die Betriebsweise des Geräts verändern.
  • Wenn von der Quantenquellenstruktur Licht abgestrahlt wird, muß dieses Licht von der Laservorrichtung 30 übertragen werden. Die Quantenquellen liegen zwischen den Schichten 115 und 130 mit gradiertern Brechungsindex, und die Schichten mit gradiertem Brechungsindex liegen zwischen zwei gleichförmigen Mantelschichten 110 und 135, der Brechungsindex sowohl der gradierten als auch der gleichmäßigen Brechungsindexschichten ist kleiner als der Brechungsindex für den aktiven Bereich. Daher tendiert das im aktiven Bereich 120 generierte Licht dazu, sich entlang dem und innerhalb des aktiven Bereichs auszubreiten wegen der Veränderung des Brechungsindex zwischen den Mantelschichten und dem aktiven Bereich 120. Die Breite der Aktivschicht ist so, daß es genügend Überlappung zwischen diesem und dem optischen Modus gibt, der von den Mantelschichten bestimmt wird. In einer Struktur vom GRINSCH- Typ kann die aktive Schicht weniger als 10 nm sein. Der optische Hohlraum, der für die Laseraktion nötig ist, wird von zwei gespaltenen Facetten 37 und 38 vorgesehen, wie in Fig. 1 gezeigt wird. Diese Facetten könnten auch durch Ätzen allein oder durch Aufbringen reflektierender Überzüge auf Oberflächen, die entweder gespalten oder geätzt wurden, erzeugt werden. Die restlichen zwei Flächen 33 und 35 sind Nichtspiegelflächen, die eine Laseraktion in einer Richtung im wesentlichen senkrecht zu den Flächen 33 und 35 nicht auf rechterhalten können.
  • Fig. 5 illustriert die Auswirkung eines elektrischen Feldes auf die Quantenquellen der vorliegenden Erfindung. Fig. 5(a) zeigt das Valenz- und das Leitungsband für den aktiven Bereich des abstimmbaren Lasers 30, wenn es keine Einwirkung eines elektrischen Feldes auf den aktiven Bereich gibt. Fig. 5(b) zeigt die Einwirkung eines elektrischen Feldes auf den aktiven Bereich des abstimmbaren Lasers 30. Träger existieren in einer Quantenquelle in diskreten Energiezuständen. Aus dem einen Energiezustand in einer einzigen Quantenquelle werden zwei Energiezustände, wenn zwei Quantenquellen zwischen sich eine hinreichend dünne Energiesperrschicht 535 aufweisen. Wenn zwei Quantenquellen durch eine hinreichend dünne Sperrschicht getrennt sind, um zwei unterschiedliche Energiezustände aus einem einzigen Energiezustand in einer einzigen Quantenguelle zu erzeugen, sind die Quantenquellen gekoppelt. Fig. 5(a) zeigt die Wahrscheinlichkeitsfunktion des Auftretens von Trägern für jeden Energiezustand. Die Wahrscheinlichkeitsfunktion 520 stellt die Wahrscheinlichkeit dar, mit der ein Elektron in einem symmetrischen Energiezustand 540 als Funktion der Position in der Quantenquelle gefunden wird. Der symmetrische Zustand ist der untere der zwei Energiezustände, die erzeugt werden, wenn die Quantenquellen gekoppelt sind. Die Wahrscheinlichkeitsfunktion 530 stellt die Wahrscheinlichkeit der Existenz eines Elektrons, das im antisymmetrischen Energiezustand 545 existiert, als Funktion der Position in den Quantenquellen dar. Der antisymmetrische Zustand ist der höhere der zwei Energiezustände, die geschaffen werden, wenn die Quantenquellen gekoppelt sind. Der Energiezustand 545 ist höher als der Energiezustand 540 und kein Energiezustand existiert zwischen 540 und 545. Elektronen mit dem Energiezustand 540 oder 545 können in jeder der Quantenquellen gefunden werden, weil die Elektronen die Energiesperre 535 infolge der geringen Breite der Energiesperrschicht 535 durchtunneln. Elektronen aus dem Energiezustand 540 vereinigen sich wieder mit den Defektelektronen in den Valenzzuständen der Quantenquelle und geben beim Wiedervereinigungsprozeß Lichtenergie (ein Photon) 510 ab. Es gibt zwei Valenzzustände im Energiezustand 550, die sich im wesentlichen überlappen, wenn das angelegte Feld Null ist. Auf ähnliche Wiese hat auch die Valenzzustands-Wahrscheinlichkeitsverteilung 555 eine überlappende Wahrscheinlichkeits- Verteilungsfunktion, wenn kein elektrisches Feld angelegt wird.
  • Fig. 5(b) zeigt, daß sich bei Einwirkung eines elektrischen Feldes in der Größenordnung von 15 kV/cm auf die Struktur die Leitungs- und Valenzwarscheinlichkeitsfunktionen verändern. Zunächst wird der Energieunterschied zwischen dem symmetrischen Leitungszustand 540 und dem antisymmetrischen Leitungszustand 545 größer. Auch trennen sich die symmetrischen Valenzzustände 553 und die antisymmetrischen Valenzzustände 550 mit den ihnen zugeordneten Wahrscheinlichkeitsverteilungen (558 bzw. 555). Elektronen im symmetrischen Leitungszustand 540 werden in der rechten (R) Quantenquelle konzentriert, haben aber eine Wahrscheinlichkeitsverteilung, die sich auch in die linke (L) Quantenquelle erstreckt. Auf ähnliche Weise werden Elektronen im antisymmetrischen Leitungszustand 545 in der linken Quantenquelle konzentriert mit einer Verteilung, die sich auch in die rechte Quantenquelle erstreckt. Ferner werden Defektelektronen im Valenzzustand 553 in der rechten Quantenquelle konzentriert, während Defektelektronen im Valenzzustand 550 in der linken Quantenquelle konzentriert werden.
  • Träger in einem bestimmten Energiezustand wandern wegen des Tunneleffekts durch die Energiesperrschicht 535 zwischen den Quantenquellen. Sowohl Elektronen als auch Defektelektronen durchtunneln die Energiesperrschicht 535. Die Elektronen tunneln leichter durch die Energiesperrschicht als die Defektelektronen, weil Elektronen eine viel kleinere effektive Masse haben. Die Wahrscheinlichkeit für das Durchtunneln zwischen den Quantenquellen ist proportional zu e-Vmd wobei V die Energiepotentialdifferenz zwischen einem Energiezustand und der Obergrenze der Sperrschicht ist, m die effektive Masse, und d die Breite der Sperrschicht ist. Wenn die Dicke der Energiesperrschicht zu groß wird, können Defektelektronen mit einem Energiezustand 550, die unter Flachbandzuständen in der rechten Quantenquelle gefunden werden, nicht mehr zur linken Quantenquelle gelangen, wenn ein elektrisches Feld auf die Struktur einwirkt. Auf ähnliche Weise können Defektelektronen im Energiezustand 553, die unter Flachbandbedingungen in der linken Quantenquelle konzentriert sind, nicht mehr unter dem Einfluß eines elektrischen Feldes zur rechten Quantenquelle wandern, wenn die Energiesperrschicht zu dick ist. Wenn das elektrische Feld auf die Struktur einwirkt, nimmt die effektive Energiesperrschichtdicke ab. Der Grund, warum Defektelektronen in einer einzigen Quantenguelle lokalisiert sind, wenn ein elektrisches Feld angelegt wird, ist, daß ein kleines elektrisches Feld bei einer gegebenen effektiven Defektelektronenmasse ausreicht, die Defektelektronen komplett in einer Quantenquelle zu konzentrieren ohne Elektronen in einer anderen Quantenquelle zu lokalisieren. Die obere Grenze für die Energiesperrschichtdicke bei der AlxGa1-xAs-Metallurgie ist etwa 3,5 nm. Diese Dicke der Energiesperrschicht reduziert auch die Anzahl der Elektronen, die unter Leitungszuständen zwischen den Quantenquellen durchtunneln. Die Reduktion des Durchtunnelns modifizert die Wahrscheinlichkeitsverteilungen 520 und 530, jedoch existieren noch immer Elektronen in den Energiezuständen 540 und 545 in jeder Quantenquelle, weil ein gewisser Grad des Durchtunnelns immer vorkommt, auch wenn es wegen der zu dicken Energiesperrschicht und des elektrischen Felds nicht zum Durchtunneln der Defektelektronen kommt.
  • Das Tunneln zwischen Quantenquellen in einem bestimmten Energiezustand ist bedeutsam, weil das der physikalische Mechanismus ist, der es dem elektrischen Feld ermöglicht, die Frequenz des Laserausgangs abzustimmen. Vom abstimmbaren Halbleiterlaser 30 wird Licht abgestrahlt, wenn Elektronen, die in der Regel in einer Quantenguelle lokalisiert sind (nach einer gewissen Wahrscheinlichkeitsfunktion auch in einer anderen Quantenquelle), sich mit Defektelektronen, die in einer anderen Quantenquelle lokalisiert sind, wiederzuvereinigen und die bei diesem Prozeß Energie in der Form eines Photons abgeben. Die Frequenz des Photons ist proportional der Energiedifferenz zwischen dem Leitungszustand und dem Valenzenergiezustand. Wenn daher ein Elektron im Zustand 540 sich mit einem Defektelektron im Zustand 553 kombiniert, wird ein Photon 512 freigesetzt mit einer Energie, die proportional der Energiedifferenz zwischen dem Zustand 540 und dem Zustand 553 ist. Auf ähnliche Weise werden Photonen 515 auch aus der Wiedervereinigung von Trägern in den Zuständen 540 und 550 produziert. Das geschieht deswegen, weil Elektronen im Zustand 540 und Defektelektronen im Zustand 550 in der linken Quantenquelle vorhanden sind. Wenn es keinen ausreichenden Vorrat an Defektelektronen im Zustand 550 gibt wegen mangelnder Tunnelung von der rechten Quantenquelle zur linken Quantenquelle, dann kommt es zu weniger Wiedervereinigungen zwischen den Zuständen und weniger Photonen 515 werden erzeugt.
  • Fig. 5(b) zeigt, daß die Frequenz des vorn abstimmbaren Laser 30 abgestrahlten Lichts durch das angelegte elektrische Feld verändert wird, weil die Energiedifferenz für Übergänge zwischen den Energiezuständen durch das elektrische Feld variiert wird, wenn zwei eng gekoppelte Quantenquellen vorhanden sind. Der Elektronenübergang vom Leitungszustand 540 zum Valenzzustand 550 setzt eine andere Frequenz der Lichtenergie frei als der Übergang vom Zustand 540 zum Zustand 553. Das geschieht wegen der Energiedifferenz zwischen den Valenzzuständen 550 und 553. Für jeden Energiezustand in einer einzigen Quantenquelle werden zwei Energiezustände erzeugt, wenn zwei Quantenquellen eng gekoppelt sind. Wenn die Kopplung eng genug ist, so daß ein signifikantes Trägertunneln auftritt, werden diese neu geschaffenen Energiezustände von Elektronen und Defektelektronen von der anliegenden Quantenquelle besetzt. Die einzelnen Energiezustände werden aneinander angeglichen, wenn ein elektrisches Feld auf die Struktur einwirkt. Dann kommt es zu Übergängen zwischen den Energiezuständen, wobei die meisten Übergänge zwischen den Leitungs- und Valenzzuständen auftreten, die den geringsten Energieunterschied aufweisen, vorausgesetzt, es gibt eine kleine Überlappung zwischen den Wahrscheinlichkeitsverteilungsfunktionen dieser Zustände. Die Modulation des elektrischen Feldes moduliert die Energiedifferenz zwischen dem Leitungszustand und dem Valenzzustand. Mit der Nodulierung der Differenz zwischen dem Leitungszustand und dem Valenzzustand wird auch die Wellenlänge des abgestrahlten Lichts moduliert, weil die Wellenlänge (die umgekehrt proportional zur Frequenz ist) proportional der Energiedifferenz zwischen dem Leitungszustand und dem Valenzzustand ist.
  • Das elektrische Feld moduliert auch die Intensität des abgestrahlten Lichts. Das geschieht, weil das elektrische Feld die Verteilung der Elektronen und Defektelektronen innerhalb der Quantenquelle moduliert. Wenn die Elektronen in Fig. 5(b) nach rechts geschoben werden, ist die Elektronenverteilung näher an der Quantenquellenwand 570. Die Quantenquellenwand 570 ist ein Zentrum für nichtstrahlende Wiedervereinigung. Wenn also mehr Träger in die Nähe der Wand 570 geschoben werden, kommt es auch zu mehr nichtstrahlenden Wiedervereinigungen, ebenso wie zum verstärkten Tunneln oder zur thermionischen Abstrahlung, und weniger Licht wird abgestrahlt. Auf ähnliche Weise werden in Fig. 5(b) Defektelektronen nach links zur Wand 580 geschoben und wiedervereinigen sich in einem nichtstrahlenden Prozeß, um die von der Struktur abgestrahlte Lichtrnenge zur reduzieren. Diese nichtstrahlenden Prozesse sind auf dem Stand der Technik bekannt und sind in der Regel temperaturabhängig. Es ist also möglich, daß sie der Quantenlaser 30 durch Aufbauen der Quantenquellenwände 570 und 580 mit einer hohen nichtstrahlende Wiedervereinigungsquote ausnutzt. Wenn ein genügend großes elektrisches Feld auf die Struktur einwirkt, wird die Laseraktion unterbrochen. Auf diese Weise würde der Laser 30 sowohl die Wellenlänge als auch die Intensität des Ausgangs modulieren.
  • Fig. 6 zeigt die Modulation der Wellenlänge in einem abstimmbaren Laserausgang, aufgetragen gegen die angelegte Spannung. Fig. 6 zeigt die Wellenlängenverschiebung als Funktion der angelegten Spannung durch Auftragen der Intensität des Laserspektrums gegen die angelegte Spannung. Jedes in Fig. 6 aufgetragene Spektrum weist einige unterschiedliche Intensitätsspitzen entsprechend der unterschiedlichen Längshohlraumresonanzen auf. Wenn keine Spannung an die Halbleiterlaserstruktur 30 angelegt wird, baut die Dotierung der p-i-n-Struktur ein eingebautes elektrisches Feld auf. Wenn eine Spannung von etwa 1,5 V an einen p-Typ-Bereich 32 gegenüber dem n-Typ- Bereich 36 angelegt wird, ist die p-i-n-Struktur des Lasers 30 im Flachbandzustand. Wenn die Struktur im Flachbandzustand ist wirkt kein elektrisches Feld auf die Struktur. Mit der Zurücknahme der Spannung von 1,5 auf 0 V, wird an die Flachbandstruktur ein elektrisches Feld gelegt, weil das eingebaute Feld der Laserstruktur nicht mehr von der angelegten Spannung kompensiert wird. Das elektrische Feld wird stärker, so wie die an die Vorrichtung angelegte Spannung zurückgenommen wird. Mit dem Stärkerwerden des elektrischen Feldes nimmt die Wellenlänge des Ausgangs des Lasers 30 zu. Die Wellenlängenverschiebung ist in etwa linear mit der Spannung des Flachbandzustands von 1,5 V bis etwa 0,3 V. Die Gesamtverschiebung der Wellenlänge beträgt über diesen Bereich etwa 7 Nanometer (nm). Wenn die Spannung auf unter etwa 0, 3 V abfällt, wird die lineare Verschiebung allmählich gesättigt. Das heißt, die Zunahme der Wellenlänge wird kleiner bei einer Abnahme der Spannung unter 0,3 V. Das geschieht deswegen, weil beim Anordnen der Träger in getrennten Quantenquellen aufgrund des elektrischen Feldes diese einen Dipol bilden, der ein gesondertes elektrisches Feld produziert, das dem elektrischen Feld entgegenwirkt, das vorn eingebauten Feld der Struktur und der angelegten Spannung erzeugt wird. Mit dem Abnehmen der angelegten Spannung nimmt der Dipol und das entgegenstehende elektrische Feld zu, die ihrerseits die Wirkung des angelegten elektrischen Feldes verringern. Wenn die angelegte Spannung gegen 0 geht und negativ wird, nimmt das elektrische Feld über den aktiven Bereich 120 zu und der Dipol wird größer. Das führt dazu, daß kein Nettoeffekt mehr auf die Wellenlänge des Laserausgangs stattfindet. Wenn an die p- i-n-Struktur eine Spannung angelegt wird, die größer ist als sie zur Herstellung des Flachbandzustands erforderlich ist, wird die p-i-n-Struktur vorwärts vorgespannt Das elektrische Feld über dem aktiven Bereich der p-i-n-Struktur ist 0 V/cm unter dem Flachbandzustand. Wenn die p-i-n-Struktur vorwärts vorgespannt wird, fließt ein signifikanter Strom durch die p- i-n-Struktur und das verhindert, daß sich eine signifikante Spannung (über 1,5 V) über der p-i-n-Struktur aufbaut. Daher entwickelt sich kein signifikantes elektrisches Feld und die Wellenlänge des abgestrahlten Lichts wird nicht verschoben. Auch wenn die Wellenlänge des abgestrahlten Lichts nicht verschoben wird, gibt es noch immer eine Laserwirkung. Bei Spannungen über dem Flachband wird noch immer Licht abgestrahlt, jedoch nutzt die Vorrichtung die gekoppelten Quantenquellen nicht mehr aus und damit kommt es nicht mehr zur Wellenlängenverschiebung.
  • Fig. 1 zeigt den Betrieb einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Pumplaser 20 strahlt Licht ab, das der Eingang zum abstimmbaren Laser 30 ist. Das Licht vom Pumplaser erregt Elektronen, die in Valenzzuständen der Quantenquellen existieren, in die Leitungszustände. Diese Elektronen wiedervereinigen sich in den Valenzzuständen und strahlen dabei Licht ab mit einer Wellenlänge, die abhängig ist vorn elektrischen Feld, das über der aktiven Schicht des abstimmbaren Lasers 30 steht. Das elektrische Feld wird moduliert durch die Spannungsquelle 24. Der Pumplaser 20 liefert genügend Träger, die sich zwischen den Quantenguellenzuständen wiedervereinigen&sub1; so daß der abstimmbare Laser die Laserschwelle erreicht. Der Lichtausgang so ist der abstimmbare Laserausgang vom Laser 30. Der abstimmbare Laser 30 wird in der Regel bei niedrigen Temperaturen betrieben, um Störeffekte der überschüssigen nichtstrahlenden Wiedervereinigungen in der Vorrichtung, die bei höheren Temperaturen auftreten, zu reduzieren. Diese niedrige Temperatur beträgt im vorliegenden Fall 5 K Wenn die Fähigkeit zur Erhöhung der Trägereinschlüsse durch Anwenden von Material mit stärker wirksamen Energiesperrschichten zunimmt, kann der abstimmbare Laser 30 auch bei höheren Temperaturen betrieben werden.
  • Fig. 7 illustriert die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Diese Ausführungsform beliefert die Leitungszustände der Quantenquelle mit Elektronen auf eine andere Weise als die Ausführungsform der Fig. 1. Die Ausführungsform in Fig. 1 pumpt den abstimmbaren Laser 30 optisch durch Einsatz eines Pumplasers 20, um erregte Träger zu den Quantenquellen zu schicken. Die Ausführungsform der Fig. 7 pumpt den abstimmbaren Laser elektrisch durch elektrisches Senden der Träger an die Quantenquelle. Der abstimmbare Halbleiterlaser 30, der in Fig. 7 dargestellt wird, ist eine Mehrschichtenstruktur mit einem aktiven Bereich 120, der zwischen erste Mantelschichten 110 und 130 gelegt ist. Die erste Mantelschicht 115 liegt zwischen dem aktiven Bereich 120 und einer zweiten Mantelschicht 110. Die erste Mantelschicht 130 liegt zwischen dem aktiven Bereich 120 und einer zweiten Mantelschicht 135. Die zweiten Mantelschichten 110 und 135 liegen an den Kontaktschichten 32 bzw. 36. Der aktive Bereich 120 enthält wenigstens ein Paar gekoppelter Quantenquellen, die durch Zwischenlegen einer Sperrschicht zwischen zwei Quantenquellenschichten ausgebildet werden, in denen die Sperrschicht in einem Dickenbereich zwischen einer Dicke zwischen einer Monomolekularschicht und 3,5 nm und dem Bereich der Quantenquellenschichten von 2 bis 6 nm Dicke liegt. Der aktive Bereich kann mehr als ein Paar gekoppelter Quantenquellen aufweisen, in denen jedes Paar Quantenquellen durch mindestens etwa 10 nm getrennt ist. Die Quantenquellenschichten sind undotierten GaAs-Schichten und die Sperrschicht besteht aus AlxGa1-xAs, wobei x etwa 0,23 beträgt. Auch die ersten Mantelschichten 110 und 130 sind AlxGa1-xAs- Schichten, hier nimmt x jedoch stückweise linear, in Abhängigkeit vom Abstand von der aktiven Schicht, von etwa 0,23 bis etwa 0, 63 zu. Die zweiten Mantelschichten 115 und 135 sind AlxGa1-xAs-Schichten, bei denen x ungefähr 0,63 ist. Die bevorzugte Ausführungsform unterscheidet sich in der Struktur der Mantelschichten von der Ausführungsform in Fig. 1, weil die ersten und die zweiten Mantelschichten nicht dotiert sind. Die Kontaktschicht 32, die an die zweite Mantelschicht 115 anliegt, ist p-dotiert in einer Konzentration von etwa 5 x 10¹&sup8;/cm³. Auch die Kontaktschicht 36, die an die zweite Mantelschicht 135 anliegt, ist n-dotiert mit einer Konzentration von etwa 2 x 10¹&sup8;/cm³.
  • Die bevorzugte Ausführungsform des Laser 30 gemäß Fig. 7 weist reflektierende Facetten 37 und 38 auf. Diese reflektierenden Facetten können gebildet werden durch Spalten oder Ätzen. Ein anschließendes Aufschichten eines reflektierenden Materials kann auf die gespaltenen (oder geätzten) Oberflächen aufgebracht werden, um die Laserschwelle zu reduzieren. Die reflektierenden Facetten stehen senkrecht auf der Ebene, auf der die Aktivschicht 120 ausgebildet ist, und die Facetten 37 und 38 bilden mit der Aktivschicht einen langgestreckten Hohlraum. Der Längshohlraum hat eine Längsachse, die parallel zu der Ebene der Aktivschicht 120 und senkrecht zu den Facetten 37 und 38 steht. Die horizontalen Abmessungen des Längshohlraums werden gebildet durch Diffusionsbereiche 170 und 175. Die Diffusion 170 ist eine p-Typ-Diffusion, die ein horizontales Ende der Längshohlraums berührt. Die Diffusion 170 weist eine Konzentration von etwa 5 x 10¹&sup8;/cm³ auf. Diffusion 175 ist eine n-Typ-Diffusion, die das zweite horizontale Ende des Längshohlraums berührt und die eine Dotierungskonzentration von etwa 2 x 10¹&sup8;/cm³ aufweist. Die Diffusionsbereiche 170 und 175 müssen alle Schichten des aktiven Bereichs 120 berühren. Die Diffusionen 170 und 175 sind auch physikalisch isoliert gegen die Kontaktschichten 32 und 36, so daß sie keine Diode bzw. einen Kurzschluß zwischen den Kontaktschichten und den Diffusionen bilden. Die intrinsische Mantelschicht 110 wird vertikal ausgeätzt, um die Diffusionsbereiche 170 und 175 von der Kontaktschicht 32 zu trennen. Die intrinsische Schicht 135 trennt die Kontaktschicht 36 von den Diffusionsbereichen 170 und 175.
  • Die bevorzugte Ausführungsform arbeitet durch Anlegen einer Spannungsquelle V2 an die Kontaktschicht 32, der Masse 7 an die Kontaktschicht 36, einer positiven Spannungsquelle V3 an die Diffusion 170, und einer negativen Spannungsquelle V4 an die Diffusion 175. Die Spannung V2 gegen Masse 7 wird benutzt, um das elektrische Feld über den Aktivbereich 120 der vertikalen p-i-n-Struktur zu modifizieren. Die vertikale p-in-Struktur hat ein eingebautes Feld infolge des Dotierens der Kontaktschichten 32 und 36. Die Spannung V2 durchläuft einen Bereich zwischen einer negativen Spannung und der Flachbandspannung der p-i-n-Struktur, um die Wellenlänge des Lichts zu modifizieren, das aus dem Aktivbereich 120 abgestrahlt wird. Die Flachbandspannung dieser Struktur beträgt bei Zimmertemperatur in etwa 1,5 V. Licht wird aus dem Aktivbereich 120 abgestrahlt, weil Träger an die Leitungs- und Valenzzustände der Quantenquellen geschickt werden aufgrund der Vorwärtsvorspannung der horizontalen p-i-n-Struktur, die aus der Diffusion 170, dem Aktivbereich 120 und der Diffusion 175 gebildet wird. Die Spannung V3 ist genügend positiv gegenüber der Spannung V4, so daß die horizontale p-i-n- Struktur vorwärts vorgespannt ist jedoch unterhalb der Flachbandspannung 170 und der Schicht 36 bleibt, um einen Leckstrom zwischen der Diffusion 170 und der Schicht 36 zu vermeiden. In dieser Struktur muß V3 etwa 1,5 V stärker positiv sein als V4.
  • Eine weitere Modifizierung der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Struktur ohne Kappenschicht. Insbesondere wird die p-Typ-Kappenschicht ersetzt durch eine Metallschicht wie Gold oder Nickel. Diese Metallschicht erzeugt einen Schottky-Barriere-Kontakt, der das elektrische Feld an die Aktivschicht 120 legt. In dieser Ausführungsform sind die Mantelschichten 110 und 115 sowie die Schichten 130 und 135 undotierte Schichten, die noch immer einen unterschiedlichen Aluminiumgehalt aufweisen. Im allgemeinen bildet das elektrische Pumpen der vertikal gekoppelten Quantenquellstruktur durch die horizontale p-i-n-Struktur einen kompakten, abstimmbaren Halbleiterlaser 30, der wegen seiner einfachen Struktur und Betrieb für viele Anwendungen in Frage kommt.
  • Fig. 8 illustriert noch eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Fig. 8 illustriert zwei Halbleiterlaser mit einem gemeinsamen dotierten Kontaktbereich 36. Bereich 36 ist mit einer Konzentration von etwa 2 x 10¹&sup8;/cm³ dotiert. Ein Pumplaser 20 injiziert Licht 40 direkt in den Aktivbereich 120 des abstimmbaren Lasers 30. Die physikalische Struktur des Pumplasers 20 ist identisch mit der Struktur des abstimmbaren Lasers 30. Die Aktivbereiche in beiden Lasern umfassen wenigstens ein Paar gekoppelter Quantenquellen, in denen die Sperrschicht eine Dicke von zwischen einer Monomolekularschicht und 3,5 um aufweist und die Quantenquellen zwischen 2 und 6 nm liegen. Der Aktivbereich liegt zwischen zwei Sätzen Mantelschichten. Die ersten Mantelschichten 115 und 130 sind dotierte Schichten aus AlxGa1-xAs, wobei x schrittweise linear in Abhängigkeit vom Abstand zur Aktivschicht zwischen etwa 0,23 bis 0,63 variiert. Die zweiten Mantelschichten 110 und 135 sind ebenfalls AlxGa1-xAs-Schichten, wobei x etwa 0,63 ist. Die Mantelschicht 110 ist p-Typ-dotiert mit einer Konzentration von etwa 10¹&sup8;/cm³. Die Mantelschicht 115 ist p-Typdotiert mit einer Konzentration von etwa 5 x 10¹&sup7;/cm³. Die Mantelschicht 130 ist n-Typ-dotiert mit einer Konzentration von etwa 5 x 10¹&sup7;/cm3 und die Mantelschicht 135 ist n-Typdotiert mit einer Konzentration von etwa 10¹&sup8;/cm³.
  • Zwar ist die physikalische Struktur des Pumplasers 20 die gleiche wie beim abstimmbaren Laser 30, jedoch sind die Betriebsbedingungen des Pumplasers nicht die gleichen wie beim abstimmbaren Laser 30. Die Operation des Pumplasers 20 macht sich nicht die vorn angekoppelten Quantenquelleffekt bewirkte Abstimmbarkeit zunutze. Es ist nicht erforderlich, daß die zwei Laserstrukturen gleich sind, jedoch verhindert der Einschluß der gekoppelten Quantenquellen den Betrieb des Pumplasers auf herkömmliche Wiese keineswegs. Daraus ergibt sich, daß zwecks Erleichterung der Herstellung der Vorrichtung auf dem gleichen Substrat die Struktur der zwei Vorrichtungen gleich ist. Der Pumplaser 20 arbeitet im herkömmlichen Modus, wobei die an den Kontaktbereich 32 angelegte Spannung V1 genügend positiv ist gegenüber dem Massepotential, das an den gemeinsamen Kontaktbereich 36 gelegt ist, daß die sich ergebende p-i-n-Struktur vorwärts vorgespannt ist. Wenn die p-i-n-Struktur vorwärts vorgespannt ist, fließt Strom aus der Spannungsquelle zur Masse und liefert Träger in den Aktivbereich 120. Träger in der Quantenquelle im Aktivbereich wiedervereinigen sich und senden Licht 40 aus. Die Wellenlänge des Lichts wird von der Spannung V1 nicht moduliert, weil es, wenn die p-i-n-Struktur vorwärts vorgespannt ist, nur ein sehr kleines elektrisches Feld über dem Aktivbereich gibt, das nicht ausreicht, die Wellenlänge des abgestrahlten Lichts zu modulieren.
  • Der Pumplaser 20 erregt Träger von den Valenzzuständen zu den Leitungszuständen der Quantenquellen im abstimmbaren Laser 30 durch Übertragen von Licht 40 in den Aktivbereich 120 des abstimmbaren Lasers 30. Die erregten Träger im Laser 30 wiedervereinigen sich und strahlen Licht 50 ab. Die Wellenlänge des Lichts 50 wird durch die Spannung V2 moduliert. Spannung V2 streicht zwischen einer negativen Spannung und der Flachbandspannung der Struktur hin und her, um das elektrische Feld über dem aktiven Bereich 120 zu modulieren. Die Flachbandspannung dieser Struktur beträgt 1,5 V. Das eingebaute elektrische Feld ist ausreichend, um die Wellenlänge des abgestrahlten Lichts über etwa eine Anderung von 1,5 V in V2 für diese Struktur um 7 nm zu verschieben. Wenn die Spannung V2 gegenüber der Masse signifikant negativ wird, ist die Wellenlängenänderung infolge des sich ergebenden Dipols gesättigt, der von der Veränderung in der Trägerverteilungsfunktion erzeugt wird. Wenn die Spannung V2 über 1,5 V steigt, so daß die p-i-n-Struktur vorwärts vorgespannt ist, dann ist das elektrische Feld zu klein, um die Wellenlänge der abstrahlenden Vorrichtung zu modulieren.
  • Die Erfindung wurde anhand verschiedener Ausführungsformen beschrieben und illustriert; jedoch ist dem Fachmann bewußt, daß in Einzelheiten mögliche Veränderungen vorgenommen werden können, ohne von Sinn und Wesensart, Umfang und Lehre der Erfindung abzuweichen. Insbesondere können auch andere Werkstoffe anstatt des AlGaAs-Systems zum Aufbau der Quantenquellen, der Sperrschichten oder der Mantelschichten eingesetzt werden. Die Erfindung beinhaltet auch den Betrieb der Vorrichtung bei höheren Temperaturen, einschließlich der Zimmertemperatur.

Claims (11)

1. Ein Halbleiterlaser (30) zum Erzeugen von Licht, enthaltend:
Einen länglichen Hohlraum, der von einem länglichen aktiven Gebiet (60) gebildet wird, das zwischen mindestens zwei reflektierenden Facetten (37, 38) angeordnet ist, die im wesentlicher senkrecht zum länglichen Hohlraum ausgebildet sind;
wobei das längliche aktive Gebiet (120) aus zwei parallelen Quantenquellschichten (122, 126) besteht, die zwei Quantenquellen bilden, wobei die Quantenquellschichten (122, 126) eine Dicke von weniger als etwa 6 nm aufweisen, und
das längliche aktive Gebiet (60) eine Sperrschicht (124) aufweist, die zwischen den Quantenquellschichten (122, 126) liegt, wobei die Sperrschicht (124) eine Dicke von weniger als etwa 3,5 nm aufweist,
die Sperrschicht (124) parallel zu den Quantenquellschichten (122, 126) angeordnet ist;
das längliche aktive Gebiet (60) zwischen einer Kontaktschicht vom n-Typ (36) und einer Kontaktschicht vom p-Typ (32) liegt, wobei die n-Typ- und p-Typ-Kontaktschichten ein eingebautes elektrisches Feld erzeugen, das im wesentlichen senkrecht auf dem länglichen aktiven Gebiet (60) steht und einer eingebauten Spannung entspricht, wobei die n-Typ-Kontaktschicht an eine erste Spannung gekoppelt ist und die p-Typ-Kontaktschicht an eine zweite Spannung gekoppelt ist, wobei die erste Spannung eine Höhe hat, die größer ist als die zweite Spannung minus der eingebauten Spannung.
2. Ein Halbleiterlaser (30) gemäß Anspruch 1, in dem:
Die Quantenquellschichten (122, 126) aus GaAs bestehen, und
die Sperrschicht (124) aus AlxGa1-xAs gebildet ist, wobei x zwischen 0 und etwa 0,63 liegt.
3. Ein Halbleiterlaser (30) gemäß einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche, in dem
ein elektrisches Feld, das auf die Sperrschicht (124) und die Quantenquellschichten (122, 126) einwirkt, die Wellenlänge des vorn Halbleiterlaser (30) erzeugten Lichts abstimmt.
4. Ein Halbleiterlaser (30) zum Erzeugen von Licht, enthaltend:
Einen länglichen Hohlraum, der von einem länglichen aktiven Gebiet (60) gebildet wird, das zwischen mindestens zwei reflektierenden Facetten (37, 38) angeordnet ist, die senkrecht zum länglichen Hohlraum ausgebildet sind;
wobei das längliche aktive Gebiet (60) eine Vielzahl gekoppelter Quantenquellbereiche (120) aufweist, wobei jeder dieser Vielzahl gekoppelter Quantenquellbereiche (120) eine Sperrschicht (124) enthält, die zwischen jeweils zwei Quantenquellschichten (122, 126) angeordnet ist;
jede dieser Quantenquellschichten (122, 126) eine Dicke von weniger als etwa 6 nm, und jede der Sperrschichten (124) eine Dicke von weniger als etwa 3,5 nm aufweist; und
eine Vielzahl von isolierenden Bereichen (128), wobei jeder gekoppelte Quantenquellbereich (120) jeweils vom nächstliegenden gekoppelten Quantenquellbereich (120) durch mindestens einen der Isolierbereiche (128) mit einer Dicke von wenigstens etwa 10 nm getrennt ist;
das längliche aktive Gebiet (60) zwischen einer Kontaktschicht vom n-Typ (36) und einer Kontaktschicht vorn p-Typ (32) liegt, wobei die n-Typ- und p-Typ-Kontaktschichten ein eingebautes elektrisches Feld erzeugen, das im wesentlichen senkrecht auf dem länglichen aktiven Gebiet (60) steht und einer eingebauten Spannung entspricht, wobei die n-Typ-Kontaktschicht an eine erste Spannung gekoppelt ist und die p-Typ-Kontaktschicht an eine zweite Spannung gekoppelt ist, wobei die erste Spannung eine Höhe hat, die größer ist als die zweite Spannung minus der eingebauten Spannung.
5. Ein Halbleiterlaser (30) gemäß Anspruch 4, in dem:
Die Quantenquellschichten (122, 126) aus GaAs bestehen, die Sperrschichten (124) aus AlxGa1-xAs gebildet sind, wobei x zwischen 0 und etwa 0,63 liegt; und
die Isolierbereiche aus AlxGa1-xAs gebildet sind, wobei x zwischen 0 und etwa 0,63 liegt.
6. Ein Halbleiterlaser (30) gemäß Anspruch 4 oder 5, in dem
ein elektrisches Feld, das auf die Vielzahl der gekoppelten Quantenquellschichten (120) einwirkt, die Wellenlänge des vom Halbleiterlaser (30) erzeugten Lichts abstimmt.
7. Ein Verfahren zum Modulieren der Lichtwellenlänge, enthaltend die folgenden Schritte:
Pumpen eines Halbleiterlasers (30), der ein längliches aktives Gebiet (60) aufweist, und der zwischen einer n- Typ- und einer p-Typ-Kontaktschicht angeordnet ist, wobei das längliche aktive Gebiet (120) zwei Quantenquellschichten (122, 126) und eine Sperrschicht (124) aufweist, die beiden Quantenquellschichten (122, 126) zwei Quantenquellen mit einer Dicke von weniger als etwa 6 nm bilden, die Sperrschicht (124) die Quantenquellen (122, 126) durch weniger als etwa 3,5 um trennt, wobei das Pumpen Licht aus dem Halbleiterlaser (30) in einem Frequenzbereich erzeugt;
Anlegen einer ersten Spannung (24) an die n-Typ-Kontaktschicht und einer zweiten Spannung an die p-Typ-Kontaktschicht, wobei die erste Spannung höher als die zweite Spannung minus einer eingebauten Spannung ist, die von den n-Typ- und p-Typ-Kontaktschichten erzeugt wird, und wobei die erste und die zweite Spannung den Frequenzbereich modulieren.
8. Ein Verfahren zum Modulieren der Lichtwellenlänge, enthaltend die folgenden Schritte:
Pumpen eines aktiven Gebiets (120) eines Halbleiterlasers (30), der ein längliches aktives Gebiet (60) aufweist, das zwischen einer n-Typ- (36) und einer p-Typ-Kontaktschicht (32) angeordnet ist, wobei das längliche aktive Gebiet (120) mindestens zwei gekoppelte Quantenquellschichten aufweist, wobei jeder dieser gekoppelten Quantenquellbereiche zwei Quantenquellschichten (122, 126) und eine Sperrschicht (124) aufweist, die Quantenquellschichten (122, 126) eine Quantenquelle mit einer Dicke von weniger als etwa 6 nm bilden, die Sperrschicht (124) die Quantenquellen (122, 126) um weniger als etwa 3,5 nm trennt, wobei das Pumpen Licht (50) aus dem Halbleiterlaser in einem Frequenzbereich erzeugt; und
Anlegen einer ersten Spannung (24) an die n-Typ-Kontaktschicht (36) und einer zweiten Spannung an die p-Typ- Kontaktschicht (32), wobei die erste Spannung höher als die zweite Spannung minus einer eingebauten Spannung ist, die von den n-Typ- und p-Typ-Kontaktschichten erzeugt wird, und wobei die erste und die zweite Spannung den Frequenzbereich modulieren.
9. Ein Verfahren zum Modulieren der Lichtwellenlänge gemäß Anspruch 7 oder 8, in dem:
Der Pumpschritt das Erzeugen eines auffallenden Lichts (40) mit einem engen Wellenlängenband beinhaltet;
das Bündeln des auf den Halbwellenlaser auffallenden Lichts (40); und
das Übertragen des auffallenden Lichts (40) zum Halbleiterlaser (30) beinhaltet.
10. Ein Verfahren zum Modulieren der Lichtwellenlänge gemäß Anspruch 7 oder 8, in dem:
Der Pumpschritt das elektrische Kontaktieren mindestens zweier Bereiche (32, 36) des länglichen aktiven Gebiets (120); und
das Anlegen einer Spannung (24) zwischen die beiden länglichen aktiven Gebietskontakte (32, 36) beinhaltet, wobei die angelegte Spannung (24) einen Stromfluß zwischen den länglichen aktiven Gebietskontakten (32, 36) bewirkt.
11. Verfahren zum Modulieren einer Lichtwellenlänge gemäß Anspruch 9, in dem:
Der Pumpschritt ferner das Bündeln des auffallenden Lichts (40) direkt auf das längliche aktive Gebiet (120) des Lasers (30) und Übertragen des auffallenden Lichts (40) direkt auf das längliche aktive Gebiet beinhaltet.
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