DE69220434T2

DE69220434T2 - Halbleiterlaser

Info

Publication number: DE69220434T2
Application number: DE69220434T
Authority: DE
Inventors: Thomas L Paoli
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 1991-08-27
Filing date: 1992-07-30
Publication date: 1997-12-11
Anticipated expiration: 2012-07-31
Also published as: JPH05211376A; DE69220434D1; US5228049A; EP0529817B1; JP3306104B2; EP0529817A1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf Halbleiterlaser und insbesondere auf eine Integration eines Diodenlasers mit einem optischen Wanderwellen-Halbleiter-Verstärker, wobei der Verstärker ein Verstärkungsprofil besitzt, das räumlich geformt ist, um die Steuerung des Ausgangsstrahls zu verbessern, und setzt eine integrierte Linse ein.
Herkömmliche Halbleiterlaser emittieren kohärente Strahlung, die partikularisierte, transversale, elektrische (TE) Modal-Charakteristika besitzt. Für viele Anwendungen ist die emittierte, kohärente Strahlung nicht zufriedenstellend, da sie keine ausreichende Leistung besitzt, um minimale Erfordernisse zu erfüllen. Typischerweise liefert ein Mode, der als TE0,0 bezeichnet wird, die größte Leistung und besitzt andere, wünschenswerte Attribute, wobei deshalb eine Betriebsweise der Halbleiterlaser derart erwünscht ist, um Strahlung zu emittieren, die diesen fundamentalen bzw. Grundmode besitzt. Ein Erhöhen der Leistungsabgabe eines Halbleiterlasers durch stärkeres energetisches Pumpen führt oftmals zu einem Hinzufügen unerwünschter Moden höherer Ordnung zu dem Ausgangsstrahl des Lasers. Diese unerwünschten Moden begrenzen die Effektivität einer Erhöhung einer Ausgangsleistung in dieser Ausführung.
Auf den Wunsch nach einer größeren Leistung in dem Grundmode hin sehen Designer für Halbleiterlaser Verstärker vor, die mit dem Halbleiterlaser-Auslaß gekoppelt sind, die die effektive Leistungsausgabe von dem Halbleiterlaser verstärken. Diese Verstärker sind, während sie effektiv die Ausgansgleistung verstärken bzw. boosten, nicht optimal effizient aufgrund von Kopplungsverlusten. Diese Verstärker können auch den Grundmode, der von dem Laser ausgegeben wird, verzerren, falls irgendeine modale Fehlanpassung an dem Eingang zu oder in der Verstärkung des Verstärkerabschnitts existiert. Zu einer Schwierigkeit eines Vorsehens geeigneter Verstärker trägt eine Stärke der Divergenz des Laserstrahls bei.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren und ein Gerät zum Verbessern einer Strahisteuerung in einem integrierten Halbleiterlaser und einem Leistungsverstärker. Eine Integration des Verstärkers mit dem Halbleiterlaser verbessert die Effektivität des Verstärkerabschnitts. Eine besondere Formung des Verstärkerabschnitts, insbesondere ein Kontakt des Verstärkerabschnitts, und ein räumliches Zuschneiden des Verstärkungsprofils des Verstärkerabschnitts liefern eine verbesserte Leistungsfunktion und erniedrigte Pegel der modalen Verzerrung des Ausgangsstrahls. Eine Integration einer Linse an einem Ausgang des Verstärkerabschnitts liefert eine Möglichkeit, einen Ausgangsstrahl zu kollimieren oder zu fokussieren, und besitzt eine Ausführungsform, bei der die integrierte Linse eine einstellbare Brennweite hat.
Die US-A-4 780 879 offenbart eine Halbleiterlaservorrichtung, die einen streifenförmig geformten aktiven Bereich besitzt, der zwischen einem Paar von Endoberflächen definiert ist. Mindestens eine der Endoberflächen besitzt einen gekrümmten Querschnitt in einer Ebene, die parallel zu dem aktiven Bereich verläuft. Der Streifen des aktiven Bereichs besitzt eine Breite derart, daß ein einzelner transversaler Mode und ein multi-Longitudinaler Mode erzeugt werden können. Die Laservorrichtung emittiert einen Strahl, der eine kleine Fleckgröße und einen geringen Astigmatismus besitzt.
Die US-A-4 791 646 beschreibt ein Verfahren zum Bilden einer opto-elektronischen Vorrichtung, in der das räumliche Verstärkungsprofil innerhalb der Vorrichtung so zugeschnitten wird, um ein nahezu zweidimensionales, räumliches Verstärkungsprofil innerhalb der Vorrichtung zu schaffen. Ein Laser, der durch das Verfahren, wie es beschrieben ist, hergestellt ist, ist für einen Betrieb unter hoher Leistung mit einem sehr schmalen, einkeuligen Fernfeld-Muster vorgesehen.
Die US-A-5 003 550 offenbart eine monolithische, integrierte Vorrichtung, die einen Haibleiterdiodenlaser mit einem Einzel-Mode innerhalb eines Verstärkers in einer Tandem-Anordnung dazu aufweist. Der Laser umfaßt einen aktiven Bereich, in dem Lichtwellen erzeugt werden. Ein Wellen leiter ist in der Nähe des aktiven Bereichs angeordnet und besitzt ein Paar Bragg-Reflektoren an jedem Ende davon, um eine Rückführung der Lichtwellen zu liefern. Der Verstärker kann ein konisch erweiterter Wellen leiter oder ein sich verzweigendes Netzwerk von Wellenleitern mit Einzel-Mode sein.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine monolithische Halbleiterstruktur geschaffen, die in einen Laserteil und einen Verstärkerteil unterteilt ist. Der Laserteil und der Verstärkerteil besitzen eine Vielzahl von Halbleiter-Heterostrukturschichten, die über ein Substrat angeordnet sind. Mindestens eine Schicht jedes Teils ist ein aktiver Bereich für eine Lichtverstärkung und eine Propagation ünter lasernden Bedingungen, um eine elektromagnetische Welle zu erzeugen, die einen bestimmten Mode besitzt, der durch räumlich verteilte Amplitudenmaxima und -minima charakterisiert ist.
Zwei Sätze von Kontakten steuern die Betriebsweise des integrierten Lasers und des Verstärkerteils. Ein erster Kontaktsatz, der eine erste und eine zweite Oberfläche des Laserteils koppelt, empfängt eine erste Spannung und ermöglicht eine Aufbringung einer ersten elektrischen Vorwärts-Biasspannung an die Schichten des Laserteils, was bewirkt, daß der Laserteil eine elektromagnetische Welle emittiert, die einen bestimmten Mode besitzt. Ein zweiter Kontaktsatz, der eine erste und eine zweite Oberfläche des Verstärkerteils koppelt, empfängt eine zweite Spannung und erleichtert ein Anlegen einer zweiten elektrischen Vorwärts-Biasspannung an die Schichten des Verstärkerteils, was bewirkt, daß der aktive Bereich des Verstärkerteils eine Populationsinversion einer Vielzahl von Trägern produziert, die die elektromagnetische Welle verstärken, wenn sie während der Propagation durch den aktiven Bereich expandiert. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der zweite Kontaktsatz so geformt, um einen divergierenden Strahl der kohärenten Strahlung, die von dem Laserteil emittiert wird, anzupassen.
Die bevorzugte Ausführungsform setzt eine Maske zwischen einem Kontakt des zweiten Kontaktsatzes und dem aktiven Bereich des Verstärkerteils ein. Die Maskierung schneidet ein räumliches Verstärkungsprofil des aktiven Bereichs des Verstärkerteils zu, um eine nicht gleichförmige, räumliche Verteilung der Vielzahl von Trägern in dem aktiven Bereich zu schaffen. Die nicht gleichförmige, räumliche Verteilung der Vielzahl der Träger führt zu variablen Dichten, mit der Formung einer räumlichen Verteilung, die Bereiche höchster Dichten entsprechend dem Amplitudenmaxima des bestimmten Modes der elektromagnetischen Welle erzeugt. Niedrigste Dichten der Vielzahl der Träger entsprechen Amplitudenminima des bestimmten, erwünschten Modes der elektromagnetischen Welle.
Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt eine Linse, die an einem Auslaß des Verstärkerteils integriert ist. Diese Linse kollimiert den Verstärkerausgang durch Plazieren der Ausgangsebene des Verstärkers an einem Brennpunkt der Linse. Die Linse wird alternativ den Strahl zu einer vergrößerten Abbildung des Laserauslasses unter einem bestimmten Abstand von der Linse durch geeignete Formung der Linse fokussieren.
Ein zusätzlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung schafft einen integrierten Linsenteil und einen Verstärkerteil mit separaten Kontakten zu dem Linsenteil. Der zusätzliche Kontakt steuert die Fokuslänge der Linse. Eine elektrische Kommunikation unterschiedlicher Bias-Spannungen steuert eine Vielzahl von Trägern, die in den Linsenteil injiziert sind, die den Brechnungsindex des Linsenteus einstellen. Dieser einstellbare Brechungsindex ermöglicht eine Abbildung des Laserauslasses, der der Verstärkereinlaß ist, um unter einem elektronisch steuerbaren Abstand fokussiert zu werden. Die vorliegende Erfindung bietet Vorteile gegenüber existierenden Systemen aufgrund der Vorsehung einer variierten Dichte der Träger innerhalb des Verstärkerteils, wobei die Trägerdichten Charakteristika eines bestimmten Modes eines Strahls einer Laserstrahlung anpassen. Mit Bereichen, die dichteste Träger entsprechend Mode-Maxima, und Bereichen, die dünnste Träger besitzen, entsprechend Mode-Minima besitzen, wird eine Mode-Verzerrung minimiert und die Effektivität des Verstärkers wird erhöht. Die integrierte Linse ermöglicht eine effiziente Kollimierung oder Fokussierung, während eine elektronisch steuerbare Fokuslänge bzw. Brennweite für die Linse eine dynamische Korrektur eines Abbildungsabstands ebenso wie eine Modulation der Fokusfleckgröße ermöglicht. Die dynamische Korrektur und Modulation würde in vielen Druckanwendungen nützlich sein.
Das Vefahren gemäß der vorliegenden Erfindung wird durch Anspruch 1 definiert. aie monolithische Struktur gemäß der vorliegenden Erfindung wird durch die Ansprüche 5 und 10 definiert.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand eines Beispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
Fig. 1 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Profils einer Halbleiter-Heterostruktur 10;
Fig. 2 zeigt eine Oberseitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die eine integrierte Halbleiterlaser-Heterostruktur 10 und einen integrierten Halbleiter-Verstärkerteil 10' darstellt;
Fig. 3A zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Profils des integrierten Halbleiter-Verstärkerteils 10', die eine Maskierungsschicht 40 darstellt, die zwischen einem Oberseitenkontakt 30' des Verstärkerteils und einer Abdeckschicht 28 zwischengefügt ist;
Fig. 3B zeigt eine Oberseitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform der Maskierungsschicht 40, die eine Vielzahl von offenen Punkten einer sich variierenden Größe und Dichte verwendet, um die Trägerdichte in dem aktiven Bereich 24 des Verstärkerteils zu steuern;
Fig. 3C zeigt eine andere bevorzugte Ausführungsform für eine Maskierungsschicht 40' der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4A-4C zeigen graphische Darstellungen, die besondere Phänomene relatrv zu dem aktiven Bereich 24 des Verstärkerteils darstellen: spezifisch:
Fig. 4A zeigt eine graphische Darstellung einer TE0,0 Grundwelle destyps, der durch den aktiven Bereich 24 der Heterostruktur 10 emittiert wird, die eine Amplitude gegenüber einer räumlichen Position an einem bestimmten Querschnittsflächenbereich des Verstärkerteils 10' darstellt, der einen oberen Kontakt 30' mit einer Breite W besitzt;
Fig. 4B zeigt eine graphische Darstellung, entsprechend der graphischen Darstellung der Fig. 4A, die eine Konzentration an Trägern in dem aktiven Bereich 24 des Verstärkerteils 10' unter dem oberen Kontakt 30' gegenüber einer räumlichen Position für ein Verstärkerteil 10' ohne die Maskierungsschicht 40 darstellt, und
Fig. 4C zeigt eine graphische Darstellung, entsprechend der graphischen Darstellung der Fig. 4A, die eine Konzentration an Trägern in dem aktiven Bereich 24 des Verstärkerteils 10' unter dem oberen Kontakt 30' gegenüber einer räumlichen Position für den Verstärkerteil 10', der die Maskierungsschicht 40 besitzt, darstellt;
Fig. 5 zeigt eine Oberseitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die eine integrierte Halbleiterlaser-Heterostruktur 10 und einen integrierten Halbleiter-Verstärkerteil 10' mit einer Ausgangslinse 50 darstellt, die mit dem Verstärkerteil 10' zur Kollimierung eines Ausgangsstrahls integriert ist;
Fig. 6 zeigt eine Oberseitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die eine integrierte Halbleiterlaser-Heterostruktur 10 und ein integriertes optisches Halbleiter-Verstärkerteil 10' mit einer Ausgangslinse 50' darstellt, die mit dem Verstärkerteil 10' zum Fokussieren eines Ausgangsstrahls integriert ist; und Fig. 7 zeigt eine Oberseitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die eine integrierte Halbleiterlaser-Heterostruktur 10 und ein integriertes optisches Halbleiter-Verstärkerteil 10' darstellt, der eine Ausgangslinse 60 besitzt, die mit einem separaten Kontaktsatz für eine elektronisch steuerbare Fokuslänge bzw. Brennweite versehen ist.
Fig. 1 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Profils einer Halbleiter-Heterostruktur 10, die eine Vielzahl von epitaxial niedergeschlagenen Schichten 22-28 auf einem Substrat 20 besitzt. Als ein Beispiel einer Halbleiterlaser-Struktur ist die Heterostruktur 10 ziemlich repräsentativ, allerdings sind andere Laser-Halbleiter-Strukturen möglich. In der bevorzugten Ausfühmngsform umfaßt die Heterostruktur 10 das Substrat 20, das aus n-GaAs hergestellt ist, das aufeinanderfolgend niedergeschlagene epitaxiale, metallorganische Schichten 22-28 besitzt. Ein chemischer Dampfniederschlags-Reaktor bildet die epitaxialen Schichten, die eine erste Hüllschicht 22, einen aktiven Bereich 24, eine zweite Hüllschicht 26 und eine Abdeckschicht 28 besitzen. Eine Schicht aus n-Ga1-yAlyAs, wobei y von 0,4 bis 0,8 variiert, vorzugsweise gleich zu 0,40 ist, bildet die erste Hüllschicht 22. Eine Schicht aus irgendeinem von GaAs, Ga1-xAlxAs, eine einzelne Quanten-Grabenschicht aus GaAs oder eine Vielzahl von Quanten-Grabenschichten alternierender Schichten von entweder GaAs und Ga1-xAlxAs oder Ga1-xAlxAs und Ga1-zAlzAs, wobei y> z> x gilt, bauen den aktiven Bereich 24 auf. Eine Schicht aus p-Ga1-yAlyAs baut die zweite Hüllschicht 26 auf, während eine Schicht aus p + GaAs die Abdeckschicht 28 aufbaut.
Die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt vier Quanten-Gräben mit 12nm aus Ga1-xAlxAs, wobei x gleich zu 0,05 ist, sepanert durch drei Barrieren von 6nm aus Ga1-zAlz-As, wobei z gleich zu 0,20 ist. Der aktive Bereich 24 besitzt eine Dicke von ungefähr 66nm. Metallische Filme 30 und 32 bauen einen Satz von elektrischen Kontakten an der Heterostruktur 10 auf. Diese Filme können aus irgendwelchen geeigneten Materialien hergestellt werden.
Fig. 2 zeigt eine Oberseitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die eine integrierte Halbleiterlaser-Heterostruktur 10 und einen integrierten, optisches Halbleiter-Verstärkerteil 10' darstellt. Die Heterostruktur 10, entsprechend dem Laser, und die Heterostruktur 10', entsprechend dem Verstärker, sind integriert, und mit Ausnahme der Unterschiede, die nachfolgend angegeben sind, sind sie virtuell identisch. Die Heterostruktur 10 liefert einen verteilten Reickkopplungs-(DFB)-Laser oder einen verteilten Bragg-Reflektor-(DBR)-Laser, der durch Anlegen einer bestimmten Bias- Spannung an den oberen Kontakt 30 betreibbar ist, um eine Populationsinversion an Trägern in dem aktiven Bereich 24 der Heterostruktur 10 zu produzieren. Ein ausreichendes Pumpen produziert einen Ausgangsstrahl einer kohärenten Strahlung, die bestimmte Charakteristika besitzt, beispielsweise modale Charakteristika, die durch strukturelle Elemente der Heterostruktur 10 eingerichtet sind.
Integriert mit dem Laser ist eine Verstärker-Heterostruktur 10'. Eine Grenze 33 separiert den oberen Kontakt 30' der Heterostruktur 10' von dem oberen Kontakt 30 der Heterostruktur 10. Die Grenze 33 ermöglicht, falls es erwünscht ist, eine zweite, bestimmte Bias-Spannung, die von der bestimmten Bias-Spannung der Heterostruktur 10 unterschiedlich ist, um die Betriebsweise des Verstärkers, separat von dem Laser, zu steuern. Wie in Fig. 2 angezeigt ist, hält der optische Wellenleiter 36 eine relativ konstante Breite t über die Länge des Lasers bei. Dies liefert eine geeignete Resonanzkavität für den Laser. Die Breite des optischen Wellenleiters 36' besitzt eine sich variierende Breite Wi. Die Breite Wi erweitert sich, um die Form der emittierten Strahlung durch den Verstärker anzupassen. Halbleiterlaser besitzen einen relativ großen Divergenzwinkel, wodurch sich demzufolge die Breite Wi signifikant entlang der Länge des Verstärkers variiert. Die optischen Wellenleiter können durch eine Schichtumordnung gebildet werden, wie dies in der US-A-4,870,652 beschrieben ist. Bereiche der Abdeckschicht außenseitig von Wellenleitern 36' und 36 sind elektrisch resistiv gestaltet, zum Beispiel durch einen Protonenbeschuß, um die Träger auf nur die Bereiche 36' und 36 einzugrenzen.
Fig. 3A zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Profils des integrierten Halbleiterverstärkers 10', die eine Maskierungsschicht 40 darstellt, die zwischen einem oberen Kontakt 30' des Verstärkers und der aktiven Schicht 24 zwischengefügt ist. Eine bevorzugte Ausführungsform ist diejenige, dieses Muster in einer Abdeckschicht 28 und einem Bereich der Hüllschicht 26 mit einem Protonenbeschuß vorzunehmen, um hochwiderstandsfähige Bereiche zu erzeugen. Das Profil der Fig. 3A ist von einem wahlweisen Standpunkt aus entlang der Verstärkerlänge einer Breite W. für einen Wellenleiter 36' aufgenommen. Der Zweck der Maskierungsschicht 40 ist derjenige, ein laterales Verstärkungsprofil des aktiven Bereichs 24 der Heterostruktur 10' für die Laserstrahlung zu formen, wenn sie sich durch den Verstärker ausbreitet. In der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung formt ein injizierter Strom durch den oberen Kontakt 30' und die Maskierungsschicht 40 das laterale Verstärkungsprofil, um eine modulare Form der Laserstrahlung anzupassen, wenn sie sich in dem Verstärker ausbreitet. Diese Maskierungsschicht 40' berücksichtigt den Brechungsindex und ein Verstärkungsprofil des Verstärkers. Die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schafft einen weichen Übergang (Fehlen von Diskontinuitäten) von dem Laserwellenleiter 36 zu dem Verstärkerwellenleiter 36'. Irgendwelche Diskontinuitäten könnten zu unerwünschten Reflexionen von einer modalen Fehlanpassung führen. Die gemusterte Abdeckschicht 28 kann von irgendeiner geeigneten Konfiguration sein, um eine lokale Stromdichte zu steuern und diese Dichte über die Breite des sich erweiternden Laserstrahls zu variieren.
Fig. 3B zeigt eine Oberseitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform für die Maskierungsschicht 40 oder die gemusterte Abdeckschicht 28, unter Verwendung einer Vielzahl von offenen Punkten sich varuerender Größe und Dichte, um die Trägerdichte in dem aktiven Bereich 24 des Verstärkers zu steuern.
Ein Ätzen der p + GaAs Abdeckschicht 28 mit geeigneten Reagenzen, wie beispielsweise H&sub2;SO&sub4;:H&sub2;O&sub2;:H&sub2;O::1:8:40, um ein Muster ähnlich zu demjenigen der Fig. 3B zu produzieren, liefert einen alternativen Mechanismus für ein räumliches Zuschneiden von Trägern in dem Verstärkungsabschnitt. Das Muster der Fig. 38 ist allerdings nicht geformt dargestellt, um den sich erweiternden Strahl in dem Verstärker anzupassen, sondern ist nur eine schematische Darstellung des Musters vor der Formung, die für eine Strahlerweiterung erforderlich ist. Der optische Wellenleiter 36', der auch das sich erweiternde Profil des Laserstrahis in dem Verstärker anpaßt, unterlegt diese Maskierungsschicht 40. In dieser bevorzugten Ausführungsform bildet das Metall der Kontaktschicht 30' einen injizierten, ohm'schen Kontakt in Bezug auf die Abdeckschicht 28, wo die Abdeckschicht 28 nicht weggeätzt worden ist. In solchen Flächenbereichen, wo die Abdeckschicht 28 weggeätzt worden ist, bildet das Metall des Kontakts 30' einen Schottky-Blockierkontakt für die Hüllschicht 26. Das räumliche Zuschneiden der Verstärkung des aktiven Bereichs, das aus einem Variieren der Injektionsdichte resultiert, erhöht sich von links nach rechts, wie dies gesehen wird, bis zu dem Mittelpunkt der Maskierungsschicht 40, wobei sie an diesem Punkt erneut abfällt. Dieser Spitzenwert in dem Verstärkungsprofil stimmt mit den Amplitudenmaxima der TE0,0 Welle überein, wenn sie sich in dem Verstärker ausbreitet und expandiert.
Fig. 3C zeigt eine andere Ausführungsform einer Maskierungsschicht 40' der vorliegenden Erfindung. Ein Ätzen oder ein Protonenbeschuß der Abdeckschicht 28, um die Maskierungsschicht 40' zu produzieren, wird auch ein sich räumlich variierendes Verstärkungsprofil über die Breite des Verstärkers erzeugen. Dieses bestimmte Verstärkungsprofil, ähnlich dem Profil, das durch die Maskierungsschicht 40 der Fig. 3B erzeugt ist, paßt einen Grundmode des Laserstrahls an, wenn er sich durch den Verstärkerteil ausbreitet. Es ist zu beachten, daß in Fig. 3C, ähnlich Fig. 3B, die Maskierungsschicht 40' so dargestellt ist, daß sie mit dem Profil des sich erweiternden Laserstrahls des Verstärkers übereinstimmt. Es ist auch möglich, den oberen Kontakt 30' so zu bilden, um mit den Mustern übereinzustimmen, die für die Maskierungsschichten in den Fig. 3B und 3C ohne Ätzen der Abdeckschicht 28 dargestellt sind. Die Dicke der Abdeckschicht 28 und der Hüllschicht 26 trägt zu einer Glättung des endgültigen Verstärkungsprofils bei, was in dem aktiven Bereich des Verstärkers bewirkt wird. Andere Maskierungsmuster sind möglich, um eine Trägerdichte zu steuern bzw. zu kontrollieren.
Ein Beispiel dieses Verfahrens wurde durch Lindsey et al in TAILORED-GAIN BROADAREA SEMICONDUCTOR LASER WITH SINGLE-LOBED DIFFRACTION-LIMITED FAR-FIELD PATTERN, Electronics Letters, Vol 21, No. 16, Seite 671, (August 1985), demonstriert.
Eine andere bevorzugste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung setzt variabel beabstandete und dimensionierte streifenförmige Kontakte ein, die parallel zu Konturen des Erweiterungs-Modes laufen, wie dies in Fig. 3C zum Beispiel dargestellt ist. Andere Kontaktmuster sind möglich, um die Trägerdichte zu steuern.
Die Fig. 4A-4C zeigen graphische Darstellungen, die besondere pHänomene relativ zu dem aktiven Bereich 24 des Verstärkers darstellen. Fig. 4A zeigt eine graphische Darstellung einer TE0,0 Grundwelle, die durch den aktiven Bereich 24 der Heterostruktur 10 emittiert wird, die die Amplitude gegenüber der räumlichen Position unter einem besonderen Querschnittsflächenbereich des Verstärkers 10' darstellt, der einen Wellen leiter 36' mit einer Breite W besitzt. Viele Verwendungen des Halbleiterlasers erfordern eine Emission und Verstärkung des TE0,0 Grundmodes, um die Leistung und Effektivität zu maximieren. Dieser Grundmode besitzt ein Amplitudenmaximum in einer Mitte des Laserstrahls, und zwar mit Amplituden, die sich zu Minima an den Strahlkanten erniedrigen.
Fig. 4B zeigt eine graphische Darstellung, entsprechend der graphischen Darstellung der Fig. 4A, die ungefähr eine Konzentration von Elektronen oder Löchern in dem aktiven Bereich 24 des Verstärkers 10' unter dem oberen Kontakt 30' gegenüber einer räumlichen Position für einen Verstärker 10' ohne die Maskierungsschicht 40 zeigt. Die Elektronen- oder Löcherdichte ist gleichförmig über die Breite des Verstärkers beim Nichtvorhandensein einer lateralen Verstärkungsprofil-Formung. Die Konzentration der Elektronen oder Löcher entspricht direkt der Verstärkung, da es diese Träger sind, die sich durch stimulierter Emission rekombinieren, um den Laserstrahl zu verstärken, wenn er durch den aktiven Bereich 24 des Verstärkers propagiert. Dieses besondere Verstärkungsprofil der Fig. 4B ist ineffizient und führt zu einer modalen Verzerrung des sich propagierenden Laserstrahls, da sie nicht die Form des sich erweiterenden gauss-ähnlichen Modes anpaßt, insbesondere dann, wenn sich Wi erhöht.
Fig. 4C zeigt eine graphische Darstellung entsprechend der graphischen Darstellung der Fig. 4A, die eine Konzentration von Trägern (Elektronen oder Löcher) in einem aktiven Bereich 24 des Verstärkers 10' unter dem oberen Kontakt 30' gegenüber einer räumlichen Position für den Verstärker 10', der die Maskierungsschicht 40 besitzt, zeigt. In Fig. 4C paßt sich die erwünschte Trägerdichte, die dem zugeschnittenen Verstärkungsprofil entspricht, dem erwünschten Mode des Laserstrahis an, der, in der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die Form des Strahls ist, der in Fig. 4A dargestellt ist. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf ein Zuschneiden begrenzt, um den Grundmode anzupassen. Falls einige andere Moden erwünscht wären, könnte das Ampitudenmaxima und -minima in einer lateralen Richtung über den Verstärker durch geeignete Kontrolle über die Trägerdichte, die in bestimmte Bereiche des Verstärkers injiziert wird, geformt werden.
Fig. 5 zeigt eine Oberseitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die eine Laser-Heterostruktur 10 und eine Verstärker-Heterostruktur 10' darstellt, mit einer Ausgangslinse 50, die mit der Verstärker-Heterostruktur 10' zum Kollimieren eines Ausgangsstrahls integriert ist. Eine Kollimierung des Ausgangslaserstrahls führt zu einer Formung einer Ausgangsoberfläche der Verstärker-Heterostruktur 10' so, daß sie einen Brennpunkt f besitzt. Durch Plazieren einer Ausgangsebene der Laser-Heterostruktur 10 an dem Brennpunkt f (d.h. die Länge der Verstärker-Heterostruktur gleicht ungefähr der Brennweite) erfolgt eine Kollimierung. Allgemein gesagt wird, unter Vorsehen der Verstärker-Heterostruktur 10', die eine Ausgangslinse mit einem Krümmungsradius R gleich zu (n-n')/n * f besitzt, wobei n der Brechungsindex der Verstärker- Heterostruktur ist und n' der Brechung sindex des Mediums ist, in die Verstärker-Heterostruktur 10' die Laserstrahlung emittiert. Zum Beispiel beträgt zur Kollimierung in Luft von GaAs R ungefähr gleich 0,72 mal der Brennweite.
Fig. 6 zeigt eine Draufsicht einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die einen Laser 10 und einen integrierten Verstärker 10' mit einer Ausgangslinse 50', die mit dem Verstärker 10' zum Fokussieren eines Ausgangsstrahls integriert ist, darstellt. In Fig. 6 schafft die Ausgangslinse 50' eine vergrößerte Abbildung der Ausgangs laserebene an der virtuellen Grenze 34. Zum Beispiel fokussiert eine Positionierung der Ausgangsebene bei (n + n') * f die Ausgangsebenen-Abbildung, wie dies in Fig. 6 dargestellt ist, derart, daß der Objekt- und der Abbildungsabstand gleich sind. Falls die theoretische Vergrößerung geringer als list, sollten kohärente Wellenausbreitungsprinzipien verwendet werden, um die Fleckgröße zu berechnen. Für eine GaAs-Vorrichtung, die eine Fokuslänge etwa gleich zu 500 µm besitzt, beträgt der Krümmungsradius der Ausgangslinse 50' etwa 360 µm. Diese Konfiguration liefert einen Abbildungsabstand gleich zu dem Objektabstand, beide etwa 640 µm.
Andere Formen und Konfigurationen für eine Auslaßlinse, die in einem Ausgang des Verstärkers integriert ist, sind möglich. Für die Ausgangslinsen der Fig. 5 und der Fig. 6 wird ein Ätzen unter Verwendung von Naßchemikalien, reaktiven Ionen oder Plasmen eine erwünschte Form für die Linse produzieren. Mögliche Verwendungen für die Ausgangslinsen mit anderen Formen umfassen eine Korrektur der Wellenfrontverzerrung von dem Verstärkungsmedium des Verstärkers 10'. In einigen Fällen kann es wünschenswert sein, Reflexionen aus der konkaven Oberfläche der Linsen heraus zu reduzieren. Eine anti-refiektive Beschichtung auf der Linse wird diese Reflexionen reduzieren.
Fig. 7 zeigt in einer Oberseitenansicht eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die einen Laser 10 und einen Verstärker 10', der eine Ausgangslinse 60 besitzt, die mit einem separaten Kontaktsatz 62 für ein elektronisches Steuern der Brennweite versehen ist, darstellt. Der unabhängig adressierbare obere Kontakt 62 liefert einen Mechanismus, um den Brechungsindex für die Linse 60 zu variieren. Ein Steuern der Dichte der Träger, die in einen aktiven Bereich 24 der Linse 60 injiziert sind, variiert den Brechnungsindex. Die Konfiguration der Linse 60, konkav-plan, liefert eine erwartete Kontrolle bzw. Steuerung über eine fokussierende Länge des Ausgangsstrahls von etwa 30R bis etwa 86R, wobei R ein Krümmungsradius der konkave Länge und gleich zu 300-400µm ist. Es kann notwendig sein, die Bandspaltenergie der aktiven Schicht 24 der Ausgangslinse 60 zu erhöhen, um einen übermäßigen Verlust in der Linse, der durch Anregung von Elektronen von einem Valenze zu einem Leitungsband in dem Halbleitermaterial verursacht ist, zu vermeiden. Eine durch Störstellen induzierte Fehlordnung nach einem Wachstum, wie dies in der US-A-4,802,182 beschrieben ist, oder eine in situ mittels Laser induzierte Desorption während eines Wachstums, wie dies in der US-A-4,962,057 beschrieben ist, sind Beispiele von Verfahren, um die Bandspaltenergie, falls dies erforderlich ist, zu erhöhen. Eine elektronisch steuerbare Brennweite ermöglicht eine dynamische Korrektur des Abbildungsabstands ebenso wie eine Modulation der fokalen Fleckgröße. Diese bevorzugten Ausführungsformen, die die integrierte Linse verwenden, sind bei Druckanwendungen nützlich. Die besonderen Konfigurationen, die für die Linsen in Fig. 5 bis Fig. 7 dargestellt sind, sind für bevorzugte Ausführungsformen repräsentativ, allerdings sind andere Formen möglich. Andere Designs können eine erhöhte Steuerung bzw. Kontrolle des Abbildungabstands, oder der Fleckgröße, oder von beiden, liefern.

Claims

1.Verfahren zum Steuern der Divergenz eines Strahls einer kohärenten Strahlung, die durch eine Halbleiterstruktur emittiert ist, die einen Laserteil (10) in einer Kaskaden-Anordnung mit einem optischen Teil (10') besitzt, wobei der Laser- und der optische Teil (10,10') eine Vielzahl von Schichten (22, 24, 26, 28) aus Halbleitermaterial besitzt, das auf einem Substrat (20) angeordnet ist, wobei mindestens eine der Schichten (22, 24, 26, 28) jedes Teils ein aktiver Bereich (24) zur Lichtverstärkung und -propagation unter lasernden Bedingungen ist, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:

Verwendung einer Halbleiterstruktur, in der ein Laserteil (10) und der optische Teil (10') monolithisch sind; und

Anlegen einer elektrischen Vorwärts-Biasspannung an die Schichten (22, 24, 26, 28) in dem Laserteil (10), um zu bewirken, daß der Laserteil (10) einen Strahlungsstrahl emittiert, der einen bestimmten Mode besitzt;

gekennzeichnet dadurch, daß das Verfahren den Schritt eines Bewirkens eines sich lateral variierenden Indexprofils des optischen Teils (10') umfaßt, um eine modale Form des bestimmten Modes des Strahls während einer lateralen Expansion des Strahls anzupassen, während er in dem optischen Teil (10') läuft, wobei der optische Teil (10') einen Verstärker aufweist, der ein sich räumlich variierendes Verstärkungsprofil besitzt, und daß das Verstärkungsprofil durch Steuern der Verteilung eines Stroms, der in den optischen Teil (10') injiziert ist, erhalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, das weiterhin den Schritt eines Bewirkens der Divergenz des Strahls durch Formen einer Auslaßoberfläche (50) des optischen Teils (10') aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Verteilung des Stroms durch Formung der Größe und/oder der Verteilung elektro-leitender Fenster in einer Maskierungsschicht (40) gesteuert wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das auf eine Halbleiterstruktur angewandt wird, von der der optische Teil in einer Linse (60) endet, die mit einem separaten Satz Kontakten (62) versehen ist, das den Schritt eines Injizierens von Ladungsträgern in die Linse (60) über die Kontakte (62) so umfaßt, um den Brechungsindex der Linse (60) einzustellen.

5. Monotlithische Halbleiterstruktur, die aufweist:

einen Laser (10) und einen optischen Verstärker (10'), die eine Vielzahl von Halbleiterschichten (22, 24, 26, 28) auf einem Substrat (20) besitzen, wobei mindestens eine der Schichten (22, 24, 26, 28) in dem Laser und dem Verstärker ein aktiver Bereich (24) für eine Lichtverstärkung und -propagation unter lasernden Bedingungen ist;

eine erste Kontakteinrichtung (30), die elektrisch mit nur dem Laser (10), zumanlegen einer elektrischen Vorwärts-Biasspannung an die Schichten (22, 24, 26, 28) in dem Laser (10), gekoppelt ist, um zu bewirken, daß der Laser einen Strahlungsstrahl emittiert, der einen bestimmten Mode besitzt, und

eine zweite Kontakteinrichtung (30'), die elektrisch mit nur dem Verstärker (10') zum Bewirken eines sich räumlich variierenden Verstärkungsprofils des Verstärkers gekoppelt ist, um eine modale Form des Strahls, der durch den Laser emittiert ist, während einer Expansion davon anzupassen, während er in dem Verstärker (10') läuft;

gekennzeichnet dadurch, daß die zweite Kontakteinrichtung (30') gemustert ist, um einen Stromfluß zu dem Verstärker (10') zu steuern, um das Verstärkungsprofil davon zu liefern.

6. Struktur nach Anspruch 5, bei der die zweite Kontakteinrichtung (30') in ihr eine Vielzahl von offenen Flächenbereichen unterschiedlicher Größe, Form und/oder Verteilung besitzt.

7. Struktur nach Anspruch 5, in der die zweite Kontakteinrichtung (30') in Stufen von sich variierender Breite und Beabstandung von angrenzenden Stufen ist.

8. Struktur nach einem der Ansprüche 5 bis 7, in der die Auslaßfläche (50) des Verstärkers (10') linsenförmig ist.

9. Struktur nach einem der Ansprüche 5 bis 7, in der der Verstärker (10') eine Auslaßlinse (60) besitzt, durch die der Strahl die Sruktur verläßt.

10. Monolithische Halbleiterstruktur, die aufweist:

eine erste Kontakteinrichtung (30), die elektrisch mit nur dem Laser (10) zum Anlegen einer elektrischen Vorwärts-Biasspannung an die Schichten (22, 24, 26, 28) in dem Laser (10) gekoppelt ist, um zu bewirken, daß der Laser einen Strahlungsstrahl emittiert, der einen bestimmten Mode besitzt, und

eine zweite Kontakteinrichtung (30'), die elektrisch mit nur dem Verstärker (10') gekoppelt ist, zum Bewirken eines sich räumlich variierenden Verstärkungsprofils des Verstärkers, um eine modale Form des Strahls, der durch den Laser emittiert ist, während einer Expansion davon anzupassen, während er in dem Verstärker (10') läuft;

gekennzeichnet dadurch, daß der Stromfluß von der zweiten Kontakteinrichtung (30') zu dem Verstärker (10') durch Hindurchführen von ihm durch eine Maskierungsschicht (40) einer nicht gleichförmigen Leitfähigkeit oder Widerstandsfähigkeit gesteuert wird.

11. Struktur nach einem der Ansprüche 5 bis 10, in der der Verstärker (10') einen optischen Wellenleiter (36') zum einstellbaren Steuern der modalen Form des Strahls umfaßt, während er in dem Verstärker (10') ist.

12. Struktur nach einem der Ansprüche 5 bis 11, in der der bestimmte Mode eine TE0,0 Welle ist.