DE69419999T2

DE69419999T2 - Optimierung der Emissionscharakteristik eines Lasers mit externem Resonator

Info

Publication number: DE69419999T2
Application number: DE69419999T
Authority: DE
Inventors: David M. Braun; Julie E. Fouquet
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 1993-10-08
Filing date: 1994-10-04
Publication date: 1999-12-16
Anticipated expiration: 2014-10-05
Also published as: EP0647995B1; DE69419999D1; JP3637081B2; EP0647995A1; US5434874A; JPH07170016A

Description

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf abstimmbare Laser und insbesondere auf die Verbesserung der Ausgabecharakteristika eines Halbleiterlasers mit externem Hohlraum.
Laser können derart entworfen sein, daß bei einer Aktivierung lediglich eine einzige schmale Lichtwellenlänge emittiert wird. Viele Anwendungen erfordern jedoch Lasersysteme, die variable diskrete Wellenlängen erzeugen (d. h. abstimmbare Laser). Abstimmbare Laser werden seit Jahren von Wissenschaftlern und Ingenieuren weiterentwickelt und verwendet, um verschiedene optische Phänomene zu untersuchen. Beispielsweise zeigen optische Fasern bei Kommunikationssystemen einen niedrigen Verlust bei Wellenlängen in der Nähe von 1,3 Mikrometer (um) und 1,55 um. Die Forschung und die Entwicklung auf diesem Gebiet erfordern folglich Mehrzwecklaser, die Laserlicht in diesen Wellenlängenbereichen erzeugen können.
Herkömmliche abstimmbare Laser, wie z. B. der Halbleiterlaser mit externem Hohlraum, der Farbmittenlaser und der abstimmbare Farbstofflaser, liefern jedoch nicht über dem gesamten Wellenlängenbereich (z. B. 1,32 ± 0,1 um und 1,55 ± 0,1 um), der für viele gegenwärtige Forschungs- und Entwicklungsanwendungen erforderlich ist, eine zuverlässige Lichtemission. Abstimmbare Farbstofflaser sind schwierig zu betreiben, sind nicht handelsüblich verfügbar und die Farbstoffe sind nicht über der Zeit stabil. Farbmittenlaser sind verfügbar und können in einem kleinen Wellenlängenbereich um 1,5 um abgestimmt werden. Der Farbmittenkristall muß jedoch immer auf sehr niedrigen Temperaturen gehalten werden, um einen Verlust der optischen Eigenschaften zu vermeiden, die es demselben ermöglichen, eine Laserstrahlung zu erzeugen. Farbmittenlaser sind folglich unzweckmäßig und nicht über einem breiten Bereich von Umgebungsbedingungen stabil. Zusätzlich können die Farbmittenkristalle, die bei gegenwärti gen Lasersystemen verwendet werden, keine Wellenlängen in der Nähe von 1,3 um erzeugen. Halbleiterlaser mit externem Hohlraum sind sowohl bei Wellenlängen um 1.3 um als auch um 1,55 um verfügbar. Dieselben unterliegen jedoch eingeschränkten Abstimmbereichen.
Zusätzlich zu dem eingeschränkten Abstimmbereich weisen gegenwärtige abstimmbare Laser ferner eine begrenzte Ausgangsleistung auf. Beispielsweise weist jeder Halbleiterlaser einen Schwellenstrom auf, der die Stromstärke bezeichnet, die für den Laser erforderlich ist, um wirksam Licht zu erzeugen (d. h. um im Laserbetrieb zu arbeiten). Optisch gepumpte Laser weisen auch Schwellenpegel auf. Unterhalb der Schwelle ist die Lichtausgabe sehr ineffizient, wobei der Großteil der Energie von dem Treiberstrom als Wärme verloren geht. Die Lichtemission wird über der Stromschwelle erheblich stärker. Dies bedeutet, daß ein größerer Anteil der elektrischen oder optischen Eingangsenergie als Lichtenergie aus dem Laser abgegeben wird. Wenn die Laserschwelle hoch ist, wird ein größerer Anteil der Eingangsleistung als Wärme dissipiert, wodurch sich tendentiell die Laserbetriebslebensdauer verkürzt und die Spitzenausgangsleistung verringert.
Die Schwelle eines abstimmbaren Lasers ändert sich gemäß der Laserausgangswellenlänge. Typischerweise ist die Schwelle an den äußeren Rändern des Abstimmbereichs höher als in der Mitte des Bereichs. Beispielsweise zeigt ein typischer Halbleiterlaser mit einem hohen Schwellenstrom in der Nähe der Mitte des Abstimmbereichs üblicherweise einen schmalen Abstimmbereich, da der Schwellenstrom den maximal zulässigen Betriebsstrom relativ nah an der Mittenwellenlänge übersteigt.
Der Laser mit einen externen Hohlraum, der in dem US-Patent Nr. 4.839,308 an Fye beschrieben ist, verwendet ein Verstärkungsmedium, wie z. B. einen Halbleiter (einen Laserchip). Der Laserchip weist sowohl vordere als auch hintere Facetten auf, wobei die hintere Facette eine Anti-Reflexions-Be schichtung aufweist. Das Licht aus dem Laserchip läuft durch die hintere Facette in einen externen Hohlraum. Der Hohlraum enthält ein Abstimmelement, wie z. B. ein Prisma oder ein Gitter, das spezifische Laserwellenlängen in den Laserchip zurück reflektiert. Dieser Vorgang bewirkt, daß der Laser durch die vordere Facette auswählbare Wellenlängen ausgibt. Folglich kann die Wellenlänge des Lichts, das aus der vorderen Facette des Laserchips ausgegeben wird, durch Ändern des Winkels des Gitters gesteuert werden.
Das U. S.-Patent Nr. 4,942,583 an Nazarathy u. a. und das U. S.-Patent Nr. 5,140,599 an Trutna, Jr. u. a. und das IEEE Journal of Quantum Electronics, Bd. QE-17, Nr. 1, Januar 1981, mit dem Titel "Spectral Characteristics of External- Cavity Controlled Semiconductor Lasers" beschreiben abstimmbare Laser mit einem externen Hohlraum. Keine der oben genannten Offenbarungen begegnet jedoch den Problemen, die einem begrenzten Abstimmbereich zugeordnet sind.
Demgemäß besteht ein Bedarf nach weit abstimmbaren Lasern mit hoher Ausgangsleistung, die über variierenden Umgebungsbedingungen stabil sind.
Die EP-A-0304796 offenbart einen Halbleiterlaser mit einer ersten dielektrischen Beschichtung und/oder einer ersten reflektierenden Beschichtung auf seiner Vorderseite und eine zweite dielektrische Beschichtung und/oder eine zweite Beschichtung auf seiner Rückseite, wobei der/die Reflexionskoeffizient(en) der Beschichtung(en) wellenlängenabhängig ist/sind.
Die Aufgabe der Erfindung besteht folglich darin, den Abstimmbereich eines Halbleiterlasers mit externem Hohlraum zu vergrößern.
Eine zweite Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Laserausgangsleistung über einem großen Wellenlängenabstimmbereich zu erhöhen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Betriebslebensdauer und die Tragbarkeit von abstimmbaren Lasern mit einer hohen Bandbreite zu erhöhen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Steuerbarkeit der Laserausgangscharakteristika zu erhöhen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein abstimmbarer Laser geschaffen, der in Anspruch 1 spezifiziert ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein abstimmbarer Laser geschaffen, der in Anspruch 6 spezifiziert ist.
Die Erfindung kann den Abstimmbereich eines Lasers durch Erhöhen des Reflexionsgrads des Ausgangskopplers erhöhen. Dadurch kann ein breiter Bereich von Wellenlängen wirksam aus dem Laser emittiert werden. Die Erfindung macht es ferner möglich, den Reflexionsgrad eines Laserausgangskopplers mit einer Laserwellenlänge adaptiv zu variieren, um die Ausgangsleistung bei jeder Wellenlänge zu maximieren, während gleichzeitig der Abstimmbereich erhöht wird.
Gemäß dieser Erfindung wird die Bandbreite eines Lasers mit externem Hohlraum erhöht. Frühere versuche wurden durchgeführt, um den Reflexionsgrad der rückseitigen Facette des Lasers zu erhöhen, um die Ausgangsleistung zu erhöhen. Die vorliegende Erfindung verfolgt jedoch den Ansatz, daß der Reflexionsgrad der vorderen Facette (des Ausgangskopplers) erhöht wird, um den Wellenlängenbereich, der aus dem Laser ausgegeben werden kann, (d. h. den Abstimmbereich) zu erweitern. Durch das Ändern des Reflexionsgrads der vorderen Facette kann der Halbleiterchip in dem externen Hohlraum über einem breiteren Bereich von Wellenlängen Licht emittieren (im Laserbetrieb arbeiten).
Bei einem Beispiel, das nicht Gegenstand der Erfindung ist, weist die reflektierende Beschichtung, die auf der vorderen Facette des Laserchips aufgetragen ist, einen im allgemeinen konstanten (flachen) Reflexionsgrad auf, der über einem vorbestimmten Bereich von Wellenlängen höher als der Reflexionsgrad des unbeschichteten Laserchips ist. Der einheitliche Reflexionsgrad erhöht die Laserbandbreite und verringert den Schwellenstrom. Eine flache reflektierende Beschichtung, wie z. B. abwechselnde Schichten aus Silizium und Aluminiumoxid, die alle Wellenlängen gleichmäßig reflektiert, ist nachweislich dafür geeignet, den Abstimmbereich um beispielsweise 60% zu erhöhen.
Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung sind komplexe reflektierende Beschichtungen auf der vorderen Facette aufgetragen, um den Laserwellenlängenabstimmbereich zu erhöhen, während gleichzeitig die Ausgangsleistung maximiert wird. Die komplexen Beschichtungen erhöhen den Reflexionsgrad lediglich an den Rändern des Wellenlängenabstimmbereichs. Diese Verbesserung wird durchgeführt, ohne die Ausgangsleistung für Wellenlängen in der Mitte des Abstimmbereichs zu verringern.
Die komplexen Beschichtungen werden durch Auftragen mehrerer Schichten aus verschiedenen Materialien auf die vordere Facette erzeugt. Typische mehrschichtige Beschichtungen weisen abwechselnde Schichten aus Silizium und entweder Aluminiumoxid oder Siliziumdioxid auf. Diese Beschichtungen ändern den Reflexionsgrad der vorderen Facette entsprechend der Wellenlänge. Dieselben sind typischerweise entworfen, um den Abstimmbereich zu erweitern und um eine hohe Laserausgangsleistung über die der flachen reflektierenden Beschichtung hinaus beizubehalten. Die mehrschichtigen Beschichtungen können ferner auf den abstimmbaren Spiegel (z. B. ein Prisma oder ein Gitter) in dem externen Laserhohlraum oder auf einen separaten Ausgangsspiegel in einem Laser mit einem ringförmigen oder linearen Hohlraum gegenüberliegend zu der vorderen Facette des Halbleiterchips aufgetragen werden.
Alternativ kann ein Ausgangskoppler mit einem räumlich variierenden Reflexionsgrad in unterschiedliche Positionen bewegt werden, so daß der Reflexionsgrad des Ausgangskopplers gemäß der Laserwellenlänge geändert werden kann. Folglich kann der Laser bei jeder ausgewählten Wellenlänge eine maximale Ausgangsleistung liefern.
Die vorhergehenden und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung bezugnehmend auf die begleitenden Zeichnungen ohne weiteres offensichtlich werden. Es zeigen:
Fig. 1 eine Prinzipdarstellung, die die allgemeine Konfiguration eines Laser mit externem Hohlraum zeigt.
Fig. 2A eine perspektivische Ansicht eines bekannten Halbleiterlaserchips, der bei dem Laser mit externem Hohlraum von Fig. 1 verwendet wird.
Fig. 2B eine Vorderansicht des in Fig. 2A gezeigten Halbleiterlaserchips.
Fig. 2C eine Querschnittsansicht entlang den Linien 3C-3C in Fig. 2B, die eine Ausgangsfacette mit einer fünf-schichtigen reflektierenden Beschichtung gemäß der Erfindung zeigt.
Fig. 3 einen graphischen Verlauf, der die Antwort des tatsächlichen Reflexionsgrads über der Wellenlänge für eine nominell flache, reflektierende Beschichtung nicht gemäß der Erfindung zeigt.
Fig. 4 einen graphischen Verlauf, der den Schwellenstrom zeigt, der sich durch das Auftragen einer flachen reflektierenden Beschichtung auf der vorderen Ausgangsfacette eines ersten Halbleiterchips nicht ge mäß der Erfindung ergibt.
Fig. 5 einen graphischen Verlauf, der die Ergebnisse des Auftragens einer flachen reflektierenden Beschichtung auf der vorderen Ausgangsfacette eines zweiten Halbleiterchips nicht gemäß der Erfindung zeigt.
Fig. 6 einen graphischen Verlauf, der die Antwort des Reflexionsgrads über der Wellenlänge für eine mehrschichtige reflektierende Aluminiumoxid/Silizium- Beschichtung gemäß der Erfindung zeigt.
Fig. 7 einen graphischen Verlauf, der die Antwort des Reflexionsgrad über der Wellenlänge für eine mehrschichtige reflektierende Siliziumdioxid/Silizium- Beschichtung gemäß der Erfindung zeigt.
Fig. 8A eine Prinzipdarstellung, die den Laser mit externem Hohlraum von Fig. 1 mit einem separaten Ausgangskoppler mit variablem Reflexionsgrad zeigt.
Fig. 8B eine Seitenansicht des in Fig. 8A gezeigten Ausgangskopplers.
Fig. 8C eine Seitenansicht eines kreisförmigen Ausgangskopplers mit variablem Reflexionsgrad.
Fig. 9 einen graphischen Verlauf, der die Antwort der Ausgangsleistung über der Wellenlänge für einen Laser mit externem Hohlraum mit einer unbedeckten Ausgangsfacette, und nachdem eine komplexe reflektierende Beschichtung auf der Ausgangsfacette aufgetragen worden ist, zeigt.
Fig. 1 ist ein Diagramm, das einen abstimmbaren Laser mit externem Hohlraum zeigt. Ein Laserhohlraum enthält das Laserverstärkungsmedium 14, eine Linse 24, eine Ausgangskollimationslinse 27 und ein reflektierendes Abstimmelement 26.
Das Abstimmelement 26 ist typischerweise ein Spiegel, ein Prisma oder ein Gitter. Das Verstärkungsmedium 14 besteht bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung aus einem Halbleiterlaserchip mit einer vorderen Facette 16 und einer hinteren Facette 18. Abstimmbare Laser weisen einen Ausgangskoppler auf, bei dem Licht aus dem Laserhohlraum emittiert wird, und der bei dem in Fig. 1 gezeigten System aus der vorderen Facette 16 des Laserchips 14 besteht.
Fig. 2A ist eine detaillierte perspektivische Ansicht des im vorhergehenden in Fig. 1 gezeigten Laserchips 14, wobei Fig. 2B eine Vorderansicht desselben ist. Ein typischer Halbleiterlaserchip weist einen ersten Metallkontakt 28 auf, der mit einer GaInAs-Kontaktschicht 82 des ersten Dotierungstyps gekoppelt ist. Eine obere InP-Kaschierungsschicht 84 des ersten Dotierungstyps liegt zwischen der Kontaktschicht 82 und einer aktiven Region 62. Eine untere Indiumphosphid-Kaschierungsschicht bzw. ein Indiumphosphid-Substrat 34 des zweiten Dotierungstyps befindet sich zwischen der aktiven Region 62 und einem zweiten Kontakt 36. Die aktive Region 62 erzeugt Licht und kann entweder eine Grundmaterialschicht- oder Quantentopf-Struktur aufweisen. Ein semi-isolierendes oder Thyristor-dotiertes InP-Material 32 blockiert eine Stromleitung um die aktive Region, so daß der gesamte Treiberstrom für die stärkste Lichterzeugung durch die aktive Region fließen muß.
Die vordere und hintere Facette 16 bzw. 18 werden durch Abtrennen der vorderen und hinteren Enden der aktiven Region 62 erzeugt. Die vordere Ausgangsfacette 16 enthält eine mehrschichtige reflektierende Beschichtung 40 (siehe Fig. 2C). Der Halbleiterlaser ist vorzugsweise ein SIPBH-Laser (SIPBH = semi-insulating planar buried heterostructure = semi-isolierende planare vergrabene Heterostruktur), der als Laser betrieben wird, und ist in der ebenfalls anhängigen Anmeldung Serien-Nr. 07/896,276, die am 31. Juli 1992 eingereicht wurde, beschrieben. Es können jedoch viele weitere Typen von Laserstrukturen und Halbleiterlasermaterialien (wie z. B. AlGaAs oder AlGaInP) verwendet werden.
Wenn ein Strom an dem Laserchip 14 anliegt, wird durch Rekombination von Elektron-Loch-Paaren in der aktiven Region 62 Licht erzeugt. Dieses Licht erzeugt innerhalb des Chips eine spontane Emission in verschiedenen Richtungen. Falls das Licht eine Verstärkung erfahren soll, muß sich dasselbe in der Ebene der aktiven Region 62 entlang eines Wellenleiters ausbreiten. Die Rückkopplung, die die stimulierte Emission in der aktiven Region konzentriert, wird durch die Reflexion des Lichts an beiden Enden des Halbleiterkristalls mittels der Facetten 16 und 18 erzeugt. Halbleiter weisen einen hohen Brechnungsindex auf, so daß die Facetten 16 und 18 sogar ohne eine reflektierende Beschichtung etwa 30% des Lichts in das Halbleitermaterial zurückreflektieren. Dieser 30%-Reflexionsgrad liefert eine ausreichende Rückkopplung für einen Laservorgang in dem freistehenden Halbleiterlaserchip.
Bei niedrigen Strompegeln erzeugt ein Laserchip eine spontane Emission durch dieselben Prozesse, die LEDs treiben. Sowie sich der Strompegel erhöht, durchlaufen Diodenlaser jedoch eine Schwelle, bei der eine stimulierte Emission (eine Lasertätigkeit) beginnt. Sobald der Strom den Schwellenpegel durchlaufen hat, steigt die Lichtintensität als Ergebnis einer stimulierten Emission stark an.
Unterhalb der Schwelle ist die Lichtausgabe sehr ineffizient, wobei ein Großteil der Energie aus dem Treiberstrom als Wärme verloren geht. Oberhalb der Schwelle wird die Lichtemission effizienter. Folglich ist der Schwellenstrom ein wichtiger Parameter bei dem Betrieb von Halbleiterlasern.
Im folgenden wird wieder auf Fig. 1 Bezug genommen. Die Linse 24 richtet das Licht 22, das aus der hinteren Facette 18 des Chips 14 emittiert wird, auf ein Gitter 26. Das Gitter 26 bricht daraufhin das Licht, so daß lediglich eine Wellen länge bei dem korrekten Winkel zu dem Laserchip 14 zurückkehrt. Folglich oszilliert das Licht zwischen der Ausgangsfacette 16 des Laserchips 14 und dem Gitter 26 vor und zurück. Die Gesamtverstärkung in dem Laserhohlraum ist für die Wellenlänge am höchsten, die von dem Gitter 26 zurück zu der Laserchipfacette gebrochen wird. Die kürzeren und längeren Wellenlängen, die das Gitter 26 erreichen, werden zu den Seiten des Hohlraums gebrochen und gehen verloren. Folglich kann die Oszillationswellenlänge des Ausgangsstrahls 20 über einem variablen Bereich abgestimmt werden, indem der Winkel 25 des Gitters 26 eingestellt wird.
Um zu ermöglichen, daß Licht zwischen der vorderen Laserchipfacette 16 und dem Gitter 26 oszilliert, ist eine Anti- Reflexions-Beschichtung (AR-Beschichtung) auf der hinteren Laserfacette 18 aufgetragen. Herkömmlicherweise ist keine spezielle Beschichtung auf der vorderen Facette 16 plaziert. Wenn in dem Laser Licht auf die vordere Facette auftrifft, erzeugt die Halbleiter-Luft-Grenzfläche einen natürlichen Reflektionsgrad von etwa 30%. Dieser natürliche Reflexionsgrad reflektiert genügend Licht in das Halbleitermaterial zurück, um einen Laserbetrieb in der Nähe der Spitzenverstärkungswellenlänge bei annehmbaren Schwellenströmen stattfinden zu lassen.
Wenn das Gitter 26 von der Verstärkungsspitze weg abgestimmt wird (d. h. von der Wellenlänge, bei der der Laser die höchste Verstärkung zeigt), nimmt die Chipverstärkung ab, wobei ferner die Gesamtverstärkung des Lasers mit externem Hohlraum abnimmt. Die Verstärkung (der Gewinn) ist der Wert einer stimulierten Emission, die ein Photon pro in dem Laserhohlraum zurückgelegten Einheitsabstand erzeugen kann. Üblicherweise erhöht sich die Verstärkung mit einem steigenden Lasertreiberstrom. Falls die Wellenlänge ausreichend weit von der Spitzenverstärkung entfernt ist, d. h. die Chipverstärkung niedrig ist, wird die Verstärkung nicht ausreichen, um die Verluste auszugleichen, wobei der Laser nicht im Laserbetrieb arbeiten wird. Diese Wellenlängen, die sich so wohl über- als auch unterhalb der Mitte des Verstärkungsverlaufs befinden, definieren die äußeren Grenzen des Laserabstimmbereichs für einen gegebenen maximalen Lasertreiberstrom.
Zur weiteren Erklärung wird der Laser in eine Oszillation übergehen oder im Laserbetrieb arbeiten, wenn die Umlaufverstärkung (von der vorderen Ausgangsfacette zu dem externen Gitter) den Umlaufverlust übersteigt. Diese Oszillationsbedingung wird durch die folgende Oszillationsschwellengleichung beschrieben:
RocRRückExp[2(Γg-α)LChip] = 1, (1)
wobei Roc der Leistungsreflexionsgrad des (vorderen) Spiegels des Ausgangskopplers ist. Γ ist der optische Begrenzungsfaktor, "g" ist die Chipverstärkung pro Zentimeter (cm&supmin;¹), α ist der Chipverlust in cm&supmin;¹ (einschließlich der Begrenzungseffekte) und LChip ist die Länge des Halbleiterverstärkungsmediums in Zentimeter (cm). Rrück ist der Leistungsreflexionsgrad von dem reflektierenden Abstimmelement 26 bei der Wellenlänge des Lichts, das zurück in das Laserverstärkungsmedium 14 gekoppelt wird. Alle Hohlraumverluste mit Ausnahme der Ausgangskopplungs- und chiplängenabhängigen Verluste (αLChip) sind in Rrück zusammengefaßt.
Typischerweise versuchen Entwickler den Leistungsreflexionsgrad Rrück durch Minimieren der Hohlraumverluste so groß wie möglich auszulegen. Der Ausgangskoppler (z. B. die unbeschichtete vordere Facette 16 des Lasers) weist typischerweise einen Reflexionsgrad von Roc = 0,3 auf, der aus den Fresnel-Reflexionsformeln an der Halbleiter-Luft-Grenzfläche berechnet wird. Für viele abstimmbare Laser mit externem Hohlraum bewirkt dieser Wert von Roc, daß der Laser relativ wirksam bei der Mittenwellenlänge arbeitet, wobei dies jedoch nicht an den Rändern des Abstimmverlaufs zutrifft. Tat sächlich ist dieser Wert von Roc sogar in der Mitte des Abstimmverlaufs im allgemeinen nicht optimal.
Die Verstärkung des Chips hängt stark von der Wellenlänge ab, wobei die Verstärkung zu niedrigeren Werten abfällt, wenn der Laser von der optimalen Wellenlänge weg abgestimmt wird. Schließlich fällt die Verstärkung "g" unter die Schwelle für eine Oszillation ab, wobei der Laser nicht länger oszilliert. Die minimale Verstärkung, die für eine Oszillation erforderlich ist, ist definiert als:
g = (l/Γ) (α - [(ln(RocRrück))/2LChip])
Ein Laser kann lediglich in der Lage sein, über einem schmalen Abstimmbereich, d. h. ausgehend von einem Einsatzpunkt (cutoff) bei der kürzesten Wellenlänge bis zu einem weiteren Einsatzpunkt bei der längsten Wellenlänge, von beispielsweise etwa 40 Nanometer (nm) abgestimmt zu werden. Es ist jedoch erwünscht, einen Abstimmbereich zu besitzen, der gleich oder größer als 180 nm ist. Während verschiedene Maßnahmen (beispielsweise Optimieren von Γ, von Lchip und der Streifenbreite der aktiven Region 62) verwendet worden sind, um die Verstärkung über einem breiteren Bereich von Wellenlängen zu erhöhen, ist der Abstimmbereich noch unannehmbar schmal. Typischerweise wurde versucht, dieses Problem ausgehend von der hinteren Facette 18 des Halbleitermediums, d. h. einer Oberfläche in dem Laserhohlraum, zu lösen. Beispielsweise kann durch Erhöhen des Reflexionsgrads dieser hinteren Facette die Gesamtverstärkung des Lasers bei bestimmten Wellenlängen erhöht werden. Sowohl die Verstärkung als auch der Schwellenstrom werden jedoch bei anderen Wellenlängen verschlechtert, was zu einem Abstimmverlauf des Schwellenstroms über der Wellenlänge führt, der stark oszilliert.
Die vorliegende Erfindung erhöht den Abstimmbereich, indem der Reflexionsgrad der vorderen Facette 16 (Roc) geändert wird. Beispielsweise kann ein Laser ohne eine reflektierende Beschichtung, die auf der vorderen Facette aufgebracht ist, mit einer Spitzenwellenlänge von 1,55 um lediglich in der Lage sein, von 1,53 um bis 1,57 um abgestimmt zu werden. Falls jedoch der Reflexionsgrad der vorderen Facette erhöht wird, werden die Umlaufverluste reduziert. Dadurch kann der Laser bei extremeren Wellenlängen (d. h. bei Wellenlängen, die weiter von der 1,55 um-Spitzenwellenlänge entfernt sind) arbeiten.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Beschichtungen entworfen, um entweder einen flachen Reflexionsgrad zu besitzen oder um eng mit einem "idealen" Beschichtungsprofil übereinzustimmen. Das "ideale" Beschichtungsprofil wird unter Verwendung von Messungen des Verstärkungsmediums in einem externen Hohlraum erzeugt, bevor eine Ausgangskopplerbeschichtung aufgetragen wird. Informationen aus einem Verlauf der Gesamtverstärkung über dem Strom werden dann verwendet, um "ideale" Beschichtungsreflexionsgradverläufe für unterschiedliche Ströme zu erzeugen. Ein Beschichtungsentwurf wird dann entsprechend dem "idealen" Modell hergeleitet. Zur weiteren Verdeutlichung wird ferner angemerkt, daß die Gesamtverstärkung (Γg - α) von der Wellenlänge abhängt und im allgemeinen mit dem Strom ansteigt. Eine Verringerung von Roc erhöht den Schwellenstrom, der erforderlich ist, um eine Gesamtverstärkung zu erreichen, die für einen Laserbetrieb ausreichend hoch ist, wobei eine Erhöhung von Roc den erforderlichen Schwellenstrom verringert. Da der Rand des Abstimmbereichs erreicht wird, wenn der Schwellenstrom zu hoch wird, erweitert eine Verringerung des Schwellenstroms den Abstimmbereich. Folglich erweitert eine einfache flache reflektierende Beschichtung, die Roc erhöht, den Abstimmbereich (beispielsweise von dem Verlauf 42 vor einer Beschichtung in den Verlauf 44 nach einer Beschichtung in Fig. 4, und von dem Verlauf 46 vor einer Beschichtung in den Verlauf 48 nach einer Beschichtung in Fig. 5).
Eine Erhöhung von Roc mit einer flachen Beschichtung kann jedoch die Laserausgangsleistung in der Nähe der Mitte des Verstärkungsverlaufs verringern. Dies wird mit den folgenden Gleichungen, die die Ausgangsleistung vorhersagen, gezeigt. In ester Ordnung wird die Verstärkungssättigung wie folgt approximiert:
g = g&sub0;/(1 + P/Psat),
wobei P die zirkulierende (interne) Leistung und Psat die zirkulierende Sättigungsleistung ist. In einem stabilen Betriebszustand ist die zirkulierende Leistung innerhalb des Lasers konstant, wie es im vorhergehenden in der Gleichung 1 für die Oszillationsschwelle festgestellt wurde. Es wird angemerkt, daß die Laserausgangsleistung Pout gleich der zirkulierenden Leistung P mal der Ausgangskopplertransmission ist, wie es im folgenden dargestellt ist:
Pout = (1-Roc) P
die folgende Gleichung wird für eine Mediumausgangskopplung erhalten:
Die folgende Gleichung beschreibt die Ausgangsleistung als Funktion der Halbleiterlaserparameter für eine hohe Verstärkung und für eine hohe Ausgangskopplertransmission (für ein niedriges Roc):
Gleichung (3) enthält vier Variablen; Lchip, Roc, Rrück und Γg-α (dieser Ausdruck wird als eine Variable aufgefaßt). Lchip ist die physische Chiplänge. Diese einfach zu messen ist. Um zu bestimmen, welcher Wert von Roc die Ausgangsleistung Pout für jede Wellenlänge maximiert, müssen als erstes die verbleibenden unbekannten Größen Rrück und Γg-α bei jeder Wellenlänge bestimmt werden. Sobald diese Werte bestimmt sind, kann der Ausgangskopplerreflexionsgrad Roc, der Pout maximiert, bestimmt werden, indem die Ableitung von (entweder aus Gleichung 2 oder Gleichung 3) hinsichtlich Roc gleich Null gesetzt wird. In der Praxis ist Pout jedoch unter Verwendung von Gleichung (3) numerisch optimiert worden. Beide Verfahren können bei jeder Wellenlänge durchgeführt werden, um eine graphische Darstellung eines optimalen Verlaufs von Roc über der Wellenlänge zu erhalten.
Um (Γg-α) als Funktion von λ und des Treiberstroms (I) und um Rrück zu bestimmen, wird als erstes die Schwelle des bloßen Chips gemessen. Daraufhin wird die Schwelle des mit einer Anti-Reflexions-Beschichtung versehenen Chips in dem Laser mit externem Hohlraum als Funktion der Wellenlänge gemessen. Daraufhin wird der Rückreflexionsgrad Rrück für den Laser mit externem Hohlraum wie folgt bestimmt. Gleichung (1) kann wie folgt neu ausgedrückt werden:
Die Gesamtverstärkung bezüglich des Stroms bei der Schwelle ((Γg-α)/Ith) ist für den Chip intrinsisch und sollte nicht davon abhängen, ob der Chip freistehend ist oder sich in dem Hohlraum mit dem Gitter befindet, das auf die Wellenlänge eingestellt ist, die die minimale Schwelle ergibt. Folglich wird Rrück bestimmt, indem angenommen wird, daß die Gesamtverstärkung bezüglich des Stroms bei der Schwelle konstant ist, und indem die rechte Seite von Gleichung (4), die für den bloßen Chip berechnet wird, mit der rechten Seite von Gleichung (4), die für den Chip in dem ECL (ECL = external cavity laser = Laser mit externem Hohlraum) berechnet wird, der auf die Wellenlänge eingestellt ist, die den niedrigsten Schwellenstrom erfordert, gleichgesetzt wird. Da Lchip, Ith des bloßen Chips und der minimale Ith in dem Hohlraum gemessen worden sind, und Rrück für den bloßen Chip und Roc durch die Halbleiter-Luft-Grenzfläche (hier 0,3) vorgegeben sind, ist Rrück für den Laser mit externem Hohlraum die einzige Unbekannte, wobei dieselbe analytisch bestimmt werden kann. Rrück wird somit erhalten, wobei angenommen wird, daß Rrück bei allen Wellenlängen konstant ist.
Nun muß Γg-α als Funktion der Wellenlänge und des Treiberstroms für den Laser mit externem Hohlraum bestimmt werden. Es ist wichtig, daran zu denken, daß sich die Gesamtverstärkung (Γg-α) sowohl mit dem Strom als auch mit der Wellenlänge ändert. Bei der einfachsten Approximation wird angenommen, daß die Gesamtverstärkung proportional zu dem Strom ist, so daß bei jeder Wellenlänge gilt:
wobei m die Proportionalitätskonstante und I der Treiberstrom ist. Die Gesamtverstärkung geteilt durch den Strom (m) wird für den Laser mit externem Hohlraum bei jeder Wellenlänge aus der Gleichung (4) unter Verwendung des gerade berechneten Reflexionsgrads Rrück und des Schwellenabstimmverlaufs Ith(λ) bestimmt. Da m(λ) bekannt ist, kann die Gesamtverstärkung (Γg-α) für einen beliebigen Lasertreiberstrom bei einer beliebigen Wellenlänge aus Gleichung (5) berechnet werden. Zum Bestimmen von m(λ) sind auch andere Algorithmen möglich.
Als nächstes werden Rrück und m(λ) in der obigen Gleichung (3) für die Halbleiterausgangsleistung verwendet. Ein Strom wird ausgewählt, wobei eine Gesamtverstärkung aus m erhalten wird. Bei jeder Wellenlänge wird die Ausgangsleistung (Pout) hinsichtlich Roc optimiert. Eine graphische Darstellung des optimalen Verlaufs von Roc über λ wird dann bei jedem angenommenen Strom (einschließlich beispielsweise einem maximalen Betriebsstrom von 100 mA) erzeugt. Daraufhin wird eine Beschichtung entworfen, die im allgemeinen mit den optimalen Roc-Verläufen übereinstimmt. Typischerweise sind die Beschichtungen entworfen, um einen geringfügig höheren Reflexionsgrad als denjenigen zu liefern, der bei dem optimalen Verlauf von Roc über λ erhalten wird, da ein Reflexionsgrad, der unbeabsichtigt zu niedrig ist, die Stromschwelle deutlich erhöhen und folglich den Abstimmbereich verringern kann.
Fig. 2C ist eine obere Querschnittsansicht des in Fig. 2 gezeigten Laserchips mit einer fünf-schichtigen reflektierenden Beschichtung (nicht maßstäblich). Die fünfschichtige Beschichtung wird verwendet, um die im vorhergehenden hergeleitete optimale Antwort von Roc über λ zu erzeugen. Die aktive Region 62 bildet die Mitte eines Laserwellenleiters 63. Es ist nicht dargestellt, daß die hintere Facette 18 mit einer reflektierenden oder nicht-reflektierenden Beschichtung bedeckt ist, wobei im allgemeinen jedoch eine solche Beschichtung verwendet wird.
Die vordere Facette 16 ist durch eine reflektierende Beschichtung 40 gemäß der Erfindung bedeckt. Wie es im folgenden detaillierter beschrieben wird, kann die reflektierende Beschichtung eine einzige Schicht oder mehrere Schichten, wie es in Fig. 2C gezeigt ist, aufweisen. Die Schichten 64, 66, 68, 70 und 72 stellen verschiedene Materialien dar, die auf der vorderen Facette 16 aufgetragen sind. Die Anzahl der Schichten, die Dicke jeder Schicht und das Material, das für jede Schicht verwendet wird, werden geändert, um unterschiedliche Charakteristika des Reflexionsgrads über der Wellenlänge zu erzeugen.
Beispielsweise wird eine einfache Realisierung dieses Konzepts durch Auftragen einer dreischichtigen Beschichtung (z. B. der Schichten 64, 66 und 68) auf der vorderen Ausgangs facette 16 erhalten, um einen flachen Reflexionsgrad zu liefern. Die Beschichtung erhöht den natürlich auftretenden 30%-Halbleiter-Luft-Reflexionsgrad auf einen konstanten 60%-Reflexionsgrad für korrekt gewählte Schichtdicken. Dieser erhöhte Reflexionsgrad der vorderen Facette erhöht den Laserabstimmbereich, so daß in Fig. 4 die untere Endwellenlänge 1,46 um und die obere Endwellenlänge 1,63 um beträgt. Der natürliche Festkörper-Luft-Reflexionsgrad der vorderen Facette kann jedoch abhängig von den vorher vorhandenen und gewünschten Lasercharakteristika beliebig innerhalb des Bereichs zwischen 40% bis 100% erhöht werden.
Fig. 3 ist eine graphische Darstellung, die den Reflexionsgradverlauf einer tatsächlichen "flachen" reflektierenden Beschichtung zeigt. Wie aus dem graphischen Verlauf ersichtlich ist, bleibt der Reflexionsgrad über dem Wellenlängenbereich von 1100 nm bis 1800 nm im wesentlichen bei etwa 60% konstant. In der Theorie kann eine einzige Schicht, deren Dicke 1/4 der Wellenlänge (0,25 λ) beträgt, aus einem Material mit einem höheren Brechungsindex (d. h. die Schicht 64) auf der vorderen Facette aufgetragen sein, um den Reflexionsgrad zu erhöhen. Optische λ/4-Stapel sind ein weiteres Verfahren zum Erreichen von Beschichtungen mit einem flachen Reflexionsgrad.
Ein optischer λ/4-Stapel, der zwei Schichten aus abwechselnden Materialien aufweist, wobei jede Materialschicht eine optische λ/4-Dicke (0,25 λ) aufweist, kann verwendet werden, um den Reflexionsgrad zu erhöhen. Flache reflektierende Beschichtungen können aus Materialien, wie z. B. Aluminiumoxid (Al&sub2;O&sub3;), Silizium (Si) und Siliziumdioxid (SiO&sub2;), hergestellt werden. Aluminiumoxid ist beispielsweise für eine gute Adhesion an Indiumphosphid (InP) und Indiumgalliumarsenidphosphid (InGaAsP) bekannt. Diese Materialien werden typischerweise bei der Halbleiterlaserherstellung verwendet. Folglich kann Al&sub2;O&sub3; ohne weiteres als die erste Schicht auf die vordere Facette 16 des Laserchips 14 aufgetragen werden.
Fig. 4 und 5 sind graphische Verläufe, die für zwei unterschiedliche Laserchips den Schwellenstrom über der Wellenlänge darstellen. Der Halbleiterlaser, der in der anhängigen Anmeldung Serien-Nr. 07/896,276 beschrieben ist, wird verwendet, wobei jedoch jeder Halbleiterlaserchip entsprechende Ergebnisse zeigen würde. Im folgenden wird auf Fig. 4 Bezug genommen. Die Vorteile des Erhöhens von Roc werden durch einen Vergleich der "Abstimmverläufe" 42 und 44 ersichtlich, die unbeschichtete bzw. beschichtete vordere Facetten 16 darstellen. Die Abstimmverläufe geben den Schwellenstrom, der erforderlich ist, um zu bewirken, daß der Chip eine Oszillation erreicht, als Funktion der Wellenlänge an. Wie es im vorhergehenden erörtert wurde, ist ein niedrigerer Schwellenstrom erwünscht, um sowohl die Chipbetriebslebensdauer als auch die Fähigkeit zu erhöhen, den Laser mit einem breiteren Bereich von Betriebsströmen und Wellenlängen zu betreiben. Der Verlauf 42 ist ein Abstimmverlauf für einen Laser mit einer unbeschichteten vorderen Ausgangsfacette, die einen Reflexionsgrad von Roc = 0,31 aufweist. Der Verlauf 44 wird mit demselben Laserchip erhalten, nachden eine flache reflektierende Beschichtung mit Roc = 0,61 auf die vordere Ausgangsfacette aufgetragen wurde. Die reflektierende Beschichtung hat den Abstimmbereich des Lasers bei einem Treiberstrom von 100 mA von 130 nm auf 170 nm erhöht. Folglich hat sich der Abstimmbereich des Lasers um etwa 30% erhöht.
Fig. 5 zeigt den Verlauf des Schwellenstroms über der Wellenlänge für einen zweiten Laserchip mit niedrigerer Qualität als der Laserchip, der verwendet wird, um die Verläufe in Fig. 4 zu erzeugen, wobei ein minderwertigerer Laserchip einen wesentlich schmaleren Abstimmbereich aufweist und einen größeren Strom erfordert, um eine Oszillation zu erreichen. Der Verlauf 46 ist der Verlauf für eine unbeschichtete Ausgangsfacette mit einem natürlichen Reflexionsgrad von Roc = 0,31, wobei der Verlauf 48 den Schwellenstrom für denselben Laserchip mit einem Reflexionsgrad von Roc = 0,61 zeigt. Es wird deutlich, daß der Abstimmbereich für einen Treiberstrom von 100 mA von 100 nm auf 162 nm erhöht ist. Folglich wurde das Verhalten eines Laserchips mit einem anfänglich niedrigen Abstimmbereich um etwa 60% erhöht. Insgesamt verbessert der erhöhte Reflexionsgrad das Verhalten für Halbleiterlaser mit variierenden Ausgabe- und Prozeßcharakteristika.
Es ist zu beachten, daß sowohl in Fig. 4 als auch 5 der Schwellenstrom, der erforderlich ist, um zu wirken, daß der Laser in eine Oszillation übergeht, wesentlich niedriger ist, wenn der Reflexionsgrad der vorderen Ausgangsfacette erhöht wird. Beispielsweise beträgt in Fig. 5 bei 1550 nm der Schwellenstrom für den Verlauf 46 etwa 40 milliAmpere (mA), während der Schwellenstrom des Verlaufs 48 unter 25 mA liegt. Somit ist also dargelegt worden, daß eine Erhöhung des Reflexionsgrads der vorderen Ausgangsfacette den Laserschwellenstrom reduziert. Für unterschiedliche Lasertypen (z. B. Farbstoff- oder Festkörperlaser) kann das aktive Lasermedium mittels Licht gepumpt werden, das entweder von einem anderen Laser oder einem Blitzlicht kommt. Durch Erhöhen des Reflexionsgrads des Ausgangskopplers kann die Schwelle des ankommenden Pumplichts reduziert werden. Folglich müßten Blitzlichter nicht unter zu harten Betriebsbedingungen laufen, wobei ferner weniger Leistung zu dem Pumplaser zugeführt werden müßte.
Es ist möglich, daß Beschichtungen mit einem flachen Reflexionsgrad die Ausgangsleistung bei Wellenlängen in der Mitte des Abstimmverlaufs verringern könnten. Beispielsweise kann der Laserchip bei der Mittenwellenlänge erfordern, daß Roc < 0,30 ist, um die maximal mögliche Ausgangsleistung zu erzeugen. Folglich könnte ein Erhöhen des Reflexionsgrads die optimale Ausgangsleistung des Lasers verschlechtern. Um diese Situation abzustellen, ist ein optischer Stapel mit einem unterschiedlichen Entwurf, wie es durch die Schichten 64, 66, 68, 70 und 72 in Fig. 2C gezeigt ist, auf die vordere Ausgangsfacette aufgetragen, um den Reflexionsgrad bei den äußeren Wellenlängen der Laserbandbreite zu erhöhen, während ein niedriger Reflexionsgrad in der Nähe der Mittenwellen länge beibehalten wird. Dieser Stapel erhöht den Laserabstimmbereich, während gleichzeitig eine hohe Ausgangsleistung bei den Mittenwellenlängen beibehalten wird.
Bei einer komplexen Fabry-Perot-Typ-Filterbeschichtung variiert im Gegensatz zu einer Beschichtung mit einem flachen Reflexionsgrad (siehe Fig. 3) der Reflexionsgrad deutlich entsprechend der Wellenlänge. Der Entwurf von Fabry-Perot- Filtern, um ein spezielles Profil des Reflexionsgrads über der Wellenlänge zu erhalten, wird von S. D. Smith in "Design of Multilayer Filters by Considering Two Effective Interfaces", Journal of the Optical Society of America, Bd. 48, Nr. 1, Jan. 1958, Seiten 43-50, erörtert. S. D. Smith bezeichnet diese Filter als vollständig-dielektrische Interferenzfilter. Das Verfahren zum Erzeugen der Reflexionsgradcharakteristik, die die Ausgangsleistung optimiert, wurde früher beschrieben.
Die Verläufe 47 und 49 zeigen die Reflexionsgrad/Wellenlängen-Charakteristika für eine 4-schichtige Beschichtung bzw. eine 5-schichtige Beschichtung. Die in dem Verlauf 47 gezeigte 4-schichtige Beschichtung beginnt mit einem Mittenreflexionsgrad zwischen 30-35% und erhöht den Randreflexionsgrad bis auf 90%. Durch Ändern der Dicke der Schicht 5 kann der Reflexionsgradbereich zwischen den Verläufen 47 und 49 abgedeckt werden. Diese komplexen Beschichtungen erhöhen den Laserabstimmbereich weiter über denjenigen der Beschichtungen mit einem flachen Reflexionsgrad, vorausgesetzt, daß deren Reflexionsgradwerte an den Rändern des Abstimmbereichs den Reflexionsgrad der flachen Beschichtung übersteigen.
Mehrere Schichten (siehe Fig. 2C) werden verwendet, um die Filtercharakteristika entsprechend auszulegen. Beispielsweise weist der 5-Schicht-Verlauf 49 einen niedrigeren Reflexionsgrad bei der Mittenwellenlänge als der 4-Schicht-Verlauf 47 auf. Die bevorzugten Materialien zum Erzeugen der Farbry-Perot-Filter auf Halbleiterlasern, wie es in Fig. 6 gezeigt ist, sind verschiedene Kombinationen aus Aluminium oxid (Al&sub2;O&sub3;), Siliziumdioxid (SiO&sub2;) und Silizium (Si). Beispielsweise liefern Kombinationen aus Al&sub2;O&sub3;/Si, Si/Al&sub2;O&sub3;, SiO&sub2;/Si oder Si/SiO&sub2; die Reflexionsgradeffekte, die in Fig. 6 und 7 gezeigt sind. Für eine 4-schichtige Beschichtung wird ein Stapel aus einer Al&sub2;O&sub3;-Schicht (Schicht 64 in Fig. 2C), deren optische Dicke λ/4 (0,25 λ) beträgt, aus einer Si-Schicht (Schicht 66 in Fig. 2C), deren optische Dicke eine Wellenlänge (1 λ) beträgt, aus einer Al&sub2;O&sub3;-Schicht (Schicht 68 in Fig. 2C), deren optische Dicke λ/4 (0,25 λ) beträgt, und aus einer Si-Schicht (Schicht 70 in Fig. 2C), deren optische Dicke λ/4 (0,25 λ) beträgt, aufgetragen (d. h. 0,25 λ Al&sub2;O&sub3;/1 λ Si/0,25 λ Al&sub2;O&sub3;/0,25 λ Si). Die 5- schichtige Beschichtung, die den Verlauf 49 in Fig. 6 erzeugt, besteht aus 0,25 λ Al&sub2;O&sub3;/1 λ Si/0,25 λ Al&sub2;O&sub3;/0,25 λ Si/0,25 λ Al&sub2;O&sub3;. Ferner sind weitere Beschichtungsentwürfe möglich.
Die 5-schichtige Beschichtung mit einem Reflexionsgradprofil, das als Verlauf 50 gezeigt ist, weist die 4-schichtige Beschichtung mit einer zusätzlichen Schicht aus Al&sub2;O&sub3; auf. Die Dicke dieser fünften Schicht kann zwischen 0,01 λ und 0,25 λ variieren. Durch Variieren der Dicke der fünften Schicht können geringfügige Änderungen des Reflexionsgrads bei der Mittenwellenlänge erzeugt werden. Beispielsweise zeigen die Verläufe 50, 51 und 52 eine 5-schichtige Beschichtung, deren fünfte Schicht eine Dicke von 0,05 λ, 0,10 λ bzw. 0,15 λ aufweist. Dies liefert die feine Auflösung beim Erzeugen verschiedener Filtercharakteristika.
Fig. 9 ist ein graphischer Verlauf, der die Antwort der Ausgangsleistung über der Wellenlänge eines Lasers mit externem Hohlraum mit einer unbedeckten Ausgangsfacette und mit einer Ausgangsfacette, die eine wellenlängenabhängige reflektierte Beschichtung aufweist, vergleicht. Der Verlauf 88 zeigt die Ausgangsantwort für einen Laser mit externem Hohlraum, der eine unbedeckte Ausgangsfacette mit einem natürlichen Reflexionsgrad von 31% aufweist. Ein Verlauf 86 zeigt die Ausgangsantwort für einen Laser mit externem Hohlraum, dessen Ausgangsfacette eine wellenlängenabhängigen Beschichtung aufweist, die der in Fig. 6 gezeigten entspricht. Die Ausgangsleistung für den Laser mit externem Hohlraum wurde unter Verwendung eines Treiberstroms von 100 mA gemessen.
Es ist zu erkennen, daß die Ausgangsleistung für die wellenlängenabhängige reflektierende Beschichtung (Verlauf 86) eine Glockenkurve mit einer maximalen Ausgangsleistung von etwa 14.000 Mikrowatt (UW) bei einer Mittenwellenlänge von 1508 nm bildet. Der Verlauf 88 weist jedoch eine Leistungsabgabe von etwa 7.000 uW bei der Spitzenwellenlänge auf.
Um die Wellenlängenselektivität des Ausgangskopplers weiter zu steigern, kann das Al&sub2;O&sub3;-Material durch ein Material mit einem geringfügig niedrigeren Brechungsindex, wie z. B. Siliziumdioxid (SiO&sub2;), ersetzt werden. Fig. 7 zeigt die Verläufe des Reflexionsgrads über der Wellenlänge unter Verwendung von Siliziumdioxid. Die Verläufe 56 und 58 zeigen die Reflexionsgradcharakteristika für 4- bzw. 5-schichtige Beschichtungen. Die 5-schichtige Beschichtung weist beispielsweise 0,25 λ SiO&sub2;/1 λ Si/0,25 λ SiO&sub2;/0,25 λ Si/0,25 λ SiO&sub2; auf. Es ist ersichtlich, daß Siliziumdioxid ein Filter mit einer steileren Reflexionsgradcharakteristik als das Aluminiumoxid erzeugt. Diese steile Filtercharakteristik stellt im allgemeinen den bei einer reflektierenden Beschichtung schwierig zu erzeugenden Parameter dar.
Die reflektierenden Beschichtungen, die in Fig. 2C gezeigt sind, werden in einer Aufdampfvorrichtung auf der vorderen Facette 16 aufgebracht. Die Verfahren zum Erhöhen des Ausgangskopplerreflexionsgrads variieren jedoch entsprechend dem Typ des Abstimmlasers. Beispielsweise würden bei Farbstofflasern oder abstimmbaren Festkörperlasern, die aus einem Titan-dotierten Saphier hergestellt sind, die reflektierenden Beschichtungen sehr wahrscheinlich auf Glas aufgebracht werden. Das Glas würde dann als separater Ausgangskoppler vor dem Laser plaziert werden, um die korrekten Reflexionsgradcharakteristika zu erhalten.
Die reflektierenden Beschichtungen können unter Befolgung desselben allgemeinen Konzepts sowohl auf Glas als auch direkt auf die Halbleitermaterialien aufgedampft werden. Die detaillierten Dicken und die detaillierte Anzahl der Schichten können sich jedoch unterscheiden. Für die reflektierenden Beschichtungen können verschiedene Materialien verwendet werden, wobei sich jedoch herausgestellt hat, daß im allgemeinen schichtweise angeordnete Materialien am wirkungsvollsten sind. Alternativ könnte der Ausgangsspiegel bei einem Laser mit einem ringförmigen Hohlraum mit mehreren Schichten beschichtet sein, um den Reflexionsgrad zu optimieren und um nachfolgend den Abstimmbereich zu erhöhen. Die im vorhergehenden dargestellten mehrschichtigen Beschichtungen können ferner auf abstimmbare Spiegel (z. B. ein Prisma oder ein Gitter) in dem externen Laserhohlraum, auf den Ausgangsspiegel in einem Laser mit einem ringförmigen Hohlraum oder auf einen beliebigen Laserspiegel aufgebracht werden, um die Leistungscharakteristika des gegenwärtigen Lasers zu erhöhen.
Wie es im vorhergehenden in Fig. 6 und 7 gezeigt wurde, variiert die reflektierende Beschichtung, die auf dem Reflexionsfilter aufgetragen ist, gemäß der Wellenlänge, um die Laserausgangscharakteriska zu maximieren. Alternativ wird der Reflexionsgrad durch Einstellen der Position eines Ausgangskopplers mit räumlich variierenden Reflexionsgradcharakteristika verändert.
Fig. 8A ist beispielsweise eine Prinzipdarstellung des in Fig. 1 gezeigten Lasers mit externem Hohlraum, bei dem ein separater linearer Ausgangskoppler 70 hinzugefügt ist. Die vordere Facette 16 würde in diesem Fall sehr wahrscheinlich AR-beschichtet sein. Fig. 8B ist eine Seitenansicht des in Fig. 8 gezeigten Ausgangskopplers 70. Der Ausgangskoppler ist senkrecht zu dem Einfallswinkel des optisches Strahls 20 positioniert. Der Reflexionsgrad des Ausgangskopplers variiert von 0% an dem ersten Ende 72 bis 100% an dem zweiten Ende 74. Das Filter mit einem variablen Reflexionsgrad kann unter Verwendung eines speziellen Aufbringverfahrens für eine reflektierende Beschichtung auf einem Substrat oder durch korrektes Positionieren in einer Linie oder einem Kreis von einzelnen kleinen Abschnitten, die jeweils einen spezifischen Reflexionsgrad aufweisen, aufgebaut sein.
Der in Fig. 8A gezeigte Laser mit einem externen Hohlraum arbeitet auf die folgende Art und Weise. Eine spezifische Laserwellenlänge wird durch Ändern des Winkels 25 des Gitters 26 ausgewählt. Der Ausgangskoppler 70 wird daraufhin lateral in einer Richtung senkrecht zu dem optischen Strahl 20 bewegt, bis der Bereich auf dem Koppler 70 mit dem geeigneten Reflexionsgrad vor dem Strahl 20 positioniert ist. Der geeignete Reflexionsgrad wird ausgewählt, indem als erstes der theoretische Reflexionsgrad bei einem gegebenen Betriebsstrom bestimmt wird, der eine optimale Ausgangsleistung erzeugt, wie es im vorhergehenden beschrieben wurde (siehe beispielsweise Gleichung 3). Die Position auf dem Ausgangskoppler 70 mit dem optimalen Reflexionsgrad wird dann vor den Strahl 20 bewegt. In der Praxis kann der Reflexionsgrad variiert werden, um die Ausgangsleistung empirisch zu optimieren.
Fig. 8C ist ein alternatives Ausführungsbeispiel des Ausgangskopplers mit einem variablen Reflexionsgrad. Ein kreisförmiger Ausgangskoppler 78 wird entweder im Uhrzeigersinn oder entgegen dem Uhrzeigersinn um einen mittleren Drehpunkt 80 bewegt. Der Ausgangskoppler 78 wird gedreht, so daß der Bereich auf dem Ausgangskoppler 78 mit dem optimalen Reflexionsgrad vor dem Strahl 20 angeordnet ist. Folglich wird eine maximale Ausgangsleistung für einen breiten Bereich von Wellenlängen bereitgestellt, indem der effektive Reflexionsgrad, der durch die Koppler 70 und 78 geliefert wird, geändert wird.
Nachdem die Prinzipien der Erfindung bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel beschrieben und dargestellt worden sind, sollte es offensichtlich sein, daß die Erfindung bezüglich der Anordnung und der Details modifiziert werden kann, ohne von den Prinzipien der Erfindung abzuweichen. In den folgenden Ansprüche sind alle Modifikationen und Änderungen, die in den Schutzbereich fallen, beansprucht.

Claims

1. Ein abstimmbarer Laser mit:

einem gepumpten Verstärkungsmedium (14) mit einem ersten und zweiten Ende zum Erzeugen von Laserlicht (20) bei einer gegebenen Ausgangsleistung in einem Wellenlängenabstimmbereich, wobei das gepumpte Verstärkungsmedium einen Schwellenpumppegel für jede Wellenlänge in dem gegebenen Wellenlängenabstimmbereich aufweist und das Laserlicht sowohl aus dem vorderen Ende (16) als auch dem hinteren Ende (18) emittiert;

einem Ausgangskoppler mit einem natürlichen Festkörper-Zu-Luft-Reflexionsgrad zum Ausgeben des Laserlichts, das aus dem vorderen Ende (16) des gepumpten Verstärkungsmediums emittiert wird;

einer Abstimmeinrichtung (26) zum selektiven Reflektieren unterschiedlicher Wellenlängen des Laserlichts (22), das aus dem hinteren Ende des gepumpten Verstärkungsmediums emittiert wird, zurück zu dem gepumpten Verstärkungsmedium, um die Wellenlänge des Laserlichts, das aus dem Ausgangskoppler ausgegeben wird, zu steuern; und

einer Einrichtung (40) zum Ändern des natürlichen Festkörper-Zu-Luft-Reflexionsgrads des Ausgangskopplers, um den Abstimmbereich und die Ausgangsleistung zu steuern, wobei die Änderungseinrichtung eine Beschichtung (64, 66, 68, 70, 72) auf dem Ausgangskoppler aufweist, wobei die Beschichtung einen Reflexionsgrad (Roc) aufweist, der gemäß der Wellenlänge in dem Wellenlängenbereich variiert, wobei der Reflexionsgrad zu beiden Endabschnitten des Wellenlängenbereichs größer als in der Mitte des vorbestimmten Wellenlängenbereichs ist, um den Laserabstimmbereich zu erhöhen.

2. Ein Laser gemäß Anspruch 1, bei dem das Verstärkungsmedium einen Halbleiterlaser (14) mit einer vorderen und einer hinteren Facette (62) aufweist, wobei der Halbleiterlaser das Laserlicht über einem vorbestimmten Schwellenstrom erzeugt.

3. Ein Laser gemäß Anspruch 2, bei dem der Ausgangskoppler die vordere Facette (16) des Halbleiterlasers aufweist, wobei die Beschichtung auf der vorderen Facette aufgebracht ist.

4. Ein Laser gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Einrichtung zum Ändern des Reflexionsgrads (40) in der Lage ist, die Laserausgangsleistung bei einem gegebenen Laseraktivierungsstrom für alle Wellenlängen in dem Laserabstimmbereich zu maximieren.

5. Ein Laser gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Reflexionsgrad des Ausgangskopplers geändert wird, um gleichzeitig den Laserabstimmbereich und die Laserausgangsleistung bei jeder Wellenlänge zu erhöhen.

6. Ein abstimmbarer Laser mit:

einem Ausgangskoppler mit einem natürlichen Festkörper-Zu-Luft-Reflexionsgrad zum Ausgeben des Laser lichts, das von dem vorderen Ende (16) des gepumpten Verstärkungsmediums emittiert wird;

einer Abstimmeinrichtung (26) zum selektiven Reflektieren unterschiedlicher Wellenlängen des Laserlichts (22), das aus dem hinteren Ende des gepumpten Verstärkungsmediums emittiert wird, zurück zu dem gepumpten Verstärkungsmedium, um die Wellenlänge des Laserlichts, das von dem Ausgangskoppler ausgegeben wird, zu steuern; und

einer Einrichtung zum Ändern des natürlichen Festkörper-Zu-Luft-Reflexionsgrads des Ausgangskopplers, um den Abstimmbereich und die Ausgangsleistung zu steuern, wobei die Änderungseinrichtung auf einem separaten Ausgangskoppler (70; 78) eine Beschichtung mit einem räumlich variierenden Reflexionsgrad und eine Positions- Änderungseinrichtung zum Ändern der Position der räumlich variierenden Beschichtung bezüglich des Laserlichts gemäß der Wellenlänge des Laserlichts aufweist, wobei Abschnitte mit einem höheren Reflexionsgrad der räumlich variierenden Beschichtung mit dem Laserlicht für Wellenlängen an beiden Endabschnitten des Wellenlängenbereichs als für die Wellenlänge in der Mitte des vorbestimmten Wellenlängenbereichs ausgerichtet sind, um den Laserabstimmbereich zu erhöhen.