DE69509152T2 - Wellenlängeabstimmbarer Laser mit virtuellem, selektiv ansteuerbarem verteiltem Bragg Reflektor - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen wellenlängenabstimmbaren Laser mit verteiltem Bragg-Reflektor.
• Sie betrifft vor allem das Gebiet der optischen Telekommunikationen und ermöglicht, einen sehr breit abstimmbaren Monofrequenzlaser herzustellen, der sich insbesondere für die Informationsübertragung durch optische Fasern eignet.
• Man kennt diverse wellenlängenabstimmbare Halbleiter- Monofrequenzlaser.
• Der Laser mit verteiltem Bragg-Reflektor ("Distributed Bragg Reflector Laser") oder DBR-Laser kann diskontinuierlich abgestimmt werden (durch Sprünge), mit einem kleinen Wellenlängenabstimmbereich in der Größenordnung von 10 nm.
• Zu diesem Thema wird Bezug genommen auf das folgende Dokument:
• (1) Y. Kotaki et al., "Wavelength tunable DFB and DRB lasers for coherent optical fibre communications", IEEE Proceedings-J; Vol. 138, Nr. 2, April 1991.
• Dieser bekannte DBR-Laser umfaßt eine aktive Sektion (Verstärkerteil), optisch gekoppelt mit einer leitenden passiven Sektion, in die ein Bragg-Gitter geätzt ist, das eine Monofrequenz-Lichtemission ermöglicht.
• Die Wellenlängenabstimmung eines solchen Lasers wird durch Einspeisen von Strom in die dieses Gitter enthaltende Sektion erzielt.
• Die Veränderung der Anzahl der Ladungsträger in dieser Sektion trägt dazu bei, den effektiven optischen Index dieser Sektion und infolgedessen die Emissionswellenlänge des Lasers zu modifizieren.
• Man kennt auch andere Laser mit Bragg-Gittern oder komplexeren Lichtleitern.
• Zu diesem Thema wird auf folgende Dokumente Bezug genommen:
• (2) Y. Yoshikuni et al., "Broadly tunable Distributed Bragg Reflector lasers with a multiple-phase-shift superstructure grating", paper TuC2, p.8 Proceedings OFC/IOOCC'93, San Jose, USA, 21.-26. Februar 1993. IEEE Photonics Techn. Lett., Heft 4, Nr. 4, April 1992.
• (3) R. C. ALFERNESS et al., "Broadly tunable InGaAsP/InP laser made based an vertical coupler filter with 57 nm tuning range", Appl. Phys. Letters, Heft 60, Nr. 26, 29. Juni 1992.
• Diese anderen bekannten Laser ermöglichen, eine diskontinuierliche Abstimmung über einen Bereich von großer Breite, in der Größenordnung von 60 bis 100 nm.
• Bei allen oben erwähnten bekannten Lasern beruht die Wellenlängen-Abstimmkapazität auf der Veränderung des optischen Index durch Injektion von Ladungsträgern in eine Lichtleitsektion, die ein mehr oder weniger komplexes Bragg-Gitter umfaßt.
• Zudem weisen die meisten der anderen, oben erwähnten Laser, bezogen auf die Dokumente (2) und (3), folgende Hauptnachteile auf:
• - die Komplexität des herzustellenden Bragg-Gitters oder Lichtleiters,
• - die Anzahl der verschiedenen elektrischen Ströme, die beherrscht werden müssen, um diese Abstimmbarkeit zu erhalten,
• - die begrenzte Anzahl der zugänglichen Wellenlängenkanäle,
• - die Schwierigkeit, den Abstand zwischen diesen diversen Wellenlängenkanälen zu beherrschen, und
• - die extremen Komplikationen, mit denen man konfrontiert ist, um diese Laser kontinuierlich abzustimmen.
• Die vorliegende Erfindung hat einen wellenlängenabstimmbaren Laser mit verteiltem Bragg-Reflektor zum Gegenstand, dessen Wellenlängenabstimmungsbereich größer ist als der der DBR- Laser von der Art derjenigen des Dokuments (1), und der eine große Anzahl von in diesem Abstimmungsbereich zugänglichen Wellenlängenkanälen hat (was bei den aus den Dokumenten (2) und (3) bekannten Lasern nicht der Fall ist, die einen größeren Bereich aber eine weniger große Anzahl Wellenlängenkanäle haben als die des Dokuments (1)).
• Außerdem ist es mit Hilfe der Erfindung leicht, den Abstand zwischen den Kanälen zu beherrschen, zu denen man in dem gesamten Wellenlängenabstimmbereich Zugang hat.
• Die Beherrschung der verschiedenen elektrischen Ströme, die zur Wellenlängenabstimmung eines erfindungsgemäßen Lasers nötig sind, ist ebenfalls leichter.
• Bei einer speziellen Ausführungsart der Erfindung ist es möglich, mit einem einzigen Bragg-Gitter, das einfach herzustellen ist, einen sehr großen diskontinuierlichen Wellenlängenabstimmungsbereich zu erhalten.
• Das Prinzip der vorliegenden Erfindung beruht einerseits auf der linienförmigen Integration (in der Ausbreitungsrichtung des Lichts) einer Vielzahl von Strukturen, die virtuelle Beugungsgitter bilden und jeweils unterschiedlichen Bragg-Wellenlängen entsprechen (daher unterschiedliche Wellenlängenabstimmungsbereiche) und andererseits auf der selektiven Aktivierung oder selektiven Umschaltung dieser Gitter durch Stromeinspeisung.
• Es ist dann möglich, einen Gesamt-Wellenlängenabstimmungsbereich zu erhalten, der gleich groß oder mehrmals größer ist als der Abstimmungsbereich, der der Stromeinspeisung in ein einziges Gitter entspricht (und folglich deutlich größer als der der klassischen DBR-Laser von der Art derjenigen, die in dem Dokument (1) beschrieben sind).
• Bei dem erfindungsgemäßen Laser ist zu einem bestimmten Zeitpunkt nur ein einziges Beugungsgitter aktiv.
• Im gegenteiligen Fall würde nämlich das aktivierte Gitter, das dem aktiven Teil des Lasers am nächsten ist, die Wirkung des oder der anderen aktivierten Gitter maskieren.
• Bei der Erfindung erzeugt die Einspeisung eines Stroms lokal ein Beugungsgitter und ermöglicht dann die Abstimmung des Lasers.
• Das Umschalten des Stroms von einer Sektion des passiven Teils des Lasers zur anderen (wobei jede dieser Sektionen einem Beugungsgitter entspricht) löscht das vorhergehend erzeugte Gitter und definiert ein neues Gitter, das bezüglich der Bragg- Wellenlänge verschoben ist und das auf andere Wellenlängenkanäle abstimmbar ist.
• US-A-4 885 753 (OKAI et al.) beschreibt eine Technik, die dazu bestimmt ist, die Abstimmbarkeit eines DBR-Lasers zu erhöhen, wobei diese Technik darin besteht, das Kopplungsniveau des Lichts in der optischen Rückkopplungssektion des Lasers lokal zu ändern durch hauptsächliche Delokalisation des Lichts in einem der beiden Leiter, die die vertikale Aufeinanderschichtung dieser Sektion bilden (codirektioneller Koppler), mehr oder weniger weit von dem entsprechenden Beugungsgitter entfernt.
• JP-A-O1 124 279 (MATSUSHITA ELECTRIC) beschreibt einen DFB-Laser, der hauptsächlich die Modulation des in den Laser eingespeisten Stroms benutzt, um die periodische Brechzahlveränderung zu erzeugen, die nötig ist für den Effekt der verteilten optischen Reaktion bzw. Rückkopplung des DFB-Lasers. Diese Strommodulation wird durch ein in eine teilisolierende Schicht geätztes Beugungsgitter erzeugt.
• FR-A-2 684 498 (MITSUBISHI DENKI KK) beschreibt eine Halbleiter-Laservorrichtung mit verteilter Reaktion bzw. Rückkopplung. Diese Vorrichtung umfaßt eine aktive Schicht, eine angrenzende Hüllschicht 16 und, in dieser, Stromsperrschichten mit einem anderen Konduktivitätstyp als die Hüllschicht. Die aktive Schicht ruht auf einer unteren Hüllschicht, die einen anderen Konduktivitätstyp als die Schicht 16 hat. Eine entsprechende Vorspannung bzw. Polung dieser Vorrichtung ermöglicht die Injektion der Ladungsträger in die aktive Schicht. Man erhält so eine Störung des Verstärkungskoeffizienten.
• US-A-4 885 753 entspricht dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
• Genaugenommen hat die vorliegende Erfindung einen wellenlängenabstimmbaren Laser mit verteiltem Bragg-Reflektor zum Gegenstand, konform mit dem Anspruch 1.
• Nach einer ersten Ausführungsart des erfindungsgemäßen Lasers befinden sich die periodischen Anordnungen in der ersten oder in der zweiten Halbleiter-Einschließschicht und umfassen jede eine Folge von Halbleiterzonen, abwechselnd vom Typ P und vom Typ N.
• Nach einer zweiten, speziellen Ausführungsart befinden sich die periodischen Anordnungen in der ersten oder in der zweiten Halbleiter-Einschließschicht und umfassen jede eine Folge von nichtdotierten Halbleiterzonen oder semi-isolierenden Zonen, abwechselnd mit Halbleiterzonen desselben Dotierungstyps wie dem der Halbleiterschicht, in der sich diese periodischen Anordnungen befinden.
• Bei einer ersten besonderen Ausführung der Erfindung haben die Umschaltsektionen denselben effektiven optischen Index, und die jeweils diesen Sektionen entsprechenden periodischen Anordnungen haben Perioden, die sich voneinander unterscheiden.
• Bei einer zweiten besonderen Ausführung der Erfindung haben die Umschaltsektionen unterschiedliche effektive optische Indices, und die jeweils diesen Sektionen entsprechenden periodischen Anordnungen haben dieselbe Periode.
• Bei einer dritten besonderen Ausführung der Erfindung haben die Umschaltsektionen unterschiedliche effektive optische Indices, und die jeweils diesen Sektionen entsprechenden periodischen Anordnungen haben unterschiedliche Perioden.
• Bei der zweiten und der dritten besonderen Ausführung der Erfindung kann wenigstens eine der Umschaltsektionen einen Stapel von wenigstens zwei Schichten eines Materials umfassen, dessen optische Indizes sich voneinander unterscheiden und gewählt werden, um zum effektiven optischen Index dieser Sektion zu führen.
• Der passive Teil des Lasers kann außerdem eine Zwischensektion umfassen, Phasensektion genannt, die sich zwischen den Umschaltsektionen und dem aktiven Teil des Lasers befindet und eine kontinuierliche Abstimmung der Emissionswellenlänge des Lasers durch Einspeisung eines elektrischen Stroms in den diese Zwischensektion betreffenden Teil des P-N-Übergangs oder durch inverse Polung dieses Übergangs ermöglicht.
• Der erfindungsgemäße Laser kann außerdem Einrichtungen zum selektiven Einspeisen von elektrischem Strom in die jeweils den Umschaltsektionen entsprechenden Teile des P-N-Übergangs umfassen, wobei jede periodische Anordnung fähig ist, das Eintreffen des elektrischen Stroms in dem Teil der Leitschicht räumlich zu modulieren, der dieser Anordnung entspricht.
• Als Variante kann der Laser außerdem Einrichtungen zur selektiven inversen Polung der den jeweiligen Umschaltsektionen entsprechenden Teile des P-N-Übergangs umfassen, wobei jede periodischen Anordnung fähig ist, das elektrische Feld in dem dieser Anordnung entsprechenden P-N-Übergangsteil räumlich anzupassen.
• Die vorliegende Erfindung wird besser verständlich durch die Lektür der nachfolgenden, beispielhaften und keinesfalls einschränkenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, bezogen auf die beigefügten Zeichnungen:
• - die Fig. 1 ist eine schematische Ansicht einer speziellen Ausführungsart eines erfindungsgemäßen Lasers,
• - die Fig. 2 ist eine schematisch Ansicht einer anderen speziellen Ausführungsart des erfindungsgemäßen Lasers,
• - die Fig. 3 bis 5 sind Kurven bezüglich der Wellenlängenabstimmung eines erfindungsgemäßen Lasers von der Art des in Fig. 2 dargestellten, und
• - die Fig. 6 bis 9 zeigen schematisch diverse Schritte eines Herstellungsverfahrens eines erfindungsgemäßen Lasers.
• Der erfindungsgemäße Laser, der in Fig. 1 schematisch dargestellt ist, resultiert aus der Modifizierung eines klassischen DBR-Lasers und der Einführung - in die Leitsektion dieses Lasers - von verschiedenen umschaltbaren virtuellen Gittern anstelle des üblicherweise in diese Leitsektion geätzten Gitters.
• Um die effektive Umschaltung der Gitter zu erzielen, benutzt man anstelle des klassischen Beugungsgitters, das bleibend in eine Lichtleitschicht geätzt wird, virtuelle Beugungsgitter, die durch Ladungsträgerinjektion aktiviert werden und von denen jedes den Vorteil aufweist, nur zu existieren, wenn ein Strom in die entsprechende Sektion des Lasers eingespeist wird, was vollkommen den Bedürfnissen eines erfindungsgemäßen Lasers entspricht.
• Der Laser der Fig. 1 umfaßt auf einem Halbleitersubstrat 2 einen Stapel Halbleiterschichten, der eine Lichtleit-Halbleiterschicht 4 umfaßt, die sich zwischen einer unteren Halbleiterschicht 6 und einer oberen Halbleiterschicht 8 befindet, deren Dotierungen entgegengesetzt sind und die infolgedessen einen P-N-Übergang bilden.
• Die Schichten 6 und 8 weisen verbotene Bandbreiten auf, die größer als diejenige der Fig. 4 sind und fähig sind, das Licht in diese Fig. 4 einzuschließen.
• Diese letztere umfaßt einen aktiven Teil 10, der ein Lichtverstärkungsmedium bildet, und einen passiven Teil 12, optisch mit dem aktiven Teil 10 gekoppelt.
• Der aktive Teil 10 und der passive Teil 12 der Schicht 4 definieren jeweils einen aktiven Teil SA (oder eine aktive Sektion) des Lasers und einen passiven Teil (oder eine passive Sektion) des Lasers.
• Erfindungskonform umfaßt dieser passive Teil des Lasers eine Vielzahl von Umschaltsektionen.
• In dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel gibt es drei Umschaltsektionen SC1, SC2 und SC3.
• Der in der Fig. 1 dargestellte Laser umfaßt in seinem passiven Teil noch eine weitere Sektion SP, Phasensektion genannt. Auf diese Sektion SP wird in der Folge eingegangen.
• In dem dargestellten Beispiel wird der passive Teil des Lasers also durch die Sektionen SP, SC1, SC2 und SC3 gebildet.
• Jede Umschaltsektion umfaßt eine periodische Anordnung, ausgebildet in der oberen Einschließschicht 8 und fähig, einen elektrischen Strom räumlich zu modulieren, der in den Teil des P- N-Übergangs eingespeist wird, der dieser Sektion entspricht.
• In dem dargestellten Beispiel sieht man drei periodische Anordnungen a1, a2 und a3 dieser Art, die in Serie angeordnet sind, längs des passiven Teils 12 der Leitschicht, und deren jeweilige Perioden mit λ1, λ2 und λ3 bezeichnet sind.
• Wie man in der Folge sehen wird, wird der Laser abgestimmt, indem ein elektrischer Strom in jeweils eine Umschaltsektion eingespeist wird.
• In dem dargestellten Beispiel erhält nur der N-P- Übergang der Sektion SC1 einen elektrischen Strom und Pfeile 14 symbolisieren die räumliche Modulation des eingespeisten elektrischen Stroms.
• Der derart moduliert Strom führt zu Veränderungen der Ladungsträgerkonzentration in dem Teil der Schicht 4, der dieser Sektion entspricht.
• Diese Ladungsträger erzeugen ihrerseits eine räumliche Modulation des optischen Index in diesem Teil der Schicht 4.
• Man erhält so ein Indexgitter, dessen Teilung gleich der Periode der betreffenden periodischen Anordnung ist (λ4 für die Sektion SC1).
• Bei dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel ist der passive Teil 12 (aus intrinsischem Halbleitermaterial) der Schicht 4 zwischen der unteren Einschließschicht 6 aus Halbleitermaterial des Typs N und der oberen Einschließschicht 8 aus Halbleitermaterial des Typs P enthalten.
• Jede der periodischen Anordnungen umfaßt Zonen 16, die aus einem Halbleiter mit optischer Einschließung des Typs N gemacht sind, sich in der Schicht 8 befinden und in der Nähe des Teils 12 der Schicht 4 (Fall der Fig. 1) oder in Kontakt mit diesem.
• Diese Zonen 16 wechseln ab mit Zonen 18, gemacht aus dem die Schicht 8 bildenden Material (Halbleiter des Typs P).
• Präzisiert sei, daß die Dicke der Halbleiterschicht 20 des Typs P, die zwischen den periodischen Anordnungen, die in Serie angeordnet sind, und dem Teil 12 der Schicht 4 existieren kann, sehr gering ist, z. B. kleiner als 50 nm.
• Der in der Fig. 1 dargestellt Laser umfaßt auch - in dem aktiven Teil SA - Einrichtungen 22, um mittels einer Elektrode 24, die diese Schicht umfaßt und die vorgesehen ist zum Einspeisen eines elektrischen Stroms in die Schicht 8, eine stimulierte Lichtemission aus dem aktiven Teil 10 der Schicht 4 zu provozieren.
• Der Laser der Fig. 1 umfaßt auch Einrichtungen 26, um einen elektrischen Strom in die Schicht 8 einzuspeisen, in eine unter den Sektionen SC1, SC2 und SC3 ausgewählte Sektion, jeweils durch die Elektroden E1, E2 und E3, die die Schicht 8 umfaßt, und um den P-N-Übergang, gebildet durch die Schichten 6 und 8, direkt zu polen bzw. vorzuspannen.
• Die Halbleiterzonen 16 blockieren mit der Periode λ1 oder λ2 oder λ3 (je nach gewählter Sektion) die Ankunft des Stroms in dem Teil 12 der Schicht 4.
• In Höhe dieser Zonen 16 gibt es nämlich sperrende Übergänge des Typ P-N-I-N, während es in Höhe der Zonen 18 durchlässige Übergänge des Typs P-I-N gibt.
• Bei einer nicht dargestellten Variante des Lasers der Fig. 1 ist das Substrat 2 vom Typs P, ebenso wie die Schicht 6, und die Schicht 8 ist vom Typ N.
• Die Zonen 16 sind dann vom Typ P und wechseln ab mit Zonen 18 der Schicht 8 (des Typs N).
• Bei einer anderen nicht dargestellten Variante wurden die Zonen 16 ersetzt durch Zonen, die aus einem halbisolierenden oder halbleitenden, nicht dotierten Material gemacht sind, und die Zonen 18, die Teil der Schicht 8 sind, sind vom Typ P (bzw. N), wenn die Schicht 8 vom Typs P (bzw. N) ist, wobei in diesem Fall die Schicht 6 selbstverständlich vom Typs N (bzw. P) ist.
• Bei einem anderen erfindungsgemäßen Laser ersetzt man die Einrichtungen 26 durch Einrichtungen 28, die vorgesehen sind, um die jeweils den Sektionen SC1, SC2 und SC3 entsprechenden P-N- Übergangsteile auf selektive Weise invers zu polen.
• In diesem Fall ist es die räumliche Modulation des elektrischen Feldes in dem derart invers gepolten P-N-Übergangsteil (und folglich in dem entsprechenden Leitschichtübergangsteil), die dank elektrooptischer Effekte das Indexgitter erzeugt. Die Phasensektion SP, die fakultativ ist, ermöglicht eine kontinuierliche Abstimmung des Lasers der Fig. 1.
• Dazu ist diese Sektion mit Einrichtungen 30 zur Stromeinspeisung in den entsprechenden Teil der Schicht 8 versehen, mittels einer Elektrode 34, mit der diese Schicht ausgestattet ist, wie zu sehen in Fig. 1.
• Als Variante kann man Einrichtungen 32 zur inversen Polung des dieser Sektion SP entsprechenden P-N-Übergangsteils benutzen.
• In dem Laser der Fig. 1 ist das Substrat 2 mit einer Massenschlußelektrode 36 versehen.
• Die Aktivierung des virtuellen Beugungsgitters von einer der Sektionen SC1, SC2 und SC3 dank der Einrichtungen 26 (oder der Einrichtungen 28) ermöglicht, in der gewählten Sektion ein Beugungsgitter erscheinen zu lassen, dessen Amplitude man im übrigen modulieren kann.
• Man verfügt so über ein Bragg-Gitter, gebildet durch die Verbindung dieses Beugungsgitters und des Teils der entsprechenden Leitschicht 4.
• Dieses Bragg-Gitter ist gekennzeichnet durch ein Bragg- Wellenlänge, die für die Sektion SC1 mit λE1, für die Sektion SC2 mit B2 und für die Sektion SC3 mit λ3 bezeichnet wird.
• Diese Bragg-Wellenlänge ist mit dem effektiven optischen Index Neff des optischen Leiters, gebildet durch den passiven Teil 12 der Leitschicht und durch die Einschließschichten 6 und 8, sowie mit der Teilung λ1 oder λ2 oder λ3 des entsprechenden aktivierten Beugungsgitters und mit der Ordnung p dieses Beugungsgitters durch die folgende Formel verbunden:
• λBi = λi. 2Neff/p.
• In dieser Formel hat der Index i einen der Werte 1, 2 und 3, je nach dem, um welche Sektion es sich handelt. Ein anderer erfindungsgemäßer Laser ist in Fig. 2 schematisch dargestellt.
• Bei diesem anderen Laser gibt es nur eine einzige periodische Anordnung A, die sich längs des passiven Teils 12 der Lichtleitschicht 4 erstreckt.
• Anders ausgedrückt haben nun alle in Fig. 1 in Serie angeordneten periodischen Anordnungen diesselbe Periode.
• Jedoch, im Gegensatz zu dem Fall des Lasers der Fig. 1, bei dem der effektive Index des optischen Leiters des passiven Teils des Lasers konstant ist, haben die Umschaltsektionen SC1, SC2 und SC3 des Lasers der Fig. 2 unterschiedliche optische Indices.
• Man läßt wieder in der Sektion ein Beugungsgitter erscheinen, die man ausgewählt hat, dank der Einrichtungen 26 (oder der Einrichtungen 28), aber im Fall der Fig. 2 ist das der aktivierten Umschaltsektion entsprechende Bragg-Gitter gekennzeichnet durch eine Bragg-Wellenlänge, die durch die folgende Formel bestimmt wird:
• λBI = λ.2Ni/p.
• In dieser Formel nimmt i einen der Werte 1, 2 und 3 an, je nach gewählter Umschaltsektion, und Ni stellt den dieser Sektion entsprechenden effektiven optischen Index dar.
• Somit benötigt man im Fall der Fig. 2 zur Realisierung der Gitter, die dieselbe Teilung haben und zum Herstellen der verschiedenen Bragg-Wellenlängen notwendig sind, nur eine einzige periodische Anordnung, gebildet durch die Wechselfolge der Zonen 16 und 18, aber man muß den effektiven optischen Index des optischen Leiters der passiven Sektion des Lasers lokal modifizieren.
• Dazu fügt man diesem passiven Teil abwechselnde Schichten aus einem ersten Material und einem zweiten Material hinzu, die unterschiedliche optische Indices haben.
• Noch genauer ist bei dem Laser der Fig. 2 der passive Teil der Lichtleitschicht 12 auf der Seite der unteren Einschließschicht 6 versehen mit einem Stapel von Schichten 38 aus einem ersten Material der Brechzahl n1, die abwechseln mit Schichten 40 aus einem zweiten Material mit einer unterschiedlichen Brechzahl n2.
• Diese Schichten 38 und 40 haben nicht unbedingt dieselbe Dicke.
• Man sieht in Fig. 2, daß dieser Stapel der abwechselnden Schichten 38 und 40 geätzt wurde, um Stufen aufzuweisen.
• An einem Ende des Stapels sind alle Schichten 38 und 40 vorhanden, während am anderen Ende keine der Schichten 38 und 40 vorhanden ist.
• Man geht von einer Stufe zur nächsten, indem ein Paar Schichten 38 und 40 beseitigt wird.
• Bei dem in der Fig. 2 dargestellten Beispiel gibt es zwei Paare von Schichten 38 und 40, also zwei Stufen und infolgedessen drei Zonen, die jeweils den drei Umschaltsektionen entsprechen.
• Der Stapel aus den Schichten 38 und 40 erstreckt sich auch in der Phasensektion SP, um die Herstellung des Lasers zu vereinfachen, aber er könnte in dieser Phasensektion beseitigt werden.
• Es sind diese Zonen, die ermöglichen, in Verbindung mit den entsprechenden Beugungsgittern drei Bragg-Gitter zu realisieren und folglich drei Bragg-Wellenlängen zu erhalten, nämlich λB1, λB2 und λB3.
• Der erfindungsgemäße Laser, der in der Fig. 2 schematisch dargestellt ist, ist einfacher herzustellen als der der Fig. 1, da er nur eine einzige periodische Anordnung benötigt, unabhängig von der zu realisierenden Anzahl von Umschaltsektionen.
• Wie vorhergehend existiert ein Beugungsgitter in einer Umschaltsektion, die man gewählt hat, nur dann, wenn man in diese Sektion einen Strom einspeist.
• In dem Fall der Fig. 2 handelt es sich um die Sektion SC1, und die Pfeile 14 symbolisieren die Modulation des in diese Sektion eingespeisten Stroms.
• Rein beispielartig und keinesfalls einschränkend kann man einen erfindungemäßen Laser mit einer aktiven Sektion realisieren, deren Wellenlänge 500 um beträgt, einer Phasensektion, deren Wellenlänge 100 um beträgt, und drei Umschaltsektionen mit virtuellem Gitter, von denen jede eine Wellenlänge von 150 um hat, indem man für die Einschließschichten des Lasers das Material InP benutzt, wobei das aktive Material des Lasers InGaAsP 1,55 um ist und der passive Teil der Lichtleitschicht aus InGaAsP 1,3 um gemacht ist.
• Man benutzt eine einzige periodische Anordnung, die man mit jeweils N- und P-dotierten InP-Schichten herstellt.
• Die Bragg-Wellenlängen der drei Sektionen betragen jeweils λB1 = 1,540 um, und λB2 = 1,532 um und λB3 = 1,524 um.
• Die Kurven der Fig. 3, 4 und 5 stellen die Resultate bezüglich der Wellenlängen-Abstimmkapazität dar, die man mit einem solchen erfindungsgemäßen Laser erhalten kann.
• Jede der Kurven der Fig. 3 bis 5 zeigt die Veränderungen der Emissionswellenlänge λ des Laser (ausgedrückt in nm) als Funktion der Differenz (ausgedrückt in mA) zwischen der Intensität des in die Sektion eingespeisten, der betreffenden Kurve entsprechenden Stroms und der Intensität 10 des schwachen Stroms, der zur Erzeugung des entsprechenden Beugungsnetzes benötigt wird.
• Die Intensität des eingespeisten Stroms ist für die Sektion SC1 mit 11 bezeichnet (Fig. 3), für die Sektion SC2 mit 12 (Fig. 4) und für die Sektion SC3 mit 13 (Fig. 5).
• Im Fall der Fig. 3 ist nur das Gitter der Sektion SC1 aktiv, im Fall der Fig. 4 nur das Gitter der Sektion SC2 und im Fall der Fig. 5 nur das Gitter der Sektion SC3.
• Man sieht in der Fig. 3 den Abstimmungsbereich, den man für einen in die Sektion 501 eingespeisten Strom erhält, in Fig. 4 den Abstimmungsbereich für einen in die Sektion SC2 eingespeisten Strom und in Fig. 5 den Abstimmungsbereich für einen in die Sektion SC3 eingespeisten Strom.
• In der Fig. 3 erhält man 13 Wellenlängenkanäle, jeweils mit λ0, λ1... λ2 bezeichnet.
• In der Fig. 4 erhält man 13 Wellenlängenkanäle, jeweils mit λ13... λ25 bezeichnet.
• In der Fig. 5 erhält man 16 Wellenlängenkanäle, jeweils mit λ26....λ41 bezeichnet.
• Die Differenz zwischen den Wellenlängen der extremen Kanäle beträgt
• - im Fall der Fig. 3: λ12 - λ0 = 7,88 nm
• - im Fall der Fig. 4: λ25 - λ13 = 7,68 nm
• - im Fall der Fig. 5: λ41 - λ26 = 7,55 nm.
• Die Summe der Wellenlängenabstimmungsbereiche der drei Umschaltsektionen ist größer als der Abstimmungsbereich eines klassischen DBR-Lasers von der Art dessen, der in dem oben erwähnten Dokument (1) beschrieben ist und wo dieser Bereich 10 nm beträgt, während im vorliegenden Fall der Gesamtabstimmungsbereich ungefähr 24 nm beträgt, d. h. das Dreifache dessen, was man mit der Einspeisung von Strom in eine einzige Umschaltsektion wie z. B. die Sektion SC2 erzielt, die einem Abstimmungsbereich von ungefähr 8 nm entspricht.
• Es sei präzisiert, daß im Fall der Fig. 3, 4 und 5 die Kurven unter der Voraussetzung entstanden sind, daß kein Strom in die Phasensektion des Lasers eingespeist wurde.
• Wie weiter oben schon erwähnt, beruht der Hauptvorteil eines erfindungsgemäßen Lasers auf der Möglichkeit einer kontinuierlichen Abstimmung durch Stromeinspeisung in die Phasensektion SP.
• Diese kontinuierliche Abstimmbarkeit wird wie die diskontinuierliche Abstimmbarkeit vervielfacht durch die Anzahl der Umschaltsektionen des Lasers.
• So erhält man vorteilhafterweise für jede Umschaltsektion einen Betrieb ähnlich dem eines klassischen DBR-Lasers.
• Aus diesem Grund ist die Herstellung eines erfindungsgemäßen Lasers einfach im Vergleich zu der Herstellung anderer, breit abstimmbarer DBR-Laser, von denen weiter oben die Rede ist.
• Die Beherrschung sowohl des Abstands zwischen den Wellenlängenkanälen (Höhe der Stufen in den Fig. 3 bis 5) als auch der Anzahl dieser Kanäle und die Steuerung der diversen, für jede Wellenlänge des Lasers benutzten Ströme ist einfacher, verglichen mit den bekannten, breit abstimmbaren DBR-Lasern.
• Zurückkehrend zu den Fig. 3 bis 5 sei präzisiert, daß man, wenn die Intensität des Stroms der Phasensektion nicht null ist, eine Kurve derselben Art wie die dieser Figuren aber leicht nach unter verschoben erhält, maximal um einen Wellenlängenkanal.
• Es sei präzisiert, daß man auch einen erfindungsgemäßen Laser realisieren kann, der wie jener der Fig. 1 periodische Anordnungen mit unterschiedlichen Perioden haben kann und, wie der der Fig. 2, Schichtenpaare, die den effektiven optischen Index in dem passiven Teil des Lasers lokal modifizieren.
• Auch ist festzustellen, daß man einen erfindungsgemäßen Laser realisieren kann, bei dem die periodischen Anordnungen sich in der unteren Einschließschicht befinden und die Modifizierungsschichten des effektiven optischen Index in der oberen Einschließschicht.
• Anschließend wird mit Bezug auf die Fig. 6 bis 9 ein Herstellungsverfahren eines erfindungsgemäßen Lasers beschrieben, der ein einziges virtuelles Beugungsgitter für drei Umschaltsektionen umfaßt, jeweils unterschiedlichen effektiven optischen Indices zugeordnet, wie im Fall der Fig. 2.
• Gemäß einem ersten Schritt dieses Verfahrens (Fig. 6) scheidet man auf einem N-dotierten InP-Substrat 42 mittels Epitaxie folgende Schichten ab:
• - eine Pufferschicht 44 aus N&spplus;-dotiertem InP,
• - zwei Paare aus Schichten 46 und 48, um die drei Zonen mit unterschiedlichen effektiven optischen Indices zu definieren, wobei die beiden Schichten 46 aus undotiertem InGaAsP sind und die beiden Schichten 48 aus N-dotiertem InP,
• - die aktive Schicht 50 aus InGaAsP 1,5 um undotiert (die Zusammensetzung dieser Schicht entspricht einer Lichtemission in dem auf 1,5 gm zentrierten Bereich),
• - eine Schutzschicht 52 aus dotiertem InP.
• In einem in der Fig. 7 schematisch dargestellten, zweiten Schritt ätzt man die Schichten 52 und 50, um den aktiven Teil 54 des Lasers abzugrenzen.
• In einem dritten Schritt (Fig. 7) ätzt man die Paare aus den Schichten 46 und 48, um die drei Umschaltsektionen des Lasers zu definieren, die den unterschiedlichen effektiven optischen Indices entsprechen.
• In einem vierten Schritt (Fig. 7) scheidet man in den anderen, nicht zum aktiven Teil des Lasers gehörenden Teilen nacheinander mittels selektiver Epitaxie die folgenden Schichten ab:
• - eine Schicht 56 aus InGaAsP 1,3 gm,
• - eine Schicht 58 aus InP, P&spplus;-dotiert,
• - eine Schicht 60 aus InP, N&spplus;-dotiert, wobei diese Schichten 58 und 60 zur Herstellung der weiter oben erwähnten periodischen Anordnung bestimmt sind.
• In einem fünften Schritt (Fig. 7) entfernt man den Teil der N&spplus;-dotierten InP-Schicht 60 in der Phasensektion des Lasers und ätzt die periodische Anordnung, die ermöglicht, das virtuelle Beugungsgitter in den drei Umschaltsektionen zu erhalten, durch eine Maske 62, hergestellt mittels eines elektronischen Maskenapparats oder eine holographische Belichtung.
• In dem sechsten Schritt ätzt man den Streifen 64 des Lasers senkrecht zu den Strichen des Beugungsgitters.
• Dieser Schritt ist in der Fig. 8 schematisch dargestellt, die eine Querschnittansicht des aktiven Teil des Lasers im Laufe der Herstellung ist.
• In einem siebten Schritt (Fig. 9) führt man eine Epitaxiewiederaufnahme durch.
• Noch genauer bildet man mittels Epitaxie die obere Einschließschicht 66 des Lasers aus InP, P&spplus;-dotiert, sodann eine Kontaktschicht 68 aus InGaAs, P&spplus;-dotiert.
• In einem achten Schritt (Fig. 9), wo man den Laser als Längsschnitt entsprechend der Ausbreitungsrichtung des Lichts sieht (wie dies übrigens auch bei den Fig. 6 und 7 der Fall ist), realisiert man den unteren metallischen Kontakt 36 auf dem Substrat 42 sowie die diversen oberen metallischen Kontakte der verschiedenen Teile des Lasers, nämlich:
• - den dem aktiven Teil des Lasers entsprechenden Kontakt 24,
• - den der Phasensektion des Lasers entsprechenden Kontakt 34, und
• - die jeweils den drei Umschaltsektionen des Lasers entsprechenden Kontakte E1, E2 und E3.

Claims (10)

1. Wellenlängenabstimmbarer Laser mit verteiltem Bragg- Reflektor, zwischen einer ersten (6) und einer zweiten (8) Lichteinschließungs-Halbleiterschicht eine Lichtleitschicht (4) enthaltend, die einen ein Lichtverstärkungsmedium bildenden und einen aktiven Teil des Lasers definierenden aktiven Teil (10) umfaßt und einen passiven Teil (12), der mit dem aktiven Teil der Leitschicht optisch gekoppelt ist und einen passiven Teil des Lasers definiert, wobei die Einschließungsschichten einander entgegengesetzte Dotierungstypen aufweisen und somit einen P-N- Übergang bilden,

dadurch gekennzeichnet,

daß der passive Teil des Lasers eine Mehrzahl Umschaltsektionen (SC1, SC2, SC3) aufweist, wobei jede Umschaltsektion eine periodische Anordnung (a1, a2, a3; A) umfaßt, fähig räumlich die Verteilung der Ladungsträger oder das elektrische Feld in dem passiven Teil der in dieser Sektion enthaltenen Leitschicht anzupassen, wenn ein elektrischer Strom in den diese Sektion betreffenden Teil des P-N-Übergangs eingespeist wird oder wenn dieser P-N-Übergangsteil invers gepolt wird, um in dieser Sektion ein Beugungsgitter zu erzeugen, dessen Teilung gleich der Periode der Anordnung ist, und jede Sektion außerdem einen festgelegten effektiven optischen Index hat, der geeignet ist, mit dem entsprechenden Beugungsgitter zusammenzuwirken, um zu einer für diese Sektion festgelegten Bragg-Wellenlänge zu führen, so daß der Laser durch selektive Aktivierung des Beugungsgitters wellenlängenabstimmbar ist, wobei zu einem bestimmten Zeitpunkt ein einziges Beugungsgitter aktiv ist.

2. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die periodischen Anordnungen sich in einer der Halbleiter- Einschließungsschichten (6, 8) befinden und jede eine Folge von Halbleiterzonen (16, 18), abwechselnd vom Typ P und vom Typ N, umfaßt.

3. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die periodischen Anordnungen sich in einer der Halbleiter- Einschließungsschichten (6, 8) befinden und jede eine Folge von nichtdotierten Halbleiterzonen (16, 18) oder semi-isolierenden Zonen umfaßt, die sich abwechseln mit Halbleiterzonen desselben Dotierungstyps wie dem der Halbleiterschicht, in der sich diese periodischen Anordnungen befinden.

4. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltsektionen (SC1, SC2, SC3) denselben effektiven optischen Index haben, und dadurch, daß die jeweils diesen Sektionen entsprechenden periodischen Anordnungen (a1, a2, a3) Perioden haben, die sich voneinander unterscheiden.

5. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltsektionen (SC1, SC2, SC3) effektive optische Indices haben, die sich voneinander unterscheiden, und dadurch, daß die periodischen Anordnungen (A), die jeweils diesen Sektionen entsprechen, dieselbe Periode haben.

6. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltsektionen (SC1, SC2, SC3) effektive optische Indices haben, die sich voneinander unterscheiden, und dadurch, daß die jeweils diesen Sektionen entsprechenden periodischen Anordnungen Perioden haben, die sich voneinander unterscheiden.

7. Laser nach einem der Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Umschaltsektionen einen Stapel von wenigstens zwei Schichten (28, 40) eines Materials umfaßt, dessen optische Indizes sich voneinander unterscheiden und gewählt werden, um zum effektiven optischen Index dieser Sektion zu führen.

8. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der passive Teil des Lasers außerdem eine Zwischensektion (SP) umfaßt, Phasensektion genannt, die sich zwischen den Umschaltsektionen (SC1, SC2, SC3) und dem aktiven Teil (SA) des Lasers befindet und eine kontinuierliche Abstimmung der Emissionswellenlänge des Lasers durch Einspeisung eines elektrischen Stroms in den diese Zwischensektion betreffenden Teil des P-N-Übergangs oder durch inverse Polung dieses Übergangs ermöglicht.

9. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß er außerdem Einrichtungen (26) zum selektiven Einspeisen von elektrischem Strom in die jeweils den Umschaltsektionen entsprechenden Teile des P-N-Übergangs umfaßt, wobei jede periodische Anordnung fähig ist, das Eintreffer des elektrischen Stroms in dem dieser Anordnung entsprechenden Teil der Leitschicht räumlich anzupassen.

10. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß er außerdem Einrichtungen (28) zur selektiven inversen Polung der den jeweiligen Umschaltsektionen entsprechenden Teilen des P-N-Übergangs umfaßt, wobei jede periodischen Anordnung fähig ist, das elektrische Feld in dem dieser Anordnung entsprechenden P-N-Übergangsteil räumlich anzupassen.