DE69603002T2 - Laserdiode mit verengter Strahlungswinkel-Charakteristik - Google Patents

Laserdiode mit verengter Strahlungswinkel-Charakteristik

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Description

    Hintergrund der Erfindung Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Struktur einer Laserdiode, die für ein Lasermodul geeignet ist, das niedrige Kosten und Justierfreiheit aufweist sowie zum Einbauen geeignet ist, welches einen verengten Strahlungswinkel erfordert.
    • Beschreibung des Standes der Technik
  • In den letzten Jahren wurde für ein optisches Abonnentensystem (subscriber system) ein Laserdiodenmodul (LD) im Niedrigkostenbereich nachgefragt. Die Kosten für den Einbau nehmen einen großen Anteil an den LD-Modulkosten ein. Im Falle einer konventionellen Laserdiode, die für LD-Module dieses Typs verwendet wird, beträgt der Strahlungswinkel an der lichtemittierenden Endfacette in der zur aktiven Schicht vertikalen Richtung näherungsweise 30º und in der zur aktiven Schicht parallelen Richtung etwa 25º, was große Werte sind. Deshalb kann die konventionelle Laserdiode nicht direkt mit einer optischen Faser kombiniert werden und daher muß eine Linse zwischen der Laserdiode und der optischen Faser angeordnet werden. Im Ergebnis steigen die Kosten der Baugruppe. Darüber hinaus ist es notwendig, die Komponenten zu montieren, während die optische Achse jeder Komponente mit einem Linsensystem justiert wird, und es braucht eine lange Zeit zur Justierung, weil die Toleranz gering ist, was die Montagekosten erhöht.
  • Vor kurzem wurde jedoch in der Veröffentlichung "Tapered Thickness MQW Waveguide BH MQW Lasers", beschrieben in IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, Vol. 6, Nr. 9, September 1994, Seiten 1080-1081, eine LD vorgeschlagen, die ohne Linsensystem direkt mit einer optischen Faser optisch kombiniert werden kann. Diese LD wird, wie in Fig. 1 gezeigt, gebildet, indem eine aktive Schicht (einschließlich einer Lichtleiterschicht) 602, deren Dicke in einer LD-Zone konstant ist, aber sich in Richtung auf die Endfacette der lichtemittierende Seite zu einer punktgroßen Umwandlungszone 609 auf einem Halbleitersubstrat 601 verringert, gebildet wird, darüber hinaus, indem eine Hüllenschicht 603 auf der aktiven Schicht 602 gebildet wird und indem danach eine erste Elektrode 604 und eine zweite Elektrode 605 auf der Ober- und der Unterseite des Substrats gebildet werden. Diese LD kann direkt mit einer optischen Faser kombiniert werden, weil die Größe des Lichtpunktes eines von der LD- Zone 608 emittierten Strahles ausgedehnt wird, während sich der Strahl durch den abgeschrägten Wellenleiterabschnitt der Umwandelfläche 609 für die Lichtfleckgröße fortbewegt, wie es durch eine Feldverteilung 612 des optischen Lichtfeldes gezeigt ist; und ein von der Vorrichtung emittierter Laserstrahl 610 wird sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung verengt. Daher ist es möglich, kein optisches System zu verwenden und justierfreies Montieren zu realisieren und so die Montagekosten stark zu verringern.
  • Als Preis der konventionellen Laserdiode mit einem verengten Strahlungswinkel mit einem Umwandler für die Lichtfleckgröße, wie er in Fig. 1 gezeigt ist, wird in der Umwandlungszone 609 für die Lichtfleckgröße, die einen großen optischen Verlust aufweist, ein Verlust erzeugt, und daher sind der Schwellenstrom, der Treiberstrom und die Temperaturcharakteristik (Temperaturabhängigkeit der Schwelle und Steigungseffektivität) schlechter als die einer konventionellen LD ohne den Lichtfleckgrößenkonverter, weil ein Laser im wesentlichen eine lange optische Kavitätsstruktur mit einer Lichtfleckgrößenumwandelzone einschließt. Der Schwellenstrom wird aufgrund der Vergrößerung der Kavitätslänge erhöht, weil die Zone, in welche Ladung injiziert wird, verlängert ist. Daher ist es nötig, die Gesamtlänge der Vorrichtung zu verringern. Wenn jedoch ein optischer Wellenleiter für die Umwandlung der Lichtfleckgröße zu sehr verkürzt wird, ist es unmöglich, die Umwandlung der Lichtfleckgröße vollständig durchzuführen. Daher kann nicht vermieden werden, daß die Länge der Vorrichtung bis zu einem gewissen Grad vergrößert wird (normalerweise 500 um oder mehr). Darüber hinaus wird der externe optische Wirkungsgrad verringert, weil ein abgeschrägter Wellenleiterabschnitt als ein Dämpfer für Licht fungiert.
    • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung wurde geschaffen, um die oben erwähnte Probleme der konventionellen LD mit verengtem Strahlungswinkel zu lösen und ihre Aufgabe ist es, eine Laserdiode mit verengter Strahlungswinkel-Charakteristik und überlegenem Niedrigschwellenstrom sowie überlegener Temperaturcharakteristik zur Verfügung zu stellen.
  • Eine Laserdiode gemäß der vorliegenden Erfindung zum Erreichen der oben genannten Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke einer die optischen Leitschicht einschließenden aktiven Schicht von einer ersten Endfacette zu einer zweiten Endfacette hin, die als optische Hauptausgangs-Endfacette fungiert, kontinuierlich abnimmt.
  • Darüber hinaus wird eine Struktur verwendet, in welcher die Laserzone und die Zone zur Umwandlung der Lichtfleckgröße doppelverbunden (tandem joined) sind, indem ein Beugungsgitter auf einem Teil zwischen dem Substrat und der aktiven Schicht gebildet wird und indem eine Elektrode im Bereich von der ersten Endfacette bis zur Position des Beugungsgitters gebildet wird. Dadurch ist es möglich, den Schwellenstrom für die Oszillation weiter zu verringern.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Fig. 1 ist ein Längsschnitt, der eine konventionelle Laserdiode zeigt;
  • Fig. 2 ist ein Längsschnitt entlang der optischen Achse zum Erklären einer ersten grundlegenden Struktur der vorliegenden Erfindung;
  • Fig. 3A bis 3C sind perspektivische Ansichten, die Schritte zum Erklären eines Herstellungsverfahrens der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsformen zeigen;
  • Fig. 4 ist eine geschnittene Ansicht entlang der Linie A-A in Fig. 3C;
  • Fig. 5 ist eine perspektivische Ansicht zum Erklären eines Verfahrens zur Herstellung der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • Fig. 6 ist eine Schnittansicht der Laserdiode der zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform entlang der optischen Achse; und
  • Fig. 7 ist ein Längsschnitt, der eine grundlegende Struktur der Laserdiode der dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform zeigt.
    • Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
  • Wie in Fig. 2 gezeigt ist, wird eine erfindungsgemäße Laserdiode aufgebaut, indem eine aktive Schicht 102 und eine Hüllenschicht 103 auf einem Halbleitersubstrat 101 gebildet werden und indem eine erste Elektrode 104 und eine zweite Elektrode 105 auf der Hüllenschicht 103 bzw. der Unterseite des Substrats 101 gebildet werden, in der die Dicke der ak tiven Schicht allmählich zur Endfacette der optischen Emissionsseite hin abnimmt. In diesem Fall schließt die aktive Schicht 102 eine optische Leiterschicht (optische Einschließungsschicht) ein.
  • Im Falle der so aufgebauten Laserdiode ist der Strahlungswinkel eines emittierten Strahls 110 auf näherungsweise 10º, sowohl in vertikaler als auch horizontaler Richtung, verengt, weil die Lichtfleckgröße zum Emissionsende hin allmählich vergrößert wird, wie von der in Fig. 2 gezeigten elektrischen Lichtfeldverteilung 112 gezeigt wird. Darüber hinaus ist es möglich, die Länge der Vorrichtung auf 200 um oder weniger einzustellen, weil nicht zusätzlich eine Zone zur Umwandlung der Lichtfleckgröße gebildet wird. Dadurch ermöglicht es die vorliegende Erfindung, einen Strahl mit einem verengten Abstrahlwinkel, in dem der Strahl direkt mit einer optischen Faser kombiniert werden kann, zu emittieren, während die Vorrichtungscharakteristika, wie Schwellenstrom, Temperaturcharakteristik und externer optischer Wirkungsgrad auf bevorzugten Werten gehalten werden, die denen eines kurzen Resonators gleichen.
  • Nun wird nachfolgend die erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Fig. 3 und 4 beschrieben.
  • Um z. B. eine Laserdiode mit verengtem Strahlungswinkel und einer Wellenlänge von 1,3 um herzustellen, wird, wie in Fig. 3A gezeigt ist, ein 40 nm dickes n-InGaAs mit 1,13 um Wellenlänge, welches als eine optische Einschließungsschicht dient, auf ein n-InP-Substrat 301 abgeschieden, um eine Boden-SCH-Schicht 302a (Separate Confinement Heterostructure) zu bilden, und darüber hinaus wird eine gespannte aktive MQW-Schicht 302b (Multi-Quantum Well) einer 5- Well-Struktur abgeschieden, die eine undotierte InGaAsP- Well-Schicht mit einer Dicke von 5 nm und einer Wellenlänge von 1,40 um sowie eine undotierte InGaAsP-Barrierenschicht mit einer Dicke von 10 nm und einer Wellenlänge von 1,13 um auf der Schicht 302a umfaßt.
  • Dann wird ein Paar von SiO&sub2;-Masken 307 mit einer Struktur, in der die Maskenbreite allmählich zu der Endfacette hin, die als Emissionsende für einen Laserstrahl fungiert, verringert wird, auf der Oberfläche des Wafers mit der darauf gebildeten MQW-Schicht gebildet, und eine p-InGaAsP-Schicht mit 1,13 um Wellenlänge wird als obere optische Einschließungsschicht unter Verwendung der Masken 307 als Abscheidemasken selektiv abgeschieden, um eine obere SCH-Schicht 302c zu bilden. In diesem Fall erhöht sich die Dicke einer optischen Leiterschicht, die in einer Spaltenzone zwischen beiden Masken gebildet werden soll, wenn sich die Breite der Masken 307 vergrößert. Daher wird eine abgeschrägte obere SCH-Schicht 302c gebildet und dadurch werden abgeschrägte aktive Schichten (302a, 302b und 302c) erhalten.
  • Danach werden die beiden Masken 307 entfernt und darüber hinaus wird ein Paar paralleler Gräben 309 durch Ätzen gebildet, wie es in Fig. 3B gezeigt ist. Dann werden, wie es in Fig. 3C gezeigt ist, eine versenkte p-InP-Schicht 304, eine n-InP-Stromblockierschicht 305, eine p-InP-Hüllenschicht 313 und eine p-InGaAsP-Haubenschicht 306 gebildet, um eine sog. DC-PBH (Double-Channel Planar Buried Heterostructure; versenkte planare Doppelkanal-Heterostruktur) zu bilden.
  • Wie in Fig. 4 gezeigt ist, ist die obere SCH-Schicht 302c so abgeschrägt, daß ihre Dicke zur Lichtemissionsendfacette hin im Längsschnitt entlang der optischen Achse eines Lasers mit der oben erwähnten Struktur geringer wird. Weil die auf der SCH-Schicht 302c gebildeten Hüllenschichten 303 und 313 aus dem gleichen Material hergestellt sind, ist tatsächliche keine Grenze zwischen den Schichten vorhanden, obwohl sie als Referenz durch eine gestrichelten Linie gezeigt ist.
  • Danach werden obere und untere Elektroden gebildet, wie es in Fig. 2 gezeigt ist, und dann wird eine Vorrichtung mit einer Länge von etwa 200 um ausgeschnitten, um eine Laserdiodenstruktur herzustellen. Schließlich wird, indem auf die vordere und die hintere Facette eine Beschichtung aufgetragen wird, so daß Reflektivitäten von etwa 70% bzw. 95% erreicht werden, eine Laserdiode erhalten, welche einen engen Strahlungswinkel von etwa 10º sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung, einen niedrigen Schwellenstrom von etwa 5 Milliampere und eine bevorzugte Temperaturcharakteristik aufweist. Obwohl die versenkte DC-PBH- Struktur oben beschrieben worden ist, ist es selbstverständlich, daß derselbe Vorteil selbst bei Verwendung anderer versenkter Strukturen oder Gratstrukturen, wie PBH, erwartet werden kann.
  • Nachfolgend wird nun die zweite erfindungsgemäße Ausführungsform mit Bezug auf die Fig. 5 und 6 beschrieben. Als erstes wird, wie in Fig. 5 gezeigt ist, ein Reflexionsgitter 506 mit einem Strichabstand von 202 nm und einer Strichtiefe von etwa 30 nm auf einem Teil eines n-InP-Substrats 401 über eine Länge von 50 um gebildet, so daß es sich in der zur optischen Achse senkrechten Richtung erstreckt. Dann wird, wie in Fig. 6 gezeigt ist, eine untere SCH-Schicht 402a, die aus n-InGaAsP mit einer Dicke von 40 nm und einer Wellenlänge von 1,13 um hergestellt ist, auf dem Beugungsgitter 406 abgeschieden, und darüber hinaus wird eine gespannte aktive MQW-Schicht 402b einer 5-Well- Struktur, welche eine undotierte InGaAsP-Well-Schicht mit einer Dicke von 5 nm und einer Wellenlänge von 1,40 um sowie eine undotierte InGaAsP-Barrierenschicht mit einer Dicke von 10 nm und einer Wellenlänge von 1,18 um umfaßt, abgeschieden.
  • Außerdem wird in Übereinstimmung mit dem gleichen Prozeß, wie er in Fig. 3A gezeigt ist, p-InGaAsP mit einer Wellen länge von 1,13 um selektiv abgeschieden, um eine obere SCH- Schicht 402c zu bilden, deren Dicke allmählich zum Lichtemissionsende hin geringer wird.
  • Danach wird im Einklang mit der gleichen Komposition und dem gleichen Prozeß, wie die in Fig. 3B und 3C gezeigten, eine DC-PBH-Struktur erhalten, und eine Vorrichtung mit Hüllenschichten 403 und 413 und einer Haubenschicht 40 wird erhalten, wie in Fig. 6 gezeigt ist. Eine erste Elektrode 404 und eine zweite Elektrode 405 werden nur auf einem Teil der Vorrichtung gebildet, um eine Laserdiode mit einer Zone mit Lasereigenschaft und einer Zone zur Umwandlung der Lichtfleckgröße 409 ohne Polarität herzustellen. Schließlich ist es, durch Aufbringen einer Beschichtung auf die Vorder- und die Rückseite, so daß die Reflexionsvermögen etwa 0% bzw. 95% betragen, möglich, die Strominjektionszone im Vergleich zum Fall der ersten Ausführungsform weiter zu verkürzen. Daher kann eine Laserdiode mit einem niedrigeren Schwellenstrom und einer vorteilhafteren Temperaturcharakteristik erwartet werden.
  • Darüber hinaus wird im Fall der oben dargestellten Ausführungsform die aktive Schicht gleichförmig geändert. Wie in Fig. 7 gezeigt ist, ist es jedoch auch möglich, den Neigungswinkel der aktiven Schicht 202 in der Zone zur Umwandlung der Lichtfleckgröße 209 zwischen dem Beugungsgitter 206 und der Emissionsendfacette größer als den Neigungswinkel der aktiven Schicht in der Strominjektionszone 208 zu gestalten.
  • Im Falle von wie in der zweiten und der dritten Ausführungsform aufgebauten Laserdioden, ist ein Laserresonator zwischen der Endfacette der Vorrichtung und der ein Beugungsgitter bildenden Zone gebildet. Daher kann z. B., selbst wenn die Länge der Vorrichtung auf den großen Wert von 500 um anwächst, die Länge der Strominjektionszone 208 auf 200 um oder weniger verringert werden. Darüber hinaus ist es möglich, einen niedrigen Schwellenstrom, einen hohen Wirkungsgrad und bevorzugte Temperaturcharakteristiken zu erreichen, die Eigenschaften eines Lasers mit kurzer Kavität darstellen, weil die Strominjektionszone begrenzt ist. Außerdem ist der Strahlungswinkel eines emittierten Strahles 210 verengt, weil die Größe eines von der LD-Zone 208 emittierten Strahles in der Zone zur Umwandlung der Lichtfleckgröße 209 aufgeweitet wird. Das heißt, es ist auch im Falle der in Fig. 6 oder 7 gezeigten Laserdiode möglich, eine Laserdiode mit Eigenschaften eines Lasers mit einer kurzen Kavität und der verengten Strahlungswinkelcharakteristik eines emittierten Strahls zu realisieren.
  • Wie oben beschrieben worden ist, ermöglicht es die Erfindung, eine Laserdiode mit einer verengten Strahlungswinkelcharakteristik sowie einer niedrigen Schwellenspannung und einer überlegenen Temperaturcharakteristik, was Eigenschaften eines Lasers mit kurzer Kavität sind, zur Verfügung zu stellen. Daher ermöglicht es die vorliegende Erfindung, eine Laserdiode mit überlegenen Charakteristiken, zur Verwendung als Laser für ein LD-Modul mit niedrigen Kosten, das kein Linsensystem benötigt, zur Verfügung zu stellen.

Claims (5)

1. Laserdiode mit: einer aktiven Schicht (102, 202; 302; 304), die zwischen ein Substrat (101; 201; 301; 401) und eine Deckschicht (103; 203; 303; 403) eingefügt ist, wobei die aktive Schicht eine optische Führungsschicht (102; 202; 302c, 402c) mit unterschiedlicher Dicke zwischen einer ersten Endfacette und einer zweiten Endfacette aufweist, die einander gegenüberliegen, derart, daß die Dicke kontinuierlich von der ersten Endfacette in Richtung auf die zweite Endfacette, die als Hauptlichtausgabe-Endfacette dient, abnimmt.
2. Laserdiode nach Anspruch 1, wobei eine erste Reflexionsbeschichtung auf der ersten Endfacette und eine zweite Reflexionsbeschichtung auf der zweiten Endfacette derart vorgesehen sind, daß die Reflektivität der zweiten Reflexionsbeschichtung niedriger als die der ersten Reflexionsbeschichtung ist.
3. Laserdiode nach Anspruch 1, mit weiterhin einem Beugungsgitter (206; 406), das auf einem Teil der aktiven Schicht ausgebildet ist, und wobei eine Fläche von der ersten Endfacette bis zu dem Beugungsgitter als Strominjektionsfläche (208, 408) dient.
4. Laserdiode nach Anspruch 3, wobei die Strominjektionsfläche (208; 408) eine Länge von 200 um oder weniger aufweist.
5. Laserdiode nach Anspruch 3, wobei die Neigung der aktiven Schicht in der Strominjektionsfläche (208) kleiner ist als die der aktiven Schicht (202) zwischen dem Beugungsgitter (206) und der zweiten Endfacette.
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