TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet optischer
Systeme mit optischen Fasern, und insbesondere das Gebiet von
Laserverstärkern in solchen optischen Systemen, sowie
Verfahren zum Bilden solcher Laserverstärker.
BESCHREIBUNG DES ZUGEHÖRIGEN STANDES DER TECHNIK
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Es wird erwartet, dass Halbleiter-Laserverstärker (SCLA)
wichtige Komponenten in zukünftigen optischen Systemen sind.
Ein wichtiger Grund dafür besteht in ihrer Fähigkeit, Signale
im optischen Bereich zu verstärken, ohne sie in den
elektrischen Bereich umzuwandeln. Dies führt zu einer
Flexibilität bezüglich Bitraten und Code-Formaten. Ein
weiterer Grund besteht in ihren kleinen physikalischen
Dimensionen und Geeignetheit zur Integration (sie können
beispielsweise als Torsteuerungs-Umschaltelemente in
optischen Schaltmatrizen verwendet werden). Ein einfacher
SCLA kann aus einem antireflexionsbeschichteten
Halbleiterlaser bestehen.
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Jedoch existiert ein Problem bei diesen Vorrichtungen, das
mit der Polarisierungsempfindlichkeit von SCLAs zu tun hat.
Am Ausgang einer normalen Monomodefaser schwankt der Zustand
einer Polarisation (SOB = state of polarization) aufgrund
Temperaturschwankungen und mechanischen Störungen trotz der
Tatsache zufällig, dass die Laserquelle eine wohl definierte
SOP hat. Die einfachste Form des SCLA hat keine von einer
Polarisierung unabhängige Verstärkung. Dies bedeutet, dass er
nicht mit normalen Fasern kompatibel ist, wenn konstante
Signalpegel erforderlich sind. Dies ist ein größerer
Nachteil.
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Jedoch existieren einige Entwürfe für
polarisationsunabhängige Laserverstärker. Ein einfacher
besteht daraus, den Wellenleiter des Laserverstärkers
rechteckiger bzw. quadratischer auszubilden. Dies führt zu
einer größeren Gleichheit der TE- und TM-Moden des Lichts.
Ein Problem bei diesem Ansatz besteht jedoch darin, dass eine
kleinere Leitungsbreite und eine dickere Schichtdicke als bei
einer herkömmlichen Laserherstellung verwendet werden müssen,
was die Ergiebigkeit bei beispielsweise einer
Laserverstärker-Gatter-Schaltmatrix drastisch erniedrigen
wird. Ein weiteres Problem bei den Laserverstärkern von
diesem Typ besteht darin, dass sie in die Sättigung gelangen
können, wenn sie starke Eingangssignale verstärken, und somit
unter diesen Umständen nicht linear arbeiten.
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Ein weiterer Ansatz für polarisationsunabhängige
Laserverstärker, der mit einer standardmäßigen
Laserherstellung eher kompatibel ist, verwendet Strukturen
mit zwei vorgespannten Quantentopftypen, und zwar einem mit
einer Kompressionsspannung und einem mit einer
Kompressionsspannung und einem mit einer Zugspannung. Die
Spannung resultiert daraus, dass die Topfschichten
Zusammensetzungen haben, die von sich aus keine
Gitterkonstanten ergeben, die an das Substrat des Verstärkers
angepasst sind. Die Kompressionstöpfe tragen zur TE-
Verstärkung bei und die Zugtöpfe tragen das Meiste zur TM-
Verstärkung bei (sie tragen jedoch auch etwas zur TE-
Verstärkung bei). Ein weiterer Vorteil dieses Ansatzes im
Vergleich mit dem Vorherigen besteht darin, dass die
Polarisationsabhängigkeit im Solitär- bzw. Einzel-SCLA
zugeschnitten bzw. angepasst werden kann, die
polarisationsabhängigen Verluste im Rest des Chips zu
kompensieren (z. B. bei den passiven Verbindungs-Wellenleitern
oder bei Wellenleiterkreuzungen oder -y-Verbindungen bzw.
-Übergängen).
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Dieser Ansatz hat jedoch ein Problem. Dieses besteht im
kleinen Wellenlängen-Betriebsbereich, der erhalten wird. Dies
ist aufgrund der Tatsache so, dass die unterschiedlichen
Arten von gespannten Quantentöpfen unterschiedlichen
Wellenlängenabhängigkeiten haben, was die Effektivität des
Verstärkers auf einen kleinen Wellenlängenbereich beschränkt
und ein System mit solchen Verstärkern wird daher auf eine
kleine Vielfalt von Laserquellen beschränkt sein.
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Ein weiteres Problem mit diesen Beschränkungen des
Verstärkers mit Schichten mit Spannung besteht darin, dass es
schwierig ist, Signale mit derselben Verstärkung zu
verstärken, wenn sie unterschiedliche Wellenlängen haben.
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Es existiert daher auf dem Gebiet eines Laserverstärkers ein
Bedarf nach einem solchen, der ein polarisationsunabhängiges
Verhalten über einen großen Wellenlängenbereich hat und der
gleichzeitig nicht in die Sättigung läuft, wenn starke
Signale verwendet werden.
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Im Artikel "Effects of nonuniform well width on compressively
strained multiple quantum well lasers", D Tent et al. Appl.
Phys. Lett., Vol 60 (1992), S. 2729-2731 ist ein
Quantentopflaser beschrieben, der Kompressionstöpfe hat,
deren Breite variiert worden ist. In dem Artikel, der eine
Laserquelle und, keinen Laserverstärker betrifft, merken die
Autoren an, dass die variierten Breiten in
kompressionsgespannten Töpfen einen breiteren
Wellenlängenbereich ergeben.
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In US-A-5 363 392 ist eine Halbleiterlaservorrichtung
beschrieben, die Quantentöpfe mit einer Zugspannung, getrennt
durch Grenzschichten mit einer Kompressionsspannung, hat. Die
Breiten der Materialzusammensetzungen der Töpfe, sowie der
Grenzen, können variiert werden. Dieses Dokument ist auf
Probleme gerichtet, denen bei Laserquellen begegnet wird, und
das Ziel besteht im Erhalten einer Vorrichtung, die bei
niedrigen Schwellenströmen bei hohen Temperaturen gut
arbeitet. Dieses Dokument beschreibt keine Probleme bezüglich
einer Verstärkung von optischen Signalen oder die Art, auf
welche solche Probleme gelöst werden können.
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Keines der oben angegebenen Dokument betrifft
Laserverstärker, die über einen großen Wellenlängenbereich
polarisationsunabhängig sind.
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EP-A-0 469 681 offenbart einen Laserverstärker und ein
entsprechendes Verfahren zum Ausbilden eines solchen
Laserverstärkers. Der Laserverstärker weist einen aktiven
Bereich mit Quantentopfschichten mit einer Zug- und einer
Kompressionsspannung auf. Die Breite und die Zusammensetzung
der Topfschichten sind auf eine derartige Weise gewählt, dass
die Verstärkung polarisationsunabhängig ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht im Erhalten
eines Verfahrens zum Ausbilden eines Laserverstärkers vom
Quantentopftyp, der eine polarisationsunabhängige Verstärkung
von optischen Signalen über einen großen Wellenlängenbereich
erreichen kann.
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Diese Aufgabe wird durch die Verwendung eines Verfahrens
gemäß Anspruch 1 erreicht. Das Verfahren zum Ausbilden eines
aktiven Bereichs auf einem Halbleitersubstrat in einem
Laserverstärker weist ein Aufwachsen von Topfschichten
abwechselnd mit Grenzschichten auf. Die Topfschichten weisen
einen ersten Typ auf, der eine Zugspannung hat, zusammen mit
oder ohne einem zweiten Typ, der eine Kompressionsspannung
hat. Von diesen Topfschichten wird wenigstens eine erste
Topfschicht eines Typs zu einer Breite aufgewachsen, die etwa
die Hälfte der Breite einer zweiten Topfschicht desselben
Typs ist.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht im
Erhalten eines Laserverstärkers vom Quantentopftyp, der eine
polarisierungsunabhängige Verstärkung von optischen Signalen
über einen großen Wellenlängenbereich hat.
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Diese Aufgabe wird durch einen Laserverstärker gemäß Anspruch
3 erreicht. Der Laserverstärker hat einen aktiven Bereich,
der Quantentöpfe getrennt durch Grenzen aufweist, welche
Töpfe Töpfe eines ersten Typs mit einer Zugspannung zusammen
mit oder ohne Töpfen eines zweiten Typs mit einer
Kompressionsspannung aufweisen. Von diesen Typen hat
wenigstens eine erste Topfschicht eines Typs eine Breite, die
etwa die Hälfte der Breite einer zweiten Schicht desselben
Typs ist.
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Eine weitere Aufgabe besteht im Erhalten eines optischen
Systems, das wenigstens einen Laserverstärker des
Quantentopftyps aufweist, der eine polarisationsunabhängige
Verstärkung von optischen Signalen über einen größen
Wellenlängenbereich hat.
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Dies wird durch ein optisches System gemäß Anspruch 5
erreicht. Das optische System weist einen Laserverstärker mit
einem aktiven Bereich auf, der Quantentöpfe aufweist, die
durch Grenzen getrennt sind, welche Töpfe Töpfe eines ersten
Typs mit einer Zugspannung zusammen mit oder ohne Töpfen
eines zweiten Typs mit einer Kompressionsspannung aufweisen.
Von diesen Töpfen hat wenigstens eine erste Topfschicht eines
Typs im Laserverstärker eine Breite von etwa der Hälfte der
Breite einer zweiten Schicht desselben Typs im
Laserverstärker.
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Mit der vorliegenden Erfindung werden Laserverstärker
erhalten, die mit normalen Fasern kompatibel sind, wenn
konstante Signalpegel erforderlich sind.
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Mit der vorliegenden Erfindung werden auch ein
Laserverstärker und ein optisches System erhalten, wobei die
TM- und TE-Moden von irgendeinem Signal, das innerhalb eines
erwünschten Wellenlängenbereichs liegt, im Wesentlichen mit
gleicher Verstärkung verstärkt werden.
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Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Laserverstärker
erhalten, der eine polarisationsunabhängige Verstärkung über
einen großen Wellenlängenbereich hat, die wesentlich besser
als bei Quantentopf-Laserverstärkern des Standes der Technik
ist.
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In der Beschreibung wird der Ausdruck Schichtenprodukt
verwendet. Es wird hier als die Breite einer Schicht in dem
aktiven Bereich eines Laserverstärkers, multipliziert mit der
Spannung der Schicht, wobei die Spannung in Prozenten
ausgedrückt ist, definiert. Eine Zugspannung wird hier derart
definiert, dass sie ein positives Vorzeichen hat, und eine
Kompressionsspannung wird derart definiert, dass sie ein
negatives Vorzeichen hat.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Fig. 1 ist eine schematische Ansicht, die einige der Teile
eines optischen Systems gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt,
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Fig. 2 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines
Laserverstärkers gemäß dem Stand der Technik,
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Fig. 2b ist eine Endansicht eines umkreisten Teils des
Laserverstärkers in Fig. 2a, welcher Teil den
aktiven Bereich und die ihn umgebenden Schichten
zeigt,
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Fig. 2c ist eine vergrößerte Ansicht, die die Struktur des
aktiven Bereichs in einem umkreisten der Fig. 2b
schematisch zeigt,
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Fig. 2d zeigt einen Teil des Energiediagramms für die in
Fig. 2c gezeigten Schichten,
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Fig. 3 zeigt das Energiediagramm für einen Laserverstärker
gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung,
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Fig. 4 zeigt ein Diagramm der Verstärkung in Abhängigkeit
von der Photonenenergie im Laserverstärker gemäß
dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung,
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Fig. 5 zeigt ein Diagramm der Verstärkung in Abhängigkeit
von der Photonenenergie in einem Laserverstärker
gemäß dem Stand der Technik,
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Fig. 6 zeigt Kurven der Verstärkung in Abhängigkeit von
der Photonenenergie für Quantentöpfe mit einer
Zugspannung mit unterschiedlichen Breiten, und
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Fig. 7 zeigt Kurven der Verstärkung in Abhängigkeit von
der Photonenenergie für Quantentöpfe mit einer
Kompressionsspannung mit unterschiedlichen Breiten
und Materialzusammensetzungen.
DETALIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden unter
Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen im folgenden
Abschnitt beschrieben.
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In Fig. 1 ist eine schematische Ansicht von einigen der Teile
eines optischen Systems gemäß der Erfindung zeigt. Das
optische System weist eine Laserquelle 1, eine lange optische
Faser 2, einen Halbleiter-Laserverstärker (SCLA) 3 und noch
eine weitere Faser 4, die mit noch einem weiteren SCLA
verbunden sein könnte, einen Verstärker von einem anderen
Typ, einen Repeater bzw. Zwischenverstärker, einen Empfänger,
etc. (nicht gezeigt) auf. Es sollte verstanden werden, dass
im Gegensatz zur Figur die unterschiedlichen Teile des
Systems eng miteinander verbunden sind, um soviel Licht wie
möglich innerhalb der Fasern und des Verstärkers laufen zu
lassen. Die Laserquelle 1 emittiert Signale, die eine
bestimmte Wellenlänge und einen wohl definierten Zustand
einer Polarisation (SOP = state of polarization) haben. Wenn
die Signale durch die lange Faser 2 laufen, wird die
Polarisation durch Temperaturschwankungen und mechanische
Störungen beeinflusst bzw. beeinträchtigt, so dass der
Polarisationszustand am Ende der Faser 2, die dem SCLA 3
gegenüber liegt, zufällig schwankt. Der Verstärker 3 gemäß
der Erfindung verstärkt dann die Eingangssignale unabhängig
von der Polarisation, wenn diese Signale eine Wellenlänge
innerhalb eines Wellenlängenbereichs haben, der sehr groß
ist, und gibt die verstärkten Signale zur Faser 4 aus.
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Die Fig. 2a-2d dienen dem Zweck, die Quantentopfstruktur
eines SCLA zu zeigen. In Fig. 2a ist ein bekannter SCLA 3
gezeigt. In Fig. 2b ist eine Endansicht eines Teils des SCLA
gezeigt, welcher Teil in Fig. 2a mit einem Kreis umgeben ist.
Die Ansicht zeigt den aktiven Bereich 5, der auf einem
Substrat 6 aufgewachsen und durch blockierende Schichten 8
und 9 umgeben ist. Oben auf dem aktiven Bereich 5 ist eine
Kontaktschicht 11 angeordnet. Der aktive Bereich 5 könnte
auch Ummantelungen oder andere Typen von Begrenzungsschichten
gehabt haben, die zwischen dem Quantentopfbereich und dem
Substrat und dem Quantentopfbereich und der Kontaktschicht 11
enthalten sind. In dieser Figur ist die Aufwachsrichtung mit
z bezeichnet. Ein Injektionsstrom ist auch gezeigt, der zur
Kontaktschicht zum Betreiben des Verstärkers zugeführt wird.
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In Fig. 2c ist eine vergrößerte Ansicht des aktiven Bereichs
5, der in Fig. 2b mit einem Kreis umgeben ist, gezeigt. Die
Schichten im aktiven Bereich sind entlang der
Aufwachsrichtung z mit abwechselnden Topfschichten 30 und
Grenzschichten 32 gestapelt. Die Topfschichten 30 in diesem
bekannten aktiven Bereich 15 von einem ersten Typ mit einer
Zugspannung und/oder von einem zweiten Typ mit einer
Kompressionsspannung sein, und alle Topfschichten des ersten
Typs haben dieselbe Breite, d. h. 10 nm, und alle Schichten
des zweiten Typs haben dieselbe Breite, die unterschiedlich
von der Breite der Topfschichten des ersten Typs sein kann.
Alle Grenzschichten 32 haben, vielleicht mit der Ausnahme der
innersten Schicht, die dem Substrat gegenüberliegt, und der
äußeren Schicht, die der Kontaktschicht 11 gegenüberliegt,
dieselbe Breite, d. h. 10 nm.
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Fig. 2d zeigt das Energiediagramm für die Bandkanten bzw.
Bandränder des Leitungsbands entsprechend den Schichten in
Fig. 2c, wobei die Quantentöpfe in Grenzen entlang der
Aufwachsrichtung z gestapelt sind. Das Valenzband ist in
dieser Figur weggelassen. Eine Verstärkung findet in einem
Wellenlängenbereich statt, über den hauptsächlich durch den
Bandabstand zwischen den Leitungsbandrändern und den
Valenzbandrändern der Quantentöpfe 30 entschieden wird, aber
dieser Bereich wird auch durch die Breite und die
Materialzusammensetzung der Quantentöpfe 30 beeinflusst, wie
es später beschrieben wird.
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In Fig. 3 ist das Energiediagramm für ein bevorzugtes
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die
Struktur gemäß der Fig. 2a und 2b ist auch für diese Struktur
anwendbar. Der Laserverstärker gemäß der Erfindung ist in der
InGaAsP-Materialstruktur hergestellt. Jedoch sind andere
Materialstrukturen denkbar.
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Die Struktur gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der
Erfindung wird unter Bezugnahme auf den oberen Teil der Fig.
3 erklärt, welcher das Leitungsband zeigt. Die Struktur weist
einen aktiven Bereich zwischen einem Substrat 6 und einer
Kontaktschicht 11 auf, die beide aus InP sind. Der aktive
Bereich, der aus dem In2-xGaxAsyP1-y-Materialsystem hergestellt
ist, weist Quantentöpfe 13 des zweiten Typs mit einer
Kompressionsspannung und Töpfe 14, 15 und 16 des ersten Typs
mit einer Zugspannung auf. Die Töpfe 13 des zweiten Typs sind
drei, und alle haben eine Breite von 7 nm und
Materialzusammensetzungsparameter x = 0,13 und y = 0,72. Zwei
Töpfe 14 des ersten Typs haben eine Breite von 20 nm und
Materialzusammensetzungsparameter x = 0,55 und y = 1, zwei
Töpfe 15 des ersten Typs haben ein Breite von 15 nm und
Materialzusammensetzungsparameter x = 0,55 und y = 1 und zwei
Töpfe 16 des ersten Typs haben eine Breite von 10 nm und
Materialzusammensetzungsparameter x = 0,55 und y = 1. Die
Töpfe sind durch Grenzen 12 mit einer Breite von 15 nm und
Materialzusammensetzungsparametern x = 0,12 und y = 0,25
getrennt. Zwei zusätzliche breitere Grenzschichten 10 mit
denselben Materialzusammensetzungsparametern sind jeweils
zwischen den Töpfen und dem Substrat 6 und den Töpfen und der
Kontaktschicht 11 vorgesehen, was eine Gesamtbreite des
aktiven Bereichs von etwa 0,3 um ergibt.
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Der aktive Bereich wurde gemäß einem Verfahren gemäß der
Erfindung auf die folgende Weise ausgebildet. Zuerst wurde
die breite Grenze 10 auf dem Substrat 6 aufgewachsen. Oben
auf dieser breiten Grenze 10 wurden Quantenköpfe 13, 14, 15,
16 abwechselnd mit Grenzen 12 aufgewachsen. Die Grenzen 13
wurden alle zu einer Breite von 15 nm aufgewachsen. Die
Topfschichten wurden auf die folgende Weise und in einer
Reihenfolge in der Aufwachsrichtung Z aufgewachsen: ein Topf
des zweiten Typs 13 zu einer Breite von 7 nm, ein Topf des
ersten Typs 16 zu einer Breite von 10 nm, ein Topf des ersten
Typs 14 zu einer Breite von 20 nm, ein Topf des zweiten Typs
13 zu einer Breite von 7 nm, ein Topf des ersten Typs 15 zu
einer Breite von 15 nm, ein Topf des ersten Typs 15 zu einer
Breite von 15 nm, ein Topf des zweiten Typs 13 zu einer
Breite von 7 nm, ein Topf des ersten Typs 14 zu einer Breite
von 20 nm und ein Topf des ersten Typs 16 zu einer Breite von
10 nm. Oben auf diesem letzten Topf 16 des ersten Typs wurde
eine zweite breitere Grenze 10 aufgewachsen, und schließlich
wurde eine Kontaktschicht auf der zweiten breiten Grenze 10
ausgebildet.
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Der untere Teil des Diagramms in Fig. 3 zeigt die
Energiepegel der Struktur für das Valenzband der aktiven
Schicht. Für jeden Topf existieren zwei unterschiedliche
Energiepegel, und zwar einer für leichte Löcher, die mit
gestrichelten Linien gezeigt sind, und einer für schwere
Löcher, die mit durchgezogenen Linien gezeigt sind. Diese
unterschiedlichen Pegel treten aufgrund der Spannung auf, was
für den Fachmann auf dem Gebiet wohlbekannt ist.
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Fig. 4 zeigt die Verstärkung der TE- und TM-Moden in
Abhängigkeit von der Photonenenergie für den Laserverstärker
mit der Struktur gemäß Fig. 3. Der TM-Mode ist mit einer
gestrichelten Linie gezeigt, und der TE-Mode ist mit einer
durchgezogenen Linie gezeigt. Die Verstärkung wird in cm&supmin;¹
ausgedrückt, und die Photonenenergie, die umgekehrt
proportional zur Wellenlänge ist, in eV. Als Vergleich zeigt
Fig. 5 die Verstärkung im Bereich mit derselben
Photonenenergie (entsprechend dem erwünschten
Wellenlängenbereich) in einem Laserverstärker gemäß dem Stand
der Technik mit einer Struktur von vier Töpfen des zweiten
Typs, die jeweils eine Breite von 7 nm haben, und
Materialzusammensetzungsparameter x = 0,13, y = 0,72, und von
fünf Töpfen des ersten Typs, die jeweils eine Breite von
20 nm haben und Materialzusammensetzungsparameter x = 0,55
und y = 1. In der Figur ist die TM-Moden-Verstärkung auch mit
einer gestrichelten Linie gezeigt, und die TE-Moden-
Verstärkung durch eine durchgezogene Linie.
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Wie es aus den Fig. 4 und 5 gesehen werden kann, hat die
Verstärkung beim Laserverstärker gemäß der Erfindung eine
gleichmäßigere Verstärkung über dem erwünschten
Wellenlängenbereich als der Laserverstärker gemäß dem Stand
der Technik. Die TE- und TM-Moden werden auch mit im
Wesentlichen der gleichen Verstärkung im Wellenlängenbereich
durch den Verstärker gemäß der Erfindung verstärkt.
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Dies kann auch durch die nachfolgende Gleichung ausgedrückt
werden:
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Max [(gTE - gTM)/(gTE + gTM)] (1)
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Der maximale Wert gemäß der obigen Gleichung wird für den
Laserverstärker des Standes der Technik zu 0,11 berechnet,
und für den Laserverstärker gemäß der Erfindung zu 0,044, was
eine bemerkenswerte Verbesserung von mehr als 100% ist.
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Beim Ausführungsbeispiel der oben gezeigten Erfindung
enthielt der aktive Bereich Töpfe von sowohl dem ersten als
auch dem zweiten Typ, die durch Grenzschichten getrennt sind.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des Laserverstärkers
enthält der aktive Bereich nur Töpfe vom ersten Typ mit nur
einer geringfügigen Spannung (von einigen Zehnteln eines
Prozents), die durch Grenzschichten getrennt sind. Darüber
hinaus sind beim beschriebenen bevorzugten
Ausführungsbeispiel der Erfindung nur die Breiten der Töpfe
des ersten Typs variiert worden. Die
Materialzusammensetzungen der Töpfe könnten genauso gut
variiert worden sein, wie auch eine Kombination von einer
breiten Variation und einer
Materialzusammensetzungsvariation. Die Kompressionstöpfe
könnten auch Breiten- und/oder Materialzusammensetzungen
variiert gehabt haben. Schließlich könnte die aktive Schicht
mehrere oder weniger Töpfe in der Struktur gehabt haben, und
zwar sowohl bezüglich der Anzahl von Töpfen des ersten Typs,
als auch der Töpfe des zweiten Typs.
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Zum weiteren Klären, wie Variationen einer Breite und einer
Materialzusammensetzung bei Laserverstärkern gemäß der
Erfindung durchgeführt werden können, wird auf die Fig. 6 und
7 Bezug genommen. Die Fig. 6 und 7 sind Kurven, die
Verstärkungsbeiträge zeigen, die durch eine Auswahl einer
Materialzusammensetzung und einer Breite der Töpfe erhalten
werden.
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Die Fig. 6 zeigt die Beiträge 17, 18 und 19 zur Verstärkung
der TE- und TM-Moden von Quantentöpfen des ersten Typs mit
Breiten von 20 nm, 15 nm bzw. 10 nm und Materialparametern x
= 0,55 und y = 1. Die Beiträge zur TE-Verstärkung sind mit
gestrichelten Linien gezeigt, und die Beiträge zur TM-
Verstärkung mit durchgezogenen Linien. Wie es gesehen werden
kann, tragen die Töpfe des ersten Typs hauptsächlich zur TM-
Verstärkung bei, aber ein gewisser Beitrag zur TE-Verstärkung
wird auch erreicht. Wie es auch aus den Kurven offensichtlich
wird, resultieren die unterschiedlichen Breiten in
Verstärkungsspitzen für unterschiedliche Wellenlängen, und
die größeren Breiten tragen am Meisten zu den unteren Ebenen
von Photonenenergie bei, und die kleineren Breiten zu den
höheren Ebenen der Photonenenergie. Eine. Änderung einer
Materialzusammensetzung (nicht gezeigt) ändert auch die
Verstärkungsspitzen. Eine leichte Erhöhung des x-Parameters
(sagen wir von 0,55 zu 0,56) und eine leichte Verkleinerung
des y-Parameters (sagen wir von 1 zu 0,98) würde einen
Verstärkungsbeitrag bei einer höheren Ebene der
Photonenenergie ergeben, und eine geringfügige Verkleinerung
des x-Parameters (sagen wir von 0,55 zu 0,54), während der y-
Parameter auf y = 1 gehalten wird (der nicht größer als 1
sein kann), würde einen Beitrag zu einer niedrigeren Ebene
der Photonenenergie ergeben.
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Die Fig. 7 zeigt die Verstärkungsbeiträge von den Töpfen des
zweiten Typs. Hier sind die Beiträge von einem Topf 20 mit
einer Breite von 7 nm und Materialparametern x = 0,13 und y =
0,72, einem Topf 21 mit einer Breite von 7 nm und
Materialparametern von x = 0,15 und y = 0,70 und einem Topf
22 mit einer Breite von 6 nm und Materialparametern von x =
0,15 und y = 0,70 gezeigt. Wie es aus der Figur gesehen
werden kann, sind die Beiträge zum TM-Mode für diese Töpfe
nahezu vernachlässigbar. Die unterschiedlichen Breiten
ergeben auch Verstärkungsspitzen bei unterschiedlichen
Wellenlängen, wobei die größeren Breiten Spitzen bei
niedrigeren Ebenen der Photonenenergie ergeben als bei
kleineren Breiten. Ein größerer x-Parameter und ein kleinerer
y-Parameter verschiebt auch die Spitzen zu einer höheren
Ebene der Photonenenergie.
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Wie es somit aus den Fig. 6 und 7 gesehen werden kann, wird
eine Verstärkungsspitze in Richtung zu niedrigeren Ebenen der
Photonenenergie durch Erhöhen der Breite eines Topfs
verschoben, und umgekehrt. Die Materialzusammensetzung kann
auf dieselbe Weise variiert werden.
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Zum Erreichen einer polarisationsunabhängigen Verstärkung in
einem erwünschten Wellenlängenbereich pickt man eine bekannte
Laserverstärkerstruktur heraus, die in, sagen wir der Mitte
des erwünschten Bereichs gut verstärkt, und dann werden
Breiten und/oder Materialzusammensetzungen der Quantentöpfe
auf die oben angegebene Weise variiert, um den erwünschten
Wellenlängenbereich zu erhalten.
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Jedoch gibt es bestimmte Grenzen für diesen aktiven Bereich.
Die. Anzahl von Töpfen, die in einem aktiven Bereich gemäß der
Erfindung enthalten sein können, ist auf die folgende Weise
beschränkt.
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Der Absolutwert eines Schichtenprodukts, das als die Breite
einer Schicht, multipliziert mit der Spannung der Schicht
definiert ist, ist kleiner als 20 nm-Prozent, wenn die Breite
in nm und die Spannung in Prozent ausgedrückt ist. Zusätzlich
dazu muss die folgende Anforderung erfüllt sein. Der
Absolutwert von irgendeiner Summe aus Schichtenprodukten für
aufeinander folgende Schichten ist kleiner als 20 nm-Prozent.
Die Zugspannung ist hier derart definiert, dass sie ein
positives Vorzeichen hat, und die Komptessionsspannung
derart, dass sie ein negatives Vorzeichen hat, obwohl die
entgegengesetzten Vorzeichen genau so gut ausgewählt worden
sein könnten. Dies bedeutet, dass kein Absolutwert von
irgendeiner Summe von Schichtenprodukten t&sub1;s&sub1;, t&sub1;s&sub1; + t&sub2;s&sub2;, ...,
t&sub1;s&sub1; + t&sub2;s&sub2; + .... +tnsn für n aufeinander folgende Schichten
größer als 20 nm-Prozent sein kann. Bei den obigen Ausdrücken
zeigt tn die Breite einer Schicht an, und sn die Spannung der
Schicht.
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Für die Struktur gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung sind die Schichten Produkte wie
folgt.
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Die Töpfe 13 des zweiten Typs haben eine Spannung von etwa
-1,59 Prozent, die Töpfe 14, 15, 16 des ersten Typs haben
eine Spannung von etwa 0,45% und die Grenzschichten 10, 12
haben keine Spannung.
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Das Schichtenprodukt für jeden Topf 13 des zweiten Typs ist
dann 7·(-1,59) = -11,13 nm-Prozent und die
Schichtenprodukte für die Töpfe des ersten Typs 14, 15, 16
sind dann 20·0,45 = 9 nm-Prozent, 15·0,45 = 6,75 nm-
Prozent bzw. 10·0,45 = 4,5 nm-Prozent. Die
Schichtenprodukte der Grenzen sind alles Null, da ihnen eine
Spannung fehlt. Wie es gesehen werden kann, erfüllen alle
Schichtenprodukte die oben angegebene Anforderung.
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Wie es somit durch Summieren der Schichtenprodukte von
irgendeiner Kombination von aufeinander folgenden Schichten
im aktiven Bereich gesehen werden kann, ist der Absolutwert
von irgendeiner solchen Summe immer kleiner als 20 nm-
Prozent.