DE69705559T2

DE69705559T2 - Halbleiterlaser mit niedriger Strahldivergenz

Info

Publication number: DE69705559T2
Application number: DE69705559T
Authority: DE
Inventors: William Scott Hobson; Daryoosh Vakhshoori
Original assignee: Lucent Technologies Inc
Current assignee: Nokia of America Corp
Priority date: 1996-02-16
Filing date: 1997-02-04
Publication date: 2002-05-23
Anticipated expiration: 2017-02-05
Also published as: EP0790685B1; JPH09232692A; US5815521A; DE69705559D1; EP0790685A1

Description

Erfindungsgebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Halbleiterlaser.

Allgemeiner Stand der Technik

Halbleiterlaser sind wohlbekannt, und man hat für sie bereits eine Vielzahl von kommerziellen Anwendungen gefunden, vom CD-Spieler bis zu faseroptischen Kommunikationssystemen.
Wie der Fachmann weiß, weisen Halbleiterlaser im allgemeinen einen Ausgangsstrahl mit elliptischem Querschnitt und mit einer erheblichen Erweiterung in mindestens einer Richtung, in der Regel der Querrichtung (d. h. der Richtung, die senkrecht zu der. Längsachse des Lasers und zu der Schichtstruktur des Lasers verläuft) auf. Mindestens für Anwendungen, die die Einkopplung des Laserausgangsstrahls in dem Kern eines Lichtwellenleiters erfordern, ist diese Strahlerweiterung ein Nachteil, da sie in der Regel zu einem erheblichen Einkopplungsverlust führt. Es wäre somit höchst wünschenswert, Halbleiterlaser mit einer geringen Strahldivergenz zu haben. Diese Anmeldung offenbart derartige Laser.
Durch S. T. Yen et al., sind im IEEE Journal of Quahtum Electronics, Band 32(1), S. 4-13, Januar 1996, berechnete Ergebnisse für einen Halbleiterlaser mit einem aktiven und zwei passiven Wellenleitern mit abgestuften Übergängen dazwischen bekannt, was zu einer verbesserten Strahldivergenz führt.

Kurze Darstellung der Erfindung

Die Erfindung wird allgemein in verbesserten Halbleiterlasern verkörpert. Insbesondere wird die Erfindung in einem Gegenstand (z. B. einem faseroptischen Kommunikationssystem oder einem Erdotierten Faserverstärker) verkörpert, der aus einem Halbleiterlaser, wie er in Anspruch 1 definiert ist, besteht. Der Laser besteht aus einer Halbleiterschichtstruktur (in der Regel sind alle Halbleiterschichten III /V-Haleiterschichichten) und Kontakten, die das Leiten eines Stroms durch die Schichtstruktur erleichtern. Die Schichtstruktur besteht aus mindestens einer Schicht eines ersten Leitfähigkeitstyps, mindestens einer Schicht eines zweiten Leitfähigkeitstyps und einem aktiven Bereich (der in der Regel aus Material besteht, das absichtlich nicht dotiert ist) zwischen den Schichten des ersten und zweiten Leitfähigkeitstyps. Die Schichtstruktur ist so ausgewählt, daß sie als ein Wellenleiter für Laserstrahlung der Wellenlänge λ wirkt, wobei der Wellenleiter einen unteren Claddingbereich, einen oberen Claddingbereich und einen Kernbereich zwischen dem oberen und unteren Claddingbereich umfaßt. Der Kernbereich umfaßt mindestens einen Teil des aktiven Bereichs und weist bei der Wellenlänge λ einen effektiven Brechungsindex auf, der größer ist als der Brechungsindex bei der Wellenlänge λ mindestens eines Teils jeder der unteren und oberen Claddingschichten, in der Regel des Teils neben dem Kern.
Bedeutsamerweise umfaßt jeder der unteren und oberen Claddingbereiche mindestens eine Modenformungsschicht, die von dem Kernbereich beabstandet ist und einen größeren Brechungsindex bei der Wellenlänge λ aufweist als die Teile des jeweiligen Claddingbereichs, die mit der Modenformungsschicht zusammenhängen. Der Brechungsindex der Modenformungsschichten und der Abstand der Modenformungsschichten von dem Kernbereich sind so ausgewählt, daß ein Lasermodendurchmesser im Vergleich zu dem entsprechenden Modendurchmesser eines Vergleichslasers, der mit dem Laser mit Ausnahme dessen identisch ist, daß der erstere die Modenformungsschichten nicht aufweist, vergrößert wird und eine Laserquermode stabil ist. Die Übergänge von dem Kernbereich zu den Claddingbereichen sind nicht stetig.
Bei gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen ist die Halbleiterlaserstruktur Al-frei und enthält kein quaternäres III/V-Halbleitermaterial.
Beispielhaft handelt es sich bei einem Laser gemäß der Erfindung um einen 980 nm-Pumplaser für einen Erdotierten Faserverstärker (EDFA). Laser gemäß der Erfindung werden hier als SPIN-Laser (SPIN = Spread- Index) bezeichnet.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt schematisch den Leitungsbandrand der Laserstruktur eines beispielhaften SPIN-Lasers als Funktion der Querkoordinate;
Fig. 2 und 3 zeigen das Bandabstand-Energieprofil und die Verteilung des elektrischen Felds bei einem beispielhaften Laser nach dem Stand der Technik beziehungsweise dem beispielhaften SPIN-Laser;
Fig. 4 zeigt Daten hinsichtlich der Intensität als Funktion des Fernfeldwinkels für verschiedene Werte des Ansteuerstroms;
Fig. 5 zeigt Daten hinsichtlich der Ausgangsleistung als Funktion des Ansteuerstroms für einen beispielhaften SPIN-Laser;
Fig. 6 zeigt eine beispielhafte berechnete Kurve des Einkopplungskoeffizienten als Funktion der seitlichen Divergenz des Laserstrahls; und
Fig. 7 zeigt schematisch ein faseroptisches Kommunikationssystem gemäß der Erfindung.

Ausführliche Beschreibung eines Ausführungsbeispiels

In Tabelle I ist die Schichtstruktur eines beispielhaften SPIN-Lasers gezeigt, und Fig. 1 zeigt schematisch den Leistungsbandrand der Schichtstruktur (10). Eine derartige Darstellung ist üblich und bedarf keiner Erläuterung. Tabelle 1
In Fig. 1 bezeichnen die Zahlen 11, 120 bzw. 121 das n&spplus;- GaAs-Substrat beziehungsweise den unteren und oberen Teil der unteren (n-InGaP)-Claddingschicht. Die Zahl 14 bezeichnet den (nicht absichtlich dotierten) aktiven Bereich, der zwei verspannte 7 nm-InGaAs-Quantentöpfe und 20 nm-GaAs-Barrierenschichten enthält. Die Zahlen 150, 151 und 152 bezeichnen Teile des oberen (p-InGaP)- Cladding und 18 bezeichnet die p&spplus;&spplus;-GaAs-Deckschicht. Die Zahl 16 bezeichnet eine wahlweise (2 nm p-GaAs)- Ätzstoppschicht, die dazu dient, die Tiefe der geätzten Mesa auf herkömmliche Weise zu definieren. Die Zahlen 13 und 17 bezeichnen die Modenformungsschichten (75 nm n- bzw. p-GaAs), die jeweils 0,5 um von dem aktiven Bereich beabstandet sind. Bei den Modenformungsschichten könnte es sich aber auch um GaAsP-Schichten handeln.
Die Schichtstruktur kann auf herkömmliche Weise durch jede beliebige geeignete Wachstumstechnik (z. B. MOCVD) aufgewachsen und auf herkömmliche Weise zu einem Laser mit Streifengeometrie verarbeitet werden. Die Breite der Mesa beträgt beispielsweise 3 um. Kontakte können auf herkömmliche Weise bereitgestellt werden.
Die Schichtstruktur wird so ausgewählt, daß sie als Wellenleiter für die Laserstrahlung der Wellenlänge λ (beispielhaft 980 nm) dient. Insbesondere weist der aktive Bereich 14 einen effektiven Brechungsindex auf, der größer ist als die Indices beider benachbarter Schichten (121 und 150). Somit dient der aktive Bereich als Kern des Wellenleiters, die Schichten 121 und 120 dienen als das untere Cladding und die Schichten 150, 151 und 152 dienen als das obere Cladding.
Der Fachmann weiß, daß der Grundschwingungsmodus des Lasers ohne die Schichten 13 und 17 eine einzelne Spitze aufweisen würde, deren Mitte über dem Kernbereich liegt, im wesentlichen wie in Fig. 2 gezeigt. Die Figur zeigt auch die Bandlückenenergie als Funktion der Tiefe von der oberen Oberfläche, wobei die Merkmale 24 und 26 dem aktiven Bereich 14 bzw. der Ätzstoppschicht 16 entsprechen. Durch das Vorsehen der Modenformungsschichten 13 und 17 wird die Form der Lasermoden geändert, auch die des Grundschwingungsmodus. Dies ist in Fig. 3 gezeigt, die das normierte Profil der Amplitude des elektrischen Felds und die Bandlückenenergie zeigt, und zwar beide als Funktion der Tiefe von der oberen Oberfläche. Die Merkmale 33 und 37 entsprechen den Schichten 13 bzw. 17.
Der erörterte beispielhafte SPIN-Laser unterstützt drei Moden, doch überlappt der Modus dritter Ordnung den Verstärkungsbereich nur sehr wenig und kann ignoriert werden. Der Grundschwingungsmodus weist eine Spitze bei dem aktiven Bereich und zwei untergeordnete Spitzen bei den Modenformungsschichten auf. Für den Grundschwingungsmodus liegt der berechnete Begrenzungsfaktor des aktiven Bereichs bei 2,37%. Auch der Modus zweiter Ordnung hat eine Spitze bei dem aktiven Bereich, wobei der berechnete Begrenzungsfaktor 2,21% beträgt.
Die Dicke der Modenformungsschichten, ihr jeweiliger Abstand von dem aktiven Bereich und ihr jeweiliger Brechungsindex werden vorteilhafterweise so ausgewählt, daß der Grundschwingungsmodus neben seiner Ausweitung in die Claddingschichten einen höheren Begrenzungsfaktor in dem aktiven Bereich aufweist als der Modus zweiter Ordnung und somit die Lasertätigkeit für alle Ströme dominiert. Der Fachmann wird in der Regel durch Computersimulation, unter Verwendung eines von mehreren leicht erhältlichen Programmen, in der Lage sein, die entsprechende Dicke, den jeweiligen Abstand und Brechungsindex der Modenformungsschicht zu bestimmen.
Wie bereits offenbart, führen Modenformungsschichten entsprechender Größe und Position zu der Erweiterung des Querschwingungsmodus (Grundschwingungsmodus) im Vergleich zu einem Vergleichslaser ohne die Modenformungsschichten, was zu einem größeren Strahlfleck (geringere Leistungsdichte an der Austrittsfläche) und zu einem schmaleren Fernfeld führt.
Fig. 4 zeigt beispielhafte Ergebnisse zur Intensität als Funktion des Fernfeld-Seitenwinkels für mehrere Werte des Ansteuerstroms. Der gemessene seitliche Halbwertsbreiten-Fernfeld-Winkel betrug 26º. Der entsprechende Laser ohne Modenformungsschichten weist einen seitlichen Halbwertsbreiten-Fernfeld-Winkel von 34º auf. Der Quer-Fernfeld-Winkel betrug 10º, was einer Mesa-Breite von 3 um entspricht. Der Schwellenstrom des Lasers betrug 29 mA, und er hatte eine Steilheitseffizienz von 0,78 W/A.
Bei einer gegebenen Elliptizität des Strahlflecks kann die einkoppelnde Faser durch eine entsprechende Wahl der numerischen Apertur der Faser optimiert werden. Die optimale numerische Apertur (NA) der Faser ist, wie dem Fachmann bekannt, das geometrische Mittel aus der numerischen Transversal- und Lateralapertur.
Fig. 5 zeigt beispielhafte Daten über die Laserausgangsleistung (λ = 980 nm) als Funktion des Ansteuergleichstroms für einen SPIN-Laser im wesentlichen wie beschrieben.
Die Schichtstruktur des oben beschriebenen beispielhaften Lasers weist keine Aluminium enthaltenden Halbleiterschichten auf. Angesichts der bekannten Neigung von Al, Aluminiumoxid zu bilden, ist dies vorteilhaft. Zudem enthält die Schichtstruktur nur binäres und ternäres Halbleiter-III/V-Material. Dies ist insbesondere für die Schichten zwischen dem aktiven Bereich und dem Substrat angesichts der wesentlich höheren Wärmeleitfähigkeit (in der Regel etwa 4 mal höher) von ternärem III/V-Material im Vergleich zu quaternärem III/V-Material von Vorteil. Bei einem Laserdesign ohne quaternäres Halbleitermaterial in dem Wärmeströmungsweg kann somit die Wärme effektiver abgeleitet werden, und es kann potentiell bei höheren Leistungspegeln arbeiten.
Es kann alternativ möglich sein, eine verbesserte Laserzuverlässigkeit zu erzielen, indem GaAs aus der Schichtstruktur weggelassen wird, und es werden SPIN- Laser in Betracht gezogen, bei denen InGaAsP-Schichten die GaAs-Schichten ersetzen.
Fig. 6 zeigt eine beispielhafte berechnete Kurve des Einkopplungskoeffizienten als Funktion der lateralen Halbwertsbreitendivergenz des Laserstrahls mit einer Transversaldivergenz von 10º für die Einkopplung in eine mit einer Linse versehene Faser von NA = 0,4. Wie zu sehen ist, wird theoretisch bei einer lateralen Halbwertsbreitendivergenz von 26º eine Einkopplungseffizienz von 63% vorhergesagt. Dies stimmt gut mit dem beobachteten Versuchswert von 65% für die Einkopplung in eine mit einer Linse versehene Faser mit einem (nicht optimalen) NA von 0,4 überein. Bei Verwendung einer Faser mit einer optimalen NA von etwa 0,3 wird eine Einkopplungseffizienz von > 75% erwartet. Dies wäre etwa zweimal besser als die Einkopplungseffizienz von Lasern mit einem herkömmlichen SCH-Design (SCH = separate confinement heterostructure).
Fig. 7 zeigt schematisch einen beispielhaften Gegenstand gemäß der Erfindung, nämlich ein optisch verstärktes faseroptisches Kommunikationssystem 70. Das System besteht aus einem Sender 71, einem Empfänger 72, einer Übertragungsfaser 73 und einem seltenerddotierten (z. B. Erdotierten) Faserverstärker 74. Die Zählen 75 bezeichnen die Signalstrahlung und 76 die Pumpstrahlung. Der Faserverstärker ist auf signalübertragende Weise, z. B. durch herkömmliche Fusionsspleiße 77, an die Übertragungsfasern angekoppelt. Ein herkömmlicher Koppler 78 dient zum Einkoppeln von Pumpstrahlung 76 in die Verstärkerfaser, und ein Pumplaser 79 liefert die Pumpstrahlung. Der Pumplaser ist ein Laser gemäß der Erfindung mit einer geringen Strahldivergenz.

Claims

1. Halbleiterlaser (79), der aus einer Halbleiterschichtstruktur auf einem Substrat (11) und Kontakten, die das Leiten eines Stroms durch die Schichtstruktur erleichtern, besteht;

die Schichtstruktur besteht aus mindestens einer Schicht eines ersten Leitfähigkeitstyps, mindestens einer Schicht eines zweiten Leitfähigkeitstyps und einem aktiven Bereich zwischen den Schichten des ersten und zweiten Leitfähigkeitstyps;

die Schichtstruktur ist so ausgewählt, daß sie einen Wellenleiter für Laserstrahlung der Wellenlänge λ bildet, wobei der Wellenleiter einen unteren Claddingbereich (120, 121), einen oberen Claddingbereich (150, 151, 152) und einen Kernbereich (14) zwischen dem unteren und oberen Claddingbereich umfaßt, wobei der Kernbereich mindestens einen Teil des aktiven Bereichs umfaßt und bei der Wellenlänge λ einen effektiven Brechungsindex aufweist, der größer ist als der Brechungsindex bei der Wellenlänge λ mindestens eines Teils jeder der unteren und oberen Claddingschichten;

wobei jeder der unteren und oberen Claddingbereiche mindestens eine Modenformungsschicht (13, 17) umfaßt, die von dem Kernbereich beabstandet ist und einen größeren Brechungsindex bei der Wellenlänge λ aufweist als die Teile des jeweiligen Claddingbereichs, die mit der Modenformungsschicht zusammenhängen, wobei der Brechungsindex und der Abstand von dem Kernbereich der Modenformungsschichten so ausgewählt sind, daß ein Lasermodendurchmesser im Vergleich zu dem entsprechenden Modendurchmesser eines Vergleichslasers, der mit dem Laser mit Ausnahme dessen identisch ist, daß der erstere die Modenformungsschichten nicht aufweist, vergrößert wird und eine Laserquermode stabil ist;

dadurch gekennzeichnet, daß

der Übergang von dem Kernbereich zu dem unteren Claddingbereich bzw. der Übergang von dem Kernbereich zu dem oberen Claddingbereich nicht stetig sind.

2. Laser nach Anspruch 1, bei dem die Schichtstruktur eine III/V-Halbleiterschichtstruktur ist.

3. Laser nach Anspruch 2, bei dem die IIIV-Halbleiterschichtstruktur keine Al enthaltende Halbleiterschicht enthält.

4. Laser nach Anspruch 2, bei dem die III/V- Halbleiterschichtstruktur keine zwischen dem aktiven Bereich und dem Substrat angeordnete quaternäre III/V- Halbleiterschicht enthält.

5. Laser nach Anspruch 2, bei dem die Modenformungsschichten aus der Gruppe bestehend aus GaAs und GaAsP ausgewähltes Material enthalten.

6. Laser nach Anspruch 5, der ein Laser vom Mesatyp ist und bei dem eine der Modenformungsschichten auch als Ätzstoppschicht für das Mesaätzen dient.

7. Laser nach Anspruch 1, bei dem der Kernbereich zwei Quantentöpfe enthält.

8. Faseroptischer Verstärker mit einem Laser nach Anspruch 1 und weiterhin mit einer seltenerddotierten Verstärkerfaser (74) und einem Mittel (78) zum Einkoppeln von Pumpstrahlung (76) in die Verstärkerfaser, wobei das Mittel die optische Faser umfaßt und der Laser (79) die Pumpstrahlung liefert.

9. Faseroptisches Kommunikationssystem (70) mit einem Sender (71), einem Empfänger (72) und einem faseroptischen Übertragungsweg (73) der auf signalübertragende Weise den Sender und Empfänger verbindet, wobei der Übertragungsweg einen faseroptischen Verstärker nach Anspruch 8 umfaßt.