DE69711611T2

DE69711611T2 - Selbstpulsierender halbleiterdiodenlaser und dessen herstellungverfahren

Info

Publication number: DE69711611T2
Application number: DE69711611T
Authority: DE
Inventors: Maria De Vrieze; Henrica Vermeulen-Hartjes; Marie Weegels
Original assignee: Uniphase Opto Holdings Inc
Current assignee: Viavi Solutions Inc
Priority date: 1996-12-13
Filing date: 1997-12-04
Publication date: 2002-11-21
Anticipated expiration: 2017-12-05
Also published as: JP2001515656A; US6078603A; WO1998026479A1; EP0893000A1; DE69711611D1; EP0893000B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Halbleiterdiodenlaser, der nachstehend der Kürze halber als Laser bezeichnet wird, mit einem Halbleiterkörper, der die nachfolgenden Elemente umfasst: ein Substrat und eine darauf liegende Halbleiter-Schichtstruktur mit wenigstens einer ersten Deckschicht eines ersten Leitfähigkeitstyps, einer zweiten Deckschicht eines zweiten dem ersten entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, und einer zwischen denselben vorgesehenen aktiven Schicht, sowie einen PN-Übergang, der bei einer ausreichenden Stromstärke in der Vorwärtsrichtung imstande ist, eine kohärente elektromagnetische Strahlung in einem streifenförmigen aktiven Bereich zu erzeugen, der innerhalb eines Hohlraumresonators liegt und einen Teil der aktiven Schicht bildet, wobei die erste und die zweite Deckschicht mit elektrischen Verbindungsmitteln versehen ist, während der Hohlraumresonator durch Endflächen begrenzt wird, die im Wesentlichen senkrecht auf das aktive Gebiet stehen, und wobei wenigstens eine Endfläche mit einer Deckschicht versehen ist, und wobei im kontinuierlichen Betrieb des Lasers die erzeugte elektromagnetische Strahlung in Form von Impulsen den Laser verlässt. Die Erfindung bezieht sich ebenfalls auf ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Lasers.
Ein derartiger Laser ist bekannt aus der Japanischen Patentschrift JP-A-61-228692, veröffentlicht am 5.3.1984 in "Pat. Abstracts of Japan" Heft 11, Nr. 73 (E-486) [2250]. Darin wird ein Laser beschrieben, der einen Halbleiterkörper umfasst mit einem Substrat aus n-GaAs, einer ersten Deckschicht aus n-AlGaAs, einer aktiven Schicht aus AIGaAs und einer zweiten Deckschicht aus p-GaAs. Die beiden Deckschichten, die einen PN-Übergang bilden, sind mit elektrischen Anschlussmitteln versehen. Bei ausreichend hoher Stromstärke durch den PN-Übergang kann in dem Laser elektromagnetische Strahlung erzeugt werden, und zwar innerhalb eines streifenförmigen aktiven Gebietes, das innerhalb eines zwischen zwei Endflächen liegenden Hohlraumresonator liegt. Eine Endfläche des Lasers ist mit einer Deckschicht versehen, die eine Vielzahl dünner Schichten aus abwechselnd GaAs und AlGaAs aufweist. Die Deckschicht ist dadurch als sättigbares absorbierendes Gebiet wirksam. Das bedeutet, dass die Absorption bei hoher Intensität der Strahlung gesättigt wird, was auch als Bleichung bezeichnet wird. Das Vorhandensein eines derartigen Gebietes führt zu einem sich wiederholenden Schaltvorgang der Qualität des Hohlraumresonators des Lasers und damit zu einem Pulsieren des Lasers. Die Wiederholungsfrequenz wird bestimmt durch die Geschwindigkeit, mit der das absorbierende Gebiet sich nach der Bleichung wiederherstellt. Ein selbst pulsierender Laser ist für verschiedene Anwendungsbereiche sehr interessant.
Ein Nachteil des bekannten Lasers ist, dass dieser einen relativ hohen Startstrom und eine geringe Effizienz aufweist. Ein weiterer Nachteil ist, dass die Wiederholungsfrequenz von der Rekombinationsgeschwindigkeit in dem absorbierenden Gebiet und dadurch u. a. auch von der Temperatur und dem Strom durch den Laser stark abhängig ist. Eine alternative Art und Weise, einen Laser pulsieren zu lassen ist die HF-Ansteuerung des Stromes durch den Laser, wodurch die Verstärkung und damit die erzeugte Strahlung moduliert wird. Ein niedriger Startstrom ist in einem derartigen Fall durchaus möglich, aber eine hohe Wiederholungsfrequenz ist dann wieder schwer verwirklichbar.
Es ist nun u. a. eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen selbst pulsierenden Laser zu schaffen, der die oben genannten Nachteil nicht aufweist und der einen niedrigen Startstrom hat und bei hohen Wiederholungsfrequenzen pulsieren kann.
Dazu weist ein Laser der eingangs beschriebenen Art das Kennzeichen auf, dass die Deckschicht nacheinander die folgenden Elemente umfasst: einen ersten Spiegel, ein Medium mit einer optischen Dicke, die etwas geringer ist als eine ganze Anzahl Male der halben Wellenlänge der erzeugten magnetischen Strahlung, und einen zweiten Spiegel, wobei die Deckschicht ausschließlich Material umfasst, das einen höheren Bandabstand aufweist als der Wellenlänge der erzeugten Strahlung entspricht und wobei die Reflexionswerte der Spiegel und die Abweichungen der optischen Dicke des Mediums gegenüber einer ganzen Anzahl Male der halben Wellenlänge der erzeugten Strahlung derart gewählt worden sind, dass die Gruppengeschwindigkeitsdispersion in der Nähe der Wellenlänge der erzeugten elektromagnetischen Strahlung negativ ist. Der Erfindung liegt zunächst die Erkenntnis zugrunde, dass ein Laser aus sich selber infolge von Modeverriegelung zwischen zwei oder mehr Längsmoden des Hohlraumresonators pulsieren kann. Sobald dies aber der Fall ist, wird der Puls bei einem wiederholten Durchgang durch den Hohlraumresonator sich "ausschmieren", was letztendlich zu einer kontinuierlichen Emission führt. Der Erfindung liegt weiterhin die Erkenntnis zugrunde, dass eine negative Gruppengeschwindigkeitsdispersion das Ausschmieren eines Impulses vermeidet und insbesondere die Erkenntnis, dass ein derartiger Gegeneffekt dadurch verwirklicht werden kann, dass eine Endfläche des Lasers mit einer geeigneten Deckschicht versehen wird. Diese soll mit einer Endfläche des Lasers ein Fabry-Perot-Filter oder ein Gires-Tournois-Interferometer bilden. Eine derartige Deckschicht soll dann nacheinander die nachfolgenden Elemente umfassen: einen ersten Spiegel, ein Medium mit einer optischen Dicke, die einer ganzen Anzahl Male der halben Wellenlänge der erzeugten Strahlung wenigstens im Wesentlichen entspricht, d. h. einigermaßen nach unten davon abweicht, und zum Schluss einen zweiten Spiegel. Dadurch, dass für die Deckschicht ausschließlich Werkstoffe mit einem höheren Bandabstand verwendet werden als der Quant der erzeugten Strahlung, tritt Absorption dieser Strahlung nicht auf. Dadurch ist der Startstrom des Lasers niedrig und die Effizienz hoch. Die Reflexionswerte der Spiegel und die obengenannte Abweichung der optischen Dicke sind derart gewählt worden, dass die Gruppengeschwindigkeitsdispersion in der Nähe der Emissionswellenlänge negativ ist. Dadurch findet die oben genannte Pulsausschmierung eines gebildeten Impulses nicht statt und der Laser nach der vorliegenden Erfindung wird stabil pulsieren. Auf diese Art und Weise können auch sehr hohe Pulsfrequenzen verwirklicht werden. Der erste Spiegel kann durch den Übergang von dem Halbleiterkörper zu der Deckschicht gebildet sein. Vorzugsweise umfasst der erste Spiegel jedoch, ebenso wie der zweite Spiegel, eine Mehrschichtstruktur.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform hat das Medium eine optische Dicke, die der halben Wellenlänge der erzeugten elektromagnetischen Strahlung wenigstens nahezu entspricht und die Reflexionswerte der Spiegel sowie die oben genannte Abweichung der optischen Dicke des Mediums sind derart gewählt worden, dass die Gruppengeschwindigkeitsdispersion in der Nähe der Wellenlänge der erzeugten Strahlung minimal ist. Die gewünschte Größe der genannten Abweichung kann durch Berechnung geschätzt und daraufhin versuchsweise genau genug ermittelt werden. Für die hier benutzte Definition der Gruppengeschwindigkeitsdispersion, auch im Zusammenhang mit der genannten Berechnung, sei verwiesen auf den Artikel von J. Kuhl und J. Heppner, veröffentlicht in "IEEE Transaction on Quantum Electronics", Heft. QE-22, Nr. 1, Januar 1986, Seiten 182-185. Geeignete Reflexionswerte der Spiegel sind beispielsweise größer als oder gleich 70% und eine geeignete Gruppengeschwindigkeitsdispersion in der Nähe der Wellenlänge der erzeugten elektromagnetischen Strahlung liegt zwischen 0 und -6 fs/THz (Femtosekunde je TetraHertz) und beträgt beispielsweise -2 fs/THz. Es stellt sich heraus, dass ein Laser mit einer derartigen Deckschicht stabil pulsiert. Vorzugsweise enthalten die Schichten, die der erste Spiegel, das Medium und der zweite Spiegel bilden, dielektrische Werkstoffe. Diese haben den erforderlichen hohen Bandabstand, sind elektrisch isolierend und lassen sich auf einfache Art und Weise anbringen. Sehr geeignete Werkstoffe sind: Al&sub2;O&sub3;, Si&sub3;N&sub4; en SiO&sub2;. Eine geeignete Deckschicht sieht beispielsweise wie folgt aus: der erste Spiegel umfasst eine Schicht aus Al&sub2;O&sub3; und eine Schicht aus Si&sub2;N&sub4;, mit je einer optischen Dicke von ¹/&sub4;λ, das Medium umfasst eine SiO&sub2;-Schicht mit einer optischen Dicke von etwa ¹/&sub2;λ und der zweite Spiegel umfasst 11 Schichten aus jeweils Si&sub3;N&sub4; und SiO&sub2;, mit je einer optischen Dicke von ¹/&sub4;λ. Eine derartige Deckschicht eignet sich durchaus für einen Laser aus dem InGaP/AlInGaP-Materialsystem, der bei etwa 675 nm emittiert. Die Gruppengeschwindigkeitsdispersion, die damit verwirklichbar ist, beträgt -0,5fs/THz. Es wurden sehr gute Ergebnisse erzielt mit einer Deckschicht, deren erster Spiegel eine Schicht aus Al&sub2;O&sub3; und 5 Schichten von jeweils Si&sub3;N&sub4; und SiO&sub2; umfasst, mit je einer optischen Dicke von ¹/&sub4;λ, deren Medium eine SiO&sub2;-Schicht umfasst mit einer optischen Dicke von etwa ¹/&sub2;λ und deren zweiter Spiegel 13 Schichten aus jeweils Si&sub3;N&sub4; und SiO&sub2; umfasst, mit je einer optischen Dicke von ¹/&sub4;λ. Ein derartiger Laser hat - ebenfalls in der Nähe einer Wellenlänge von 670 nm - eine Gruppengeschwindigkeitsdispersion von etwa - 2fs/THz.
In einer anderen Ausführungsform umfasst das Medium eine Halbleiterschicht, die mit elektrischen Anschlüssen versehen ist, mit denen die Brechzahl der Halbleiterschicht geändert werden kann und die sich vorzugsweise an den Seiten der Halbleiterschicht befinden. Dadurch, dass die Halbleiterschicht einen ausreichend größeren Bandabstand hat als der, der mit der Emissionswellenlänge übereinstimmt, wird auch ein derartiger Laser einen niedrigen Startstrom und eine hohe Effizienz aufweisen. Die Halbleiterschicht ermöglicht es zugleich, beispielsweise mit Hilfe von Ladung, von Strom oder von einem elektrischen Feld die Brechzahl der Deckschicht an der Stelle des aktiven Gebietes zu modulieren. Damit entsteht die Möglichkeit, die Wellenlänge, bei der die Gruppengeschwindigkeitsdispersion minimal ist, abzustimmen. Dadurch braucht die Emissionswellenlänge des Lasers nicht äußerst genau fest zu liegen, was den Ertrag erhöhend wirkt.
Bei einer wichtigen Abwandlung umfasst der Laser eine die Strahlung leitende Schicht, die in der Längsrichtung an das aktive Gebiet grenzt und eine Länge von 1 bis 20 mm hat, vorzugsweise 2 bis 6 mm. Dies bietet den Vorteil, dass auf diese Art und Weise sehr hohe Frequenzen verwirklicht werden können, und zwar von 150 bis 7,5 Gbit/s. Eine Länge eines Hohlraumresonators von etwa 4 mm entspricht beispielsweise einer Frequenz von 40 Gbit/s, was bereits eine sehr hohe Frequenz ist. Eine derartige Länge des Hohlraumresonators ist - sogar mit dem heutigen Stand der Lasertechnik - durchaus verwirklichbar. Ein wesentlicher Vorteil eines pulsierenden Lasers nach der vorliegenden Erfindung gelangt dabei zum Ausdruck: die Frequenz lässt sich auf relativ einfache Art und Weise durch die Wahl der Länge des Hohlraumresonators festlegen. Auch ist es so, dass diese Frequenz nicht, oder wenigstens viel weniger als bei dem bekannten Laser, von beispielsweise der Temperatur das Lasers und von dem Strom durch denselben abhängig ist.
Ein Verfahren zum herstellen eines Lasers nach der vorliegenden Erfindung, bei dem ein Halbleiterkörper dadurch gebildet wird, dass auf einem Substrat eine Halbleiter-Schichtstruktur angebracht wird, bestehend aus wenigstens einer ersten Deckschicht eines ersten Leitungstyps, einer zweiten Deckschicht eines zweiten, zu der ersten entgegengesetzten Leitungstyps und mit einer zwischen denselben liegenden aktiven Schicht, und wobei ein PN-Übergang gebildet wird, der bei einer ausreichend hohen Stromstärke in der Durchlassrichtung kohärente elektromagnetische Strahlung erzeugen kann, und zwar in einem innerhalb des Resonatorhohlraums liegenden streifenförmigen und einen Teil der aktiven Schicht bildenden aktiven Gebiet, wobei die erste und die zweite Deckschicht mit elektrischen Anschlussmitteln versehen werden, wobei der Resonatorhohlraum durch sich nahezu senkrecht zu dem aktiven Gebiet erstreckenden Endflächen begrenzt wird, wobei wenigstens eine Endfläche mit einer Deckschicht versehen wird, und wobei im Dauerbetrieb des Lasers die erzeugte Strahlung in Form von Pulsen aus dem Laser austritt, weist nach der vorliegenden Erfindung das Kennzeichen auf, dass die Deckschicht dadurch gebildet wird, dass nacheinander auf der Endfläche ein erster Spiegel gebildet wird, dass ein Medium angebracht wird mit einer optischen Dicke, die einer ganzen Anzahl Male der halben Wellenlänge der erzeugten magnetischen Strahlung entspricht und dass ein zweiter Spiegel gebildet wird, wobei für die Deckschicht ausschließlich Werkstoffe gewählt werden mit einem höheren Bandabstand als mit der Wellenlänge der erzeugten Strahlung übereinstimmend und dass die Reflexionswerte der Spiegel sowie die Abweichung der optischen Dicke des Mediums gegenüber einer ganzen Anzahl Male der halben Wellenlänge der erzeugten Strahlung derart gewählt sind, dass die Gruppengeschwindigkeitsdispersion in der Nähe der Wellenlänge der erzeugten elektromagnetischen Strahlung negativ ist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Lasers nach der vorliegenden Erfindung, teilweise schaubildlich, teilweise im Schnitt,
Fig. 2 eine schematische Darstellung im Schnitt gemäß der Linie (II-II) durch den Laser nach Fig. 1,
Fig. 3 den Verlauf des Reflexionsvermögens der Deckschicht des Lasers nach Fig. 1 als Funktion der Wellenlänge für verschiedene Zusammensetzungen der Deckschicht,
Fig. 4 den Verlauf der Gruppengeschwindigkeitsdispersion der Deckschicht des Lasers nach Fig. 1 als Funktion der Wellenlänge für verschiedene Zusammensetzungen der Deckschicht,
Fig. 5 das Detektorsignal infolge der in dem Laser nach Fig. 1 erzeugten Strahlung als Funktion der Zeit, und
Fig. 6 das Spektrum dies in Fig. 5 dargestellten Detektorsignals.
Die Figuren sind schematisch und nicht maßstabgerecht dargestellt, wobei insbesondere die Abmessungen in der Dickenrichtung der Deutlichkeit halber übertrieben sind. Halbleitergebiete vom gleichen Leitungstyp sind in der Regel in der gleichen Richtung schraffiert.
Fig. 1 zeigt teilweise schaubildlich und teilweise im Schnitt schematisch eine Ausführungsform eines Lasers nach der vorliegenden Erfindung. Ein schematischer Schnitt durch den Laser nach Fig. 1 gemäß der Linie II-II ist in Fig. 2 dargestellt. Der Laser dieses Beispiels ist von dem SBR (= "Selective Buried Ridge") Typ und umfasst einen Halbleiterkörper 100 mit einem n-leitenden Halbleitersubstrat 1 aus n-GaAs. Auf dem Substrat 1 befindet sich eine Halbleiter-Schichtstruktur mit einer zwischen zwei Deckschichten 2, 4 liegenden aktiven Schicht 3, hier aus InGaAlP bzw. InGaP. Die Teile 2A, 4A der Deckschichten 2, 4 sind dotiert und von dem n- bzw. p- Leitungstyp. Andere Teile 2B, 4B bilden sog. einzelne Deckschichten. Die zweite Deckschicht 4 umfasst einen Teil 4C, der eine Mesa 12 bildet, neben der sich eine Stromsperrschicht 13 aus n-GaAs befindet. Unterhalb der Mesa 12 wird im Betrieb in der aktiven Schicht 3 ein streifenförmiges aktiven Gebiet gebildet, in dem kohärente elektromagnetische Strahlung, hier mit einer Wellenlänge von 675 nm, erzeugt wird, die den Laser in Form von Pulsen verlässt. Das aktive Gebiet befindet sich in einem Hohlraumresonator, der durch zwei sich nahezu senkrecht zu dem aktiven Gebiet erstreckende Endflächen 50, 51 begrenzt wird, von denen wenigstens eine, hier die Endfläche 51, mit einer Deckschicht 20 versehen ist. Der Laser enthält weiterhin eine Ätzsperrschicht 5, eine Übergangsschicht 9, zwei Kontaktschichten 10, 6 und zwei Metallschichten 7, 8.
Nach der vorliegenden Erfindung umfasst die Deckschicht 20 (siehe Fig. 2) nacheinander einen ersten Spiegel 21, ein Medium 22 mit einer optischen Dicke, die etwas kleiner ist als eine ganze Anzahl Male, hier der halben Wellenlänge der erzeugten Strahlung, und einen zweiten Spiegel 23, wobei die Deckschicht 20 ausschließlich Werkstoffe aufweist, hier Dielektriken, die einen höheren Bandabstand aufweisen als entsprechend der erzeugten Strahlung und wobei die Reflexionswerte der Spiegel 21, 23 sowie die Abweichung der optischem Dicke des Mediums 22 gegenüber einer ganzen Anzahl Male der halben Wellenlänge der erzeugten Strahlung, hier also gegenüber der halben Wellenlänge, derart gewählt worden sind, dass die Gruppengeschwindigkeitsdispersion (GVD) in der Nähe der Wellenlänge der erzeugten Strahlung negativ ist. Durch den hohen Bandabstand der Werkstoffe des Deckschicht 20 wird die erzeugte Strahlung in dieser Schicht 20 nicht oder kaum absorbiert. Dadurch hat ein Laser nach der vorliegenden Erfindung einen niedrigen Startstrom und eine hohe Effizienz. Der Aufbau der Deckschicht 20 ermöglichtes, dass diese mit der Endfläche 51 ein Fabry-Perot-Filter oder ein Gires-Tournois-Interferometer bildet, wodurch - bei einer geeigneten Wahl der Reflexionswerte der Spiegel 21, 23 und der optischen Dicke des Mediums 22 - die Gruppengeschwindigkeitsdispersion in der Nähe der Wellenlänge der erzeugten Strahlung negativ ist. Dadurch wird ein Pulsiervorgang des Lasers infolge einer automatischen Modeverriegelung beibehalten. Denn ein durch den Laser (hin und her) laufender Impuls wird durch das Vorhandensein der negativen Gruppengeschwindigkeitsdispersion nicht mehr "ausgeschmiert" sondern "zusammengepresst". Auf diese Art und Weise entsteht ein selbst pulsierender Laser mit einem besonders niedrigen Startstrom und einer hohen Effizienz. Zugleich ist die Pulsfrequenz auf einfache Weise einstellbar, indem eine geeignete Länge des Resonatorhohlraums des Lasers gewählt wird. Auch die Pulsfrequenz ist, anders als bei dem bekannten pulsierenden Laser, nicht oder wenigstens viel weniger abhängig von der Temperatur des Lasers oder von dem Strom durch denselben.
In diesem Beispiel hat das Medium 22 eine optische Dicke, die wenigstens der halben Wellenlänge der erzeugten Strahlung entspricht und die Reflexionswerte sowie die Abweichung der optischen Dicke des Mediums 22 gegenüber der halben Wellenlänge der erzeugten Strahlung derart gewählt worden sind, dass die Gruppengeschwindigkeitsdispersion in der Nähe der Wellenlänge der erzeugten Strahlung minimal ist. Dadurch kann die erforderliche Kompressionsleistung mit einem relativ einfachen Aufbau der Deckschicht 20 verwirklicht sein. Für die Zusammensetzung der Deckschicht 20 wurde in dem vorliegenden Fall Al&sub2;O&sub3;, Si&sub3;O&sub4; und SiO&sub2; verwendet, wobei diese Werkstoffe sich auf einfache Art und Weise anbringen lassen. In diesem Beispiel umfasst der erste Spiegel 21 eine Schicht aus Al&sub2;O&sub3; und 5 Schichten aus jeweils Si&sub3;N&sub4; und SiO&sub2;, mit je einer optischen Dicke von 1/4λ, umfasst das Medium 22 eine SiO&sub2;-Schicht mit einer optischen Dicke von wenigstens nahezu 1/2λ und umfasst der zweite Spiegel 23 insgesamt 13 Schichten aus jeweils Si&sub3;N&sub4; und SiO&sub2;, mit je einer optischen Dicke von 1/4λ. Für den Laser dieses Beispiels, der bei 675 nm emittiert, sind die optischen Dicken auf eine Wellenlänge von 670 nm abgestimmt. Die optische Dicke von 1/4λ für Al&sub2;O&sub3;, Si&sub3;N&sub4; und SiO&sub2; entspricht dann einer wirklichen Dicke von 103,2 nm, 84,5 nm bzw. 115,5 nm. Das Medium 22 hat dann also eine Dicke von 231 nm. Dadurch hat das Medium 22 eine Dicke, die im Wesentlichen der halben Wellenlänge der erzeugten Strahlung (675 mm) entspricht. Ein für den Laser nach der vorliegenden Erfindung geeigneter Aufbau der Deckschicht 20 lässt sich anhand der Fig. 3 näher erläutern.
Fig. 3 zeigt den Verlauf des Reflexionsvermögens der Deckschicht 20 des Lasers nach Fig. 1 als Funktion der Wellenlänge für verschiedene Zusammensetzungen der Deckschicht 20. Die Kurve 31 entspricht dem Laser dieses Beispiels, dessen Deckschicht 20 insgesamt 20 Teilschichten aufweist. Die Kurven 32, 33 und 34 entsprechen Lasern, deren Deckschicht 20 insgesamt 18, 14 bzw. 12 Teilschichten umfasst. Fig. 4 zeigt den Verlauf der Gruppengeschwindigkeitsdispersion (GVD) als Funktion der Wellenlänge für verschiedene Zusammensetzungen der Deckschicht 20. Die Kurven 41, 42, 43 und 44 entsprechen Lasern mit einer Deckschicht 20, deren Reflexionskurve in Fig. 3 der betreffenden Kurve 31, 32, 33 bzw. 34 entspricht. Fig. 4 zeigt, dass ein anwendbarer negativer Wert für die Gruppengeschwindigkeitsdispersion in der Nähe von 675 nm mit einer Deckschicht 20, die 14 oder 18 Teilschichten umfasst und deren optische Dicken auf einer Wellenlänge von etwa 670 nm basiert ist, verwirklicht werden kann. Für die letzt genannte Wellenlänge ist die Reflexion der Deckschicht immer minimal (siehe Fig. 3), während die GVD (siehe Fig. 4) immer etwa Null beträgt. Dies bedeutet, dass für einen Laser, der, wie der Laser aus diesem Beispiel, bei 675 nm emittiert, die GVD (siehe Fig. 4) immer kleiner als Null oder gleich Null ist und (wenigstens im Wesentlichen) minimal ist. Den größten komprimierenden Effekt ergibt eine Deckschicht 20, die, wie in diesem Beispiel, 20 Teilschichten umfasst (Fig. 4 Kurve 41). In dem Fall beträgt die Reflexion bei 675 nm etwa 80% (Fig. 3 Kurve 3) und die GVD ist etwa -2fs/THz Fig. 4 Kurve 41). Wenn die Deckschicht 20 nicht mehr als 10 Teilschichten umfasst, weicht die Gruppengeschwindigkeitsdispersion kaum von Null ab. Deckschichten mit 14 bis 18 Teilschichten (Fig. 4, Kurven 42, 43) ergeben einen Zwischenwert für die GVD. Nicht in der Zeichnung ausgebildet ist die Situation, in der die Dicke des Mediums 22 der Deckschicht 20 wenigstens im Wesentlichen einer größeren Anzahl Male der halben Emissionswellenlänge entspricht. Wenn die genannte Anzahl beispielsweise 8 beträgt, ist ein GVD-Wert von -6 fs/THz verwirklichbar.
Fig. 5 zeigt das Detektorsignal (DS) infolge der in dem Laser nach Fig. 1 erzeugten Strahlung als Funktion der Zeit (t). Die Kurve 55 bildet den Mittelwert von 100 Abtastvorgängen. Deutlich wahrnehmbar ist, dass der Laser, dem ein kontinuierlicher elektrischer Strom zugeführt wird, selbst pulsiert, mit einer Grundfrequenz von etwa 102 MHz (Δt = 9,77 ns). Die Pulsbreite, die hier durch die instrumentale Auflösung bestimmt wird, beträgt etwa 1 ns. Damit man dem Pulsieren in der Zeitdomäne folgen kann, ist die Länge des Resonatorhohlraums vergrößert, und zwar mit Hilfe eines externen Spiegels, der sich in einem Abstand von etwa 1,45 m von dem Laser dieses Beispiels befindet. Fig. 6 zeigt das Spektrum des in Fig. 5 dargestellten Detektorsignals (DS), wobei dieses Spektrum aus scharfen Spitzen besteht, die Harmonischen höherer Ordnung der Grundfrequenz des Resonatorhohlraums (102 MHz) entsprechen. Es werden keine Pulse wahrgenommen, wenn die Rückkopplung des externen Spiegels unterbrochen wird. Es werden auch keine Pulse wahrgenommen, wenn ein Laser benutzt wird, dessen Halbleiterkörper 100 dem hier beschriebenen Halbleiterkörper entspricht, von dem aber die Endflächen mit herkömmlichen Deckschichten versehen sind mit nahezu demselben Reflexionsvermögen wie das der Deckschichten 20, 40 der Endflächen 50, 51 des Lasers dieses Beispiels, wobei aber die Gruppengeschwindigkeitsdispersion in der Nähe der Emissionswellenlänge nahezu Null beträgt. In diesem Beispiel ist die weitere Deckschicht 40 des Lasers wenig reflektierend (R = etwa 10%), wodurch die Endfläche 50 als Austrittsfläche für die erzeugte Strahlung wirksam ist. Die weitere Deckschicht 40 umfasst eine Al&sub2;O&sub3;-Schicht mit einer optischen Dicke von etwa 0,26 λ. Die Abmessungen (L · B) des Lasers betragen 500 · 300 um² und das aktive Gebiet hat eine Breite von 5 um.
Der Laser dieses Beispiels wird wie folgt mit Hilfe eines Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung hergestellt. Die Herstellung des Halbleiterkörpers 100 des Lasers erfolgt, wie in der Europäischen Patentanmeldung der Anmelderin beschrieben, die unter Nr. 0.733.270 am 25.9.1996 veröffentlicht wurde. Nach der Herstellung des Halbleiterkörpers 100 und nach dem Anbringen einer leitenden Schicht 7, 8 auf der oberen bzw. unteren Seite desselben, werden daraus Streifen gespaltet, die eine Reihen von Lasern enthalten und deren Seitenflächen die Endflächen 50, 51 der Laser bilden. Nachdem ermittelt worden ist, welche die genaue Emissionswellenlänge der zu bildenden Laser ist - hier 675 nm - wird auf den Seitenflächen der Streifen und folglich auf den Endflächen 50, 51 de zu bildenden Laser die Deckschichten 40, 20 angebracht, beispielsweise in einem Zerstäubungsverfahren. Dabei werden die Reflexionswerte der Spiegel 21, 23 und die Abweichung der Dicke des Mediums 22 gegenüber einer ganzen Anzahl Male der halben Emissionswellenlänge derart gewählt, dass die GVD in der Nähe der Emissionswellenlänge negativ und vorzugsweise minimal ist. Die Deckschicht 20 wird dabei aus den oben beschriebenen 20 Teilschichten aufgebaut. Danach werden durch wiederholtes Spalten der genannten Streifen einzelne Laser nach der vorliegenden Erfindung erhalten, die sich zu einer weiteren Endmontage eignen.
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf das gegebene Beispiel, da für den Fachmann im Rahmen der vorliegenden Erfindung viele Abwandlungen und Modifikationen möglich sind. So können andere Werkstoffe, Zusammensetzungen und Dicken für die jeweiligen (Halbleiter)schichten gewählt werden als diejenigen, die hier genannt wurden. So können die Halbleiterwerkstoffe, nebst, wie in dem Beispiel aus dem InGaP/AlInGaP-System, auch aus dem (Al)FaAs/AlGaAs- oder dem InGaAsP/InP-Werkstoffsystem gewählt werden. Die ersten zwei Systeme sind insbesondere innerhalb der Systeme der optischen Scheiben geläufig, das letzt genannte System findet insbesondere Anwendung innerhalb der optischen Glasfaser-Kommunikation. Bei Anwendung der vorliegenden Erfindung zum Herstellen einer optischen Uhr soll dann auch insbesondere an dieses System gedacht werden. Weiterhin können die Leitungstypen alle (gleichzeitig) durch ihren entgegengesetzten Leitungstyp ersetzt werden. Namentlich sei bemerkt, dass sich die vorliegende Erfindung auch mit Vorteil anwenden ließe in anderen als in III-V-Diodenlasern, wie II-VI-Diodenlasern. Auch können andere Strukturen als diejenigen, die in dem Beispiel verwendet worden sind, verwendet werden, wie andere indexgeführte Strukturen oder eine verstärkungsgeführt Struktur.

Claims

1. Halbleiterdiodenlaser mit einem Halbleiterkörper (100), der die nachfolgenden Elemente umfasst: ein Substrat (1) und eine darauf liegende Halbleiter- Schichtstruktur mit wenigstens einer ersten Deckschicht (2) eines ersten Leitfähigkeitstyps, einer zweiten Deckschicht (4) eines zweiten, dem ersten entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, und einer zwischen denselben vorgesehenen aktiven Schicht (3), sowie einen PN-Übergang, der bei einer ausreichenden Stromstärke in der Vorwärtsrichtung imstande ist, eine kohärente elektromagnetische Strahlung in einem streifenförmigen aktiven Bereich zu erzeugen, der innerhalb eines Hohlraumresonators liegt und einen Teil der aktiven Schicht (3) bildet, wobei die erste und die zweite Deckschicht (2, 4) mit elektrischen Verbindungsmitteln (7, 8) versehen ist, während der Hohlraumresonator durch Endflächen (50, 51) begrenzt wird, die im Wesentlichen senkrecht auf das aktive Gebiet stehen, und wobei wenigstens eine Endfläche (51) mit einer Deckschicht (20) versehen ist, und wobei im kontinuierlichen Betrieb des Lasers die erzeugte elektromagnetische Strahlung in Form von Impulsen den Laser verlässt, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (20) nacheinander die folgenden Elemente umfasst: einen ersten Spiegel (21), ein Medium (22) mit einer optischen Dicke, die etwas geringer ist als eine ganze Anzahl Male der halben Wellenlänge der erzeugten magnetischen Strahlung, und einen zweiten Spiegel (23), wobei die genannte Deckschicht (20) ausschließlich Material umfasst, das einen höheren Bandabstand aufweist als der Wellenlänge der erzeugten Strahlung entspricht und wobei die Reflexionswerte der Spiegel und die Abweichungen der optischen Dicke des Mediums gegenüber einer ganzen Anzahl Male der halben Wellenlänge der erzeugten Strahlung derart gewählt worden sind, dass die Gruppengeschwindigkeitsdispersion in der Nähe der Wellenlänge der erzeugten elektromagnetischen Strahlung negativ ist.

2. Halbleiterdiodenlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium (22) eine optische Dicke hat, die wenigstens im Wesentlichen der halben Wellenlänge der erzeugten elektromagnetischen Strahlung entspricht und die Reflexionswerte der Spiegel (21, 23) sowie die Abweichung der optischen Dicke des Mediums (22) von der halben Wellenlänge der erzeugten Strahlung derart gewählt worden sind, dass die Gruppengeschwindigkeitsdispersion in der Nähe der Wellenlänge der erzeugten Strahlung minimal ist.

3. Halbleiterdiodenlaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Spiegel (21), das Medium (22) und der zweite Spiegel (23) Schichten aus Dielektriken umfasst.

4. Halbleiterdiodenlaser nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (20) Schichten (21, 22, 23) aus Al&sub2;O&sub3;, Si&sub3;N&sub4; und SiO&sub2; umfasst.

5. Halbleiterdiodenlaser nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Spiegel (21) eine Schicht aus Al&sub2;O&sub3; und eine Schicht aus Si&sub3;N&sub4; umfasst, die je eine optische Dicke von 1/4λ haben, wobei das Medium (22) eine SiO&sub2;-Schicht aufweist mit einer optischen Dicke von im Wesentlichen 1/2λ, und der zweite Spiegel (23) 11 Schichten aus jeweils Si&sub3;N&sub4; und SiO&sub2; aufweist, die je eine optische Dicke von 1/4λ haben, wobei λ die Wellenlänge der erzeugten elektromagnetischen Strahlung ist.

6. Halbleiterdiodenlaser nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Spiegel (21) eine Schicht aus Al&sub2;O&sub3; aufweist und fünf Schichten aus jeweils Si&sub3;N&sub4; und SiO&sub2;, die je eine optische Dicke von 1/4λ haben, das Medium (22) eine SiO&sub2;-Schicht aufweist mit einer optischen Dicke im Wesentlichen gleich 1/2λ, und dass der zweite Spiegel (23) 13 Schichten aufweist von jeweils Si&sub3;N&sub4; und SiO&sub2;, die je eine optische Dicke von 1/4λ haben.

7. Halbleiterdiodenlaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium (22) eine Halbleiterschicht aufweist, die mit elektrischen Anschlüssen versehen ist, mit deren Hilfe die Brechzahl der Halbleiterschicht geändert werden kann und die vorzugsweise an den Seitenflächen der Halbleiterschicht vorhanden sind.

8. Halbleiterdiodenlaser nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterdiodenlaser außerdem eine Wellenleiterschicht aufweist, die sich zwischen den Deckschichten (2, 4) befindet, die das streifenförmige aktive Gebiet in der Längsrichtung begrenzt und eine Länge von 1 bis 20 mm, vorzugsweise 2 bis 6 mm hat.

9. Optische Uhr mit einem Halbleiterdiodenlaser nach einem der vorstehenden Ansprüche.

10. Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterdiodenlasers, wobei ein Halbleiterkörper (100) dadurch gebildet wird, dass auf einem Substrat (1) eine Halbleiter-Schichtstruktur gebildet wird, die wenigstens eine erste Deckschicht (2) eines ersten Leitungstyps aufweist, eine zweite Deckschicht (4) eines zweiten entgegengesetzten Leistungstyps aufweist, und eine zwischenliegende aktive Schicht (3)aufweist, und wobei ein PN-Übergang gebildet wird, der bei einer ausreichenden Stromstärke in der Vorwärtsrichtung imstande ist, eine kohärente elektromagnetische Strahlung in einem streifenförmigen aktiven Bereich zu erzeugen, der innerhalb eines Hohlraumresonators liegt und einen Teil der aktiven Schicht (3) bildet, wobei die erste und die zweite Deckschicht (2, 4) mit elektrischen Verbindungsmitteln (7, 8) versehen ist, während der Hohlraumresonator durch Endflächen (50, 51) begrenzt wird, die im Wesentlichen senkrecht auf das aktive Gebiet stehen, und wobei wenigstens eine Endfläche (51) mit einer Deckschicht (20) versehen ist, und wobei diese Deckschicht derart ist, dass im kontinuierlichen Betrieb des Lasers die erzeugte elektromagnetische Strahlung in Form von Impulsen den Laser verlässt, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (20) derart ausgebildet ist, dass nacheinander ein erster Spiegel (21) an der Endfläche (51) gebildet ist, dass ein Medium (22) vorgesehen ist, mit einer optischen Dicke, die etwas geringer ist als eine ganze Anzahl Male der halben Wellenlänge der erzeugten elektromagnetischen Strahlung, und dass ein zweiter Spiegel (23) gebildet ist, wobei für die Deckschicht (20) ausschließlich Werkstoffe gewählt sind, die einen größeren Bandabstand haben als derjenige, der mit der Wellenlänge der erzeugten Strahlung übereinstimmt, während die Reflexionswerte der Spiegel sowie die Abweichung der optischen Dicke des Mediums von einer ganzen Anzahl Male der halben Wellenlänge der erzeugten Strahlung derart gewählt worden sind, dass die Gruppengeschwindigkeitsdispersion in der Nähe der Wellenlänge der erzeugten elektromagnetischen Strahlung negativ und vorzugsweise minimal ist.