NL8603229A

NL8603229A - Gedistribueerd teruggekoppelde halfgeleiderlaser.

Info

Publication number: NL8603229A
Application number: NL8603229A
Authority: NL
Original assignee: Sony Corp
Priority date: 1985-12-18
Filing date: 1986-12-18
Publication date: 1987-07-16
Also published as: DE3643361A1; NL194219C; GB8630146D0; US4833687A; GB2185149A; KR950003961B1; NL194219B; JPS62144378A; FR2591818B1; FR2591818A1; KR870006687A; GB2185149B; DE3643361C2

Description

-1- H.AL/cp/T793

Gedistribueerd teruggekoppe3.de halfgeleiderlaser

De onderhavige uitvinding betreft in het algemeen een gedistribueerd teruggekoppelde halfgeleiderlaser (distributed feedback semiconductor laser), Meer in het bijzonder betreft de uitvinding een gedistribueerd teruggekop-5 pelde halfgeleiderlaser die een enkele longitudinale modus kan opwekken.

Bij een gedistribueerd teruggekoppelde halfgelei-derlaser is oscillatie in een enkele longitudinale modus gewenst. Gebruikelijke gedistribueerd teruggekoppelde half-10 geleiderlasers hebben traliewerken gebruikt/ die onder regelmatige constanten zijn gerangschikt/ voor het gedistribueerd terugkoppelen van het licht via Bragg-reflectie* Set is echter moeilijk gebleken een enkele longitudinale modus in gebruikelijk gedistribueerd teruggekoppelde halfgeleiderlasers 15 op te wekkenr veelal worden twee longitudinale modi voor het licht opgewekt, waardoor het overspringen in modus plaatsvindt.

Ten einde bovengenoemd nadeel weg te nemen en voor het bereiken van een enkele longitudinale modus, zijn gedis-20 tribueerd teruggekoppelde halfgeleiderlasers voorgesteld, die de constante (pitch) in de nabijheid van het midden van het traliewerk kunnen veranderen, voor het opwekken van een faseverschil van «r , dat wil zeggen λ /4 faseverschuiving (λ = oscillatiegolflengte).

25 Het is echter moeilijk een nauwkeurig traliewerk te vervaardigen, waarvan de constante in de nabijheid·van het midden van het traliewerk kan veranderen, waardoor er een gerede kans is een grote hoeveelheid inferieure inrichtingen te vervaardigen, hetgeen de opbrengst van vervaardigde lasers 30 verlaagd.

Het is derhalve een eerste doel van de onderhavige uitvinding bovengenoemde nadelen weg te nemen en een.gedistribueerd teruggekoppelde halfgeleiderlaser te.verschaffen, die in een enkele longitudinale modus kan oscilleren.

* '*4» Τ' /% -2-

Het is een ander doel van de onderhavige uitvinding een gedistribueerd teruggekopppelde halfgeleiderlaser te verschaffen, die in een "enkele longitudinale modus kan oscilleren, zonder dat een nauwkeurig traliewerk voor het veranderen 5 van de constante pitch behoeft vervaardigd te worden en zonder de opbrengst van het vervaardigen van de lasers wordt verlaagd.

Ten einde bovengenoemde en andere specifieke doeleinden te bereiken, wordt een gedistribueerd teruggekoppelde 10 laser verschaft, waarbij een optische golfgeleider eerste en tweede rechte, langwerpige stukken en een gebogen stuk heeft. De constante of pitch van het traliewerk, in het geval dat licht door het gebogen deel passeert, is enigszins langer dan die in het geval van licht dat door de eerste en tweede 15 rechte, langwerpige stukken passeert, waardoor de fase van het langs de optische golfgeleider uitgezonden licht over λ /4 ( λ = oscillatiegolflengte) wordt verschoven, waardoor een enkele longitudinale modus wordt opgewekt.

Volgens een eerste aspect van de onderhavige uit- 20.vinding omvat een gedistribueerd teruggekoppelde halfgelei-derlaser: een eerste bekledingslaag, een activerende laag die op het bovenoppervlak van de eerste bekledingslaag is aangebracht, een geleidingslaag die op het bovenoppervlak van de activerende laag is aangebracht en die een. traliewerk heeft, 25 een tweede bekledingslaag die op het bovenoppervlakvan de geleidingslaag is aangebracht; een optische golfgeleider die laserlicht uitzendt, en middelen voor het over λ /4 (λ = oscillatiegolflengte) verschuiven van de fase van het langs de optische golfgeleider uitgezonden licht. Het traliewerk is 30 bij voorkeur met regelmatige constanten met een driehoekige dwarsdoorsnede gerangschikt. Er kan een enkele longitudinale modus qua laserlicht worden opgewekt door gebruikmaking van een optische golfgeleider' die omvat; een eerste recht, langwerpig stuk dat zich loodrecht op de richting waarin zich de 35 bovenrand en de onderzijde van het traliewerk uitstrekken, uitstrekt, en het gebogen stuk dat zich onder een hoek van het eerste rechte, langwerpige stuk uitstrekt, en een tweede 8603229- ^ si -3- recht, langwerpig stuk dat zich evenwijdig aan het eerste rechte, langwerpige stuk uitstrekt. De relatie tussen lengte Z van het gebogen deel en de hoek Θ van het gebogen deel ten opzichte van de eerste en tweede langwerpige rechte stuk-5 ken is als volgt: Z = { ~2~ + m) ( ~n~ ] 1 - cos 9 waarin 3 ongelijk aan 0° is, AQ constanten zijn wanneer 10 9= 0°, n de orde van het traliewerk is en m een geheel getal is. Ook de lengte 1 van het gebogen deel bij voorkeur minder dan ongeveer één-tie.nde van de gehele lengte van de laag. De hoek Θ is bij voorkeur kleiner dan 10°. De traliewerk kan op het bovenoppervlak van de actieve laag worden aangebracht. De 15 optische golfgeleider kan op het bovenoppervlak van de tweede bekledingslaag worden aangebracht. De optische golfgeleider heeft een rechthoekige doorsnede. De optische golfgeleider kan een richelgolfgeleider (ridge) zijn. De optische golfge-leider kan een indexgolfgeleider zoals een begraven hetero-20 structuur zijn, of een ribbe en een planair kanaalsubstraat.

Het gebogen deel kan eveneens een glad gekromd, langwerpig stuk omvatten.

Verdere kenmerken, details en voordelen van de onderhavige uitvinding zullen duidelijk worden aan de hand 25 van een tekening, van niet-beperkende uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding, waarin tonen: fig. T een perspectivisch aanzicht van een voorkeursuitvoeringsvorm van een gedistribueerd teruggekoppelde halfgeleiderlaser volgens de onderhavige uitvinding, 30 fig. 2 een bovenaanzicht van een gedistribueerd teruggekoppelde halfgeleiderlaser uit fig. 1, fig. 3 een schema dat het principe van λ /4-fase-verschuiving toont, en fig. 4 een bovenaanzicht van een andere voorkeurs-35 uitvoeringsvorm van een gedistribueerd teruggekoppelde half-geleiderlaser volgens de uitvinding.

**'V * · '-'s ·*' V ; ·> ^ S* -4-

De voorkeursuitvoeringsvorm van een gedistribueerd teruggekoppelde halfgeleiderlaser (fig. 1) volgens de onderhavige uitvinding omvat: een n-type GaAs-substraat 1? een eerste bekledingslaag 2, zoals een n-type.AlxGai_xAs-laag, 5 die op het bovenoppervlak van het n-type GaAs-substraat 1 is aangebracht; een actieve laag 3', zoals een AlyGa-j —yAs (y <.x)-laag, die op het bovenoppervlak van de activerende laag 2 is aangebracht; een geleidingslaag 4, zoals een p-type AlzGa-j_2 s (y< z< x)-laag, die op het bovenoppervlak van de actieve 10 laag 3 is aangebracht; en een tweede bekledingslaag 5, zoals een p-AlxGai-xAs-laag, die op het bovenoppervlak van de geleidingslaag 4 is aangebracht.

Traliewerk of roosters 7 zijn aangebracht op het bovenoppervlak van de geleidingslaag 4. Het traliewerk 15 (gratings) 7 zijn met regelmatige constanten en met driehoekige dwarsdoorsneden gerangschikt. De bovenrand en de onderzijde van het traliewerk strekt zich in de richting parallel aan de eindvlakken 6a en 6b uit. Voorts is, zoals getoond is in fig. 1 en 2, de tweede bekledingslaag 5 van een richel-20 golfgeleider 8 die zich bovenwaarts uitstrekt, voorzien. De richelgolfgeleider 8 heeft een rechthoekige dwarsdoorsnede en strekt zich vanuit het eindvlak 6a naar het tegengestelde eindvlak 6b uit. De richelgolfgeleider 8 omvat een eerste recht, langwerpig· stuk 8a, een gebogen deel 8b en een tweede 25 recht, langwerpig stuk 8c. Het eerste rechte, langwerpige stuk 8a strekt zich van het eindvlak 6a naar het midden van h.et bovenoppervlak van de tweede bekledingslaag 5 in de richting loodrecht op het eindvlak 6a uit. Het gebogen deel 8b strekt zich onder een hoek Θ van het eerste rechte, -langwer- 30 pige stuk 8a uit, waarvan de lengte t van het gebogen stuk is,. Het tweede rechte, langwerpige stuk 8c strekt zich van het eind van het gebogen deel 8b naar het tegengestelde eindvlak 6b in de richting parallel aan het eerste rechte, langwerpige stuk 8a uit.

35 Hieronder is beschreven hoe de lengte l van het ge bogen deel 8b van de richelgolfgeleider 8 en de hoek daarvan uit het eerste rechte, langwerpige stuk 8a en het tweede y 0 y 0 c £ i -5- rechte, langwerpige stuk 8c moet worden bepaald. In geval de bovenrand en de onderzijde van het traliewerk zich in de richting parallel aan de eindvlakken 6a en 6b, zoals bovengenoemd, uitstrekt, kan de traliewerkconstante (grating pitch) 5 (fig. 3) Λ1 in het gebogen deel 8b door de volgende formule worden weergegeven, wanneer de constante met Ag wordt benoemd, wanneer de hoek Θ =0°: A* =......AQ ----- (Ti co s 9 10

Zoals te zien is uit formule (1) is de traliewerkconstante, waar het licht langs passeert, in het gebied dat met het gebogen deel 8b in de nabijheid van het midden van de richelgolfgeleider 8 enigszins langer dan in de rechte, lang-15 werpige stukken 8a en 8c, zoals getoond is in fig. 3b. Voorts is de traliewerkconstante, in geval dat de rechte richelgolfgeleider geen einddeel heeft, getoond in fig. 3(A).

Indien de traliewerkfasên ü \,¾ en Ω3 bepaald worden, zoals in fig. 3(A) en 3(B) getoond wordt, kunnen de 2Q volgende formules worden toegepast: a2= + 01 ..... m

Ag n3= lISJ ♦ o, ..... (3) A' 25 waarbij n de orde van het traliewerk is. Uit de formules (2) en (3) kan het faseverschil ΔΩ tussen Ω2 en Ω3 door de volgende formule worden uitgedrukt: 1 _ 1 ΑΩ = 2 ττηϋ ( —r~ —77) ------- (4) 30 Ag Λ

De formule (4) heeft geen relatie met Ω-] . Indien gelijk is aan tt + (m = geheel getal) kan een λ/4-fase- verschuiving worden opgewekt. Daarom, onder gebruikmaking van ΑΩ = Tr+2iim, kan de volgende formule worden toegepast: 35 nl (-L _ i_) = _L+ m ..... (5)

Ag A1 2

De volgende formule kan verkregen worden uit de formules (5) en (1): : .· I : :: i -i

Jft ie.

-6-.

£ = (_L+m)(_i£. ) 1 ------ (6) 2 n 1 - cos .Θ waarbij 0/ 0. Dienovereenkomstig kan, indien de lengte £ de hoek Θ van het gebogen deel 8b zich volgens formule 6 verhou-5 den, kan λ /4-faseverschuiving, hetgeen correspondeert met een faseverschuiving van tt , in hoge mate optreden in het langs de richelgolfgeleider 8 uitgezonden licht. Bijvoorbeeld als m = 0 en Λβ/η=0,125 μια , 0=5°, dan is £ = 16,4 μ m, waardoor het gernakkelijk is de gewenste f aseverschuiving te 10 bereiken.

Zoals boven is beschreven, kan volgens de voor-keurs.uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding een λ /4-faseverschuiving door middel van het gebogen deel 8b van de richelgolfgeleider 8 worden bereikt, zodat een enkele 15 longitudinale oscillatiemodusgernakkelijk kan worden verkregen. Voorts kan \ /4-faseverschuiving worden verkregen zonder speciale moeite, dat wil zeggen zonder het verschuiven van de fase van het traliewerk 7 in de nabijheid van het midden van de richelgolfgeleider 8. Daardoor is het niet moeilijk een 20 gedistribueerd teruggekoppelde halfgeleiderlaser volgens de uitvinding te vervaardigen, en derhalve kan de vervaardi-gingsopbrengst van lasers worden verhoogd. ,

Het eerste rechte, langwerpige stuk 8b kan op het tweede rechte, langwerpige stuk 8c door middel van de vorm 25 van het gebogen, stuk 8b, dat een glad gekromd langwerpig stuk omvat, zijn aangesloten, zoals· getoond in fig. 4. In dit geval is er een voordeel dat het verlies aan licht klein is gedurende passage Van het licht daardoorheen. De lengte £ van het gebogen deel 8b is bij voorkeur kleiner dan ongeveer 30 één-tie-nde van de gehele lengte van de laser, dat wil zeggen minder dan ongeveer één-tiende van "de afstand tussen het eindvlak 6a en het daartegenover liggende eindvlak 6b.

De hoek Θ van het gebogen deel 8b is bi j voorkeur minder dan- 10° ten einde het verlies aan licht vanwege ver-35 strooiing te verminderen. Hoewel een richelgolfgeleider gebruikt wordt als een optische golfgeleider volgens de bovengenoemde voorkeursuitvoeringsvorm van de uitvinding kunnen, Ό n a t λ ^ a v =ir u .o /1 £ sf -7- indien noodzakelijk, verscheidene indexgolfgeleiders, zoals een begraven heterostructuur (BH) of een ribbe en planair kanaalsubstraat (CSP) eveneens worden gebruikt voor gedistribueerd teruggekoppelde halfgeleiderlasers volgens de uitvin-5 ding. Voorts kunnen, hoewel een n-AlxGai-xAs-laag 2 en een . p-AlxGa-j_xAs-laag 5 als bekledingslagen worden gebruikt en een AlyGa-j-yAs-laag 3 als een activerende laag wordt gebruikt en een p-AlzGa-]_zAs-laag 4 als een geleidingslaag wordt gebruikt, indien noodzakelijk, verscheidene halfgeleiderlagen 10 tevens worden gebruikt.

Figuur 4 toont een andere uitvoeringsvorm van de uitvinding, waarbij de rechte, langwerpige stukken 8a en 8c onderling parallel zijn gerangschikt, maar onder een hoek ten opzichte van de richting loodrecht op de einddelen 6a en 6b. 15 Dientengevolge zal er een faseverschuiving in het gebogen deel 8b ten opzichte van de recht, langwerpige stukken 8a en 8c zijn, op gelijke wijze als in de rangschikking van fig. 1 en 2.

Hoewel de onderhavige uitvinding is beschreven aan 20 de hand van de voorkeursuitvoeringsvorm ten einde een beter begrip van de uitvinding te vergemakkelijken, wordt opgemerkt dat de uitvinding kan worden uitgevoerd op verscheidene wijzen zonder het principe van de uitvinding te verlaten. Daarom wordt de uitvinding geacht alle mogelijke uitvoeringsvormen 25 en modificaties op de getoonde uitvoeringsvormen te omvatten, welke kunnen worden toegepast zonder het principe van de in bijgevoegde conclusies naar voren gebrachte uitvinding te verlaten.

"3 :I-- Λ «w .-¾ .Λ, V ‘-4

"* * *· -» - V

Claims

1. Gedistribueerd teruggekoppelde halfgeleiderla-ser, omvattende: een eerste bekledingslaag; een activerende laag die op het bovenoppervlak van 5 de eerste bekledingslaag is aangebracht; een geleidingslaag die op het bovenoppervlak van de activerende laag is aangebracht en die een traliewerk heeft; een tweede bekledingslaag die op het bovenoppervlak van de geleidingslaag is aangebracht; 10 een optische golfgeleider die laserlicht uitzendt; en middelen voor het over λ,/4 verschuiven van de fase van het langs de optische golfgeleider uitgezonden licht, waarbij λ de golflengte van het licht is. 15 2Gedistribueerd teruggekoppelde halfgeleiderlaser volgens conclusie 1, waarbij de optische golfgeleider op de tweede bekledingslaag is aangebracht,

3. Gedistribueerd teruggekoppelde halfgeleiderlaser volgens conclusie 2, waarbij het traliewerk op regelmatige 20 afstanden is aangebracht,

4. Gedistribueerd teruggekoppelde halfgeleiderlaser volgens conclusie 3, waarin de optische golfgeleider omvat: een eerste recht, langwerpig stuk; een tweede recht, langwerpig stuk evenwijdig maar 25 niet op één lijn liggend met het eerste rechte stuk; en een tussenliggend stuk grenzend aan de eerste en tweede rechte, langwerpige stukken.

5. Gedistribueerd teruggekoppelde halfgeleiderlaser volgens conclusie 4, waarin het eerste rechte, langwerpige 30 stuk zich loodrecht op de richting waarin zich de bovenrand en de onderzijde van het traliewerk uitstrekken, uitstrekt, en het tussenliggende stuk zich onder een hoek Θ van het eerste rechte, langwerpige stuk uitstrekt. ü 3 η τ 9 9 o -C» ί*ο ^ *» -9-

6. Gedistribueerd teruggekoppeide halfgeleiderlaser volgens conclusie 5, waarbij de middelen voor het over 1 /4 verschuiven van de fase van het langs de optische golfgelei-der uitgezonden licht het tussenliggende stuk omvatten.

7. Gedistribueerd teruggekoppelde halfgeleiderlaser volgens conclusie 5, waarbij het tussenliggende stuk zodanig gerangschikt is, dat de werkzame afstand van het traliewerk langs het tussenliggende stuk enigszins langer is dan in het geval dat licht door de eerste en tweede recht-langwerpige 10 stukken passeert.

8. Gedistribueerd teruggekoppelde halfgeleiderlaser volgens conclusie 7, waarbij de relatie tussen de lengte £ van het tussenliggende stuk en de hoek 8 van het tussenliggende stuk ten opzichte van de eerste en tweede recht-lang- 15 werpige stukken als volgt luidt: £ = ( — + m) ( —1L } -L- 2 n 1 - cos 8 waarin 8 ongelijk aan 0° is, Aq de eigenlijke traliewerk 20 constante is, n de orde van het traliewerk is en m een geheel getal is.

9. Gedistribueerd teruggekoppelde halfgeleiderlaser volgens conclusie 8, waarbij de lengte £ van het tussenliggende stuk kleiner is dan ongeveer één-tiende van de gehele 25 lengte van de laser.

10. Gedistribueerd teruggekoppelde halfgeleider-laser volgens conclusie 9, waarbij de hoek Θ minder dan 10° bedraagt.

11. Gedistribueerd teruggekoppelde halfgeleider-30 laser volgens conclusie 4, waarin het tussenliggende stuk glad gekromd is tussen de eerste en tweede delen.

12. Gedistribueerd teruggekoppeide halfgeleider-laser volgens conclusie 7, waarbij het traliewerk op het bovenoppervlak van de actieve laag is aangebracht en de 35 optische golfgeleider op het bovenoppervlak van de tweede be-kledingslaag is aangebracht. S' <v -1 οι 3. Gedistribueerd teruggekoppelde halfgeleider-· laser volgens conclusie 12,. waarbij de traliewerken een driehoekige dwarsdoorsnede hebben.

14. Gedistribueerd teruggekoppelde halfgeleider- 5 laser volgens conclusie 13, waarbij de optische golfgeleider een essentiële rechthoekige dwarsdoorsnede heeft.

15. Gedistribueerd teruggekoppelde halfgeleider-laser volgens conclusie 14, waarbij de optische golfgeleider een richélgolfgeleider is.

16. Gedistribueerd· teruggekoppelde halfgeleider- laser volgens conclusie 12, waarbij de optische golfgeleider :een indexgolfgeleider, zoals een begraven heterostructuur is, of een ribbe of een planair kanaalsubstraat is,

17. Gedistribueerd teruggekoppelde halfgeleider-15 laser volgens conclusie 8, waarbij de eerste bekledingslaag een n-type. AlxGai_xAs-laag omvat.

18. Gedistribueerd teruggekoppelde halfgeleider-laser volgens conclusie 17, waarbij de actieve laag een AlyGA-) -yAs-laag laag omvat, y <x.

19. Gedistribueerd teruggekoppelde halfgeleider- laser volgens conclusie 18, waarbij de geleidingslaag een p-type AlzGa-|_zAs-laag omvat, y<z<x.

20. Gedistribueerd teruggekoppelde halfgeleider-laser volgens conclusie 19, waarbij de tweede bekledingslaag 25 een p-type AlxGai-xAs-laag omvat. v Λ ”^*30 yr :J' fj.. Srm C* ^