SE501722C2 - Ytemitterande laseranordning med vertikal kavitet - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 501 722 2 En s k stor optisk kavitetslaser är känd exempelvis genom US-A-4 602 370. Denna anordning har ett flertal aktiva lager i den optiska kaviteten. Dessa aktiva lager är emellertid ej seriekopplade elektriskt och de optiska förlusterna blir stora. Dessa uppstår eftersom kontaktskik- ten befinner sig i områden med lika hög elektrisk fältstyr- ka som det aktiva skiktet.

I "Integrated Multilayer GaAs Lasers Separated by Tunnel Junctions" av J P van der Ziel och W T Tsang, Appl Phys Lett 41(6), 15 September 1982, är tre s k dubbelhetero- struktur GaAs-laserdioder seriekopplade genom backspända tunnelövergångar. Denna anordning beskriver emellertid ej någon ytemitterande laseranordníng och bildar ej heller någon vertikal optisk kavitet genom att den ej omfattar några dielektriska spegelanordningar. Genom att de aktiva lagren i en dylik anordning är anordnade på förhållandevis stort avstånd från varandra, vilket i sig är nödvändigt i detta fall, blir de olika optiska utsignalerna ifrån de olika lasrarna inkoherenta genom att lasrarna ej är kopplade till varandra.

Generellt gäller för alla vertikala ytemitterande lasrar, d v s lasrar med vertikal kavitet, att de elektriska spegelförlusterna, d v s p g a resistans i speglarna, är av stor betydelse och att det är ytterligt svårt att få tillräckligt hög impedans över det aktiva området. Detta är problematiskt eftersom hög impedans över det aktiva området kan vara av stor fördel vid en rad tillämpningar.

Speglarna i dylika anordningar har väsentligen två skilda funktioner, nämligen dels att utöva en ren spegelfunktion vilket ställer krav på materialet såsom att det skall ha goda optiska egenskaper, bl a låga optiska förluster o s v samt dels att leda ström fram till det andra aktiva området. Den sistnämnda funktionen förutsätter goda 10 15 20 25 30 35 5.01 722 3 ledningsegenskaper, lämpligen högdopade och med låg resistans. Kraven som ställes för de olika funktionerna är motstridiga och oförenliga vilket.leder till kompromisslös- ningar vilka ger upphov till stora spänningsfall i speglar- nä.

I den samtidigt av samma< sökanden inlämnade svenska patentansökan "Laseranordning med i en optisk kavitet seriekopplade laserstrukturer" beskrives en laseranordning som omfattar åtminstone två i en och samma optiska kavitet anordnade laserstrukturer vilka är elektriskt seriekoppla- de. Laserstrukturerna är i detta fall väsentligen paral- lellt anordnade i förhållande till varandra.

Vidare beskrives i en annan likaledes samtidigt inlämnad svensk patentansökan, av samma sökanden, "Optisk för- stärkningsanordning" en förstärkningsanordning som utnytt- jar seriekopplade laserstrukturer eller seriekopplade aktiva områden exempelvis i en vertikal kavitet.

Normalt innehåller s k diodlasrar ett, eller ibland flera, elektriskt parallelkopplade aktiva områden. Därvid genere- rar varje elektron som injiceras vid det aktiva området en foton. Se Fig. 1 som illustrerar en vanlig, konventionell laser med matningsströmmen 4I.

REDOGÖRELSE FÖR UPPFINNINGEN: Föreliggande uppfinning har som mål att ange en ytemitte- rande laseranordning såsom inledningsvis angivits genom vilken de resistiva, elektriska förluster som introduceras genom de dielektriska spegelanordningarna reduceras, d v s spänningsfallet över speglarna. Uppfinningen avser därige- nom bl.a. minska den relativa betydelsen av de elektriska spegelförlusterna. Ett ytterligare mål med uppfinningen är att reducera tröskelströmmen för en given effekt. Det är 10 15 20 25 30 35 501 722 4 också ett mål med uppfinningen att kunna höja den elektris- ka matningsimpedansen och samtidigt sänka tröskelströmmen.

Vidare är det ett generellt mål med uppfinningen att kunna anpassa impedansen uppåt. Ett ytterligare mål med upp- finningen är att ange en anordning vilken ger en god och även bättre förstärkning utan att därför spänningsfallet över speglarna ökar. Ett ytterligare mål med uppfinningen är att ange en anordning vilken är förhållandevis enkel och billig att framställa såväl som enkel att använda och som har ett stort användningsområde, d V s som är tillämpbar inom en rad olika områden, exempelvis inom optisk trans- missionsteknologi, optisk förbindelseteknologi, exempelvis mellan två halvledarchip ("0ptical Interconnect"), m m.

Dessa såväl som andra mål uppnås genom en anordning med de i patentkravet 1 angivna kännetecknen.

Föredragna utföringsformer anges genom de i underkraven angivna kännetecknen.

Enligt en föredragen utföringsform är uppfinningen så utformad att aktiva områden såväl som mellan dessa anordna- de kontaktområden eller skikt är parallella med de av det optiska fältet bildade stående vågplanen eller vågfronter- na, d v s vinkelräta mot vågornas utbredningsriktning.

Speciellt. är de aktiva områdena så arrangerade att. de ligger i horisontella plan svarande mot maximalt elektro- optiskt fält och de elektriska kontaktområdena eller kontaktskikten är arrangerade i horisontalplan svarande mot minima i det optiska elektriska fältet. De elektriska spegelanordningarna omfattar speciellt första och andra dielektriska Bragganordningar. Av dessa dielektriska Bragganordningar är den första anordnad upptill där den väsentligen avgränsar den vertikala kaviteten och även är något transparent. Den andra Bragganordningen är anordnad nedtill och enligt ett fördelaktigt utförande maximalt 10 15 20 25 30 35 501 722 5 reflekterande. De första respektive andra Bragganord- ningarna omges av topp- respektive bottenkontaktlager varvid toppkontaktlagret är väsentligen transparent. Enligt ett speciellt utförande omfattar laseranordningen fyra aktiva områden eller lager. Enligt ett speciellt utförande kan vidare de aktiva områdena eller lagren ha s k kvant- brunnstruktur. Vidare kan de elektriska kontaktområdena eller lagren speciellt vara av tunneldiodtyp med tunna, högdopade skikt. Anordningen bildar speciellt en lasera- nordning och emitterar laserljus. Enligt ett alternativt utförande emitterar anordningen ljus av LED-karaktär, d v s vid strömmar under tröskelströmmen.

FIGURBESKRIVNING: Uppfinningen kommer i det följande att närmare beskrivas icke på något vis i begränsande syfte, under hänvisning till bifogade figurer, där Fig. 2 schematiskt illustrerar en vertikalkavitetsla- ser av ytemitterande slag, Fig. 2a illustrerar ett aktivt område enligt Fig. 2, Fig. 2b illustrerar ett kontaktområde eller kontakt- lager enligt Fig. 2, Fig. 3 illustrerar en anordning enligt uppfinningen med kurva över den optiska intensiteten, Fig. 4 schematiskt illustrerar ett exempel på en anordning enligt uppfinningen.

FÖREDRAGNA UTFÖRINGSFORMER: I Fig. 2 illustreras en anordning 10 där en optisk, vertikal kavitet bildas av en första respektive en andra dielektrisk Braggspegelanordning la, lb. Den första Braggspegelanordningen la är anordnad upptill i den vertikala anordningen och är lämpligen något transparent. 10 15 20 25 30 35 501 722 6 Ovanpå denna första spegelanordning är anordnat ett toppkontaktlager 2a. Detta är' i det visade utförandet genomskinligt eller transparent. I det illustrerade utföringsexemplet är den undre Braggspegelanordningen lb så reflekterande som möjligt och under denna är ett bottenkon- taktlager 2b anordnat. Mellan de båda Braggspegelanord- ningarna la, lb är fyra aktiva områden eller lager 3a, 3b, 3c, 3d anordnade mellan vilka är anordnade kontaktområden eller kontaktlager 4a, 4b, 4c. De aktiva områdena eller lagren 3a, 3b, 3c, 3d illustreras tydligare i Fig. 2a. I detta fall är det aktiva området svagt n-dopat (n-). Andra alternativ är givetvis möjliga, exempelvis skulle det kunna vara svagt p-dopat (p-), men detta är i sig känd teknik. De aktiva områdena eller lagren 3a, 3b, 3c, 3d kan enligt ett speciellt utförande vara av kvantbrunnstruktur. Kontak- tområdena eller kontaktlagren 4a, 4b, 4c illustreras tydligare i Fig. lb. Kontaktlagren 4a, 4b, 4c kan enligt ett speciellt utförande vara av tunneldiodtyp med tunna högdopade skikt vilket framgår av figuren. I det illustre- rade exemplet visas hur ljuset emitteras. Detta kan vara av laser eller LED~karaktär, d v s svarande mot över eller under tröskelströmnivå. I Fig. 3 är anordningen enligt Fig. 2 illustrerad med en kurva över den optiska intensiteten och det framgår att varje kontaktlager eller kontaktområde 4a, 4b, 4c är beläget i ett plan motsvarande minimum i optisk intensitet IW,medan varje aktivt område 3a, 3b, 3c, 3d är beläget i områden motsvarande maximum i optisk intensitet IWP Exempelvis genom en elektrisk matningssignal Im introduceras ett optiskt stående vågmönster, d v s när I överstiger tröskelströmmen uppstår ett optiskt stående vågmönster med fyra (fyra eftersom utföringsexemplet omfattar fyra aktiva områden) intensitetstoppar. Det stående vågmönstret avklingar i Braggspegelanordningarna la, lb. De optiska förlusterna reduceras genom att maximum endast inträffar just i det aktiva områden. Med fyra aktiva områden 3a, 3b, 3c, 3d fås fyra spänningsfall på exempelvis lO 15 20 25 30 35 501 722 7 vardera 1 V. (1 V anger självfallet endast ett exempel i illustrativt syfte). Detta ger ett totalt spänningsfall på 4 V. Med fyra aktiva områden 3a, 3b, 3c, 3d blir för- stärkningen starkare utan att för den skull spänningsfallet över speglarna blir större vilket spänningsfall i själva verket är ett parasitspänningsfall (jfr. Fig. 1). I det illustrerade exemplet emitteras ljus uppåt (Fig. 2). Enligt alternativa utföranden skulle detta givetvis kunna vara såväl uppåt som nedåt eller i båda riktningarna (Fig. 3) varvid anordningen anpassas därtill i övrigt. Genom uppfin- ningen kan den relativa betydelsen av spegelförlusterna reduceras samtidigt som man kan få ner strömmen för en given effekt, d v s man ökar impedansen. Därigenom blir det lättare att anpassa till ledningar vilka exempelvis normalt har impedansen 50 ohm. Stora svårigheter har förelegat med att göra transmissionsledningar som avviker med stora faktorer ifrån 50 ohm, jämför koaxialkablar respektive u- strip-ledningar. Genom uppfinningen blir det möjligt att variera (öka) impedansen över de aktiva områdena, ex- empelvis med en faktor 16 samtidigt som tröskelströmmen är sänkt. med i storleksordningen för en givet effekt, en faktor 4. (Detta anger givetvis endast exempel på fakto- rer), svarande mot just fyra aktiva områden.

Enligt uppfinningen blir det nyttiga spänningsfallet, d v s spänningsfallet över de aktiva områdena (motsvarande den effekt som omvandlas till optisk effekt) fyra gånger större då anordningen omfattar fyra aktiva områden, generaliserat n gånger större om anordningen har n aktiva områden, jämför fallet illustrerat i Fig. 1. Dessutom ger n (i det visade utföringsexemplet är n=4) upphov till en större förstärk- ning varför en mindre reflektans i speglarna kan accepteras varigenom lägre krav ställes på dessa såsom att det blir möjligt att göra dessaa tunnare o s v. lO 15 20 25 501 722 8 I Fig. 4 illustreras ett exempel på en anordning enligt uppfinningen med cylindriskt tvärsnitt. Enligt ett utför- ingsexempel skulle den första Braggspegelanordningen kunna ha en tjocklek på ca 2-10 um och den andra Braggspegela- nordningen en tjocklek på ca 3-10 pm. Med fyra elektriskt seriekopplade områden bildande ett totalt aktivt område 3A skulle detta enligt det visade utföringsexemplet exempelvis kunna ha en tjocklek på 0,75 ,u.m. Diametern D hos den cylindriska anordningen skulle exempelvis kunna uppgå till 4 um. Detta anger givetvis endast exempel och en lång rad andra möjligheter föreligger naturligtvis.

Exempel på material är GaAlAs (speciellt för kortare våglängder såsom Å=O,8 u) och InGaAsP för längre våglängder (exempelvis Ä=l,3-1,6 u). Självfallet är en rad andra material användbara.

Uppfinningen skall givetvis ej begränsas till visade utföringsexempel utan kan varieras på en rad sätt inom ramen för patentkraven. Även om ett utföringsexempel med fyra aktiva lager eller områden har illustrerats är det givetvis möjligt att ha såväl färre som fler aktiva områden. Vidare kan de aktiva lagren respektive de elekt- riska kontaktområdena vara av konventionell karaktär, spegelanordningarna kan vara utformade på en rad olika sätt mm.

Claims (18)

10 15 20 25 30 35 501 722 9 Patentkrav

1. Ytemitterande laseranordning (10; 20) med åtminstone två aktiva (3a, 3b, 3c, 3c, ...) områden i en och samma optiska kavitet, där den optiska kaviteten är vertikal och i vertikal led väsentligen inneslutes eller begränsas av två dielektriska spegel-anordningar (la, lb; 1a', lb'), k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att de aktiva områdena (3a, 3b, 3c, 3d) är elektriskt seriekopplade.

2. Anordning enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att den är så utformad att ett vertikalt optiskt stående-vågmönster alstras i den optiska kaviteten.

3. Anordning enligt patentkrav 2, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att laseranordningen pumpas elektriskt genom en ström (I) som går vertikalt genom laseranordningen via en topp- och bottenkontakt.

4. Anordning enligt något av patentkraven 1-3, k ä n - n e t e c k n a d d ä 1: a v, att elektriska kontakt- områden (4a, 4b, 4c) är anordnade mellan de aktiva områdena (3a, 3b, 3c, 3d).

5. Anordning enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att de aktiva områdena (3a, 3b, 3c, 3d) och. kontaktområdena (4a, 4b, 4c) är vinkelräta mot utbredningsriktningen för de stående vågorna. 10 15 20 25 30 35 '501 722 10

6. Anordning enligt något av patentkraven 2-5, k ä n n e t e c k n a d d ä r a V, att de aktiva områdena (a, 3b, 3c, 3d) är arrangerade så att de ligger i horison- tella plan svarande mot maximalt elektro-optiskt fält.

7. Anordning enligt något av patentkraven 2-6, k ä n n e t e c k n a d d ä kontaktområden (4a, 4b, 4c) är arrangerade i horisontalplan svarande mot minima i det optiska elektriska fältet.

8. Anordning enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att de dielektriska spegelanordningarna (la, lb; 1a', lb') omfattar första och andra dielektriska Bragganordningar.

9. Anordning (10; 20) enligt patentkrav 8, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att den första Bragg- anordningen (la; la') är anordnad upptill och att den är något transparent.

10. Anordning (20) enligt något av patentkraven 8 eller 9, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att såväl den första som den andra Bragganordningen (la', lb') är något transparenta.

11. ll. Anordning (10) enligt patentkrav 8 eller 9, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att den andra Bragg- anordningen (lb) är anordnad nedtill och maximalt reflekte- rande.

12. Anordning enligt något av patentkraven 8-ll, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att den första respek- tive andra Bragganordningen (la, lb; la', lb') är omgivna av topp- respektive bottenkontaktlager varvid åtminstone toppkontaktlagret (2a; 2a') är väsentligen transparent. lO 15 20 501 722 ll

13. . Anordning enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att den omfattar fyra aktiva lager (3a, 3b, 3c, 3d).

14. Anordning enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att de aktiva områdena eller lagren (3a, 3b, 3c, 3d) har kvantbrunnsstruktur.

15. Anordning enligt något av föregående patentkrav, att de elektriska kontaktlagren (4a, 4b, 4c)är av tunneldiodtyp med tunna, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, högdopade skikt.

16. Anordning enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att den bildar en díodlaseranordníng.

17. Anordning (l0; 20) enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att den emitterar laserljus.

18. Anordning (10; 20) enligt något av patentkraven l-15, k ä n n e t e c k n a d d ä r a V, att den emitte- rar ljus av LED-karaktär.