WO2009036904A1 - Halbleiterlaser und verfahren zum betreiben eines halbleiterlasers - Google Patents

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semiconductor laser
dfb
laser
bragg grating
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PCT/EP2008/007324
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Bernd Sartorius
Jochen Kreissl
Ute Troppenz
Carsten Bornholdt
Martin MÖHRLE
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • H01S5/1215—Multiplicity of periods

Definitions

  • the invention relates to a semiconductor laser according to the preamble of the main claim and a method for operating such a semiconductor laser.
  • DFB Distributed Feedback Laser
  • Semiconductor lasers which, in addition to an active region embodied as a DFB (Distributed Feedback Laser) laser, comprise a passive resonator section which is optically coupled to the active region, have been developed in order to enable a particularly fast modulation of laser radiation.
  • This is a modu- Lation of the semiconductor laser by manipulation of said phase position possible, which allows switching on and off of the laser with comparatively small changes in a charge carrier density in the active region.
  • US 2004/0114656 A1 describes a corresponding DFB laser whose active region, as in the case of the laser from document EP 0 903 820 A2, comprises two sections with two different Bragg gratings.
  • Modulation frequencies of the order of 40 GHz are suitable. Namely, it turns out that a conventional semiconductor laser of the described type, when modulated by manipulating the phase position of the back-coupled light, tends to jump between different DFB modes, which obviates the desired high-frequency modulation.
  • the invention is therefore based on the object to develop a corresponding semiconductor laser which overcomes the described problem and is thus suitable for a very high-frequency modulation of the laser radiation, which semiconductor laser should be as uncomplicated as possible and thus suitable for ne ne mass production.
  • the invention is further based on the object to propose a corresponding method which allows operating a semiconductor laser with a very high modulation frequency.
  • Grids have different second Bragg gratings, wherein the two Bragg gratings differ from one another such that, during operation of the semiconductor laser, one and only two main modes of a DFB mode spectrum of the first section are in one of two main modes DFB mode spectrum of the second section overlaps.
  • a normal DFB laser does not emit exactly at a Bragg wavelength resulting from a product of grating period and refractive index, but instead exhibits a so-called stop band of typically about 2 nm to 5 nm in width, in which propagation of light waves is not possible because radiated waves are strongly reflected here.
  • the width of the stopband increases with the coupling coefficient of the grating, which in turn increases with the etch depth of the grating lines.
  • such a DFB laser therefore exhibits two main modes, which lie at a shortwave and a longwave edge of the stopband. Especially between these two Main modes typically occur in conventional DFB lasers in the previously described mode hop.
  • this mode jumping is prevented by the present invention in that the two abovementioned sections of the DFB laser are detuned against one another such that a constructive overlap of the DFB mode spectra exists only in each case in one of the two main modes of each section.
  • an advantageous method for operating such a semiconductor laser that it is driven with currents or currents in which a laser threshold is exceeded only for a comprehensive the first section and the second section DFB-mode system, but not for modes in the individual sections alone. This can easily be achieved by a sufficiently short execution of the individual sections.
  • the laser threshold is then exceeded only for the main mode, which has the same wavelength for both sections, while an unwanted jump to the other main mode is made impossible.
  • the active region of the described semiconductor laser additionally comprises further sections of corresponding design, that is to say with different Bragg gratings as described.
  • Typical embodiments of the invention provide that the second Bragg grating has a grating period different from the first Bragg grating to achieve the desired relative detuning of the portions of the active region. It is also possible that the laser direction in one of the sections has an angle to the grating line normal. Then one can may differ from the other Bragg grating effective grating period may be achieved even at the same distance of the individual grating lines.
  • the second Bragg grating may also have a coupling coefficient different from the first Bragg grating, e.g. be integrated by deviating etch depth, and / or in a structure with a different from the first Bragg grating refractive indices.
  • Coupling coefficients can be formed differently wide stop bands of DFB mode spectra, and it can additionally be achieved a suitable detuning of the Bragg gratings.
  • the two sections of the active region can be detuned in different ways against one another in order to achieve the desired effect.
  • the Bragg gratings may be e.g. be so designed that a shorter one of the two main modes of the first section overlaps with a longer one of the two main modes of the second section. It is irrelevant whether the first section is facing or facing away from the passive resonator section.
  • the stop bands defining the spacing between the two major modes of each DFB mode spectrum may be the same width in this case. Then the desired overlap is achieved by a relative detuning of the two Bragg gratings by one stop bandwidth.
  • Bragg gratings must be designed such that the corresponding DFB mode spectra have a different stop bandwidth, which can be achieved by greatly differing coupling coefficients, for example caused by different etching depths of the Bragg gratings. In contrast, only a very small relative detuning of the two sections is required in this case.
  • a transition with a ⁇ / 4 phase jump can be provided between the first Bragg grating and the second Bragg grating.
  • the passive resonator section of the semiconductor laser typically has, on a side facing away from the active region, a reflector which is provided by a mirror coating or by a passive Bragg grating, that is to say by a DBR (Distributed Bragg Reflector) or by a weakly pumped further DFB grating. which is set to transparency, can be realized. In particular, in the latter case, a reflectivity of the reflector can be modulated. It can be provided that the passive resonator section has a separate electrical contact for setting a refractive index of the passive resonator section. Thus, the relative phase position in the passive resonator section of reflected radiation and coupled back into the DFB laser can be adjusted.
  • a reflector which is provided by a mirror coating or by a passive Bragg grating, that is to say by a DBR (Distributed Bragg Reflector) or by a weakly pumped further DFB grating. which is set to transparency, can be realized. In particular, in the latter case
  • the refractive index can be influenced by current injection or by applied electrical voltage. Alternatively or additionally, it may be provided that a separately contacted active section for adjusting an amplitude of feedback radiation is integrated within the passive resonator section. Instead of a preferred because of its simplicity for the present invention PFL (passive feedback laser) is then obtained an AFL (Active Feedback Laser), which is characterized by more diverse control options.
  • AFL Active Feedback Laser
  • a particularly simple construction of a semiconductor laser of the type proposed here can be realized if the DFB laser with the two sections and the passive resonator section are mounted on a common semiconductor. Tersubstrat is built.
  • the semiconductor laser can be realized, for example, based on a III-V compound semiconductor, preferably based on InP or GaAs.
  • the materials mentioned are distinguished by optical properties suitable for a semiconductor laser and by good contactability.
  • the active region has an active layer common to the first portion and the second portion.
  • the Bragg gratings can be etched into this layer or, preferably, into another layer, for example a waveguide layer. They can be embodied with different grating period and / or etch depth and / or - in particular with a grating generation by electron beam exposure - with omission of some grating lines in one of the Bragg gratings to change an effective coupling coefficient.
  • a particularly advantageous operation of a semiconductor laser of the type presented provides for adjustment of the semiconductor laser in which the wavelength shift associated with the increase of the pumping current leads to a more constructive phase correlation of the wave reflected in the passive resonator section with a laser wave and thus the laser threshold is reduced. This is achieved when a possible laser action of the laser section is initially suppressed by a reflection of the passive resonator with an unfavorable phase position, ie with the greatest possible destructive interference.
  • This operating point can be adjusted via the optical length of the phase section, and variably adjustable in the finished part Component is this length by the proposed e- lektwitz control of the refractive index.
  • the radiation of the semiconductor laser can be modulated easily with modulation frequencies of more than 30 GHz, preferably at least 40 GHz, in a direct manner by a corresponding modulation of a drive current.
  • FIG. 1 shows a cross section through a semiconductor laser in an embodiment of the invention
  • Fig. 2 is a diagram with DFB mode spectra of two
  • Sections of a DFB laser from the semiconductor laser of FIG. 1 are Sections of a DFB laser from the semiconductor laser of FIG. 1,
  • FIG. 6 in a representation corresponding to FIG. 5, a semiconductor laser in a further embodiment of the invention.
  • FIG. 1 shows a semiconductor laser which has an active region 1 embodied as a DFB laser and a passive resonator section 2 which is optically coupled to the active region 1.
  • the resonator section 2 On a side facing away from the active region 1, the resonator section 2 has a reflector 3, which in the present case is realized by mirroring a facet of the semiconductor laser.
  • laser radiation which is generated in the active region 1 is reflected and, after passing through the resonator section 2, is coupled back into the DFB laser formed by the active region 1.
  • laser radiation generated in this way is finally coupled to an area of the semiconductor laser opposite the reflector 3.
  • the semiconductor laser has an active layer 4 and an overlying structured laser waveguide layer 5 and an underlying further laser waveguide layer 6, which also extends over the passive resonator section 2 on.
  • the active region 1 of the semiconductor laser comprises, in addition to a first section 7, in which the patterned laser waveguide layer 5 has a first Bragg grating, a second section 8 with a second Bragg grating, which differs from the first Bragg grating, also into the structured one Laser waveguide layer 5 is structured.
  • the two Bragg gratings differ from one another such that during operation of the semiconductor laser one and only one of two main modes of a DFB mode spectrum of the first section 7 with one of two main modes of a DFB mode spectrum of the second section 8 overlaps, as described in more detail below.
  • Modifications of the semiconductor laser shown in FIG. 1 may also comprise further sections of the active region 1, which - as here the sections 7 and 8 - are provided with different Bragg gratings.
  • the active layer 4 spans both the first section 7 and the second section 8 and serves as an active medium for both sections 7 and 8.
  • the entire semiconductor laser is constructed with the two sections 7 and 8 of the DFB laser and with the passive resonator section 2 on a common semiconductor substrate 9, which is a substrate made of InP or GaAs.
  • FIG. 1 shows a common electrical contact 10 arranged on an upper side of the semiconductor laser, to which a pump or drive current can be applied and with which both sections 7 and 8 of the active region 1 are driven.
  • the active layer 4 consists of a multi-quantum-well structure with four InGaAs cells of a thickness of 7 nm embedded in 10 nm thick InGaAsP (band edge
  • the active layer is enveloped by the patterned laser waveguide layer 5 as top waveguide layer of InGaAsP with band edge 1150 nm and a thickness of 150 nm and the other laser waveguide layer 6 as waveguide layer of InGaAsP with band edge 1300 nm and a thickness of 250 nm.
  • In the top waveguide layer are Grating etched with a coupling coefficient of 130 / cm, resulting in a stop bandwidth of about 5 nm.
  • the grids were written directly by an electron beam exposure system and transferred to the semiconductor by a dry etching process.
  • the Bragg wavelength of one grating is 1550 nm, that of the other grating is offset by 5 nm in the long-wave.
  • the two DFB sections 7 and 8 are each 130 microns long, a length at which, according to experience with these structures, a laser action can not be achieved. With a length of 260 ⁇ m, on the other hand, reliable laser action is achieved with these structures.
  • the active layer 4 and the upper waveguide layer have been etched away.
  • Waveguide is achieved by the continuous lower waveguide layer.
  • the laser axis and waveguide are created by forming a "ridge waveguide" laser structure, the DFB facet is coated anti-reflex, the facet on the passive section is coated with reflectivities of more than 90% DFB sections 7 and 8 are provided with a common electrical and radio-frequency-capable contact Further separate electrical contact on the passive section or phase section allows the refractive index control and thus the adjustment of the phase position of the reflected signal relative to the phase of the light wave the DFB laser.
  • the second Bragg grating disposed in the second portion 8 of the active region 1 has a slightly smaller grating period than the Bragg grating in the first portion 7.
  • the second Bragg grating has etched grating lines at a slightly smaller distance than the first Bragg grating.
  • the first Bragg grating could also be provided with a larger effective grating period by having the laser direction in one of the sections 7 or 8 having a non-vanishing angle to the grating line normal in the case of actually the same distance from the grating lines forming the Bragg gratings.
  • FIG. 2 shows a diagram in which, depending on a wavelength ⁇ plotted on the abscissa, relative reflectivities R are reproduced separately for the two sections 7 and 8 of the active region 1 of the semiconductor laser from FIG. 1, each having a DFB mode spectrum 11 or 12 of the corresponding section 7 or 8 of the DFB laser. ben.
  • a DFB mode spectrum 11 shifted toward higher wavelengths is to be assigned to the first section 7 and a DFB mode spectrum 12 shifted toward shorter wavelengths to the second section 8.
  • DFB lasers typical paired main modes 13 of the two DFB mode spectra 11 and 12, which are each separated by a stop band 14.
  • FIG. 2 now shows that due to a corresponding choice of the grating periods of the two Bragg gratings, a shorter one of the two main modes 13 of the first section 7 coincides with a longer one of the two main modes 13 of the second section 8.
  • the stop bands have in the present case an equal width of about 5 nm, wherein the two DFB mode spectra 11 and 12 are shifted in otherwise similar form by this width against each other.
  • FIG. 3 shows a corresponding diagram for another embodiment of the invention in which, due to a slightly different design of the two Bragg gratings, a shorter one of the two main modes 13 of the first section 7 overlaps a shorter one of the two main modes 13 of the second section 8, while the longer wavelength main modes 13 fall apart because the stop bands 14 have a different width here, and in addition the DFB mode spectrum 12 of the second portion 8 is shifted by half the difference of the widths of the stop bands 14 to shorter wavelengths.
  • the different width of the stop bands 14 results from different coupling coefficients of the two Bragg gratings, the Bragg grating of the first section 7 having a higher degree of modulation here due to a larger etching depth.
  • FIG. 4 shows a corresponding diagram for a further exemplary embodiment of the invention, which again differs from the previously described examples only by a slightly different design of the two Bragg gratings.
  • a longer-wavelength one of the two main modes 13 of the first section 7 overlaps with a longer one of the two main modes 13 of the second section 8, while the shorter-wavelength main modes 13 fall apart due to different widths of the stop bands 14. This is again due to a different due
  • a difference in the Bragg wavelengths of the two sections 7 and 8 can be achieved not only by different grating periods of the two Bragg gratings, but also by the fact that the structured laser waveguide layer 5 and / or or the other laser waveguide layer 6 in the region of the second section 8 a Even with the same distance of the grating lines in the two sections 7 and 8, the desired difference between the Bragg gratings can then result from a different wave propagation speed in the two sections 7 and 8.
  • FIG. 5 illustrates in a stylized manner a further semiconductor laser, which differs from the semiconductor laser shown in FIG. 1 only in that the passive resonator section 2 has a separate electrical contact 15, by the refractive index and optical length of the finished device Phase section, so the passive resonator section 2, electrically - by current injection or voltage application - can be variably adjusted to a required value.
  • Fig. 6 in a representation corresponding to FIG. 5, a further modification of the semiconductor laser of Fig. 1 is shown.
  • the semiconductor laser of Fig. 6 differs from the semiconductor laser of Fig. 1 only in the region of the reflector 3, wherein recurring features are again provided with the same reference numerals.
  • the reflector 3 is realized here by a passive Bragg grating, but instead of a weakly pumped and set on transparency another DFB grid could be provided.
  • a separately contacted active section 16 for adjusting an amplitude (amplification or attenuation) of feedback radiation is integrated.
  • the semiconductor laser shown in FIG. 6 is an AFL laser.
  • This semiconductor laser allows a control of the intensity of the feedback radiation and thereby a modulation of the laser radiation emitted by the semiconductor laser. If the passive Bragg grating forming the reflector 3 is replaced by another weakly pumped DFB grating, a corresponding modulation can also be effected by driving this DFB grating.
  • the semiconductor lasers described with reference to FIGS. 1 to 6 are operated as intended with drive currents in which the individual sections 7 and 8 alone do not exceed their respective laser threshold, because the volume of the active layer 4 in these sections 7 and 8 for one Subrange limited turning on the DFB laser is too low. Since the contained in the semiconductor laser
  • the DFB laser from the active region 1 so can be turned on only as a whole at the drive currents used, the semiconductor laser ignites only in exactly the main mode 13, which is in both sections 7 and 8 at the same wavelength.
  • the threshold amplification or charge carrier density required to ignite this selected main mode 13 is, in turn, dependent on the phase position of the laser radiation reflected by the reflector 3 and again coupled into the active region 1.
  • the dependence of this threshold amplification on the phase position of the laser radiation, which is again coupled into the active region 1 after reflection at the reflector 3, is illustrated schematically in the diagram shown in FIG.
  • the phase angle ⁇ is plotted on the abscissa, the threshold gain V on the ordinate.
  • the modulation frequency of a normal DFB laser are set much narrower physical limits.
  • the most important parameter here is the differential gain, which can be written with the gain g (gain) and the carrier density n as dg / dn.
  • the gain g gain
  • the carrier density n is raised above a threshold density n th .
  • the more the resulting amplification exceeds a threshold gain the faster the DFB laser switches on and the higher the frequency it is able to modulate.
  • So-called quantum well structures which can also be provided in the case of the semiconductor lasers described here, have advantages over massive layers.

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Halbleiterlaser, umfassend einen als DFB-Laser ausgeführten aktiven Bereich (1) sowie einen mit dem aktiven Bereich (1) optischen gekoppelten passiven Resonatorabschnitt (2), wobei der aktive Bereich (1) neben einem ersten Abschnitt (7) mit einem Bragg-Gitter einen zweiten Abschnitt (8) mit einem vom ersten Bragg-Gitter verschiedenen zweiten Bragg-Gitter aufweist und wobei sich die beiden Bragg-Gitter so voneinander unterscheiden, dass sich eine und nur eine von Hauptmoden eines DFB-Modenspektrums des ersten Abschnitts (7) mit einer von zwei Hauptmoden eines DFB-Modenspektrums des zweiten Abschnitts (8) überlappt. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Halbleiterlasers.

Description

Halbleiterlaser und Verfahren zum Betreiben eines Halbleiterlasers
Die Erfindung betrifft einen Halbleiterlaser nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs sowie ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Halbleiterlasers .
Halbleiterlaser, die neben einem als DFB-Laser (Distributed Feedback Laser) ausgeführten aktiven Be- reich einen mit dem aktiven Bereich optisch gekoppelten passiven Resonatorabschnitt umfassen, sind entwickelt worden, um eine besonders schnelle Modulation von Laser-Strahlung zu ermöglichen. Dabei macht man sich zunutze, dass im passiven Resonatorab-schnitt reflektiertes und wieder in den DFB-Laser eingekoppeltes Licht je nach Phasenlage oder Intensität mehr oder weniger verstärkend oder abschwächend wirkt und so eine für das Einsetzen der Lasertätigkeit zu überschreitende Schwellenverstärkung des Halbleiterlasers erhöhen oder herabsetzen kann. Damit wird eine Modu- lation des Halbleiterlasers durch eine Manipulation der genannten Phasenlage möglich, was ein Ein- und Ausschalten des Lasers bei vergleichsweise geringen Änderungen einer Ladungsträgerdichte im aktiven Be- reich erlaubt.
Aus der Druckschrift US 2004/0114656 Al ist ein entsprechender DFB-Laser beschrieben, dessen aktiver Bereich, wie auch bei dem Laser aus der Druckschrift EP 0 903 820 A2 , zwei Abschnitte mit zwei verschiedenen Bragg-Gittern umfasst .
Es erweist sich allerdings als außerordentlich schwierig, derartige Halbleiterlaser nach dem Stand der Technik herzustellen, die für angestrebte hohe
Modulationsfrequenzen einer Größenordnung von 40 GHz geeignet sind. Es stellt sich nämlich heraus, dass ein gewöhnlicher Halbleiterlaser beschriebener Bauart bei einer Modulation durch Manipulation der Phasenla- ge rückgekoppelten Lichts dazu neigt, zwischen verschiedenen DFB-Moden zu springen, was die gewünschte hochfrequente Modulation vereitelt.
Der Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, einen entsprechenden Halbleiterlaser zu entwickeln der das geschilderte Problem überwindet und sich damit für eine sehr hochfrequente Modulation der Laserstrahlung eignet, wobei dieser Halbleiterlaser möglichst unkompliziert herstellbar sein und sich damit auch für ei- ne Massenherstellung eignen soll. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein entsprechendes Verfahren vorzuschlagen, das ein Betreiben eines Halbleiterlasers mit einer sehr hohen Modulationsfrequenz erlaubt .
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Halbleiterlaser mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Hauptanspruchs sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 13. Vorteil- hafte Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen der Erfindung ergeben sich mit den Merkmalen der Unteransprüche .
Ein Modenspringen zwischen verschiedenen DFB-Moden, das eine schnelle Modulation beschriebener Art (Güte- Modulation) vereiteln würde, wird dabei dadurch verhindert, dass der aktive Bereich neben einem ersten Abschnitt mit einem ersten Bragg-Gitter einen zweiten Abschnitt mit einem vom ersten Bragg-Gitter verschie- denen zweiten Bragg-Gitter aufweist, wobei sich die beiden Bragg-Gitter so voneinander unterscheiden, dass sich bei einem Betrieb des Halbleiterlasers eine und nur eine von zwei Hauptmoden eines DFB-Modenspektrums des ersten Abschnitts mit einer von zwei Haupt- moden eines DFB-Modenspektrums des zweiten Abschnitts überlappt .
Ein normaler DFB-Laser emittiert nicht exakt bei einer sich durch ein Produkt aus Gitterperiode und Bre- chungsindex ergebenden Bragg-Wellenlänge, sondern zeigt dort vielmehr ein so genanntes Stoppband einer Breite von typischerweise etwa 2 nm bis 5 nm, in dem eine Ausbreitung von Lichtwellen nicht möglich ist, weil eingestrahlte Wellen hier stark reflektiert wer- den. Die Breite des Stoppbandes wächst mit dem Koppelkoeffizienten des Gitters, der wiederum mit der Ätztiefe der Gitterstriche zunimmt. Statt eines Maximums bei der Bragg-Wellenlänge zeigt ein solcher DFB- Laser daher vielmehr zwei Hauptmoden, die an einem kurzwelligen und einem langwelligen Rand des Stoppbandes liegen. Insbesondere zwischen diesen beiden Hauptmoden tritt bei üblichen DFB-Lasern typischerweise das zuvor beschrieben Modenspringen auf . Gerade dieses Modenspringen wird aber durch die vorliegende Erfindung verhindert, indem die zwei genannten Ab- schnitte des DFB-Lasers so gegeneinander verstimmt sind, dass eine konstruktive Überlappung der DFB-Modenspektren nur bei jeweils einer der zwei Hauptmoden jedes Abschnitts vorliegt.
Dementsprechend sieht ein vorteilhaftes Verfahren zum Betreiben eines derartigen Halbleiterlasers vor, dass er mit Strömen bzw. Stromstärken angesteuert wird, bei denen eine Laserschwelle nur für ein den ersten Abschnitt und den zweiten Abschnitt umfassendes DFB- Moden-System überschritten wird, nicht aber für Moden in den einzelnen Abschnitte allein. Das lässt sich leicht durch eine hinreichend kurze Ausführung der einzelnen Abschnitte erreichen. Die Laserschwelle wird dann nur für die Hauptmode überschritten, die für beide Abschnitte die gleiche Wellenlänge hat, während ein unerwünschtes Springen auf die jeweils andere Hauptmode unmöglich gemacht wird.
Selbstverständlich ist es möglich, dass der aktive Bereich des beschriebenen Halbleiterlasers zusätzlich weitere Abschnitte entsprechender Gestaltung, also mit in beschriebener Weise unterschiedlichen Bragg- Gittern, aufweist.
Typische Ausführungen der Erfindung sehen vor, dass das zweite Bragg-Gitter eine vom ersten Bragg-Gitter abweichende Gitterperiode hat, um die gewünschte relative Verstimmung der Abschnitte des aktiven Bereichs zu erreichen. Es ist auch möglich, dass die Laserrichtung in einem der Abschnitte einen Winkel zur Gitterstrich-Normalen aufweist. Dann kann eine vom anderen Bragg-Gitter abweichende effektive Gitterperiode unter Umständen auch bei gleichem Abstand der einzelnen Gitterstriche erreicht werden.
Alternativ oder zusätzlich kann das zweite Bragg- Gitter auch einen vom ersten Bragg-Gitter abweichenden Kopplungskoeffizienten aufweisen, z.B. durch abweichende Ätztiefe, und/oder in eine Struktur mit einem vom ersten Bragg-Gitter abweichenden Brechungsin- dex integriert sein. Durch die unterschiedlichen
Kopplungskoeffizienten können unterschiedlich breite Stoppbänder der DFB-Modenspektren ausgebildet werden, und es kann zusätzlich eine geeignete Verstimmung der Bragg-Gitter erreicht werden.
Durch eine entsprechende Ausführung der Bragg-Gitter können die beiden Abschnitte des aktiven Bereichs in unterschiedlicher Weise gegeneinander verstimmt sein, um die gewünschte Wirkung zu erzielen. So können die Bragg-Gitter z.B. so ausgeführt sein, dass sich eine kurzwelligere der zwei Hauptmoden des ersten Abschnitts mit einer langwelligeren der zwei Hauptmoden des zweiten Abschnitts überlappt. Dabei ist es unerheblich, ob der erste Abschnitt dem passiven Resona- torabschnitt zu- oder abgewandt liegt. Die den Abstand zwischen den zwei Hauptmoden jedes DFB-Modenspektrums definierenden Stoppbänder können in diesem Fall gleiche Breite haben. Dann wird die gewünschte Überlappung durch eine relative Verstimmung der bei- den Bragg-Gitter um eine Stoppbandbreite erreicht.
Andere Ausführungen der Erfindung sehen vor, dass sich eine kurzwelligere der zwei Hauptmoden des ersten Abschnitts mit einer kurzwelligeren der zwei Hauptmoden des zweiten Abschnitts überlappt oder dass sich eine langwelligere der zwei Hauptmoden des ersten Abschnitts mit einer langwelligeren der zwei Hauptmoden des zweiten Abschnitts überlappt. Dafür müssen die Bragg-Gitter so ausgeführt sein, dass die entsprechenden DFB-Modenspektren eine unterschiedli- che Stoppbandbreite haben, was sich durch stark unterschiedliche Kopplungskoeffizienten, verursacht beispielsweise durch unterschiedliche Ätztiefen der Bragg-Gitter, erreichen lässt. Dagegen ist in diesem Fall nur eine sehr geringe relative Verstimmung der beiden Abschnitte erforderlich.
Um eine für die erwünschte Wirkung optimale optische Kopplung zwischen den Abschnitten des aktiven Bereichs zu erreichen, kann zwischen dem ersten Bragg- Gitter und dem zweiten Bragg-Gitter ein Übergang mit einem λ/4-Phasensprung vorgesehen sein.
Eine bevorzugte Ausführung der Erfindung sieht vor, dass der aktive Bereich für den ersten Abschnitt und den zweiten Abschnitt einen gemeinsamen elektrischen
Kontakt zum Anlegen eines Pumpstroms oder Ansteuerstroms aufweist. Das führt zu einer vorteilhaft einfachen Ansteuerung des Lasers, die keine separate Steuerung der verschiedenen Abschnitte des aktiven Bereichs erfordert. Die entscheidende Bedingung einer Überlappung genau einer von zwei Hauptmoden eines Abschnitts mit der entsprechenden Hauptmode des anderen Abschnitts wird dabei durch die geeignete technologische Einstellung der Gitter-Parameter erreicht. Eine völlig exakte Einstellung ist dabei nicht erforderlich, da die DFB-Moden eine gewisse Breite haben und sich so in einem gewissen Toleranzbereich eine gemeinsame Lasermode ausbilden kann. Alternativ kann jedoch auch eine getrennte Ansteuerung der verschie- denen Abschnitte des aktiven Bereichs vorgesehen sein, um so Abweichungen von der optimalen Modenkor- relation durch eine angepasste etwas unterschiedlich gewichtete elektrische Ansteuerung der Abschnitte ausgleichen zu können.
Der passive Resonatorabschnitt des Halbleiterlasers weist typischerweise an einer dem aktiven Bereich abgewandten Seite einen Reflektor auf, der durch eine Verspiegelung oder durch ein passives Bragg-Gitter, also durch einen DBR (Distributed Bragg Reflector) , oder durch ein schwach gepumptes weiteres DFB-Gitter, das auf Transparenz eingestellt ist, realisiert sein kann. Insbesondere im letztgenannten Fall kann dabei auch eine Reflektivität des Reflektors moduliert werden. Es kann vorgesehen sein, dass der passive Reso- natorabschnitt einen separaten elektrischen Kontakt zum Einstellen eines Brechungsindex des passiven Resonatorabschnitts aufweist. Damit kann die relative Phasenlage im passiven Resonatorabschnitt reflektierter und wieder in den DFB-Laser eingekoppelter Strah- lung eingestellt werden. Der Brechungsindex kann durch Strominjektion oder durch angelegte elektrische Spannung beeinflusst werden. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass innerhalb des passiven Resonatorabschnitts eine separat kontaktierte ak- tive Sektion zum Einstellen einer Amplitude rückgekoppelter Strahlung integriert ist. Anstelle eines aufgrund seiner Einfachheit für die vorliegende Erfindung bevorzugten PFL (Passive Feedback Laser) erhält man dann einen AFL (Active Feedback Laser) , der sich durch vielfältigere Ansteuermöglichkeiten auszeichnet .
Ein besonders einfacher Aufbau eines Halbleiterlasers hier vorgeschlagener Art lässt sich realisieren, wenn der DFB-Laser mit den zwei Abschnitten und der passive Resonatorabschnitt auf einem gemeinsamen Halblei- tersubstrat aufgebaut wird. Der Halbleiterlaser kann beispielsweise auf Basis eines III-V-Verbindungshalb- leiters, vorzugsweise auf Basis von InP oder GaAs, realisiert sein. Die genannten Materialien zeichnen sich durch für einen Halbleiterlaser geeignete optische Eigenschaften sowie durch eine gute Kontaktierbarkeit aus .
Im Hinblick auf einen möglichst einfachen Aufbau des Halbleiterlasers ist es ferner vorteilhaft, wenn der aktive Bereich eine für den ersten Abschnitt und den zweiten Abschnitt gemeinsame aktive Schicht aufweist. Die Bragg-Gitter können in diese Schicht oder vorzugsweise in eine weitere Schicht, beispielsweise ei- ne Wellenleiterschicht, geätzt sein. Sie können dabei mit unterschiedlicher Gitterperiode und/oder Ätztiefe und/oder - insbesondere bei einer Gittererzeugung durch Elektronenstrahl-Belichtung - mit Auslassung einiger Gitterstriche in einem der Bragg-Gitter zur Änderung eines effektiven Kopplungskoeffizienten ausgeführt sein.
Ein besonders vorteilhafter Betrieb eines Halbleiterlasers der vorgestellten Art sieht eine Einstellung des Halbleiterlasers vor, bei der die mit der Erhöhung des Pumpstromes verbundene Wellenlängenverschiebung zu einer konstruktiveren Phasenkorrelation der im passiven Resonatorabschnitt reflektierten Welle mit einer Laserwelle führt und so die Laserschwelle herabgesetzt wird. Dies wird erreicht, wenn eine mögliche Lasertätigkeit der Lasersektion zunächst unterdrückt wird durch eine Reflektion des passiven Resonators mit ungünstiger Phasenlage, d.h. mit möglichst starker destruktiver Interferenz. Eingestellt werden kann dieser Arbeitspunkt über die optische Länge der Phasensektion, und variabel einstellbar im fertigen Bauelement ist diese Länge durch die vorgesehene e- lektrische Ansteuerung des Brechungsindex. Wird der Laser von diesem Arbeitspunkt ausgehend höher gepumpt, so wird mit höherer Ladungsträgerdichte nicht nur die Verstärkung erhöht, sondern auch der Brechungsindex und die DFB Modenwellenlänge verändert und so der Arbeitspunkt der großen negativen Interferenz verlassen. Die reflektierte Lichtwelle trägt nun konstruktiv zur DFB Lasermode bei, die Laserschwelle für diesen Zustand ist damit kleiner und der Laser springt wesentlich schneller an als bei einem konventionellen DFB-Laser, der durch Erhöhen der Ladungsträgerdichte eingeschaltet wird. Umgekehrt gilt das gleiche für ein schnelles Ausschalten des Halbleiter- lasers durch ein reduzieren des Pumpstroms bzw. der Ansteuerstromstärke und damit der Ladungsträgerdichte. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sehen vor, dass die Strahlung des Halbleiterlasers problemlos mit Modulationsfrequenzen von über 30 GHz, vor- zugsweise mindestens 40 GHz, moduliert werden kann, und zwar in direkter Weise durch eine entsprechende Modulation eines Ansteuerstroms.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren 1 bis 7 beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Halbleiterlaser in einer Ausführung der Erfindung,
Fig. 2 ein Diagramm mit DFB-Modenspektren zweier
Abschnitte eines DFB-Lasers aus dem Halbleiterlaser aus Fig. 1,
Fig. 3 in einem vergleichbaren Diagramm die DFB- Modenspektren eines Halbleiterlasers in ei- ner anderen Ausführung der Erfindung,
Fig. 4 in entsprechender Darstellung die DFB- Modenspektren in einer dritten Ausführung der Erfindung,
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Halbleiterlasers in einer Weiterbildung der Erfindung,
Fig. 6 in einer der Fig. 5 entsprechenden Darstellung einen Halbleiterlaser in einer weiteren Ausführung der Erfindung und
Fig. 7 ein Diagramm, das eine Abhängigkeit einer
Schwellenverstärkung der beschriebenen Halbleiterlaser von einer Phasenlage einer in einem passiven Resonatorabschnitt reflektierten Welle veranschaulicht.
In Fig. 1 ist ein Halbleiterlaser zu erkennen, der einen als DFB-Laser ausgeführten aktiven Bereich 1 sowie einen mit dem aktiven Bereich 1 optisch gekoppelten passiven Resonatorabschnitt 2 aufweist. An ei- ner dem aktiven Bereich 1 abgewandten Seite weist der Resonatorabschnitt 2 einen Reflektor 3 auf, der im vorliegenden Fall durch eine Verspiegelung einer Facette des Halbleiterlasers realisiert ist. Durch diesen Reflektor wird Laserstrahlung, die im aktiven Bereich 1 erzeugt wird, reflektiert und nach Passieren des Resonatorabschnitts 2 wieder in den durch den aktiven Bereich 1 gebildeten DFB-Laser eingekoppelt. Ausgekoppelt wird so erzeugte Laser-Strahlung schließlich an einer dem Reflektor 3 gegenüberliegen- den Fläche des Halbleiterlasers. Im aktiven Bereich 1 weist der Halbleiterlaser eine aktive Schicht 4 sowie eine darüber liegende strukturierte Laserwellenleiterschicht 5 und eine darunter liegende weitere Laserwellenleiterschicht 6, die sich auch über den passiven Resonatorabschnitt 2 erstreckt, auf.
Der aktive Bereich 1 des Halbleiterlasers umfasst neben einem ersten Abschnitt 7, in dem die strukturier- te Laserwellenleiterschicht 5 ein erstes Bragg-Gitter aufweist, einen zweiten Abschnitt 8 mit einem vom ersten Bragg-Gitter verschiedenen zweiten Bragg- Gitter, das ebenfalls in die strukturierte Laserwellenleiterschicht 5 einstrukturiert ist. Dabei unter- scheiden sich die beiden Bragg-Gitter so voneinander, dass sich bei einem Betrieb des Halbleiterlasers eine und nur eine von zwei Hauptmoden eines DFB-Modenspektrums des ersten Abschnitts 7 mit einer von zwei Hauptmoden eines DFB-Modenspektrums des zweiten Ab- Schnitts 8 überlappt, wie weiter unten noch ausführlicher beschrieben wird.
Abwandlungen des in Fig. 1 gezeigten Halbleiterlasers können auch weitere Abschnitte des aktiven Bereichs 1 aufweisen, die - wie hier die Abschnitte 7 und 8 - mit unterschiedlichen Bragg-Gittern versehen sind. Die aktive Schicht 4 überspannt sowohl den ersten Abschnitt 7 als auch den zweiten Abschnitt 8 und dient für beide Abschnitte 7 und 8 als aktives Medium. Der gesamte Halbleiterlaser ist mit den zwei Abschnitten 7 und 8 des DFB-Lasers und mit dem passiven Resonatorabschnitt 2 auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat 9 aufgebaut, bei dem es sich hier um ein Substrat aus InP oder GaAs handelt. Schließlich ist in Fig. 1 ein gemeinsamer, an einer Oberseite des Halbleiterlasers angeordneter elektrischer Kontakt 10 erkennbar, an den ein Pump- oder Ansteuerstrom anlegbar ist und mit dem beide Abschnitte 7 und 8 des aktiven Bereichs 1 angesteuert werden.
Bei dem in Fig. 1 abgebildeten Ausführungsbeispiel besteht die aktive Schicht 4 aus einer Multi-Quantum- Well-Struktur mit vier InGaAs-WeIIs einer Dicke von 7 nm eingebettet in 10 nm dicke InGaAsP (Bandkante
1300nm) Barrieren. Die aktive Schicht wird umhüllt von der strukturierten Laserwellenleiterschicht 5 als obere Wellenleiterschicht aus InGaAsP mit Bandkante 1150 nm und einer Dicke von 150 nm und der weiteren Laserwellenleiterschicht 6 als Wellenleiterschicht aus InGaAsP mit Bandkante 1300 nm und einer Dicke von 250 nm. In die obere Wellenleiterschicht sind Gitter geätzt mit einem Kopplungskoeffizienten von 130/cm, was zu einer Stoppbandbreite von ca. 5 nm führt. Die Gitter sind durch eine Elektronenstrahl-Belichtungsanlage direkt geschrieben und mit einem Trockenätz- prozess in den Halbleiter übertragen worden. Die Braggwellenlänge des einen Gitters liegt bei 1550 nm, die des anderen Gitters ist um 5 nm ins Langwellige versetzt. Die beiden DFB-Abschnitte 7 und 8 sind jeweils 130 μm lang, eine Länge, bei der nach Erfahrungswerten mit diesen Strukturen eine Lasertätigkeit nicht erreicht werden kann. Bei einer Länge von 260 μm wird dagegen mit diesen Strukturen zuverlässig La- sertätigkeit erreicht.
In der durch den passiven Resonatorabschnitt 2 gegebenen passiven Sektion einer Länge von 300 μm sind die aktive Schicht 4 und die obere Wellenleiter- Schicht weggeätzt worden. Wellenleitung wird durch die durchgehende untere Wellenleiterschicht erreicht. Die Laserachse und Wellenführung in dieser ist durch Ausbildung einer „Ridge Waveguide" Laser-Struktur bewirkt. Die DFB-Facette ist anti-reflex beschichtet, die Facette an der passiven Sektion ist mit einer Verspiegelung mit Reflektivitäten von mehr als 90 % versehen. Die beiden DFB-Abschnitte 7 und 8 sind mit einem gemeinsamen elektrischen und hochfrequenztauglichen Kontakt versehen. Ein weiterer getrennter e- lektrischer Kontakt an der passiven Sektion oder Pha- sensektion erlaubt die Brechungsindex-Steuerung und damit die Einstellung der Phasenlage des reflektierten Signals relativ zur Phase der Lichtwelle der DFB- Laser.
Bei dem in Fig. 1 abgebildeten Ausführungsbeispiel hat das zweite Bragg-Gitter, das im zweiten Abschnitt 8 des aktiven Bereichs 1 angeordnet ist, eine geringfügig kleinere Gitterperiode als das Bragg-Gitter im ersten Abschnitt 7. Zu diesem Zweck weist das zweite Bragg-Gitter eingeätzte Gitterstriche mit einem geringfügig geringeren Abstand auf als das erste Bragg- Gitter. Alternativ könnte auch das erste Bragg-Gitter mit einer größeren effektiven Gitterperiode versehen werden, indem bei tatsächlich gleichem Abstand von die Bragg-Gitter bildenden Gitterstrichen die Laserrichtung in einem der Abschnitte 7 oder 8 einen nicht verschwindenden Winkel zur Gitterstrich-Normalen aufweist .
Fig. 2 zeigt ein Diagramm, bei der in Abhängigkeit einer auf der Abszisse aufgetragenen Wellenlänge λ für die beiden Abschnitte 7 und 8 des aktiven Bereichs 1 des Halbleiterlasers aus Fig. 1 separat relative Reflektivitäten R wiedergegeben sind, die je- weils ein DFB-Modenspektrum 11 bzw. 12 des entsprechenden Abschnitts 7 oder 8 des DFB-Lasers wiederge- ben. Dabei ist ein zu höheren Wellenlängen hin verschobenes DFB-Modenspektrum 11 dem ersten Abschnitt 7 und ein zu kürzeren Wellenlängen hin verschobenes DFB-Modenspektrum 12 dem zweiten Abschnitt 8 zuzuord- nen. Zu erkennen sind für DFB-Laser typische paarweise auftretende Hauptmoden 13 der beiden DFB-Modenspektren 11 und 12, die jeweils durch ein Stoppband 14 getrennt sind.
Fig. 2 zeigt nun, dass aufgrund einer entsprechenden Wahl der Gitterperioden der beiden Bragg-Gitter eine kurzwelligere der zwei Hauptmoden 13 des ersten Abschnitts 7 mit einer langwelligeren der zwei Hauptmoden 13 des zweiten Abschnitts 8 in Deckung liegt. Die Stoppbänder haben dabei im vorliegenden Fall eine gleiche Breite von etwa 5 nm, wobei die zwei DFB-Modenspektren 11 und 12 bei ansonsten ähnlicher Form um diese Breite gegeneinander verschoben sind.
Fig. 3 zeigt ein entsprechendes Diagramm für eine andere Ausführung der Erfindung, bei der sich aufgrund einer leicht anderen Gestaltung der beiden Bragg- Gitter eine kurzwelligere der zwei Hauptmoden 13 des ersten Abschnitts 7 mit einer kurzwelligeren der zwei Hauptmoden 13 des zweiten Abschnitts 8 überlappt, während die langwelligeren Hauptmoden 13 auseinander fallen, weil die Stoppbänder 14 hier eine unterschiedliche Breite haben, wobei zusätzlich das DFB- Modenspektrum 12 des zweiten Abschnitts 8 um eine halbe Differenz der Breiten der Stoppbänder 14 zu kürzeren Wellenlängen hin verschoben ist. Die unterschiedliche Breite der Stoppbänder 14 ergibt sich dabei durch unterschiedliche Koppelkoeffizienten der beiden Bragg-Gitter, wobei das Bragg-Gitter des ers- ten Abschnitts 7 hier aufgrund einer größeren Ätztiefe einen höheren Modulationsgrad aufweist. Damit er- geben sich in den beiden Abschnitten 7 und 8 unterschiedliche Kopplungskoeffizienten, durch die sich die unterschiedlichen Formen der beiden DFB-Modenspektren 11 und 12 ergeben. Auch hier überlappt sich nur eine von den zwei Hauptmoden 13 des DFB-Modenspektrums 11 des ersten Abschnitts 7 mit einer von den zwei Hauptmoden 13 des DFB-Modenspektrums 12 des zweiten Abschnitts 8.
In Fig. 4 ist ein entsprechendes Diagramm für ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, das sich wieder nur durch eine geringfügige andere Gestaltung der beiden Bragg-Gitter von den zuvor beschriebenen Beispielen unterscheidet. Hier überlappt sich eine langwelligere der zwei Hauptmoden 13 des ersten Abschnitts 7 mit einer langwelligeren der zwei Hauptmoden 13 des zweiten Abschnitts 8, während die kurzwelligeren Hauptmoden 13 aufgrund unterschiedlicher Breite der Stoppbänder 14 auseinander fallen. Das wird wieder durch eine aufgrund unterschiedlicher
Ätztiefen der strukturierten Laserwellenleiterschicht 5 in den beiden Abschnitten 7 und 8 sich ergebende Abweichung der Kopplungskoeffizienten in den beiden Abschnitten 7 und 8 erreicht, wobei hier die Bragg- Wellenlänge des Bragg-Gitters im ersten Abschnitt 7 um etwa die halbe Differenz der Breiten der Stoppbänder 14 kürzer ist.
Bei den Halbleiterlasern aller drei bislang beschrie- bener Ausführungsbeispiele kann ein Unterschied in den Bragg-Wellenlängen der beiden Abschnitte 7 und 8 nicht nur durch verschiedene Gitterperioden der beiden Bragg-Gitter erreicht werden, sondern auch dadurch, dass die strukturierte Laserwellenleiter- schicht 5 und/oder die andere Laserwellenleiterschicht 6 im Bereich des zweiten Abschnitts 8 einen anderen Brechungsindex aufweist als im Bereich des ersten Abschnitts 7. Auch bei gleichem Abstand der Gitterstriche in den beiden Abschnitten 7 und 8 kann sich dann der gewünschte Unterschied zwischen den Bragg-Gittern durch eine in den beiden Abschnitten 7 und 8 unterschiedliche Wellenausbreitungsgeschwindigkeit ergeben. Insbesondere bei den anhand der Fig. 3 und 4 veranschaulichten Ausführungsbeispielen kann sich ein unterschiedlicher Modulationsgrad der Bragg- Gitter in den Abschnitten 7 und 8 auch dadurch ergeben, dass bei einer Gittererzeugung durch Elektronenstrahl-Belichtung in einem der beiden Abschnitte 7 und 8 einige Gitterstriche zur Änderung eines effektiven Kopplungskoeffizienten weggelassen werden.
Bei den hier beschriebenen Ausführungsbeispielen ist ferner vorgesehen, dass an einem Übergang zwischen den beiden Abschnitten 7 und 8 ein λ/4-Phasesprung zwischen den beiden sich dort treffenden Bragg- Gittern vorgesehen ist.
In Fig. 5 ist in stilisierter Weise ein weiterer Halbleiterlaser abgebildet, der sich von dem in Fig. 1 gezeigten Halbleiterlaser lediglich dadurch unter- scheidet, dass der passive Resonatorabschnitt 2 einen separaten elektrischen Kontakt 15 aufweist, durch den Brechungsindex und optische Länge der fertig hergestellten Phasensektion, also des passiven Resonatorabschnitts 2, elektrisch - durch Strominjektion bzw. Anlegen einer Spannung - variabel auf einen benötigten Wert eingestellt werden können.
In Fig. 6 in einer der Fig. 5 entsprechenden Darstellung eine weitere Abwandlung des Halbleiterlasers aus Fig. 1 gezeigt. Der Halbleiterlaser aus Fig. 6 unterscheidet sich von dem Halbleiterlaser aus Fig. 1 nur im Bereich des Reflektors 3, wobei wiederkehrende Merkmale wieder mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Der Reflektor 3 ist hier durch ein passives Bragg-Gitter realisiert, anstelle dessen aber auch ein schwach gepumptes und auf Transparenz eingestelltes weiteres DFB-Gitter vorgesehen sein könnte. Außerdem ist in unmittelbarer Nähe des Reflektors 3 innerhalb des ansonsten passiven Resonatorabschnitts 2 eine separat kontaktierte aktive Sektion 16 zum Ein- stellen einer Amplitude (Verstärkung oder Dämpfung) rückgekoppelter Strahlung integriert. Bei dem in Fig. 6 gezeigten Halbleiterlaser handelt es sich also, anders als bei den zuvor beschriebenen PFL-Lasern, um einen AFL-Laser. Dieser Halbleiterlaser erlaubt eine Steuerung der Intensität rückgekoppelter Strahlung und dadurch eine Modulation der vom Halbleiterlaser emittierten Laserstrahlung. Wenn das passive Bragg- Gitter, das den Reflektor 3 bildet, durch ein weiteres schwach gepumptes DFB-Gitter ersetzt wird, kann eine entsprechende Modulation auch durch ein Ansteuern dieses DFB-Gitters erfolgen.
Die anhand der Fig. 1 bis 6 beschriebenen Halbleiterlaser werden bestimmungsgemäß mit Ansteuerstromstär- ken betrieben, bei denen die einzelnen Abschnitte 7 und 8 allein ihre jeweilige Laserschwelle nicht überschreiten, weil das Volumen der aktiven Schicht 4 in diesen Abschnitten 7 und 8 für ein auf diese Unterbereiche beschränktes Einschalten des DFB-Lasers zu ge- ring ist. Da der in dem Halbleiterlaser enthaltene
DFB-Laser aus dem aktiven Bereich 1 also bei den verwendeten Ansteuerströmen nur als ganzer eingeschaltet werden kann, zündet der Halbleiterlaser nur in genau der Hauptmode 13, die in beiden Abschnitten 7 und 8 bei der gleichen Wellenlänge liegt. Die zum Zünden dieser ausgewählten Hauptmode 13 erforderliche Schwellenverstärkung bzw. Ladungsträger- dichte ist allerdings wiederum abhängig von der Phasenlage der vom Reflektor 3 reflektierten und wieder in den aktiven Bereich 1 eingekoppelten Laserstrahlung. Die Abhängigkeit dieser Schwellenverstärkung von der Phasenlage der nach Reflexion am Reflektor 3 wieder in den aktiven Bereich 1 eingekoppelten Laserstrahlung ist in dem in Fig. 7 gezeigten Diagramm schematisch veranschaulicht. Die Phasenlage φ ist dabei auf der Abszisse, die Schwellenverstärkung V auf der Ordinate aufgetragen.
Die anhand der Fig. 1 bis 6 beschriebenen Halbleiter- laser sind nun durch eine entsprechende Wahl der Geometrie und gegebenenfalls des Brechungsindex des passiven Resonatorbereichs 2 so eingestellt, dass die Phasenlage bei einer Pumpstromstärke, die zu einer geringfügig unter der entsprechenden Schwellenver- Stärkung Vth liegenden Verstärkung Vi führt, einen in
Fig. 7 mit cpi bezeichneten Wert annimmt, bei dem ein Vergrößern des Wertes der Phasenlage φ ein Abnehmen der Schwellenverstärkung V zur Folge hat, wobei ferner ein mit einem anschließenden Erhöhen des Pump- Stroms erfolgendes Anschwingen des Halbleiterlasers aufgrund einer Brechungsindex-Änderung ein Vergrößern der Phasenlage φ bewirkt. Diese Einstellung hat zur Folge, dass ein geringfügiges Erhöhen des Pumpstroms gleichzeitig den Halbleiterlaser anschwingen und die Schwellenverstärkung zurückgehen lässt, was zu einem außerordentlich schnellen Anschwingvorgang führt. Die Entwicklung der aktuellen Phasenlage φ und der entsprechenden Schwellenverstärkung V bei einem derartigen Anschwingvorgang ist in Fig. 7 durch zwei Pfeile veranschaulicht. In gleicher Weise führt eine anschließende geringfügige Reduzierung des Pumpstroms unter den aktuellen Schwellenstrom, der der aktuellen Schwellenverstärkung entspricht, zu einem außerordentlich schnellen Ende der Strahlungserzeugung, weil sich gleichzeitig die aktuelle Phasenlage φ zu dem mit (pi bezeichneten Wert zurückbewegt, weshalb die aktuelle Schwellenverstärkung wieder ansteigt. Die beschriebenen Halbleiterlaser können daher in sehr einfacher Weise durch einen entsprechend hochfrequenten zeitabhängigen Pumpstrom des DFB-Lasers direkt moduliert werden, wobei insbesondere beispielsweise für einen Signaltransport gepulste Laserstrahlung mit Modulationsfrequenzen von mehr als 40 GHz erzeugt werden kann. Ein derartig hochfrequente Laser-Signale vereitelndes Modenspringen zwischen verschiedenen Mo- den des DFB-Modenspektrums wird dabei durch die beschriebene Gestaltung der beiden Bragg-Gitter und die daraus folgenden Eigenschaften der DFB-Modenspektren 11 und 12 der beiden Abschnitte 7 und 8 des aktiven Bereichs 1 verhindert.
Der Modulationsfrequenz eines normalen DFB-Lasers sind dagegen wesentlich engere physikalische Grenzen gesetzt. Wichtigster Parameter ist dabei die diffe- rentielle Verstärkung, die sich mit der Verstärkung g (Gain) und der Ladungsträgerdichte n als dg/dn schreiben lässt. Durch Strominjektion in den DFB- Laser wird die Ladungsträgerdichte n im aktiven Material über eine Schwellendichte nth angehoben. Je mehr die dadurch bewirkte Verstärkung eine Schwellenver- Stärkung übersteigt, umso schneller schaltet der DFB- Laser ein und umso hochfrequenter ist er zu modulieren. So genannte Quantum-Well-Strukturen, die auch bei den hier beschriebenen Halbleiterlasern vorgesehen sein können, bringen dabei Vorteile gegenüber massiven Schichten. Selbst mit Quantum-Wells war es allerdings bislang nicht möglich, zuverlässig direkt modulierbare Laser für eine Datenrate von 40 Gb/s zu realisieren. Bei gattungsgemäßen PFL-Lasern ist eine derartig hochfrequente Modulation theoretisch möglich, wenn das weiter oben beschriebene Modenspringen verhindert wird. Das Funktionsprinzip eines solchen PFL-Lasers basiert darauf, die Laserschwelle der gewünschten DFB-Mode durch eine destruktiv eingestellte Phasenlage hochzutreiben und dann durch Modulation des aktiven Bereichs mit dem DFB-Laser sowohl die La- dungsträgerdichte und damit die Verstärkung zu erhöhen als auch durch eine zu konstruktiver Phasenlage hin sich verschiebende Phasenlage der reflektierten Welle die Laserschwelle abzusenken. Bislang war es nur durch Selektion ausgewählter PFL-Laser möglich, Halbleiterlaser zu erhalten, die bei einer solchen Einstellung nicht auf eine andere Mode überspringen, die bei der entsprechenden Einstellung eine niedrigere Schwelle aufweist. Nur in Ausnahmefällen wird bei einem herkömmlichen PFL-Laser die für eine Einstel- lung beschriebener Art benötigte destruktive Rückkopplung für beide Hauptmoden eines DFB-Modenspektrums gleichzeitig erreicht werden. Ursache dafür ist die Dispersion des auch als Phasensektion zu bezeichnenden passiven Resonatorabschnitts . Durch Selektion können zwar auch aus herkömmlichen PFL-Lasern Bauelemente mit der erforderlichen Phasen-Korrelation gefunden werden, aber für eine reproduzierbare Herstellung hochfrequent modulierbarer PFL-Laser mit einer guten Ausbeute und für eine Optimierung der Funktio- nalität derartiger Laser muss für das Problem des Moden-Springens eine andere Lösung gefunden werden. Die Lösung dieses Problems durch Erzielung einer robusten Einmodigkeit von PFL-Lasern bildet den Kern der vorliegend beschriebenen Erfindung.

Claims

Patentansprüche
1. Halbleiterlaser, umfassend einen als DFB-Laser ausgeführten aktiven Bereich (1) sowie einen mit dem aktiven Bereich (1) optisch gekoppelten passiven Resonatorabschnitt (2) , wobei der aktive Bereich (1) neben einem ersten Abschnitt (7) mit einem ersten Bragg-Gitter einen zweiten Abschnitt (8) mit einem vom ersten Bragg-Gitter verschiedenen zweiten Bragg-Gitter aufweist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass sich die beiden Bragg-Gitter so voneinander unterscheiden, dass sich eine und nur eine von zwei Hauptmoden (13) eines DFB-Modenspektrums
(11) des ersten Abschnitts (7) mit einer von zwei Hauptmoden (13) eines DFB-Modenspektrums
(12) des zweiten Abschnitts (8) überlappt.
2. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Bragg-Gitter eine vom ersten Bragg-Gitter abweichende Gitterperiode und/oder einen vom ersten Bragg-Gitter abweichenden Koppelkoeffizienten aufweist und/oder in eine Struktur mit einem vom ersten Bragg-Gitter abweichenden Brechungsindex integriert ist.
3. Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserrichtung in einem der Abschnitte (7, 8) einen nicht verschwindenden Winkel zur Gitterstrich-Normalen aufweist .
4. Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich eine kurzwelligere der zwei Hauptmoden (13) des ersten Abschnitts (7) mit einer langwelligeren der zwei Hauptmoden (13) des zweiten Abschnitts (8) überlappt .
5. Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich eine kurzwelligere der zwei Hauptmoden (13) des ersten Abschnitts (7) mit einer kurzwelligeren der zwei
Hauptmoden (13) des zweiten Abschnitts (8) überlappt .
6. Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich eine lang- welligere der zwei Hauptmoden (13) des ersten
Abschnitts (7) mit einer langwelligeren der zwei Hauptmoden (13) des zweiten Abschnitts (8) überlappt .
7. Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten Bragg-Gitter und dem zweiten Bragg-Gitter ein Übergang mit einem λ/4 -Phasensprung vorgesehen ist.
8. Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der aktive Bereich (1) für den ersten Abschnitt (7) und den zweiten Abschnitt (8) gemeinsame elektrische Kontakte (10) aufweist.
9. Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der passive Resonatorabschnitt (2) an einer dem aktiven Bereich (1) abgewandten Seite einen Reflektor (3) aufweist, der durch eine Verspiegelung oder durch ein passives Bragg-Gitter oder durch ein schwach gepumptes weiteres DFB-Gitter realisiert ist.
10. Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der passive Resonatorabschnitt (2) einen separaten elektrischen Kontakt (15) zum Einstellen eines Brechungsindex des passiven Resonatorabschnitts (2) aufweist .
11. Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 1 bis
10, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des passiven Resonatorabschnitts (2) eine separat kontaktierte aktive Sektion (17) zum Einstellen einer Amplitude rückgekoppelter Strahlung integ- riert ist .
12. Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 1 bis
11, dadurch gekennzeichnet, dass der DFB-Laser mit den zwei Abschnitten (7, 8) und der passive Resonatorabschnitt (2) im III-V-Materialsystem auf einem InP- oder GaAs-Substrat realisiert sind.
13. Verfahren zum Betreiben eines Halbleiterlasers nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass er mit Stromstärken angesteu- ert wird, bei denen eine Laserschwelle nur für ein den ersten Abschnitt (7) und den zweiten Abschnitt (8) umfassendes System überschritten wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeich- net, dass aufgrund einer entsprechenden Dimensionierung und/oder Einstellung des Halbleiterlasers eine mit einer Erhöhung des Pumpstromes verbundene Wellenlängenverschiebung zu einer konstruktiveren Phasenkorrelation der im passiven Resonatorabschnitt (2) reflektierten Welle mit der Laserwelle führt und so die Laserschwelle herabgesetzt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Laserstrahlung des Halbleiterlasers direkt durch einen zeitabhängigen Ansteuerstrom des DFB-Lasers mit einer Frequenz von mindestens 30 GHz oder einem Daten- signal von mindestens 30 Gb/s moduliert wird.
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