DE3621198A1 - Halbleiter-laseranordnung - Google Patents
Halbleiter-laseranordnungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiter-Laseranordnung
gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Mit der Erfindung soll eine Halbleiter-Laseranordnung
geschaffen werden, die Laser-Lichtstrahlen hoher Ausgangsleistung
erzeugt, wobei zwischen diesen Lichtstrahlen
keine Phasenverschiebung auftritt, d.h. die Phasenverschiebung
0° ist.
Bekannte Halbleiter-Laser, die von ihrer Struktur her nur
einen einzigen Laser-Resonanzraum haben, können bestenfalls
Lichtstrahlen mit einer Leistung von 50 mW erzeugen.
Zur Erzeugung höherer Ausgangsleistungen wurden Halbleiter-
Laser untersucht, bei denen mehrere Laser-Resonanzräume
bzw. sogenannte "Lasing-Filerments" parallel nebeneinander
auf einem einzigen Substrat angeordnet waren, so daß eine
optische Phasenkoppelung zwischen den benachbarten Laser-
Resonanzräumen erhalten würde.
In den Fällen, bei denen mehrere indexgeführte Halbleiter-
Laseranordnungen parallel zueinander liegen, wobei eine
optische Phasenkoppelung zwischen den benachbarten Laser-
Resonanzräumen vorhanden ist und die einzelnen Laseranordnungen
die gleiche Verstärkung haben, neigen diese dazu,
mit Laser-Lichtstrahlen zu oszillieren, die zwischen
sich eine Phasenverschiebung von 180° aufweisen anstatt
eine Phasenverschiebung von 0°. Dies liegt daran, daß in
der Schwingungsmode mit der Phasenverschiebung von 180°
die Verteilung des elektrischen Feldes mit der Verteilung
der Verstärkung übereinstimmt und nicht bei der
Phasenverschiebung von 0°, was dazu führt, daß in der Schwingungsart
mit der Phasenverschiebung von 180° die Schwellwertverstärkung
für die Oszillation klein ist. Will man dieses
Phänomen vermeiden, so muß die Schwingungsschwellwertverstärkung
in der Schwingungsart mit der Phasenverschiebung
von 180° groß sein, um die Schwingungsart mit der 180°
Phasenverschiebung zu unterdrücken. Zu diesem Zwecke wurde
- wie in Fig. 5 (a) dargestellt - eine Halbleiter-Laseranordnung
vorgeschlagen, die Verzweigungs- und Vereinigungs-
Wellenleiter 51 an beiden Facetten 50 hat. Die grundlegende
Arbeitsweise dieser Laseranordnung ist wie folgt:
Lichtstrahlen, die sich mit einer Phasenverschiebung von
0° zwischen sich in den Verzweigungs-Wellenleitern fortpflanzen,
gelangen zu den Vereinigungs-Wellenleitern mit
der gleichen Phase, so daß die Lichtstrahlen verstärkt
werden. Breiten sich dagegen Lichtstrahlen mit einer
Phasenverschiebung von 180° zwischen sich in den Verzweigungs-
Wellenleitern aus und gelangen zu den Vereinigungs-
Wellenleitern, so löschen sich die entgegengesetzten
Phasen aus, so daß die Lichtstrahlen extrem gedämpft bzw.
geschwächt werden, was zu einer Strahlungs-Mode führt, bei
der die Lichtstrahlen aus dem Wellenleiter abgestrahlt
werden. Damit erleiden die Lichtstrahlen, die eine Phasenverschiebung
von 180° zwischen sich haben, eine Dämpfung,
was dazu führt, daß die Oszillations-Schwellwertverstärkung
in der Betriebsart mit der Phasenverschiebung von
180° vergrößert wird.
Allerdings ist mit einer Vergrößerung der Anzahl der
Wellenleiter die Oszillations-Schwellwertverstärkung bei
Betriebsarten zwischen der Phasenverschiebung von 0° und
der von 180° reduziert, so daß eine Oszillation mit der
Betriebsart der Phasenverschiebung von 0° nicht erreicht
werden kann. So zeigen beispielsweise die Fig. 6 (a)
bis 6 (d) die Verteilungen des elektrischen Feldes E
bezüglich der Betriebsart mit der Phasenverschiebung von
0° (Fig. 6 a), der Betriebsart mit einer Phasenverschiebung
von 180° (Fig. 6 d) sowie dazwischenliegende mittlere
Betriebsarten (Fig. 6 b und 6 c) bei einer Laseranordnung
gemäß der Fig. 5 (b). Aus den Fig. 6 (a) bis
6 (d) ist zu erkennen, daß die Verteilung des elektrischen
Feldes der Laser-Lichtstrahlen bei der Betriebsart mit der
Phasenverschiebung von 0° in der Mitte Spitzenwerte aufweist,
während die Verteilung des elektrischen Feldes der
Laser-Lichtstrahlen bei den anderen Betriebsarten (b), (c)
und (d) Spitzen an beiden Seiten aufweist.
Das von herkömmlichen Halbleiter-Laseranordnungen erzeugte
Fernfeldmuster der Laser-Lichtstrahlen, die eine Phasenverschiebung
von 0° zwischen sich haben, weist eine einzige
Spitze auf, so daß die Laser-Lichtstrahlen mittels
optischer Linsen zu einem Punkt bzw. Fleck konzentriert
werden können, während das Fernfeldmuster von Laser-Lichtstrahlen,
die eine Phasenverschiebung von 180° zwischen
sich haben oder eine Phasenverschiebung mit Zwischenwerten
zwischen 180° und 0°, zwei Spitzen aufweist, so daß ihre
Laser-Lichtstrahlen mittels optischer Linsen nicht zu
einem Punkt bzw. Fleck konzentriert werden können. Diese
Halbleiter-Laseranordnungen, die Laser-Lichtstrahlen erzeugen,
die nicht zu einem Punkt konzentriert werden
können, können in optischen Systemen nicht für eine
optische Koppelung verwendet werden; sie können auch nicht
als Lichtquellen für optische Kommunikation, optische
Plattenabtastsysteme etc. verwendet werden.
Aufgabe der Erfindung ist daher, eine Halbleiter-Laseranordnung
zu schaffen, deren oszillierende Laser-Lichtstrahlen
eine Phasenverschiebung von 0° zwischen sich
haben und die dadurch als Lichtquellen für optische
Kommunikation verwendet werden können. Mit anderen Worten
soll in der Betriebsart mit einer Phasenverschiebung von
0° eine höhere Oszillationsverstärkung erhalten werden,
als in der Betriebsart mit einer Phasenverschiebung von
180° oder mit einer mittleren Phasenverschiebung.
Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichenteil des
Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung
sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Kurz zusammengefaßt schafft die Erfindung eine Halbleiter-
Laseranordnung, die die oben beschriebenen Nachteile sowie
weitere vielfältige Mängel des Standes der Technik überwindet,
wobei die Halbleiter-Laseranordnung nach der Erfindung
folgendes enthält:
Eine Vielzahl von indexgeführten aktiven Wellenleitern,
die parallel zueinander optisch schwach gekoppelt sind,
wobei der Reflektionskoeffizient im Mittelbereich mindestens
einer Facette der Halbleiter-Laseranordnung, die den
aktiven Wellenleitern zugeordnet ist, größer ist, als der
der übrigen Bereiche der Facette, die dem aktiven Wellenleiter
zugeordnet ist.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sorgt eine begrenzte
Dicke jeder der Schichten eines ein- oder mehrschichtigen
reflektierenden Filmes an der Facette für
einen Reflektionskoeffzient der Facette in einem Bereich
zwischen ca. 2% bis 95%. Der Film besteht dabei entweder
aus einem einschichtigen Film aus Al2O3 oder einem mehrschichtigen
Film aus Al2O3 und/oder einem Si-Film mit
Amorphen Al2O3.
In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung
wird ein hoher Reflektionskoeffizient der Facette
dadurch erreicht, daß der reflektierende Film im Mittelbereich
der Facette, die den aktiven Wellenleitern zugeordnet
ist, aus zwei Schichten aus Al2O3 besteht; der
niedrige Reflektionskoeffizient in den übrigen Bereichen
der Facette, die den aktiven Wellenleitern zugeordnet ist,
wird dadurch erhalten, daß der reflektierende Film aus
einer einzigen Schicht aus Al2O3 besteht.
Die Dicke des aus zwei Al2O3-Schichten zusammengesetzten
reflektierenden Filmes und des aus einer aus Al2O3-Schicht
bestehenden reflektierenden Filmes beträgt nach einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel 2λ/4 bzw. λ/4 (λ ist die
Oszillationswellenlänge), was zu Reflektionskoeffizienten
von ca. 32% bzw. 2% führt.
Mit den oben beschriebenen Merkmalen der Erfindung werden
folgende Ziele erreicht:
- (1) Es wird eine Halbleiter-Laseranordnung mit mehreren index-geführten Halbleiter-Lasern geschaffen, die parallel zueinander liegen und eine optische Phasen- Koppelung zwischen benachbarten Laser-Resonanzräumen auf demselben Substrat haben, bei der zwischen benachbarten Laser-Resonanzräumen eine Phasenverschiebung von 0° erhalten wird, was zu Laser-Lichtstrahlen mit hoher Ausgangsleistung und einem Strahlungsmuster mit einem einzigen Spitzenwert führt; und
- (2) es wird eine Halbleiter-Laseranordnung geschaffen, bei der der Reflektionskoeffizient im Mittelbereich mindestens einer seiner Facetten, die den aktiven Wellenleitern zugeordnet ist, größer ist, als der der übrigen Bereiche der Facette, die den aktiven Wellenleitern zugeordnet ist, so daß die Oszillations- Schwellwert-Verstärkung in der Betriebsart mit der Phasenverschiebung von 0° kleiner ist als die der übrigen Moden bzw. Betriebsarten, womit erreicht wird, daß Laser-Lichtstrahlen mit einer Phasenverschiebung von 0° zwischen sich stabil schwingen und zu einem einzigen Punkt bzw. Fleck konzentriert werden können, was die Herstellung von optischen Einrichtungen, die Laser-Licht verwenden bei ausgezeichnetem Auflösungsvermögen erlaubt.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles
im Zusammenhang mit der Zeichnung ausführlicher
erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 einen Querschnitt einer Halbleiter-Laseranordnung
nach der Erfindung;
Fig. 2 und 3 Draufsichten der Halbleiter-Laser-Anordnungen
zur Erläuterung der Herstellung der reflektierenden
Filme auf den Facetten der Laser-Anordnung
der Fig. 1;
Fig. 4 ein Diagramm der Verteilung der optischen Intensität
der Laser-Lichtstrahlen der Laseranordnung
nach der Erfindung;
Fig. 5(a) und 5(b) Diagramme der Verzweigungs- und Vereinigungs-
Wellenleiter einer herkömmlichen Laseranordnung;
Fig. 6(a) bis 6(d) Diagramme der Verteilung des elektrischen Feldes
der Betriebsarten mit verschiedenen Phasenverschiebungen
bei der herkömmlichen Laseranordnung
der Fig. 5 (b).
Fig. 1 zeigt eine GaAs-GaAlAs-Halbleiter-Laseranordnung
mit einer flachen aktiven Schicht nach der Erfindung, der
wie folgt aufgebaut ist:
Auf einem Substrat 1 aus p-GaAs wird eine Stromblockierungsschicht
2 aus n-GaAs durch eine Kristall-Wachstumstechnik
wie z. B. Flüssigphasen-Epitaxie usw. aufgetragen.
Darauf werdem mittels Photolithographie und einer Ätztechnik
V-förmige Kanäle 3 in der Stromblockierungsschicht 2
ausgebildet und zwar so, daß sie das Substrat 1 erreichen,
womit Stromwege gebildet werden. Danach wird auf die
Stromblockierungsschicht 2 einschließlich der V-förmigen
Kanäle 3 eine p-AlxGa1-xAs-Abdeckschicht 4, eine p- oder
eine n-AlyGa1-yAs-Aktivschicht 5, eine n-AlxGa1-xAs-
Abdeckschicht 6 und eine n⁺ Deckschicht 7 successiv durch
Flüssigphasen-Epitaxie aufgebracht (wobei x≦λτy ist), was
zu einem mehrschichtigen aufgewachsenem Kristall mit einer
doppelten Heterostruktur für eine Laseroszillation führt.
Danach werden ein p-ohmscher Kontakt 8 und ein n-ohmscher
Kontakt 9 auf der Rückseite des Substrates 1 bzw. der
Oberseite der Deckschicht 7 ausgebildet, worauf ein Abspalten
unter rechtem Winkel zu den V-förmigen Kanälen 3
erfolgt, zur Bildung einer Lasereinheit mit einer internen
Hohlraumlänge von 200-300 µm.
Sodann wird ein ein- oder mehrschichtiger reflektierender
Film aus Al2O3 und/oder amorphem Silicium an beiden
Facetten der Anordnung aufgebracht und zwar durch einen
Elektronenstrahl-Aufdampfprozeß, womit an beiden Facetten
Laserreflektoren geschaffen werden. Die Dicke jeder der
Schichten des reflektierenden Filmes aus einer einzigen
Schicht aus Al2O3 oder einem mehrschichtigen Film aus Si
und amorphem Al2O3 sollte dabei so gewählt werden, daß der
Reflektionskoeffizient des reflektierenden Filmes einen
Wert zwischen ca. 2% bis 95% hat. Nach diesem Ausführungsbeispiel
ist der Reflektionskoeffizient des reflektierenden
Filmes, der aus einer einzigen Schicht aus Al2O3
besteht, die eine Dicke von λ/4 hat (λ ist die Oszillationswellenlänge)
ungefähr 2%; der Reflektionskoeffizient
des anderen reflektierenden Filmes, der aus mehreren
Schichten von Al2O3 besteht und der eine Dicke 2λ/4
(λ ist die Oszillationswellenlänge) hat, ist ca. 32%.
Um diese reflektierenden Filme zu erhalten, wird - wie in
Fig. 2 gezeigt - an beiden Facetten 10 der Laseranordnung
ein Al2O3-Film 11 mit einer Dicke von λ/4 durch Elektronenstrahldampfabscheidung
-aufgebracht. Sodann werden in
Bereichen der Al2O3 -Filme 11 an den Facetten 10, die den
aktiven Wellenleitern W 1, W 4, W a und W c zugeordnet sind,
mittels Photolithographie Resist-Filme 12 aufgebracht.
Danach wird ein Al2O3-Film 13 mit einer Dicke von λ/4 auf
beiden Al2O3-Filmen 11 und den Resist-Filmen 12 an beiden
Facetten 10 mittels desselben Dampfabscheideverfahrens
aufgebracht. Sodann werden - wie in Fig. 3 gezeigt - die
Resist-Filme 12 mit einem Entfernungsmittel entfernt,
womit man einen Al2O3-Film 131 mit einer Dicke von 2λ/4
(dessen Reflektionskoeffizient bei 32% liegt) im Mittelbereich
beider Facetten, die den aktiven Wellenleitern W 2
und W 3 sowie W b zugeordnet sind, erhält sowie einen
Al2O3-Film 11 mit einer Dicke von λ/4 (dessen Reflektionskoeffizient
2% ist) in den äußeren Bereichen der
beiden Facetten 10, die den aktiven Wellenleitern W 1 und
W 4 sowie W a und W c zugeordnet sind. Diese reflektierenden
Filme 11 und 131 an beiden Facetten 10 bilden einen
Resonator-Reflektor.
Wie oben erwähnt, wird durch die Bildung dieser unterschiedlichen
dielektrischen Filme an beiden Facetten der
Reflektionskoeffizient im Mittelbereich beider Facetten,
die den aktiven Wellenleitern W zugeordnet sind, groß,
während der Reflektionskoeffizient in den äußeren Bereichen
der beiden Facetten die den aktiven Wellenleitern W
zugeordnet sind, klein wird. Entsprechend ist die Dämpfung
des Lichtes in der Betriebsart mit der Phasenverschiebung
von 0° aufgrund des Resonator-Reflektors unterdrückt, da
die Verteilung des elektrischen Feldes auf den Mittelbereich
der aktiven Wellenleiter W konzentriert ist, (wie
in Fig. 6 (a) dargestellt ist), während die Dämpfung des
Lichtes in den anderen Betriebsarten der Anordnung aufgrund
des Resonatorreflektors hoch ist, da die Verteilung
des elektrischen Feldes in den Außenbereichen der aktiven
Wellenleiter W konzentriert ist, wie in den Fig. 6 (b)
bis 6 (d) dargestellt. Im Ergebnis ist also die Lichtdämpfung
in der Betriebsart mit der Phasenverschiebung von
0° kleiner als die des Lichtes in den anderen Betriebsarten,
so daß die Oszillationsschwellwertverstärkung in der
Betriebsart mit der Phasenverschiebung von 0° klein ist,
so daß - wie in Fig. 4 gezeigt - die Laseranordnung stabil
schwingen kann mit einem Laser-Licht, das ein Phasenverschiebung
von 0° hat. Obwohl eine noch stabilere Betriebsart
mit einer Phasenverschiebung von 0° erhalten werden
kann, wenn die aktiven Wellenleiter optisch miteinander
gekoppelt sind, wobei eine gedämpfte Welle zwischen benachbarten
aktiven Wellenleitern auftritt, sofern diese
aktiven Wellenleiter gleichförmig ausgebildet sind, ist
eine optische Koppelung mit einer solchen gedämpften Welle
nicht notwendigerweise gefordert.
Die Halbleiter-Laseranordnung mit der in Fig. 5 b gezeigten
Struktur der aktiven Wellenleiter wurde mit folgenden
Daten hergestellt. Die Breite We der aktiven
Wellenleiter war 4 µm; die Distanz Ws zwischen benachbarten
Wellenleitern war 1 µm; der Reflektionskoeffizient
im Mittelbereich der beiden Facetten, die den aktiven
Wellenleitern zugeordnet war, lag bei 32%; der Reflektionskoeffizient
in den übrigen Bereichen der beiden
Facetten, die den aktiven Wellenleitern zugeordnet ist,
lag bei 2%. Diese Laser- Anordnung oszillierte in einer
Betriebsart mit einer Phasenverschiebung von 0° bis zu
einer Ausgangsleistung von 130 mw und hatte einen Oszillationsschwellwertstrom
im Bereich von 120 bis 150 mA,
wobei eine Laser-Oszillation in den übrigen Betriebsarten
bzw. -Moden unterdrückt war.
Die Halbleiter-Laseranordnung nach der Erfindung ist
selbstverständlich nicht nur bei der oben erwähnten
indexgeführten Struktur anwendbar, sondern auch bei
anderen indexgeführten Strukturen einschließlich dem
Steghohlleitertyp (ridged-typ) dem Typ mit versenktem
Kanal (buried-typ), etc. Die Erfindung ist weiterhin nicht
nur auf Halbleiter-Laser mit einem GaAlAs-GaAs-Aufbau anwendbar,
sondern auch auf solche mit einem InP-InGaAsP-
Aufbau.
Es ist klar, daß weitere verschiedene Modifikationen von
einem Fachmann ohne weiteres durchgeführt werden können,
ohne daß der Schutzbereich der Erfindung verlassen wird.
Entsprechend sei darauf hingewiesen, daß durch die obige
Beschreibung der Schutzumfang der Patentansprüche nicht
beschränkt wird. Vielmehr enthalten die Patentansprüche
alle patentfähigen Merkmale der vorliegenden Erfindung
einschließlichen Merkmale, die als Äquivalente anzusehen
sind.
Claims (4)
1. Halbleiter-Laseranordnung mit mehreren indexgeführten
aktiven Wellenleitern, die optisch schwach miteinander
parallel gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet,
daß der Reflektionskoeffizient im Mittelbereich (W 2,
W 3; W b ) mindestens einer Facette (10) der Halbleiter-
Laseranordnung, die den aktiven Wellenleitern zugeordnet
ist, größer ist, als der der übrigen Bereiche
(W 1, W 4; W a , W c ) der Facette, die diesen aktiven
Wellenleitern zugeordnet ist.
2. Halbleiter-Laseranordnungen nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß an der Facette (10) ein ein- oder
mehrschichtiger reflektierender Film, der bei dem
einschichtigen Film aus Al2O3 und bei dem mehrschichtigen
Film aus Al2O3 und/oder einem Si-Film und
amorphen Al2O3 besteht, einen Reflektionskoeffizient
der Facette in der Größenordnung von 2% bis 95%
schafft, wobei die Dicke der Reflektionsschichten
begrenzt sind.
3. Halbleiter-Laser-Anordnung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der hohe Reflektionskoeffizient
der Facette (10) durch die Bildung eines
reflektierenden Filmes aus zwei Schichten (11, 131)
aus Al2O3 im Mittelbereich (W 2, W 3; W b ) der Facette,
die den aktiven Wellenleitern zugeordnet ist, erhalten
wird und daß der niedrigere Reflektionskoeffizient
der Facette (10) durch die Bildung eines reflektierenden
Filmes (11) aus einer einzigen Schicht
aus Al2O3 in den übrigen Bereichen (W 1, W 4, W a , W c )
der Facette, die den aktiven Wellenleitern zugeordnet
ist, gebildet wird.
4. Halbleiter-Laseranordnungen nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Dicke des zweischichtigen
reflektierenden Filmes (11, 131) aus Al2O3 bzw. die
des einschichtigen reflektierenden Filmes (11) aus
Al2O3 bei 2λ/4 bzw. λ/4 liegt, wobei λ die Oszillationswellenlänge
ist, was zu Reflektionskoeffizienten
von ca. 32% bzw. ca. 2% führt.
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EP0301846A3 (de) * | 1987-07-31 | 1991-05-22 | Sharp Kabushiki Kaisha | Halbleiterlaser-Vielfachanordnung |
Also Published As
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---|---|
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GB2176939B (en) | 1988-08-03 |
JPS61296785A (ja) | 1986-12-27 |
GB8614932D0 (en) | 1986-07-23 |
JPH0337877B2 (de) | 1991-06-06 |
US4772082A (en) | 1988-09-20 |
DE3621198C2 (de) | 1992-10-08 |
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