DE3626701A1

DE3626701A1 - Halbleiter-laseranordnung

Info

Publication number: DE3626701A1
Application number: DE19863626701
Authority: DE
Inventors: Mitsuhiro Matsumoto; Sadayoshi Matsui; Mototaka Taneya
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1985-08-09
Filing date: 1986-08-07
Publication date: 1987-02-19
Also published as: GB2180096B; JPH0431195B2; JPS6235689A; GB8619313D0; GB2180096A; US4751709A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiter-Laseranordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Diese Laseranordnung soll Laserlicht mit hoher Ausgansleistung emittieren und dabei ein Fernfeldmuster mit einer einzigen Spitze haben.

Halbleiterlaser sind sehr nützlich als Lichtquelle für die Abtastung optischer Scheiben, für Weltraumkommunikationssysteme etc. Sie müssen allerdings eine hohe Ausgangsleistung bringen. Herkömmliche Halbleiter-Laseranordnungen erzeugen allerdings bei praktischer Verwendung bestenfalls Ausgangsleistungen von 80 mW, solange ein einziger Laserresonanzraum vorhanden ist. Es wurden auch schon Halbleiter-Laseranordnungen untersucht, bei denen auf einem einzigen Substrat mehrere Laserresonanzräume parallel zueinander lagen.

Fig. 7 zeigt eine herkömmliche Halbleiter-Laseranordnung, bei der mehrere Laserresonanzräume 1 auf einem einzigen Substrat parallel zueinander angeordnet sind, um eine optische Phasenkopplung zwischen den benachbarten Resonanzräumen zu erhalten. Wenn an jeden dieser Laserresonazräume eine einheitliche Verstärkung angelegt wird, neigt diese Halbleiter-Laseranordnung dazu, in einer Mode mit einer Phasenverschiebung von 180° zu schwingen, was durch das Bezugszeichen 3 in Fig. 7 angedeutet ist und nicht in einer Mode mit einer Phasenverschiebung von 0°, wie sie durch das Bezugszeichen 2 in Fig. 7 gezeigt ist. Dies beruht auf der Tatsache, daß die optische Feldverteilung in der Mode mit der Phasenverschiebung von 180° mit der Verteilung der Verstärkung übereinstimmt, nicht dagegen in der Mode mit der Phasenverschiebung von 0°, die zu einer hohen Oszillationsverstärkung führt.

Das Fernfeldmuster des Laserlichtes bei der Mode mit einer Phasenverschiebung von 0°, das von herkömmlichen Halbleiter-Laseranordnungen erhalten wird, weist eine einzige Spitze auf, die in Fig. 6(a) dargestellt ist. Das damit erhaltene Laserlicht kann mittels optischer Linsen zu einem einzigen Lichtfleck konzentriert werden. Im Gegensatz hierzu weist das Fernfeldmuster des Laserlichts herkömmliche Halbleiter-Laseranordnungen, die in einer Mode mit einer Phasenverschiebung von 180° arbeiten, zwei Spitzen auf, die in Fig. 6(b) dargestellt sind, so daß deren Laserlicht nicht mittels optischer Linsen zu einem einzigen Lichtfleck konzentriert werden kann. Damit sind diese Laser als Lichtquellen für die Abtastung optischer Scheiben etc. nicht geeignet. Es ist daher notwendig, bei einer Halbleiter- Laseranordnung eine Phasenverschiebung von 0° zwischen benachbarten Laserresonanzräumen zu haben.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Halbleiter- Laseranordnung hoher Ausgangsleistung zu haben, bei der die einzelnen Lichtstrahlen aus parallel zueinander liegenden Laserresonanzräumen phasengleich laufen, d. h. es darf keine Phasenverschiebung zwischen ihnen sein (Phasenverschiebung von 0°).

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Halbleiter-Laseranordnung nach der Erfindung, die obige Aufgabe löst und die viele weitere Nachteile des Standes der Technik überwindet, enthält mehrere, parallel zueinander liegende Wellenleiter innerhalb einer aktiven Schicht, wobei zwischen diesen eine optische Phasenkopplung auftritt, wobei die Einrichtung weiterhin einen Bereich aufweist, der eine Vielzahl von Wellenleiterabschnitten besitzt, die in einer Richtung vertikal zur Wellenleitrichtung verlaufen, wobei die wirksamen Brechungsindizes dieser Abschnitte abwechselnd unterschiedlich sind, wodurch die optischen Wellen, die durch diesen Bereich laufen, eine Phasenverschiebung von 180° zwischen den Wellenleiterabschnitten mit verschiedenen wirksamen Brechungsindizes haben.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel hat die aktive Schicht abwechselnd Abschnitte, die aus flachen Abschnitten und konkaven Abschnitten in Richtung vertikal zur Wellenleitrichtung entsprechend den Wellenleitabschnitten aufweist, was zu unterschiedlichen wirksamen Brechungsindizes in Richtung vertikal zur Wellenleitrichtung führt. Die flachen Abschnitte und die konkaven Abschnitte der Aktivschicht sind in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel abwechselnd durch Aufwachsen der Aktivschicht auf einen V-förmigen Streifen des Substrates, das eine Vielzahl von parallelen Kanälen mit abwechselnd unterschiedlicher Tiefe aufweist, hergestellt.

Alternativ hierzu kann auch die Breite der Wellenleiterabschnitte abwechselnd unterschiedlich in Richtung vertikal zur Wellenleitrichtung sein, was zu den unterschiedlichen wirksamen Brechungsindizes in Richtung vertikal zur Wellenleitrichtung führt. Die Wellenleiterabschnitte, die abwechselnd eine unterschiedliche Breite haben, werden in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel durch Aufwachsen der aktiven Schicht über einem Substrat mit V-förmigen Streifen erzeugt, welches eine Vielzahl paralleler Kanäle mit abwechselnd unterschiedlicher Breite aufweist.

Kurz zusammengefaßt werden mit der Erfindung folgende Ziele erreicht:
(1) Es wird eine Halbleiter-Laseranordnung geschaffen, die mehrere parallele Resonanzräume hat, zwischen denen eine optische Phasenkopplung stattfindet, wobei ein Laserlicht erzeugt wird, dessen Strahlungsmuster in einer Mode mit der Phasenverschiebung von 0° einen einzigen steilen Peak aufweist; und
(2) es wird eine Halbleiter-Laseranordnung geschaffen, die Ausgangslicht mit hoher Leistung erzeugt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichung ausführlicher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 Eine Schemazeichnung der Wellenleiter einer Halbleiter-Laseranordnung nach der Erfindung;

Fig. 2 eine stirnseitige Ansicht einer der Facetten der Halbleiter-Laseranordnung nach der Erfindung;

Fig. 3 einen Querschnitt eines Abschnittes der Halbleiter- Laseranordnung nach der Erfindung gemäß Fig. 2, bei der zwischen benachbarten Resonanzräumen eine Phasenverschiebung von 180° auftritt;

Fig. 4 eine stirnseitige Ansicht einer der Facetten eines weiteren Ausführungsbeispieles einer Halbleiter-Laseranordnung nach der Erfindung;

Fig. 5 eine Schemazeichnung der Wellenleiter der Halbleiter-Laseranordnung nach Fig. 4;

Fig. 6(a) und 6(b) jeweils Diagramme der Fernfeldmuster in horizontaler Richtung, die mit der Halbleiter- Laseranordnung nach der Erfindung erhalten werden; und

Fig. 7 eine Schemazeichnung von parallel angeordneten Wellenleitern zwischen denen eine optische Phasenkopplung auftritt, wobei auch die Moden der sich in den Wellenleitern ausbreitenden optischen Schwingungen abgebildet sind.

Die Erfindung schafft eine Halbleiter-Laseranordnung mit einer Wellenleiterstruktur, mit der Laserlicht in einer Mode mit einer Phasenverschiebung von 180° in Laserlicht in einer Mode mit einer Phasenverschiebung von 0° umgewandelt wird.

Fig. 1 zeigt die Wellenleiterstruktur einer Halbleiter- Laseranordnung nach der Erfindung. Mehrere Wellenleiter W, W, . . . liegen parallel zueinander, damit man eine optische Phasenkopplung zwischen ihnen erhält. Die Wellenleiterstruktur besitzt drei Abschnitte 10, 11 und 12 in Ausbreitungsrichtung der Wellen. Die Abschnitte 10 bzw. 12 besitzen symmetrische Wellenleiterabschnitte W ₁₀, W ₁₀, . . ., und W ₁₂, W ₁₂, . . ., während der Abschnitt 11 unsymmetrische Wellenleiterabschnitte W _11a, W _11a, . . . und W _11b, W _11b, . . ., die abwechselnd in Richtung vertikal zur Wellenleitrichtung angeordnet sind, so daß der wirksame Brechungsindex des Wellenleiterabschnittes W _11a verschieden gegenüber dem des Abschnittes W _11b ist. Die Differenz der wirksamen Brechungsindizes läßt sich aus der Gleichung (1) entnehmen:

wobei m eine ungerade Zahl, l ₂ die Länge der Wellenleiterabschnitte W _11a oder W _11b, und λ ₀ die Wellenlänge im Vakuum ist.

Wenn optische Wellen, die sich in den symmetrischen Wellenleiterabschnitten W ₁₀, W ₁₀, . . . und W ₁₂, W ₁₂, . . . ausgebreitet haben, durch die unsymmetrischen Wellenleiterabschnitte W _11a und W _11b laufen, tritt eine Phasenverschiebung von 180° zwischen den in den Abschnitte W _11a und W _11b laufenden Wellen auf. Damit wird das Licht in der Mode mit einer Phasenverschiebung von 180° (bei der also die optische Phasenverschiebung zwischen benachbarten Wellenleitern 180° ist) in Licht umgewandelt, das eine Mode mit einer Phasenverschiebung von 0° aufweist (bei dem also die optische Phasenverschiebung zwischen benachbarten Wellenleitern 0° ist). Dies tritt beim Durchlauf durch die Wellenleiterabschnitte W _11a und W _11b im Bereich 11 auf. Im Gegensatz hierzu wird Licht in einer Mode mit einer Phasenverschiebung von 0° beim dortigen Durchlauf in Licht in einer Mode mit einer Phasenverschiebung von 180° umgewandelt.

Wenn jeweils an die Wellenleiter W, W, . . ., des Wellenleiterabschnittes W ₁₀ und W ₁₂ der Bereiche 10 und 12 eine einheitliche Verstärkung haben, so werden die Wellen in der Mode mit der Phasenverschiebung von 180° eine größere Verstärkung erfahren als die in der Mode mit der Phasenverschiebung von 0°, so daß sich Licht in der Mode mit der Phasenverschiebung von 180° in den Bereichen 10 und 12 ausbreiten kann. Ist nun die Länge l ₁ des Wellenleiterabschnittes W ₁₀ des Bereiches 10 kleiner als die Länge l ₃ des Wellenleiterabschnittes W ₁₂ des Bereiches 12, so wird das Licht 15 in der Mode mit der Phasenverschiebung von 180° in dem Bereich 12 in Licht 16 in der Mode mit der Phasenverschiebung von 0° umgewandelt, wenn es durch den Bereich 11 läuft, worauf es sich dann in derselben Mode in dem Bereich 10 ausbreitet. Das Licht in der 0°-Mode wird dann von der licht-emittierenden Facette 17 des Bereiches 10 emittiert. Selbst wenn umgekehrt nun Licht mit der 0°-Mode in dem Bereich 12 durch den Bereich 11 läuft, so wird es dennoch nicht in Licht mit der 180°- Mode umgewandelt. Dies liegt daran, daß die für die Oszillation notwendige Schwellwertverstärkung im erst genannten Fall geringer ist als die im zweit genannten Fall.

Für den Fall, daß l ₁≦λτl ₃ ist, wird in ähnlicher Weise das Licht in der 0°-Mode von der lichtemittierenden Facette 18 des Bereiches 12 emittiert. Diese Wellenleiterstruktur ist dagegen nicht für den Fall geeignet, daß l ₁ gleich l ₃ ist, da das Licht mit der 180°-Mode mit dem Licht mit der 0°-Mode in den beiden Abschnitten 10 und 12 gemischt wird, was für die Oszillation nicht wünschenswert ist.

Wie oben erwähnt, ermöglicht die Halbleiter-Laseranordnung nach der Erfindung, daß Laserlicht in der 180°- Mode in Laserlicht mit einer 0°-Mode umgewandelt wird und zwar im Inneren der Halbleiter-Laseranordnung, womit man erreicht, daß Licht hoher Ausgangsleistung von einer der Facetten emittiert wird, wobei dieses Licht in der 0°-Mode ein Strahlungsmuster mit einer einzigen Spitze bzw. mit einem einzigen Peak hat.

Ausführungsbeispiel 1

Fig. 2 zeigt eine Halbleiter-Laseranordnung des VSIS- Typs (V-channeled substrate inner stripe; Substrat mit V-förmigen Kanälen), die wie folgt aufgebaut ist: Auf einem p-GaAs-Substrat 20 wird eine n-GaAs-Stromblockierungsschicht 21 durch eine Kristallwachstumstechnik wie z. B. Flüssigphasenepitaxie ausgebildet. Darauf werden mehrere V-förmige Kanäle 22 durch die Stromblockierungsschicht 21 hindurch parallel zueinander in dem Substrat 20 ausgebildet und zwar durch Photolitographie unnd eine Ätztechnik (Fig. 1 und 2). Sodann wird ein Abschnitt des Substrates 20 mit den Kanälen, der dem Abschnitt 11 entspricht, mit einer Resist- Schicht (als Ätzresist) bedeckt, worauf die Ausbildung von Öffnungen an Teilen der Resistschicht erfolgt, die den Wellenleiterabschnitte W _11b entspricht. Sodann wird das Substrat 20 mit den Kanälen einer Ätzbehandlung unterworfen und zwar durch die genannten Öffnungen hindurch, womit Kanäle 32 gebildet werden, deren Tiefe größer ist als die der Kanäle 22. Dies ist in Fig. 3 dargestellt. Die Kanäle 32 und 22 haben also abwechselnd unterschiedliche Tiefe, was dafür sorgt, daß die Wellenleiterabschnitte W _11a, W _11b in dem Bereich 11 abwechselnd unterschiedliche wirksame Brechungsindizes haben.

Sodann werden auf das Substrat mit den Kanälen (den Abschnitt 20 des Substrates, der entsprechend den Bereichen 10 und 12 nur die Kanäle 22 aufweist und den anderen Abschnitt 30 des Substrates, der entsprechend dem Bereich 11 die Kanäle 22 und 32 aufweist) (vgl. Fig. 2 und 3) folgende Schichten aufgebracht: p-Al_xGa_1-xAs-Abdeckschichten 23 und 33, p- oder n- Al_yGA_1-yAs-Aktivschichten 24 und 34 und n-Al_xGa_1-xAs- Abdeckschichten 25 und 35, wobei diese Schichten aufeinanderfolgend entsprechend den Bereichen 11 & 12, bzw. 11 durch Flüssigphasenepitaxie (wobei x≦λτy) aufgebracht werden, wonach auf diesen n⁺-GaAs-Deckschichten 26 und 36 ausgebildet werden. Die Abschnitte der Aktivschicht 24, die den Bereichen 10 und 12 entspricht, haben eine flache Form, wie in Fig. 2 dargestellt. Die Abschnitte 34 a der Aktivschicht 34, die über den Kanälen 22 entsprechend den Wellenleiterabschnitten W _11a des Bereiches 11 liegen, haben eine flache Form und die Abschnitte 34 b der Aktivschicht 34, die über den Kanälen 32 entsprechend den Wellenleiterabschnitten W _11b des Abschnittes 11 liegen, in konkaver Form ausgebildet werden, aufgrund der unterschiedlichen Tiefe zwischen den Kanälen 22 und 32, wie in Fig. 3 dargestellt. Angenommen, die Differenz des Brechungsindex zwischen den benachbarten Wellenleiterabschnitten W _11a und W _11b sei Δ N, so läßt sich die Länge l ₂ des Bereiches 11 ohne weiteres so festlegen, daß sie die obige Gleichung (1) erfüllt.

Sodann werden auf der Rückseite der Abschnitte 20 und 30 des Substrates p-ohmsche Elektroden 27 und 37 und an der Oberfläche der Deckschichten 26 und 36 n-ohmsche Elektroden 28 und 38 aufgebracht, worauf ein Abspalten zur Bildung von Spiegeln an den Facetten folgt. Damit erhält man eine Halbleiterlasereinheit mit einer inneren Hohlraumlänge von 200-300 µm. Diese Einheit wird dann mittels eines Lötmateriales auf einen Kupferblock montiert, womit die Halbleiter-Laseranordnung nach der Erfindung fertiggestellt ist.

Ausführungsbeispiel 2

Fig. 4 zeigt eine weitere VSIS-Halbleiter-Laseranordnung nach der Erfindung, die wir folgt aufgebaut ist: Auf einem p-GaAs-Substrat 20 wird durch Flüssigphasenepitaxie eine n-GaAs-Stromblockierungsschicht 21 ausgebildet. Darauf werden in Abschnitten des Substrates 20 mehrere V-förmige Kanäle 240 und 241 parallel zueinander durch die Stromblockierungsschicht 21 hindurch ausgebildet und zwar an Abschnitten 40 bzw. 42. Weiterhin werden mehrere V-förmige Kanäle 241 a und 241 b, deren Breite unterschiedlich ist, abwechselnd parallel zueinander in den Teilen des Substrates 20 durch die Stromblockierungsschicht 21 hindurch ausgebildet, die dem Abschnitt 41 entspricht, der zwischen den Bereichen 40 und 42 liegt. Auf die Stromblockierungsschicht 21, die die Kanäle 240, 241 a, 241 b und 242 enthält, werden eine Abdeckschicht 23, eine Aktivschicht 24, eine Abdeckschicht 25 und eine Deckschicht 26 successiv durch Flüssigphasenepitaxie ausgebildet, so daß breite Wellenleiter und schmale Wellenleiter über den breiten Kanälen 241 a bzw. den schmalen Kanälen 241 b gebildet werden. Vorausgesetzt, daß die Differenz des wirksamen Brechungsindex zwischen den breiten Wellenleitern und den schmalen Wellenleitern gleich Δ N sei, kann die Länge l ₂ des Bereiches 41 ohne weiteres so festgelegt werden, daß sie die obige Gleichung (1) erfüllt. Die darauffolgenden Fertigungsschritte sind die gleichen wie bei dem obigen Ausführungsbeispiel 1.

Die Halbleiter-Laseranordnungen nach den obigen Ausführungsbeispielen, die selbstverständlich die beschriebene Gleichung (1) erfüllen, oszillieren mit Laserlicht in einer einzigen Quer- bzw. Transvers-Mode bis zu einer Ausgangsleistung von 100 mW bei einem Schwellwertstrom von 150 mA an der Facette 17, die zu den Abschnitten 11 oder 41 gehört, wo zwischen benachbarten Wellenleitern eine Phasenverschiebung von 180° auftritt. Das Fernfeldmuster dieser Anordnung besitzt einen einzigen steilen Peak mit einer Keulenbreite von 4° beim halben Maximalwert (vgl. Fig. 6(a)). Hieraus ist zu erkennen, daß die Anordnung Laserlicht mit einer Phasenverschiebung von 0° zwischen benachbarten Wellenleitern erzeugt. Darüber hinaus wird Laserlicht an der anderen Facette 18, die der Facette 17 gegenüberliegt bis zu einer Ausgangsleistung von 100 mW mit einer einzigen Quermode erzeugt, wobei deren Fernfeldmuster zwei Peaks (mit einem Abstand von 9° zwischen ihnen) aufweist (vgl. Fig. 6(b)), was erkennen läßt, daß die Facette 18 der Anordnung eine Laserlicht emittiert, das zwischen benachbarten Wellenleitern eine Phasenverschiebung von 180° hat.

Hieraus ist zu ersehen, daß die Halbleiter-Laseranordnung, die Wellenleiterabschnitte aufweist, in denen eine Phasenverschiebung von 180° zwischen benachbarten Wellenleitern vorhanden ist, trotzdem Ausgangslicht in einer Mode mit einer Phasenverschiebung von 0° erzeugt.

Obwohl die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele nur ein GaAs-GaAlAs-System beschrieben haben, ist die Erfindung natürlich auch auf andere Halbleitermaterialien anwendbar, beispielsweise auf ein InP-InGaAsP-System, etc. Darüber hinaus kann als Struktur der streifenförmigen Kanäle nicht nur eine VSIS-Struktur verwendet werden sondern beispielsweise auch eine Struktur mit inneren Streifen etc.

Es sei darauf hingewiesen, daß verschiedene Modifikationen von einem Fachmann durchgeführt werden können, ohne daß der Schutzumfang und das Wesen der Erfindung verlassen werden. Entsprechend sei darauf hingewiesen, daß der Schutzumfang der Patenansprüche nicht durch die obige Beschreibung eingeschränkt wird und daß die Patentansprüche alle patentfähigen Merkmale der vorliegenden Erfindung enthalten, einschließlich all derjenigen Merkmale, die von dem Fachmann des vorliegenden Gebietes als Äquivalente angesehen werden.

Claims

1. Halbleiter-Laseranordnung mit mehreren parallel zueinander liegenden Wellenleitern zwischen denen innerhalb einer aktiven Schicht eine optische Phasenkopplung stattfindet, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung einen Bereich (11, 41) aufweist, der mehrere Wellenleiterabschnitte (W _11a, W _11b; 241 a, 241 b) besitzt, die vertikal zur Wellenleitrichtung laufen, wobei deren wirksame Brechungsindizes abwechselnd verschieden sind, wodurch optische Wellen, die durch diesen Bereich (11, 41) laufen, eine Phasenverschiebung von 180° zwischen denjenigen Wellenleiterabschnitten aufweisen, die unterschiedliche wirksame Brechungsindizes haben.

2. Halbleiter-Laseranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktivschicht (24, 34) abwechselnd Abschnitte mit ebenen Teilen (34 a) und mit konkaven Teilen (34 b) quer zur Wellenleitrichtung bezogen auf die Wellenleiter besitzt, wodurch unterschiedliche wirksame Brechungsindizes in Richtung quer zur Wellenleitrichtung auftreten.

3. Halbleiter-Laseranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ebenen und die konkaven Teile der Aktivschicht (24, 34) abwechselnd dadurch gebildet werden, daß die Aktivschicht auf einem Substrat (30), das mehrere parallele Kanäle (22, 32) mit abwechselnd unterschiedlicher Tiefe besitzt, aufgewachsen wird.

4. Halbleiter-Laseranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Wellenleiterabschnitte (241 a, 241 b) in Richtung vertikal zur Wellenleitrichtung abwechselnd unterschiedlich ist, womit die unterschiedlichen wirksamen Brechungsindizes in Richtung vertikal zur Wellenleitrichtung erhalten werden.

5. Halbleiter-Laseranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenleiterabschnitte (241 a, 241 b), die abwechselnd unterschiedliche Breiten aufweisen, durch Aufwachsen der Aktivschicht auf das Substrat mit V-förmigen Kanälen, die parallel zueinander verlaufen und abwechselnd unterschiedliche Breiten haben, erzeugt werden.