DE3626702C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiter-Laseranordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Bekannte Halbleiter-Laseranordnungen mit einem einzigen Laserresonanzraum können bestenfalls Laserlicht mit einer optischen Ausgangsleistung von 80 mW erzeugen. Um eine höhere Ausgangsleistung zu erzeugen, wurden schon Halbleiter-Laseranordnungen vorgeschlagen, bei denen mehrere Laserresonanzräume auf einem einzigen Substrat parallel nebeneinander angeordnet sind, wobei man eine optische Phasenkopplung zwischen benachbarten Laserresonanzräumen erhielt.

Eine gattungsgemäße Halbleiter-Laseranordnung ist bereits aus der US-PS 42 55 717 bekannt. Bei den in dieser Druckschrift beschriebenen Halbleiter-Laseranordnungen handelt es sich um zwei prinzipiell verschiedene Typen, nämlich eine Anordnung der in Fig. 1 der US-PS gezeigten Art, die eine asymmetrische Grundstruktur und eine Fernfeld-Intensitätsverteilung gemäß Fig. 7 der US-PS mit zwei ungleichen Spitzenwerten hat, was auf einen Phasenversatz der Schwingungen schließen läßt, wie es in IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. QE-15, No. 9, September 1979, S. 917-922 angegeben ist, und auf die Ausführungsform gemäß Fig. 5b, die eine symmetrische Struktur hat. Bei der letztgenannten Ausführungsform sind keine zusätzlichen Maßnahmen zum Verhindern eines Phasenversatzes der einzelnen Laser-Bereiche ergriffen, so daß davon ausgegangen werden muß, daß auch die letztgenannte Halbleiter-Laseranordnung einen Phasenversatz aufweist. In jedem Fall ist die Struktur der letztgenannten Halbleiter-Laseranordnung derartig, daß sämtliche Verzweigungswellenleiter eine Verbindung von einem Hauptwellenleiter zu einem Hauptwellenleiter eines benachbarten Abschnittes herstellen.

In Fig. 6 sind mehrere Halbleiter-Laser R parallel zueinander angeordnet, wobei eine optische Phasenkopplung zwischen benachbarten Halbleiter-Lasern auftritt. Die einzelnen Halbleiter-Laser R haben dabei dieselbe Verstärkung. Sie neigen allerdings dazu, mit einer Phasenverschiebung von 180° zwischen sich zu oszillieren, wie es durch die Kurve 2 in Fig. 6 dargestellt ist, anstatt mit einer Phasenverschiebung von 0°, wie es durch die Kurve 1 dargestellt ist. Dies liegt daran, daß die Verteilung der optischen Intensität bei der Mode mit einer Phasenverschiebung von 180° mit der Verstärkungsverteilung übereinstimmt, während dies bei der Mode mit der Phasenverschiebung von 0° nicht der Fall ist, so daß man eine hohe Oszillationsverstärkung erhält.

Das Fernfeldmuster der Laserlichtstrahlen bei einer Phasenverschiebung von 0° zwischen benachbarten Laserresonanzräumen weist eine einzige Spitze auf, so daß die Laserlichtstrahlen mittels optischer Linsen zu einem einzigen Lichtfleck konzentriert werden können, während das Fernfeldmuster von Laserlichtstrahlen mit einer Phasenverschiebung von 180° zwischen sich zwei Spitzen aufweist, so daß diese Strahlen nicht mittels optischer Linsen zu einem einzigen Fleck konzentriert werden können. Solche Halbleiter-Laseranordnungen, die Laserlichtstrahlen erzeugen, die nicht zu einem einzigen Fleck konzentriert werden können, sind für die optische Kopplung mit anderen optischen Systemen nicht geeignet und können daher auch nicht als Lichtquellen für die Abtastung optischer Scheiben verwendet werden. Folglich benötigt man Halbleiter-Laseranordnungen, die Laserlichtstrahlen mit einer Phasenverschiebung von 0° zwischen sich erzeugen.

Fig. 7 zeigt eine Wellenleiterstruktur einer herkömmlichen Halbleiter-Laseranordnung, bei der selektiv Lichtstrahlen mit einer Phasenverschiebung von 0° zwischen sich oszillieren, wobei die Laserlichtstrahlen mit der Phasenverschiebung von 0° zwischen sich von einem Abschnitt 11 (oder 12) zu einem anderen Abschnitt 12 (oder 11) durch einen Verzweigungsabschnitt 10 verlustfrei laufen, aufgrund optischer Inferenzen zwischen ihnen. Wenn allerdings die Laserlichtstrahlen mit einer Phasenverschiebung von 180° zwischen sich von dem Abschnitt 11 oder 12 zu dem Verzweigungsabschnitt 10 laufen, so treten aufgrund optischer Interferenzen zwischen ihnen hohe Verluste auf, was zu einer geringen Ausgangsleistung führt. Zwar kann diese Halbleiter-Laseranordnung selektiv Laserlicht mit einer Mode von 0° Phasenverschiebung erzeugen, jedoch läßt sich beobachten, daß bei der Halbleiter-Laseranordnung mit der oben beschriebenen Wellenleiterstruktur eine dritte Mode (d. h. eine Zwischenmode) auftritt (also weder die 0°-Mode noch die 180°-Mode), wenn die Ausgangsleistung erhöht wird. Dieses Phänomen wird im Zusammenhang mit Fig. 7 beschrieben.

Wenn Laserlichtstrahlen in der Zwischenmode sich von dem Abschnitt 12 durch den Verzweigungsabschnitt 10 hindurch zu dem Abschnitt 11 ausbreiten, so werden sie verlustfrei in Laserlichtstrahlen mit einer 180°-Mode 21 umgewandelt. Wenn umgekehrt Laserlichtstrahlen mit der 180°-Mode 21 sich von dem Abschnitt 11 durch den Verzweigungsabschnitt 10 hindurch zu dem Abschnitt 12 ausbreiten, so werden einige von ihnen aufgrund optischer Interferenzen gedämpft (wobei der optische Leistungsverlust bei ungefähr 3 dB liegt) und die anderen werden in Laserlichtstrahlen der Zwischenmode 20 umgewandelt.

Obwohl die Laserlichtstrahlen der Zwischenmode aufgrund optischer Interferenzen gedämpft werden, ist der Dämpfungsgrad relativ kleiner als der von Laserlichtstrahlen, die mit der 180°-Phasenmode schwingen. Obwohl die herkömmliche Laseranordnung Laserlichtstrahlen mit einer 0°-Phasenmode erzeugt, schwingt die Laseranordnung unvermeidlich auch mit Laserlichtstrahlen in der Zwischenmode, wenn die optische Ausgangsleistung erhöht wird.

Gegenüber diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Halbleiter-Laseranordnung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß eine sichere und stabile Arbeitsweise bei 0°-Phasenverschiebung zwischen benachbarten Laserresonanzräumen erreicht wird.

Diese Aufgabe wird bei einer Halbleiter-Laseranordnung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung ausführlicher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein Prinzipbild der Wellenleiterstruktur einer Halbleiter-Laseranordnung nach der Erfindung, wobei die Ausbreitung der Laserlichtstrahlen in der 0°-Phasen-Mode dargestellt ist;

Fig. 2(a) und 2(b) Prinzipbilder zur Darstellung der Ausbreitung von Laserlichtstrahlen in der Zwischenmode bei der Wellenleiterstruktur der Fig. 1;

Fig. 3 ein Prinzipbild einer Wellenleiterstruktur eines anderen Ausführungsbeispieles der Erfindung;

Fig. 4 eine Stirnansicht einer der Facetten der Halbleiter- Laseranordnung nach der Erfindung gemäß Fig. 1;

Fig. 5 ein Diagramm des Fernfeldmusters in horizontaler Richtung, das mit der Halbleiter-Laseranordnung nach Fig. 1 erreicht wird;

Fig. 6 ein Prinzipbild mehrerer paralleler Wellenleiter mit optischer Phasenkopplung und der Phasenmode der sich in den Wellenleitern ausbreitenden Laserlichtstrahlen; und

Fig. 7 ein Prinzipbild der Wellenleiterstruktur einer herkömmlichen Halbleiter-Laseranordnung, wobei die Ausbreitung der Laserlichtstrahlen einer Zwischenmode dargestellt ist.

Die vorliegende Erfindung schafft eine Halbleiter-Laseranordnung mit einer Wellenleiterstruktur, mittels der eine Oszillation in der 180°-Phasen-Mode sowie weitere Quer-Moden unterdrückt werden, wodurch man eine selektive Oszillation in der 0°-Phasen-Mode erhält. Fig. 1 zeigt die Wellenleiterstruktur einer Halbleiter-Laseranordnung nach der Erfindung, die einen ersten Abschnitt 22 mit drei Wellenleitern W, einen zweiten Abschnitt 21 mit zwei Wellenleitern W sowie einen zwischen den beiden Abschnitten 21 und 22 angeordneten Verzweigungsabschnitt 20, aufweist. Die Wellenleiter W, W . . . der ersten und zweiten Abschnitte 21 und 22 liegen parallel zueinander, wobei eine optische Phasenkopplung zwischen benachbarten Wellenleitern auftritt. In dem Verzweigungsabschnitt 20 verzweigen sich zwei Verzweigungswellenleiter V₀, V₀, V₁, V₁, . . . symmetrisch hinsichtlich der Hauptwellenleitrichtung jeweils von den Hauptwellenleitern W, W . . . der ersten und zweiten Abschnitte 21 und 22. Jeder der beiden Verzweigungswellenleiter V₀ und V₀, die an der Außenseite des Verzweigungsabschnittes 20 angeordnet sind, ist von den benachbarten Verzweigungswellenleitern abgetrennt. Die anderen Verzweigungswellenleiter V₁, V₁, . . . der Hauptwellenleiter W, W, . . . des Abschnittes 22 sind optisch mit dem entsprechenden Verzweigungswellenleitern V₁, V₁, . . . der Hauptwellenleiter W, W, . . . des anderen Abschnittes 21 verbunden.

Im folgenden wird das Arbeitsprinzip dieser Halbleiter- Laseranordnung beschrieben. Wenn Laserlichtstrahlen in einer 0°-Phasen-Mode 24 von dem Abschnitt 22 zu dem Abschnitt 21 durch den Verzweigungsabschnitt 20 hindurchlaufen, werden sie in Laserlichtstrahlen mit einer 0°-Phasen-Mode 25 umgewandelt. Diejenige "Lichtmenge", die bei Ausbreitung der Laserlichtstrahlen in die Verzweigungswellenleiter V₀ des Verzweigungsabschnittes 20 läuft, geht verloren. Dieser Verlust der optischen Leistung ist jedoch recht klein und liegt in der Größenordnung von 1,2 dB. Laserlichtstrahlen, die von den Facetten der Anordnung reflektiert werden, erleiden in dem Verzweigungsabschnitt nur geringe Verluste. Wenn andererseits Laserlichtstrahlen mit einer 180°- Phasen-Mode sich von dem Abschnitt 22 zu dem Abschnitt 21 durch den Verzweigungsabschnitt 20 hindurch ausbreiten, so werden sie stark gedämpft, so daß die optische Ausgangsleistung hierbei fast zu Null wird. Wenn Laserlichtstrahlen einer Zwischenmode 30 von dem Abschnitt 22 durch den Verzweigungsabschnitt hindurch zum Abschnitt 21 laufen, so werden sie an den Verzweigungswellenleitern V₀ und V₀ in einem größeren Maße gedämpft als Laserlichtstrahlen der 0°-Phasen-Mode. Der Verlust der optischen Leistung liegt dabei in der Größenordnung von ungefähr 3 dB. In dem Abschnitt 21 werden die Laserlichtstrahlen zu Laserlichtstrahlen mit einer 180°-Phasen-Mode 31 umgewandelt und dann an den Facetten reflektiert, was zu Laserlichtstrahlen mit einer 180°-Phasen-Mode 32 führt (vgl. Fig. 2(b)), die dann durch den Verzweigungsabschnitt 20 laufen, wo die Laserlichtstrahlen um ungefähr 3 dB aufgrund der optischen Interferenzen zwischen ihnen gedämpft werden. Die Laserlichtstrahlen werden dann in dem Abschnitt 22 in Laserlichtstrahlen einer Zwischenmode umgewandelt. Im Ergebnis werden die Laserlichtstrahlen der Zwischenmode 30 um ungefähr 6 dB gedämpft, wenn sie ihren Hin- und Rücklauf innerhalb des Resonators machen. Folglich ist die Dämpfung der optischen Leistung von Laserlichtstrahlen einer Zwischenmode ungefähr 4,8 dB größer als die der Laserlichtstrahlen in der 0°-Phasen-Mode.

Wie oben erläutert, hat die Halbleiter-Laseranordnung mit der oben beschriebenen Struktur eine größere Differenz der optischen Verluste zwischen Laserlichtstrahlen der Zwischenmode und Laserlichtstrahlen der 0°-Phasen-Mode als herkömmliche Halbleiter-Laseranordnungen, so daß die Anordnung nach der Erfindung eine Laseroszillation in der Zwischenmode unterdrücken kann, womit man eine Laseroszillation mit einer einzigen Mode mit einer Phasenverschiebung von 0° bei hoher Ausgangsleistung erhält.

Fig. 3 zeigt eine weitere Halbleiter-Laseranordnung nach der Erfindung mit einer Wellenleiterstruktur, die zwei Verzweigungsabschnitte 20 und 20 innerhalb des Resonators aufweist und einen zweifachen Selektionseffekt hinsichtlich der 0°-Phasen-Mode aufweist, bezogen auf den Selektionseffekt der Wellenleiterstruktur der Fig. 1. Entsprechend kann diese Anordnung eine Laseroszillation mit einer einzigen Mode mit einer Phasenverschiebung von 0° erreichen, und zwar bei höheren Ausgangsleistungen als die Anordnung der Fig. 1.

Ausführungsbeispiel 1

Eine Halbleiter-Laseranordnung nach dieser Erfindung mit der Wellenleiterstruktur der Fig. 1 besteht aus einer Kombination von VSIS-Halbleiterlasern (V-channeled substrate inner stripe; innere Streifen auf einem Substrat mit V-förmigen Kanälen) und einem indexgeführten Halbleiter-Laser. Fig. 4 zeigt eine Stirnansicht einer Halbleiter-Laseranordnung, die wie folgt aufgebaut ist: Auf einem p-GaAs-Substrat 40 ist eine n-GaAs-Stromblockierungsschicht 41 mittels Kristallwachstumstechnik wie z. B. Flüssigphasenepitaxie aufgewachsen; darauf folgt eine Photolithographiebehandlung und eine Ätzbehandlung zur Bildung von V-förmigen Kanälen 42 in Form optischer Wellenleiter gemäß Fig. 1, und zwar so, daß diese Kanäle durch die Stromblockierungsschicht 41 hindurch das Substrat 40 erreichen. Der in dem Substrat 40 liegende Teil der Kanäle 42 wirkt als Strompfad. Sodann wird auf die Stromblockierungsschicht 41, die die Kanäle 42 enthält, eine p-Al_xGa_1-xAs-Abdeckschicht 43, eine p- oder n-Al_yGa_1-yAs-Aktivschicht 44, eine n-Al_xGa_1-xAs-Abdeckschicht 45 und eine n⁺-GaAs-Deckschicht 46 sukzessive durch Flüssigphasenepitaxie aufgebracht (wobei x ≦λτ y), was zu einem mehrschichtigen Kristall in einer doppelten Heterostruktur für Laseroszillation führt. Sodann werden ein p-seitiger ohmscher Kontakt 47 und ein n-seitiger ohmscher Kontakt 48 auf der Rückseite des Substrates 40 und der Oberfläche der Deckschicht 46 aufgebracht. Darauf folgt ein Abspalten unter rechtem Winkel zur Richtung der streifenförmigen Kanäle zur Bildung von Laserspiegeln an beiden Facetten. Man erhält dann eine Lasereinheit mit einer internen Hohlraumlänge von 200 bis 300 µm. Die Facetten werden dann mit einem dünnen Al₂O₃-Film beschichtet, dessen Dicke die Hälfte der Wellenlänge des Laserlichtes ist und einen Reflexionsfaktor von 32% hat. Sodann wird diese Anordnung auf einen (nicht dargestellten) Kupferblock mittels eines Lötmateriales aufgebracht, womit die Halbleiter-Laseranordnung fertiggestellt ist.

Wenn in die Aktivschicht 44, die in einer Ebene oberhalb der V-förmigen Kanäle 42 liegt, durch die ohmschen Kontakte 47 und 48 und den Strompfad innerhalb der V- förmigen Kanäle 42 ein Strom injiziert wird, beginnt eine Laseroszillation innerhalb von Abschnitten der Aktivschicht 44, die den V-förmigen Kanälen 42 entspricht.

Da die V-förmigen Kanäle 42 mit der Wellenleiterstruktur entsprechend Fig. 1 in der Halbleiter-Laseranordnung ausgebildet sind, haben die Wellenleiter für die Laseroszillation innerhalb der Aktivschicht 44 dieser Halbleiter- Laseranordnung natürlich die Form der in Fig. 1 dargestellten Wellenleiter.

Die Halbleiter-Laseranordnung schwingt mit Laserlichtstrahlen in einer einzigen Mode mit einer Phasenverschiebung von 0° bis zu Ausgangsleistungen von 50 mW bei einem Oszillationsschwellwertstrom von ca. 100 mA. Das Fernfeldmuster, das von der Halbleiter-Laseranordnung ausgestrahlt wird, hat einen steilen Peak mit einer Halbwertsbreite von 4°, wie es in Fig. 5 dargestellt ist. Wenn die Ausgangsleistung vergrößert wird, so treten Laserlichtstrahlen in einer Zwischenmode auf, was zu einer Verbreiterung der Halbwertsbreite des Fernfeldmusters führt (unter Halbwertsbreite wird die Breite des Lichtstrahles verstanden, bei der die Hälfte des Maximalwertes auftritt).

Ausführungsbeispiel 2

Fig. 3 zeigt eine andere Halbleiter-Laseranordnung nach der Erfindung, die in gleicher Weise aufgebaut ist wie das Ausführungsbeispiel 1 mit Ausnahme der Tatsache, daß die V-förmigen Kanäle in Form der Wellenleiter der Fig. 3 ausgebildet sind. Diese Halbleiter-Laseranordnung oszilliert mit Laserlichtstrahlen in einer einzigen Mode mit einer Phasenverschiebung von 0° zwischen sich bis zu einer Ausgangsleistung von 80 mW bei einem Oszillationsschwellwertstrom von ungefähr 110 mA. Wenn die optische Ausgangsleistung über den Wert von 80 mW vergrößert wird, tritt eine thermische Sättigung auf.

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. Darüber hinaus kann als Struktur der streifenförmigen Kanäle nicht nur eine VSIS-Struktur verwendet werden sondern auch beispielsweise eine Struktur mit inneren Streifen.

Claims (2)

1. Halbleiter-Laseranordnung, bei der

   • - in Richtung der Laserlichtausbreitung mindestens zwei Wellenreiter-Abschnitte (21, 22) aufeinanderfolgen, die jeweils durch einen Verzweigungsabschnitt (20) miteinander verbunden sind,
   • - die Wellenleiter-Abschnitte (21, 22) mehrere parallele und benachbarte Hauptwellenleiter (W) aufweisen, zwischen denen eine optische Phasenkopplung der sich darin ausbreitenden Wellen auftritt,
   • - jeder Verzweigungsabschnitt (20) der Verzweigungswellenleiter (V₀, V₁) aufweist, die symmetrisch zur Richtung der Hauptwellenleiter (W) in den Wellenleiter-Abschnitten (21, 22) verlaufen,
   • - von jedem der Hauptwellenleiter (W) der benachbarten Wellenleiter-Abschnitte (21, 22) jeweils zwei Verzweigungswellenleiter (V₀, V₁) ausgehen, die sich in den dazwischenliegenden Verzweigungsabschnitt (20) erstrecken,
2. dadurch gekennzeichnet, daß

   • - aufeinanderfolgende Wellenleiter-Abschnitte (21, 22) abwechselnd zwei oder drei parallele und benachbarte Hauptwellenleiter (W) aufweisen,
   • - die von den zwei Hauptwellenleitern (W) des einen Wellenleiter-Abschnitts (21) ausgehenden jeweils zwei Verzweigungswellenleiter (V₁) Y-förmig mit zwei Verzweigungswellenleitern (V₁) verbunden ist, die von zwei benachbarten der drei Hauptwellenleiter (W) des zweiten Wellenleiter-Abschnitts (22) ausgehen, so daß die beiden äußeren Verzweigungswellenleiter (V₀), die von den beiden äußeren Hauptwellenleitern (W) des zweiten Wellenleiter-Abschnitts (22) ausgehen, unverbunden im Verzweigungsabschnitt enden.