DE3809440C2 - Bistabiler Halbleiterlaser - Google Patents

Bistabiler Halbleiterlaser

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Description

Die Erfindung betrifft einen Halbleiterlaser gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Ein derartiger Halbleiterlaser ist bereits aus KOJIMA, K. et al.: Edge- and surface-emiting distributed Bragg reflector laser with multiquantum well active/passive waveguides, in US-Z.: Applied Physics Letters, Vol. 50, No. 5, 1987, S. 227 bis 229, bekannt. Dieser bekannte Halbleiterlaser enthält zwei Lichtbegrenzungsschichten von unterschiedlichem Leitungstyp, eine zwischen beiden Lichtbegrenzungsschichten angeordnete aktive Schicht mit einer Quantenschichtstruktur, ein in seinem Resonatorbereich angeordnetes Beugungsgitter sowie Strominjektionsmittel zur ungleichmäßigen Injektion von Strom in die aktive Schicht. Für diesen Halbleiterlaser wurde nach der dortigen Fig. 2 herausgefunden, daß sich mit ansteigendem Injektionsstrom die Wellenlänge des Ausgangslichts zu kürzeren Wellenlängen hin verschiebt.
Die Fig. 5 zeigt einen konventionellen bistabilen Halblei­ terlaser nach Liu und Kamiya, Technical Digest of the 10th IEEE International Semiconductor Laser Conference, Paper J-3 (1986), Kanazawa, Japan. Gemäß Fig. 5 sind ein InP- Substrat 16 vom n-Typ, eine aktive InGaAsP-Schicht 15, eine InP-Lichtbegrenzungsschicht 14 vom p-Typ und eine InGaAsP- Kontaktschicht 13 vom p-Typ vorhanden. Mit dem Bezugszei­ chen 18 ist eine InP-Sperrschicht vom p-Typ bezeichnet, während eine InP-Sperrschicht vom n-Typ das Bezugszeichen 19 trägt. Die Bezugszeichen 12a, 12b geben p-seitige Elek­ troden an, während mit dem Bezugszeichen 17 eine n-seitige Elektrode bezeichnet ist.
Im folgenden wird der Betrieb dieses Lasers näher be­ schrieben.
Es sind drei Elektroden 12 vorhanden, wobei voneinander un­ terschiedliche Ströme durch die Elektrode 12a im Verstär­ kungsbereich 8 einerseits und durch die Elektrode 12b im Absorptionsbereich 9 andererseits fließen. Fig. 7 läßt er­ kennen, daß sich bei Erhöhung des Stroms die Ladungsträger­ konzentration erhöht. In Übereinstimmung damit wird der Ab­ sorptionskoeffizient verringert, so daß eine Verstärkung schnell erhalten wird. Fließt ein kleiner konstanter Strom durch den Absorptionsbereich 9 (er kann 0 sein) und wird der durch den Verstärkungsbereich 8 fließende Strom erhöht, so tritt keine Schwingung aufgrund der Absorption im Ab­ sorptionsbereich 9 auf, bis der Strom den Wert I1 annimmt, wie die Fig. 6 zeigt. Wird der Stromwert I1 überschritten, so setzt eine Schwingung ein. Nach Einsetzen der Schwingung wird Laserlicht im Absorptionsbereich 9 absorbiert. Die Zahl der Ladungsträger steigt an, so daß sich der Absorp­ tionskoeffizient vermindert, wie in Fig. 7 gezeigt ist. Wird in diesem Zustand der Strom allmählich verringert, so wird die Schwingung beendet, wenn der Strom gerade den Wert I2 erreicht hat. Es werden somit bistabile Eigenschaften erhalten.
Die Zeit, die der Laser für den Anstieg und den Abfall be­ nötigt, beträgt etwa 200 Picosekunden, wobei dieser Wert ein Mini­ malwert ist. Die entsprechende Geschwindigkeit für den An­ stieg bzw. Abfall ist jedoch ungenügend.
Üblicherweise wird für die aktive Schicht eine Quanten-Wan­ nenstruktur verwendet, um die Betriebsgeschwindigkeit eines Halbleiterlasers zu erhöhen. In einem solchen Fall ist je­ doch der Absorptionskoeffizient der Quantenschichtstruktur bei nichtinjiziertem Strom niedrig, und zwar bei einer Wel­ lenlänge, bei der der Verstärkungskoeffizient bei injizier­ tem Strom seinen Höchstwert annimmt, wie in Fig. 7 gezeigt ist. Dies ist jedoch nicht ausreichend, um einen bistabilen Betrieb zu ermöglichen.
Der konventionelle bistabile Halbleiterlaser weist darüber hinaus den Nachteil auf, daß seine Betriebsgeschwindigkeit begrenzt ist, wobei ferner seine Schwingungswellenlänge un­ stabil ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen bistabilen Halblei­ terlaser zur Verfügung zu stellen, der bei hoher Be­ triebsgeschwindigkeit und mit stabiler Schwingungswellen­ länge arbeitet.
Die Lösung der gestellten Aufgabe ist dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 zu entnehmen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Beim Halbleiterlaser nach der Erfindung besteht die ak­ tive Schicht aus einer Quantenschichtstruktur, die eine hohe Betriebsgeschwindigkeit ermöglicht. Die Schwingungswellen­ länge wird mit Hilfe eines Gitters zu einer kürzeren Wel­ lenlänge als die durch die aktive Schicht im Spitzenbereich des Verstärkungskoeffizienten erhaltene Schwingungswellenlänge verscho­ ben. Demzufolge wird durch das Gitter die Schwingungswel­ lenlänge stabilisiert und auf eine solche Wellenlänge fest­ gesetzt, bei der die Quantenschichtstruktur im Absorptions­ bereich einen großen Absorptionskoeffizienten aufweist. Auf diese Weise lassen sich eine höhere Betriebsgeschwindigkeit und eine stabilere Schwingungswellenlänge erzielen.
Die Zeichnung stellt neben dem Stand der Technik Ausfüh­ rungsbeispiele der Erfindung dar. Es zeigen:
Fig. 1 bis 4 Ausführungsbeispiele der Erfindung und
Fig. 5 bis 7 einen konventionellen Halbleiterlaser.
Die Fig. 1 zeigt einen bistabilen Halbleiterlaser in Überein­ stimmung mit einem Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung. Dieser Laser kann als Laser mit verteilter Bragg-Re­ flexion bezeichnet werden (distributed Bragg reflector la­ ser). Er enthält eine p-seitige Elektrode 1 (p-Elektrode), eine GaAs-Kontaktschicht 2 vom p-Typ sowie eine AlGaAs- Lichtbegrenzungsschicht 3 vom p-Typ. Ferner sind eine akti­ ve Schicht 4 mit einer Multi-Quantenschichtstruktur, eine AlGaAs-Lichtbegrenzungsschicht 5 vom n-Typ, ein GaAs-Sub­ strat 6 vom n-Typ sowie eine Elektrode 7 vom n-Typ vorhan­ den. Die Elemente 1 bis 7 sind der Reihe nach übereinander­ liegend angeordnet. Ein Verstärkungsbereich ist mit dem Be­ zugszeichen 8 versehen, während ein Absorptionsbereich das Bezugszeichen 9 trägt. Mit dem Bezugszeichen 10 ist ein Gitter bezeichnet.
Im folgenden wird der Betrieb dieses Lasers näher er­ läutert.
Die Fig. 2 zeigt die Wellenlängenabhängigkeit des Verstär­ kungskoeffizienten im Strominjektionszustand und die Wel­ lenlängenabhängigkeit des Absorptionskoeffizienten der Quantenschichtstruktur bei nichtinjiziertem Strom. Wie be­ reits im Zusammenhang mit dem Stand der Technik beschrie­ ben, nimmt der Absorptionskoeffizient einen niedrigen Wert bei einer Wellenlänge λ1 im Bereich des Spitzenwerts des Verstärkungskoeffizienten an. Wird die Schwingungswellen­ länge mit Hilfe des Gitters 10 zu einer kürzeren Wellenlän­ ge λ2 verschoben, so weist der Absorptionskoeffizient einen großen Wert auf, der ausreicht, um bistabile Eigenschaften zu erhalten. Da in diesem Ausführungsbeispiel eine Quanten­ schichtstruktur für die aktive Schicht verwendet wird, kann eine hohe Betriebsgeschwindigkeit erzielt werden. Anstiegs­ zeiten im Bereich von 12 Picosekunden wurden im Experiment tatsächlich gemessen. Das Gitter dient dazu, eine longitu­ dinale Mode der einzigen Wellenlänge zu bilden, so daß eine stabile Schwingungswellenlänge erhalten wird. Beim vor­ liegenden Ausführungsbeispiel wird eine Lichtbegrenzungs­ struktur verwendet, die in Querrichtung verläuft und als Stegwellenleiter ausgebildet ist. Es ist keine Träger- bzw. Ladungsträgerbeschränkungsstruktur vorhanden. Demzufolge werden die Träger bzw. Ladungsträger im Absorptionsbereich sowie beim abfallenden Betrieb (Abschaltbetrieb) schnell in Querrichtung gestreut, so daß eine sehr kurze Abfallzeit erhalten wird. Die Abfallzeit (falling down time) lag im Experiment unterhalb von 100 Picosekunden. Sie beträgt da­ her etwa nur die Hälfe wie beim konventionellen bistabilen Halbleiterlaser.
Beim Ausführungsbeispiel der Erfindung wird zur Bildung der aktiven Schicht eine Quantenschichtstruktur ver­ wendet. Die Schwingungswellenlänge wird mit Hilfe des Git­ ters gegenüber der Wellenlänge des Spitzenwerts des Ver­ stärkungskoeffizienten zu einer kürzeren Wellenlänge ver­ schoben. Hierdurch werden die Betriebsgeschwindigkeit ver­ größert und die Schwingungswellenlänge des Lasers stabili­ siert.
Beim genannten Ausführungsbeispiel wurde ein Laser vom DBR-Typ beschrieben, bei dem ein Gitter nur im Absorp­ tionsbereich vorhanden ist. Als alternative Ausbildung kann gemäß Fig. 3 ein Gitter aber auch im gesamten Bereich des Resonators vorhanden sein, um einen Laser mit verteilter Rückkopplung zu erhalten, bei dem ein Strom nur in Teilbereichen injiziert wird.
Die Fig. 4 zeigt eine weitere Alternative des Aus­ führungsbeispiels. Bei dieser Einrichtung ist die Elektrode des Lasers vom DFB-Typ in eine Mehrzahl von Elektroden un­ terteilt. Dabei fließt ein großer Strom durch den Verstär­ kungsbereich 8, während ein kleiner Strom durch den Absorp­ tionsbereich 9 fließt. Auf diese Weise werden dieselben Ef­ fekte erhalten, die bereits oben beschrieben worden sind.
Bei den in den Fig. 1 und 3 dargestellten Lasern befindet sich keine Elektrode im Absorptionsbereich. Es ist daher möglich, einen Schaltvorgang durch Einstrahlung von Trig­ gerlicht in vertikaler Richtung zum Substrat in den Absorp­ tionsbereich, der keine Elektrode trägt, durchzuführen.

Claims (7)

1. Halbleiterlaser mit
  • - zwei Lichtbegrenzungsschichten (3, 5) von unterschiedlichen Leitungstyp,
  • - einer zwischen beiden Lichtbegrenzungsschichten (3, 5) angeordneten aktiven Schicht (4) mit einer Quantenschichtstruktur,
  • - einem in seinem Resonatorbereich angeordneten Beugungsgitter (10) sowie
  • - Strominjektionsmitteln (1, 7) zu ungleichmäßigen Injektion von Strom in die aktive Schicht (4),
dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungsgitter (10) so ausgebildet ist, daß es unabhängig vom injizierten Strom die Schwingungswellenlänge des Halbleiterlasers zu einer kürzeren Wellenlänge (λ₂) als die durch die aktive Schicht (4) erhaltene Schwingungswellenlänge (λ₁) im Spitzenbereich des Verstärkungskoeffizienten verschiebt.
2. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungsgitter (10) nur in einem Absorptionsbereich (9) liegt, der kein Strominjektionsbereich ist.
3. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungsgitter (10) sowohl im Absorptionsbereich (9) als auch in einem aktiven Bereich (8) liegt, der ein Strominjektionsbereich ist.
4. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungsgitter (10) im gesamten Resonatorbereich liegt und die Strominjektionsmittel (1, 7) mehrere Elektroden aufweisen.
5. Halbleiterlaser nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungsgitter (10) ferner so ausgebildet ist, daß durch vertikal von außen auftreffendes Triggerlicht ein Schaltvorgang durchführbar ist.
6. Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Stegwellenleiterstruktur zur Begrenzung von Laserstrahlung und Injektionsstrom in seiner Querrichtung.
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