DE3884366T2 - Vorrichtung zur Erzeugung der zweiten Harmonischen, wobei sich die aktive Schicht und die Schicht zur Erzeugung der zweiten Harmonischen auf demselben Substrat befinden. - Google Patents

Vorrichtung zur Erzeugung der zweiten Harmonischen, wobei sich die aktive Schicht und die Schicht zur Erzeugung der zweiten Harmonischen auf demselben Substrat befinden.

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Description

    HINTERGRUND DER ERFINDUNG Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erzeugung der zweiten Harmonischen, die beispielsweise für optische Informationsaufzeichnung und -wiedergewinnung oder für Herstellungsverfahren von Halbleitern als Lichtquelle von Nutzen ist.
    • Verwandter Stand der Technik
  • Im allgemeinen werden für solche Lichtquellen Halbleiter- Laser verwendet. Jedoch ist es schwierig, den Halbleiter- Laser als Lichtquelle mit einer kleinen Wellenlänge zu benutzen, da er nur Photonen einer Energie nahe der Bandlückenenergie Eg, die durch das die aktive Schicht bildende Material bestimmt ist, emittieren kann. Aus diesem Grund wurde eine Vorrichtung zum Erzeugen von Licht einer kurzen Wellenlänge vorgeschlagen, die die Erzeugung der zweiten Harmonischen ausnutzt, wie schematisch in Fig. 1 dargestellt ist.
  • In Fig. 1 sendet ein Halbleiter-Laser 66 bei Injektion eines Stromes 64 Licht 40 einer Wellenlänge λ aus. Das Licht 40 tritt in ein die zweite Harmonische erzeugendes Material (SHG-Material) 67 mit einer großen zweiten nichtlinearen Konstante ein, die zusammen mit einer durchgelassenen Welle 41 der Wellenlänge λ eine zweite harmonische Welle 42 der Wellenlänge λ/2 erzeugt. Eine solche Vorrichtung ist in Xerox Disclosure Journal, Bd. 4, Nr. 3, Mai/Juni 1979, Seiten 365 bis 366 offenbart.
  • Fig. 2A und 2B stellen Details einer herkömmlichen Vorrichtung zur Erzeugung der zweiten Harmonischen dar, wobei Fig. 2B ein von der Fortpflanzungsrichtung des Lichts aus gesehener Aufriß ist, während Fig. 2A eine schematische Querschnittsansicht entlang einer Linie B-B in Fig. 2B ist. Diese Vorrichtung umfasst eine Lichtquelle 60 zur Erzeugung einer Grundwelle und ein Umwandlungselement 61 zum Umwandeln der Wellenlänge des die Grundlage bildenden Laserstrahles.
  • Wenn die Grundwelle (Kreisfrequenz ω ; Wellenlänge λ&sub0;) von der Lichtquelle 60 in einen Wellenleiterkanal 62 des Umwandlungselements 61 eingespeist wird, breitet sich ein Teil der Grundwelle innerhalb eines im Verhältnis zu dem Wellenleiterkanal 62 diagonal nach unten gerichteten Bereichs 63 aus und wird in eine zweite harmonische Welle (Kreisfrequenz 2ω ; Wellenlänge λ&sub0;/2) umgewandelt. Der Ausbreitungsbereich 63 der zweiten Harmonischen ist diagonal nach unten gerichtet, da die zweite Harmonische in dieser Richtung mit der Grundwelle hinsichtlich der Phase zusammenpasst.
  • Ein Umwandlungselement 61 aus einem LiNbO&sub3;-Kristall, bei dem der Wellenleiterkanal 62 gebildet wird, indem in dem Kristall Li&spplus; durch H&spplus; durch Ionenaustausch ersetzt wird, ist in "SHG element utilizing ridge-type LiNO&sub3; wave guide channel" Preprints for 48th Symposium of Academy of Applied Physics, 19P/ZG/3, Herbst 1987 beschrieben. Gemäß dieser Veröffentlichung sendet dieses Umwandlungselement eine zweite harmonische Welle einer Wellenlänge von 0,42 um aus, nachdem es einen Halbleiter-Laserstrahl einer Wellenlänge von 0,84 um als Grundwelle empfangen hat.
  • Eine solche Vorrichtung zur Erzeugung der zweiten Harmonischen kann, wenn sie zum Aufzeichnen auf oder zur Wiedergewinnung von einem optischen Aufzeichnungsträger, wie einer optischen Platte, angewendet wird, durch Reduzieren der Wellenlänge des Laserstrahles auf 1/2 die Fläche des Lichtpunktes auf 1/4 reduzieren, und dadurch die optische Aufzeichnungsdichte vervierfachen. Sie kann auch bei Herstellungsverfahren von Halbleitern, die Licht verwenden, wie Belichtung, Ätzen oder Dotieren angewendet werden, um die Strukturdichte zu erhöhen.
  • Jedoch ist die vorgenannte Vorrichtung mit folgenden Nachteilen verbunden:
  • 1) Auf Grund von Reflexion an der Eingangsstirnfläche ist es schwierig, die Grundwelle effizient in das Umwandlungselement einzuspeisen.
  • 2) Die gesamte Vorrichtung ist sperrig, da das Umwandlungselement unvermeidbarerweise einige Zentimeter lang ist, obwohl der Halbleiter-Laser zum Erzeugen der Grundwelle selbst weniger als 1 mm groß ist.
  • 3) Der Wirkungsgrad der Umwandlung ist niedrig, beispielsweise bei dem vorgenannten LiNbO&sub3;-Kristall ungefähr 2,5 %, da nur ein kleiner Teil der Grundwelle in die zweite Harmonische umgewandelt wird.
    • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen, die nicht mit den vorgenannten Nachteilen des Standes der Technik verbunden ist, und die fähig ist, die zweite Harmonische innerhalb eines kompakten Aufbaus wirksam zu erzeugen.
  • Vorstehende Aufgabe läßt sich erfindungsgemäß mittels einer Vorrichtung zur Erzeugung der zweiten Harmonischen erreichen, die
  • ein Substrat,
  • eine Laser-Resonator-Anordnung mit einer aktiven Schicht, die auf dem Substrat gebildet ist und dazu gestaltet ist, im Ansprechen auf die Injektion eines Stroms Licht einer Wellenlänge λ zu erzeugen,
  • eine die zweite Harmonische erzeugende Schicht, die auf dem Substrat und innerhalb der Resonator-Anordnung gebildet ist und dazu gestaltet ist, aus dem Licht, das in der aktiven Schicht erzeugt worden ist, Licht der Wellenlänge λ/2 zu erzeugen, und
  • ein Paar Elektroden, die der aktiven Schicht Strom zuführen, enthält.
  • Die Vorrichtung der Erfindung ist ferner mit einem Paar Stirnflächen, die einen Laser-Resonator bilden, ausgestattet, wobei die Stirnflächen vorzugsweise mit einer Beschichtung versehen sind, um das Licht der Wellenlänge λ innerhalb des Resonators zu halten und das Licht der Wellenlänge λ/2 nach außen durchzulassen. Die Beschichtung kann so beschaffen sein, daß sie an beiden Stirnflächen ein Reflexionsvermögen R(λ) von ungefähr 100% für das Licht der Wellenlänge λ und an mindestens einer Stirnfläche ein Reflexionsvermögen R(λ/2) von ungefähr 0% für das Licht der Wellenlänge λ/2 hat.
  • Erfindungsgemäß wird der vorgenannte Nachteil (1) beseitigt, da das die zweite Harmonische erzeugende Material in dem Element selbst eingebaut ist. Auch der Nachteil (2) wird beseitigt, da das Licht der Wellenlänge λ innerhalb des Resonators mehrere Male hin- und herläuft, wodurch sich praktisch eine lange Strecke ergibt. Da das Licht der Wellenlänge λ auch weitgehend in dem Element eingesperrt ist, beschränken sich die Verluste auf strahlungslose Rekombinationen, spontane Lichtemission und Absorption. Daher ist der Wirkungsgrad der Emission von Licht kurzer Wellenlänge im Vergleich zu dem beim Stand der Technik bedeutend verbessert, so daß auch der vorgenannte Nachteil (3) beseitigt ist.
    • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Fig. 1, 2A und 2B sind schematische Ansichten, die herkömmliche Vorrichtungen zur Erzeugung der zweiten Harmonischen zeigen;
  • Fig. 3 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispieles der Erfindung;
  • Fig. 4 ist eine schematische Ansicht, die das Verhalten des Lichts bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 zeigt;
  • Fig. 5 und 6 sind schematische perspektivische Ansichten, die jeweils weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung zeigen;
  • Fig. 7A und 7B sind jeweils eine geschnittene Seitenansicht und eine geschnittene Vorderansicht eines Ausführungsbeispiels der Erfindung mit einem Beugungsgitter innerhalb des Elements.
  • Fig. 8 bis 10 sind geschnittene Vorderansichten, die Abwandlungen des Elements nach Fig. 7B zeigen; und
  • Fig. 11 ist eine schematische Ansicht des bei den Ausführungsbeispielen nach Fig. 7A bis 10 verwendeten Beugungsgitters.
    • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
  • Nun soll die Erfindung ausführlich an Hand von in den beiliegenden Zeichnungen gezeigten Ausführungsbeispielen erklärt werden.
  • Fig. 3 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines Halbleiter-Laserelementes, das ein Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt, in der eine Spannungsquelle 10, eine aktive Schicht 34 beispielsweise aus GaAs, Mantelschichten 32 und 33 beispielsweise aus AlGaAs, Elektroden 35 und 36, Stirnflächen 38 und 39, die einen Resonator bzw. Oszillator bilden, ein die zweite Harmonische erzeugendes Material und eine Lichtintensitätsverteilung 50 in der Oszillationsmode gezeigt sind. Die Mantelschicht 33 dient auch als Substrat.
  • Wenn eine Spannung an die Elektroden 35 und 36 angelegt wird, werden Elektronen beziehungsweise positive Löcher von den Mantelschichten 32 und 33 in die aktive Schicht 34 injiziert, weshalb eine Laseroszillation in dem durch die Stirnflächen 38 und 39 definierten Resonator stattfindet und Licht einer Wellenlänge λ emittiert wird. Die vorstehend beschriebene Funktionsweise ist die gleiche wie beim gewöhnlichen Halbleiter- Laser. Bei diesem Ausführungsbeispiel befinden sich in den Bereichen zu beiden Seiten der aktiven Schicht 34, in denen die Lichtintensitätsverteilung 50 in der Oszillationsmode nicht null ist, die zweite Harmonische erzeugende Materialien 31 (beispielsweise LiNbO&sub3;, KDP, MNA oder eine Mehr-Potentialmulden-Struktur mit angelegtem elektrischen Feld).
  • An jeder der Stirnflächen 38 und 39 befindet sich eine mehrschichtige Beschichtung, die so aufgebaut ist, daß sie ein Reflexionsvermögen R(λ) von 99% für das Licht der Wellenlänge λ und ein Reflexionsvermögen R(λ/2) von 1% für das Licht der Wellenlänge λ/2 hat.
  • Fig. 4 ist eine konzeptionelle Zeichnung, die das Verhalten von Licht bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 zeigt, wobei die Bestandteile, die mit denen in Fig. 3 übereinstimmen, mit entsprechenden Bezugszeichen versehen sind und nicht mehr erläutert werden.
  • Bei der im vorangehenden erläuterten Anordnung dringt das erzeugte Licht 70 der Wellenlänge λ kaum nach außen, sondern läuft mehrere Male in dem Resonator hin und her.
  • Da sich die Lichtintensitätsverteilung 50 auf die die zweite Harmonische erzeugenden Materialien 31 erstreckt, wird das Licht der Wellenlänge λ nach und nach in Licht der Wellenlänge λ/2 umgewandelt. Da die Stirnflächen 38 und 39 für das Licht der Wellenlänge λ/2 ein niedriges Reflexionsvermögen haben, wird dieses Licht nach außen durchgelassen, wie durch 44 und 43 angezeigt ist, bevor es in dem Element absorbiert wird. Da das Licht der Wellenlänge λ kaum nach außen ausgesendet wird, ist die Oszillation im Vergleich zu dem Fall des herkömmlichen Halbleiter-Lasers mit R(λ) = ca. 30% einfacher, und der Schwellenstrom Ith wird kleiner.
  • Bevorzugte Abmessungen bei dem im vorangehenden erläuterten Ausführungsbeispiel sind: Dicke der aktiven Schicht 34 in einem Bereich von 30 Å bis 1 um, Breite derselben in einem Bereich von 0,5 bis 100 um, Dicke des die zweite Harmonische erzeugenden Materials 31 in einem Bereich von 30 Å bis 10 um und Länge des Resonators (Abstand zwischen den Stirnflächen 38 und 39) in einem Bereich von 1 um bis 1 mm. Darüberhinaus sollte die Länge des Resonators vorzugsweise 50 um nicht übersteigen, um die Absorption des Lichts der Wellenlänge λ/2 zu vermindern und den Wirkungsgrad zu verbessern.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 tragen die die zweite Harmonische erzeugenden Materialien 31, da sie einen niedrigen Brechungsindex haben und aus einem isolierenden Material bestehen, zur Bildung eines Wellenleiterkanals und zur Einschnürung des elektrischen Stromes bei. Auf diese Weise werden mit einem einzigen die zweite Harmonische erzeugenden Material drei Wirkungen erzielt (Umwandlung der Wellenlänge von λ in λ/2, Bildung eines Wellenleiterkanals und Einschnürung des Stroms). So ist dieser Aufbau einfach und hat bedeutende Funktionen. Auch hat dieses Ausführungsbeispiel den Vorteil, daß die Vervielfachung der longitudinalen Mode verhindert wird, da der Einbau des die zweite Harmonische erzeugenden Materials eine Reduzierung der Länge des Resonators erlaubt.
  • Im Hinblick auf den Wirkungsgrad ist das die zweite Harmonische erzeugende Material für das Licht der Wellenlänge λ/2 vorzugsweise transparent. Jedoch wird durch die Reduzierung der Länge des Resonators, selbst wenn es nicht transparent ist, der Wirkungsgrad nicht allzu sehr verschlechtert, da das Licht aus dem Element ausgesendet wird, bevor es eine bedeutende Absorption erleidet.
  • Fig. 5 und 6 sind schematische perspektivische Ansichten, die weitere Ausführungsbeispiele des Halbleiter- Laserelementes der Erfindung zeigen. In diesen Zeichnungen sind die Komponenten, die mit denen in Fig. 3 übereinstimmen, mit entsprechenden Bezugszeichen versehen und werden nicht weiter erläutert.
  • Fig. 5 zeigt ein Halbleiter-Laserelement vom sogenannten Grat-Wellenleiterkanal-Typ, bei dem ein Wellenleiterkanal durch Bilden eines streifenförmigen Vorsprungs auf der Mantelschicht 32 erhalten wird. Die die zweite Harmonische erzeugenden Materialien 31 befinden sich zu beiden Seiten des Gratabschnittes, wo ein isolierender Abschnitt, der beispielsweise aus Si&sub3;N&sub4; besteht, gebildet wird. Dieses Ausführungsbeispiel hat den Vorteil, daß es leichter herzustellen ist als das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3.
  • Bei dem in Fig. 6 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die die zweite Harmonische erzeugenden Materialien 31 nicht durchgehend zwischen den Stirnflächen 38 und 39 angeordnet sondern in begrenzten Abschnitten.
  • Für den Fall, daß das die zweite Harmonische erzeugende Material eine erhöhte Absorption aufweist, wird bei dieser Anordnung das Licht der Wellenlänge λ/2 nur in der Nähe der Stirnflächen erzeugt, wodurch die Wirkung, die Absorption zu reduzieren, erzielt wird.
  • Fig. 7A und 7B stellen ein weiteres Ausführungsbeispiel der Vorrichtung der Erfindung dar, wobei Fig. 7B ein Querschnitt in einer zur Oszillationsebene parallelen Richtung ist, und Fig. 7A ein Querschnitt entlang einer Linie A-A in Fig. 7B.
  • Bei dem Element dieses Ausführungsbeispiels, wird ein Halbleiter-Laser (I) der GaAs/AlGaAs-Serie auf einem p&spplus;- leitenden GaAs-Substrat 25 gebildet, und darauf wird ein die zweite Harmonische erzeugendes Material (II) der ZeSeS-Serie durch epitaktisches Aufwachsen mittels des MBE-Verfahrens gebildet.
  • Ein Beugungsgitter G(I) ist innerhalb des Halbleiter- Lasers (I) ausgebildet, während ein weiteres Beugungsgitter G(II) innerhalb des die zweite Harmonische erzeugenden Materials (II) ausgebildet ist. Auch wird um eine Vorwärtsspannung (in einer Richtung senkrecht zu den geschichteten Filmen) an dieses Element anzulegen, unter dem Substrat 25 eine p-Elektrode 26 aus AV gebildet und auf dem die zweite Harmonische erzeugenden Bereich (II) über einer isolierenden Schicht 12, die beispielsweise aus Si&sub3;N&sub4; oder SiO&sub2; zusammengesetzt ist und ein Strominjektions-Fenster bildet, eine n-Elektrode 11 aus AV.
  • Der Halbleiter-Laser (I) ist vorzugsweise aus einem Kristall aus einem III-V-Verbindungs-Halbleiter gebildet und Halbleiter der GaInAs-, GaAsSb- und GaInAsP-Serien können zusätzlich zu Halbleitern der AlGaAs-Serie zu diesem Zweck verwendet werden.
  • Auch der die zweite Harmonische erzeugende Bereich ist aus einem Kristall aus einem II-VI-Verbindungs-Halbleiter gebildet und Kristalle der ZnSeTe- und der CdHgTe-Serien können zu diesem Zweck zusätzlich zu denen der ZeSeS- Serie verwendet werden. Diese Materialien können beispielsweise auf einem Halbleiter-Laser der AlGaAs- Serie epitaktisch aufgewachsen werden, so daß der die zweite Harmonische erzeugende Bereich leicht mit dem Halbleiter-Laser integriert werden kann.
  • Bei der Vorrichtung dieses Ausführungsbeispiels werden das Einbringen der mittels des Halbleiter-Lasers erzeugten Grundwelle in den die zweite Harmonische erzeugenden Bereich und die optische Kombinierung dieser beiden Bereiche durch ein Beugungsgitter G(I) an einer Position zum Empfangen des aus der Grundwelle bestehenden Laserstrahls aus der aktiven Schicht des Halbleiter- Lasers und ein Beugungsgitter G(II) an einer Position zum Empfangen des durch das erstgenannte Gitter im Halbleiter-Laser gebeugten Laserstrahls erreicht.
  • Das heißt, die durch den Halbleiter-Laser erzeugte Grundwelle wird mittels des Beugungsgitters G(I) im Halbleiter-Laser zu dem die zweite Harmonische erzeugenden Bereich abgelenkt, und die auf diese Weise eingeführte Grundwelle wird mittels des Beugungsgitters G(II) wieder in den die zweite Harmonische erzeugenden Bereich abgelenkt, um eine wirksame Umwandlung in die zweite Harmonische zu erreichen.
  • Das hier verwendete Beugungsgitter besteht zum Beispiel in einer regelmäßig gewellten Grenzfläche zwischen zwei Schichten mit unterschiedlichen Brechungsindizes.
  • Im folgenden soll eine ausführlichere Erläuterung des Aufbaus des Halbleiter-Lasers (I) und des die zweite Harmonische erzeugenden Materials (II) dieses Ausführungsbeispiels gegeben werden.
  • Der Halbleiter-Laser (I) der GaAs/AlGaAs-Serie hat eine Doppel-Heterostruktur, bestehend aus einer aktiven Schicht aus p-GaAs mit einer Dicke von 0,1 um, die zwischen einer p-leitenden Mantelschicht 23 aus P-Al0,4Ga0,6As und n-leitenden Mantelschichten 19 und 21 aus n-Al0,2Ga0,8As liegt, wobei das Beugungsgitter G(I) zwischen einer Schicht 20 aus n-Al0,4Ga0,6As und der n-leitenden Mantelschicht 19 gebildet ist. Zum Einschnüren des Strompfades ist auch eine Schicht 18 aus i-Al0,2Ga0,8As durch Rekristallisation nach Bilden und Ätzen der n-leitenden Mantelschicht 19 eingebettet. Auch ist eine Pufferschicht 24 aus p&spplus;-GaAs zwischen dem Substrat 25 und der p-leitenden Mantelschicht 23 gebildet.
  • Im folgenden wird der Teilungsabstand des Beugungsgitters G(I) erläutert.
  • Bei diesem Ausführungsbeispiel sind der Halbleiter- Laser (I) und der die zweite Harmonische erzeugende Bereich (II) so verbunden, daß die Wellenleiterkanäle zueinander parallel sind und die Beugungsgitter G(I) und G(II) sind ebenfalls parallel dazu, so daß der Teilungsabstand Λ&sub1; des Gitters G(I) durch folgende Gleichung (1) bestimmt werden kann:
  • Λ&sub1; = l (λ&sub0;/2 ) (1)
  • wobei λ&sub0; : Wellenlänge des aus der Grundwelle bestehenden Laserstrahls im Vakuum
  • : effektiver Brechungsindex des aus der Grundwelle bestehenden Laserstrahls im Bereich des Beugungsgitters
  • l : Ordnung; eine ganze Zahl größer oder gleich 1.
  • Es ist eine Bedingung l ≥ 2 zu erfüllen, und bei diesem Ausführungsbeispiel wird ein Teilungsabstand für l = 3 verwendet. Die Bedingung l = 3 erscheint am besten geeignet, da ein größerer Wert l die Herstellung von Beugungsgittern erleichtert, während ein kleinerer Wert den Kopplungswirkungsgrad verbessert.
  • Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Teilungsabstand &sub1; gemäß Gleichung (1) 399 nm, da die von der aktiven Schicht 22 ausgesendete Grundwelle die Parameter λ&sub0; = 900 nm und = 3,385 hat.
  • Der die zweite Harmonische erzeugende Bereich (II) (SHG-Bereich) aus der ZnSeS-Serie hat eine Schicht 15 aus n-ZnSe0,9S0,1, die zwischen den SHG-Schichten 14 und 16 aus Ga-dotiertem n-ZnSe liegt, und das Beugungsgitter G(II) ist an der Grenzfläche zwischen den Schichten 15 und 16 ausgebildet. Das Beugungsgitter G(II) ist durch Hinzufügen von n-ZnSe0,9S0,1 im mittleren Bereich der Ga-dotierten n-ZnSe-Schicht gebildet.
  • Auf diese Weise liegen die SHG-Schichten 14 und 16 zwischen den Schichten 13 und 17 aus n&spplus;-ZnSe0,9S0,1, damit die SHG-Schichten 14 und 16 Wellenleiterkanäle bilden oder damit das Licht innerhalb der Schichten 14 und 16 eingesperrt wird. Auch die SHG-Schichten 13 und 17 haben eine höhere Ladungsträgerkonzentration, um den Ohmschen Kontakt zu verbessern.
  • Der Teilungsabstand des Beugungsgitters G(II) wird entsprechend der vorgenannten Gleichung (1) und bei derselben Ordnung wie bei dem Gitter G(I) so bestimmt, daß das von dem Gitter G(I) im Halbleiter-Laser gebeugte Licht eintreten und mit dem Gitter G(II) koppeln kann. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Bedingung l = 3 gewählt.
  • Der Teilungsabstand Λ&sub2; berechnet sich aus Gleichung (1) und gemäß den Bedingungen l = 3, λ&sub0; = 900 nm und = 2,485 zu 543 nm.
  • Die rückseitige Stirnfläche b des Elements dieses Ausführungsbeispiels ist mit dielektrischen Mehrfach-Filmen, beispielsweise aus TiO&sub2; oder SiO&sub2; beschichtet, und kann daher die Grundwelle und die zweite Harmonische reflektieren. Die vordere Stirnfläche ist dagegen mit einer abgewandelten Zusammensetzung aus den dielektrischen Mehrfach-Filmen beschichtet, und hat ein Reflexionsvermögen von 90% oder mehr gegenüber der Grundwelle, aber nur von ungefähr 10% gegenüber der zweiten harmonischen Welle.
  • Im folgenden soll ein Verfahren der Erzeugung der zweiten Harmonischen bei der Vorrichtung dieses Ausführungsbeispiels erläutert werden.
  • Zuerst wird ein Strom in Vorwärtsrichtung der Vorrichtung gemäß Fib. 7B injiziert. So werden die Ladungsträger aus der n-Elektrode 11 und der p-Elektrode 26 injiziert. Die Ladungsträger aus der n-Elektrode 11 werden dort, wo die isolierende Schicht 12 nicht vorhanden ist, durch das Strominjektionsfenster in den SHG-Bereich (II) injiziert, und weiter in den Halbleiter-Laser (I), da der SHG- Bereich (II) n-leitend ist.
  • Daher wird der aus der Grundwelle bestehende Laserstrahl (Wellenlänge λ&sub0; = 900 nm; effektiver Brechungsindex im Laser = 3,385) mit einer Lichtintensitätsverteilung der Mode ω (I) gemäß Fig. 7A erzeugt.
  • Wie durch die Mode ω (I) gezeigt, ist die erzeugte Grundwelle im Bereich des Beugungsgitters G(I) ausreichend vorhanden und die Grundwelle in diesem Gitter wird in die Richtungen c, d, e und f abgelenkt. Der Beugungswinkel (Winkel zwischen dem gebeugten Licht und der Normalen zur Gitterebene) läßt sich aus folgender Gleichung (2) berechnen:
  • sinθ = (2m/l) - 1 (2)
  • wobei Θ : Beugungswinkel
  • m : 0, 1, 2 oder 3
  • l : Ordnung aus Gleichung (1)
  • Da bei diesem Ausführungsbeispiel l = 3 gilt, läßt sich Gleichung (2) schreiben als (3) :
  • sinθ = (2m/3) - 1 (3)
  • wobei Θ : Beugungswinkel
  • m : 0, 1, 2 oder 3
  • Folglich wird gemäß Gleichung (3) der Beugungswinkel gleich 0º, 70,5º, 109,5º und 180º.
  • Von diesen vier gebeugten Lichtanteilen treten diejenigen mit den Winkeln 70,5º und 109,5º (Richtungen e und f) in den SHG-Bereich (II) ein und werden mit dem Gitter G(II) gekoppelt.
  • Die gebeugten Lichtanteile der Grundwelle, die auf das Gitter G(II) treffen, werden in die Richtungen g, h, i und j abgelenkt. Da das Gitter G(II) die gleiche Ordnung wie das Gitter G(I) hat (l = 3), werden die Beugungswinkel gemäß Gleichung (3) gleich 0º, 70,5º, 109,5º und 180º.
  • Von diesen vier gebeugten Lichtanteilen bleiben diejenigen mit den Winkeln 0º und 180º (Richtungen j und g) in den SHG-Schichten 14 und 16 und stellen so das Laserlicht der Grundwelle mit der Lichtintensitätsverteilung der Mode ω (II) gemäß Fig. 7A dar. Ein Teil der Grundwelle der Mode ω (II) wird mittels des nichtlinearen Effekts zweiter Ordnung in den SHG-Schichten 14 und 16 in die zweite Harmonische mit der Lichtintensitätsverteilung der Mode 2 ω (II) gemäß Fig. 7A umgewandelt.
  • Diese zweite harmonische Welle wird während ihrer Ausbreitung im SHG-Bereich hinsichtlich ihrer Phase angepaßt und tritt durch die vordere Stirnfläche a aus. Die Grundwellen der Moden ω (I) und ω (II) treten kaum aus, da das Reflexionsvermögen der vorderen Stirnfläche für die zweite Harmonische nur ungefähr 10% beträgt, aber für die Grundwelle größer oder gleich 90% ist, wie im vorangehenden erläutert wurde.
  • Auf diese Weise werden der Halbleiter-Laser (I) und der SHG-Bereich (II) mittels der Beugungsgitter G(I) und G(II) optisch gekoppelt.
  • Auch in dem Halbleiter-Laser (1) wird ein Teil des Laserlichts der Grundwelle wegen der Nicht-Linearität von AlGaAs in die zweite Harmonische umgewandelt, aber dieses umgewandelte Licht wird zum größten Teil innerhalb des Halbleiter-Lasers (I) absorbiert. Der nicht absorbierte Anteil tritt zusammen mit der Grundwelle in den SHG- Bereich (II) ein und tritt durch die vordere Stirnfläche a aus, da die Gitter (I) und (II) als Gitter der Ordnung 6 (l = 6) wirken.
  • Fig. 8 ist eine Ansicht, die eine Abwandlung des Elements nach Fig. 7 im Querschnitt in einer Richtung parallel zur Oszillationsebene zeigt.
  • Die Vorrichtung dieses Ausführungsbeispiels ist denjenigen der vorangehenden Ausführungsbeispiele ähnlich, ausgenommen, daß der SHG-Bereich (II) gratförmig ist.
  • Der gratförmige SHG-Bereich (II) verbessert die Einschränkung der zweiten Harmonischen in lateraler Richtung und macht deshalb die zur Stromeinschnürung dienende Schicht 18 aus i-Al0,2Ga0,8As nach Fig. 7B überflüssig.
  • Bei dem Halbleiter-Laser (I) dieses Ausführungsbeispiels wird, da der Brechungsindex im unteren Teil des Grates größer gemacht wird, das erzeugte Licht auf Grund der Differenz beim Brechungsindex in dem unteren Teil eingesperrt. Auf diese Weise erreicht der Halbleiter- Laser dieses Ausführungsbeispiels auf Grund des Brechungsindexwellenleitertyps einen hohen Wirkungsgrad.
  • Fig. 9 ist eine Ansicht, die eine weitere Abwandlung des Elements nach Fig. 8 im Querschnitt in einer Richtung parallel zur Oszillationsebene zeigt.
  • Die Vorrichtung dieses Ausführungsbeispiels ist der nach Fig. 8 ähnlich, ausgenommen, daß das durch die isolierende Schicht 12 gebildete Strominjektionsfenster nicht an der Oberseite des Grates, sondern zu beiden Seiten k und m im unteren Teil des Grates ausgebildet ist.
  • Eine Abdeckschicht 27 aus n&spplus;-GaAs, die einen geringen Widerstand besitzt, wird neu hinzugefügt, um den Ohmschen Kontakt zu verbessern.
  • Bei diesem Ausführungsbeispiel fließt der Strom nicht in dem SHG-Bereich (II), der aus einem Kristall aus einem II-VI-Verbindungs-Halbleiter besteht. Es ist deshalb möglich, eine hohe Spannung von einigen Zehn Volt im SHG- Bereich (II) zu verhindern, die in dem Fall auftritt, in dem beim Laserbetrieb ein Strom dem SHG-Bereich (II) direkt zugeführt wird.
  • Auch bei diesem Ausführungsbeispiel ist es, da im SHG- Bereich (II) kein Strom vorhanden ist, nicht nötig, das Dotieren mit Verunreinigungen für den II-VI-Verbindungs- Halbleiter, der den SHG-Bereich (II) bildet, durchzuführen, die Betriebsspannung des Lasers kann reduziert werden und es ist möglich, die Absorption der harmonischen Wellen, resultierend aus der Verkleinerung der Bandlücke des SHG-Bereichs (II), zu vermeiden. Falls ein Strom dem SHG-Bereich (II) direkt zugeführt wird, muß das Substrat 26 p-leitend sein, da der SHG-Bereich (II) n-leitend ist. Jedoch bei diesem Ausführungsbeispiel kann das Substrat p-leitend oder n-leitend sein.
  • Darüberhinaus ist dieses Ausführungsbeispiel in bezug auf die Stabilität der lateralen Mode des von dem Halbleiter- Laser (I) erzeugten Laserlicht der Grundwelle überlegen, da der Strom von beiden Seiten k und m im unteren Teig des Grates injiziert wird. Der Grund für diesen Vorteil soll im folgenden erläutert werden.
  • Ein gewöhnlicher Halbleiter-Laser ist mit einem Plasmaeffekt verbunden, das heißt, der in dem Abschnitt, wo die Ladungsträgerkonzentration sich erhöht, geltende Brechungsindex erniedrigt sich proportional zur Erhöhung der Ladungsträgerkonzentration. Folglich wird, falls der Strom von der Oberseite des Grates injiziert wird, der Brechungsindex in einem Bereich nahe des Maximums der Ladungsträgerverteilung (Verstärkungsverteilung) kleiner, und das Laserlicht entweicht entsprechend der Verminderung des Brechungsindex seitlich. Bei diesem Ausführungsbeispiel jedoch nehmen, da der Strom von beiden Seiten k und m im unteren Teil des Grates injiziert wird, die Ladungsträger in der aktiven Schicht 22 eine breite gaußförmige Verteilung oder eine Verteilung mit zwei Maxima an. Zusätzlich wird auf Grund des Plasmaeffekts der äquivalente Brechungsindex unterhalb der Bereiche k und m kleiner. Bei der Vorrichtung dieses Ausführungsbeispiels werden die Ladungsträger im unteren Teil des Grates eingesperrt, da der äquivalente Brechungsindex in dem unteren Teil niedriger als bei dem zweiten Ausführungsbeispiel gewählt ist, und die Verkleinerung des Brechungsindex in dem unteren Teil erhöht die Differenz beim Brechungsindex, wodurch die Einschränkung verbessert wird.
  • Fig. 10 ist eine Ansicht, die noch eine weitere Abwandlung der Vorrichtung nach Fig. 9 im Querschnitt in einer Richtung parallel zur Oszillationsebene zeigt.
  • Diese Vorrichtung ist der in Fig. 9 gezeigten ähnlich, ausgenommen, daß der Halbleiter-Laser (I) ein Halbleiter- Laser mit einem transversalen Grenzschichtstreifen (TJS) ist.
  • Im folgenden soll der Aufbau dieses Halbleiter-Lasers (I) ausführlich beschrieben werden.
  • Bei diesem Halbleiter-Laser (I) wird ein Halbleiterkristall aus n-leitendem AlGaAs epitaktisch auf einem isolierenden Substrat 30 aus i-GaAs aufgewachsen, so daß die aktive Schicht 28 eine Doppel-Heterostruktur aufweist. Nach der Bildung eines Films aus n-AlGaAs werden durch Zn-Diffusion ein Diffusionsbereich (p) mit niederer Zn-Konzentration und ein Diffusionsbereich (o) mit hoher Zn-Konzentration gebildet, und ein homogener p-p&spplus;-n- Übergang in lateraler Richtung wird zur Bildung einer Rekombinationszone in der aktiven Schicht 28 aus n-GaAs gebildet. Die Ladungsträger werden über die p-Elektrode 26 und die n-Elektrode 11 in den Halbleiter- Laser (I) injiziert.
  • Auf diese Weise hat dieses Ausführungsbeispiel die durch die TJS-Struktur bewirkten Vorteile, das heißt, es kann die zweite Harmonische zufriedenstellend erzeugen und eignet sich auf Grund der Verwendung eines isolierenden Substrates zur Integration.
  • Bei den vorangehenden Ausführungsbeispielen hat der SHG- Bereich eine ZnSe-Doppel-Heterostruktur, aber er kann auch eine Übergitterstruktur, beispielsweise eine mehrfach periodische Struktur wie ZnSe 50 Å/ZnSe0,9S0,1 50 Å haben.
  • Auch kann anstelle des bei den vorangehenden Ausführungsbeispielen verwendeten Beugungsgitters (II) mit einem konstanten Teilungsabstand ein Gitter mit teilweise modifiziertem Teilungsabstand, wie es in Fig. 11 gezeigt ist, zur Phasenanpassung der zweiten Harmonischen verwendet werden, wodurch ein Aussenden der harmonischen Welle senkrecht zur Stirnfläche bewirkt wird.
  • Im folgenden soll die Abwandlung des Teilungsabstandes des Gitters zur Phasenanpassung der zweiten Harmonischen erläutert werden.
  • Bei den vorangehenden Ausführungsbeispielen sind der Teilungsabstand Λ&sub1; des Gitters im Halbleiter-Laser und der Teilungsabstand Λ&sub2; des Gitters im SHG-Bereich durch Gleichung (1) bestimmt, entsprechend der Wellenlänge λ&sub0; der Grundwelle und dem effektiven Brechungsindex .
  • Daher kann eine Phasenanpassung der zweiten Harmonischen nicht durch Gleichung (1) erreicht werden, da die im SHG- Bereich (II) erzeugte zweite Harmonische mit einer Wellenlänge von λ&sub0;/2 einen von dem der Grundwelle verschiedenen effektiven Brechungsindex hat.
  • Der Gitterabstand Λ&sub3; zur Phasenanpassung der zweiten Harmonischen läßt sich aus folgender Gleichung (4) bestimmen:
  • Λ&sub3; = l' (λ&sub0;/2)/2 ' (4)
  • wobei λ&sub0; : Wellenlänge des Laserlichts der Grund welle im Vakuum
  • ' : effektiver Brechungsindex der zweiten Harmonischen im SHG-Bereich
  • l' : ganze Zahl größer oder gleich 1
  • Folglich ist es gemäß Fig. 11 möglich, in einem einen Teilungsabstand Λ&sub2; aufweisenden Teil des Gitters G(II) eine optische Kopplung des Laserlichts zu erreichen, und in einem anderen einen Teilungsabstand Λ&sub3; aufweisenden Teil desselben die Phasenanpassung der harmonischen Welle zu erreichen.
  • Bei den vorangehenden Ausführungsbeispielen, bei denen die Wellenlänge λ&sub0; der Grundwelle des Lasers 900 nm und der effektive Brechungsindex ' der zweiten Harmonischen 2,60 ist, ergibt sich gemäß Gleichung (4) Λ&sub3; zu 86,54 l'. Damit der Teilungsabstand Λ&sub3; dem Teilungsabstand Λ&sub2; (= 543 nm) nahekommt, kann für den Wert l' 6 gewählt werden, und in diesem Fall wird Λ&sub3; gleich 519 nm.
  • Zusätzlich zu den vorangehenden Ausführungsbeispielen kann die vorliegende Erfindung vielfältigen Abwandlungen unterliegen.

Claims (19)

1. Vorrichtung zur Erzeugung der zweiten Harmonischen mit:
einem Substrat (33),
einer Laser-Resonator-Anordnung mit einer aktiven Schicht (34), die auf dem Substrat gebildet ist und dazu gestaltet ist, im Ansprechen auf die Injektion eines Stroms Licht einer Wellenlänge λ zu erzeugen,
einer Schicht (31) aus einem die zweite Harmonische erzeugenden Material, wobei die Schicht auf dem Substrat und innerhalb der Resonator-Anordnung gebildet ist und dazu gestaltet ist, aus dem Licht, das in der aktiven Schicht erzeugt worden ist, Licht der Wellenlänge λ/2 zu erzeugen, und
einem Paar Elektroden (35, 36), die der aktiven Schicht Strom zuführen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 mit einem Paar Stirnflächen, die einen Laser-Resonator bilden, wobei die Stirnflächen mit einer Beschichtung versehen sind, um das Licht der Wellenlänge λ innerhalb des Resonators zu halten und das Licht der Wellenlänge λ/2 aus der Vorrichtung herauszubringen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die aktive Schicht in Form eines sich in Richtung der Oszillation erstreckenden Streifens gebildet ist, und sich hinsichtlich einer zur Oszillationsrichtung senkrechten Richtung auf beiden Seiten der aktiven Schicht und hinsichtlich der Richtung der Schichtdicke im wesentlichen an derselben Position wie die aktive Schicht Schichten aus dem die zweite Harmonische erzeugenden Material befinden.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, die darüberhinaus eine Mantelschicht enthält, die auf der aktiven Schicht gebildet ist und einen Gratabschnitt aufweist, der sich streifenförmig in Richtung der Oszillation erstreckt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei sich hinsichtlich einer zur Oszillationsrichtung senkrechten Richtung auf beiden Seiten des Gratabschnittes und hinsichtlich der Richtung der Schichtdicke im wesentlichen an derselben Position wie der Gratabschnitt Schichten aus dem die zweite Harmonische erzeugenden Material befinden.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei ein Teil des Gratabschnittes hinsichtlich der Oszillationsrichtung durch eine Schicht aus dem die zweite Harmonische erzeugenden Material ersetzt ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die aktive Schicht und die Schicht aus die zweite Harmonische erzeugendem Material auf dem Substrat übereinander geschichtet sind, und die Vorrichtung ein erstes Beugungsgitter aufweist, das das in der aktiven Schicht erzeugte Licht der Wellenlänge λ zu der Schicht aus die zweite Harmonische erzeugendem Material lenkt, und ein zweites Beugungsgitter zum Koppeln des so gebeugten Lichts mit der Schicht aus die zweite Harmonische erzeugendem Material.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei der Teilungsabstand Λ&sub1; des ersten Beugungsgitters folgende Beziehung erfüllt:
Λ&sub1; = l (λ/2 )
bei der der effektive Brechungsindex für das Licht der Wellenlänge λ im Bereich des Beugungsgitters ist und l eine ganze Zahl größer oder gleich 1 ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei der Teilungsabstand Λ&sub2; des zweiten Beugungsgitters folgende Beziehung erfüllt:
Λ&sub2; = l (λ/2 ')
bei der ' der effektive Brechungsindex für das Licht der Wellenlänge λ im Bereich des Beugungsgitters ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei ein Teil des zweiten Beugungsgitters einen Teilungsabstand Λ&sub3; hat, der folgende Beziehung erfüllt:
Λ&sub3; = l' (λ/2)2 "
bei der " der effektive Brechungsindex im Bereich des Beugungsgitters ist und l' eine ganze Zahl größer oder gleich 1 ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die aktive Schicht aus einem III-V-Verbindungs-Halbleiter besteht und die Schicht aus die zweite Harmonische erzeugendem Material aus einem II-VI-Verbindungs-Halbleiter besteht.
12. Vorrichtung nach Anspruch 7 mit einem Paar Stirnflächen, die einen Laser-Resonator bilden, wobei die Stirnflächen mit einer Beschichtung versehen sind um das Licht der Wellenlänge λ innerhalb des Resonators zu halten und das Licht der Wellenlänge λ/2 aus der Vorrichtung herauszubringen.
13. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei eine der Elektroden einen Kontaktabschnitt aufweist, der sich streifenförmig in Richtung der Oszillation erstreckt.
14. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Schicht aus die zweite Harmonische erzeugendem Material einen Gratabschnitt in Form eines Streifens bildet, der sich in Richtung der Oszillation erstreckt.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei eine der Elektroden auf der Oberseite des Gratabschnittes in Kontakt ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei eine der Elektroden auf beiden Seiten im unteren Teil des Gratabschnittes in Kontakt ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei durch einseitige Diffusion von Verunreinigungen von dem Gratabschnitt aus in der aktiven Schicht ein p-n-Übergang gebildet wird.
18. Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei die aktive Schicht und die Schicht aus die zweite Harmonische erzeugendem Material jeweils zwischen Mantelschichten geschichtet sind, um Wellenleiter zu bilden.
19. Vorrichtung nach Anspruch 1, die darüberhinaus eine an die Elektroden angeschlossene Spannungsquelle enthält.
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