DE3884503T2

DE3884503T2 - Halbleiterlaser.

Info

Publication number: DE3884503T2
Application number: DE88306703T
Authority: DE
Inventors: Yuichi Matsushima; Kazuo Sakai; Katsuyuki Utaka
Original assignee: Kokusai Denshin Denwa KK
Current assignee: KDDI Corp
Priority date: 1987-07-21
Filing date: 1988-07-21
Publication date: 1994-02-10
Anticipated expiration: 2008-07-22
Also published as: EP0300790A2; DE3884503D1; KR890003073A; KR970007117B1; EP0300790B1; JPH0831653B2; US4852108A; JPS6424483A; EP0300790A3

Description

Deutsche Übersetzung der Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Halbleiterlaser mit einer variablen Wellenlänge einer engen Linienstärke.
Ein Halbleiterlaser wurde bereits in der Praxis als Lichtquelle für eine optische Fasernachrichtenverbindung verwendet, da er klein, hoch wirksam und sehr zuverlässig ist. Bislang verwendete Systeme nutzen die direkte Modulationsfähigkeit aus, die eines der herausragenden Merkmale des Halbleiterlasers ist, und eines dieser herkömmlichen Systeme ist ein System, das als Direktintensitätsmodulation-Direktdetektion (DIM-DD) bezeichnet wird, bei dem intensitätsmoduliertes Licht, das der in den Halbleiterlaser injizierten Strommenge entspricht, direkt von einer Photodiode oder einer Avalanche- Photodiode empfangen wird, nachdem es durch eine optische Faser fortgepflanzt wurde. Ein dynamischer Laser einer einzigen Wellenlänge, der bei einer einzigen Wellenlänge selbst während einer Hochgeschwindigkeitsmodulation stabil arbeitet, beispielsweise ein Halbleiterlaser mit verteilter Rückkopplung (DFB), wurde zur Verwendung als die Lichtquelle in dem DIM-DD-System entwickelt, mit dem Ziel, den Dispersionseinfluß durch eine Einfachbetriebsartfaser zu verringern, um auf diese Weise den Abstand der Verstärker zu vergrößern.
Andererseits ist es möglich, die Empfangsempfindlichkeit wesentlich zu verbessern und daher den Verstärkerabstand mehr zu vergrößern als bei dem DIM-DD-System, indem man die Eigenschaften einer Lichtwelle positiv ausnutzt, beispielsweise ihre Frequenz und Phase. Dieses System wird als das kohärente Übertragungssystem bezeichnet, das experimentell und in seinem theoretischen Aspekt vielfach untersucht wird und nun als vielversprechend als ein zukünftiges optisches Übertragungssystem angesehen wird (siehe T. Okoshi, Journal of Lightwave Technology, Band LT-2, Seiten 341 - 346, 1984, zum Beispiel). Aufgrund seiner Eigenschaften fordert das kohärente Übertragungssystem, daß die Lichtquelle an der Sendeseite und die Lichtquelle als lokaler Oszillator an der Empfangsseite eine schmale Linienstärke und eine variable Wellenlänge aufweisen. In Untersuchungen, die bislang im Labormaßstab durchgeführt wurden und in erster Linie zur Bewertung der Möglichkeiten des Systems bestimmt sind, ist es üblich, den hochkohärenten und abstimmbaren Ausgang aus einem Gaslaser einer extrem engen Linienstärke oder einem praktischeren üblichen Halbleiterlaser zu erhalten, in den ein externes Beugungsgitter eingebaut ist und bei dem daher nur eine spezielle Wellenlänge zu dem Laser rückgekoppelt wird. Da der lichtemittierende Bereich des Halbleiterlasers so klein wie etwa ein Mikrometer im Durchmesser ist, ist daher eine solche Struktur, in der die Lichtquelle und das äußere Beugungsgitter nicht einstückig miteinander ausgebildet sind, leicht beeinflußt durch mechanische Vibration und Hitzeänderungen, ist unstabil bei der Lieferung gewünschter Eigenschaften und benötigt eine Systemkonfiguration in großem Maßstab; offensichtlich ist eine solche Laserstruktur unpraktisch.
Für die Reduktion der Linienstärke ist es eine wirksame Methode, die Hohlraumlänge des Lasers zu vergrößern. Jedoch haben herkömmliche Halbleiterlaser dieses Typs noch keine stabile schmale Linienstärke.
EP-A-0 173 269 offenbart ein Halbleiterlasergerät, das eine Vielschichthalbleiterstruktur unter Einschluß eines aktiven Bereichs enthält, der eine aktive Schicht zum Emittieren von Licht als Reaktion auf eine Stimulation, einen ersten Steuerbereich unter Einschluß einer Führungsschicht zum Leiten von Licht und einen zweiten Steuerbereich unter Einschluß einer Führungsschicht aufweist, die mit einem Beugungsgitter zum Führen von Licht versehen ist. Der aktive Bereich, der erste Steuerbereich und der zweite Steuerbereich sind in einer Reihe längs einer Achse angeordnet. Das Gerät enthält weiterhin eine aktive Elektrode zum Injizieren eines Stroms in den aktiven Bereich, eine erste Steuerelektrode und eine zweite Steuerelektrode zum Injizieren von Strömen in den ersten bzw. zweiten Steuerbereich, eine elektrische Schaltung zum Anlegen eines Treibstroms an die aktive Elektrode und eine elektrische Schaltung zum Anlegen von Steuerströmen an die erste und zweite Steuerelektrode in einem vorbestimmten Verhältnis.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Halbleiterlaser mit einer abstimmbaren Wellenlänge einer engen Linienstärke zu schaffen, der als Lichtquelle mit einer einzigen Wellenlänge verwendet wird.
Nach der vorliegenden Erfindung, wie im Anspruch 1 definiert, ist ein aktiver Filterabschnitt, der ein mit einer Filterfunktion versehenes Beugungsgitter enthält, in einem Abschnitt des lichtemittierenden Bereichs vorgesehen, zur Auswahl nur einer Resonanzwellenlänge zur Gewährleistung eines stabilen Betriebs bei einer einzigen Wellenlänge einer engen Linienstärke. Die Oszillationswellenlänge wird durch Anpassen der Brechungsindizes des aktiven Filterabschnitts und des Wellenleiterabschnitts relativ zueinander geändert
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun als Beispiel unten im Vergleich mit dem Stand der Technik unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
Fig. 1 ein Schematisches Diagramm eines bekannten Halbleiterlasers mit einem langen Hohlraum ist;
Fig. 2 ein Querschnitt eines Halbleiterlasers nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 3 ein Graph ist, der die Übertragungsspektraleigenschaften eines aktiven Filters mit einem λ/4 Verschiebungs-Beugungsgitter zur Verwendung in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 4 ein Querschnitt eines Halbleiterlasers nach einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist; und
Fig. 5 ein Graph ist, der die Übertragungsspektralmerkmale eines aktiven Filters mit einem gleichförmigen Beugungsgitter zur Verwendung in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Um die Unterschiede zwischen dem Stand der Technik und der vorliegenden Erfindung klarzumachen, wird zunächst ein Beispiel des Standes der Technik beschrieben.
Für die Verringerung der Strichstärke ist es ein wirksames Verfahren, die Hohlraumlänge des Lasers zu vergrößern. Ein Halbleiterlaser, in dem ein Wellenleiterabschnitt B monolithisch mit einem lichtemittierenden Abschnitt A zur Schaffung einer langen Hohlraumstruktur integriert ist, siehe Fig. 1, wurde von T. Fujita und anderen untersucht, und es wurde berichtet, daß eine Linienstärke von nur 900 kHz erreicht wurde mit einer Hohlraumlänge von etwa 1,8 mm (Electronics Letters, Band 21, Seiten 374 - 376, 1985). In Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 1 eine InGaAsP lichtemittierende Schicht, 2 eine InGaAsP Wellenleiterschicht, die auf einer Verlängerung der InGaAsP lichtemittierenden Schicht 1 gebildet ist, und 9 einen metallischen Film zur Vergrößerung der Reflektivität einer getrennten Facette. Wenn jedoch der Hohlraum länger wird, wird im allgemeinen auch der Abstand der Resonanzwellenlänge entsprechend schmaler, was zu dem Nachteil führt, daß der Halbleiterlaser zur Lieferung einer Oszillation mit mehrfachen Wellenlängen neigt und daß sein Merkmal der engen Linienstärke ebenfalls leicht unstabil wird. Hinzu kommt noch, daß zum Abstimmen der Wellenlänge die Auswahl resonanter Wellenlängen diskret gehört und daher nicht kontinuierlich ist, so daß dieser Halbleiterlaser für den praktischen Gebrauch nicht geeignet ist.
Unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen wird die vorliegende Erfindung im folgenden im einzelnen beschrieben.
Fig. 2 stellt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. In Fig. 2 bezeichnen die Bezugszeichen 3 und 4 lichtemittierende Schichten mit im wesentlichen oder genau der gleichen Zusammensetzung, die den lichtemittierenden Bereich A bilden, der eine optische Verstärkung aufweist, die sich aus der Injektion von Strom in diesen Bereich ergibt. Der lichtemittierende Bereich A enthält zwei Abschnitte, von denen einer ein aktiver Filterabschnitt A&sub2; ist, in dem ein mit einer Bandpaßfilterfunktion versehenes phasenverschobenes Beugungsgitter 5 längs der lichtemittierenden Schicht 4 gebildet ist, und von denen der andere ein Verstärkungseinstellungsabschnitt A&sub1; ist, in dem die lichtemittierende Schicht 3 vorgesehen ist. An beiden Seiten des lichtemittierenden Abschnitts A sind Wellenleiterbereiche B und C angeordnet, die an den lichtemittierenden Bereich mit hoher Wirksamkeit gekoppelte Wellenleiter 6 und 7 mit niedrigem Verlust aufweisen, und ein paar reflektierender Endfacetten ist an einander gegenüberliegenden Enden des Lasers angeordnet. Bei dieser Ausführungsform sind die reflektierenden Endfacetten als hochreflektierende Endfacetten dargestellt, die von metallischen Filmen 9 und 9' gebildet sind, die auf dielektrische Filme 8 und 8' als Schicht aufgebracht sind. Die lichtemittierenden Schichten 3 und 4 und die Wellenleiterschichten 6 und 7 sind jeweils zwischen Halbleiterschichten unterschiedlicher Leitfähigkeitstypen sandwichartig eingesetzt, und die entsprechenden Bereiche und Abschnitte sind mit Elektroden 10, 11, 12 und 13 zur unabhängigen Steuerung versehen. Das Bezugszeichen 18 bezeichnet eine untere Elektrode, und die Bezugszeichen 14, 15 und 16 Hochwiderstandsbereiche zur elektrischen Isolierung, die beispielsweise durch Protonenimplantierung erhalten werden können.
Der Betrieb dieser Ausführungsform wird im folgenden beschrieben.
Fig. 3 zeigt eine Übertragungsspektraleigenschaft des phasenverschobenen Beugungsgitters, beispielsweise des λ/4 Verschiebungsbeugungsgitter 5 in dem Fall, wo es eine Verstärkung aufweist. Nimmt man an, daß die Periode und der Brechungsindex des Beugungsgitters 5 durch Δ und n&sub2; dargestellt sind, so wird die Verstärkung wirksam nur an der durch λ0= 2Δn2 gegebenen Mittelpunktswellenlänge vorgesehen; und so wirkt das Beugungsgitter als aktives Filter, das eine derartige wie in Fig. 3 gezeigte scharfe Bandpaß-Eigenschaft aufweist. Wenn eine Endfacettenreflektion auftritt, kann andererseits die scharfe Charakteristik des λ/4 Verschiebungs-Beugungsgitters 5, wie in Fig. 3 dargestellt, manchmal in Abhängigkeit von der Phase des reflektierten Lichts beeinträchtigt werden, jedoch kann dieses dadurch vermieden werden, daß die Brechungsindizes der zwischen dem aktiven Filterbschnitt A&sub2; und den reflektierenden Endfacetten positionierten Wellenleiterschichten 6 und 7 der Wellenleiterbereiche B und C durch Strominjizierung oder Spannungsanlegung geändert werden, so daß die Phase des reflektierten Lichts ein Optimum sein kann. Wenn die Phase des reflektierten Lichts um höchstens 2π geändert werden könnte, dann könnte sie auf einen optimalen Wert innerhalb dieses Bereichs eingestellt werden. Nimmt man beispielsweise an, daß die Summe der Längen l&sub3; oder l&sub4; des Wellenleiterbereichs B oder C und die Länge l&sub1; des Verstärkungseinstellabschnitts A&sub1;, (l&sub4; + l&sub1;) 500 um ist, so ist eine Brechungsindexänderung ΔN von 0,001 ausreichend, die oben erwähnte Phasenänderung von 2π zu erhalten. Dies kann durch Strominjizierung getan werden, die eine Änderung in der Trägerdichte von nur ΔN auf etwa 2 x 10¹&sup7; cm&supmin;³ zu verursachen braucht. Im Fall der Verwendung des elektrooptischen Effekts durch ein Spannungsanlegen kann eine Brechungsindexänderung ebenfalls durch Anlegen einer Spannung von etwa 1/4 einer Durchbruchsspannung erreicht werden. Das letztgenannte Verfahren des Einstellens des Brechungsindex' durch Spannungsanlegen braucht nur eine umgekehrte Vorspannnung anzulegen und hält den Halbleiterlaser in einem Niedrigeverlustzustand, da dazu kein Trägerinjizieren gehört. Dementsprechend gewährleistet eine derartige Phasenanpassung die Oszillation des Halbleiterlasers bei der einzigen Wellenlänge λ0. Gleichzeitig kann die Linienbreite reduziert werden, indem man die Gesamtlänge L des Hohlraums groß wählt.
Andererseits kann die Oszillationswellenlänge durch Ändern des Brechungsindex' n&sub2; der lichtemittierenden Schicht 4, in der das λ/4-Verschiebungsbeugungsgitter 5 vorgesehen ist, in Übereinstimmung mit der injizierten Trägerdichte geändert werden. Weiterhin kann die Oszillationswellenlänge über einen Bereich Δλ0 von etwa 50 Å durch Ändern der Trägerdichte in dem Bereich ΔN von etwa 1 x 10¹&sup8; cm&supmin;³ geändert werden. Eine derartige Änderung in der Trägerdichte des aktiven FilterabschnittS A&sub2; verursacht ebenfalls eine Änderung in der Verstärkung des Abschnitts A&sub2;, was zu der Möglichkeit führt, daß auch der optische Ausgang fluktuiert. Dieses Problem kann jedoch durch Hinzufügen des VerstärkungseinstellabschnittS A&sub1; und durch Anpassen der Strominjizierung derart, daß der Gesamtgwinn im wesentlichen konstant gemacht wird, gelöst werden. Es ist ebenfalls möglich, die Phase des reflektierten Lichts durch Anpassen der Brechungsindizes der Wellenleiterbereiche B und C in Übereinstimmung mit einer derartigen Änderung in der Oszillationswellenlänge wie oben erwähnt zu optimieren.
Ein Halbleiterlaser mit stabilem Betrieb, enger Linienbreite und einer einzigen Wellenlänge kann durch Ändern des Brechungsindex' des λ/4 verschiebungsaktiven Filterbereichs und gleichzeitig durch optimieren der Verstärkungen und Brechungsindizes der anderen Bereiche wie oben beschrieben verwirklicht werden.
Fig. 4 stellt im Schnitt eine weitere Ausfürungsform des Halbleiterlasers der vorliegenden Erfindung dar, der ein in dem aktiven Filterabschnitt A&sub2; gebildetes gleichförmiges Beugungsgitter 17 aufweist.
Fig. 5 zeigt die Spektraleigenschaften der übertragenen Lichtintensität des gleichförmigen aktiven Beugungsgitterfilters unter einer geeigneten Phasenbedingung des reflektierten Lichts. Wie es der Fall mit Fig. 3 ist, kann man eine ausgezeichnete Bandpaß-Charakteristik an der Mittelpunktswellenlänge λ0 erhalten, die im wesentlichen abhängig von der Periode des Beugungsgitters und dem Brechungsindex des aktiven Filterabschnitts A&sub2; ist. Diese Ausführungsform ist in Konstruktion, Funktion und Wirkung identisch zu der Ausführungsform der Fig. 2, mit der Ausnahme, daß das gleichförmige Beugungsgitter 17 anstelle des λ/4-Verschiebungsbeugungsgitters 5 verwendet wird.
Während in den obigen Ausführungsformen der Verstärkungseinstellbereich A&sub1; zwischen den Wellenleiterabschnitten B und C vorgesehen ist, könnte der gleiche Effekt wie oben erwähnt erhalten werden, wenn der Verstärkungseinstellbereich außerhalb des Wellenleiterbereichs B oder C angeordnet wäre. Da die Wellenleiterschicht 6 oder 7 in erster Linie zum Einstellen der Phase des reflektierten Lichts bestimmt ist, könnte der Zweck auch von einer Halbleiterschicht erfüllt werden, die eine Zusammensetzung eng an der der lichtemittierenden Schicht und eine Verstärkung aufweist.
Obwohl oben die vorliegende Erfindung so beschrieben wurde, daß sie die Diretkopplungsstruktur zum optischen Koppeln der lichtemittierenden Schicht und der Wellenleiterschichten verwendet, ist die Erfindung ebenfalls auf andere Kopplungsmethoden unter Einschluß einer LOC-Struktur anwendbar (Großer Optischer Hohlraum). Weiterhin wurden die obigen Ausführungsformen in Verbindung mit einer Reflexion zwischen einem Paar von Endfacetten beschrieben, jedoch können auch verteilte Bragg-Reflektoren (DBR) als Paar von Reflektoren verwendet werden und ihre Verwendung ist für eine monolithische Integration mit anderen Geräten eher geeignet, da das Ausgangslicht durch den Wellenleiter erhalten werden kann. Obwohl keine spezielle Bezugnahme auf eine Streifenstruktur zur Begrenzung des Lichts in einer Querrichtung gemacht wurde, können alle Strukturen zur Eingrenzung in Querbetriebsart unter Einschluß einer vergrabenen Struktur ebenfalls angewendet werden. Was die Halbleitermaterialen angeht, so können alle zusammengesetzten Halbleiterkristalle verwendet werden, die für den Halbleiterlaser verwendet werden können, beispielsweise InGaAsP/InP, IlGaAs/GaAs, InAlGaAs/InP und AlGaAsSb/GaAs.
Wie oben beschrieben ist nach der vorliegenden Erfindung der aktive Filterabschnitt A&sub2; mit einem Beugungsgitter in einem Abschnitt des lichtemittierenden Bereichs A vorgesehen, um eine exzellente Übertragungscharakteristik bei einer einzigen Wellenlänge zu ergeben, wodurch eine Oszillation bei mehreren Wellenlängen unterdrückt werden kann, die auftritt, wenn die Länge des Hohlraums zum Zweck der Verringerung der Linienbreite vergrößert wird. Mit anderen Worten läßt sich ein Halbleiterlaser verwirklichen, der eine kleine Linienbreite aufweist und stabil bei einer einzigen Wellenlänge arbeitet, die auch durch Ändern der Brechungsindizes des aktiven Filterabschnitts A&sub2; und der Wellenleiterbereiche B und C geändert werden kann. Daher ist der Halbleiterlaser der vorliegenden Erfindung vielversprechend als Lichtquelle für eine kohärente Übertragung und andere optische Messungen und ist daher von großer praktischer Nützlichkeit.

Claims

1. Halbleiterlaser mit:

einem Substrat;

einem lichtemittierenden Bereich (A), der eine lichtemittierende Schicht (3, 4) aufweist und auf dem Substrat integriert ist;

zwei Wellenleiterbereichen (B, C), die jeweils eine an eine entsprechende Seite der lichtemittierenden Schicht (4) mit einer hohen Wirksamkeit gekoppelte, jedoch elektrisch von ihr isolierte und auf dem Substrat integrierte Wellenleiterschicht (6, 7) aufweisen;

einem aktiven Filterabschnitt (A&sub2;), der ein Beugungsgitter (5, 17) mit einer Bandpaßfilterfunktion aufweist und in dem lichtemittierenden Bereich (A) vorgesehen ist;

einem Verstärkungseinstellabschnitt (A&sub1;), der kein Beugungsgitter aufweist und in dem lichtemittierenden Bereich (A) vorgesehen ist;

einem Paar von Reflektoren (9, 9'), jeweils an gegenüberliegenden Enden eines den aktiven Filterabschnitt (A&sub2;), den Verstärkungseinstellabschnitt (A&sub1;) und die Wellenleiterbereiche (B, C) umfassenden Bereichs angeordnet, zur Schaffung eines Laser-Resonators des Halbleiterlasers; und

voneinander getrennten Elektroden (10, 11, 12, 13) zur individuellen Versorgung des aktiven Filterabschnitts (A&sub2;) des Verstärkungseinstellabschnitts (A&sub1;) und der Wellenleiterbereiche (B, C) mit Energie, sodaß die Oszillationswellenlänge des Halbleiterlasers durch Ändern der Brechungsindizes mindestens der Wellenleiterbereiche (B, C) und des aktiven Filterabschnitts (A&sub2;) durch das Versorgen mit Energie geändert wird, zur Erzeugung eines Ausgangslichts mit einer engen Linienbreite und einer Oszillation bei einer einzigen Wellenlänge, die der Übertragungswellenlänge des aktiven Filterabschnitts (A&sub2;) entspricht, die durch die vorliegenden Brechungsindizes der Wellenleiterbereiche (B und C) und des aktiven Filterabschnitts (A&sub2;) bestimmt ist.

2. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, bei dem das Beugungsgitter ein λ/4-Beugungsgitter (5) ist.

3. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, bei dem das Beugungsgitter ein gleichförmiges Beugungsgitter (17) ist.