DE3934865A1 - Hochfrequent modulierbarer halbleiterlaser - Google Patents
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Description
Halbleiterlaser sind sehr leistungsfähige Sender für die
optische Übertragungstechnik, da sich mit ihnen elektrooptische
Signalumwandlung im GHz-Bereich durchführen läßt. Die
Modulationsbandbreite ist auf ca. 30 GHz beschränkt, wenn nur
die Verkopplung zwischen elektrischen Ladungsträgern und
Photonen ausgenützt wird, da die Lebensdauer der elektrischen
Ladungsträger nicht beliebig reduziert werden kann.
Modulierte optische Signale mit Modulationsfrequenzen ober
halb von 30 GHz wurden bisher mit Halbleiterlasern erzeugt,
indem die elektromagnetischen Wellen der Fabry-Perot-Moden
dieser Laser durch Modulation verkoppelt wurden (mode locking).
In der Veröffentlichung von J. Werner, G. Guekos und H.
Melchior: "Laser diode with an integrated gain/loss modulator
for the generation of picosecond optical pulses by active mode
locking", 17th European Solid State Device Research Conference
(ESSDERC "87), S. 1065-1068 ist eine Laseranordnung be
schrieben, bei der ein Halbleiterlaser mit einem Modulator
integriert ist und zur Erzeugung von optischen Pulsen mit
einer Dauer von 8 ps ein mit einem Reflexionsgitter versehener
externer Resonator angekoppelt ist. Dieser externe Resonator
bewirkt eine Modenkopplung.
In der Veröffentlichung von K.Y. Lau: "Efficient narrow
band direct modulation of semiconductor injection laser at
millimeter wave frequencies of 100 GHz and beyond" in Appl.
Phys. Lett. 52, 2214-2216 (1988) wird die Modenkopplung für
Modulationsfrequenzen oberhalb 100 GHz bei einem GaAlAs-Laser
mit Tandem-Kontakt beschrieben.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen einfach auf
gebauten mit Frequenzen oberhalb 30 GHz modulierbaren Halb
leiterlaser anzugeben.
Diese Aufgabe wird mit dem Halbleiterlaser mit den Merkmalen
des Anspruches 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich
aus den Unteransprüchen.
Es folgt eine Beschreibung des erfindungsgemäßen Halbleiter
lasers anhand der Fig. 1 bis 3.
Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Halbleiterlaser mit einer
Wellenleiterschicht im Querschnitt.
Fig. 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Halbleiterlaser mit zwei
getrennten Wellenleiterschichten im Querschnitt.
Fig. 3 zeigt den erfindungsgemäßen Halbleiterlaser von Fig. 2
in einer alternativen Ausgestaltung im Querschnitt.
Der wesentliche Gedanke der vorliegenden Erfindung liegt darin,
daß bei dem Halbleiterlaser zwei miteinander zu verkoppelnde
Moden durch zwei in der Umgebung der aktiven Schicht sich be
findende Gitter selektiert werden. Die Modulationsfrequenz ent
spricht der halben Differenzfrequenz dieser beiden selektierten
Moden oder ganzzahligen Vielfachen davon. Ein erfindungsge
mäßer Aufbau besteht in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 in
einem Wellenleiter mit einer Wellenleiterschicht 5, an die
eine erste DFB-Gitterschicht und eine zweite DFB-Gitter
schicht transversal anschließen. Das erste DFB-Gitter 3 in der
ersten DFB-Gitterschicht und das zweite DFB-Gitter 4 in der
zweiten DFB-Gitterschicht sind parallel zu der Wellenleiter
schicht 5 in longitudinaler Richtung angeordnet. Durch diese
beiden DFB-Gitter werden zwei Schwingungsmoden in der als
aktive Schicht fungierenden Wellenleiterschicht 5 selektiert.
Die erste Gitterkonstante C1 des ersten DFB-Gitters 3 und die
zweite Gitterkonstante C2 des zweiten DFB-Gitters 4 sind von
einander verschieden, wobei diese Differenz der Gitterkonstanten
C1, C2 so klein ist, daß das Vierfache dieser Differenz oder
ganzzahlige Teile davon die Wellenlänge ist, die der Modulations
frequenz im GHz-Bereich entspricht.
Die Wellenleiterstruktur ist mit einer ersten Deckschicht 1
und einer zweiten Deckschicht 2 transversal begrenzt. Die
Wellenleiterstruktur, d. h. die Wellenleiterschicht 5, die
erste DFB-Gitterschicht und die zweite DFB-Gitterschicht
sind z. B. aus InGaAsP, die erste und zweite Deckschicht 1, 2
aus InP. Die erste Deckschicht 1 und die erste DFB-Gitter
schicht sind für elektrische Leitung eines ersten Leitungs
typs (z. B. n), die zweite Deckschicht 2 und die zweite DFB-
Gitterschicht für elektrische Leitung eines entgegenge
setzten zweiten Leitungstyps (z. B. p) dotiert. Die Wellenleiter
schicht 5 ist dotiert (n- oder p-leitend) oder sie bleibt un
dotiert. Über eine erste Elektrode 11 auf der ersten Deck
schicht 1 und eine zweite Elektrode 12 auf der zweiten Deck
schicht 2 kann ein Betriebsstrom an diese Wellenleiterstruktur
angelegt werden.
Die Materialzusammensetzung für die Wellenleiterschicht 5, die
als aktive Schicht fungiert, wird vorteilhaft so gewählt, daß
die dem Energiebandabstand dieser Materialzusammensetzung ent
sprechende Wellenlänge näherungsweise gleich dem Zweifachen
der ersten Gitterkonstanten C1 und näherungsweise gleich dem
Zweifachen der sich von der ersten Gitterkonstanten C1 nur
geringfügig unterscheidenden zweiten Gitterkonstanten C2 ist.
Für die Wellenleiterstruktur des erfindungsgemäßen Halbleiter
lasers sind verschiedene, prinzipiell gleichwertige Aus
führungsformen möglich. Die Wellenleiterstruktur kann aus
einem einzelnen Wellenleiter bestehen, der gleichzeitig als
aktiver Bereich zur Erzeugung des Laserlichtes dient. Dieser
aktive Bereich ist in der Ausführungsform nach Fig. 1 die
Wellenleiterschicht 5. Das erste DFB-Gitter 3 in der ersten
DFB-Gitterschicht und das zweite DFB-Gitter 4 in der zweiten
DFB-Gitterschicht können auch in diese Wellenleiterschicht 5
eingebaut sein. Möglich sind für die Wellenleiterstruktur
Doppelheterostrukturen (DH), Quantum-well-Strukturen (QW,
Single-QW) oder Multi-quantum-well-Strukturen (Multi-QW),
jeweils mit oder ohne separate Wellenführungsschichten (SC,
separate confinement) . Während die elektronische Wellenführung
im wesentlichen durch die Dotierung, d. h. den Leitfähigkeits
typ, gegeben ist, sorgen separate Wellenführungsschichten für
eine optische Wellenführung, d. h. diese separaten
Wellenführungsschichten sind aus einem Material mit gegenüber
der Wellenleiterschicht 5 unterschiedlichem Brechungsindex.
Diese separaten Wellenführungsschichten können zwischen der
Wellenleiterschicht 5 und der ersten DFB-Gitterschicht bzw.
der zweiten DFB-Gitterschicht oder an den der Wellenleiter
schicht 5 jeweils abgewandten Begrenzungsflächen der DFB-
Gitterschichten eingebaut sein, oder das erste und zweite
DFB-Gitter 3, 4 sind in Schichten, die eine separate Wellen
führung bewirken, eingebaut.
Wesentlich ist in jedem Fall, daß zwei DFB-Gitter mit von
einander geringfügig verschiedenen Gitterkonstanten so an
einen als Resonator ausgebildeten Wellenleiter angekoppelt
sind, daß gerade zwei miteinander hochfrequent zu verkoppeln
de Schwingungsmoden selektiert werden.
Fig. 2 zeigt eine alternative Ausführungsform des erfindungs
gemäßen Halbleiterlasers im Querschnitt, bei der die Wellen
leiterschicht 5 durch eine Struktur aus zwei verkoppelten
einzelnen Wellenleitern, nämlich einer ersten Wellenleiter
schicht 5, einer zweiten Wellenleiterschicht 7 und einer da
zwischen befindlichen Zwischenschicht 6 ersetzt ist. Die
zweite Wellenleiterschicht 7 kann in dem vorliegenden Aus
führungsbeispiel wie die erste Wellenleiterschicht 5 InGaAsP
sein. Die Zwischenschicht 6 ist vorteilhaft InP und für
elektrische Leitungen desselben Leitungstyps wie die zweite
Wellenleiterschicht 7, die zweite DFB-Gitterschicht 4 und die
zweite Deckschicht 2 dotiert. Über eine erste Elektrode 11 und
eine zweite Elektrode 12 kann an diese Struktur ein Betriebs
strom angelegt werden.
Die erste Gitterkonstante C1 und die zweite Gitterkonstante C2
sind wieder geringfügig voneinander verschieden, entsprechend
der halben Wellenlänge, die zu der Differenz der Schwingungs
frequenzen der beiden zu selektierenden Moden gehört. Wenn die
intrinsisch oder p- oder n-dotierte erste Wellenleiterschicht
als aktive Schicht zur Strahlungserzeugung eingesetzt wird,
sollte die dem Energiebandabstand des Materials dieser ersten
Wellenleiterschicht 5 entsprechende Wellenlänge näherungsweise
gleich der zweifachen ersten Gitterkonstanten des ersten DFB-
Gitters 3 in der ersten DFB-Gitterschicht sein. Der Energie
bandabstand des Materials der zweiten Wellenleiterschicht 7
soll größer sein als der Energiebandabstand der ersten
Wellenleiterschicht 5.
In einer speziellen Ausführungsform kann die Materialzusammen
setzung der ersten Wellenleiterschicht 5 gleich der Material
zusammensetzung der zweiten Wellenleiterschicht 7 sein.
Die Ausführungsform nach Fig. 3 unterscheidet sich von der
vorhergehenden dadurch, daß eine dritte Elektrode 13 auf einer
freien Oberfläche 8 der Zwischenschicht 6 aufgebracht ist. Bei
dieser Ausführungsform erfolgt die Dotierung der Schichten
symmetrisch zur Zwischenschicht 6, die für elektrische
Leitungen eines ersten Leitungstyps dotiert ist. Die erste
Wellenleiterschicht 5 und die zweite Wellenleiterschicht 7
sind intrinsisch dotiert oder p- oder n-dotiert. Das erste
DFB-Gitter 3 in der ersten DFB-Gitterschicht und das zweite
DFB-Gitter 4 in der zweiten DFB-Gitterschicht sowie die
erste Deckschicht 1 und die zweite Deckschicht 2 sind für
elektrische Leitungen eines in bezug auf die Zwischenschicht 6
entgegengesetzten zweiten Leitungstyps dotiert. Der Betriebs
strom wird für beide Wellenleiterschichten 5, 7 zentral über
die dritte Elektrode und die Zwischenschicht 6 zugeführt. Ein
Vorteil dieser Anordnung ist, daß durch Einstellen des Betriebs
stromes eine der Wellenleiterschichten aktiv und die andere
passiv betrieben werden kann. So kann z. B. der Betriebsstrom
zwischen der ersten Elektrode 11 und der dritten Elektrode 13
unterhalb der Anregungsschwelle für Laserstrahlung in der
ersten Wellenleiterschicht 5 liegen, so daß diese erste Wellen
leiterschicht 5 als passive Wellenleiterschicht betrieben
wird. Über die Höhe des anliegenden Betriebsstromes kann der
Brechungsindex in dieser ersten Wellenleiterschicht 5 geändert
werden, so daß die Frequenz der durch das erste DFB-Gitter 3
in der ersten DFB-Gitterschicht in dieser ersten Wellenleiter
schicht 5 selektierten Mode variiert werden kann. Die zweite
Wellenleiterschicht 7 wird dann über den zwischen die zweite
Elektrode 12 und die dritte Elektrode 13 angelegten Betriebs
strom oberhalb der Anregungsschwelle, also aktiv betrieben.
Für die jeweils aktiv betriebene Schicht sollte wieder die
Näherungsgleichung zwischen der Gitterkonstanten des unmittel
bar zugeordneten Gitters und der halben der betreffenden
Materialzusammensetzung entsprechenden Wellenlänge erfüllt
sein. Auch bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 können die
beiden Wellenleiterschichten 5, 7 entweder aus dem gleichen
Material sein und die gleiche Dicke, d. h. transversale
Abmessung aufweisen oder voneinander verschieden sein. Die
Zusammensetzung der Materialien der beiden Wellenleiter
schichten 5, 7 sollte nicht so verschieden sein, daß die den
Energiebandabständen entsprechenden Wellenlängen um mehr als
0,5 µm verschieden sind.
Wesentlich für die erfindungsgemäße Anordnung ist, daß die
verschiedenen Schichten und die Gitter so dimensioniert sind,
daß die Intensitäten der Strahlungsmoden auf diesen Wellenlei
terstrukturen etwa gleichmäßig auf beide Wellenleiterschichten
verteilt ist.
Außerdem können die Spiegel der durch diese Wellenleiter ge
bildeten Resonatoren (Endflächen des gespaltenen Halbleiter
schichtaufbaus) zusätzlich beschichtet sein, um die Reflexion
der Strahlung zu erhöhen (bis zu vollständiger Reflexion). Für
jede der vorhandenen Wellenleiterschichten 5, 7 kommen ver
schiedene Strukturen, wie z. B. Doppelheterostruktur oder
Quantum-well-Struktur, in Frage. Ebenso ist es möglich, eines
der vorgesehenen Gitter zwischen diese Wellenleiterschichten
einzubauen.
Wesentlich ist dabei, daß von den auf der Wellenleiterstruktur
ausbreitungsfähigen Moden jeweils zwei, mit einer der
Modulationsfrequenz entsprechenden Differenz der Wellenlängen,
selektiert werden, wobei diese Moden durch die Modulations
frequenz verkoppelt werden.
Claims (7)
1. Halbleiterlaser mit einer Wellenleiterstruktur mit
mindestens einer für Strahlungserzeugung vorgesehenen ersten
Wellenleiterschicht (5) aus einem Halbleitermaterial mit einem
ersten Energiebandabstand und
- - mit einem an diese erste Wellenleiterschicht (5) für Modenselektion angekoppelten ersten DFB-Gitter (3) mit einer ersten Gitterkonstanten (C1),
- - wobei das Zweifache dieser ersten Gitterkonstanten (C1) näherungsweise gleich der Wellenlänge ist, die dem ersten Energiebandabstand entspricht, dadurch gekennzeichnet,
- - daß an diese Wellenleiterstruktur ein zweites DFB-Gitter (4) mit einer zweiten Gitterkonstanten (C2) für Modenselektion angekoppelt ist,
- - daß diese zweite Gitterkonstante (C2) von der ersten Gitter konstanten (C1) verschieden ist und
- - daß das Zweifache des Absolutbetrages der Differenz zwischen der ersten Gitterkonstanten (C1) und der zweiten Gitter konstanten (C2) gleich der Wellenlänge ist, die einer für Modenkopplung vorgesehenen Modulationsfrequenz entspricht.
2. Halbleiterlaser nach Anspruch 1,
- - bei dem die erste Wellenleiterschicht (5) transversal durch zwei einander gegenüberliegende sich in Längsrichtung er streckende Flächen begrenzt ist und
- - bei dem das erste DFB-Gitter (3) sich longitudinal entlang und parallel zu einer dieser Flächen erstreckt, dadurch gekennzeichnet,
- - daß auf der diesem ersten DFB-Gitter (3) gegenüberliegenden Seite der ersten Wellenleiterschicht (5) das zweite DFB- Gitter (4) ausgebildet ist und
- - daß sich dieses zweite DFB-Gitter (4) longitudinal entlang und parallel zu der anderen die erste Wellenleiterschicht (5) transversal begrenzenden Fläche erstreckt.
3. Halbleiterlaser nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
- - daß zwischen der ersten Wellenleiterschicht (5) und dem zweiten DFB-Gitter (4) mindestens eine zweite Wellenleiter schicht (7) angeordnet ist,
- - daß zwischen der ersten Wellenleiterschicht (5) und dieser zweiten Wellenleiterschicht (7) eine die erste Wellenleiter schicht (5) von der zweiten Wellenleiterschicht (7) abgren zende Zwischenschicht (6) angeordnet ist,
- - daß die erste Wellenleiterschicht (5) und die zweite Wellen leiterschicht (7) über diese Zwischenschicht (6) verkoppelt sind und
- - daß die Anordnung der ersten Wellenleiterschicht (5), der zweiten Wellenleiterschicht (7), der Zwischenschicht (6), des ersten DFB-Gitters (3) und des zweiten DFB-Gitters (4) so dimensioniert ist, daß die Intensität der Strahlungsmoden etwa gleichmäßig auf die erste Wellenleiterschicht (5) und die zweite Wellenleiterschicht (7) verteilt ist.
4. Halbleiterlaser nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die erste Wellenleiterschicht (5) eine andere transversale
Abmessung hat als die zweite Wellenleiterschicht (7).
5. Halbleiterlaser nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet,
- - daß die erste Wellenleiterschicht (5) aus einem anderen Material ist als die zweite Wellenleiterschicht (7) und
- - daß die Differenz der Wellenlängen, die dem Energiebandab stand des Materials der ersten Wellenleiterschicht (5) bzw. dem Energiebandabstand des Materials der zweiten Wellen leiterschicht (7) entsprechen, maximal 0,5 µm ist.
6. Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 3 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die erste Wellenleiterschicht (5) für elektrische Leitung
eines ersten Leitungstyps und die zweite Wellenleiterschicht
(7) für elektrische Leitung eines entgegengesetzten zweiten
Leitungstyps dotiert ist.
7. Halbleiterlaser nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die erste Wellenleiterschicht (5) und die zweite Wellen
leiterschicht (7) gleichartig aufgebaut sind.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE3934865A DE3934865A1 (de) | 1989-10-19 | 1989-10-19 | Hochfrequent modulierbarer halbleiterlaser |
Applications Claiming Priority (1)
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Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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ID=6391780
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