DE4310578C2 - Wellenlängenabstimmbarer Halbleiterlaser - Google Patents
Wellenlängenabstimmbarer HalbleiterlaserInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Halbleiterlaser, der
elektrisch über einen Schwingungswellenlängenbereich abstimm
bar ist. Insbesondere betrifft die Erfindung einen wellenlän
genabstimmbaren Halbleiterlaser mit Mehrelektroden-DFB-Aufbau
(DFB = Distributed Feedback) bei dem jede Zone in einem DFB-
Resonator (Resonator mit verteilter Rückkopplung) durch mehrere Elektroden unabhängig gesteuert wer
den kann.
In den vergangenen Jahren wurden immer mehr Untersuchungen
und Entwicklungsarbeiten auf dem Gebiet des optischen Fre
quenzteilungs-Multiplexbetriebs (optischer FDM) durchgeführt.
Der optische FDM läßt sich auf verschiedenen Gebieten einset
zen, beispielsweise bei der optischen Massenkommunikation, der
optischen Vermittlung, beim optischen Schalten und beim opti
schen Rechenbetrieb. Ein Halbleiterlaser ist eine Quelle für
kohärentes Licht, welches sich in einem optischen FDM verwen
den läßt, ist kompakt und zuverlässig aufgebaut und kann
innerhalb eines Schwingungswellenlängenbereichs elektrisch
abgestimmt werden.
Für einen FDM hoher Kapazität ist es erforderlich, einen
Halbleiterlaser zur Verfügung zu haben, der innerhalb eines
breiten Schwingungswellenlängen-Bereichs abgestimmt werden
kann. Um viele Frequenzkanäle hoher Dichte innerhalb des vor
bestimmten Wellenlängenbereichs im Multiplexbetrieb zu bedie
nen, ist es wünschenswert, daß der von jedem Kanal belegte
Frequenzbereich schmaler gemacht wird. Insbesondere bei der
Nachrichtenübertragung mit kohärentem Licht, bei der es sich
um eine spezielle optische FDM-Anwendung handelt, wird eine
Lichtquelle benötigt, die einen Lichtstrahl mit geringer
spektraler Linienbreite aussendet, damit ein elektrisches Si
gnal zur Verfügung steht, welches aus dem Signallichtstrahl
und einem lokal erzeugten Lichtstrahl gebildet wird.
Außerdem wurde ein Halbleiterlaser mit externem Hohlraum ent
wickelt, welcher außerhalb eines Halbleiterchips eine wellen
längenselektive Einrichtung besitzt. Der Halbleiterlaser mit
externem Hohlraum ist jedoch für die Verwendung bei einem op
tischen FDM nicht empfehlenswert im Hinblick auf Größe,
Stabilität, Kosten und Zuverlässigkeit.
Ein monolithisch aufgebauter, wellenlängenabstimmbarer Halb
leiterlaser wird für den optischen FDM benötigt. Die wellen
längenabstimmbaren Halbleiterlaser, die derzeit untersucht
werden, werden nach vier Typen klassifiziert:
- 1) Halbleiterlaser mit Temperatursteuerung;
- 2) Mehrelektroden-Halbleiterlaser mit verteilter Bragg- Reflexion (DBR);
- 3) Mehrelektroden-Halbleiterlaser mit verteilter Rück kopplung (DFB);
- 4) Halbleiterlaser mit Doppelführung.
Ein Halbleiterlaser mit Temperatursteuerung besitzt eine
Heizvorrichtung in der Nähe der aktiven Zone, um die Tempera
tur der aktiven Schicht anheben zu können. Im allgemeinen
verschiebt sich der Wellenlängenbereich eines Halbleiterla
sers zur Seite des langwelligen Lichts, wenn die Temperatur
zunimmt. Dieses Phänomen wird als "Rotverschiebung" bezeich
net. Der Laser läßt sich deshalb in einem breiten Wellenlän
genbereich abstimmen, während eine geringe Linienbreite bei
behalten wird. Da seine aktive Schicht beträchtlich aufge
heizt wird, ist der Laser jedoch nicht so zuverlässig, wie es
erwünscht ist.
Bei einem Mehrelektroden-DBR-Halbleiterlaser werden Ladungs
träger in die Bragg-Reflexionszone injiziert, um dadurch die
Bragg-Wellenlänge stark zu ändern. Sicherlich läßt sich der
Mehrelektroden-DBR-Laser innerhalb eines breiten Bereichs der
Schwingungswellenlänge abstimmen. Da aber Träger in den
Bragg-Wellenleiter injiziert werden, der passiv ist, schwankt
die interne Ladungsträgerdichte. Folglich emittiert dieser
Laser einen Strahl mit einer Linienbreite, die 10
MHz oder mehr beträgt, so daß dieser Laser kaum als Lichtquelle
kohärenten Lichts für die Nachrichtenübertragung einsetzbar
ist. Außerdem ändert sich die Bragg-Wellenlänge, es gibt
Sprünge über mehrere Schwingungstypen, und der Mehrelektro
den-DBR-Halbleiterlaser läßt sich kontinuierlich nur inner
halb eines schmalen Schwingungswellenlängen-Bereichs abstim
men.
Ein Mehrelektroden-DFB-Halbleiterlaser weist mehrere Ab
schnitte auf, die in Längsrichtung eines Resonators angeord
net sind. Die Bilanz der Ladungsträgerdichte in diesen Ab
schnitten wird geändert, um auf diese Weise die durchschnitt
liche Ladungsträgerdichte zu variieren. Als Ergebnis ändert
sich die Schwingungswellenlänge des Lasers.
Wenn ein starker Strom gleichmäßig in den Laser injiziert
wird, wie es in Fig. 2A durch die ausgezogene Kurve darge
stellt ist, konzentriert sich im Fall des in Fig. 1 darge
stellten, drei Elektroden aufweisenden Phasenverschiebungs-
DFB-Lasers mit Antireflexionsbeschichtungen auf beiden Seiten
Licht in der Nähe des Phasenverschiebungsabschnitts, wie dies
in Fig. 2B durch die ausgezogene Linie dargestellt ist. Aus
diesem Grund nimmt die induzierte Emission an dem Phasenver
schiebungsabschnitt zu, wodurch die Ladungsträgerdichte im
Mittelbereich der Vorrichtung geringer ist als an deren En
den, wie in Fig. 2C durch eine ausgezogene Kurve dargestellt
ist. Aufgrund der ungleichförmigen Ladungsträgerdichte (d. h.
des axialen Hole-Burnings), ist die mittlere Ladungsträger
dichte höher als dann, wenn die Stromdichte entlang der Achse
der Vorrichtung gleichmäßig ist. Je höher die mittlere La
dungsträgerdichte ist, desto niedriger ist der Brechungsindex, und
desto kürzer ist die Schwingungswellenlänge.
Wenn mehr Strom in dem Mittelabschnitt des Lasers als in des
sen Endabschnitte injiziert wird, wie in Fig. 2A durch die
gestrichelte Linie angedeutet ist, wird die Ladungsträger
dichte praktisch gleichmäßig, wie in Fig. 2C durch die ge
strichelte Linie dargestellt ist. Die mittlere Ladungsträger
dichte nimmt deshalb ab, so daß das Bauelement eine Rotver
schiebung erfährt oder sich sein Wellenlängenbereich zur
Seite des langwelligeren Lichts verschiebt. Da die gesamte
Zone aktiv ist, ändert sich ihre mittlere Trägerdichte zur
Zeit der Strominjektion nicht besonders. Deshalb läßt sich
eine kleine Linienbreite realisieren. Da sich aber die mitt
lere Ladungsträgerdichte nicht besonders stark ändert, ist
der änderbare Wellenlängenbereich auf lediglich 2 nm be
grenzt.
Bei einem Halbleiterlaser mit Doppelführung werden die
Ströme, die der aktiven Schicht und der Lichtleitschicht
(oder der zweiten aktiven Schicht), die eng benachbart lami
niert sind, unabhängig voneinander gesteuert. Dieses Bauele
ment ist in Dickenrichtung in Schichten unterteilt, vergli
chen mit dem Mehrelektroden-DBR- oder -DFB-Laser, der in axi
aler Richtung in mehrere Abschnitte unterteilt ist. Das Bau
element arbeitet in einer Betriebsart ähnlich der Betriebsart
eines Mehrelektroden-DBR-Lasers, wenn die Wellenleiter
schicht, die ein passives Element darstellt, verwendet wird,
und arbeitet in einer Betriebsart des Mehrelektroden-DFB-La
sers, wenn die Wellenleiterschicht durch eine zweite aktive
Schicht ersetzt wird.
Sowohl bei dem Mehrelektroden-DBR-Laser als auch bei dem Meh
relektroden-DFB-Laser hat nicht nur der oben erläuterte La
dungsträgereffekt, sondern auch der Wärmeeffekt Anteil an den
Änderungen der Schwingungswellenlänge. Auch bei dem in den
Fig. 1 und Fig. 2A bis 2C dargestellten Laser hat die durch
die Stromzunahme verursachte Temperaturerhöhung im Mittelab
schnitt Anteil an der Rotverschiebung.
Der Mehrelektroden-DBR-Laser und der Doppelführungs-Halblei
terlaser lassen sich kaum anwenden bei einem Übertragungssy
stem mit kohärentem Licht, da diese Laser einen Strahl emit
tieren, dessen spektrale Linienbreite nicht ausreichend
schmal ist. Außerdem läßt sich der temperaturgesteu
erte Halbleiterlaser kaum zur Verwendung bei der Übertragung
mit kohärentem Licht empfehlen, da dieser Laser nicht so zu
verlässig ist, wie es erwünscht ist, und zwar aufgrund der an
die aktive Schicht gelangenden Wärme zum Ändern der Schwin
gungswellenlänge. Deshalb erscheint der Mehrelektroden-DFB-
Halbleiterlaser zur Verwendung bei einem Übertragungssystem
mit kohärentem Licht geeignet.
Als Verfahren zum Verbessern der Wellenlängen-Abstimmbarkeit
eines Mehrelektroden-DFB-Halbleiterlasers kennt man eine als
"Verstärkungsanhebung" (gain-Ievering) bekannte Methode. Das
Prinzip der Verstärkungsanhebung ist diskutiert in K. Y. Lau,
Appl. Phys. Lett., Vol. 57 (25), S. 2632-2634 (Dezember
1990). Diese Methode wird im folgenden unter Bezugnahme auf
Fig. 3 und 4 kurz erläutert.
Fig. 3 zeigt einen in der Verstärkung angehobenen DFB-Quan
tenschicht-Halbleiterlaser (gain-levered DFB quantum well semi
conductor laser). Fig. 4 ist eine graphische Darstellung der
Beziehung zwischen der Ladungsträgerdichte und der Verstär
kung, die bei diesem in der Verstärkung angehobenen DFB-Quan
tenschicht-Laser beobachtet wird. Wie aus Fig. 4 ersichtlich
ist, besitzt der Laser eine starke Nicht-Linearität, weil
seine Verstärkung in der Zone hoher Ladungsträgerdichte in
Sättigung geht.
Es wird angenommen, daß die Betriebspunkte der Zonen 1 und 2
des Lasers bei einem Punkt A (gleichmäßig angeregter Zustand)
der in Fig. 4 gezeigten Kurve liegen. Wenn der in die Zone 1
injizierte Strom verringert wird, wodurch sich die Ladungs
trägerdichte in der Zone 1 allmählich verringert, erhöht sich
die Ladungsträgerdichte in der Zone 2 unter Aufrechterhaltung
der Verstärkung auf den Anfangswert. Im Ergebnis verschieben
sich die Betriebspunkte der Zonen 1 und 2 zu den Punkten B1
und B2 gemäß Fig. 4. Aufgrund der Nicht-Linearität der die
Beziehung zwischen der Trägerdichte und der Verstärkung dar
stellenden Kurve erhöht sich die mittlere Ladungsträgerdichte
des Lasers, wenn die Betriebspunkte der Zonen 1 und 2 von dem
Punkt A (gleichmäßige Erregung) zu den Punkten B1 und B2 (un
gleichmäßige Erregung) verschoben werden. Die Schwingungswel
lenlänge verschiebt sich deshalb zur Seite des kurzwelligen
Lichts. (Das heißt, es erfolgt eine Blauverschiebung.) Auf
grund der Stromänderung ändern sich die Verstärkung und die
Ladungsträgerdichte (d. h. die Schwingungswellenlänge) stark
in den Zonen 1 bzw. 2. Aus diesem Grund wird die Zone 1 als
Verstärkungssteuerzone und die Zone 2 als Wellenlängen-Steu
erzone betrachtet.
Wenn aufgrund des Effekts der Verstärkungsanhebung die Erre
gung ungleichmäßig gemacht wird, damit also eine Blauver
schiebung bewirkt wird, nimmt nicht nur die mittlere Ladungs
trägerdichte zu, sondern auch die mittlere Stromdichte, und
zwar als unvermeidliche Folge der Temperaturanhebung des La
sers. Dieser Temperaturanstieg verursacht eine Rotverschie
bung, welche die Blauverschiebung aufhebt. Folglich läßt sich
der in der Verstärkung angehobene DFB-Quantenschicht-Laser nicht
über einen so breiten Wellenlängenbereich abstimmen, wie man
an sich erwarten könnte.
Im Fall eines Mehrelektroden-DFB-Halbleiterlasers ändert sich
die Verteilung des Brechungsindex innerhalb des Resonators
mit der Ladungsträgerdichte-Verteilung im Resonator. Folglich
ändert sich die Wellenlänge, bei der der Laser eine Minimum-
Schwellenverstärkung zum Schwingen benötigt, nicht. Anderer
seits ändert die Änderung in der Verteilung des Brechungsin
dex im Resonator die Phasenanpaßbedingung. Wenn die Wellen
länge, bei der der Laser eine minimale Schwellenverstärkung
zum Anschwingen benötigt, im Phasenanpaßzustand stets erfüllt
wird, läßt sich erwarten, daß der Laser weiterhin stabil
schwingt.
Bei dem herkömmlichen Mehrelektroden-DFB-Laser ist es je
doch schwierig, gleichzeitig die Schwellenverstärkungs-Bedin
gung und die Phasenanpaßbedingung zu steuern. Der herkömmli
che Mehrelektroden-DFB-Laser schwingt stabil, jedoch nur in
nerhalb eines kleinen Wellenlängenbereichs. Bei einem drei
Elektroden aufweisenden Phasenverschiebungs-DFB-Laser bei
spielsweise wird, wenn der in den Mittelabschnitt des Resona
tors injizierte Strom erhöht wird, während die in die Endab
schnitte injizierten Ströme auf einem konstanten Wert gehal
ten werden, die Verteilung des Brechungsindex über die Länge
des Resonators geändert, was unvermeidlich sowohl die Bedin
gung der Schwellenverstärkung als auch die Phasenanpaßbedin
gung ändert. Deshalb ist ein Modensprung, wie er in Fig. 19
dargestellt ist, unvermeidlich. Als Konsequenz ist der Wel
lenlängenbereich, in welchem der Laser abgestimmt werden
kann, innerhalb eines Schwingungstyps auf 1 nm oder weniger
begrenzt.
Bei dem herkömmlichen Mehrelektroden-DFB-Laser gibt es ein
weiteres Problem. Wenn ein Strom in jede Zone des Lasers in
jiziert wird, verteilt sich nicht nur die Ladungsträger
dichte, sondern auch die Temperatur ungleichförmig. Aufgrund
der ungleichmäßigen Verteilung der Ladungsträgerdichte und
der ungleichmäßigen Temperaturverteilung ist der Brechungsin
dex, welcher sowohl von der Ladungsträgerdichte als auch von
der Temperatur abhängt, nicht gleichförmig. Aufgrund dieser
komplexen Schwingungsbedingungen ist es schwieriger, die Be
triebsart des Mehrelektroden-DFB-Lasers zu steuern.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines wellenlängenab
stimmbaren Halbleiterlasers mit Mehrelektroden-Aufbau und
verteilter Rückkopplung, bei dem die gegenseitige Auslöschung von Trägereffekt und
Wärmeeffekt unterdrückt wird, und der einen breiten abstimmbaren Wellenlängenbereich
aufweist.
Diese Aufgabe wird jeweils durch die in den Patentansprüchen 1, 4, 6, 11 und 12 angegebenen Merkmale
gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Aus der EP 0 409 487 A2 ist ein dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 entsprechender,
wellenlängenabstimmbarer Halbleiterlaser mit verteilter Rückkopplung bekannt, bei dem
auf dem Halbleitersubstrat eine Wellenleiterschicht unter Zwischenlage eines Beugungsgitters
ausgebildet ist. Auf der Wellenleiterschicht ist eine aktive Schicht und auf dieser
wiederum eine Abdeckschicht angeordnet sind. Auf der Oberfläche des Halbleiterlasers
sind segmentierte Elektroden vorgesehen, so daß sich die Stromdichten in den jeweiligen
Halbleiterlaserabschnitten steuern lassen.
Kotaki J., Ishikawa, H: "Wavelenght tunable DFB and DBR lasers for coherent optical
fibre communications" in GB-Z: IEE Proceedings-J, Vol. 138, No. 2, 1991, Seiten 171 bis
177, gibt einen Überblick über die Funktionsweise und den Entwicklungsstand bei der
Wellenlängenabstimmung von Lasern mit verteilter Rückkopplung (DFB) und mit verteiltem
Bragg-Reflektor (DBR), wobei untersucht wird, wie der maximale Wellenlängen-
Abstimmungsbereich durch die maximale Änderung des Brechungsindex in dem Halbleitermaterial
begrenzt wird.
In: Lee, T.-P.: "Recent Advances in Long-Wavelength Semiconductor Lasers for Optical
Fiber Communication" in US-Z: Proceedings of the IEEE, Vol. 79, No. 3, März 1991,
Seiten 253 bis 276, sind wellenlängenabstimmbare Halbleiterlaser mit verteilter Rückkopplung
(DFB) sowie Laser mit mehreren Wärmesenken und verspannten Quantenschichten
diskutiert, siehe zum Beispiel Fig. 23.
In der US 4 932 034 ist ein Halbleiterlaser mit verteilter Rückkopplung beschrieben, bei dem
ein Beugungsgitter unterhalb der aktiven Schicht vorgesehen ist und auf der Oberfläche des
Elements segmentierte Elektroden angeordnet sind, die parallel geschaltet sind und durch
zwei Stromquellen gespeist werden.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher
erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines herkömmlichen, drei
Elektroden aufweisenden Phasenverschiebungs-DFB-La
sers;
Fig. 2A, 2B und 2C graphische Darstellungen zum Erläutern der
Arbeitsweise des in Fig. 1 gezeigten Phasenverschie
bungs-DFB-Lasers mit drei Elektroden;
Fig. 3 ein Diagramm zum Erläutern des im Stand der Technik
erzielten Verstärkungsanhebungseffekts;
Fig. 4 eine graphische Darstellung, die den Effekt der Ver
stärkungsanhebung im Stand der Technik erläutert;
Fig. 5 eine perspektivische Ansicht eines Phasenverschie
bungs-DFB-Lasers, der in der Wellenlänge abstimmbar
ist und drei Elektroden aufweist, sowie eine erste Aus
führungsform der Erfindung bildet;
Fig. 6 eine Schnittansicht entlang der aktiven Schicht des
Lasers nach Fig. 5;
Fig. 7A und 7B Schnittansichten entlang Linien, die senkrecht
zu der aktiven Schicht des in Fig. 5 gezeigten Lasers
verlaufen;
Fig. 8 eine Schnittansicht, die im einzelnen die aktive
Schicht des Lasers nach Fig. 5 zeigt;
Fig. 9 eine Schnittansicht entlang der Streifen der aktiven
Schicht des Halbleiterlasers gemäß einer zweiten Aus
führungsform der Erfindung;
Fig. 10A und 10B Schnittansichten entlang Linien senkrecht
zur aktiven Schicht des Lasers nach Fig. 9;
Fig. 11A und 11B graphische Darstellungen der Beziehung zwi
schen der differentiellen Verstärkung und der La
dungsträgerdichte sowie der Beziehung zwischen der
differentiellen Verstärkung und der Stromdichte,
bei dem in Fig. 9 gezeigten Halblei
terlaser;
Fig. 12 eine Schnittansicht eines Halbleiterlasers gemäß ei
ner dritten Ausführungsform der Erfindung, betrachtet
in Längsrichtung des Resonators des Lasers;
Fig. 13A und 13B schematische Darstellungen der Bandstruktur
in der Nähe der aktiven Schicht des Halbleiterlasers
nach Fig. 12;
Fig. 14 eine Draufsicht auf den allgemeinen Aufbau eines
Halbleiterlasers gemäß einer vierten Ausführungsform
der Erfindung;
Fig. 15 eine Schnittansicht entlang den Streifen der aktiven
Schicht des Halbleiterlasers nach Fig. 14;
Fig. 16 eine Schnittansicht entlang einer Linie senkrecht zu
den Streifen der aktiven Schicht des Lasers nach Fig. 14;
Fig. 17 eine Schnittansicht, die im einzelnen die aktive
Schicht des Lasers nach Fig. 14 zeigt;
Fig. 18A, 18B, 18C und 18D graphische Darstellungen, welche
die Stromverteilung, die Verteilung der Ladungsträ
gerdichte, die Temperaturverteilung und die Vertei
lung des Brechungsindex des Resonators des Halblei
terlasers nach Fig. 14 zeigen;
Fig. 19 eine graphische Darstellung der Beziehungen zwischen
Schwingungswellenlänge und injiziertem Strom,
bei dem Laser nach Fig. 14 und dem herkömmli
chen, drei Elektroden aufweisenden DFB-Halb
leiterlaser;
Fig. 20 eine Schnittansicht entlang einer Linie senkrecht zu
den Streifen der aktiven Schicht eines Halbleiterla
sers gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfin
dung;
Fig. 21 eine Draufsicht auf den allgemeinen Aufbau eines
Halbleiterlasers gemäß einer sechsten Ausführungsform
der Erfindung; und
Fig. 22 eine Schnittansicht entlang einer Linie senkrecht zu
den Streifen der aktiven Schicht des Lasers nach Fig. 21.
Die vorliegende Erfindung betrifft einen wellenlängenabstimm
baren Halbleiterlaser mit einem Mehrelektroden-DFB-Aufbau
(einen Aufbau mit verteilter Rückkopplung), der einen Resona
tor mit verteilter Rückkopplung und erste und zweite Elektro
den zum unabhängigen Steuern der Stromdichten in dem ersten
bzw. dem zweiten Abschnitt des Resonators aufweist. Der wel
lenlängenabstimmbare Halbleiterlaser ist derart ausgebildet,
daß die Temperaturänderungen sich stärker auswirken bei einer
Änderung der Dichte des injizierten Stroms in dem ersten Ab
schnitt des Resonators, verglichen mit dem zweiten Abschnitt
des Resonators.
Um die Schwingungswellenlänge zu ändern, wird der
Wärmeeffekt gegenüber dem Ladungsträgereffekt in dem ersten
Abschnitt des Resonators verstärkt, wohingegen der Wärmeef
fekt bezüglich des Trägereffekts im zweiten Abschnitt des Re
sonators unterdrückt wird. Der Strom in dem ersten Abschnitt
und der Strom in dem zweiten Abschnitt können erhöht bzw.
verringert werden, um auf diese Weise die Schwingungswellenlänge
bei der gleichen Ausgangsleistung zu ändern. Wenn der
Strom im ersten Abschnitt erhöht wird, fördern der Wärmeef
fekt und der Trägereffekt eine Rotverschiebung bzw. eine
Blauverschiebung, jedoch ist die Rotverschiebung gegenüber
der Blauverschiebung dominant, weil der Wärmeeffekt gestei
gert wird. Wenn der Strom im zweiten Abschnitt verringert
wird, begünstigen der Wärmeeffekt und der Ladungsträgereffekt
die Blauverschiebung bzw. die Rotverschiebung, jedoch domi
niert die Rotverschiebung, weil der Wärmeeffekt unterdrückt
wird. Im Ergebnis tragen beide Abschnitte zur Rotverschiebung
bei, und der Laser läßt sich in einem breiten Wellenlängenbe
reich abstimmen. Da beide Zonen im Schwingungszustand blei
ben, läßt sich auch dann eine schmale spektrale Linienbreite
aufrechterhalten, wenn die Schwingungswellenlänge stark geän
dert werden kann.
Es können verschiedene Maßnahmen getroffen werden, um die
Temperatur in dem ersten Abschnitt stärker zu ändern als in
dem zweiten Abschnitt aufgrund der Änderung der Dichte des
injizierten Stroms. Derartige Maßnahmen sind:
1. Man kann dem ersten und dem zweiten Abschnitt unter
schiedliche Wirkungsgrade bei der Wärmeübertragung verleihen.
Z.B. können die Abschnitte derart geformt sein, daß der erste
Abschnitt weniger Wärme verliert als der zweite Abschnitt.
Genauer gesagt, wird der erste Abschnitt so geformt, daß er
einen Mesa-Querschnitt entlang der Linie senkrecht zur Reso
natorachse aufweist, während der zweite Abschnitt so geformt
ist, daß er einen planaren oder Mesa-Querschnitt aufweist,
der größer als der Mesa-Querschnitt des ersten Abschnitts
ist. Wird von dieser Maßnahme Gebrauch gemacht, so hat der
erste Abschnitt einen höheren Wärmewiderstand als der zweite
Abschnitt, und die Temperatur steigt im ersten Abschnitt stärker
an als im zweiten Abschnitt. Wie oben beschrieben wurde, tra
gen also beide Abschnitte zur Rotverschiebung bei, so daß der
Laser in einem großen Wellenlängenbereich abgestimmt werden
kann, während eine schmale spektrale Linienbreite aufrechter
halten bleibt.
Alternativ kann eine erste Schicht mit geringer spezifischer
Wärmeleitfähigkeit zwischen der aktiven Schicht im ersten Ab
schnitt und einer Wärmesenke ausgebildet werden, und die
erste Schicht liegt im zweiten Abschnitt nicht zwischen der
aktiven Schicht und der Wärmesenke, wodurch das gleiche Er
gebnis erzielt wird. Es kann wünschenswert sein, daß der er
ste Abschnitt einen Wärmewiderstand aufweist, der 30% oder
mehr höher liegt als derjenige des zweiten Abschnitts. Falls
dies so ist, kann der Temperaturunterschied zwischen dem er
sten Abschnitt und der Wärmesenke um mindestens 30% größer
als zwischen dem zweiten Abschnitt und der Wärmesenke sein.
Dies führt zu einer signifikanten Differenz zwischen dem er
sten und dem zweiten Abschnitt hinsichtlich des Wärmeeffekts
auf die Schwingungswellenlänge.
2. Man kann dem ersten und dem zweiten Abschnitt ver
schiedene elektrische Widerstandswerte verleihen. Beispiels
weise hat mindestens ein Teil des Stromwegs zu der aktiven
Schicht im ersten Abschnitt einen elektrisch höheren Wider
stand als der entsprechende Teil des Stromwegs zu der aktiven
Schicht des zweiten Abschnitts. Der Ausdruck "Stromweg" um
faßt hier eine Halbleiter-Mantelzone, eine Kontaktzone, eine
Metallverdrahtung o. dgl. Das Verfahren zur Beeinflussung des elektrischen Widerstands des Stromwegs
kann in einer Än
derung der Dotierstoffkonzentration, einer Dicken- oder Brei
tenänderung oder in einer Änderung der Zusammensetzung der
den Stromweg bildenden Halbleiterschicht bestehen. Ein alter
natives Verfahren besteht darin, einen sogenannten Hetero
übergang zu bilden, der eignen Ladungsträgerstrom sperrt. Man
kann eine dünne Elektrode im ersten Abschnitt vorsehen, wäh
rend im zweiten Abschnitt eine breite Elektrode verwendet
wird. Bei dieser Maßnahme wird in dem ersten Abschnitt mehr
Wärme erzeugt als im zweiten Abschnitt, wenn in beide Ab
schnitte Ströme injiziert werden. Die durch die Verdrahtung
oder den Elektrodenwiderstand verbrauchte Leistung wird in
Wärme umgesetzt. (Grob gesagt, ist die sich ergebende Tempe
raturänderung proportional zum Quadrat der Änderung des
Stroms.) Als Ergebnis haben beide Abschnitte Anteil an der
Förderung der Rotverschiebung, und der Laser läßt sich in ei
nem breiten Wellenlängenbereich abstimmen, während eine
schmale spektrale Linienbreite erhalten bleibt.
Genauer gesagt, ist es wünschenswert, daß der differentielle
Widerstand des ersten Abschnitts das Zwei- oder Mehrfache des
Widerstands des zweiten Abschnitts beträgt (5 Ω oder weni
ger). Wenn der erste Abschnitt einen differentiellen Wider
stand von 5 Ω oder mehr gegenüber dem zweiten Abschnitt auf
weist, und der beiden Abschnitten zugeführte Strom eine
Stärke von 200 mA hat, ist die Leistungsaufnahme im ersten
Abschnitt um 0,2 W größer als im zweiten Abschnitt. Folglich
ergibt sich ein signifikanter Unterschied
hinsichtlich der Wärme, die von dem ersten und dem zweiten Ab
schnitt erzeugt wird.
3. Man kann unterschiedliche Verhältnisse von wirkungslo
sem Strom für den ersten und den zweiten Abschnitt vorsehen.
Beispielsweise wird der erste Abschnitt derart ausgebildet,
daß er einen größeren wirkungslosen Strom aufweist als der
zweite Abschnitt. Genauer gesagt, wird ein höherer Leck
strom in der vergrabenen Schicht erzwungen, die
eine Seite der aktiven Schicht in dem ersten Abschnitt kon
taktiert, verglichen mit dem zweiten Abschnitt. Alternativ
können der erste und der zweite Abschnitt derart ausgebildet
werden, daß die Ladungsträgerdichte in der aktiven Schicht
sich mit der Stromdichte im ersten Abschnitt weniger ändert
als im zweiten Abschnitt. Eine weitere Möglichkeit be
steht darin, die Lebensdauer der Ladungsträger in der aktiven
Schicht für den ersten Abschnitt kürzer zu machen als für den
zweiten Abschnitt, beispielsweise mit Hilfe von Störstellen-
Dotierung.
Ein weiteres Verfahren zum Einstellen verschiedener Verhält
nisse von unwirksamem Strom für den ersten und den zweiten
Abschnitt besteht darin, den Schichtaufbau der Abschnitte un
terschiedlich zu gestalten, um auf diese Weise dazu beizutra
gen, daß Elektronen die aktive Schicht im ersten Abschnitt in
größerer Anzahl überschwemmen als im zweiten Abschnitt. Ge
nauer gesagt, wird die Barriere der Quantenschicht im
ersten Abschnitt weniger hoch oder dicker gemacht, oder es
wird die Bandlücke in der Mantelschicht im ersten Abschnitt
kleiner gemacht als im zweiten Abschnitt, damit mehr Elektro
nen die aktive Schicht überfließen.
Wenn der erste Abschnitt dadurch ein höheres Verhältnis des
wirkungslosen Stroms erhält, daß ein größerer Leckstrom in
der vergrabenen Schicht des ersten Abschnitts ausgebildet
wird als im zweiten Abschnitt, so wird im ersten Abschnitt
mehr Wärme erzeugt als im zweiten Abschnitt. Deshalb tragen
beide Abschnitte zu der Rotverschiebung bei, und der Laser
läßt sich in einem breiten Wellenlängenbereich abstimmen,
während eine schmale spektrale Linienbreite erhalten bleibt.
Wünschenswert ist es, daß der zu dem ersten Abschnitt ge
führte wirkungslose Strom, der nicht für die angeregte Emis
sion verwendet wird, um ein Vielfaches größer ist als der
Strom, der dem zweiten Abschnitt zugeführt wird. Wenn der ef
fektive Strom und der wirkungslose Strom 200 mA bzw. 100 mA
betragen und der Spannungsabfall 1,5 V beträgt, so erzeugt
der erste Abschnitt gegenüber dem zweiten Abschnitt um 0,15 W mehr
Wärme.
4. Man verleiht der Ladungsträgerdichte für den ersten
Abschnitt eine höhere differentielle Verstärkung als für den
zweiten Abschnitt und verleiht so hinsichtlich der Dichte des
injizierten Stroms dem ersten Abschnitt eine geringere diffe
rentielle Verstärkung als dem zweiten Abschnitt. Diese Maß
nahme läßt sich erreichen, indem man hinsichtlich der La
dungsträgerdichte für den ersten Abschnitt eine größere dif
ferentielle Verstärkung einstellt als für den zweiten Ab
schnitt, und indem man die Änderung der Ladungsträgerdichte,
die durch die Änderung des injizierten Stroms verursacht
wird, mit Hilfe der im Abschnitt 3 angegebenen Methode redu
ziert. Die differentielle Verstärkung läßt sich bezüglich der
Ladungsträgerdichte im ersten Abschnitt durch ein anderes
Verfahren erhöhen, bei dem der Effekt der Verstärkungsanhe
bung dadurch erhöht ist, daß die Arbeitspunkte des ersten und
des zweiten Abschnitts geändert werden oder die aktiven
Schichten des ersten und des zweiten Abschnitts mit unter
schiedlichen Strukturen ausgebildet werden.
Bei den in den Abschnitten 3 und 4 beschriebenen Maßnahmen
muß der Strom im ersten Abschnitt mehr geändert werden als im
zweiten Abschnitt, um in der aktiven Schicht die gleiche Än
derung der Ladungsträgerdichte zu erzielen. Deshalb ändert
sich die Temperatur in dem ersten Abschnitt mehr als in dem
zweiten Abschnitt, wodurch beide Abschnitte die Rotverschie
bung begünstigen. Folglich läßt sich der Laser in einem brei
ten Wellenlängenbereich unter Beibehaltung einer schmalen
spektralen Linienbreite abstimmen.
Die Stromdichte J und die Ladungsträgerdichte N in der akti
ven Schicht, welche die Schwellenwert-Schwingungswellenlänge
beherrschen, haben folgende Beziehung zueinander:
N/J = (l - Rof) × τn/(e · d) (1),
wobei Rof das Verhältnis eines Überlaufstroms, τn die Lebens
dauer der Ladungsträger in der aktiven Schicht, e eine elek
trische Elementarladung, und d die Dicke der aktiven Schicht bezeichnen.
Der Wert τn wird reduziert, um die Ladungsträgerdichte in der
aktiven Schicht zu ändern, oder es wird der Wert Rof erhöht,
um die Anzahl von Elektronen zu ändern, die die aktive
Schicht überfließen (d. h. das Verhältnis des wirkungslosen
Stroms), um dadurch das Verhältnis N/J für den ersten Ab
schnitt zu verringern.
Wenn der erfindungsgemäße Halbleiterlaser in der Betriebsart
mit angehobener Verstärkung betrieben wird, arbeitet der
zweite Abschnitt, in dem sich die Wellenlänge stark mit Ände
rungen der Ladungsträgerdichte ändert, als Wellenlängen-Steu
erzone. Im Betrieb mit Anhebung der Verstärkung ist die dif
ferentielle Verstärkung hinsichtlich der Ladungsträgerdichte
in dem Wellenlängen-Steuerabschnitt größer als in der ersten
Zone, die als Verstärkerzone fungiert. Folglich ist der Ver
größerungsfaktor α der Linienbreite im zweiten Abschnitt
größer, was den Ladungsträgereffekt betont. Wie im Abschnitt
4 angegeben ist, ist die differentielle Verstärkung bezüglich
der Ladungsträgerdichte, Γ dG/dN, im zweiten Abschnitt klei
ner als im ersten Abschnitt, während die differentielle Ver
stärkung bezüglich der Stromdichte, Γ dG/dJ, im ersten Ab
schnitt kleiner als im zweiten Abschnitt ist. Γ ist der
Lichteingrenzungskoeffizient und G ist die Verstärkung.
Hieraus folgt, daß die erste bis vierte Maßnahme kombinierbar
sind. Selbst wenn die numerische Differenz kleiner ist als es
oben erläutert wurde, ist es möglich, zu unterscheiden zwi
schen dem Wärmeeffekt im ersten Abschnitt und demjenigen im
zweiten Abschnitt.
5. Man kann auf einer Seite jedes Abschnitts eine Tempe
ratursteuerelektrode anordnen. In einem Halbleiterlaser mit
mehreren aufgeteilten Elektroden, die entlang den Streifen
des lichtemittierenden Abschnitts beabstandet sind, enthält
jede aufgeteilte Elektrode mindestens zwei Elektroden, die in
einer Ebene senkrecht zu den Streifen verlaufen. Über diese
Elektroden werden Ströme in die zwei Abschnitte des lichte
mittierenden Abschnitts derart injiziert, daß die Temperatu
ren dieser Abschnitte sich unterschiedlich ändern, wenn sich
die in den lichtemittierenden Abschnitt injizierten Ströme
pro Längeneinheit der Streifen ändern.
Beispiele dieser Maßnahme sind folgende:
- a) Die zwei Elektroden sind derart angeordnet, daß der Abstand zwischen der ersten Elektrode und der aktiven Schicht sich von demjenigen zwischen der zweiten Elektrode und der aktiven Schicht unterscheidet, und zwar in einer Ebene, die senkrecht zur Resonatorachse verläuft.
- b) Die zwei Elektroden sind derart ausgebildet, daß der Widerstand zwischen der ersten Elektrode und der aktiven Schicht sich vom Widerstand zwischen der zweiten Elektrode und der aktiven Schicht unterscheidet.
- c) Es werden Heizmittel verwendet, um den Bereich entlang des Resonators zu erhitzen, anstatt zwei Elektroden auszubil den.
Abgesehen von den oben angegebenen Maßnahmen lassen sich fol
gende Maßnahmen gemäß der Erfindung ergreifen:
- 1) Der zweite Abschnitt wird auf der Vorderseite des La sers angeordnet (d. h. auf der lichtemittierenden Seite), und der vorderen bzw. der hinteren Spiegelfläche wird ein gerin ges bzw. ein hohes Reflexionsvermögen verliehen. Bei dem zwei Elektroden aufweisenden DFB-Laser, dessen vordere und hintere Facette verschiedene Reflexionsvermögen aufweisen, konzen triert sich das elektrische Feld des Lichts im Resonator an der hinteren Facette, und der Brechungsindex des hinteren Ab schnitts hat großen Anteil an den Wellenlängenänderungen. Die Lichtausgabe hängt stark von dem in den an der lichtemittie renden Fläche gelegenen Abschnitt injizierten Strom ab. Um eine Rotverschiebung durch den Wärmeeffekt zu erreichen, ohne die Lichtabgabe zu ändern, muß man den Strom im lichtemittie renden Abschnitt geringfügig reduzieren und den Strom im hin teren Abschnitt stark erhöhen. Hierdurch wird der Wärmeeffekt im hinteren Abschnitt erhöht, was eine noch stärkere Änderung der Schwingungswellenlänge ermöglicht.
- 2) Zur Bildung der Phasenverschiebungszone eines Beu gungsgitters im mittleren Abschnitt eines Mehrelektroden-DFB- Lasers, dessen Resonator aus mindestens drei Abschnitten be steht, oder des Mittelabschnitts und der beiden Endabschnitte wird vorzugsweise eine Beschichtung mit geringem Reflexions vermögen auf jeder Laserfacette gebildet. Erwünscht ist, daß kL gleich 2 oder größer als 2 ist, wobei k der Kopplungskoeffizient die ses Beugungsgitters und L die Resonatorlänge ist. Der Wärme effekt im mittleren Abschnitt verstärkt sich, wodurch sich die Schwingungswellenlänge stärker ändern läßt.
- 3) Man verwendet eine verspannte Quantenschicht (strained quantum well layer) für mindestens einen Teil der aktiven Schicht. Die Verwendung einer verspannten Quanten schicht mit einer hohen differentiellen Verstärkung für die aktive Schicht verbessert die Kennwerte der aktiven Schicht oder kompensiert deren Kennlinienbeeinträchtigung. Außerdem erhöht die verspannte Quantenschicht die Frei heit für die differentielle Verstärkung und die Schwellen- Trägerdichte. In anderen Worten, die Trägerschicht läßt sich bei diesem Aufbau modifizieren, um den Effekt der Verstär kungsanhebung sehr stark hervorzuheben.
- 4) Man wendet die Stromgegenkopplung an, beispielsweise über den ersten Abschnitt, um eine automatische Frequenzrege lung (AFC) zu erreichen. Erfindungsgemäß hat der erste Ab schnitt größeren Anteil an den Wellenlängenänderungen als der zweite Abschnitt, weil der Wärmeeffekt im ersten Abschnitt stärker betont wird als im zweiten Abschnitt. Um die AFC zu erreichen, wäre es besser, die Stromgegenkopplung oder Fre quenzmodulation auf den ersten Abschnitt statt auf den zwei ten Abschnitt anzuwenden. Bei dieser Maßnahme wird eine zu verlässige AFC erreicht.
- 5) Man verwendet einen Abschlußwiderstand, eine Netzla dung o. dgl., um Hochgeschwindigkeitssignale zu zumindest einen Abschnitt, beispielsweise dem ersten Abschnitt, zu lei ten, um auf diese Weise eine Frequenzmodulation zu erreichen. Dieses Verfahren unterstützt den Effekt der sehr schnellen und sehr effizienten Frequenzmodulation. Das thermische An sprechverhalten sollte so schnell sein, daß eine Hochge schwindigkeits-Frequenzmodulation gewährleistet ist. Erfin dungsgemäß ist das thermische Ansprechverhalten so schnell, daß es im Sub-Nanosekundenbereich liegt, da die Wärmequelle sich in der Nähe der aktiven Schicht befindet.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf
die Zeichnungen beschrieben.
Fig. 5 bis 8 zeigen einen wellenlängenabstimmbaren, drei
Elektroden aufweisenden DFB-Halbleiterlaser gemäß einer er
sten Ausführungsform der Erfindung. Fig. 5 ist eine perspek
tivische Ansicht des Lasers. Fig. 6 ist eine Schnittansicht
entlang des Streifens der aktiven Schicht des Lasers. Fig. 7A
ist eine Schnittansicht des Mittelabschnitts (d. h. des ersten
Abschnitts) des Lasers, betrachtet entlang einer Linie senk
recht zu dem Streifen der aktiven Schicht. Fig. 7B ist eine
Schnittansicht eines der Endabschnitte (d. h. des zweiten Ab
schnitts) des Lasers, betrachtet entlang einer Linie senk
recht zu dem Streifen der aktiven Schicht. Fig. 8 ist eine
Schnittansicht, die im einzelnen die aktive Schicht des Halb
leiterlasers zeigt.
Der Laser enthält ein n-leitendes InP-Substrat 1, eine aktive
Schicht 2 (einschließlich einer Wellenleiterschicht), die auf
dem Substrat 1 ausgebildet ist, eine p-leitende InP-Mantel
schicht 3, die auf der aktiven Schicht 2 ausgebildet ist,
eine p-leitende InGaAs-Kontaktschicht 4 für ohmschen Kontakt,
gebildet durch Mesa-Streifen und ausgebildet auf der Mantel
schicht 3, eine die Mesa-Streifen begrabende, p-leitende InP-
Schicht 6, eine n-leitende InP-Schicht 7, eine p-leitende In-
GaAsP-Schicht 8 und eine undotierte InGaAsP-Schicht 9. Diese
aktiven Schichten wurden durch chemische Niederschlagung aus
der Dampfphase, speziell durch Anwendung des metallorganischen
CVD-Verfahrens hergestellt.
Wie in Fig. 8 im einzelnen zu sehen ist, enthält die aktive
Schicht einen verspannten Quantenschichtaufbau, wobei eine un
tere Lichtleitschicht 23 auf der Unterseite der verspannten
Quantenschicht ausgebildet ist, und eine obere Lichtleit
schicht 24 auf der Oberseite der verspannten Quantenschicht
gebildet ist. Der Schichtaufbau besteht aus gestreckten
Lochschichten 21 und Barrierenschichten 22, die einander ab
wechseln. Die Schichten 21 bestehen aus In0,7Ga0,3As und ha
ben eine Dicke von 3 nm. Die untere Lichtleitschicht 23 be
steht aus InGaAsP mit einer Dicke von 30 nm. Die obere Licht
leitschicht 24 besteht aus InGaAsP und hat eine Dicke von 100
nm. In der Schicht 24 ist ein Beugungsgitter 25 ausgebildet.
Die Barrierenschicht 22 hat eine Dicke von 10 nm, ist bezüg
lich des InP gitterangepaßt und besteht aus InGaAsP mit einer
Zusammensetzung, die einer Wellenlänge von 1,3 µm entspricht.
Das Beugungsgitter 25 ist in die p-leitende InP-Schicht ver
graben. Das Beugungsgitter 25 besitzt eine Phasenverschie
bungszone 26 am Mittelpunkt des Laser-Resonators.
Wie am besten in Fig. 5 und 6 zu sehen ist, definieren Nuten
10 drei Abschnitte des Halbleiterlasers, nämlich einen Mit
telabschnitt 11 und Endabschnitte 12 und 13. Ohmsche p-lei
tende Elektroden 14a, 14b und 14c aus Au/Zn/Au sind auf den
ohmschen Kontaktschichten 4 ausgebildet, ausgenommen die Ab
schnitte in der Nähe der Nuten 10. Die Elektrode 14a im Mit
telabschnitt 11 besitzt eine Breite von 4 µm. Die Elektroden
14b und 14c an den beiden Endabschnitten 12 und 13 haben eine
Breite von 20 µm. Wegen der unterschiedlichen Breiten der
ohmschen Elektroden 14a, 14b und 14c besitzt der mittlere Ab
schnitt 11 einen Kontaktwiderstand von 10 Ω, während die
Endabschnitte 12 und 13 einen Kontaktwiderstand von 5 Ω auf
weisen.
Wie aus den Fig. 5 und 7A ersichtlich ist, besitzt der Mit
telabschnitt 11 zwei parallele Mesa-Nuten 15 in der Oberseite.
Diese Nuten 15 definieren zwischen sich einen Mesa-Streifen
mit einer Breite von 7 µm. Jede Mesa-Nut 15 wurde gebildet,
indem die entsprechenden Teile der InGaAsP-Schichten 8 und 9
entfernt wurden.
Auf denjenigen Abschnitten der ohmschen Kontaktschichten 4,
die nicht von den ohmschen p-leitenden Elektroden 14a, 14b
und 14c bedeckt sind, ist eine Isolierschicht 16 gebildet.
Jeweils aus Cr/Au bestehende Verdrahtungen 17a, 17b und 17c
sind auf den ohmschen Kontaktschichten 4 und der Isolier
schicht 16 ausgebildet.
Bondstellen 18a, 18b und 18c aus Ti/Pt/Au, die jeweils als
Verdrahtung dienen, sind auf den Verdrahtungen 17a, 17b bzw.
17c gebildet. Der Ti/Pt/Au-Draht 18a ist an der Seitenfläche
der Nut 15 an der Streifenseite teilweise entfernt. Die rest
liche Cr/Au-Schicht 17a fungiert als Widerstandsschicht mit
einem Reihenwiderstand von etwa 10 Ω. Die n-leitende ohmsche
Elektrode 19 ist auf der Unterseite des InP-Substrats 1 aus
gebildet.
Der Halbleiterlaser-Chip ist etwa 1 mm lang, etwa 300 µm
breit und etwa 80 µm dick. Der Mittelabschnitt 11 ist etwa
400 µm lang, während die Endabschnitte 12 und 13 etwa 300 µm
lang sind. Die Facetten des Chips sind durch Spalten gebil
det. Sie sind mit einer Schicht 20 überzogen, die ein Refle
xionsvermögen von lediglich 1% oder weniger besitzen. Das
Beugungsgitter 25 besitzt einen Kopplungskoeffizienten k von
30 cm-1.
Der Laserchip wird auch mit Hilfe eines AuSn-Lots auf einer
Wärmesenke montiert. Die Wärmesenke, die als Masseelektrode
fungiert, wird mit Hilfe eines Temperatursensors und eines
Peltierelements auf einer vorbestimmten Temperatur gehalten.
Jede Elektrodenstelle 18 wird durch Bonden mit einer auf ei
nem Keramiksubstrat ausgebildeten Spannungsversorgungsleitung
verbunden. Die in die Abschnitte 11, 12 und 13 injizierten
Ströme können unabhängig voneinander gesteuert werden. Der
Laserchip, die Wärmesenke, der Temperatursensor und das Keramik
substrat werden in ein Lasermodul eingebaut, zusammen mit ei
ner Optik, die dazu verwendet wird, den Laserchip mit einer
optischen Ausgangsfaser, einem optischen Isolator, einer Aus
gangs-Monitor-Photodiode u. dgl. zu verbinden.
Wie aus der Beschreibung hervorgeht, erfolgt eine auto
matische Leistungsregelung (APC) bei der ohmschen Elektrode
14b an der lichtemittierenden Seite, da die Lichtabgabe in
starkem Maß von dem in den Abschnitt 12 injizierten Strom ab
hängt, wobei der Abschnitt 12 sich in der Nähe der lichtemit
tierenden Facette befindet, während eine automatische Fre
quenzregelung (AFC) bei der ohmschen Elektrode 14a des Mit
telabschnitts 11 stattfindet, da der Mittelabschnitt 11 mehr
beiträgt zu den Wellenlängenänderungen als die Endabschnitte
12 und 13. Zur Erreichung einer Hochgeschwindigkeits-FSK-Mo
dulation am Halbleiterlaser wird der ohmschen Elektrode 14a
über einen Impedanzanpaßwiderstand ein Modulationsstrom zuge
führt. In diesem Fall kann als ein Teil dieses Impedanzan
paßwiderstands zumindest ein Teil eines Widerstands verwendet
werden, dessen Widerstandswert größer als derjenige des zwei
ten Abschnitts.
Der in Fig. 5 dargestellte, wellenlängenabstimmbare Laser ar
beitet grundsätzlich nach denselben Prinzipien wie der in
Fig. 1 gezeigte herkömmliche Laser. Der Halbleiterlaser nach
Fig. 5 ist in der Lage, eine vorherrschendere Rotverschiebung
zu erreichen, da der Temperaturanstieg in starkem Maß von dem
erhöhten Strom abhängt, der dem Mittelabschnitt 11 zugeführt
wird. Genauer gesagt, der Serienwiderstand aus der Elektrode
14a, dem Draht 17a und dem Elektrodenfleck 18a beträgt etwa
18 Ω mehr als der Serienwiderstand der Endabschnitte 12 und
13. Die aufgrund des hohen Serienwiderstands erzeugte Wärme
wird über einen Kanal in der Nähe der aktiven Schicht 2 in
die Wärmesenke geleitet. Die Temperatur der aktiven Schicht 2
steigt weit höher an als bei dem in Fig. 1 gezeigten herkömm
lichen wellenlängenabstimmbaren Laser. Dies ist der Grund da
für, daß man eine starke Rotverschiebung in dem Halbleiterla
ser nach Fig. 5 erzielt.
Der Effekt der selektiven Sättigung
(hole burning effect) trägt ebenfalls zur Rotverschiebung bei,
wie es bei dem in Fig. 1 gezeigten herkömmlichen wellenlän
genabstimmbaren Laser der Fall ist. Die erforderliche Tempe
raturänderung ist deshalb geringer als bei einem reinen tem
peraturgesteuerten wellenlängenabstimmbaren Laser, während
die Zuverlässigkeit höher ist als bei letzterem. Da die se
lektive Sättigung unterdrückt ist, nimmt die Gesamtträger
dichte ab, obschon die Trägerdichte des Mittelabschnitts zu
nimmt, und der Trägereffekt trägt nicht zu der Blauver
schiebung, sondern zu der Rotverschiebung bei.
Um die Wellenlänge zu ändern, während die Ausgangsleistung
konstant gehalten wird, muß man die in die Endabschnitte 12
und 13 gelangenden Ströme reduzieren, indem man den in den
Mittelabschnitt 11 injizierten Strom erhöht. Die aus der Ab
nahme der Trägerdichten in den Abschnitten 12 und 13 resul
tierende Rotverschiebung dient zur Unterdrückung der selekti
ven Sättigung. Die aus dem Wärmeeffekt in den Abschnitten 12
und 13 resultierende Blauverschiebung ist möglicherweise pro
blematisch. Der Einfluß der Blauverschiebung wird aber erfin
dungsgemäß aus folgendem Grund unterdrückt.
Da der Endabschnitt 12 sich in der Nähe der lichtemittieren
den Fläche befindet, beeinflußt der in den Abschnitt 12 inji
zierte Strom die Lichtabgabe stärker als der in den Mittelab
schnitt 12 injizierte Strom. Damit brauchen die in die Endab
schnitte 12 und 13 gelangenden Ströme nicht so stark redu
ziert werden wie der in den Mittelabschnitt 11 gelangende
Strom erhöht wird, wenn die Ausgangsleistung unverändert ge
halten werden soll. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel er
höht die vom Mittelabschnitt 11 kommende Wärme beide Endab
schnitte 12 und 13 beträchtlich, was unvermeidlich die Licht
abgabe verringert. Um diese verringerte Lichtabgabe zu kom
pensieren, gibt es in den Abschnitten 12 und 13 etwas größere
Ströme. Die Reduzierung des Stroms in den Abschnitten 12 und
13 ist, falls notwendig, sehr geringfügig. Da die Verringe
rung der Ströme in den Endabschnitten 12 und 13 klein ist und
die Wärme von dem Mittelabschnitt 11 in die Abschnitte 12 und
13 übertragen wird, erfolgt praktisch kein Temperaturabfall
in den Endabschnitten 12 und 13. Dies ist der Grund, warum
die durch den Wärmeeffekt verursachte Blauverschiebung unter
drückt wird.
Deshalb läßt sich der oben beschriebene Laser innerhalb eines
breiten Wellenlängenbereichs abstimmen, während der Laser im
DFB-Einzelmodenbetrieb schwingt, d. h. während das Ausgangs
licht auf einem konstanten Wert gehalten wird. Da außerdem
die aktive Schicht 2 des Lasers einen verspannten Quanten
schicht-Aufbau mit einer hohen differentiellen Verstärkung auf
weist, ist der Laser vorteilhaft gegenüber dem herkömmlichen
wellenlängenabstimmbaren Laser hinsichtlich der Schwellen-
Schwingungswellenlänge, der maximalen Ausgangsleistung, der
spektralen Schwingungs-Linienbreite u. dgl.
Bei dem drei Elektroden aufweisenden wellenlängenabstimmbaren
DFB-Halbleiterlaser nach der ersten Ausführungsform, bei der
beide Facetten mit einer Beschichtung niedrigen Reflexions
vermögens ausgestattet sind, beeinflußt die Elektrode des
Mittelabschnitts, die ein starkes elektrisches Feld aufweist,
die Wellenlänge des Ausgangslichts stärker als die Elektroden
der Endabschnitte, und die Elektroden der Endabschnitte, die
eng benachbart zu der lichtemittierenden Fläche angeordnet
sind, beeinflussen die Stärke des Ausgangslichts stärker als die
Elektrode im Mittelabschnitt. Erfindungsgemäß hat der Mittel
abschnitt, der die Wellenlänge des Ausgangslichts beeinflußt,
hauptsächlichen Einfluß auf den Wärmeeffekt und wird deshalb
als erster Abschnitt verwendet. Aber selbst wenn der Mittel
abschnitt als zweiter Abschnitt eingesetzt wird, erreicht man
die gleichen Vorteile wie bei der ersten Ausführungsform
(Fig. 5). Auch erzielt man den gleichen Vorteil, wenn der La
ser so modifiziert wird, daß er einen Phasensteuerabschnitt
aufweist, eine asymmetrische Struktur besitzt, Abschnitte be
sitzt, die sich im Aufbau von der aktiven Schicht und dem
Beugungsmuster unterscheiden, mehrere verteilte Phasenver
schiebungszonen besitzt, auf jeder Seite ein Fenster und
keine aktive Schicht besitzt, und eine lichtemittierende, ge
neigte Fläche besitzt, die nicht senkrecht zu dem Streifen
der aktiven Schicht verläuft.
Ein abstimmbarer DFB-Halbleiterlaser nach einer zweiten Aus
führungsform der Erfindung soll im folgenden unter Bezugnahme
auf die Fig. 9, 10A und 10B sowie Fig. 11A und 11B beschrie
ben werden. Fig. 9 ist eine Schnittansicht entlang des Strei
fens der aktiven Schicht des Lasers. Fig. 10A ist eine
Schnittansicht entlang einer Linie senkrecht zur aktiven
Schicht des ersten Abschnitts 111 des Lasers nach Fig. 9.
Fig. 10B ist eine Schnittansicht entlang einer Linie senk
recht zu der aktiven Schicht des Seitenabschnitts 112 des in
Fig. 9 gezeigten Lasers. Fig. 11A und 11B sind graphische
Darstellungen der Beziehung zwischen der differentiellen Ver
stärkung und der Trägerdichte sowie der Beziehung zwischen
der differentiellen Verstärkung und der Trägerdichte sowie
der Beziehung zwischen der differentiellen Verstärkung und
der Stromdichte, jeweils betrachtet bei dem Laser nach Fig.
9.
Es handelt sich hier um einen zwei Elektroden aufweisenden,
wellenlängenabstimmbaren DFB-Laser mit einem selbst ausge
richteten, eingeschnürten Mesa-Aufbau (SACM-Aufbau). Der La
ser enthält ein n-leitendes InP-Substrat 1, eine aktive Quan
tenschicht 2, die auf dem Substrat 1 ausgebildet ist,
eine auf der aktiven Schicht 2 ausgebildete, p-leitende InP-
Mantelschicht 3 und zwei p-leitende, ohmsche Kontakte bil
dende InGaAs-Schichten 4 auf der Mantelschicht 3. Die aktive
Schicht 2, die Mantelschicht 3 und die Kontaktschichten 4
sind mit Hilfe des organischen Metall-CVD-Verfahrens gebil
det. Der Laser enthält außerdem ein auf der aktiven Schicht 2
ausgebildetes Beugungsgitter 25 und eine auf demjenigen Ab
schnitt der aktiven Schicht 2, der in dem ersten Abschnitt
111 ausgebildet ist, geformte Zinkdiffusionsschicht 102. Die
ohmschen Kontaktschichten 4 sind voneinander beabstandet und
bilden zwischen sich eine Nut 10. Die zwei ohmschen Kontakt
schichten 4 sind Komponenten der Abschnitte 111 bzw. 112.
Derjenige Abschnitt der Mantelschicht 3, auf dem keine ohm
sche Kontaktschicht gebildet ist, ist mit einer SiO2-Schicht
16 bedeckt.
Wie in Fig. 10A und 10B gezeigt ist, sind beide Abschnitte
111 und 112 ähnlich wie ein schmaler Mesa geformt. Der Ab
schnitt 111 besitzt eine ohmsche Elektrode 14a und einen
Bonddraht (Luftbrücken-Draht) 18a, der mit einem (nicht gezeigten) Bond
flecken verbunden ist. In ähnlicher Weise besitzt der zweite
Abschnitt 112 eine ohmsche Elektrode 14b und einen Bond
draht 18b, der an den anderen (nicht gezeigten) Bondflec
ken angeschlossen ist. Eine gemeinsame n-leitende ohmsche
Elektrode 19 ist auf der Unterseite des Substrats 1 ausgebil
det. Der erste Abschnitt 111 ist etwa 600 µm lang, der zweite
Abschnitt 112 ist etwa 300 µm lang. Diejenige Facette des La
sers, die ein Ende des ersten Abschnittes 111 besitzt, ist
mit einer hochreflektierenden Beschichtung 120 beschichtet,
während die entgegengesetzte Facette des Lasers, die ein Ende
des zweiten Abschnitts 112 bildet, mit einer Beschichtung 20
geringen Reflexionsvermögens beschichtet ist. Obschon nicht
gezeigt, wird der Laserchip zusammen mit anderen optischen
Bauelementen, Stromversorgungsleitungen und einer Temperatur
steuereinrichtung in ein Lasermodul eingebaut.
Da die aktive Schicht des ersten Abschnitts 111 mit Zink do
tiert ist, bei dem es sich um ein p-Leitung hervorrufendes
Dotiermittel handelt, hat der erste Abschnitt 111 eine
größere differentielle Verstärkung als der zweite Abschnitt
112 hinsichtlich der Ladungsträgerdichte. Allerdings beträgt
die Lebensdauer τn der Ladungsträger des ersten Abschnitts
111 lediglich 0,3 ns, während die Lebensdauer τn der Ladungs
träger in dem zweiten Abschnitt 112 2 ns beträgt, was unver
meidlich darauf zurückzuführen ist, daß der erste Abschnitt
111 mit Zink dotiert ist. Wie aus der obigen Gleichung (1)
hervorgeht, muß die Stromdichte im ersten Abschnitt 111 um
ein Vielfaches mehr geändert werden als im zweiten Abschnitt
112, um dadurch die Ladungsträgerdichte im ersten Abschnitt
111 so stark wie im zweiten Abschnitt 112 zu ändern.
Da das Zink auch in die vergrabenen, homogenen Übergänge in
beiden Seiten der aktiven Schicht 2 eindotiert ist, ist in
diesen Übergängen die Rekombinations-Lebensdauer der Ladungs
träger kürzer als im übrigen Teil der aktiven Schicht 2. Das
Verhältnis des Leckstroms ist deshalb im ersten Abschnitt 111
höher als im zweiten Abschnitt 112. Wie aus Fig. 11B ersicht
lich ist, ist die differentielle Verstärkung im ersten Ab
schnitt 111 hinsichtlich der Stromdichte kleiner als im zwei
ten Abschnitt 112. Im Ergebnis ist der unwirksame Stromfluß
im ersten Abschnitt 111 größer als der unwirksame Stromfluß
im zweiten Abschnitt 112. Anders ausgedrückt, der größere An
teil des Stroms, der in dem ersten Abschnitt 111 verbraucht
wird, wird in Wärme umgesetzt.
Im folgenden wird der Betrieb der zweiten Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Halbleiterlasers unter Bezugnahme auf die
Fig. 11A und 11B erläutert. Zunächst handelt es sich bei den
Arbeitspunkten der Abschnitte 111 und 112 um die in Fig. 11A
dargestellten Punkte A1 und A2. Wenn nun der Strom im ersten
Abschnitt 111 zu dem Wert B1 hin verstärkt wird, während der
Strom im zweiten Abschnitt 112 auf den Wert B2 verringert
wird, ändert sich die Schwingungswellenlänge des Lasers, wäh
rend die Leistung des aus dem Ende des zweiten Abschnitts 112
emittierten Lichts kaum geändert wird. Im ersten Abschnitt
111 ist die Zunahme der Trägerdichte gering, und die Zunahme
der Stromdichte ist beträchtlich. Die durch den Wärmeeffekt
bedingte Rotverschiebung ist daher wesentlich größer als die
durch den Trägereffekt bewirkte Blauverschiebung. In dem
zweiten Abschnitt 112 ist die Abnahme der Stromdichte gering,
und deshalb ist der Temperaturabfall, falls überhaupt vorhan
den, gering. Die durch den Wärmeeffekt bedingte Blauverschie
bung ist mithin vernachlässigbar. Allerdings herrscht die
Rotverschiebung im zweiten Abschnitt 112 wegen des Trägeref
fekts vor, da die differentielle Verstärkung hinsichtlich der
Trägerdichte klein ist und damit der Linienbreiten-Vergröße
rungsfaktor α groß ist.
Im Ergebnis läßt sich mit dem Laser eine größere Rotverschie
bung als bei dem herkömmlichen Mehrelektroden-DFB-Laser er
reichen. Während die Rotverschiebung vonstatten geht, arbei
tet der Laser nach der zweiten Ausführungsform der Erfindung
weiter im Einzelmoden-DFB-Betrieb. Selbst wenn die spektrale
Linienbreite sich geringfügig durch die leckstrombedingte La
dungsträgerschwankung erhöht, kann der Laser eine schmale Li
nienbreite aufrechterhalten, die schmaler ist als bei einem
DBR-Laser mit passiver Wellenleiterschicht. Wegen der effek
tiven Nutzung sowohl des Wärmeeffekts als auch des Trägeref
fekts kann der Laser mehr Leistung mit höherer Zuverlässig
keit abgeben als ein Laser des Typs, bei dem lediglich der
Wärmeeffekt zur Wellenlängenabstimmung beiträgt.
Bei der zweiten Ausführungsform beeinflußt die in der Nähe
der Facette mit der hochreflektierenden Beschichtung gelegene
Elektrode die Wellenlänge des Ausgangslichts stärker als die
Elektrode, die in der Nähe der lichtabgebenden Facette mit
der Beschichtung 20 geringen Reflexionsvermögens gelegen ist,
und die in der Nähe der lichtabgebenden Fläche gelegene Elek
trode beeinflußt die Stärke des Ausgangslichts stärker als
die Elektrode in der Nähe der mit dem hochreflektierenden
Überzug versehenen Facette. Folglich wird die APC-Rückkopp
lung an die Elektrode 14b gelegt, wohingegen die AFC-Rück
kopplung an die Elektrode 14a gelegt wird. Den gleichen Vor
teil erhält man, wenn der Laser nach der zweiten Ausführungs
form in verschiedener Weise modifiziert wird, wie es oben für
die erste Ausführungsform angegeben wurde.
Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Fig. 12 und 13A
und 13B eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Halbleiterlasers beschrieben. Fig. 12 ist eine Schnittansicht
eines Halbleiterlasers gemäß einer dritten Ausführungsform
der Erfindung, betrachtet entlang der Länge des Laser-Resona
tors. Fig. 13A und 13B sind schematische Darstellungen der
Bandstruktur in der Nähe der aktiven Schicht des Lasers.
Es handelt sich hier um einen zwei Elektroden aufweisenden,
wellenlängenabstimmbaren DFB-Laser, der einen selbstausge
richteten, eingeschnürten Mesa-Aufbau (SACM-Aufbau) aufweist.
Der Laser enthält ein n-leitendes InP-Substrat 1, eine auf
dem Substrat 1 ausgebildete Wellenleiterschicht 200, eine auf
der Schicht 200 ausgebildete, undotierte InP-Ätzstopp
schicht 201, eine auf der Schicht 201 ausgebildete aktive
Quantenschicht 2, eine weitere auf der Schicht 201 aus
gebildete aktive Quantenschicht 202, eine auf den aktiven
Schichten 2 und 202 ausgebildete InP-Mantelschicht 3 und zwei
p-leitende, ohmsche Kontakte bildende InGaAsP-Schichten 4,
die auf der Mantelschicht 3 ausgebildet sind. Die Lichtlei
terschicht 200, die Ätzstoppschicht 201, die aktiven
Schichten 2 und 202, die Mantelschichten 3 und die ohmschen
Kontaktschichten 4 sind nach dem organischen Metall-CVD-Ver
fahren gebildet. Die Wellenleiterschicht 200 besteht aus un
dotiertem InGaAsP aus einer Zusammensetzung, die eine Band
lücke von 1,1 µm besitzt. Die Ätzstoppschicht 201 hat eine
Dicke von 10 nm. Die Mantelschicht 3 ist aus p-leitendem InP
gebildet.
Der Laser enthält weiterhin ein an der Grenzstelle zwischen
dem Substrat 1 und der Wellenleiterschicht 200 ausgebildetes
Beugungsgitter 25. Die Wellenleiterschicht 200 besitzt eine
Dicke von 100 nm und hat eine im wesentlichen flache Ober
seite. Wie in Fig. 13A gezeigt ist, besitzt die aktive Quan
tenschicht 2 des ersten Abschnitts 211 eine Barrieren
schicht 221 aus InGaAsP aus einer Zusammensetzung mit einer
Bandlücke von 1,3 µm. Wie in Fig. 13B dargestellt ist, be
sitzt die aktive Quantenschicht 202 des zweiten Ab
schnitts 212 eine Barrierenschicht 222, die aus InGaAsP einer
Zusammensetzung mit einer Bandlücke von 1,1 µm gebildet ist.
Jede Quantenschicht 220 besteht aus In0,53Ga0,47As, ist 8
nm dick und besitzt 10 Quantenlöcher. Barrierenschichten 221a
und 222a, beide sandwichartig zwischen der Ätzstoppschicht
201 und der untersten Lochschicht ausgebildet, besitzen eine
Dicke von 30 nm. Barrierenschichten 221b und 222b, beide
sandwichartig zwischen der obersten Lochschicht und der p
leitenden Mantelschicht 3 ausgebildet, besitzen eine Dicke
von 70 nm. Barrierenschichten 221c und 222c, beide sandwich
artig zwischen den Lochschichten 220 eingefaßt, besitzen eine
Dicke von 12 nm.
Der Laser mit dem oben angegebenen Aufbau läßt sich dadurch
herstellen, daß man die Wellenleiterschicht 200, die Kanal
stoppschicht 201 und die aktiven Schichten 2 oder 220 bil
det, dann die überflüssigen Bereiche der aktiven Schicht 2
oder 202 und auch die nicht benötigten Abschnitte der Ätz
stoppschicht 201 entfernt und schließlich durch Wachstum
die restlichen Abschnitte der aktiven Schicht 202 oder 2 bil
det. Außerdem können den aktiven Schichten 2 und 202 unter
schiedliche Ladungsträger-Lebensdauern verliehen werden, in
dem das Material dotiert wird oder die Wachstumsbedingungen
gesteuert werden.
Die beiden ohmschen Kontaktschichten 4 sind voneinander beab
standet und bilden zwischen sich eine Nut 10. Auf den ohm
schen Kontaktschichten 4 sind p-leitende ohmsche Elektroden
14a bzw. 14b ausgebildet. Derjenige Oberseitenabschnitt der
Mesa-Struktur, auf dem keine ohmsche Kontaktschicht ausgebil
det ist, ist mit einer SiO2-Schicht 16 bedeckt. Drähte 18a
und 18b sind an einem Ende der ohmschen Elektroden 14a bzw.
14b angebracht und stehen mit ihrem anderen Ende mit nicht
gezeigten Bondflecken in Verbindung. Eine gemeinsame n-lei
tende ohmsche Elektrode 19 ist auf der Unterseite des Sub
strats 1 gebildet. Der erste Abschnitt 211 ist etwa 400 µm
lang, der zweite Abschnitt 212 ist etwa 200 µm lang. Dieje
nige Facette des Lasers, die am Ende des ersten Abschnitts
211 liegt, ist mit einer hochreflektierenden Beschichtung 120
versehen, während die gegenüberliegende Facette des Lasers,
die ein Ende des zweiten Abschnitts 212 bildet, mit einer Be
schichtung 20 geringen Reflexionsvermögens beschichtet ist.
Obschon nicht dargestellt, wird der Laserchip wie beim zwei
ten Ausführungsbeispiel zusammen mit optischen Bauelementen,
Stromversorgungsleitungen und Temperatursteuermitteln in ein
Lasermodul eingebaut. Eine APC-Rückkopplung wird an die Elek
trode 14b und eine AFC-Rückkopplung an die Elektrode 14a ange
schlossen.
Im folgenden wird die Arbeitsweise der dritten Ausführungs
form des erfindungsgemäßen Halbleiterlasers erläutert.
Insbesondere wird beschrieben, wie die Rotverschiebung
der Wellenlänge erfolgt, wenn die Ströme in den Abschnitten
211 und 212 erhöht bzw. verringert werden, während die Aus
gangsleistung an der lichtemittierenden Fläche, die mit einem
Überzug 20 geringen Reflexionsvermögens versehen ist, auf ei
nem konstanten Wert gehalten wird.
Das Leitungsband zwischen der Lochschicht 220 und der Barrie
renschicht 221 der aktiven Schicht 2 besitzt eine Band-Dis
kontinuität ΔEc von etwa 61 meV. Der Quantenpegel in der
Lochschicht 220 ist um 35 meV höher als die Bandkante. Damit
besitzt jedes Loch des ersten Abschnitts 211 lediglich eine
Quantenpegel-Tiefe von etwa 26 meV. Die Hälfte oder mehr von
sämtlichen zugeführten Elektronen überfließt die zweidimen
sionale Elektronendichte der Löcher bei einem hohen Stromin
jektionspegel.
Andererseits besitzt das Leitungsband zwischen der Loch
schicht 220 und der Barrierenschicht 222 der aktiven Schicht
202 eine Band-Diskontinuität ΔEc von etwa 113 meV. Der Quan
tenpegel in der Lochschicht 220 hat von der Bandkante einen
Abstand von 45 meV. Jedes in dem zweiten Abschnitt 212 gebil
dete Loch besitzt eine Quantenpegeltiefe von etwa 68 meV. Das
Verhältnis der die zweidimensionale Elektronendichte des
Lochs überströmenden Elektronen ist bei einem hohen Stromin
jektionspegel niedrig.
Der erste Abschnitt 211, in dem jedes Quantenloch hinsicht
lich des Quantenpegels flach ist, besitzt eine längere Spit
zenverstärkungswellenlänge als der zweite Abschnitt 212, in
welchem jedes Quantenloch hinsichtlich des Quantenpegels tief
ist. Folglich wird die Schwingungswellenlänge bezüglich der
Spitzenverstärkungswellenlänge in dem ersten Abschnitt 211
auf eine kürzere Wellenlänge eingestellt als im zweiten Ab
schnitt 212. Die differentielle Verstärkung bezüglich der La
dungsträgerdichte hat hinsichtlich der Spitzenverstärkung bei
kürzerer Wellenlänge die Neigung, größer zu sein. Deshalb ist
es möglich, für den ersten Abschnitt 212 eine größere diffe
rentielle Verstärkung einzustellen als für den zweiten Ab
schnitt 212, bezogen auf die Ladungsträgerdichte. Alternativ
kann eine größere differentielle Verstärkung bezüglich der
Stromdichte für den zweiten Abschnitt 212 eingestellt werden,
da das Verhältnis des unwirksamen Stroms im zweiten Abschnitt
212 niedriger ist als im ersten Abschnitt 211. Weiterhin ist
es wie beim zweiten Ausführungsbeispiel möglich, die diffe
rentielle Verstärkung hinsichtlich der Ladungsträgerdichte
noch weiter zu erhöhen, um die differentielle Verstärkung
hinsichtlich der Stromdichte noch weiter zu verringern, indem
man die aktive Schicht im zweiten Abschnitt 2 dotiert. Als
Ergebnis hat die differentielle Verstärkung eine solche Be
ziehung bezüglich der Ladungsträgerdichte und der Strom
dichte, wie sie in Fig. 11A und 11B dargestellt ist.
Der durch die Rekombination der überlaufenden Elektronen be
dingte unwirksame Strom ist daher im ersten Abschnitt 211
größer als im zweiten Abschnitt 212. Die Verstärkungsände
rung, verursacht durch den injizierten Strom, ist im ersten
Abschnitt 211 weniger ausgeprägt als im zweiten Abschnitt
212, und die Temperatur steigt im ersten Abschnitt 211 stär
ker an als im zweiten Abschnitt 212. Somit vergrößert der im
ersten Abschnitt 211 erreichte Wärmeeffekt die Rotverschie
bung wie beim zweiten Ausführungsbeispiel. Der Temperaturab
fall im zweiten Abschnitt 212, falls überhaupt vorhanden, ist
so gering, daß die durch die Ladungsträgerverringerung be
wirkte Rotverschiebung vorherrschend ist. In anderen Worten,
der Laser nach der dritten Ausführungsform der Erfindung er
zielt eine vorherrschende Rotverschiebung.
Bei der dritten Ausführungsform ist es nicht absolut notwen
dig, daß die beiden Abschnitte 211 und 212 hinsichtlich der
Verstärkungs-Ladungsträgerdichten-Beziehung und der Verstär
kungs-Stromdichten-Beziehung gegenläufig sind, wie dies in
Fig. 11A und 11B gezeigt ist. Der oben beschriebene Vorteil
kann auch dadurch erhalten werden, daß man die Abschnitte 211
und 212 hinsichtlich des Beitrags des Wärmeeffekts und des
Beitrags des Ladungsträgereffekts ungleich macht. Be
sonders wirksam ist es, wenn die in Fig. 11A dargestellte Be
ziehung Verstärkung/Ladungsträgerdichte und die in Fig. 11B
dargestellte Beziehung Verstärkung/ Stromdichte in dem ersten
Abschnitt 211 und dem zweiten Abschnitt 212 gelten.
Das dritte Ausführungsbeispiel läßt sich auf
verschiedene Weise modifizieren, so wie das erste Aus
führungsbeispiel in der oben erläuterten Weise modifiziert
wurde.
Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Fig. 14, 15 und 16
ein Mehrelektroden-DFB-Halbleiterlaser gemäß einer vierten
Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Fig. 14 ist eine
Draufsicht auf den allgemeinen Aufbau dieses Lasers. Fig. 15
ist eine Schnittansicht entlang des Streifens der aktiven
Schicht des Lasers. Fig. 16 ist eine Schnittansicht entlang
einer Linie senkrecht zu dem Streifen der aktiven Schicht.
Der Laser enthält ein n-leitendes InP-Substrat 301, ein auf
dem Substrat 301 gebildetes Beugungsgitter 302, eine auf dem
Gitter 302 gebildete aktive Schicht (einschließlich der Wel
lenleiterschicht), eine halbisolierende, p-leitende InP-
Schicht 304, die unter Einbettung der Seiten der mesaförmigen
aktiven Schicht 303 gebildet ist, eine auf der aktiven
Schicht 303 und der halbisolierenden Schicht 304 ausgebil
dete, p-leitende InP-Mantelschicht 305, und eine auf der Man
telschicht 305 ausgebildete, p-leitende Kontaktschicht 306
aus InGaAs. Die Schichten 303, 304, 305 und 306 sind durch
das organische Metall-CVD-Verfahren gebildet. Die Kontakt
schicht 306 ist durch eine SiO2-Schicht 307 in mehrere Teile
bei den jeweiligen Elektroden unterteilt. Zwei Kontaktschich
ten 306 sind entlang des Streifens der aktiven Schicht 303
gebildet, d. h. in Längsrichtung des Laser-Resonators.
Der Mehrelektroden-DFB-Halbleiterlaser setzt sich aus drei
Abschnitten entlang des Resonators zusammen. Jeder Abschnitt
ist 300 µm lang. Der Laser enthält außerdem eine Phasenver
schiebungszone 311, die im Mittelabschnitt des Beugungsgit
ters 302 ausgebildet ist. Die Phasenverschiebungszone 311
entspricht einer viertel Wellenlänge. Beide Facetten des La
sers, durch Spalten gebildet, sind mit einer SiNx-Schicht 312
überzogen, die ein Reflexionsvermögen von nur 1% oder darun
ter besitzt. In Fig. 14 bedeuten die gestrichelten Linien die
Stelle, an der der Streifen der aktiven Schicht 303 gelegen
ist.
Wie in Fig. 17 im einzelnen dargestellt ist, wird die aktive
Schicht 303 mit einer Quantenschicht-Struktur ausgebildet, wobei
eine untere InGaAsP-Lichtleitschicht 333 an der Unterseite
der Quantenschicht-Struktur und eine obere InGaAsP-Lichtleit
schicht 334 an der Oberseite der Quantenschicht-Struktur gebil
det ist. Die Quantenschicht-Struktur besteht aus InGaAsP-Loch-
Schichten 331 und InGaAsP-Barrierenschichten 332, die einan
der abwechseln. Die Lochschichten 331 haben eine Dicke von 6
nm, die Barrierenschichten 332 eine Dicke von 10 nm. Die un
tere Lichtleitschicht 333 besitzt eine Dicke von 70 nm, und
die obere Lichtleitschicht 334 hat eine Dicke von 30 nm.
Bei der vierten Ausführungsform sind auf den unterteilten Zo
nen aufgeteilte, p-leitende ohmsche Elektroden 308 aus
Au/Zn/Au ausgebildet. Jede ohmsche Elektrode 308 umfaßt eine
erste und eine zweite Elektrode 308a und 308b, die parallel
zur Richtung des Resonators gebildet sind. Verdrahtungs/Bond-
Flecken 309a aus Cr/Au stehen in Kontakt mit der Elektrode
308a, und Verdrahtungs/Bond-Flecken 309b aus Cr/Au stehen in
Kontakt mit den Elektroden 308b.
Die ersten Elektroden 308a befinden sich gerade oberhalb der
aktiven Schicht 303, und die zweiten Elektroden 308b sind von
den ersten Elektroden 308a beabstandet. Die Elektroden 308a
und 308b sind in einer Ebene senkrecht zur Länge des Resona
tors angeordnet, wie aus Fig. 16 hervorgeht, bei der es sich
um eine Schnittansicht entlang einer Linie senkrecht zu den
Streifen der Schicht 303 handelt. Auf der Unterseite des Sub
strats 301 ist eine n-leitende Elektrode 310 als ohmsche Kon
taktelektrode gebildet.
Der Laserchip wird auf einer Wärmesenke (d. h. Masseelektrode)
mit Hilfe eines AuSn-Lots montiert. Die als Masseelektrode
fungierende Wärmesenke wird mit Hilfe eines Temperatursensors
und eines Peltier-Elements auf einer vorbestimmten Temperatur
gehalten. Die Bondstellen 309a und 309b werden durch Bonden
mit auf einem Keramiksubstrat ausgebildeten Stromversorgungs
leitungen verbunden. Die in die Abschnitte des Lasers zu in
jizierenden Ströme lassen sich deshalb unabhängig voneinander
steuern.
Der Kontaktwiderstand jeder ersten Elektrode 308a und derje
nige jeder zweiten Elektrode 308b beträgt 10 Ω, so daß die
durch die Kontaktwiderstände an der Elektroden 308a und 308b
erzeugte Wärme ein großer Teil der gesamten Wärme ist, die
erzeugt wird, wenn Ströme in die Abschnitte des Lasers inji
ziert werden. Jede erste Elektrode 308a ist von der aktiven
Schicht 303 um eine Strecke beabstandet, die kürzer ist als
der Abstand zwischen jeder zweiten Elektrode 308b und der ak
tiven Schicht 303. Folglich trägt die Elektrode 308a in
größerem Maß als die Elektrode 308b dazu bei, die Temperatur
der aktiven Schicht 303 zu ändern, wenn der in den Abschnitt
injizierte Strom variiert wird.
Genauer gesagt, bestimmt sich die Anzahl von in die aktive Schicht 303 in
jizierten Ladungsträgern durch die Summe der
Ströme, die von den Elektroden 308a und 308b in den einen Ab
schnitt injiziert werden, während die Temperatur der aktiven
Schicht 303 nicht nur von der Summe der genannten Ströme ab
hängt, sondern auch vom Verhältnis eines dieser Ströme zu dem
anderen Strom. Hieraus folgt, daß in jedem Abschnitt des La
sers die Summe der von den Elektroden 308a und 308b kommenden
Ströme geändert und dadurch die Verteilung der Ladungsträger
dichte über die Länge des Resonators geändert wird, und
außerdem das Verhältnis der von den Elektroden 308a und 308b
gelieferten Ströme geändert wird, wodurch die Temperaturver
teilung entlang der Resonatorlänge gesteuert wird. Dies er
möglicht die Steuerung der Verteilung des Brechungsindex un
abhängig von der Verteilung der Ladungsträgerdichte innerhalb
des Resonators. Im Ergebnis kann der Laser in einem stabilen
Schwingungszustand bei jeder gewünschten Ladungsträgerdich
ten-Verteilung bleiben.
Im folgenden wird die Arbeitsweise der vierten Ausführungs
form unter Bezugnahme auf Fig. 18A bis 18D erläutert. Fig.
18A bis 18D veranschaulichen die Stromverteilung, die Vertei
lung der Ladungsträgerdichte, die Temperaturverteilung und
die Verteilung des Brechungsindex, sämtlich beobachtet bei
dem Resonator des Lasers nach Fig. 14, wenn unterschiedliche
Ströme in die Laserabschnitte injiziert werden.
Wenn in den Mittelabschnitt ein größerer Strom injiziert wird
als in den Endabschnitt, wie es in Fig. 18A gezeigt ist,
steigt die Ladungsträgerdichte im Mittelabschnitt um ΔN stär
ker an als in den Endabschnitten, wie aus Fig. 18B ersicht
lich ist. Gleichzeitig steigt die Temperatur des Mittelab
schnitts um ΔT über diejenige des Endabschnitts an, wie aus
Fig. 18C ersichtlich ist. Der Brechungsindex jedes Abschnitts
erhöht sich im Verhältnis zur Temperatur und umgekehrt pro
portional zur Trägerdichte. Folglich kann der Brechungsindex
des Mittelabschnitts höher oder niedriger sein als an jedem
der Endabschnitte, abhängig davon, wie stark ΔN und ΔT den
Brechungsindex beeinflussen. Wieviel ΔN und ΔT zum Brechungs
index beitragen, hängt nicht nur von der Struktur des Bauele
ments, sondern auch von den Vorströmen ab, die in die Elek
troden 308a und 308b eingespeist werden.
Bei einem λ/4-Phasenschieber-DFB-Laser beispielsweise sollte
die Differenz Δn zwischen dem Brechungsindex des Mittelab
schnitts und demjenigen eines Endabschnitts unter einen ge
wissen Wert reduziert werden, damit die Schicht beim Schwin
gungstyp 0-ter Ordnung arbeiten kann. Bei dem herkömmlichen
drei Elektroden aufweisenden DFB-Laser jedoch ist es unmög
lich, die Verteilung der Ladungsträgerdichte und die Tempera
turverteilung unabhängig zu steuern. Es ist dann unvermeid
lich, daß eine solche Differenz im Brechungsindex Δn, die
nicht einen Modensprung aus der Mode 0-ter Ordnung veranlaßt,
nur innerhalb eines sehr schmalen Bereichs beim herkömmlichen
DFB-Laser mit drei Elektroden erhalten werden kann. Folglich
läßt sich der herkömmliche Laser nicht innerhalb eines brei
ten Wellenlängenbereichs abstimmen.
Bei der vierten Ausführungsform der Erfindung wird das Ver
hältnis zwischen den Strömen, die aus der ersten und der
zweiten Elektrode 308a und 308b injiziert werden, geändert,
und dadurch wird die Temperatur der aktiven Schicht 303 geän
dert, ohne dabei die Anzahl von in die aktive Schicht 303 in
jizierten Ladungsträgern zu ändern. Folglich lassen sich ΔN
und ΔT unabhängig voneinander steuern. Die Differenz im Bre
chungsindex Δn kann man so erhalten, daß sie in einen Bereich
fällt, bei dem kein Sprung aus der Mode 0-ter Ordnung er
folgt, abhängig weder von dem Temperaturverlauf noch von dem
Vorstrom des Bauelements.
Um den Brechungsindex im Mittelabschnitt zu erhöhen, reicht
es aus, den in den Mittelabschnitt von entweder der ersten
Elektrode 308a oder der zweiten Elektrode 308b injizierten
Strom zu erhöhen, um dadurch das Verhältnis zwischen diesen
Strömen größer zu machen. Um den Brechungsindex im Mittelab
schnitt zu verringern, reicht es aus, das Verhältnis zwischen
diesen Strömen zu verkleinern. In dem in den Fig. 18A bis 18D
dargestellten Fall wird der aus der ersten Elektrode 308a in
den Mittelabschnitt geleitete Strom erhöht, was das Verhält
nis dieses Stroms zu dem aus der zweiten Elektrode 308b inji
zierten Strom heraufsetzt und dadurch die Temperatur im Mit
telabschnitt anhebt, ohne die Ladungsträgerdichteverteilung
zu ändern, so daß schließlich der Brechungsindex gleichmäßig
im Mittelabschnitt verteilt ist. Der Laser nach der vierten
Ausführungsform läßt sich daher in einem stabilen Schwin
gungszustand halten und läßt sich ohne Modensprung in einem
breiten Wellenlängenbereich abstimmen. Da der Laser einen
stabilen Schwingungsbetrieb beibehält, läßt sich eine schmale
spektrale Linienbreite des Lasers erreichen, und man kann
eine Abstimmung in einem großen Wellenlängenbereich vorneh
men.
Die Anwendung der Erfindung ist nicht beschränkt auf den Be
trieb 0-ter Ordnung eines λ/4-Phasenschieber-DFB-Lasers.
Vielmehr ist die Erfindung auch einsetzbar bei dem Schwin
gungstyp positiver oder negativer erster Ordnung und läßt
sich bei einem Resonator verwenden, der keine Phasenverschie
bungszone besitzt. Um den λ/4-Phasenschieber-DFB-Laser entwe
der für die Mode erster Ordnung zu betreiben oder einen DFB-
Laser ohne Phasenschieberzone zu betreiben, reicht es aus,
das Verhältnis zwischen den aus den Elektroden 308a und 308b
in jeden Abschnitt injizierten Ströme auf einen solchen Wert
einzustellen, daß die Differenz im Brechungsindex Δn auf ei
nem solchen Wert bleibt, der den gewünschten Schwingungstyp
stabilisiert.
Im folgenden wird ein Mehrelektroden-DFB-Halbleiterlaser nach
einer fünften Ausführungsform der Erfindung anhand der Fig.
20 beschrieben. Fig. 20 ist eine Schnittansicht entlang einer
Linie senkrecht zu den Streifen der aktiven Schicht des Halb
leiterlasers. Dieser Laser ist identisch mit der vierten Aus
führungsform, mit der Ausnahme, daß zwei Elektroden 308a und
308b vorgesehen sind, die unterschiedliche Kontaktwiderstände
besitzen und dazu dienen, verschiedene Ströme in den Ab
schnitt zu injizieren, um so die Temperaturänderung in den
aktiven Schichten des Lasers zu steuern.
Die p-leitenden InGaAs-Kontaktschichten 306a und 306b besit
zen verschiedene Konzentrationen einer eine p-Leitung bewirkenden
Dotierung, und sie besitzen verschiedene Kontaktwiderstände,
d. h. 10 Ω und 5 Ω. Damit hat die auf der Kontaktschicht 306a
gebildete Elektrode 308a mehr Anteil an der Temperaturände
rung der aktiven Schicht als die Elektrode 308b, die auf der
Kontaktschicht 306b gebildet ist. Die Verteilung der Ladungs
trägerdichte und die Verteilung des Brechungsindex im Resona
tor des Lasers lassen sich unabhängig voneinander dadurch
steuern, daß lediglich die Summe der Ströme, die aus den
Elektroden 308b und 308b in jeden Abschnitt injiziert werden,
und das Verhältnis eines dieser Ströme zu dem anderen wie
beim vierten Ausführungsbeispiel geändert wird.
In jedem Abschnitt dieses Lasers sind die Elektroden 308a und
308b von der aktiven Schicht 303 um die gleiche Entfernung
beabstandet. Statt dessen kann die Elektrode 308a dichter an
der aktiven Schicht 303 gelegen sein als die Elektrode 308b
gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel, und die Temperatur
läßt sich stärker ändern, auch wenn das Verhältnis zwischen
den aus den Elektroden 308a und 308b injizierten Ströme un
verändert bleibt.
Im folgenden wird eine sechste Ausführungsform eines Mehr
elektroden-DFB-Halbleiterlasers unter Bezugnahme auf die Fig.
21 und 22 beschrieben. Fig. 21 ist eine Draufsicht auf den
allgemeinen Aufbau des Lasers, und Fig. 22 ist eine
Schnittansicht entlang einer Linie senkrecht zu den Streifen
der aktiven Schicht des Lasers. In Fig. 21 bezeichnen die ge
strichelten Linien die Lage der Streifen der aktiven Schicht.
Wie bei der vierten Ausführungsform ist unterhalb der aktiven
Schicht 303 ein Beugungsgitter 302 gebildet. Im Mittelab
schnitt des Beugungsgitters 302 ist eine Phasenverschiebungs
zone 311 ausgebildet. Die Zone 311 entspricht einer viertel
Wellenlänge. Beide, durch Spalten gebildete Spiegelflächen
des Lasers sind mit einer SiNx-Schicht 312 beschichtet, die
ein Reflexionsvermögen von nur 1% oder weniger besitzt.
Auf der aktiven Schicht 303 ist eine p⁺-leitende InP-Mantel
schicht 305a mit hoher Zn-Konzentration gebildet. Die aktive
Schicht 303 und die Mantelschicht 305a sind wie ein Mesa ge
ätzt und geformt. Eine halbisolierende, p-leitende InP-
Schicht 304 ist unter Einbettung der mesaförmigen aktiven
Schicht 303 und der mesaförmigen Mantelschicht 301 gebildet.
Auf der halbisolierenden, p-InGaAs-Schicht 304 ist eine p⁻-
leitende InP-Mantelschicht 305b mit geringer Zn-Konzentration
ausgebildet. Auf der InP-Mantelschicht 305b ist eine p-In-
GaAs-Kontaktschicht 306 gebildet, die durch einen SiO2-Iso
lierfilm 307 in mehrere Abschnitte bei den jeweiligen Elek
troden unterteilt ist.
Die p-leitende ohmsche Elektrode 308b ist direkt oberhalb der
aktiven Schicht 303 gelegen. Die p-leitenden ohmschen Elek
troden 308a sind auf beiden Seiten der Elektrode 308b mit Ab
stand von dieser angeordnet. Die Mantelschicht 305a, die eine
hohe Zn-Konzentration besitzt, hat geringen Widerstand, wäh
rend die Mantelschicht 305b aufgrund der geringen Zn-Konzen
tration hohen Widerstand besitzt. Damit erzeugt jede Mantel
schicht 305b mehr Wärme als die Mantelschicht 305a. In ande
ren Worten: Die in beiden Mantelschichten 305b erzeugte Wärme
stellt einen größeren Anteil der Gesamtwärme dar, wenn die
Ströme in den Laser injiziert werden.
Der Widerstand zwischen der aktiven Schicht 303 und der je
weiligen Elektrode 308a ist größer als der Widerstand zwi
schen der aktiven Schicht 303 und der Elektrode 308b. Folg
lich trägt jede ohmsche Elektrode 308a mehr zu der Tempera
turänderung der aktiven Schicht 303 bei als die ohmsche Elek
trode 308b. Die Verteilung der Ladungsträgerdichte und die
Brechungsindex-Verteilung in dem Laser-Resonator lassen sich
unabhängig voneinander dadurch steuern, daß lediglich die
Summe der in jeden Abschnitt aus den Elektroden 308a und 308b
injizierten Ströme und das Verhältnis des aus der Elektrode
308a injizierten Stroms zu dem von der Elektrode 308b inji
zierten Strom geändert wird, wie es bei der oben beschriebe
nen vierten und fünften Ausführungsform der Fall ist.
Wie stark die Temperatur der aktiven Schicht 303 sich ändert,
wird durch die Wärme, die in der aktiven Schicht 303
erzeugt wird, außerdem durch die Wärme, die in den Kontaktab
schnitten zwischen den beiden Elektroden 308a und der Schicht 303
sowie zwischen der Elektrode 308b und der Schicht 303 er
zeugt wird, und ferner durch die Wärme bestimmt, die in solchen Abschnit
ten der Mantelschicht 305 erzeugt wird, die sandwichartig
zwischen der jeweiligen Elektrode 308a und der Schicht 303
sowie zwischen der Elektrode 308b und der Schicht 303 einge
schlossen sind. Bei der vierten Ausführungsform reduziert
sich die in der Mantelschicht 305 erzeugte Wärme auf ein Mi
nimum, und die gleiche Wärmemenge wird an dem Kontaktbereich
zwischen der Elektrode 308a und der Schicht 303 und dem Kon
taktbereich zwischen der Elektrode 308b und der Schicht 303
erzeugt, und die Elektroden 308a und 308b haben verschiedene
Abstände von der aktiven Schicht 303. Bei der fünften Ausfüh
rungsform reduziert sich die an der Mantelschicht 305 er
zeugte Wärme auf ein Minimum, die Elektroden 308a und 308b
befinden sich in der gleichen Entfernung von 02882 00070 552 001000280000000200012000285910277100040 0002004310578 00004 02763der aktiven
Schicht 303, und es werden unterschiedliche Wärmemengen an
dem Kontaktbereich zwischen der Elektrode 308a und der
Schicht 303 einerseits und dem Kontaktbereich zwischen der
Elektrode 308b und der Schicht 303 andererseits erzeugt. Bei
der sechsten Ausführungsform reduziert sich die an der Man
telschicht 305 erzeugte Wärme auf ein Minimum, und die Menge
der an der Mantelschicht 305b erzeugten Wärme wird erhöht, um
so die Temperaturänderung aufgrund des Verhältnisses des von
der jeweiligen Elektrode 308a injizierten Stroms zu dem von
der Elektrode 308b injizierten Stroms zu erhöhen.
Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen und in den
Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Jede
Ausführungsform besitzt einen InGaInAs-wellenlängenabstimmba
ren Laser. Nichtdestoweniger läßt sich die Erfindung anwenden
bei wellenlängenabstimmbaren Lasern aus verschiedenen anderen
Stoffen, wie InGaAlAs, AlGaInAs, AlGaInP, InGaAsSb, ZnCdSSe
u. dgl. Das im Rahmen der Erfindung verwendete Substrat muß
kein n-leitendes Substrat sein. Der sich in einer Ebene
senkrecht zur Länge des Resonators erstreckende Laser muß
nicht in eine Halbleiterschicht eingebettet sein. Außerdem
ist die aktive Schicht nicht auf eine aktive Quantenschicht
beschränkt. Darüber hinaus braucht das Beugungsgitter
sich nicht über den gesamten Resonator hinweg zu erstrecken.
Es kann auch lediglich an dessen Endabschnitten vorgesehen
sein.
Der eingebettete Laseraufbau ist nicht auf den BH-Typ oder
den oben erwähnten SACM-Typ beschränkt. Außerdem kann der er
findungsgemäße Laser so modifiziert werden, daß er in andere
Elemente integriert wird oder ein Feld zusammen mit anderen
Elementen bildet.
Wie im einzelnen erläutert wurde, ändert sich erfindungsgemäß
die Temperatur im ersten Abschnitt des DFB-Resonators stark
und in dessen zweitem Abschnitt gering, und zwar aufgrund der
Änderung der in diese Abschnitte injizierten Ströme. Die ge
genseitige Auslöschung des Trägereffekts und des Wärmeeffekts
wird deshalb unterdrückt, und deshalb kann der erfindungsge
mäße Laser kontinuierlich innerhalb eines breiten Wellenlän
genbereichs abgestimmt werden, verglichen mit dem herkömmli
chen DFB-Laser.
Der erfindungsgemäße Laser besitzt eine Einrichtung zum Steu
ern der Ladungsträgerdichte-Verteilung und der Temperaturver
teilung über die Länge des Resonators unabhängig voneinander.
Deshalb kann der Laser einen stabilen Schwingungszustand für
eine gegebene Ladungsträgerdichte-Verteilung beibehalten und
läßt sich in einem breiten Wellenlängenbereich abstimmen.
Claims (12)
1. Wellenlängenabstimmbarer Halbleiterlaser, umfassend
ein Halbleitersubstrat (1) mit einer ersten und einer zweiten Hauptfläche;
einen Resonator mit verteilter Rückkopplung durch ein Beugungsgitter (25), der eine aktive Schicht (2) und eine Mantelschicht (3) aufweist und auf der ersten Hauptfläche des Substrats (1) gebildet und streifenförmig ausgestaltet ist, wobei der Resonator unterteilt ist in einen ersten Abschnitt (11) und mindestens einen zweiten Abschnitt (12, 13), die entlang des Resonators ausgerichtet sind, und eine auuf dem ersten und dem mindestens einen zweiten Abschnitt (11, 12, 13) des Resonators ausgebildete erste und mindestens eine zweite Elektrode (14a, 14b, 14c) zum Steuern der Stromdichten in dem ersten und dem mindestens einen zweiten Abschnitt (11, 12, 13) unabhängig voneinander, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Temperatur in dem ersten Abschnitt (11) aufgrund von Änderungen der in den ersten und den mindestens einen zweiten Abschnitt (11, 12, 13) injizierten Ströme mehr ändert als in dem mindestens einen zweiten Abschnitt (12, 13), indem der erste und der mindestens eine zweite Abschnitt (11, 12, 13) derart ausgebildet sind, daß der Wärmewiderstand im ersten Abschnitt (11) größer ist als in dem mindestens einen zweiten Abschnitt (12, 13).
einen Resonator mit verteilter Rückkopplung durch ein Beugungsgitter (25), der eine aktive Schicht (2) und eine Mantelschicht (3) aufweist und auf der ersten Hauptfläche des Substrats (1) gebildet und streifenförmig ausgestaltet ist, wobei der Resonator unterteilt ist in einen ersten Abschnitt (11) und mindestens einen zweiten Abschnitt (12, 13), die entlang des Resonators ausgerichtet sind, und eine auuf dem ersten und dem mindestens einen zweiten Abschnitt (11, 12, 13) des Resonators ausgebildete erste und mindestens eine zweite Elektrode (14a, 14b, 14c) zum Steuern der Stromdichten in dem ersten und dem mindestens einen zweiten Abschnitt (11, 12, 13) unabhängig voneinander, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Temperatur in dem ersten Abschnitt (11) aufgrund von Änderungen der in den ersten und den mindestens einen zweiten Abschnitt (11, 12, 13) injizierten Ströme mehr ändert als in dem mindestens einen zweiten Abschnitt (12, 13), indem der erste und der mindestens eine zweite Abschnitt (11, 12, 13) derart ausgebildet sind, daß der Wärmewiderstand im ersten Abschnitt (11) größer ist als in dem mindestens einen zweiten Abschnitt (12, 13).
2. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der erste Abschnitt (11) in einer Ebene senkrecht zum Resonator einen mesaförmigen
Querschnitt aufweist und der mindestens eine zweite Abschnitt (12, 13) entlang der Ebene
einen mesaförmigen oder planaren Querschnitt aufweist, der größer ist als der Querschnitt
des ersten Abschnitts (11).
3. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der erste Abschnitt (11) einen Wärmewiderstand besitzt, der mindestens 30% größer ist
als derjenige des mindestens einen zweiten Abschnitts (12, 13).
4. Wellenlängenabstimmbarer Halbleiterlaser, umfassend ein Halbleitersubstrat
(1) mit einer ersten und einer zweiten Hauptfläche; einen Resonator mit verteilter Rückkopplung
durch ein Beugungsgitter (25), der eine aktive Schicht (2) und eine Mantelschicht
(3) aufweist und auf der ersten Hauptfläche des Substrats (1) gebildet und streifenförmig
ausgestaltet ist, wobei der Resonator unterteilt ist in einen ersten Abschnitt (11) und mindestens
einen zweiten Abschnitt (12, 13) die entlang des Resonators ausgerichtet sind, und
eine auf dem ersten und dem mindestens einen zweiten Abschnitt (11, 12, 13) des Resonators
ausgebildete erste und mindestens eine zweite Elektrode (14a, 14b, 14c) zum Steuern
der Stromdichten in dem ersten und dem mindestens einen zweiten Abschnitt (11, 12, 13)
unabhängig voneinander, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Temperatur in
dem ersten Abschnitt (11) aufgrund von Änderungen der in den ersten und den mindestens
einen zweiten Abschnitt (11, 12, 13) injizierte Ströme mehr ändert als in dem mindestens
einen zweiten Abschnitt (12, 13), wozu ein erster Strompfad zum Zuführen von Strom zu
der aktiven Schicht (2) in dem ersten Abschnitt (11) und ein zweiter Strompfad zum
Zuführen eines Stroms zu der aktiven Schicht (2) in dem mindestens einen zweiten
Abschnitt (12, 13) vorgesehen sind und der erste Strompfad einen elektrischen Serienwiderstand
besitzt, der größer ist als der elektrische Serienwiderstand des zweiten Strompfads.
5. Halbleiterlaser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
der erste Strompfad sich in der Dotierstoffkonzentration, in der Dicke, in der Breite oder
in der Zusammensetzung von dem zweiten Strompfad unterscheidet und deshalb einen
größeren elektrischen Widerstand aufweist als der zweite Strompfad.
6. Wellenlängenabstimmbarer Halbleiterlaser, umfassend ein Halbleitersubstrat
(1) mit einer ersten und zweiten Hauptfläche; einen Resonator mit verteilter Rück
kopplung durch ein Beugungsgitter (25), der eine aktive Schicht (2) und eine Mantelschicht
(3) aufweist und auf der ersten Hauptfläche des Substrats (1) gebildet und streifenförmig
ausgestaltet ist, wobei der Resonator unterteilt ist in einen ersten Abschnitt (111; 211) und
einen zweiten Abschnitt (112; 212), die entlang des Resonators ausgerichtet sind, und eine
auf dem ersten und dem zweiten Abschnitt (111, 112; 211, 212) des Resonators ausgebil
dete erste und zweite Elektrode (14a, 14b) zum Steuern der Stromdichten in dem ersten
und dem zweiten Abschnitt (111, 112; 211, 212) unabhängig voneinander, dadurch ge
kennzeichnet, daß sich die Temperatur in dem ersten Abschnitt (111; 211)
aufgrund von Änderungen der in den ersten und den zweiten Abschnitt (111, 112; 211,
212) injizierten Ströme mehr ändert als im zweiten Abschnitt (112; 212), wozu der erste
Abschnitt (111; 211) und der zweite Abschnitt (112; 212) derart ausgebildet sind, daß ein
unwirksamer Stromfluß in dem ersten Abschnitt (111; 211) größer ist als ein unwirksamer
Stromfluß in dem zweiten Abschnitt (112; 212).
7. Halbleiterlaser nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine ver
grabende Schicht, die eine Seite der aktiven Schicht (2) kontaktiert, wobei in dem ersten
Abschnitt (111) zwangsweise ein größerer Leckstrom fließt als im zweiten Abschnitt (112).
8. Halbleiterlaser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
sich die Ladungsträgerdichte aufgrund einer Änderung der Dichte eines durch die aktive
Schicht (2) fließenden Stroms in dem zweiten Abschnitt (112; 212) stärker ändert als im
ersten Abschnitt (111; 211).
9. Halbleiterlaser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
die Ladungsträger-Lebensdauer in der aktiven Schicht (2) des ersten Abschnitts (111)
kleiner ist als in der aktiven Schicht (2) des zweiten Abschnitts (112).
10. Halbleiterlaser nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß
die Ladungsträger-Lebensdauer in der aktiven Schicht (2) des ersten Abschnitts (111) ver
kürzt wird aufgrund einer in die aktive Schicht (2) des ersten Abschnitts (111) einge
brachten Störstoffdotierung.
11. Wellenlängenabstimmbarer Halbleiterlaser, umfassend
ein Halbleitersubstrat (301);
eine streifenförmige aktive Schicht (303);
ein sich entlang der streifenförmigen aktiven Schicht (303) erstreckendes Beugungsgitter (302); und
mehrere entlang der streifenförmigen aktiven Schicht (303) in einem ersten und mindestens einem zweiten Abschnitt angeordnete Elektroden (308), von denen mindestens eine eine erste und eine zweite Teilelektrode (308a, 308b) in gegenseitigem Abstand aufweist, wobei die erste und die zweite Teilelektrode (308a, 308b) senkrecht zur Richtung der streifenför migen aktiven Schicht (303) beabstandet sind und eine Änderung des pro Längeneinheit der streifenförmigen aktiven Schicht (303) in die erste Teilelektrode (308a) injizierten Stroms eine Temperaturänderung der aktiven Schicht (303) hervorruft, die sich von derjenigen unterscheidet, die durch eine Änderung des Stroms hervorgerufen wird, der in die zweite Teilelektrode (308b) pro Längeneinheit der aktiven Schicht (303) injiziert wird, wobei die erste Teilelektrode (308a) und die zweite Teilelektrode (308b) von der streifenförmigen aktiven Schicht (303) verschieden weit beabstandet sind.
ein Halbleitersubstrat (301);
eine streifenförmige aktive Schicht (303);
ein sich entlang der streifenförmigen aktiven Schicht (303) erstreckendes Beugungsgitter (302); und
mehrere entlang der streifenförmigen aktiven Schicht (303) in einem ersten und mindestens einem zweiten Abschnitt angeordnete Elektroden (308), von denen mindestens eine eine erste und eine zweite Teilelektrode (308a, 308b) in gegenseitigem Abstand aufweist, wobei die erste und die zweite Teilelektrode (308a, 308b) senkrecht zur Richtung der streifenför migen aktiven Schicht (303) beabstandet sind und eine Änderung des pro Längeneinheit der streifenförmigen aktiven Schicht (303) in die erste Teilelektrode (308a) injizierten Stroms eine Temperaturänderung der aktiven Schicht (303) hervorruft, die sich von derjenigen unterscheidet, die durch eine Änderung des Stroms hervorgerufen wird, der in die zweite Teilelektrode (308b) pro Längeneinheit der aktiven Schicht (303) injiziert wird, wobei die erste Teilelektrode (308a) und die zweite Teilelektrode (308b) von der streifenförmigen aktiven Schicht (303) verschieden weit beabstandet sind.
12. Wellenlängenabstimmbarer Halbleiterlaser, umfassend
ein Halbleitersubstrat (301);
eine streifenförmige aktive Schicht (303);
ein sich entlang der streifenförmigen aktiven Schicht (303) erstreckendes Beugungsgitter (302); und
mehrere entlang der streifenförmigen aktiven Schicht (303) in einem ersten und mindestens einem zweiten Abschnitt angeordnete Elektroden (308), von denen mindestens eine eine erste und eine zweite Teilelektrode (308a, 308b) in gegenseitigem Abstand aufweist, wobei die erste und die zweite Teilelektrode (308a, 308b) senkrecht zur Richtung der streifenför migen aktiven Schicht (303) beabstandet sind und eine Änderung des pro Längeneinheit der streifenförmigen aktiven Schicht (303) in die erste Teilelektrode (308a) injizierten Stroms eine Temperaturänderung der aktiven Schicht (303) hervorruft, die sich von derjenigen unterscheidet, die durch eine Änderung des Stroms hervorgerufen wird, der in die zweite Teilelektrode (308b) pro Längeneinheit der aktiven Schicht (303) injiziert wird, wobei sich der Widerstand zwischen der ersten Teilelektrode (308a) und der streifenförmigen aktiven Schicht (303) von dem Widerstand der zweiten Teilelektrode (308b) und der streifenförmi gen aktiven Schicht (303) unterscheidet.
ein Halbleitersubstrat (301);
eine streifenförmige aktive Schicht (303);
ein sich entlang der streifenförmigen aktiven Schicht (303) erstreckendes Beugungsgitter (302); und
mehrere entlang der streifenförmigen aktiven Schicht (303) in einem ersten und mindestens einem zweiten Abschnitt angeordnete Elektroden (308), von denen mindestens eine eine erste und eine zweite Teilelektrode (308a, 308b) in gegenseitigem Abstand aufweist, wobei die erste und die zweite Teilelektrode (308a, 308b) senkrecht zur Richtung der streifenför migen aktiven Schicht (303) beabstandet sind und eine Änderung des pro Längeneinheit der streifenförmigen aktiven Schicht (303) in die erste Teilelektrode (308a) injizierten Stroms eine Temperaturänderung der aktiven Schicht (303) hervorruft, die sich von derjenigen unterscheidet, die durch eine Änderung des Stroms hervorgerufen wird, der in die zweite Teilelektrode (308b) pro Längeneinheit der aktiven Schicht (303) injiziert wird, wobei sich der Widerstand zwischen der ersten Teilelektrode (308a) und der streifenförmigen aktiven Schicht (303) von dem Widerstand der zweiten Teilelektrode (308b) und der streifenförmi gen aktiven Schicht (303) unterscheidet.
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