DE60014969T2

DE60014969T2 - Halbleiterlaservorrichtung mit einer divergierenden region

Info

Publication number: DE60014969T2
Application number: DE60014969T
Authority: DE
Inventors: Stefano Balsamo; Giorgio Ghislotti; Salvatore Morasca; Fiorenzo Trezzi
Original assignee: Corning OTI SRL
Current assignee: Corning OTI SRL
Priority date: 1999-12-27
Filing date: 2000-12-20
Publication date: 2005-10-13
Anticipated expiration: 2020-12-21
Also published as: EP1243055B1; WO2001048874A2; DE60014969D1; AU2675501A; AU770757B2; CA2395309A1; JP2003518777A; EP1243055A2; WO2001048874A3; CN1415128A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Halbleiterlasereinrichtungen und insbesondere einen Hochleistungssteglaser, welcher zum Koppeln eines Einmodenglasfaserleiters ohne zusätzliche Ausgleichsoptik adaptiert ist.
Mit der Zunahme der optischen Nachrichtentechnik wurden Halbleiterlaser zu wichtigen Bauteilen in der Fernmeldetechnik. Diese Lasereinrichtungen ermöglichen eine hohe Qualität der Lichtemission, insbesondere eine Einmodenqueremission bei relativ hohen Leistungspegeln. Hochleistungsfähige Einmodenhalbleiterlaser können insbesondere als Pumpenlaser für Glasfaserverstärker verwendet werden.
Bei einem gewöhnlichen Halbleiterlaser ist ein aktiver Bereich in einem p/n-Übergang eingebettet. Eine vielschichtige Struktur schafft an beiden Seiten des aktiven Bereiches einen Bereich mit einem hohen Brechungsindex. Auf diese Weise kann sich parallel zu den Schichten ausbreitendes Licht in den aktiven Bereich geleitet werden.
Es sind Steghalbleiterlaser bekannt, welche im Laser einen Bereich mit einer erhöhten vertikalen Stärke im Vergleich zu Bereichen aufweisen, welche sich seitlich zu demselben befinden. Durch das Ändern der Stärke der Schichten (beispielsweise durch selektives Ätzen) kann die Lateralmodulation des Brechungsindex erhalten werden, um einen lichtleitenden Abschnitt zu erzielen. Der Bereich mit der höheren Stärke (üblicherweise Steg genannt) weist einen höheren Betriebsbrechungsindex als die seit lichen Bereiche auf. Der Umfang des Brechungsindexabstufung hängt von der Stegstärke in Bezug auf die seitlichen Bereiche ab. Da der Realteil des Brechungsindex beim Steg höher als außerhalb desselben ist, kann Licht entlang dem Steg geleitet werden. Dieser Leitmechanismus wird als Indexleiten bezeichnet.
Auch Strom kann durch ohmsche Kontakte angelegt werden, welche auf die p- und n-Seiten und in den aktiven Bereich gelegt wurden. Da die optische Verstärkung als eine Funktion der Trägerkonzentration zunimmt, ist die Verstärkung im Bereich unterhalb den Kontakten höher als im Außenbereich und das Laserlicht wird sich im hohen Verstärkungsbereich ausbreiten. Dieser Leitmechanismus wird als Verstärkungsleiten bezeichnet. Bei Steglasern, werden sowohl das Index- als auch das Verstärkungsleiten als Leitmechanismen verwendet, wobei das relative Gewicht jedes Mechanismus von der durch den Steg induzierten Real-Brechungsindexänderung und der Stromeinspeisung abhängt.
Bei Streifenhalbleiterlasern findet nur das Verstärkungsleiten im lichtleitenden Abschnitt statt. Streifenlaser sind Einrichtungen, bei welchen die Einspeisung von Ladungsträgern über eine oder mehrere Halbleiterzonen zu einer induzierten Emission führt. Diamantpolierte Oberflächen auf der Einrichtung bilden einen Hohlraum, in welchem die induzierte Emission eine Lasertätigkeit erzeugen wird, wenn die Dichte des angelegten Stroms über einem bestimmten Schwellenpegel liegt.
Für eine effektive Verwendung in optischen Nachrichtentechniksystemen, wie z.B. als Pumpenquellen aus Erbiumdotierten Glasfaserverstärkern, sollten Halbleiterlaserdioden effektiv an eine Einmodenfaser gekoppelt werden können, welche das durch den Laser emittierte Licht tragen wird. Herkömmliche Laser sind astigmatisch und erfordern zur effektiven Kopplung mit der Einmodenfaser eine Ausgleichsoptik zum Kompensieren einer vertikalen Divergenz des emittierten Lichts. Darüber hinaus erfordern Hochleistungslaser eine zusätzliche Ausgleichsoptik, um auch in der Querrichtung eine effiziente Faserkopplung zu erzielen. Im Folgenden wird auf diese zusätzliche Ausgleichsoptik einfach als „zusätzliche Optik" Bezug genommen werden.
Patente und Veröffentlichungen offenbaren verschiedene Anordnungen zum Verstärkungsleiten und Indexleiten in Halbleiterlaserelementen. Beispielsweise offenbart das amerikanische Patent Nr. 4,251,780 einen Injektionslaser der vielschichtigen, flachen Art, welche auf der ebenen Laseroberfläche eine Streifenoffsetgeometrie aufweist. Das Patent offenbart, dass die Offsetgeometrie ein Streifen- oder Substratkanal ist, welcher zu den zerklüfteten Endfacetten nicht orthogonal ist und den Quermodus stabilisiert. Eine parabelförmige oder trapezförmige Geometrie ist für den Laserstreifen beschrieben, um die Steuerung des Quermodus zu verbessern. In eineigen Ausführungsformen wird die Streifenoffsetgeometrie mit zwei parabolischen Abschnitten versehen, welche an einen geraden Mittelabschnitt gekoppelt sind.
Das amerikanische Patent Nr. 4,942,585 offenbart einen Halbleiterlaser mit einer durch eine Pumpe geförten bzw. gepumpten, trapezförmigen Verstärkungsmittelschicht zwischen einer breiten Ausgangsfacette und einer schmaleren Reflektorfacette. Der Laser liefert durch das Aufweisen einer breiten Ausgangsfacette eine hohe Leistung, so dass die Leistungsdichte bzw. Energiedichte bei der Ausgangs facette gering genug ist, um einen Totalschaden des optischen Reflektors zu verhindern. Am Ende der Verstärkungsschicht gegenüber dem Ausgang ist die Verstärkungsschicht mit parallelen Kanten versehen und indexgeleitet, um einen Einmodenausgang zu sichern. Am Ende des Ausgangs weicht die Verstärkungsschicht vom mit den parallelen Kanten versehenen Abschnitzt nach außen zur Ausgangsfacette ab. Der gesamte divergierende Bereich der Verstärkungsschicht wird gepumpt, um die Strahlungsemission zu induzieren.
Das amerikanische Patent Nr. 4,349,905 offenbart einen Streifenhalbleiterlaser mit einem aktiven Streifenbereich mit einer konisch zulaufenden Breite. Die Struktur des Streifenlasers weist ein Paar an breiten Abschnitten, welche eine geringe Schwellenstromdichte zur Lasertätigkeit zulassen, einen schmaleren Abschnitt, um eine Schwingung in ungewollten Moden zu verhindern, und ein Paar an konisch zulaufenden Streifenabschnitten auf, welche die breiten Abschnitte mit dem schmalen Abschnitt verbinden. Es offenbart zudem eine Streifenlaserstruktur mit einem einzelnen konisch zulaufenden Abschnitt, welcher einen breiten Abschnitt mit einem schmalen Abschnitt verbindet, wobei der schmale Abschnitt zur Ausgangsfacette führt. Bei dieser Struktur verringert die schmale Streifenbreite die minimale Bildgröße, wenn ein dicht fokussierter Strahl erfordert wird.
Das amerikanische Patent Nr. 4,689,797 offenbart einen Halbleiterlaser mit einer aktiven Schicht mit einem schmalen Wellenleiterabschnitt und einem Verstärkerabschnitt. Der schmale Wellenleiterabschnitt schafft eine seitliche Modenstabilität während der Verstärkerabschnitt ein großes Reservoir an eingespeisten Trägern schafft, welche für eine Hochleistungslasertätigkeit benötigt werden. Die Laserstruktur enthält weiter eine hintere Facette mit einem Reflexionsvermögen zwischen 90–97 % in der Nähe des Verstärkerabschnitts und eine vordere Facette mit einem Reflexionsvermögen unter 10 % in der Nähe des Wellenleiterabschnitts. Der schmalere Wellenleiterabschnitt führt daher zum Ausgang der Einrichtung.
Die britische Patentanmeldung GB 2317744A offenbart eine inkohärente Anordnung an konisch zulaufenden Halbleiterlasern, welche zur Verarbeitung von Materialien mit einer stegbelasteten oder geerdeten Laserstruktur geeignet sind, welche auf einem einzelnen Chip gebildet ist. Diese Anmeldung offenbart, dass die eine Anordnung bildenden Laser einen geraden Bereich und einen konisch zulaufenden Bereich aufweisen. Die Seiten des konisch zulaufenden Abschnitts können gerade sein oder einer Parabelform folgen und am Ausgangsende im Wesentlichen parallel sein. Ein auf diese Weise gebildeter Laser schafft einen Ausgang, welcher auf einen kleinen Punkt fokussiert werden kann, so dass ein Material ausreichend erhitzt werden kann, um eine chemische Veränderung, Ablation oder Verbrennung zu verursachen.
Der Anmelder hat darauf hingewiesen, dass bekannte Laserkonstruktionen, welche eine erhöhte Nutzleistung zulassen, bei einem geringen Wärmewiderstand, einer geringen Energiedichte im Laserhohlraum und der elektrooptischen Gesamtleistung der Einrichtung keine Vorteile schaffen.
Darüber hinaus hat der Anmelder beobachtet, dass herkömmliche Hochleistungslaser keine effiziente Kopplung an eine Einmodenfaser ohne die Notwendigkeit zusätzlicher Optik zulassen. Das Proc. of the Int. Conf. on Indium Phos phide and related Materials, IEEE, Konferenz-Band 7, 1999, Seiten 725–728 offenbart ein Halbleiterelement, welches die Merkmale des Oberbegriffs des Anspruchs 1 enthält.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es wurde festgestellt, dass ein Hochleistungshalbleiterlaserelement auf Wunsch eine hohe Ausgangsleistung mit einem geringen Wärmewiderstand und einer geringen Energiedichte im Laserhohlraum mit der geeigneten Konfiguration eines leitenden Abschnitts, beispielsweise einem Steg, erhalten kann. Außerdem wurde festgestellt, dass ein Halbleiterlaserelement mit einem leitenden Abschnitt mit einem schmalen Parallelbereich, einem divergierenden Bereich und dann einem an die Ausgangsfacette angrenzenden breiten Parallelbereich diese vorteilhaften Ergebnisse liefert sowie ein Koppeln an eine Einmodenfaser ohne das Verwenden einer zusätzlichen Optik zulässt.
Nach einem ersten Aspekt betrifft die wie in Anspruch 1 definierte, vorliegende Erfindung ein Halbleiterelement zum Emittieren eines Einmodenlaserlichts bei einer Leistung über 100 mW, welches einen lichtleitenden Abschnitt der Länge L enthält, welcher längs zwischen einer hinteren und vorderen Facette verläuft, wobei der lichtleitende Abschnitt Folgendes enthält:
einen an die hintere Facette angrenzenden, schmalen Abschnitt mit Seiten, deren relative Divergenz weniger als 0,1° beträgt, der Breite W1 und der Länge L1 zum Leiten eines Singlemode der Ausbreitung; und einen divergierenden Abschnitt der Länge L2, welcher von der Breite W1 zur Breite W3 zum adiabatischen Ausdehnen des Singlemode der Ausbreitung breiter wird,
und ist dadurch gekennzeichnet, dass die Länge L1 größer als 0,4 L ist und der lichtleitende Abschnitt einen an die vordere Facette angrenzenden, breiten Abschnitt mit Seiten, deren relative Divergenz weniger als 0,1° beträgt, der Breite W3 und Länge L3 von mehr als 20 μm enthält, wobei die Breite W3 in einem Bereich zwischen 5 und 20 μm liegt.
Um einen Laser zu bilden, ist die hintere Facette mit einer stark reflektierenden Beschichtung und die vordere Facette mit einer gering reflektierenden Beschichtung versehen.
Es wurde festgestellt, dass solch ein Laser unter hohen Ausgangsleistungsbedingungen eine hohe Verlässlichkeit erzielen kann. Dadurch ist der Laser insbesondere zum Pumpen optischer Verstärker für Unterwasseranwendungen adaptiert, bei welchen die Verlässlichkeit in Anbetracht der hohen Wartungskosten ein kritisches Thema ist. Um einen optischen Verstärker zu bilden sind beide Facetten mit einer Antireflexionsbeschichtung versehen.
In einer Ausführungsform beträgt die Wellenlänge des emittierten Laserlichts ca. 980 nm. In dieser Ausführungsform enthält W3 vorzugsweise zwischen 5 und 11 μm und W1 vorzugsweise zwischen 3 und 5 μm.
L3 beträgt vorteilhafter Weise mindestens 0,04 L.
Vorzugsweise beträgt L3 mindestens 0,1 L.
L1 ist vorteilhafter Weise kleiner als 0,8 L.
L2 ist vorteilhafter Weise größer als 100 μm.
Der divergierende Abschnitt weist vorzugsweise gerade Seiten mit einem Divergenzwinkel von weniger als 2,5° auf.
Nach einer anderen Ausführungsform beträgt die Wellenlänge der emittierten Laserlichts ca. 1480 nm.
Das Halbleiterelement umfasst typischerweise eine Vielzahl an Schichten in vertikaler Richtung.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Steg auf mindestens einer der oberen Schichten der Vielzahl an Schichten definiert und definiert dadurch den lichtleitenden Abschnitt.
Das Halbleiterelement enthält vorteilhafter Weise eine aktive Schicht mit Ober- und Unterseiten; eine Kernschicht über der Ober- und Unterseite der aktiven Schicht, welche einen Brechungsindex n aufweist, wobei n mit der Entfernung von der aktiven Schicht abnimmt; eine Mantelschicht über jeder Kernschicht und eine obere, dünne Schicht auf einer Mantelschicht und eine Substratschicht auf der anderen Mantelschicht.
Normalerweise ist eine Pumpenelektrode über der Stegfläche definiert. Die Pumpenelektrode kann über der Gesamtfläche des Stegs definiert sein. Als Alternative ist die Pumpenelektrode T-förmig und weist über dem schmalen und divergierenden Abschnitt des lichtleitenden Abschnitts eine Breite W1 und über dem breiten Abschnitt des lichtleitenden Abschnitts eine Breite W3 auf. Nach einer weiteren Alternative ist die Pumpenelektrode ein Streifen mit einer Breite W1.
Nach einem zweiten Aspekt handelt die vorliegende Erfindung von einem mit einer Anschlusslitze versehenen Halbleiterelement, wie beschrieben wurde, wobei das optische Halbleiterelement an eine Einmodenfaser gekoppelt ist, welche einen Modenfelddurchmesser MFD aufweist, und die Breite W3 in einem Bereich zwischen 0,6 MFD und 1,4 MFD liegt.
Vorzugsweise befindet sich die Breite W3 in einem Bereich zwischen 0,85 MFD und 1,15 MFD.
Vorzugsweise ist die Verbindung mit der Einmodenfaser eine Stumpfverbindung.
Nach einem dritten Aspekt handelt die vorliegende Erfindung von einem Glasfaserverstärker, welcher einen mit einer Seltenerde dotierten Glasfaserleiter, ein mit einer Anschlusslitze versehenes Halbleiterelement, wie oben angezeigt wurde, zum Schaffen einer Pumpenemission und einen frequenzselektiven Koppler enthält, welcher zum Koppeln der Pumpenemission mit dem mit einer Seltenerde dotierten Glasfaserleiter geeignet ist.
Es muss erläutert werden, dass sowohl die vorangehende allgemeine Beschreibung und die folgende detaillierte Beschreibung nur als Beispiel und zur Erklärung dienen und eine weitere Erklärung der Erfindung, wie beansprucht, schaffen sollen. Die folgende Beschreibung sowie die Ausübung der Erfindung legen zusätzliche Vorteile und Zwecke der Erfindung dar und deuten auf diese hin.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die beiliegenden Zeichnungen, welche in dieser Beschreibung enthalten sind und einen Teil derselben bilden, veranschaulichen Ausführungsformen der Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, die Vorteile und Prinzipien der Erfindung zu erklären.
1 ist eine Draufsicht, welche einen Halbleiterlaser veranschaulicht, welcher mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung übereinstimmt.
2 ist eine Querschnittsansicht der vertikal geschichteten Struktur eines Halbleiterlasers, welcher mit der vorliegenden Erfindung und einer schematischen Veranschaulichung der Änderung im Energiespalt und Brechungsindex der geschichteten, vertikalen Struktur übereinstimmt.
3 ist eine Teilansicht eines Stegs innerhalb des Halbleiterlasers der 1 von oben mit einem T-förmigen Kontakt zum Pumpen eines Stegabschnitts.
4 ist eine Teilansicht des Stegs innerhalb des Halbleiterlasers der 1 von oben.
5 ist eine Teilansicht eines Stegs innerhalb des Halbleiterlasers der 1 von oben, welcher während dem Herstellungsverfahren einer Spaltung unterzogen wird.
Die 6A–6B sind eine Konturdarstellung des elektromagnetischen Felds bzw. des Fernfeldprofils für einen Steglaser mit einer Gesamtlänge des Stegs von 750 μm, einer Länge eines adiabatischen Bereichs des Stegs von 200 μm und einem Pumpenstrom von 350 mA, wenn die Länge des Einmodenbereichs des Stegs 400 μm beträgt.
Die 6C–6D sind eine Konturdarstellung des elektromagnetischen Felds bzw. des Fernfeldprofils für den Steglaser der 6A–6B, wenn die Länge des Einmodenbereichs des Stegs 200 μm beträgt.
Die 7A–7B sind eine Konturdarstellung des elektromagnetischen Felds bzw. des Fernprofils für einen Steglaser mit einer Gesamtlänge des Stegs von 1500 μm, einer Länge eines adiabatischen Bereichs des Stegs von 200 μm und einem Pumpenstrom von 650 mA, wenn die Länge des Einmodenbereichs des Stegs 900 μm beträgt.
Die 7C–7D sind eine Konturdarstellung des elektromagnetischen Felds bzw. des Fernfeldprofils für den Steglaser der 7A–7B, wenn die Länge des Einmodenbereichs des Stegs 400 μm beträgt.
Die 8A–8B sind Darstellungen der Temperaturprofile innerhalb der aktiven Schicht in die seitliche Richtung bzw. Längsrichtung für drei repräsentative Laser mit einer Gesamtsteglänge von 1250 μm.
Die 9A–9B sind Darstellungen der Temperaturprofile innerhalb der aktiven Schicht in die seitliche Richtung bzw. Längsrichtung für drei repräsentative Laser mit einer Gesamtsteglänge von 1500 μm.
Die 10A–10B sind Darstellungen des Höchstleistungsprofils längs entlang dem Hohlraum für die drei repräsentativen Laser der 8A–8B bzw. der 9A–9B.
11 ist eine Darstellung des Strahlenintensitätsprofils bei der Ausgangsfacette für einen mit der vorliegenden Erfindung übereinstimmenden Laser im Vergleich zu einem herkömmlichen Laser.
12 ist eine Darstellung des Phasenprofils des Strahls bei der Ausgangsfacette für einen mit der vorliegenden Erfindung übereinstimmenden Laser im Vergleich zu einem herkömmlichen Laser.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nun wird Bezug auf verschiedene Ausführungsformen nach dieser Erfindung genommen werden, deren Beispiele in den beiliegenden Zeichnungen gezeigt werden und welche aus der Beschreibung der Erfindung offensichtlich sein werden. In den Zeichnungen stellen, wenn möglich, die gleichen Bezugsnummern die gleichen oder ähnliche Elemente in den unterschiedlichen Zeichnungen dar.
1 veranschaulicht eine Draufsicht (nicht maßstabgerecht) eines mit einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung übereinstimmenden Halbleiterlaserelements 100. Der Laser 100 enthält auf herkömmliche Weise eine Reihe an Materialschichten. Die vertikale Struktur für den Laser 100, welche insbesondere bevorzugt wird, ist schematisch in 2 gezeigt. Die vertikale Struktur des Laserelements 100 enthält speziell eine GRINSCH-Struktur (graded index separate confinement heterostructure) 200 (GRIN-Bereich), welche zwischen zwei Mantelschichten 202, 202' aus Al_xGa_1–xAs angeordnet ist, wobei x normalerweise geringer als 0, 4 ist. In einem bevorzugten Beispiel ist x= 0,27. Die Stärke der Mantel schichten 202, 202' beträgt normalerweise 1–2 μm.
Der GRIN-Bereich 200 enthält zwei Kernschichten 200b und 200b' aus Al_xGa_1–xAs. Die Kernschicht 200b befindet sich im unteren Abschnitt des GRIN-Bereichs 200 und die Kernschicht 200b' befindet sich in einem oberen Abschnitt. Zwischen den Schichten 200b und 200' wird der Al-Pegel x allmählich aus der Kante der jeweiligen an die Schicht 202 oder 202' angrenzenden Schicht auf einen Wert von nahezu x= 0,1 verringert. In 2 ist auch der Energiespalt E_g und der Brechungsindex n über den vertikalen Schichten schematisch skizziert. Wie gezeigt wird, nimmt der Energiespalt beginnend mit den Mantelschichten 202, 202' zum aktiven Bereich 200a ab und der Brechungsindex zu. Wie bei Halbleitermaterialien sehr bekannt ist, entspricht eine Brechungsindexzunahme einer Energiespaltabnahme und umgekehrt. Der aktive Bereich 200a liegt zwischen den Schichten 200b und 200b'. Der aktive Bereich 200a wird durch einen Quantenschacht aus In_yGa_1–yAs dargestellt, wobei vorzugsweise y= 0,22 beträgt. Die Stärke des gesamten GRIN-Bereichs 200 beträgt üblicherweise ca. 0,2–2 μm und die Stärke der aktiven Schicht 200a allein beträgt gewöhnlicherweise 6–7 nm.
Die vertikale Struktur für das Halbleiterlaserelement 100 enthält auch eine n-dotierte Substratschicht 204 aus GaAs und eine p-dotierte, dünne Schicht 206 aus GaAs. Die Stärkte der Substratschicht 204 aus GaAs beträgt gewöhnlich 100 μm oder mehr. In einer bevorzugten, durch den Anmelder getesteten Ausführungsform ist die Substratschicht 204 150 μm dick. Die obere, dünne Schicht 206 ist nahezu 100 nm dick. Die zwei Schichten 204, 206 aus GaAs realisieren einen p/n-Übergang. Vor allem ist die obere Schicht 206 äußerst p-dotiert, um einen ohmschen Kontakt zum Pumpen durch die Stromeinspeisung zu realisieren.
Die oberen Schichten 202' und 206 sind allgemein als eine Gruppe mit der Bezugsnummer 201 zusammengefasst und die unteren Schichten sind allgemein als eine Gruppe mit der Bezugsnummer 203 in 2 und 1 zusammengefasst.
Zwar veranschaulicht 2 ein Beispiel einer vertikalen Struktur für das Halbleiterlaserelement 100, aber andere vertikale Strukturen können ausgeführt werden. Alternative Strukturen können beispielsweise keinen Quantenschacht oder mehr als einen Quantenschacht, eine ungleiche Stärke der Schichten, unterschiedliche Zusammensetzungen und/oder Halbleiterlegierungen für die verschiedenen Schichten aufweisen.
In Bezug auf 1 enthält das Laserelement 100 einen Steg 102, um das Indexleiten zu erzielen. Der Steg 102 kann durch herkömmliche Ätzverfahren auf den oberen Schichten 201 des Chips 100 geschaffen werden, wenn die zuvor in 2 beschriebene vertikale Struktur gezogen worden ist. Die den Steg definierende Ätztiefe kann mittels dem Rest RES gemessen werden, welcher der Abstand zwischen der Mitte des GRIN-Bereichs 200 und der geätzten Oberfläche 104 ist. Der RES beträgt vorzugsweise zwischen 350 und 550 nm.
Die Breite des Stegs 102 ist entlang der Längsrichtung des Lasers 100 nicht konstant. Wie in 1 gezeigt, kann der Steg 102 als drei Abschnitte betrachtet werden: ein erster Bereich 106, ein zweiter Bereich 108 und ein dritter Bereich 110. Der erste Bereich 106 weist eine Länge L1 mit vorzugsweise im Wesentlichen parallelen Seiten und eine Breite W1 auf. Hier und im folgenden Teil der Beschreibung bedeutet „im Wesentlichen parallele Seiten", dass die relative Divergenz zwischen den Seiten weniger als 0,1° beträgt. Der zweite Bereich 108 weist eine Länge L2 auf und hat im Gegensatz zum ersten Bereich 106 divergierende Seiten, welche von einer Breite W1 beginnen und bis zu einer Breite W3 zunehmen. Der dritte Bereich 110 weist eine Länge L3 mit im Wesentlichen parallelen Seiten und eine Breite W3 auf. Wie in 1 gezeigt, ist W3 größer als W1.
Wie erwähnt, kann die Gesamtoberfläche des Stegs 102 p-dotiert sein, um den ohmschen Kontakt zum Pumpen der Lasereinrichtung 100 zu realisieren. Als Alternative kann der Kontakt ausgeführt werden, indem einige Bereiche ungepumpt gelassen werden. In einem bevorzugten Pumpschema für das Laserelement 100 kann das Dotieren mit einer T-förmigen Pumpenelektrode 11 ausgeführt werden, welche die Breiten W1 und W3 aufweist, wobei die divergierenden Bereiche des Stegs 102 ungepumpt sind. 3 zeigt solch eine Dotierkonfiguration mit einer „T"-förmigen Pumpenelektrode 302, welche einen Abschnitt des Stegs 102 pumpt. In dieser Konfiguration werden die gesamten Flächen des breiten Bereichs 110 und schmalen Bereichs 106 gepumpt, während nur ein Abschnitt des konisch zulaufenden Bereichs 108 gepumpt wird. In einer anderen, alternativen Konfiguration kann das Pumpen in nur einem Streifen stattfinden, welcher die Breite des schmalen Bereichs 106 ist und durch den konisch zulaufenden Bereich und breiten Bereich 110 verläuft. Es sollte erläutert werden, dass verschiedene Pumpkonfigurationen verwendet werden können, ohne vom Bereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Die an den schmalen Bereich 106 des Stegs 102 angrenzende Facette 112 ist zum Steg 102 senkrecht und durch das Auf dampfen von dielektrischen Schichten mit einer Beschichtung mit einer starken Reflexion beschichtet, um ein Reflexionsvermögen von mehr als 85 % zu erzeugen. Die an den breiten Bereich 110 angrenzende Facette 114 ist zum Steg 102 senkrecht und durch das Aufdampfen von dielektrischen Schichten mit einer Beschichtung mit einer geringen Reflexion beschichtet, um ein Reflexionsvermögen von weniger als 20 % und vorzugsweise weniger als 15 %, beispielsweise ca. 9 % zu erzeugen. Ein Hohlraum ist folglich durch die stark reflektierende Facette 112 (die „hintere Facette") und die gering reflektierende Facette 114 (die „vordere Facette") definiert. Durch das Anlegen von Strom kann ein Laserlicht erzeugt und im Hohlraum angemessen verstärkt werden. In vertikaler Richtung ist solch ein Laserlicht im Wesentlichen im GRIN-Bereich 200 selbst eingeschlossen, da der Brechungsindex im GRIN-Bereich 200 höher ist (siehe 2), wobei die maximale Intensität mit der aktiven Schicht 200a übereinstimmt.
In seitlicher (quer verlaufender) Richtung ergibt sich der lichtleitende Abschnitt aus dem Vorhandensein des Stegs 102, welcher in seitlicher Richtung einen Wechsel im effektiven Brechungsindexprofil induziert. Folglich ist das effektive Brechungsindexprofil in einem Bereich unter dem Steg 102 selbst höher und in den restlichen Bereichen geringer. Solch eine Wirkung ist als Indexleitmechanismus bekannt. Folglich ist das Laserlicht in seitlicher Richtung im Wesentlichen in einem Bereich unter dem Steg 102 eingeschlossen. Insbesondere wird die Menge des Rests RES ausgewählt, welcher die Tiefe des Stegs 102 definiert, um einen Brechungsindexschritt zu erhalten, welcher für das Aufweisen einer Einmodenoperation des Lasers in Querrichtung geeignet ist. Darüber hinaus führt das Pumpen durch die Stromeinspeisung zum Verstärkungsleiten.
Die Ausgangsfacette des Lasers ist die an den breiteren Bereich 110 abgrenzenden vordere Facette 114. Die Emissionswellenlänge des Lasers beträgt vorzugsweise ca. 980 nm.
Als Alternative kann der Laser der Erfindung durch das angemessene Auswählen seiner Struktur, beispielsweise der vertikalen Struktur und der aktiven Materialien, nach bekannten Verfahren so adaptiert sein, um eine Emission bei einer anderen Wellenlänge, beispielsweise von ca. 1480 nm, zu erzielen.
Der Laser 100 ist durch das Verbinden desselben mit einer Einmodenfaser (nicht in 1 gezeigt) mit einer Anschlusslitze versehen. Am zum Laser weisenden Ende der Faser ist eine zylindrische Ausgleichslinse zum Kompensieren der Divergenz nur in vertikaler Richtung gebildet. In seitlicher Richtung wird keine zusätzliche Optik sondern stattdessen die Stumpfverbindung verwendet. Bei dieser Anordnung sollte die Breite W3 des dritten Bereichs 110 des Stegs 102 dem Modenfelddurchmesser (MFD) der Einmodenfaser ähneln. Vorzugsweise werden Fasern, welche bei der Emissionswellenlänge Singlemode sind, zum Koppeln mit dem Laser verwendet. Im Allgemeinen wird W3 in einem Bereich zwischen ca. 5 und 20 μm ausgewählt. Der Wert W3 wird abhängig von der Wellenlänge vorzugsweise in einem durch MFD ± 40 % MFD definierten Bereich ausgewählt. Bevorzugter wird W3 in einem durch MFD ± 15 % MFD definierten Bereich ausgewählt.
Für Emissionswellenlängen von ca. 980 nm können vorteilhafter Weise Einmodenfasern verwendet werden, welche einen MFD-Wert von ca. 8–8,5 μm aufweisen. In diesem Fall wird der wert von W3 vorzugsweise zwischen ca. 5 und 11 μm und bevorzugter zwischen 7 und 9 μm ausgewählt.
4 zeigt schematisch den Steg 102, wobei geometrische Parameter zusammen mit der Längsrichtung (Z) und der seitlichen Richtung (X) enthalten sind. Die drei Bereiche 106, 108 und 110 spielen verschiedene Rollen und es wurde festgestellt, dass ihre geometrischen Maße vorsichtig bestimmt werden müssen, um eine Lasertätigkeit bei einer hohen Leistung ohne Verschlechterung der elektrooptischen Leistungen der Struktur zu erhalten, wie unten erklärt wird. Als hohe Leistung gilt allgemein eine Leistung von mehr als ca. 100 mW.
Der erste Bereich 106 schafft während der Laserbetätigung eine Einmodenauswahl in seitlicher Richtung, folglich wird der erste Bereich 106 als „Einmodenbereich" bezeichnet. Der Einmodenbetrieb des Lasers wird zuerst durch die Tiefe des Stegs 102 gesteuert. Bei einer hohen Leistung können Moden einer höheren Ordnung während den Schwingungen des Laserlichts im Hohlraum ausgelöst werden und die Ausbreitung von solchen Moden einer höheren Ordnung muss verhindert werden, um die maximale Kopplung der Energie in die an den Laser gekoppelte Einmodenfaser aufzuweisen. Folglich muss der Einmodenbereich 106 ausreichend schmal und lang sein, um Moden einer höheren Ordnung effektiv zu beseitigen, d.h., um als ein effektives Modalfilter zu wirken. Andererseits sollte die Breite des Einmodenbereichs 106 ausreichend sein, um einen guten ohmschen Kontakt und eine ziemlich geringe Stromdichte zu schaffen.
Die Breite W1 des Einmodenbereichs 106 kann vorzugsweise in einem aus zwischen 3 und 5 μm bestehenden Bereich für den bevorzugten Emissionswellenlängenbereich ausgewählt werden, welcher in Betracht gezogen wurde. Bezüglich der Länge L1 zeigen durch den Anmelder durchgeführte Computersimulationen, dass eine Länge L1 des Einmodenbereichs 106 vorzugsweise mehr als ca. 0,4 L sein sollte, um eine stabile Lasertätigkeit bei einer hohen Leistung zu erhalten, wobei L= L1+ L2+ L3 die Gesamtlänge des Hohlraums sei.
Der divergierende Bereich 108 schafft eine Verbreiterung und Verstärkung des sich in den Hohlraum ausbreitenden Singlemode, damit die Energiedichte entlang dem Hohlraum zur Ausgangsfacette gesenkt ist während die optische Gesamtleistung erhöht wird. Die Verbreiterung muss adiabatisch, d.h., ohne das Koppeln von Energie in Moden einer höheren Ordnung erhalten werden. Der adiabatische Zustand begrenzt den Divergenzwinkel θ des divergierenden Bereichs 108 auf sehr kleine Werte, welcher von den seitlichen Maßen des sich ausbreitenden Modes abhängt. Der divergierende Bereich 108 kann als „adiabatischer Bereich" bezeichnet werden. Für den in Betracht gezogenen Wellenlängenbereich werden Winkel von weniger als ca. 2,5° bevorzugt. Bevorzugter beträgt der Winkel θ weniger als ca. 1,5° und sogar noch bevorzugter weniger als 1°. Wie jemandem mit technischen Fähigkeiten schnell bewusst sein wird, können die Seiten des divergierenden Bereichs 108 unter der Voraussetzung, dass die Divergenz adiabatisch ausgeführt werden muss, auf andere Weisen ausgeführt werden, welche sich von den in 4 gezeigten, geraden Seiten unterscheiden. Die Länge des divergierenden Bereichs 108 beträgt vorzugsweise mehr als 100 μm.
Der breite Parallelbereich 110, welcher an die Ausgangsfacette des Lasers angrenzt, schafft die Modenverstärkung und in Bezug auf die Ausführungsformen, in welchen der adiabatische Bereich 108 bei der Ausgangsfacette endet, verschiedene Vorteile. Für den in Betracht gezogenen Wellenlängenbereich liegt W3 vorzugsweise in einem Bereich zwischen 5 und 11 μm, bevorzugter in einem Bereich zwischen 7 und 9 μm.
Ein erster Vorteil ist, dass das Herstellungsverfahren ermöglicht wird.
In Bezug auf 5 kann der Laser beginnend aus einem langen Chip 500 oder 502 erzeugt werden, auf welchem mindestens zwei Einrichtungen gebildet werden können. Dann kann ein Spaltungsprozess durchgeführt werden, um die zwei Schichten zu trennen. Wenn der Chip 500 keinen breiten Parallelbereich sondern zwei konisch erweiterte Bereiche aufweist, welche zusammenlaufen, so muss die Spaltung präzise sein, um betriebsfähige Einrichtungen zu sichern. wenn beispielsweise die Spaltung für den Chip 500 nicht präzise bei der Stelle ist, an welcher die zwei konisch erweiterten Bereiche zusammenlaufen, so kann der Abschnitt (1) verwendbar sein, aber der Abschnitt (2) weist eine nicht akzeptable Geometrie auf, welche sich sehr von ihrem zugehörigem Partner unterscheidet. Wenn der lange Chip 502 einen breiten Parallelbereich aufweist lässt die Spaltung andererseits höhere Toleranzen zu und erhöht folglich die Produktionsmenge. Die gleiche ungenaue Spaltung für die Ausführungsform der Erfindung, welche den langen Chip 502 verwendet, führt zu den etwas unterschiedlichten Einrichtungen (3) und (4), aber mit im Wesentlichen den gleichen Eigenschaften.
Die 6A–D und 7A–D führen die Ergebnisse der Computersimulationen von verschiedenen Konfigurationen der Steglaser auf. Die in den 6A–D aufgeführten Ergebnisse wurden mit einer Gesamtlänge L des Hohlraums von 750 μm, einer Länge L2 des divergierenden Bereichs 108 von 200 μm, einem Brechungsindexschritt in den lichtleitenden Bereich von 0,0003 und einem Pumpenstrom von 350 mA erhalten. Die Breite W1 des Einmodenbereichs betrug 4,6 μm wohingegen die Maximalbreite des breiten Bereichs W3 9 μm betrug. Die 6a und 6C zeigen den Umrissplan des elektromagnetischen Felds in der Ebene des GRIN-Bereichs, welcher mit einer Länge L1 des Einmodenbereichs von 400 μm bzw. 200 μm erhalten wurde. Wie ersichtlich ist, schafft eine 200 μm überschreitende Länge ein erstrebenswertes Maß, um eine stabile Lasertätigkeit zu erhalten. Das gleiche Ergebnis ist durch den Vergleich der 6B und 6D ersichtlicht, welche das Verhalten des Fernfelds in seitlicher Richtung mit L1 = 400 μm bzw. L1 = 200 μm darstellen. In 6B kann ein stabiles Profil beobachtet werden, während in 6D unerwünschte Schwingungen aufgrund einer schlechten Modenauswahl und entsprechenden Energiekopplung auf Moden einer höheren Ordnung gezeigt werden.
Die Ergebnisse der 7A–D wurden mit einer Hohlraumgesamtlänge L von 1500 μm, einer Länge des konisch zulaufenden Bereichs L2 von 200 μm, einem Brechungsindexschritt in den lichtleitenden Abschnitt von 0,003 und einem Pumpenstrom von 650 mA. Die Breite W1 des Einmodenbereichs betrug 4,6 μm, während die Maximalbreite des breiten Bereichs W3 9 μm betrug. Die 7A und 7B stellen die Ergebnisse dar, welche mit einer Länge L1 des Einmodenbereichs von 900 μm, in der Ebene des GRIN-Bereichs bzw. in seitlicher Richtung auf der Ausgangsfacette erhalten wurden. Wie ersichtlich ist, wird eine sehr stabile Lasertätigkeit erhalten. Die 7C und 7D stellen die entsprechenden Ergebnisse dar, welche mit einer L1 des Einmodenbereichs von 400 μm erhalten wurden.
Wie ersichtlich ist, ergeben sich unerwünschte Schwingungen. Um vorzugsweise hohe Höchstleistungsdichten aufgrund der schmalen Breite des Einmodenbereichs 21 zu vermeiden, sollte die Länge L1 weniger als ca. 0,8 L betragen.
Soweit der elektrische Widerstand und der Wärmewiderstand betroffen sind, können aufgrund der großen Querschnittsfläche, welche sowohl den adiabatischen Bereich 108 als auch den breiten Parallelbereich enthält, sehr geringe Werte erzielt werden je länger der breite Parallelbereich 110 hergestellt wurde. Für feststehende Werte der Gesamtlänge L des Hohlraums und den Breiten W1 und W3 weist die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung eine größere Querschnittsfläche (beispielsweise (3) und (4) in 5) im Vergleich zu einer Einrichtung auf , in welcher der adiabatische Bereich bei der Ausgangsfacette endet (z.B. (1) in 5). Folglich ist der elektrische Widerstand in der Einrichtung der vorliegenden Erfindung verringert. Auch der Wärmewiderstand ist in der bevorzugten Einrichtung verringert, welche einen breiten Parallelbereich 110 aufweist, welcher einem adiabatischen Bereich 108 im Steg 102 folgt. Der Wärmewiderstand ist als
definiert, wobei ΔT der Temperaturunterschied zwischen dem aktiven Bereich 200 und dem Substrat 204 der Einrichtung ist und P_dissip die Verlustleistung während der Betätigung ist. Ein geringerer Wärmewiderstand führt zu einer geringeren Betätigungstemperatur. Meist ist eine geringere Betätigungstemperatur von Vorteil, da eine entsprechend geringere Anreicherung des Brechungsindexprofils in seitlicher Richtung erhalten werden kann, welche durch die Temperaturwirkung induziert wurde, und zu einer geringeren Wahrscheinlichkeit des Triggerns von Moden einer höheren Ordnung führt, wenn hohe Leistungen beteiligt sind. Darüber hinaus führt eine geringere Betätigungstemperatur zu einer höheren Verlässlichkeit der Einrichtung. Es wurde festgestellt, dass der Laser der vorliegenden Erfindung unerwarteter Weise den vorteilhaften Effekt einer geringeren Betätigungstemperatur aufgrund dem Vorhandensein des breiten Parallelbereichs 110 verbessert, welcher an die Ausgangsfacette 114 angrenzt.
Die 8 und 9 führen die Ergebnisse der Simulationen auf, welche für drei Laserarten ausgeführt wurden, welche unterschiedliche geometrische Konstruktionen des Stegs annehmen: (a) ein Laser mit einer herkömmlichen Struktur ohne divergierende Bereiche im Steg; (b) ein Laser mit einer herkömmlichen Struktur mit einem breiten Bereich eines adiabatischen Bereichs, welche bei der Ausgangsfacette endet; und (c) ein Laser nach der vorliegenden Erfindung mit einem breiten Bereich eines adiabatischen Bereichs und einem breiten Parallelbereich, welcher an die Ausgangsfacette angrenzt. Die vertikale Struktur der drei Laser war gleich, sowie die Stegtiefe, die Ausgangsleistung und die Länge der Einrichtung. Die Breite W1 des Einmodenbereichs (für den Laser (a) entspricht solch eine Breite der gesamten Stegbreite) betrug 4,6 μm. Für die Laser (b) und (c) betrug die maximale Breite des breiten Bereichs W3 9 μm. Für den Laser (c) entspricht solch eine Breite der Breite des breiten Parallelbereichs 110, welcher an die Ausgangsfacette 114 angrenzt. Die Tabelle 1 fasst die geometrischen Maße der verschiedenen Bereiche zusammen.
TABELLE 1
Wie ersichtlich ist, wurde die gleiche Länge L1 des Einmodenbereichs für die Laser (b) und (c) verwendet.
Die 8A und 8B führen die Ergebnisse für Einrichtungen auf, welche eine Gesamtlänge L = 1250 μm aufweisen. 8 zeigt das Temperaturprofil innerhalb der aktiven Schicht für die drei Laser (in Bezug auf die Temperatur einer Peltier-Zelle, welche unterhalb dem Laser selbst platziert wurde, welche der Temperatur des Substrats 204 entspricht) in die seitliche Richtung X (siehe 4) bei der Ausgangsfacette. 8B zeigt das Temperaturprofil innerhalb der aktiven Schicht in die Längsrichtung Z (siehe 4) entlang dem Hohlraum.
Wie in 8A gezeigt wird, weisen beide Laser (b) und (c) im Vergleich zum Profil des Lasers (a) aufgrund der geringeren Leistungsdichte ein größeres Profil auf. Dennoch weist der Laser (b) im Wesentlichen die gleiche Temperaturanreicherung des Lasers (a) auf, während der Laser (c) einen viel geringeren Höchstwert aufweist. Es sollte zur Kenntnis genommen werden, dass die Reduktionsmenge 25 beträgt. Diese wesentliche Reduktion der Temperatur lässt eine Hochleistungsbetätigung ohne die Erregung von Moden einer höheren Ordnung zu, wie zuvor erwähnt wurde.
Wie in 8B gezeigt wird, weisen beide Laser (b) und (c) ein geringeres Profil in Bezug auf den Laser (a) auf, aber der Laser (c) weist die geringste Temperatur entlang dem gesamten Hohlraum mit einer bedeutenden Reduktion auf. Die Temperatur entlang dem Hohlraum in Richtung Z ist insbesondere in dem Bereich geringer, welcher an die Ausgangsfacette angrenzt.
Sogar noch mehr verbesserte Ergebnisse werden in den 9A–9B gezeigt, welche Pläne der entsprechenden Werte der 8A–8B sind, welche mit einer Gesamtlänge der Einrichtung von 1500 μm erhalten wurden. Die Tabelle 2 fasst die geometrischen Maße der verschiedenen Bereiche zusammen.
TABELLE 2
Wie aus einem Vergleich zwischen der Tabelle 1 und der Tabelle 2 ersichtlicht ist, liegt der einzige Unterschied beim Laser (c) in der Länge L3 des breiten Parallelbereichs 110, welcher eher 650 μm als 400 μm beträgt. Wie durch die 9A–9B gezeigt, ist die Temperaturverringerung sowohl in seitlicher Richtung als auch Längsrichtung mit einer längeren L3 wesentlicher. Die 10A und 10B sind die Pläne des Höchstleistungsprofils entlang dem Hohlraum für die gleichen Laser der 9A und 9B. Der vorteilhafte Effekt des breiten Parallelbereichs 110, welcher an die Ausgangsfacette für den Probenlaser (c) angrenzt, ist für das Erhalten einer geringen Höchstleistungsdichte offensichtlich.
Es sollte zur Kenntnis genommen werden, dass sich die vorteilhaften Ergebnisse über das Temperaturprofil und das Höchstleistungsprofil aufgrund der angemessenen Auswahl des Anordnens des breiten Parallelbereichs angrenzend an die Ausgangsfacette des Lasers ergeben, d.h. in einen Bereich, in welchem die Leistung hoch ist. Solche Ergebnisse sind für Hochleistungseinmodenlaser bedeutend, welche eine Leuchtfleckgröße mit einem kleinen seitlichen Maß aufweisen. Diese Laserart lässt eine effiziente Verbindung durch eine Stumpfverbindung in seitliche Richtung an eine Einmodenfaser zu. Für Laser mit einem größeren seitlichen Maß (20 μm oder mehr im in Betracht gezogenen Emissionswellenlängenbereich) werden die Wirkungen auf das Temperaturprofil und auf das Höchstleistungsprofil durch die Tatsache gemildert, dass die Energiedichte aufgrund der größeren Fläche der Leuchtfleckgrößen gemildert.
Es wurde auch festgestellt, dass die Länge L3 des breiten Parallelbereichs, welcher an die Ausgangsfacette angrenzt, vorzugsweise mindestens 20 μm für eine merkliche Wirkung aus der vorliegenden Erfindung sein sollte. Vorteilhafter Weise sollte die Länge L3 des breiten Parallelbereichs mindestens 0,04 L betragen. Bevorzugter sollte die Länge L3 des breiten Parallelbereichs mindestens 0,1 L betragen. Sogar noch bevorzugter sollte die Länge L3 des breiten Parallelbereichs mindestens 0,2 L betragen.
Die Zuverlässigkeitswerte, welche von mehr als 300 konisch erweiterten Einrichtungen nach der Erfindung mit einer Gesamtlänge von 750 μm gesammelt wurden und bei unterschiedlichen Zuständen getestet wurden (Ausgangsleistung im Bereich von 200 mW bis 350 mW, Gehäusetemperatur von 25 C bis 70 C, Emissionswellenlänge von ca. 980 nm), deuteten darauf hin, dass eine konisch erweiterte Struktur nach der Erfindung das Erzielen einer Ausfallrate (in FIT-Einheiten) zulässt, welche um mehr als 40 % geringer als der mit einem herkömmlichen Laser erzielte Wert ist, welcher die gleiche Hohlraumlänge L und keine konisch erweiterte Struktur aufweist und unter den gleichen Zuständen arbeitet (Ausgangsleistung, Gehäusetemperatur). Dieses Ergebnis ist für Einsätze insbesondere wichtig, für welche die Zuverlässigkeit ein entscheidender Punkt bezüglich dem Bauteil ist (beispielsweise Unterwasseranwendungen).
Andere Vorteile des an die Ausgangsfacette angrenzenden, breiten Parallelbereichs hängen mit den optischen Eigenschaften des durch die Ausgangsfacette des Lasers emittierten Strahls zusammen.
11 zeigt einen Plan des Strahlenintensitätsprofils bei der Ausgangsfacette. Insbesondere stellt die durchgezogene Linie 1102 das Strahlenintensitätsprofil eines Lasers nach der vorliegenden Erfindung mit L1= 400 μm, L2= 200 μm, L3= 150 μm dar. Die gestrichelte Linie 1104 stellt das Strahlenintensitätsprofil eines Lasers mit einem divergierenden, adiabatischen Abschnitt dar, welcher bis zur Ausgangsfacette weiterführt (wie z.B. der oben genannte Laser (b)), wobei L1= 400 μm und L2= 350 μm beträgt. Beide Laser weisen W1= 4,6 μm und W3= 9 μm auf. Wie in 11 gezeigt, ist das Strahlenintensitätsprofil 1102 für den Laser nach der vorliegenden Erfindung geringer und breiter. Dies führt zu einem jeweiligen Senken der Energiedichte bei der Ausgangsfacette, was zum Verhindern eines Totalschadens des optischen Reflektors (COMD) vorteilhaft ist, wenn hohe Leistungen beteiligt sind.
12 ist ein Plan des Phasenprofils des Strahls bei der Ausgangsfacette der Laser, welche für 11 erörtert wurden. Wie hervorgeht, ist das Phasenprofil 1202 des Strahls für den Laser der Erfindung (durchgezogene Linie) in Bezug auf das Phasenprofil 1204 (gestrichelte Linie) für den herkömmlichen Laser mit einem divergierenden Bereich, aber keinem breiten Parallelbereich 110 abgeflacht. Mit anderen Worten ist der Laser nach der Erfindung weniger astigmatisch. Dieser Aspekt ist wichtig, da ein weniger astigmatischer Strahl eine effizientere Kopplung der Energie in eine Faser zulässt, was die Notwendigkeit einer zusätzlichen Optik beim Koppeln beseitigt. Zudem gibt es eine vorteilhafte Wirkung im Hohlraum, da die Brechung des Laserlichts, welches durch die gering reflektierende Facette im Hohlraum zurückreflektiert wird, eine flache Wellenfront aufweist, was zu einer sehr schnellen Kopplung im Hohlraum selbst führt. Andererseits führt der astigmatische Strahl nach der Rückreflexion zu einer divergenten Wellenfront auf der gering reflektierenden Facette, was beim Koppeln innerhalb des Hohlraums weniger wirksam ist und zu einer langsameren Phasenstabilisation des Strahls innerhalb des Hohlraums selbst führt.
In der folgenden Tabelle 3 werden die geometrischen Maße der vorteilhaften, als Beispiel dienenden Strukturen des Lasers der Erfindung aufgeführt, welcher eine Wellenlänge von ca. 980 nm emittiert. Solche Laser können in einer Faser eine Leistung koppeln, welche bedeutend höher als 150 mW ist.
TABELLE 3
Ein wie hierin beschriebenes Halbleiterlaserelement kann bezeichnenderweise als ein Pumpenlaser für Erbiumdotierte Glasfaserverstärker oder Glasfaserlaser verwendet werden. Durch das Folgen der Lehre der vorliegenden Beschreibung und das Auswählen der vertikalen Struktur und aktiven Materialien nach bekannten Verfahren kann jemand mit technischen Fähigkeiten eine Hochleistungslaseremission bei anderen spezifischen Wellenlängen erreichen, um eine Pumpenquelle für aktive Fasern zu schaffen, welche mit anderen Seltenerdenelementen dotiert sind. Der beschriebene Laser lässt zu, die bestehenden Glasfaserverstärker dadurch zu verbessern, dass er zulässt die Verstärkung des Verstärkers und/oder seine Ausgangsleistung zu erhöhen, was unter anderem ermöglicht, die Anzahl an Kanälen zu erhöhen, welche verstärkt werden können. Darüber hinaus weist der Laser der Erfindung eine hohe Zuverlässigkeit auf und erweist sich dadurch insbesondere für die Verwendung beim Pumpen von optischen Unterwasserverstärkern als vorteilhaft.
Wie jemandem mit technischen Fähigkeiten bekannt ist, enthält ein optischer Verstärker typischerweise einen oder mehrere Pumpenlaser und einen oder mehrere aktive Fasern, welche mit Erbium dotiert sind, oder allgemein aktive Fasern, welche mit einer Seltenerde dotiert sind. Der Pumpenlaser oder die Pumpenlaser sind durch einen oder mehrere frequenzselektive Koppler an die aktive Faser oder Fasern gekoppelt, beispielsweise gesicherte Faser koppler oder Mikrooptikkoppler. Ein optischer Verstärker zur Verwendung in einer Unterwassertelekommunikationstechnik ist typischerweise in einem schmalen, wasserdichten Behälter eingeschlossen.
Jemandem mit technischen Fähigkeiten wird offensichtlich sein, dass verschiedene Abänderungen und Veränderungen im offenbarten Verfahren und Produkt vorgenommen werden können, ohne vom Bereich oder Wesen der Erfindung abzuweichen. Andere Ausführungsformen der Erfindung werden für jemandem mit technischen Fähigkeiten in Anbetracht der Beschreibung und Ausübung der hierin offenbarten Erfindung offensichtlich sein. Beispielsweise kann ein Streifenlaser, welcher den Verstärkungsleitmechanismus verwendet, mit der geometrischen Struktur des leitenden Abschnitts nach der oben erwähnten Beschreibung ausgeführt sein. Als weiteres Beispiel kann ein Halbleiterverstärker mit einer wie oben beschriebenen geometrischen Struktur durch das Versehen der Facetten mit den Antireflexionsbeschichtungen (AR) realisiert werden. Im Falle eines Verstärkers sind vorzugsweise beide Facetten mit einer Anschlusslitze mit Glasfasern versehen. Um die Rückreflexionen zu verringern können außerdem vorzugsweise schräge Facetten (d.h. zum Steg nicht senkrecht) aufgenommen werden.
Die Beschreibung und Beispiele sollen nur als Beispiele dienen, wobei der wahre Bereich der Erfindung durch die folgenden Ansprüche gezeigt wird.

Claims

Halbleiterelement zum Emittieren eines Einzelmodenlaserlichts bei einer Leistung über 100 mW, welches einen lichtleitenden Abschnitt der Länge L aufweist, welcher der Länge nach zwischen einer hinteren Facette (112) und einer vorderen Facette (114) verläuft, wobei der lichtleitende Abschnitt Folgendes enthält: einen an die hintere Facette angrenzenden, schmalen Abschnitt (106) mit Seiten, deren relative Divergenz weniger als 0,1° beträgt, der Breite W1 und der Länge L1 zum Leiten eines Singlemode (Einzelmode) der Ausbreitung, einen divergierenden Abschnitt (108) der Länge L2, welcher von einer Breite W1 zu einer Breite W3 breiter wird, zum adiabatischen Erweitern des Singlemode der Ausbreitung, dadurch gekennzeichnet, dass: die Länge L1 mehr als 0,4 L beträgt, der lichtleitende Abschnitt einen an die vordere Facette (114) angrenzenden, breiten Abschnitt (110) mit Seiten Breite W3, deren relative Divergenz weniger als 0,1° beträgt, und der Länge L3 enthält, welche mehr als 20 μm beträgt, wobei die Breite W3 in einem Bereich zwischen 5 und 20 μm liegt.
Halbleiterelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die hintere Facette (112) mit einer stark reflektierenden Beschichtung und die vordere Facette (114) mit einer gering reflektierenden Beschichtung beschichtet ist.
Halbleiterelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beide Facetten (112, 114) mit einer Antireflexionsbeschichtung beschichtet sind.
Halbleiterelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlänge des emittierten Laserlichts ca. 980 nm beträgt.
Halbleiterelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass W3 zwischen 5 und 11 μm umfasst.
Halbleiterelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass W1 zwischen 3 und 5 μm umfasst.
Halbleiterelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass L3 mindestens 0,04 L beträgt.
Halbleiterelement nach einem der vorangehenden Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass L3 mindestens 0,1 L beträgt.
Halbleiterelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass L1 weniger als 0,8 L beträgt.
Halbleiterelement nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass L2 mehr als 100 μm beträgt.
Halbleiterelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der divergierende Abschnitt (108) gerade Seiten mit einem Divergenzwinkel von weniger als 2,5° aufweist.
Halbleiterelement nach einem der vorangehenden Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlänge des emittierten Laserlicht ca. 1480 nm beträgt.
Halbleiterelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Vielzahl an Schichten in einer vertikalen Richtung enthält.
Halbleiterelement nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steg (102) auf mindestens einer der oberen Schichten der Vielzahl an Schichten definiert ist und dadurch den lichtleitenden Abschnitt definiert.
Halbleiterelement nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass es eine aktive Schicht (200a) mit einer Ober- und Unterseite, eine Kernschicht (200b, 200b') über der Ober- und Unterseite der aktiven Schicht mit einem Brechungsindex n, wobei n mit der Entfernung von der aktiven Schicht abnimmt, eine Mantelschicht (202, 202') über jeder Kernschicht, eine obere, dünne Schicht (206) auf einer Mantelschicht und eine Substratschicht (204) auf der anderen Mantelschicht enthält.
Halbleiterelement nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass es eine über der Oberfläche des Stegs (102) definierte Pumpenelektrode enthält.
Halbleiterelement nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpenelektrode über der Gesamtoberfläche des Stegs definiert ist.
Halbleiterelement nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpenelektrode T-förmig ist und eine Breite W1 über dem schmalen und divergierenden Abschnitt des lichtleitenden Abschnitts und eine Breite W3 über dem breiten Abschnitt des lichtleitenden Abschnitts aufweist.
Mit einer Anschlusslitze versehenes Halbleiterelement, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Halbleiterelement nach einem der vorangehenden Ansprüche an eine Einzelmodenfaser mit einem Modenfelddurchmesser MFD verbunden ist, und dass die Breite W3 in einem Bereich zwischen 0,6 MFD und 1,4 MFD liegt.
Mit einer Anschlusslitze versehenes Halbleiterelement nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung mit der Einzelmodenfaser eine Stumpfverbindung ist.
Glasfaserverstärker, welcher einen mit einer Seltenerde dotierten Glasfaserleiter, ein mit einer Anschlusslitze versehenes Halbleiterelement nach Anspruch 19 zum Schaffen einer Pumpenemission und einen frequenzselektiven Koppler aufweist, welcher zum Koppeln der Pumpenemission mit dem mit einer Seltenerde dotierten Glasfaserleiter geeignet ist.
Glasfaserverstärker nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass er weiter einen wasserdichten Behälter enthält, wobei der mit einer Seltenerde dotierte Glasfaserleiter, das mit einer Anschlusslitze versehene Halbleiterelement und der frequenzselektive Koppler vom Behälter umgeben sind.