-
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 AlxGa1–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 AlxGa1–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 Eg 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 InyGa1–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.
-
-
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.
-
-
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.
-
-
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.