DE69325507T2

DE69325507T2 - Mit resonatorbegrenzenden nuten versehene konische verstärkungsanordnung für halbleiterlaser

Info

Publication number: DE69325507T2
Application number: DE69325507T
Authority: DE
Inventors: Stephen Chinn; Emily Kintzer; Leo Missaggia; James Walpole; Christine Wang
Original assignee: Massachusetts Institute of Technology
Current assignee: Massachusetts Institute of Technology
Priority date: 1992-01-31
Filing date: 1993-01-28
Publication date: 1999-10-28
Anticipated expiration: 2013-01-29
Also published as: US5260822A; CA2128204A1; CA2128204C; JPH07503581A; EP0624284A4; EP0624284B1; EP0624284A1; JP3267295B2; WO1993015537A1; US5400353A; DE69325507D1

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft Halbleiterlaser-Verstärker. Insbesondere betrifft die Erfindung Halbleiterlaser-Verstärker mit sich verjüngenden Verstärkungsbereichen.

Hintergrund der Erfindung

Halbleiterlaser-Oszillatoren (d. h., Laserlichtquellen, hierin nachstehend als Laser bezeichnet) und Halbleiterlaser- Verstärker (d. h., hierin als Verstärker bezeichnet) wurden zuerst in den Jahren um 1960 entwickelt. Derartige Laseroszillatoren und -Verstärker boten den offensichtlichen Vorteil einer extrem kleinen Größe im Gegensatz zu anderen Lasertypen. (Ein typischer Halbleiterverstärker kann in der Größenordnung von einigen 100 um lang sein). Diese ersten Halbleiterlaser wurden nur aus einem Halbleitertyp hergestellt.
Ein moderner Halbleiterlaser-Oszillator oder -Verstärker weist typischerweise eine Halbleiterheterostruktur auf, d. h., er besteht aus mehr als nur einem Halbleitermaterial, wie z. B. aus Galliumarsenid (GaAs) und Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs). Halbleiteroszillatoren und -Verstärker bestehen aus einer Kombination von Halbleitermaterialien, welche verschiedene Bandabstandsenergien aufweisen, um sowohl einen Einschluß des elektrischen Stroms als auch unterschiedliche optische Brechungsindizes zu erzielen, um eine optische Eingrenzung zu erhalten.
Ein exemplarischer Doppelheterostruktur-Verstärker 10 nach dem Stand der Technik ist in Fig. 1 und 2 dargestellt und weist drei Schichten Halbleitermaterial auf: 1) ein p-Typ Material 12 mit einem relativ hohem Bandabstand, wie z. B. GaAs, 2) ein n-Typ Material 14 mit einem relativ hohen Bandabstand, welche ebenfalls GaAs sein kann, und 3) ein p- Typ Material mit 16 mit einem relativ niedrigen Bandabstand, wie z. B. GaAs, das zwischen den zwei anderen Schichten eingeschlossen ist. Ein Metallkontakt 18 steht mit der Oberseite der oberen Schicht in Kontakt, welche entweder ein n-Typ oder p-Typ Material mit hohem Bandabstand sein kann. Wenn ausreichend Strom durch den Metallkontakt geleitet wird, werden Elektronen und Löcher aus den Materialschichten 12 und 14 mit hohem Bandabstand in den aktiven Bereich 16 injiziert. Diese Elektronen und Löcher werden von der von dem GaAs-Material mit niedrigem Bandabstand erzeugten Potentialmulde eingefangen. Da die Elektronen in dem aktiven Bereich 16 eingefangen werden, werden sie gezwungen, sich gegenseitig in dem GaAs- Material zu rekombinieren. Ein in diesen Bereich eingebrachtes Licht wird verstärkt.
Ein Einschluß des Lichts auf die GaAs-Schicht 18 wird durch die Wellenleitungseigenschaften der AlGaAs/GaAs/AlGaAs- Materialanordnung vorgegeben. Die AlGaAs-Schichten weisen einen niedrigeren optischen Brechungsindex, als den des GaAs- Materials auf und erzeugen somit eine interne Totalreflexion von Licht außerhalb der Übergänge 13 und 15, so daß das Licht innerhalb der GaAs-Schicht 16 verbleibt. Der elektrische Kontakt 18 definiert die seitlichen Begrenzungen 17 und 19 des Verstärkungsbereichs.
Es wurden bereits viele Lösungsansätze vorgeschlagen, um das Ziel eines Hochleistungs-Dauerstrichbetriebs mit einem Einkeulen-Raummoden-Ausgangssignal aus Halbleiterlasern oder Halbleiterverstärkern zu erzielen. Ein solcher Lösungsansatz besteht in der Verwendung eines sich seitlich verjüngenden elektrischen Kontaktes 18, um so einen sich seitlich verkleinernden Verstärkungsbereich zudefinieren, wie er in Fig. 1 dargestellt ist.
Im Betrieb wird von einem Laser 11 erzeugtes Licht durch eine Linse 21 auf die Eingangskristallfläche 20 des sich verjüngenden Verstärkers 10 fokussiert. Die Verwendung eines sich verjüngenden Verstärkungsbereiches läßt eine höhere Verstärkung vor der Sättigung als sich nicht verjüngende Anordnungen zu, da sie die Aufweitung eines an der Eingangskristallfläche 20 eintretenden Ein-Raummoden-Strahls nahezu ohne Brechung bei dessen Durchlauf durch den Halbleiter erlaubt.
Wenn dem Strahl gestattet wird, sich natürlich ohne externe Interferenz auszubreiten, weitet sich der Strahl in seinem niedrigsten Gaußschen Modus auf, was somit zu dem gewünschten räumlich gleichmäßig verstärkten Ausgangsstrahl führt. Da sich der Strahl mit steigender Leistung aufweitet, wird auch die Verstärkungssättigung reduziert. Ferner reduziert die Aufweitung des Strahls die Möglichkeit einer optischen Beschädigung an der Ausgangskristallfläche 22, da die Leistung in dem Strahl mehr verteilt wird.
Die sich verjüngende Verstärkungsbereichanordnung weist jedoch einen Nachteil dahingehend auf, daß eine derartige Struktur leicht zur Selbstoszillation neigt. Selbstoszillation tritt auf, wenn ein kleiner Teil des auf die Ausgangskristallfläche auftreffenden Lichtes in das Halbleitermedium zurückreflektiert wird. Das reflektierte Licht interferiert mit dem Eingangslicht bei dessen Wanderung durch den Halbleiter, was eine Ungleichmäßigkeit in dem Verstärkungsprofil sowie in der räumlichen Verteilung des Ausgangslichts und möglicherweise sogar eine zeitliche Instabilität des Ausgangslichtes verursacht.
In Halbleiterlasern ist eine gut definierte und kontrollierte Selbstoszillation erwünscht und tatsächlich auch erforderlich, eine Laserwirkung zu erzielen. Ein unkontrollierte Selbstoszillation ist jedoch unnötig und daher unerwünscht. Ferner ist in Halbleiterverstärkern jede Selbstoszillation unnötig und daher unerwünscht, das sie mit dem Eingangslicht interferiert und die. Erzeugung von räumlichen Verteilungsmoden höherer Ordnung (d. h., Modenumwandlung) bewirkt, was u einer Ungleichmäßigkeit in der räumlichen Verteilung des Strahls führt. Sie reduziert auch den Verstärkungsfaktor. Selbstoszillation kann auch zu einer zeitlichen Instabilität des Ausgangsstrahls führen.
Dieses Problem kann teilweise durch die Verwendung von Antireflexionsbeschichtungen an den Eingangs- und Ausgangskristallflächen 20 und 22 verringert werden. Diese Lösung ist jedoch in der Praxis oft nur schwer zu erreichen, und es kann möglicherweise in bestimmten monolithischen Implementationen, in welchen ein Halbleiter-Hauptoszillatorlaser und ein Halbleiter-Verstärker auf demselben Chip integriert sind, nicht realisierbar sein.
Demzufolge ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Halbleiterlaser-Verstärker bereitzustellen.
Es ist ferner eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen sich verjüngenden Halbleiterverstärker mit erhöhter Stabilität zur Unterdrückung von Selbstoszillation zu bereitzustellen.
Es ist eine noch weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen sich verjüngenden Halbleiterlaser-Verstärker mit verbesserter Fähigkeit zur Unterdrückung einer Modenumwandlung bereitzustellen.
Es ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Halbleiterverstärkungsanordung bereitzustellen, welche als ein Laseroszillator oder als ein Laserverstärker abhängig von der Aufbringung einer Antireflexionsbeschichtung auf der Eingangskristallfläche der Anordnung verwendet werden kann.
EP-A-0 214 866 offenbart ein Halbleiterlaserelement, welches einen mehrschichtigen Halbleiterkristall aufweist, der einen aktiven Bereich für Laseroszillation enthält, wobei die aufgeweiteten Abschnitte des aktiven Bereichs, welche an beiden Seiten einer Kristallfläche mit der Breite eines selektierten Wertes des Elementes anliegen, lichtabsorbierende Bereiche bilden, mittels welcher Licht in einem Transversalmodus höherer Ordnung in einem größeren Ausmaß absorbiert wird als in einen Grundtransversalmodus, um dadurch eine Laseroszillation in einem stabilen Grundtransversalmodus bis zu einer hohen Ausgangsleistung zu erhalten
EP-A-0 486 428 offenbart einen vergrabenen Heterostruktur-Halbleiter mit verteilter Rückkopplung, welcher ein für einen Oszillationslichtstrahl transparentes Halbleitersub strat, einen Laserstreifen einschließlich eines Beugungsgitters, eine aktive Schicht und eine auf dem Halbleitersubstrat ausgebildete Führungsschicht, und einen Halbleiterumgebungsbereich aufweist, der so ausgebildet ist, daß er den Laserstreifen auf dem Halbleitersubstrat abdeckt. Der Halbleiterumgebungsbereich ist für einen Oszillationslichtstrahl transparent. Rechteckige Nuten sind in der Nähe beider Seiten der Emissionskristallfläche des Laserstreifens tiefer als der Laserstreifen ausgebildet. Da ein Strahlungsmodus aus dem Laserstreifen von den Nuten reflektiert und gestreut wird, kann er kaum die Emissionskristallfläche erreichen. Daher interferiert der Strahlungsmodus nicht mit einem Ausgangsstrahl aus dem Laser.
JP-A-2,246,488 offenbart eine Halbleiterlaser-Verstärkungsanordnung gemäß der Präambel von Anspruch 1.
Die vorliegende Erfindung ist durch die Merkmale des kennzeichnenden Abschnittes von Abschnitt 1 gekennzeichnet.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Erfindung umfaßt eine sich verjüngende Halbleiterlaser-Verstärkungsanordnung, welche als ein Halbleiterlaser- Verstärker oder als ein Halbleiterlaser-Oszillator genutzt werden kann.
Die vorliegende Erfindung umfaßt eine Halbleiterlaser- Verstärkungsanordnung, welche einen sich verjüngenden Verstärkungsbereich zwischen gespalteten Eingangs- und Ausgangskristallflächen aufweist. Die seitliche Dimension des Verstärkungsbereiches des Halbleiters wird durch einen sich verjüngenden Metallkontakt auf der Oberfläche des Halbleiter definiert. Eine Wellenleitungsanordnung wird durch eine herkömmliche Schichtung von Halbleitermaterialien aufgebaut. Licht mit einem Gaußchen räumlichen Grundverteilungsmodus, welches auf die Eingangskristallfläche angrenzend an den Verstärkungsbereich fokussiert wird, breite frei entlang des sich verjüngenden Verstärkungsbereich aus, wobei es sich in seinem Gaußchen Grundmodus aufweitet, und an Leistung ge winnt. Es gibt keinen absichtlich eingebrachten Brechungsindexgradienten an der Grenzfläche des Verstärkungsbereichs. Der Verstärkungsbereich wird lediglich durch den elektrischen Kontakt bestimmt. Demzufolge wird der die Grenze der Verstärkungsanordnung erreichende Lichtanteil, welcher in die Verstärkungsanordnung zurückreflektiert wird, minimiert, wodurch eine Interferenz zwischen reflektiertem Licht und dem verstärktem Eingangslicht minimiert, und die Erzeugung von Verteilungsmoden höherer räumlicher Ordnung reduziert wird.
Ferner sind zwei reflektierende Resonatorbegrenzungs- bzw. Hohlraumableitungsnuten in den Halbleiter angrenzend an die Eingangskristallfläche mit einem dazwischen vorgesehen Spalt geätzt, so daß das Eingangslicht diesen passieren kann, und sich entlang dem Verstärkungsbereich des Halbleiters ausbreiten kann. Die Nuten sind so positioniert, daß sie den Hauptanteil des Lichts aufnehmen, welches von der Ausgangskristallfläche in den Halbleiter zurückreflektiert wird, und sind in einem solchen Winkel angeordnet, daß sie dieses Licht von dem Verstärkungsbereich weg und primär in das Substrat oder in die sägegeschnittenen seitlichen Ränder reflektieren. Demzufolge wird eine unerwünschte Selbstoszillation signifikant verringert, da der Hauptanteil des Lichts welches von der Ausgangskristallfläche zurückreflektiert wird, durch die den geätzten Nuten von dem Verstärkungsbereich weggeleitet wird.
Wenn das Element als ein Laserverstärker verwendet wird, werden sowohl die Eingangs- als auch die Ausgangskristallfläche antireflexiv beschichtet.
Wenn jedoch das Element als ein Laseroszillator verwendet wird, wird nur die Ausgangskristallfläche antireflexiv beschichtet. Somit wird ein relativ großer Anteil des Lichts, welcher von dem Zentrum der Ausgangskristallfläche auf die Eingangskristallfläche zwischen den Hohlraumableitungsnuten reflektiert wird, wieder in den Halbleiterhohlraum zurück reflektiert, was zu einer Oszillation führt. Das von dem nicht zentralen Teil der Ausgangskristallfläche reflektierte Licht wird nicht zu der Eingangskristallfläche zurückgeführt, sondern trifft auf die Ableitungsnuten und wird dadurch aus dem Verstärkungsbereich geleitet. Aufgrund der Oszillation nur des Lichts, das auf dem zentralsten Bereich der Ausgangskristallfläche auftritt, wird eine Oszillation von räumlichen Verteilungsmoden höherer Ordnung unterdrückt.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine Draufsicht auf einen Laserverstärker mit sich verjüngender Verstärkungsanordnung nach dem Stand der Technik.
Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie 2-2 von Fig. 1.
Fig. 3 ist eine Draufsicht auf die Halbleiterverstärkungsanordnung der vorliegenden Erfindung, welche als ein Laserverstärker konfiguriert ist.
Fig. 4 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie 4-4 von Fig. 3.
Fig. 5 ist eine Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform der Halbleiteranordnung der vorliegenden Erfindung, die als ein Laseroszillator konfiguriert ist.
Fig. 6 ist eine Darstellung exemplarischer Lichtverteilungen eines sich in dem Laseroszillator von Fig. 5 ausbreitenden Lichts.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Fig. 3 ist eine Draufsicht auf den Halbleiterlaser-Verstärker der vorliegenden Erfindung. Fig. 4 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie 4-4 von Fig. 3. Die Halbleiterschichtanordnung ist in etwa für Heterostruktur-Halbleiterlaser und -Verstärker dahingehend konventionell, daß sie eine Schicht aus Materialien mit niedrigem Bandabstand aufweist, die zwischen zwei Schichten eines entgegengesetzten dotierten Materials mit hohem Bandabstand eingeschlossen ist. Ein sich verjüngender elektrisch leitender Kontakt 30 ist auf der Oberfläche 32 der Halbleiterstruktur angeordnet. Der Kontakt 30 kann aus Metall bestehen. Licht aus einer Laserlichtquelle 29 wird in die gespaltete Eingangskristallfläche 34 mittels einer Fokussierungslinse 36 eingeführt. Der Grad der Verjüngung ist so gewählt, daß er dem Eingangsstrahl ermöglicht, sich natürlich in seinem Gaußchen räumlichen Grundmodus aufzuweiten, so, daß dessen Lichtintensitätsprofil keine Nullstellen aufweist, wenn es die gespaltete Ausgangskristallfläche 38 erreicht. Die Seitenränder 40 und 42 des Halbleiters sind sägegeschnitten. Es ist kein beabsichtigter Gradient in dem Brechungsindex des Materials an den Begrenzungen 44 und 46 des Verstärkungsbereichs vorgesehen. Die Begrenzungen 44 und 46 werden lediglich durch den leitenden Metallkontakt 30 definiert. Reflektive Hohlraumableitungsnuten 48 und 50 sind durch die Wellenleitungsschicht hindurch an Positionen geätzt, die zur Aufnahme von Licht ausgewählt sind, das von der Ausgangskristallfläche 38 reflektiert wird, bevor es an die Eingangskristallfläche 34 zurückgeleitet wird. Die Nuten sind ein einem solchen Winkel geätzt, daß sie das Licht von dem Verstärkungsbereich weg reflektieren. Ein Spalt 52 ist zwischen den Nuten 48 und 50 vorgesehen, um dem Eingangslicht zu ermöglichen, sich zwischen den Nuten hindurch entlang des Verstärkungsbereichs auszubreiten. In der bevorzugten Ausführungsform sind die Nuten in einem Winkel von 14º zu der Ebene parallel zu der Ausgangskristallfläche 38 und 45º zu der Ebene des Wellenleiters gemäß Darstellung in Fig. 4 angeordnet.
Wenn die Verstärkungsanordnung als ein Verstärker benutzt wird, werden sowohl die Eingangskristallfläche 34 als auch die Ausgangskristallfläche 38 mit einer antireflexiven Beschichtung beschichtet, um so die Reflexion von diesen gespalteten Oberflächen zu minimieren. Trotzdem wird ein gewisser Lichtanteil von der Ausgangskristallfläche 38 reflektiert und in den Halbleiter auf die Eingangskristallfläche 34 zu zurückgeleitet. Der Hauptanteil derartigen Lichts trifft auf die Hohlraumableitungsnuten 48 und 50, worauf es von den geätzten Nuten entweder zu den sägegeschnittenen Rändern 40 und 42 und aus dem Halbleiter heraus, oder (nicht dargestellt) nach unten in das Substrat geleitet wird. Der kleinere Anteil des Lichts, welches den Spalt 52 zwischen den Nuten passiert, trifft auf die Eingangskristallfläche 34, welche ebenfalls mit einer antireflexiven Beschichtung beschichtet ist. Da der Hauptteil des von der Ausgangskristallfläche 38 reflektierten Lichts auf die Hohlraumableitungsnuten trifft, wird der Lichtanteil, welcher innerhalb des Halbleiters oszillieren kann, signifikant verringert.
Durch das Vorliegen des kleinstmöglichen Indexgradienten an den Begrenzungen 44 und 46 des Verstärkungsbereichs wird die Anregung indexgeführter Moden höherer Ordnung im wesentlichen beseitigt. Derartige Moden haben die Tendenz dispersiv zu sein, und zusätzliche Phasenverschiebungen entlang des Strahls zu erzeugen. Die räumliche Strahlqualität würde wiederum verschlechtert werden.
Da kein absichtlich eingebauter Brechungsindexgradienten an den Grenzflächen vorliegt, tritt jedoch der größte Teil des Lichts, welches auf die Grenzflächen auftrifft, einfach durch diese hindurch statt in den Verstärkungsbereich reflektiert zu werden. Ein kleiner Anteil an Indexführung kann jedoch aufgrund thermischer Effekte unvermeidlich sein, welche von dem durch die Kontaktfläche 30 fließenden Strom sowie von Verstärkungssättigungseffekten und Verspannungseffekten verursacht werden. Dennoch würden diese Effekte nur bewirken, daß ein kleiner Anteil der Ausgangsleistung in einen Bereich außerhalb des Hauptraummodus fällt.
Die hierin offenbarte Verstärkungsanordnung kann auch zur Verwendung als Laseroszillator, d. h., als eine Laserlichtquelle modifiziert werden. Fig. 5 ist eine Draufsicht auf die Verstärkungsanordnung der vorliegenden Erfindung, die zur Erzielung einer kontrollierten Selbstoszillation in dem Gaußchen räumlichen Grundmodus modifiziert ist, um so eine Laserwirkung zu erzielen. In Fig. 5 sind gleiche Merkmale mit denselben Bezugszeichen wie in Fig. 3 bezeichnet. Die Anordnung ist im wesentlichen mit der Ausführungsform in Fig. 3 iden tisch mit der Ausnahme, daß die Eingangskristallfläche 56 nicht mit einer antireflexiven Schicht beschichtet ist. Demzufolge wird ein signifikant größerer Anteil des von der Ausgangskristallfläche reflektierten Lichts welches zwischen den Hohlraumableitungsnuten zu der Eingangskristallfläche zurückgeleitet wird, in den Halbleiter zurück reflektiert. Demzufolge wird ein signifikant großer Anteil an Selbstoszillation zugelassen, so daß eine Laserwirkung auftreten kann.
Die Verwendung der geätzten Nuten in dieser Konfiguration als ein Oszillator führt zu einer extrem stabilen Gaußchen Grundoszillation. Wie zuvor erläutert, trifft der Hauptanteil des Lichts, welches von der Ausgangskristallfläche reflektiert wird, die geätzten Nuten und wird aus dem Halbleiter geleitet. Nur der Anteil des Lichts, welcher die Ausgangskristallfläche sehr nah an ihren Zentrum trifft, wie es bei Fig. 38a in Fig. 5 dargestellt ist, kann durch den Spalt 52 zwischen den geätzten Nuten 48 und 50 hindurchtreten und trifft auf die Eingangskristallfläche 56 auf. Gemäß Darstellung in Fig. 6 ist der weitaus größte Anteil des Lichts, welcher auf das Zentrum 38a der Ausgangskristallfläche 38 auftrifft, sehr gleichmäßig in der Intensität und führt somit zu einer überlegenen Unterdrückung räumlicher Verteilungsmoden höherer Ordnung. Die Kurve 60 in Fig. 6 veranschaulicht eine exemplarische, räumliche Lichtintensitätsverteilung von Licht, das sich in dem Verstärkungsbereich in dem Gaußchen Grundmodus ausbreitet. Die mit Strichen dargestellte Kurve 62 und die mit Punkten dargestellte Kurve 64 stellen die räumliche Lichtintensitätsverteilung von Licht dar, das sich in dem Verstärkungsbereich in der zweiten und dritten Harmonischen zu der Grundwelle ausbreitet. Die relativen Intensitäten der verschiedenen Harmonischen sind nicht genau. Wie vorstehend diskutiert, verringert die vorliegende Erfindung die Erzeugung von räumlichen Moden höherer Ordnung erheblich. Die Harmonischen zweiter und dritter Ordnung sind jedoch zur Erleichterung der Darstellung vergrößert dargestellt. Wie man durch die Nebeneinanderlegung der Kurve 60 mit dem Zentrumsabschnitt 38a der Ausgangskristallfläche 38 sehen kann, trifft ein extrem flacher Abschnitt der Lichtintensitätsverteilungskurve der Grundharmonischen 60 auf die Ausgangskristallfläche im Zentrumsbereich 38a, (d. h., der Anteil, welcher an die Eingangskristallfläche 56 für die Oszillation zurückgesendet wird) auf. Es ist ferner im Hinblick auf die zweite und dritte durch die Kurven 62 und 64 dargestellt Harmonischen zu sehen, daß die Lichtintensitätsverteilung im Bereich 38a nicht so gleichmäßig wie die Kurve 60 ist und eine wesentlich geringere Leistung als die Kurve 60 aufweist. Demzufolge wird eine Unterdrückung höhere Raummoden aus zwei Hauptgründen erzielt. Erstens, ein wesentlich kleinerer Anteil der Lichtenergie in den höheren Harmonischen wird zur Eingangskristallfläche 56 zurückgeführt. Zweitens, das Licht mit dem Gaußchen räumlichen Grundmodus, welches zu der Eingangskristallfläche zurückgeführt wird, ist in der Intensität extrem gleichmäßig, da der flachste Abschnitt der Lichtverteilungskurve auf den Bereich 38a der Ausgangskristallfläche 38 auftrifft. Demzufolge tritt eine Lichtoszillation mit extrem gleichmäßiger Lichtverteilung auf, und führt somit zu einer überlegenen Unterdrückung von Verteilungsharmonischen höherer Ordnung.
Die hierin offenbarte Verstärkungsanordnung wurde als ein Laserverstärker implementiert. Es wurde eine Gesamtdauerstrichleistung bis zu 1, 2 Watt mit 1,0 Watt enthalten in einem Ein-Keulen-Raummodus erzielt.
In dieser Implementation wurden die reflektiven Hohlraumableitungsnuten mittels eines reaktiven Ionenätz-(RIE)-Prozesses unter Verwendung einer Oxidätzmaske hergestellt. Das RIE-System wurde bei 37,24 mbar (28 mTorr) Druck mit einem H&sub2;:CH&sub4; Plasma, erzeugt durch ein 4 : 1 Gasströmungsverhältnis und eine HF-Leistung von 0,9 Watt/cm², betrieben. Der Wafer wurde dann mit 300 nm SiO&sub2; beschichtet. Die linear sich verjüngende Kontaktfläche wurde mittels Photolithographie zur Öffnung des sich verjüngenden Musters in dem Oxid erzeugt. Metalle (Ti/Au) wurden über dem gesamten Wafer aufgedampft, um ein Ohmschen Kontakt zu dem sich verjüngendem Bereich her zustellen. Der Halbleiterverstärker wurde aus einem InGaAs/AlGaAs Halbleitermaterial mit Stufenindex, Heterostruktur mit getrenntem Einschluß und Ein-Quanten-Mulde hergestellt. Dieser Typ eines Quantenmuldenmaterials mit verspannter Schichtstruktur hat sich als inhärent zuverlässiger als herkömmliches nicht verspanntes GaAlAs-Material erwiesen. Die Vorrichtung war 2 mm lang und an der breitesten Stelle des sich verjüngenden Abschnitts 200 um breit. Die Eingangskristallfläche und Ausgangskristallflächen wurden gespalten und antireflexiv mit einer Viertelwellenschicht aus SiOx beschichtet, wobei x so eingestellt wird, daß sich ein Index von 1,8 ergibt, wobei eine Restreflektivität von etwa 1% angenommen wird. Die Betriebswellenlänge für diese Ausführungsform war 970 nm.
Die Erfindung kann auch unter Verwendung in Rückwärtsrichtung vorgespannter Übergänge anstelle geätzter Nuten implementiert werden. Die in Rückwärtsrichtung vorgespannten Übergänge bilden absorbierende Bereiche, die schwer optisch zu sättigen sind. Es wäre auch möglich, andere Ableitungen zu verwenden, wie z. B. lange Bereiche mit Protonen bombardierten Materials oder andere Absorptionsmöglichkeiten, und andere Techniken um den Strahl aus dem Hohlraum abzulenken.
Bei Verwendung der hierin offenbarten erfindungsgemäßen Verstärkungsanordnung als ein Aufschauklungs-Oszillationslaser mit hoher Leistung statt als Verstärker durch Aufbringen der Antireflexionsbeschichtung nur auf die Ausgangskristallfläche wurde eine Ausgangsdauerleistung von 1,5 W mit einer Fernfeldintensitätsverteilung erzielt, die der von Hochleistungslaseranordnungen überlegen ist, welche in einem Phasenverschiebungsmodus arbeiten.
Die hierin offenbarte Verstärkungsanordnung besitzt breite Anwendungsbereiche. Abhängig von der Zusammensetzung des Halbleitermaterials mit verspannten Schichten können die Verstärker für einen Betrieb bei Wellenlängen in den Bereich von 0,8 bis 1,0 um hergestellt werden. Demzufolge kann die vorliegende Erfindung als ein Verstärker oder als ein Aufschauklungsoszillator verwendet werden, der zum Pumpen von Sel tenerde-dotierten Faserverstärkern, bei den eine hohe räumliche Modenqualität erforderlich ist, geeignet ist. Zusätzlich können diese Elemente in anderen Pumpanwendungen, wie z. B. als Festkörperlaserpumpen und insbesondere als Endpumpen verwendet werden. Da eine hohe spektrale Reinheit und hohe Modulationsraten durch Steuerung der Hauptoszillatoreigenschaften erzielt werden können, können diese Verstärker für den Bau von Hochleistungssendern für optische Freiraumkommunikationssysteme verwendet werden. Brechungsbegrenzte Diodenquellenanwendungen hoher Leistung sind ebenfalls für eine effiziente Frequenzverdoppelung in dem Blau/Grün-Bereich des Spektrums für optische Plattenspeicher und andere Anwendungen möglich.
Nach der Beschreibung einiger weniger spezieller Ausführungsformen der Erfindung werden dem Fachmann auf diesem Gebiet verschiedene Abänderungen, Modifikationen und Verbesserungen ohne weiteres offensichtlich sein. Solche Abänderungen, Modifikationen und Verbesserungen, wie sie durch diese Offenbarung offensichtlich sind, sollen Teil dieser Beschreibung sein, auch wenn sie hierin nicht ausdrücklich erwähnt wurden, und sollen innerhalb des Schutzumfanges dieser Erfindung liegen. Demzufolge ist die vorstehende Beschreibung nur exemplarisch und nicht einschränkend, da die Erfindung durch die nachstehenden Ansprüche definiert ist.

Claims

1. Halbleiterlaser-Verstärkungsanordnung, aufweisend:

einen Abschnitt eines Halbleitermaterials mit ersten und zweiten Kristallflächen (34, 38) an dessen längsseitig gegenüberliegenden Enden, eine Oberseite und eine Wellenleitungsanordnung, die eine aktive Schicht (16) aus einem Material mit niedrigem Bandabstand, das zwischen zwei Schichten (12, 14) eines entgegengesetzt dotierten Materials mit hohem Bandabstand eingeschlossen ist, umfaßt, wobei in dieser Wellenleitungsanordnung elektromagnetische Strahlung in Längsrichtung wandert;

eine elektrisch leitende Kontaktfläche (30) die mit der Oberseite des Abschnittes aus Halbleitermaterial verbunden ist und sich in Längsrichtung von der zweiten Kristallfläche (38) zu der ersten Kristallfläche (34) erstreckt, wobei die elektrisch leitende Kontaktfläche (30) sich verjüngt, so daß die Kontaktfläche (30) bei der zweiten Kristallfläche (38) breiter als bei der ersten Kristallfläche (34) ist, und der Abschnitt der Wellenleitungsanordnung, welcher sich unterhalb der Fläche (30) befindet, einen Verstärkungsbereich in der Wellenleitungsanordnung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß:

die seitliche Abmessung des Verstärkungsbereich lediglich durch die sich verjüngende Fläche (30) definiert wird, und die Halbleiterlaser-Verstärkungsanordnung weiterhin zwei Hohlraumableitungseinrichtungen (48, 50) in der Wellenleitungsanordnung so außerhalb und an gegenüberliegenden Seiten des Verstärkungsbereichs und an dem schmalen Ende des Verstärkungsbereichs positioniert aufweist, daß die Hohlraumableitungseinrichtungen (48, 50) im Betrieb einen Anteil der elektromagnetischen Strahlung aufnehmen, welcher von der zweiten Kristallfläche (38) in den Abschnitt des Halbleitermaterials reflektiert wird, wobei die Hohlraumableitungseinrichtungen (48, 50) dafür angepaßt sind, den Anteil der elektromagnetischen Strahlung zu entfernen, welchen sie von dem Abschnitt des Halbleitermaterials empfangen, wobei die Ableiteinrichtungen (48, 50) entweder reflexive Oberflächen oder lichtabsorbierende rückwärts vorgespannte Übergänge oder lichtabsorbierende Abschnitte, die in der Wellenleitungsanordnung ausgebildet sind, aufweisen.

2. Halbleiterlaser-Verstärkungsanordnung nach Anspruch 1, wobei die Hohlraumableitungseinrichtungen (48, 50) in die Wellenleitungsanordnung geätzte Nuten aufweisen, und die Nuten die reflexiven Oberflächen definieren, welche das empfangene Licht von dem Verstärkungsbereich weg reflektieren.

3. Halbleiterlaser-Verstärkungsanordnung nach Anspruch 1, wobei die reflexive Oberfläche der Hohlraumableitungseinrichtungen (48, 50) in einem Winkel von 14 Grad zu einer Ebene parallel zu der zweiten Kristallfläche (38) positioniert ist.

4. Halbleiterlaser-Verstärkungsanordnung nach Anspruch 3, wobei die reflexive Oberfläche der Hohlraumableitungseinrichtungen (48, 50) in einem Winkel von 45 Grad zu einer Ebene parallel zu der Oberseite positioniert ist.

5. Halbleiterlaser-Verstärkungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Abschnitt des Halbleitermaterials erste und zweite sägegeschnittene Seitenflächen aufweist, welche in Längsrichtung die ersten und zweiten Kristallflächen (34, 38) verbinden und einander gegenüberliegen.

6. Halbleiterlaser-Verstärkungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Verstärkungsanordnung ein Laserverstärker ist und die Verstärkungsanordnung ferner Antireflexionsbeschichtungen auf den ersten und zweiten Kristallflächen (34, 38) aufweist und die elektrisch leitende Kontaktfläche (30) in einem in einem Maß sich linear verjüngt, so daß der Verstärkungsbereich groß genug ist, um das Expandieren einer auf die zweite Kristallfläche (38) zu wandernden elektromagnetischen Strahlung in einen beugungsbegrenzten einkeuligen Strahl innerhalb des Verstärkungsbereichs zu ermöglichen.

7. Halbleiterlaser-Verstärkungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 5, wobei die Verstärkungsanordnung ein Laseroszillator ist und die zweite Kristallfläche (38) antireflexionsbeschichtet ist.

8. Halbleiterlaser-Verstärkungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, in welcher die Wellenleitungsanordnung so angepaßt ist, der Gradient des Brechungsindexes an den Grenzen des Verstärkungsbereichs minimiert ist.