DE69425835T2

DE69425835T2 - Laserdiodenelement mit hervorragender Intermodulationsverzerrungscharakteristik

Info

Publication number: DE69425835T2
Application number: DE69425835T
Authority: DE
Inventors: Tetsuro Okuda; Toshitaka Torikai; Hirohito Yamada
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1993-01-08
Filing date: 1994-01-07
Publication date: 2001-04-12
Anticipated expiration: 2014-01-08
Also published as: EP0753914B1; CA2113027A1; US5568505A; US5469459A; EP0606092A2; EP0753914A2; DE69425835D1; EP0753914A3; CA2113027C; EP0606092A3

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Laserdioden-Element und insbesondere auf ein Laserdioden-Element mit verteilter Rückkopplung (DFB-Laserdioden-Element)
Ein herkömmliches Laserdioden-Element der beschriebenen Bauart weist im allgemeinen einen Halbleiterblock auf mit einer vorderen Stirnfläche, einer der vorderen Stirnfläche gegenüberliegenden hinteren Stirnfläche, einem zwischen der vorderen und der hinteren Stirnfläche gebildeten Laser- Hohlraum mit einer vorbestimmten Länge L, einer Vielzahl von Überzugsschichten, die auf der vorderen und der hinteren Stirnfläche aufgetragen sind, um jeweils ein vorbestimmtes Reflexionsvermögen zu erzeugen, einer aktiven Schicht und einem Beugungsgitter, die in der Richtung des Laser-Hohlraums ausgebildet sind und die mit einer vorbestimmten Kopplungskonstante K miteinander gekoppelt sind.
Es wurden zahlreiche Bauarten von DFB-Laserdioden-Elementen entwickelt, die gute Einzel-Längsmoden-Eigenschaften haben. So wurden z. B. einige DFB-Laserdioden-Elemente in den offengelegten japanischen Patentanmeldungen Nr. H1-155677, H2-90688 und H2-29087 vorgeschlagen. Bei diesen Beispielen werden das vorbestimmte Reflexionsvermögen sowie das Produkt der vorbestimmten Kopplungskonstante K und der vorbestimmten Länge L in jedem DFB-Laserdioden-Element von jedem Gesichtspunkt aus optimiert.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Laserdioden- Element, das eine ausgezeichnete Intermodulations-Verzerrungscharakteristik hat, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung bereitzustellen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Laserdioden-Element der beschriebenen Bauart, das mit einer guten Ausbeute hergestellt werden kann, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Laserdioden-Elements bereitzustellen.
Erfindungsgemäß wird ein Laserdioden-Element gemäß Anspruch 1 bereitgestellt. Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf weitere vorteilhafte Gesichtspunkte der vorliegenden Erfindung.

Kurzbeschreibung der Zeichnung

Fig. 1 ist eine grafische Darstellung und wird zum Beschreiben einer Beziehung zwischen der Ausbeute und KL in verschiedenen Vergleichsbeispielen verwendet;
Fig. 2(a) ist eine grafische Darstellung und wird zum Beschreiben einer Beziehung zwischen der Ausbeute und dem Reflexionsvermögen an einer vorderen Fläche bei verschiedenen Vergleichsbeispielen verwendet;
Fig. 2(b) ist eine grafische Darstellung und wird zum Beschreiben einer Beziehung zwischen der Ausbeute und dem Reflexionsvermögen an einer hinteren Fläche bei verschiedenen Vergleichsbeispielen verwendet;
Fig. 3(a) ist eine grafische Darstellung und wird zum Beschreiben einer Beziehung zwischen normierter Effizienz und Reflexionsvermögen an einer vorderen Fläche bei verschiedenen Vergleichsbeispielen verwendet;
Fig. 3(b) ist eine grafische Darstellung und wird zum Beschreiben einer Beziehung zwischen normierter Effizienz und Reflexionsvermögen an einer hinteren Fläche bei verschiedenen Vergleichsbeispielen verwendet;
Fig. 4(a) bis (d) zeigen in schematischen vertikalen Schnitten ein Laserdioden-Element im Verlaufe eines Herstellungsverfahrens des Laserdioden-Elements gemäß einem Vergleichsbeispiel;
Fig. 5 zeigt ein Banddiagramm aktiver Schichten des Laserdioden-Elements gemäß dem Beispiel von Fig. 4;
Fig. 6 zeigt schematisch in einem vertikalen Schnitt eine Seitenansicht eines Laserdioden-Elements gemäß einem der Erfindung nicht entsprechenden Beispiel;
Fig. 7 zeigt schematisch in einem vertikalen Schnitt eine Seitenansicht eines Laserdioden-Elements gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 8 zeigt die Verteilung eines elektrischen Feldes in der Richtung des Laser-Hohlraums in dem in Fig. 7 dargestellten Laserdioden-Element im Vergleich mit dem herkömmlichen Element;
Fig. 9 zeigt schematisch im vertikalen Schnitt eine Seitenansicht eines Laserdioden-Elements gemäß einem anderen nicht erfindungsgemäßen Beispiel;
Fig. 10 zeigt die Verteilung eines elektrischen Feldes in der Richtung eines Laser-Hohlraums in dem in Fig. 9 gezeigten Laserdioden-Element im Vergleich mit dem herkömmlichen Element;
Fig. 11 zeigt schematisch im vertikalen Schnitt eine Seitenansicht eines Laserdioden-Elements gemäß einem anderen nicht erfindungsgemäßen Beispiel;
Fig. 12 ist eine grafische Darstellung und wird zum Beschreiben der Beziehung zwischen der Ausbeute und der Kopplungskonstante K in dem in Fig. 11 dargestellten Laserdioden-Element im Vergleich mit dem herkömmlichen Element verwendet;
Fig. 13(a) bis (e) zeigen schematische vertikale Schnitte eines Laserdioden-Elements im Verlaufe eines Herstellungsverfahrens des Laserdioden-Elements gemäß einem nicht erfindungsgemäßen Beispiel der Erfindung;
Fig. 14 zeigt ein Banddiagramm aktiver Schichten eines Laserdioden-Elements gemäß diesem Beispiel;
Fig. 15 zeigt im vertikalen Schnitt eine Seitenansicht eines Laserdioden-Elements gemäß diesem Beispiel;
Fig. 16(a) bis (d) zeigen in schematischen vertikalen Schnitten ein Laserdioden-Element im Verlaufe eines Herstellungsverfahrens des Laserdioden-Elements gemäß einem anderen nicht erfindungsgemäßen Beispiel;
Fig. 17 zeigt im vertikalen Schnitt eine Seitenansicht eines Laserdioden-Elements gemäß diesem Beispiel;
Fig. 18 zeigt schematisch im vertikalen Schnitt eine Seitenansicht eines Laserdioden-Elements gemäß diesem Beispiel;
Fig. 19(a) bis (d) zeigen in schematischen vertikalen Schnitten ein Laserdioden-Element im Verlaufe eines Herstellungsverfahrens des Laserdioden-Elements gemäß einem anderen nicht erfindungsgemäßen Beispiel;
Fig. 20 zeigt schematisch im vertikalen Schnitt eine Seitenansicht eines Laserdioden-Elements gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 21 zeigt im vertikalen Schnitt eine Seitenansicht eines Laserdioden-Elements gemäß einem weiteren nicht erfindungsgemäßen Beispiel; und
Fig. 22 zeigt schematisch im vertikalen Schnitt eine Seitenansicht eines Laserdioden-Elements gemäß einem weiteren nicht erfindungsgemäßen Beispiel.

Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels

Vor der Beschreibung verschiedener Ausführungsbeispiele wird zunächst das Prinzip der vorliegenden Erfindung zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Im Verlaufe des Hervorbringens der vorliegenden Erfindung haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung zahlreiche DFB-Laserdioden-Elemente experimentell hergestellt, von denen jedes ein gleichförmiges Beugungsgitter hat, um deren Charakteristiken durch Verändern einiger Parameter in jedem DFB-Laserdioden-Element zu untersuchen.
In Fig. 1 bis 3 sind die Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen der Erfinder beschrieben.
In Fig. 1 wird ein Ergebnis der Auftragung einer Ausbeute im Bezug auf ein Produkt aus einer Kopplungskonstante K und einer Länge L des Laser-Hohlraums in den DFB-Laserdioden- Elementen gezeigt, von denen jedes ein gleichförmiges Beugungsgitter hat. In jedem DFB-Laserdioden-Element ist das Reflexionsvermögen an einer vorderen Fläche auf 1% eingestellt, während das Reflexionsvermögen an einer hinteren Fläche auf 75% eingestellt ist. Die Ausbeute wird hier als die Anzahl der DFB-Laserdioden-Elemente definiert, bei denen ein Wert der oben erwähnten IMD&sub3; nicht größer als -80 dBc ist unter der Voraussetzung, daß der normierte Resonatorverlust nicht kleiner als 0,05 ist, die mittlere Licht- Ausgabeleistung 8 mW ist und der optische Modulationsindex 20% ist. Der Wert der IMD&sub3; in jedem DFB-Laserdioden-Element wird bestimmt unter Verwendung der Linearität der I-L-Charakteristiken des DFB-Laserdioden-Elements. Die Linearität der I-L-Charakteristiken wird bestimmt, indem man die Verteilung eines elektrischen Feldes entlang des Laser-Hohlraums in jedem DFB-Laserdioden-Element betrachtet.
Wie in Fig. 1 beispielhaft gezeigt, läßt sich die Ausbeute auf über 5% verbessern, wenn die Laserdioden-Elemente durch das Produkt KL der Kopplungskonstante K und der Länge L des Laser-Hohlraums spezifiziert werden, das innerhalb eines beidseitig einschließlichen Bereichs von 0,4 bis 1,0 liegt. Die Ausbeute kann weiter auf über 10% verbessert werden, wenn das Produkt KL in einem beidseitig einschließlichen Bereich von 0,5 bis 0,7 liegt.
Fig. 2(ä) und (b) zeigen ein Ergebnis der Untersuchung einer Ausbeute in Bezug auf das Reflexionsvermögen an der vorderen und der hinteren Fläche in den DFB-Laserdioden- Elementen ähnlich wie bei den in bezug auf Fig. 1 erwähnten. Wie in Fig. 1 ist die Ausbeute definiert als die Anzahl der DFB-Laserdioden-Elemente, in denen ein Wert der oben erwähnten IMD&sub3; nicht größer als -80 dBc ist unter ähnlichen Voraussetzungen wie bei den in Bezug auf Fig. 1 erwähnten.
In Fig. 2(a) ist ein Ergebnis der Untersuchung der Ausbeute in bezug auf ein Reflexionsvermögen an einer vorderen Fläche bei den DFB-Laserdioden-Elementen gezeigt. In jedem DFB-Laserdioden-Element ist das Produkt KL auf 0,7 eingerichtet, und das Reflexionsvermögen an einer hinteren Fläche ist auf 75% eingestellt.
Wie in Fig. 2(a) beispielhaft gezeigt, kann die Ausbeute derart verbessert werden, daß sie zumindest nicht kleiner als 10% ist, wenn das Reflexionsvermögen an der vorderen Fläche in jedem Laserdioden-Element kleiner als 5% gemacht wird. Die Ausbeute kann noch weiter verbessert werden, damit sie zumindest nicht kleiner als 12% ist, wenn das Reflexionsvermögen an der vorderen Fläche nicht größer als 1% gemacht wird.
Andererseits ist ein Ergebnis der Untersuchung der Ausbeute in Bezug auf das Reflexionsvermögen an einer hinteren Fläche in den DFB-Laserdioden-Elementen in Fig. 2(b) gezeigt. In jedem DFB-Laserdioden-Element ist das Produkt KL auf 0,7 eingerichtet, und das Reflexionsvermögen an einer vorderen Fläche ist auf 1% eingestellt.
Wie in Beispiel 2(b) beispielhaft gezeigt, kann die Ausbeute auf mehr als 10% verbessert werden, wenn das Reflexionsvermögen an der hinteren Fläche in jedem Laserdioden- Element nicht kleiner als ungefähr 50% gemacht wird.
Fig. 3(a) und (b) zeigen ein Ergebnis der Untersuchung einer normierten Effizienz in bezug auf das Reflexionsvermögen an der vorderen und der hinteren Fläche in den experimentell hergestellten DFB-Laserdioden-Elementen, bei denen jeweils das Produkt KL auf 0,7 eingerichtet ist.
In Fig. 3(a) ist das Ergebnis einer Untersuchung der normierten Effizienz in bezug auf ein Reflexionsvermögen an der vorderen Fläche gezeigt. Wie in Fig. 3(a) gestrichelt gezeigt, wird eine mittlere Effizienz in den DFB-Laserdioden-Elementen durch die mittlere Effizienz normiert, bei der das Reflexionsvermögen an der vorderen Fläche auf 1% eingestellt ist.
Wie in Fig. 3(a) gezeigt, ist die normierte Effizienz stabil, wenn das Reflexionsvermögen an der vorderen Fläche nicht größer als 1% ist. In Fig. 3(a) wird auch beispielhaft gezeigt, daß sich die normierte Effizienz nach und nach verschlechtert, wenn das Reflexionsvermögen an der vorderen Fläche 1% übersteigt.
Andererseits wird in Fig. 3(b) das Ergebnis einer Untersuchung der normierten Effizienz in bezug auf das Reflexionsvermögen an der hinteren Fläche gezeigt. Wie in Fig. 3(b) gestrichelt gezeigt, wird die mittlere Effizienz in den DFB-Laserdioden-Elementen durch die mittlere Effizienz normiert, bei der das Reflexionsvermögen an der hinteren Fläche auf 75% eingestellt ist.
Wie in Fig. 3(b) beispielhaft gezeigt, wird die normierte Effizienz linear angehoben, wenn das Reflexionsvermögen an der hinteren Fläche groß wird. Man schließt daher aus Fig. 3(b), daß die normierte Effizienz noch weiter verbessert wird, wenn das Reflexionsvermögen an der hinteren Fläche nicht kleiner als 90% gemacht wird, und daß die normierte Effizienz maximiert wird, wenn das Reflexionsvermögen an der hinteren Fläche zu 100% gemacht wird. Außerdem sollte das Reflexionsvermögen an der hinteren Fläche 98% nicht übersteigen, wenn die Lichtausgabe durch die hintere Fläche überwacht werden soll.
In Fig. 4 und 5 wird im Verlaufe der weiteren Beschreibung ein Verfahren zum Herstellen eines Laserdioden-Elements gemäß einem ersten Vergleichsbeispiel mit einem gleichförmigen Beugungsgitter vorgestellt.
Wie in Fig. 4(a) gezeigt, wird ein Substrat 102 zunächst in bekannter Weise vorbereitet. Das Substrat 102 besteht aus InP und besitzt n-Leitfähigkeit.
Anschließend wird ein gleichförmiges Beugungsgitter 104 mit gleichmäßiger Wellung auf dem Substrat 102 mittels eines holographischen Lithographieverfahrens ausgebildet, so daß es eine Periode von 2025 Å und eine Tiefe von 250 Å hat.
Drittens läßt man nun, wie in Fig. 4(b) gezeigt, eine lichtführende Schicht 106 aus InGaAsP mit n-Leitfähigkeit auf dem gleichförmigen Gitter 104 mittels metallorganischer Dampfphasenepitaxie (MOVPE-Verfahren) wachsen, bis sie eine Dicke von 1000 Å hat. Man läßt dann aktive Schichten aus Mehrfach-Quantentöpfen bzw. Mehrfach-Quantensenken (MQW) 108 auf der lichtführenden Schicht 106 durch das MOVPE-Verfahren wachsen, bis diese eine Dicke von etwa 0,5 um hat. Daraufhin läßt man eine Hüllschicht aus InP mit p-Leitfähigkeit 110 auf den aktiven Schichten 108 durch das MOVPE- Verfahren wachsen, bis sie eine Dicke von etwa 0,5 um hat.
In Fig. 5 enthalten die aktiven Schichten aus MQW 108 sowohl Senken 120 als auch Barrieren 122. Die Senken 120 haben eine Zusammensetzung, die durch einen Bandabstand definiert ist, der einer Wellenlänge von 1,40 um entspricht. Andererseits haben die Barrieren 122 eine Zusammensetzung, die durch einen Bandabstand definiert ist, der einer Wellenlänge von 1,13 um entspricht. Die Anzahl der Senken 120 ist hier speziell fünf. Jede Senke ist mit einem Film ausgestattet, der eine Dicke von 57 Å hat, während jede Barriere ebenfalls mit einem Film ausgestattet ist, der eine Dicke von 100 Å hat. Die Senken 120 und die Barrieren 122 sind auf beiden Seiten zwischen SCH-Schichten 124 und 126 angeordnet, von denen jede eine Zusammensetzung hat, die durch einen Bandabstand definiert ist, der einer Wellenlänge von 1,13 um entspricht. Wie in Fig. 5 dargestellt, befindet sich die SCH-Schicht 124 neben einer p-InP-Schicht und hat eine Dicke von 600 Å, während die SCH-Schicht 126 neben einer n-InP-Schicht liegt und eine Dicke von 300 Å hat.
Nach dem Wachsen der aktiven Schichten aus MQW 108 wird ein positiver Fotolack (nicht gezeigt) auf die aktiven MQW- Schichten 108 aufgetragen. Eine Fotolithographie und Ätzung werden dann in bekannter Weise durchgeführt, um streifenförmige Rillen 130 zu bilden, wie in Fig. 4(c) dargestellt.
Daraufhin werden eine den elektrischen Strom blockierende p-InP-Schicht 132, eine den elektrischen Strom blockierende n-InP-Schicht 134, eine p-InP-Hüllenschicht 136 und eine p- InGaAsP-Kappenschicht 138 nacheinander und einzeln durch Flüssigphasenepitaxie (LPE) gebildet, um eine versenkte planare Doppelkanal-Heterostruktur (DC-PBH) zu bilden.
Außerdem werden Elektrodenschichten 140 und 142 auf beide Oberflächen der DC-PBH-Struktur aufgedampft. Die DC-PBH- Struktur wird an einem vorbestimmten Abschnitt gespalten. Die (nicht gezeigten) Überzugsschichten werden auf eine (nicht gezeigte) hintere Endfläche aufgetragen, um ein Reflexionsvermögen von 75% zu erzeugen, während die zusätzlichen (nicht gezeigten) Überzugsschichten auf einer vorderen Endfläche aufgetragen werden, um ein Reflexionsvermögen von 1% zu erzeugen. Jede Schicht besteht aus SiN. Daraufhin wird der gespaltene DC-PBH-Wafer geritzt oder entlang der Richtung der Breite in eine Vielzahl der Laserdioden-Elemente geschnitten.
Unter diesen Bedingungen wurden die Charakteristiken jedes der Laserdioden-Elemente untersucht und abgeschätzt. Folglich fand man heraus, daß das Laserdioden-Element mit einer Wellenlänge von 1,31 um schwingt und daß die Effienz etwa 0,4 W/A ist. Es wurde auch herausgefunden, daß der Wert KL etwa 0,9 ist.
Um die Intermodulations-Verzerrungscharakteristik des Laserdioden-Elements abzuschätzen, wird das Laserdioden-Element in ein Modul eingebaut, so daß die IMD&sub3; des Laserdioden-Elements gemessen wird. Folglich war ein Wert der oben erwähnten IMD&sub3; kleiner als -85 dBc unter der Bedingung, daß eine mittlere Licht-Ausgangsleistung 4 mW ist und der optische Modulationsindex 20% ist.
Es wurde somit bestätigt, daß das Laserdioden-Element ausgezeichnete Intermodulations-Verzerrungscharakteristiken hat.
In diesem Fall betrug eine Ausbeute, die als eine Anzahl der Laserdioden-Elemente definiert ist, bei denen ein Wert der oben erwähnten IMD&sub3; kleiner als -85 dBc ist, etwa 4% aller Laserdioden-Elemente.
Um die Ausbeute zu verbessern, haben die Erfinder auch weitere Laserdioden-Elemente hergestellt, von denen jedes ein gleichförmiges Gitter mit regelmäßigen Wellen einer Tiefe von 200 Å hat. Die Charakteristiken jedes der weiteren La serdioden-Elemente wurden ebenfalls untersucht und abgeschätzt. So fand man heraus, daß ein Wert von KL etwa 0,7 ist und daß die Ausbeute, die ähnlich der oben erwähnten Weise definiert wurde, etwa 12% aller anderen Laserdioden- Elemente betrug.
Außerdem haben die Erfinder noch weitere Laserdioden-Elemente hergestellt, von denen jedes Überzugsschichten auf seiner vorderen Endfläche mit einem Reflexionsvermögen von 0,1% hat. In diesem Fall wurde die Ausbeute noch weiter auf etwa 16% verbessert.
Desweiteren haben die Erfinder noch andere Laserdioden-Elemente hergestellt, von denen jedes Überzugsschichten auf seiner hinteren Endfläche mit einem Reflexionsvermögen von 90% hat. In diesem Fall wurde die Effizienz auf etwa 0,43 W/A verbessert.
Es können somit Laserdioden-Elemente mit ausgezeichnenten Intermodulations-Verzerrungscharakteristiken in guter Ausbeute hergestellt werden.
In Fig. 6 wird ein Laserdioden-Element gemäß einem nicht erfindungsgemäßen Beispiel beschrieben.
Wie in Fig. 6 dargestellt, umfaßt das Laserdioden-Element 200 einen Halbleiterblock 201 mit einer vorderen Endfläche 202, einer der vorderen Endfläche 202 gegenüberliegenden hinteren Endfläche 204, einem Laser-Hohlraum 206, der zwischen der vorderen und der hinteren Endfläche 202 und 204 gebildet ist und der eine vorbestimmte Länge L hat, eine aktive Schicht 208 und ein partielles Beugungsgitter 210 mit einer regelmäßigen Wellung, die in der Richtung des Laser-Hohlraums 206 ausgebildet sind und die mit einer vorbestimmten Kopplungskonstanten K miteinander gekoppelt sind. Das partielle Beugungsgitter 210 befindet sich näher an der vorderen Endfläche 202 als an der hinteren Endfläche 204 und ist von der vorderen Endfläche 202 entfernt, um die Richtung des Laser-Hohlraums in eine Seite kurzer Länge 212 und eine Seite langer Länge 214 zu unterteilen, wobei das partielle Beugungsgitter 210 zwischen den Seiten kurzer und langer Länge 212 und 214 angeordnet ist.
In diesem Beispiel ist das partielle Beugungsgitter 210 von der vorderen Endfläche 202 und der hinteren 204 entfernt, die beide als gespaltene Fläche betreibbar sind. Folglich erhalten die Laserdioden-Elemente, die jeweils von einem Wafer gespalten und geritzt werden, stabile Charakteristiken. Die Laserdioden-Elemente mit ausreichenden Charakteristiken können mit einer guten Ausbeute hergestellt werden.
Außerdem können die vordere Endfläche und die hintere Endfläche als erste Endfläche bzw. zweite Endfläche bezeichnet werden.
In Fig. 7 hat ein Laserdioden-Element 220 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung einen ähnlichen Aufbau wie das in Fig. 6 gezeigte Laserdioden-Element 200 mit den im folgenden geschilderten Ausnahmen.
In diesem Ausführungsbeispiel wird das partielle Beugungsgitter 210' mit der vorderen Endfläche 202 in Berührung gehalten, um eine Berührung-Seite 222 und eine Nichtberührung-Seite 224 mit dem partiellen Beugungsgitter 210' zu bilden, das dazwischen angeordnet ist und sich von der Berührung-Seite 222 zu der Nichtberührung-Seite 224 hin erstreckt. Die Kopplungskonstante K ist auf der Berührung- Seite 222 größer als auf der Nichtberührung-Seite 224. Die Kopplungskonstante K wird nämlich klein, wenn eine Entfernung in der Berührung-Seite 222 wegweisenden Richtung groß wird.
In Fig. 8 wird eine Verteilung des elektrischen Feldes in der Richtung eines Laser-Hohlraums in dem in Fig. 7 darge stellten Laserdioden-Element 220 im Vergleich mit einem herkömmlichen beschrieben.
Wie durch eine durchgehende Linie A in Fig. 8 beschrieben, wird die Verteilung des elektrischen Feldes in dem Laserdioden-Element 220 in der Richtung des Laser-Hohlraums glatt oder gleichförmig im Vergleich mit dem herkömmlichen, dessen Verteilung durch eine gestrichelte Linie B beschrieben ist. Die Linearität der I-L-Charakteristiken wird daher in diesem Ausführungsbeispiel verbessert. Folglich wird in diesem Ausführungsbeispiel die Intermodulationsverzerrung beachtlich verringert.
In Fig. 9 hat ein Laserdioden-Element 240 gemäß einem anderen nicht erfindungsgemäßen Beispiel einen ähnlichen Aufbau wie das in Fig. 6 dargestellte Laserdioden-Element 200 mit den folgenden Ausnahmen.
In diesem Beispiel wird das partielle Beugungsgitter 210" mit der vorderen Endfläche 202 in Berührung gehalten, um eine Berührung-Seite 222 und eine Nichtberührung-Seite 224 mit dem partiellen Beugungsgitter 210" zu bilden, das dazwischen angeordnet ist und sich von der Berührung-Seite 222 zu der Nichtberührung-Seite 224 hin erstreckt. Die regelmäßige Wellung des Beugungsgitters hat einen unregelmäßigen Abschnitt 242, der als Phasenschiebe-Abschnitt betätigbar ist.
In Fig. 10 wird die Verteilung des elektrischen Feldes in der Richtung eines Laser-Hohlraums in dem in Fig. 9 dargestellten Laserdioden-Element 240 im Vergleich mit dem herkömmlichen beschrieben.
In Fig. 10 zeigt eine durchgezogene Linie C eine Verteilung des elektrischen Feldes in dem Laserdioden-Element 240, während eine gestrichelte Linie D diejenige des herkömmlichen Laserdioden-Elements zeigt. Wie in Fig. 10 gezeigt, hat die durchgezogene Linie C einen Maximalwert in dem Abschnitt, der dem oben erwähnten unregelmäßigen oder Phasenschiebe-Abschnitt 242 entspricht. Folglich wird die Verteilung des elektrischen Feldes in dem Laserdioden-Element 240 im Vergleich mit dem herkömmlichen glatt oder gleichmäßig entlang dem Laser-Hohlraum. Alternativ können in dem Beugungsgitter eine Vielzahl von Phasenschiebe-Abschnitten gebildet werden. In diesem Fall wird die Glattheit oder Gleichförmigkeit der Verteilung weiter verbessert.
In Fig. 11 hat ein Laserdioden-Element 260 gemäß einem anderen nicht erfindungsgemäßen Beispiel einen ähnlichen Aufbau wie das in Fig. 6 dargestellte Laserdioden-Element 200 mit der folgenden Ausnahme.
In diesem Beispiel wird das partielle Beugungsgitter 270 mit der vorderen Endfläche 202 in Berührung gehalten, um eine Berührung-Seite 222 und eine Nichtberührung-Seite 224 zu erzeugen, wobei das partielle Beugungsgitter 210 dazwischen angeordnet ist und sich von der Berührung-Seite 222 zu der Nichtberührung-Seite 224 hin erstreckt. Der Abschnitt, in dem das partielle Beugungsgitter 270 gebildet ist, kann als Bereich eines verteilten Bragg-Reflektors 272 betrieben werden.
Eine Vielzahl von Überzugsschichten 274 sind auf der hinteren Endfläche 204 aufgetragen, die gegenüber von dem Bereich des verteilten Bragg-Reflektors 272 liegt, um ein hohes Reflexionsvermögen zu erzeugen. Die Lichtausgabe wird von der vorderen Endfläche 202 erzeugt, die sich neben dem Bereich des verteilten Bragg-Reflektors 272 befindet.
In Fig. 12 wird eine Beziehung zwischen einer Ausbeute und einer Kopplungskonstante in dem in Fig. 11 dargestellten Laserdioden-Element 260 im Vergleich mit dem herkömmlichen beschrieben. In Fig. 12 ist die Ausbeute als Anzahl von La serdioden-Elementen definiert, bei denen ein Wert der IMD&sub3; kleiner als -80 dBc ist.
In Fig. 12 zeigt eine durchgehende Linie E die Ausbeute des Laserdioden-Elements 260, während eine gestrichelte Linie F die des herkömmlichen Laserdioden-Elements zeigt.
Wie in Fig. 12 gezeigt, ist die Ausbeute der Laserdioden- Elemente 260 stabil, obwohl die Kopplungskonstante K verändert ist. Mit anderen Worten hängt die Ausbeute des Laserdioden-Elements 260 nicht von der Kopplungskonstante K ab. Folglich ist es nicht nötig, die Kopplungskonstante K streng zu steuern.
In Fig. 13 bis 15 geht die Beschreibung zu einem Verfahren zum Herstellen des oben erwähnten Laserdioden-Elements gemäß einem nicht erfindungsgemäßen Beispiel über.
Wie in Fig. 13(a) gezeigt, wird ein Substrat 300 aus n-InP zunächst auf die bekannte Weise vorbereitet. Ein Fotolack 302 wird dann auf das Substrat 300 aufgetragen. Der Fotolack 302 wird durch ein holographisches Lithographieverfahren belichtet, um ein Muster mit einer Periode von 2025 Å zu erzeugen.
Zweitens werden das Substrat 300 und der mit einem Muster versehene Fotolack 302, wie in Fig. 13(b) dargestellt, unter Verwendung einer Maske 303 mit einem vorbestimmten Maskenmuster aus der Nähe belichtet. In diesem Fall gestattet man es, daß ein Bereich, in dem ein Beugungsgitter nicht gebildet werden sollte, selektiv belichtet wird. Nach der Belichtung wird ein vorbestimmtes Muster 304 auf dem Substrat 300 gebildet, um das Beugungsgitter partiell herzustellen, wie in Fig. 13(c) gezeigt. Das Substrat 300 wird geätzt, um ein partielles Beugungsgitter 306 zu bilden, das eine Tiefe von 400 Å hat, indem man das vorbestimmte Muster 304 als Ätzmaske verwendet. In diesem Fall hat eine Kopp lungskonstante in dem partiellen Beugungsgitter 306 den Wert 40 cm&supmin;¹.
Drittens läßt man eine lichtführende Schicht 308 aus n- InGaAsP auf dem partiellen Beugungsgitter 306 und dem Substrat 300 wie bei dem oben genannten MOVPE-Verfahren wachsen, bis es eine Dicke von 1000 Å hat. Eine aktive Schicht 310 der MQW-Struktur wird dann auf der lichtführenden Schicht 308 durch dasselbe Verfahren stapelartig aufgesetzt, bis sie eine Dicke von etwa 0,5 um hat. Daraufhin wird eine Hüllenschicht 312 aus p-InP auf der aktiven Schicht 310 durch dasselbe Verfahren gebildet, bis sie eine Dicke von ungefähr 0,5 um hat.
In Fig. 14 enthält die aktive Schicht 310 der MQW-Struktur Senken (bzw. Töpfe oder Wannen) 320 und Barrieren 322. Die Senken 320 haben eine Zusammensetzung, die durch einen Bandabstand definiert wird, der einer Wellenlänge von 1,4 um entspricht. Andererseits haben die Barrieren 322 eine Zusammensetzung, die durch einen Bandabstand definiert wird, der einer Wellenlänge von 1,13 um entspricht. Insbesondere liegen zehn Senken 320 vor. Jede Senke ist mit einem Film versehen, der ein Dicke von 62 Å hat, während jede Barriere ebenfalls mit einem Film versehen ist, der eine Dicke von 100 Å hat. Die Senken 320 und die Barrieren 322 sind auf beiden Seiten zwischen SCH-Schichten 324 und 326 angeordnet, von denen jede eine Zusammensetzung hat, die durch einen Bandabstand definiert ist, der einer Wellenlänge von 1,13 um entspricht. Obwohl dies in Fig. 14 nicht gezeigt ist, befindet sich die SCH-Schicht 324 neben einer p-InP-Schicht und hat eine Dicke von 600 Å, während die SCH-Schicht 326 neben einer n-InP-Schicht liegt und eine Dicke von 300 Å hat.
Nach dem Wachsen dieser Schichten wird ein positiver Fotolack (nicht gezeigt) auf die Schichten aufgetragen. Fotolithographie und Ätzen werden dann in bekannter Weise durch geführt, um streifenförmige Rillen zu bilden (nicht gezeigt).
Daraufhin werden eine den elektrischen Strom blockierende p-InP-Schicht, eine den elektrischen Strom blockierende n- InP-Schicht, eine p-InP-Hüllenschicht und eine p-InGaAsP- Kappenschicht nacheinander in bekannter Weise gebildet, um eine versenkte planare Doppelkanal-Heterostruktur (DC-PBH) zu bilden.
Außerdem werden Elektrodenschichten auf beiden Oberflächen der DC-PBH-Struktur aufgedampft. Die DC-PBH-Struktur wird an einem vorbestimmten Abschnitt gespalten.
Wie in Fig. 15 gezeigt, werden Überzugsschichten 330 auf der hinteren Endfläche 204 aufgetragen, um ein Reflexionsvermögen von 75% zu erzeugen, während die zusätzlichen Hüllschichten 332 auf die vordere Endfläche 202 aufgetragen werden, um ein niedriges Reflexionsvermögen zu erzeugen. Die Überzugsschichten 330 bestehen aus SiN. Daraufhin wird der gespaltene DC-PBH-Wafer entlang der Richtung der Breite in eine Vielzahl der Laserdioden-Elemente geritzt oder geschnitten.
Unter diesen Bedingungen wurden die Charakteristiken jedes der Laserdioden-Elemente untersucht und abgeschätzt. Folglich hat man herausgefunden, daß das Laserdioden-Element mit einer Wellenlänge von 1,31 um schwingt.
Um die Intermodulations-Verzerrungscharakteristiken des Laserdioden-Elements abzuschätzen, wird das Laserdioden-Element in ein Modul eingebaut, so daß die IMD&sub3; des Laserdioden-Elements gemessen wird. Es ergibt sich für die oben erwähnte IMD&sub3; ein Wert von -85 dBc unter der Bedingung, daß eine mittlere Licht-Ausgangsleistung 5 mW ist und der optische Modulationsindex 24% ist.
Um den Nutzen der Erfindung zu untersuchen, wurde ein herkömmliches Laserdioden-Element als Vergleichsbeispiel hergestellt. In diesem Beispiel hatte die IMD&sub3; den Wert -78 dBc unter denselben Bedingungen.
Es wurde somit bestätigt, daß das Laserdioden-Element gemäß diesem Beispiel ausgezeichnete Intermodulations-Verzerrungscharakteristiken hat.
In diesem Fall hatte eine Ausbeute, die als Anzahl der Laserdioden-Elemente definiert ist, bei denen ein Wert der oben erwähnten IMD&sub3; kleiner als -80 dBC ist, den Wert 18% in dem Laserdioden-Element gemäß diesem Beispiel, während die Ausbeute in den herkömmlichen Laserdioden-Elementen etwa 12% war.
In Fig. 16 bis 18 geht nun die Beschreibung dazu über, ein Verfahren zum Herstellen des oben erwähnten Laserdioden- Elements gemäß einem weiteren nicht erfindungsgemäßen Beispiel zu beschreiben. Das Verfahren gemäß diesem Beispiel hat ähnliche Schritte wie das oben erwähnte Beispiel mit der Ausnahme der folgenden Punkte.
In diesem Beispiel werden nach der Vorbereitung eines Halbleitersubstrats 400 in der bekannten Weise Isolationsschichten 402 aus SiO&sub2; auf dem Halbleitersubstrat 400 gebildet, wie in Fig. 16(a) gezeigt. Eine Tiefe des partiellen Beugungsgitters 406 wird so gefertigt, daß eine Kopplungskonstante in dem partiellen Beugungsgitter 406 den Wert 30 cm&supmin;¹ haben kann. Nachdem das partielle Beugungsgitter 406 gebildet ist, werden die Isolationsschichten 402 aus SiO&sub2; sowie der Fotolack 403 von dem Halbleitersubstrat 400 entfernt. Wie in Fig. 17 dargestellt, werden weiterhin Überzugsschichten 430 auf der hinteren Endfläche 404 aufgetragen, um ein Reflexionsvermögen von 90% zu erzeugen, während die zusätzlichen Überzugsschichten 432 auf der vorde ren Endfläche 402 aufgetragen werden, um ein Reflexionsvermögen von 1% zu erzeugen.
In diesem Fall war die oben beschriebene Ausbeute 20%. Weiterhin können Isolationsschichten 402 aus SiO&sub2; alternativ durch Isolationsschichten aus Si&sub3;N&sub4; ersetzt werden.
Andere Laserdioden-Elemente gemäß einer Abwandlung dieses Beispiels wurden ebenfalls hergestellt.
Wie in Fig. 18 gezeigt, hat das Laserdioden-Element ein partielles Beugungsgitter 506 mit einer Länge von 60 um. Andererseits beträgt eine Länge des Laser-Hohlraums 20 um. Wie in Fig. 18 gezeigt, sind außerdem Überzugsschichten 530 auf der hinteren Endfläche 504 aufgetragen, um ein Reflexionsvermögen von 98% zu erzeugen, während die zusätzlichen Überzugsschichten 532 auf der vorderen Endfläche 502 aufgetragen sind, um ein Reflexionsvermögen von 0,1% zu erzeugen.
In diesem Fall war die oben beschriebene Ausbeute etwa 22%.
In Fig. 19 und 20 wird nun ein Verfahren zum Herstellen des oben erwähnten Laserdioden-Elements gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben. Das Verfahren gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel besitzt ähnliche Schritte wie das Verfahren des oben erwähnten Beispiels mit Ausnahme der, folgenden Punkte.
Nachdem ein InP-Substrat 600 in bekannter Weise bei diesem Ausführungsbeispiel vorbereitet worden ist, wird eine Fotolackschicht 602 für die Elektronenstrahl-Belichtung auf das InP-Substrat 600 aufgetragen, wie in Fig. 19(a) gezeigt. Durch die Elektronenstrahl-Belichtung oder Elektronenstrahl-Lithographie wird auf dem Substrat 600 ein vorbestimmtes Muster 604 gebildet, um das Beugungsgitter partiell herzustellen, wie dies in Fig. 19(b) dargestellt ist.
Das vorbestimmte Muster 604 ist vergrößert und ist in Fig. 19(c) lediglich zwecks eines besseren Verständnisses gezeigt. Das Muster 604 hat eine Periode von 2048 Å. Ein Verhältnis der belichteten Fläche zur nicht belichteten Fläche in jeder Periode wird nach und nach von 1 : 1 zu 1 : 10 verändert. Das Substrat 600 wird geätzt, um ein partielles Beugungsgitter 606 zu bilden, wie in Fig. 19(d) gezeigt, wobei das vorbestimmte Muster 604 als Ätzmaske verwendet wird.
Wie in Fig. 20 gezeigt, werden außerdem Überzugsschichten 630 auf die hintere Endfläche 604 aufgetragen, um ein Reflexionsvermögen von 75% zu erzeugen, während die zusätzlichen Überzugschichten 632 auf die vordere Endfläche 602 aufgetragen werden, um ein Reflexionsvermögen von 1% zu erzeugen. Wie in Fig. 20 gezeigt, wird das partielle Beugungsgitter 606 mit der vorderen Endfläche 602 in Berührung gehalten und erstreckt sich von der vorderen Endfläche 602 derart, daß es eine Länge von 100 um hat. Die Kopplungskonstante K ist auf der Berührung-Seite größer als auf der Nichtberührung-Seite. Die Kopplungskonstante K hat nämlich auf der Berührung-Seite den Wert 70 cm&supmin;¹, während sie auf der Nichtberührung-Seite den Wert 30 cm&supmin;¹ hat.
Ein Wert der oben erwähnten IMD&sub3; des Laserdioden-Elements wurde ebenfalls gemessen. Es ergab sich ein Wert der IMD&sub3; zu -85 dBc.
In Fig. 21 wird nun ein Laserdioden-Element gemäß einem weiteren nicht erfindungsgemäßen Beispiel beschrieben. Dieses Beispiel hat einen ähnlichen Aufbau wie das oben erwähnte Beispiel mit Ausnahme der folgenden Punkte.
Wie in Fig. 21 gezeigt, erstreckt sich in diesem Beispiel das partielle Beugungsgitter 706 von der vorderen Endfläche 702 mit einer Länge von 100 um, und zwar genauso wie das in Fig. 20 dargestellte Laserdioden-Element, hat jedoch eine Kopplungskonstante K von 50 cm&supmin;¹, die sich gleichförmig von der Berührung-Seite zu der Nichtberührung-Seite erstreckt. Das partielle Beugungsgitter 706 hat jedoch einen unregelmäßigen Abschnitt 710, der als λ/4-Phasenschiebe-Abschnitt betrieben werden kann. Der unregelmäßige Abschnitt 710 ist dort positioniert, wo sich das partielle Beugungsgitter 706 von der vorderen Endfläche 702 aus um 70 um erstreckt.
Ein Wert der oben erwähnten IMD&sub3; dieses Laserdioden-Elements wurde ebenfalls gemessen. Es ergab sich ein Wert der IMD&sub3; zu -82 dBc.
Desweiteren wird auch ein Intensitätsverhältnis einer Hauptmoden-Oszillation und einer Untermoden-Oszillation gemessen. Das Intensitätsverhältnis war in diesem Beispiel 35 dBc, obwohl es in dem herkömmlichen Laserdioden-Element 38 dBc betrug.
Außerdem wurden ähnliche Effekte in anderen hergestellten Laserdioden-Elementen erzielt, und zwar für den Fall, daß das Beugungsgitter einen Phasenschiebe-Abschnitt enthält, der in den Bereich zwischen λ/8 und λ/2 fällt.
Somit werden die Charakteristiken der Einzelmoden-Oszillation in dem Laserdioden-Element gemäß diesem Beispiel verbessert.
In Fig. 22 wird nun ein Laserdioden-Element gemäß einem weiteren nicht erfindungsgemäßen Beipiel beschrieben.
Wie in Fig. 22 dargestellt, erstreckt sich bei dem Laserdioden-Element das partielle Beugungsgitter 806 von der vorderen Endfläche 102 mit einer Länge von 100 um, um einen Bereich eines verteilten Bragg-Reflektors 810 zu bilden.
Wie in Fig. 22 gezeigt, sind außerdem Überzugsschichten 830 auf der hinteren Endfläche 804 aufgetragen, um ein Reflexionsvermögen von 75% zu erzeugen, während zusätzliche Überzugsschichten 832 auf der vorderen Endfläche 802 aufgetragen sind, um ein Reflexionsvermögen von 1% zu erzeugen. Das partielle Beugungsgitter 806 hat eine Kopplungskonstante K von 50 cm&supmin;¹, die sich von der Berührung-Seite zu der Nichtberührung-Seite gleichförmig erstreckt.
Ein Wert der oben erwähnten IMD&sub3; des Laserdioden-Elements wurde ebenfalls gemessen. Es ergab sich ein Wert für IMD&sub3; zu -83 dBc. Außerdem war die oben beschriebene Ausbeute etwa 25%.
Darüber hinaus wurden ähnliche Wirkungen in den anderen hergestellten Laserdioden-Elementen erzielt, und zwar für den Fall, daß das Reflexionsvermögen von Überzugsschichten, die auf der hinteren Endfläche aufgetragen wurden, in den Bereich zwischen 40 und 98% fällt.
Die Erfindung wurde zwar anhand eines ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels beschrieben, doch dürfte es nun für einen Fachmann ohne weiteres möglich sein, die Erfindung im Rahmen der Ansprüche auf verschiedene Arten umzusetzen. So ist z. B. die aktive Schicht nicht darauf beschränkt, die oben erwähnte MQW-Struktur zu haben. Die aktive Schicht kann auch eine Volumen-Struktur haben.

Claims

1. Laserdioden-Element, welches aufweist:

einen Halbleiter-Block (201) mit:

einer ersten Endfläche (202);

einer zweiten Endfläche (204) gegenüber von der ersten Endfläche (202);

einem Laser-Hohlraum (206), der zwischen der ersten und der zweiten Endfläche (202, 204) gebildet ist und eine vorbestimmte Länge (L) hat;

einer aktiven Schicht (208) und einem partiellen Beugungsgitter (210), die in der Richtung des Laser-Hohlraums ausgebildet sind und die mit einer vorbestimmten Kopplungskonstante (K) miteinander gekoppelt sind;

wobei das partielle Beugungsgitter (210) näher an der ersten oder der zweiten Endfläche (202, 204) als an der zweiten bzw. der ersten Endfläche (204, 202) ist und von der zweiten bzw. der ersten Endfläche (204, 202) weiter entfernt ist,

dadurch gekennzeichnet, daß

die Kopplungskonstante (K) über die Gesamtlänge des partiellen Beugungsgitters nach und nach kleiner wird, wenn die Entfernung in dieser Richtung von der näheren ersten oder zweiten Endfläche (202, 204) aus zunimmt.

2. Laserdioden-Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das partiell Beugungsgitter so angeordnet ist, daß die Richtung des Laser-Hohlraums in eine Seite kurzer Länge und eine Seite langer Länge unterteilt ist, wobei das partielle Beugungsgitter (210) zwischen der Seite kurzer Länge und der Seite langer Länge angeordnet ist.

3. Laserdioden-Element nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungskonstante (K) auf der Seite kurzer Länge größer als auf der Seite langer Länge ist.

4. Laserdioden-Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das partielle Beugungsgitter (210) mit der ersten oder der zweiten Endfläche (202, 204) in Berührung gehalten wird, um eine Berührung-Seite und eine Nichtberührung-Seite zu erzeugen, wobei das partielle Beugungsgitter dazwischen angeordnet ist und sich von der Berührung-Seite zu der Nichtberührung-Seite hin erstreckt.