DE69730872T2

DE69730872T2 - Laservorrichtung

Info

Publication number: DE69730872T2
Application number: DE69730872T
Authority: DE
Inventors: Luigi Brovelli; S. Christoph HARDER
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1997-01-27
Filing date: 1997-01-27
Publication date: 2005-09-29
Anticipated expiration: 2017-01-28
Also published as: WO1998033249A1; DE69730872D1; JP2000509913A; JP3356436B2; EP1012933A1; EP1012933B1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft Laserbauelemente und insbesondere Halbleiter-Laserdioden, welche einen Laserresonator mit einem aktiven Medium umfassen, welches beim Anlegen eines elektrischen Stroms eine kohärente stehende Lichtwelle in diesem Laserresonator erzeugt.
Halbleiter-Laserdioden haben aufgrund ihrer Kompaktheit und ihrer mit den zugehörigen elektronischen Schaltungen kompatiblen Technologie Anwendungen in einer breiten Vielfalt von Datenverarbeitungssystemen gefunden. Sie werden in Bereichen wie der Datenübertragung sowie der optischen Speicher- und Drucktechnik eingesetzt. Am häufigsten werden Materialien aus Verbindungen von Elementen der Hauptgruppen III/V des Periodischen Systems verwendet. In besonders hohem Maße werden AlGaAs- und InGaAs/GaAs-Laser eingesetzt, jedoch werden gegenwärtig auch andere Materialien verwendet.
Es großer Bedarf besteht an Halbleiterlasern mit hoher Ausgangsleistung. Solche Bauelemente eignen sich besonders gut für Datenübertragungsleitungen, wo die Anzahl der Verstärker verringert werden kann, wenn man Laserlichtquellen mit hoher Ausgangsleistung einsetzt. Hochleistungs-Laserdioden können, um nur einige Beispiele zu nennen, auch in bestimmten medizinischen Systemen oder zum Materialschneiden verwendeten Werkzeugen eingesetzt werden.
Die US-Patentschrift 5 349 596 befasst sich mit einem asymmetrischen Heterostruktur-Halbleiter-Laserresonator und mit diesem Resonator ausgerüsteten Lasern. Durch das asymmetrische Design soll ein niedrigerer Betriebsleistungsschwellenwert eines externen Pumplasers erreicht werden.
InGaAs/GaAs-Hochleistungsquantengrabenlaser beispielsweise, die ihr Laserlicht bei einer Wellenlänge in der Nähe von 980 nm emittieren, werden in großem Umfang zum Pumpen von erbiumdotierten Lichtwellenleiterverstärkern eingesetzt. Bei solchen Anwendungen, bei denen die Einkopplung in eine Monomodefaser benötigt wird, stellt die maximal nutzbare Leistung aus einer Laserdiode denjenigen Leistungspegel dar, bei welchem sich die Qualität des Ausgangsstrahls verschlechtert.
Schwache indexgeführte Steglichtwellenleiter sind normalerweise für den Betrieb in der Nähe der Grenzfrequenz eines Transversalmodes höherer Ordnung ausgelegt. Ein Übergang vom beugungsbegrenzten Grundmodenbetrieb zum nichtbeugungsbegrenzten Modenbetrieb wird in solchen Strukturen oft bei einem Leistungspegel beobachtet, der deutlich unter dem optischen Zerstörungsschwellenwert liegt, sodass diese Abweichung vom Grundmodenbetrieb zum begrenzenden Faktor für die Laserleistung wird. Die durch einen Detektor mit kleiner numerischer Apertur gemessene Strom/Leistungs-Kurve zeigt üblicherweise beim Übergang zum nichtbeugungsbegrenzten Betrieb einen Knick. Deshalb bezeichnet man die maximale Grundmodenleistung auch als „lineare Leistung" oder „Knickleistung". Wenn man die Ausgangsleistung über die Knickleistung hinaus erhöht, kehrt der Laser oft zum Grundmodenbetrieb zurück. Ähnliche Effekte kann man auch bei anderen Halbleiterlasern beobachten.
Ein Hauptproblem bei modernen Halbleiterlasern besteht gemäß dem oben Gesagten darin, dass sie Abweichungen vom Grundmodenverhalten zeigen, wodurch sie für viele Hochleistungsanwendungen unbrauchbar werden. Eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, verbesserte und stabilere Halbleiterdiodenlaser und ein Verfahren zur Entwicklung und Fertigung solcher Laser bereitzustellen.
In dem Artikel „Kink Power in weakly index guided semiconductor lasers" von Schemmann et al. in Appl. Phys. Letters 66(8), 20. Februar 1995, S. 920 bis 922, wird die Abhängigkeit der Knickleistung von der Laserlänge beschrieben. Dabei wird erwartet, dass man durch Wahl der geeigneten Laserlänge eine optimale beugungsbegrenzte Ausgangsleistung erreichen kann.
In der US-Patentschrift 5 438 585 wird eine Halbleiterlaserdiode beschrieben, welche mittels eines herkömmlichen Fabry-Perot-Resonators und einer planaren Heterostruktur mit separater Abgrenzung durch einen richtig abgestimmten Brechungsindex (QW-GRINSCH) als aktiven Bereich eine hohe optische Ausgangsleistung in einer einzelnen beugungsbegrenzten Fernfeldkeule erzeugt. Ein leitungsbegrenzender Bereich wird mit dem aktiven Bereich des Lasers gekoppelt. Bei einer Ausführungsart weist der leitungsbegrenzende Bereich eine laterale Schwankung des effektiven Brechungsindexes auf, der ein divergierendes Medium bildet, durch welches die optischen Moden höherer Ordnung im Resonator höhere Verluste erleiden.
In der US-Patentschrift 5 394 424 wird ein Halbleiterlaser-Bauelement mit einer oberen Umhüllungsschicht auf einer aktiven Schicht, welche eine stabile Erzeugung transversalen Grundmoden für den Laserbetrieb sicherstellen soll, und einer gerippten Umhüllungsschicht beschrieben, welche neben dem Licht emittierenden Bereich der aktiven Schicht aus der oberen Umhüllungsschicht hervorsteht.
In der US-Patentschrift 4 761 791 wird ein Longitudinal-Monomode-Diodenlaser mit einer diskontinuierlichen Struktur beschrieben, welche seitlich neben dem Steg des aktiven Laserbereichs und möglicherweise auch über diesen hinweg gebildet ist. Die diskontinuierlichen Strukturen sind in ausreichender Anzahl über einen großen Teil der Länge des Stegs bzw. der Länge der Längsbereiche hinweg verteilt angeordnet, um den gewünschten Effekt zu erzielen. Die einzelnen Diskontinuitäten weisen in Längsrichtung eine Dimension auf, die zwischen der Hälfte und dem Dreifachen der jeweiligen Laserwellenlänge liegt.
In der japanischen Patentanmeldung 55 156 381 wird ein Halbleiterlaser mit Strominjektionsbereichen und Absorptionsbereichen beschrieben. Die Absorptionsbereiche sind entsprechend einer lateralen Intensitätsverteilung im Bauelement angeordnet.
Der Artikel „Singlemode 1.3 μm Fabry-Perot lasers by mode suppression" von D. A. Kozlowski et al. in ELECTRONICS LETTERS, Bd. 31, Nr. 8, 13. April 1995, S. 648 bis 650, behandelt die Konstruktion eines Quasi-Monomodelasers mit einem Nebenmoden-Unterdrückungsverhältnis von 30 dB, welcher lediglich drei Defektplätze verwendet.
In der europäischen Patentanmeldung EP 0 468 482 A wird Halbleiterlaser mit verteilter Rückkopplung vom vergrabenen Heterostrukturtyp beschrieben, der ein für einen oszillierenden Lichtstrahl transparentes Halbleitersubstrat, einen Laserstreifen mit einem Beugungsgitter, eine aktive Schicht, eine auf dem Halbleitersubstrat gebildete Führungsschicht und einen derart geformten Halbleiterrandbereich umfasst, dass dieser den Laserstreifen auf dem Halbleitersubstrat bedeckt. Der Halbleiterrandbereich ist für einen oszillierenden Lichtstrahl transparent. Auf beiden Seiten der Emissionsfläche des Laserstreifens sind rechteckige Gräben gebildet, die tiefer liegen als der Laserstreifen. Da ein aus dem Laserstreifen emittierter Strahlungsmode reflektiert und durch die Gräben gestreut wird, ist er kaum in der Lage, die Emissionsfläche zu erreichen. Aus diesem Grund stört der Strahlungsmode nicht den aus dem Laser kommenden Ausgangsstrahl.
In der deutschen Patentanmeldung DE 39 14 001 wird ein Halbleiterlaser mit einer aktiven Schicht in einem dotierten Halbleitersubstrat beschrieben. In die aktive Schicht und/oder die benachbarten Schichten sind Verunreinigungen eingebracht, welche das Licht beeinflussen.
AUFGABE UND VORTEILE DER ERFINDUNG
Die beanspruchte Erfindung soll die Nachteile bekannter Halbleiterlaserdioden beseitigen.
Das Halbleiterlaserbauelement mit den Merkmalen nach Anspruch 1 weist den Vorteil auf, dass mindestens ein Nebenmode höherer Ordnung stärker als der Grundmode geschwächt wird. Dadurch wird eine schwächere Kopplung zwischen dem Nebenmode höherer Ordnung und dem Grundmode und somit eine höhere Knickleistung des Halbleiterlaserbauelements bewirkt.
Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen können verschiedene Verbesserungen und Abänderungen an dem in Anspruch 1 beschriebenen Halbleiterlaserbauelements vorgenommen werden.
Es ist von Vorteil, das Dämpfungsglied an der Stelle zu positionieren, wo der Nebenmode höherer Ordnung ein relatives Maximum aufweist, da hier die größte Amplitude des Nebenmode höherer Ordnung anzutreffen ist und hier eine stärkere Dämpfung erfolgen kann.
Die Realisierung des Dämpfungsgliedes in Form eines Lichtwellen dämpfenden Materials, welches einen hervorstehenden Teil einer leitfähigen Schicht umfasst, wobei dieser hervorstehende Teil näher bis zum Lichtwellenleiter reicht als die leitfähige Schicht, weist den Vorteil auf, dass man als leitfähige Schicht eine Schicht verwenden kann, die auf jeden Fall schon vorhanden ist, z. B. eine Verbindungsschicht, die zum Abschluss des Laserbauelements benutzt wird. Dadurch vereinfacht sich auch der Herstellungsprozess.
Wenn das Dämpfungsglied mehrere in einem vorgegebenen Abstand voneinander angeordnete Dämpfungsgliedteile umfasst, ist die erreichbare Dämpfung selektiver, da zwischen Dämpfungsgliedteilen, d. h. dort, wo sich die relativen Maxima des Grundmode befinden, keine Dämpfung erfolgt.
Er erweist sich als vorteilhaft, die Dämpfungsglieder entsprechend der Differenz der Longitudinalmodenzahlen der im Lichtwellenleiter vorhandenen Moden anzuordnen, da durch diese Differenz automatisch diejenigen Stellen festgelegt sind, wo sich die Positionen der relativen Maxima der sich ausbreitenden Moden am stärksten voneinander unterscheiden. Die Differenz der Longitudinalmodenzahlen des Grundmode und des ersten Mode höherer Ordnung wird hier abgekürzt mit m bezeichnet.
Wenn man das Dämpfungsglied so aufbaut, dass es einen oder mehrere sättigungsfähige Licht absorbierende Bereiche umfasst, die als Fallen für die durch Licht angeregten Ladungsträger dienen, weist dies den Vorteil auf, dass man einen bekannten epitaxialen Keimbildungsprozess anwenden kann, um diese sättigungsfähigen Licht absorbierenden Bereiche zu erzeugen. Außerdem kann man für die sättigungsfähigen Bereiche jedes sättigungsfähige absorbierende Material verwenden und dieses entsprechend unterschiedlichen Bedingungen auswählen, z. B. entsprechend der Komplexität des Prozesses oder des Materialpreises.
Durch die lokale Einschlieflung der sättigungsfähigen Licht absorbierenden Bereiche (z. B. Quantenpunkte) verhindert man, dass die Ladungsträger in benachbarte Bereiche fließen. Deshalb behält die durch den Grundmode gesättigte Absorption ihre räumliche Auflösung und damit die präzise Dämpfung des Lichtes nur genau an der Stelle des ungesättigten Licht absorbierenden Bereichs bei, insbesondere wo die Intensität des Grundmode gering ist und die schwächeren Intensitätsmaxima des Mode höherer Ordnung aufträten, wenn das sättigungsfähige absorbierende Dämpfungsglied fehlen würde.
Ein verstimmter Reflexionsgrad einer der reflektierenden Ebenen zusammen mit einem Dämpfungsglied, welches die Longitudinalmodenzahl z. B. in einem Multimodelaser mit breiter Laserfläche stabilisiert, stellt ein vorteilhaftes Verfahren zur Verringerung der Anzahl der Nebenmoden dar.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezug auf die Zeichnungen beschrieben, welche eine spezielle Ausführungsart sowie die Leistungskenndaten von Bauelementen veranschaulichen, die gemäß den Lehren der Erfindung hergestellt werden, wobei
1 ein Diagramm ist, welche die gemessene Fernfeld-Intensitätsverteilung einer Laserdiode bei verschiedenen Stromstärken veranschaulicht,
2 ein Diagramm ist, welches die Ausgangsleistung einer Laserdiode (durchgezogene Linie) als Funktion vom Strom und die Schwankung der Ausgangsleistung einer Laserdiode (gestrichelte Linie) als Funktion vom Strom veranschaulicht, die mittels eines Detektors mit kleiner numerischer Apertur gemessen wurde.
3 die Umrisslinien der Dichte der Eintrittspunkte von mehreren Tausend Laserdioden in einem Diagramm der Knickleistung als Funktion von der FWHM bei P = 30 mW mit geschätzten Bereichen verschiedener Dichtecluster zeigt, welche durch eine gemeinsame Zahl m definiert sind.
4a eine schematische Darstellung des Energieflusses eines Supermode mit u_tot = u₀ + u₁ ist.
4b eine schematische Darstellung des Energieflusses eines Supermode mit u_tot = u₀ + iu₁ ist.
5a ein Diagramm ist, welches die integrale spektrale Intensitätsdifferenz der Elektrolumineszenz beim ersten Knick eines Halbleiterlaserbauelements mit m = 3 zeigt.
5b ein Diagramm ist, welche die integrale spektrale Intensitätsdifferenz der Elektrolumineszenz beim ersten Knick eines Halbleiterlaserbauelements mit m = 4 zeigt.
5c ein Diagramm ist, welche die integrale spektrale Intensitätsdifferenz der Elektrolumineszenz beim ersten Knick eines Halbleiterlaserbauelements mit m = 5 zeigt.
6a eine Querschnittsansicht einer ersten Ausführungsart eines Laserbauelements gemäß der Erfindung ist.
6b eine Draufsicht auf das Bauelement von 6a ist.
7 ein Diagramm ist, welches das Vorhandensein verschiedener Modenzahldifferenzen m für ein Laserbauelement mit Stegführung zeigt.
8a eine schematische Darstellung der Periodizität eines Grundmode entlang eines Resonators zeigt.
8b eine schematische Darstellung der Periodizität eines Nebenmode erster Ordnung entlang eines Resonators zeigt.
8c eine schematische Darstellung einer kohärenten Überlagerung des Grundmode von 8a und des Nebenmode erster Ordnung von 8c zeigt.
9 eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsart eines Laserbauelements gemäß der Erfindung ist.
Die Figuren sind zur besseren Verdeutlichung nicht immer in den realen Abmessungen und die Abmessungen selbst nicht immer in einem realistischen und gleichmäßigen Maßstab gezeigt. Die Abkürzung (a. u.) bedeutet „willkürliche Einheiten" und ist so zu verstehen, dass sich die Informationen der Figur nicht so sehr auf den absoluten Wert der entsprechenden Punkte oder Kurven, sondern auf die relative Differenz des betreffenden Punkts oder der betreffenden Kurve zu den anderen dargestellten Punkten oder Kurven beziehen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
In 1 ist ein Diagramm gezeigt, welches die gemessene Fernfeld-Intensitätsverteilung einer Laserdiode, insbesondere eines InGaAs/GaAs-Einquantengraben-Steglaserbauelements unter Belastung bei verschiedenen Betriebsstromstärken I zwischen 100 und 250 mA veranschaulicht. Die Intensität ist durch die optische Ausgangsleistung P angegeben und zeigt für niedrige Werte der Betriebsstromstärke I beim Winkel α = 0° einen Spitzenwert der Ausgangsleistung P, die mit wachsendem Winkel α symmetrisch abnimmt. Das InGaAs/GaAs-Einquantengraben-Steglaserbauelement mit einer Rippe unter Belastung weist hier eine beugungsbegrenzte Ausgangleistung von über 150 mW auf und zeigt bei einem bestimmten Leistungspegel eine Abweichung vom beugungsbegrenzten Grundmodenbetrieb, die mit einer seitlichen Ablenkung des Laserstrahls zusammenhängt. Die Ablenkung des seitlichen Fernfeldes ist hier bei einem Wert der Betriebsstromstärke I von 210 bis 230 mA zu erkennen. Bei höheren Werten der Betriebsstromstärke I geht das Laserbauelement wieder zum Grundmodenbetrieb zurück, bis ein zweiter Knick auftritt. Die Kurve der Ausgangsleistung P des Laserbauelements zeigt mehrere Knicke, bis die Leistung dann durch andere begrenzende Effekte, wie zum Beispiel die Erwärmung, verschlechtert wird.
Den Übergang vom beugungsbegrenzten Grundmodenbetrieb zum nichtbeugungsbegrenzten Betrieb zeigen viele Halbleiter-Laserbauelemente. In bestimmten Fällen wird diese Abweichung vom Grundmodenbetrieb zum begrenzenden Faktor für die Laserleistung.
Dieses Verhalten lässt sich durch eine Resonanzkopplung zwischen dem Grundmode und einem Nebenmode höherer Ordnung erklären, der infolge eines deformierten seitlichen Brechungsindexprofils des Laserbauelements durch eine lokale Erwärmung im aktiven Bereich zusätzlich im Laserresonator geleitet wird. Ein Nebenmode höherer Ordnung kann bereits bei mäßigen Ausgangsleistungen geleitet werden. Die seitliche Ablenkung des Fernfeldes lässt sich unter der Annahme einer phasenstarren Überlagerung des Grundmode mit dem Nebenmode höherer Ordnung erklären.
Die entsprechende Strom-Ausgangsleistungs-Kennlinie ist in einem Diagramm in 2 gezeigt, die mittels eines Detektors mit kleiner numerischer Apertur (NA) gemessen wurde. Außer der Ausgangsleistung P ist im Diagramm eine Schwankung var der Ausgangsleistung dargestellt, welche als geglättete zweite Ableitung der Strom-Ausgangsleistungs-Kennlinie definiert ist. Da der Detektor mit kleiner numerischer Apertur sehr empfindlich auf Abweichungen vom Grundmodenbetrieb reagiert, kann die Strahlablenkung als „Knick" in der Strom-Ausgangsleistungs-Kennlinie und als starker Anstieg der Schwankung var der Ausgangsleistung P beobachtet werden.
Zum Einkoppeln von Laserlicht in eine Monomode-Faser eignet sich nur der lineare Teil der Kennlinie unterhalb des ersten Knicks. Somit ist die „lineare Leistung" oder „Knickleistung" als die maximal nutzbare beugungsbegrenzte Ausgangsleistung P oder, genauer, als die maximale Ausgangsleistung definiert, bei welcher die Schwankung der Ausgangsleistung P einen vorgegebenen Wert, zum Beispiel 0,2 mW, nicht überschreitet. Diese Knicke der Kennlinie lassen sich auch mit Ulbrichtkugeln als Detektoren beobachten, im Allgemeinen allerdings wesentlich schwächer. Das bedeutet, dass nicht nur die im Grundmode emittierte Leistung, sondern auch die emittierte Gesamtleistung P diese Knicke erfährt.
3 zeigt ein Statistikbeispiel in Form eines zweidimensionalen Histogramms für eine Vielzahl von Laserbauelementen. In diesem Diagramm sind Umrisslinien dargestellt, welche jeweils eine konstante Punktdichte darstellen, wobei jeder Punkt für jedes Laserbauelement eine Halbwertsbreite (Full width half maximum, FWHM) bei der Ausgangsleistung von 30 mW und einen Wert der Knickleistung darstellt. Die bei einem vorgegebenen Wert der Ausgangsleistung P gemessene Halbwertsbreite des Fernfeldes eines Laserbauelements kann man Äquivalent für die Steghöhe des Laserbauelements verwenden. Die Tatsache, dass die Bereiche mit gleicher Punktdichte an bestimmten Stellen des Diagramms zu finden sind, zeigt, dass es bei der Knickleistung nicht um einen statistischen Wert handelt. Vielmehr erkennt man eine sägezahnartige Abhängigkeit der Knickleistung von der Höhe des Wellenleiterstegs. Diese Höhe hängt direkt mit der Breite des seitlichen Fernfeldes zusammen, d. h., dass ein flacherer Steg des Lasers zur einer stärkeren Modeneinschnürung und zu einem größeren seitlichen Winkel des Fernfeldes. Bei höheren Ausgangsleistungen wird die Korrelation zwischen dem seitlichen Fernfeld und der Wellenleitergeometrie durch thermische Effekte beeinflusst.
Die regelmäßige Abhängigkeit der Knickleistung von der Steggeometrie und der thermischen Deformation des effektiven Brechungsindexes n_eff gestattet die Unterscheidung verschiedener Felder, d. h. von Feldern mit einer hohen Punktdichte, welche von Bereichen mit geringerer Punktdichte umgeben sind. Die Felder stellen den experimentell ermittelten Nachweis von theoretisch existierenden Bereichen dar, denen die Differenz m der longitudinalen Modenzahlen der sich ausbreitenden Nebenmoden gemeinsam ist. Diese Bereiche weisen einen universellen Charakter auf, denn sie ändern ihre Lage zwischen den einzelnen Prozessen nicht. Die Abhängigkeit der Knickleistung von der Stegtiefe stellt somit eine Grundeigenschaft der Wellenleitergeometrie dar.
Die Zahl m der Differenz der Modenzahlen der sich ausbreitenden Moden m im Laserresonator kann jedem der vier Felder in 3 zugeordnet werden. Das Laserbauelement des zweiten Feldes von links hat einen Knick bei m = 3, das Laserbauelement des dritten Feldes hat einen Knick bei m = 4, und das Laserbauelement des vierten Feldes hat einen Knick bei m = 5. Diese allgemeingültigen Felder stellen somit Bereiche dar, in denen für jedes in diesem Bereich vorkommende Laserbauelement bei einer bestimmten gemeinsamen Zahl m ein Knick vorkommt. In Wirklichkeit setzen sich die Felder an ihren oberen Grenzen fort, was in 3 durch gestrichelte Linien dargestellt ist. Da für die 3 nur der erste Knick jedes Laserbauelements untersucht wurde, handelt es sich bei der scheinbaren oberen Grenze der experimentell abgeleiteten Felder um eine künstlich gezogene Grenze. Jedes Feld in 3 wird durch den Beginn des nächsten Feldes mit der nächstniedrigen Zahl m begrenzt. Das steht auch in Übereinstimmung mit der experimentellen Beobachtung, dass ein Laserbauelement mit zunehmender Leistung eine Reihe von Knicken mit wachsender Zahl m zeigt.
Ein Knick äußert sich nicht nur in einer seitlichen Strahlablenkung und einer verstärkten Spontanemission, sondern auch in einer Aufspaltung und Verschiebung der Laserwellenlänge. Normalerweise kommt es beim Knick zuerst zu einer Aufspaltung der Laserwellenlänge. Der Zweig mit der kürzeren Wellenlänge „stirbt dann aus", und der Laser schwingt bei einer größeren Wellenlänge. Bei Leistungswerten oberhalb des Knicks hat die Wellenlänge wieder ihren normalen Wert.
Für die Kopplung des Nebenmode wird im folgenden Abschnitt eine Erklärung des beobachteten Knickverhaltens und der Felder geliefert.
Ein stabiles asymmetrische Fernfeld lässt sich als eine kohärente, d. h. phasenstarre, Überlagerung des Grundmode und eines Nebenmode höherer Ordnung erklären. Eine notwendige Bedingungen für das Vorliegen einer kohärenten Überlagerung der beiden Moden bei Emission monochromatischen Lichts durch das Laserbauelement stellt die Entartung der Frequenz v der beiden Moden dar, d. h. v0 = v1 = v [1]
Außerdem stehen die beiden Moden in Resonanz mit dem Laserresonator, um in diesem eine stehende Welle ausbilden zu können:
Diese Formeln benutzen die Länge des Laserresonators L, die Longitudinalmodenzahlen l₀, l₁ und die effektiven Brechungsindizes n_c ⁰ und n_c ¹ der beiden Moden. Die Modenzahl m ist eine kleine ganze Zahl, z. B. m = 1, 2, 3, 4 usw. Aus den Gleichungen (1) bis (2b) erhält man die notwendige Bedingung für das Entstehen eines kohärenten Supermode:
Die Differenz zwischen den effektiven Brechungsindizes n_c ⁰ und n_c ¹ muss ein ganzzahliges Vielfaches von
sein.
Deshalb existiert ein hybrider Supermode theoretisch im Prinzip gar nicht. Der Wellenleiter muss zwei Moden mit den effektiven Brechungsindizes n_c ⁰ und n_c ¹ leiten, welche die Bedingung (3) erfüllen. Obwohl diese Bedingung beim „kalten" Wellenleiter nicht erfüllt ist, kann die Erwärmung des Lichtwellenleiters die effektiven Brechungsindizes n_c ⁰ und n_c ¹ der Moden so lange verschieben, bis die Bedingung (3) erfüllt ist. In diesem Augenblick überträgt der Grundmode Energie durch Resonanzkopplung auf den Nebenmode höherer Ordnung, und es kommt zum Knick. Wenn man die Stromstärke und damit auch die Ausgangsleistung P erhöht, führt dies zu einer weiteren Erwärmung des Lichtwellenleiters, zu einer weiteren Verschiebung der effektiven Brechungsindizes n_c ⁰ und n_c ¹, sodass die Bedingung (3) nicht mehr erfüllt ist. Dann liegt keine Resonanzkopplung mehr vor, und der Laser kehrt wieder in den Grundmodenbetrieb zurück.
Obwohl die beiden Moden mit derselben Frequenz v schwingen und dieselbe Wellenlänge im freien Raum aufweisen, haben sie aufgrund der unterschiedlichen Brechungsindizes n_c ⁰ und n_c ¹ im Innern des Laserresonators unterschiedliche Wellenlängen. Die Schwebungslänge Λ ist gegeben durch:
Unter der Schwebungslänge Λ ist diejenige Länge zu verstehen, nach welcher die beiden Moden eine Phasendifferenz von 2π haben. Aus den Gleichungen (2a) bis (4) folgt unmittelbar, dass
ist.
Für eine Überlagerung der stehenden Wellen von zwei Moden ist es somit erforderlich, dass die halbe Schwebungslänge Λ/2 der beiden Moden in den Laserresonator „hineinpasst". Wenn man die Intensitätsverteilung der stehenden Welle im Laserresonator betrachtet, kann man die relative Phase zwischen den Moden beliebig auswählen, d. h., die Amplitude u_tot des Supermode lässt sich wie folgt schreiben: utot = u0 + cu1 [6]wobei u₀ und u₁ die komplexen Amplituden sind und c eine beliebige komplexe Konstante ist.
Wenn man von einer der reflektierenden Ebenen ausgeht, erreicht der Nebenmode höherer Ordnung nach einem Viertel der Schwebungslänge eine Phasenverschiebung von π/2 gegenüber dem Grundmode, und seine Spitzenwerte treten deshalb zwischen Moden-Spitzenwerten des Grundmode auf. Wenn man über mehrere Wellenlängen mittelt, erhält man eine über den Laserresonator hinweg homogene Intensitätsverteilung, die jedoch gegenüber der Intensitätsverteilung des Grundmode verbreitert ist. Bei einem realen Wert von c ist dies nicht der Fall, wo sich die Orte des Intensitätsmaximums des Supermode im Wellenleiter von einer zur anderen Seite verschieben. Diese Überlagerung führt zu einem asymmetrischen Nahfeld, während ein imaginärer Wert von c zu einem symmetrischen Nahfeld führt.
In 4a ist der Energiefluss einer Überlagerung bei einem realen Wert von c gezeigt, während 4b den Energiefluss einer Überlagerung bei einem imaginären Wert von c darstellt. Die beiden gezeigten Moden entsprechen m = 2. Daraus wird deutlich, dass die Resonatorlänge L_c ein ganzzahliges Vielfaches der halben Schwebungslänge Λ/2 ist. Ferner zeigt sich, dass ein realer Wert von c zu einem symmetrischen Fernfeld und ein imaginärer Wert von c zu einem asymmetrischen Fernfeld und somit zu einer Strahlablenkung führt. Daraus folgt, dass das Nahfeld am Knickpunkt symmetrisch bleibt.
Der in 4a gezeigte Mode entspricht u_tot = u₀ + u₁ und führt zu einem asymmetrischen Nahfeld und einem symmetrischen Fernfeld, während der in 4b gezeigte Mode u_tot = u₀ + iu₁ entspricht und zu einem symmetrischen Nahfeld und einem asymmetrischen Fernfeld führt.
Ein Knick in der Kennlinie ist somit das Ergebnis einer phasenstarren Überlagerung, eines Supermode von zwei Nebenmoden. Eine Bedingung besteht darin, dass die beiden Moden entartet sind, d. h. mit derselben Frequenz v schwingen. Dann kommt es zur Resonanzkopplung, und durch die Resonanz wird Energie vom Grundmode zum Nebenmode höherer Ordnung übertragen, was zu einer seitlich verschobenen Fernfeld-Intensitätsverteilung führt. Ein Knick kann durch die Zahl m gekennzeichnet werden, welche die Differenz der Longitudinalmoduszahlen der beiden Moden darstellt.
Es gibt eine Richtung für die seitliche Ablenkung. Der Mode u_tot = u₀ – iu₁ erzeugt im Innern des Laserresonators genau dieselbe Intensitätsverteilung wird der Mode u_tot = u₀ – iu₁, andererseits jedoch eine Fernfeldablenkung, wobei dieser Supermode anders herum wandert als in 4b gezeigt wird. Das steht in Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen, dass die Richtung der Ablenkung statistisch von einem Laserbauelement zum anderen variiert, jedoch für ein bestimmtes Laserbauelement konstant ist.
Es wird erwartet, dass das Nahfeld an der Knickstelle symmetrisch bleibt. Man kann beobachten, dass das Nahfeld nur eine im Vergleich mit der starken seitlichen Ablenkung des Fernfeldes von 1 geringfügige Verschiebung nach einer Seite erfährt. Dies bestätigt die Vermutung einer im Wesentlichen imaginären Konstante c. Die geringfügige Verschiebung des Nahfeldes zeigt jedoch, dass die Konstante c nicht rein imaginär ist, sondern einen kleinen Realteil enthält.
Eine Zunahme der Intensität der Elektrolumineszenz über den Laserresonator hinweg an den Knickstellen kann bei allen Lasern beobachtet werden. In den 5a und 5b sind die Differenz der Intensität der Elektrolumineszenz entlang der Längsachse x des Resonators an der ersten Knickstelle sowie eine Stromstärke I knapp unterhalb der Knickstelle eines Halbleiterlaserbauelements jeweils mit m = 3, 4, 5 dargestellt. Diese Messungen zeigen direkt die Schwebung zwischen den beiden Moden und ermöglichen eine genaue Vorhersage für die ideale Position der Dämpfungsglieder.
In 5a ist bei ungefähr 230 μm ein erstes Maximum der relativen Intensitätsdifferenz zu sehen, wobei die Resonatorlänge L_c bei allen Figuren 750 μm beträgt. Ein zweites Maximum der relativen Intensitätsdifferenz ist bei ungefähr 500 μm zu erkennen. Das entspricht der Tatsache, dass die beiden Moden an diesen Stellen in Phase sind. Daher sind die Positionen, an denen die beiden Moden nicht in Phase sind, um ein Viertel der Schwebungslänge von diesen Stellen verschoben. Zum Anordnen der Dämpfungsglieder 10 eignen sich somit die Stellen a, b und c am besten. 5b zeigt für m = 4 die abwechselnden Maxima und Minima der Intensitätsdifferenzen der Elektrolumineszenz. Hier kommt es zu vier Minima, welche für die hier anzuordnenden Dämpfungsglieder 10 die vier Stellen a, b, c und d anzeigen.
5c bestätigt die Regel für m = 5, welche zu den fünf Stellen a, b, c, d und e führt. Die Tatsache, dass man die oben genannte Minimumstelle e nicht so gut erkennt wie die anderen, kommt daher, dass sie der reflektierenden Ebene 14 am nächsten liegt, wo es infolge Streulicht zu einer Störung der gemessenen Intensitätsdifferenz der Elektrolumineszenz kommt.
Somit gibt die Zahl m einen konkreten Hinweis darauf, wo man die Dämpfungsglieder 10 anordnen muss.
Ausgehend von der Kenntnis der Intensitätsverteilung gemäß der vorliegenden Erfindung des sich ausbreitenden Supermode im Innern des Resonators kann man das Knickverhalten des Laserbauelements dadurch verbessern, dass man Dämpfungsglieder anordnet, welche Verluste des Nebenmode höherer Ordnung bewirken und somit den Supermode stabilisieren, ohne den Grundmode zu beeinflussen. Durch diesen Ansatz wird der Knick nicht verschoben, sondern gedämpft und im besten Fall sogar beseitigt.
Im Folgenden werden Beispiele von Halbleiterlaserbauelementen angeführt und beschrieben.
In 6a und 6b ist eine erste Ausführungsart eines Halbleiterlaserbauelements gemäß der Erfindung dargestellt. 6c zeigt im Querschnitt die Zusammensetzung der Halbleiterschichten bzw. deren Brechungsindex n. 6a ist eine Ansicht des Laserbauelements entlang der in 6b gezeigten Schnittlinie A-A.
Bei dem hier gezeigten Laserbauelement handelt es sich um eine Injektionslaserdiode in Form eines Stabes, der im Allgemeinen die Form eines Parallelepipeds mit einer Schichtstruktur und als mittlere Schicht eine Quantengrabenzone 1 umfasst. Die Quantengrabenzone 1 ist an ihrer Oberseite durch eine obere halbleitende Begrenzungszone 2 begrenzt, deren Zusammensetzung sich von ihrer oberen Fläche in Richtung zur Grenzfläche mit der Quantengrabenzone 1 so ändert, dass sich die Energielücke von der oberen Fläche in Richtung zur Grenzfläche mit der Quantengrabenzone 1 verringert. Der Brechungsindex der oberen halbleitenden Begrenzungszone 2 nimmt umgekehrt von ihrer oberen Fläche in Richtung zur Grenzfläche mit der Quantengrabenzone 1 zu. Die Quantengrabenzone 1 ist an ihrer Unterseite durch eine untere halbleitende Begrenzungszone 3 begrenzt, deren Zusammensetzung sich von ihrer oberen Fläche in Richtung zur Grenzfläche mit der Quantengrabenzone 1 so ändert, dass sich die Energielücke von der unteren Fläche in Richtung zur Grenzfläche mit der Quantengrabenzone 1 verringert. Der Brechungsindex der unteren halbleitenden Begrenzungszone 3 nimmt umgekehrt von ihrer unteren Fläche in Richtung zur Grenzfläche mit der Quantengrabenzone 1 zu. Der unteren Fläche der unteren halbleitenden Begrenzungszone 3 ist eine untere Umhüllungsschicht 4 benachbart, deren Zusammensetzung so beschaffen ist, dass ihr Brechungsindex höchstens genauso groß ist wie der Brechungsindex der benachbarten unteren halbleitenden Begrenzungszone 3 an ihrer gemeinsamen Grenzfläche. Die Quantengrabenzone 1 ist ein Quantengraben (Quantentopf), dessen Energielücke kleiner ist als die Energielücke der benachbarten Begrenzungszonen 2 und 3, um die Ladungsträger zurückzuhalten. Der Brechungsindex der Quantengrabenzone 1 kann beliebig und sogar kleiner als der Brechungsindex der benachbarten Zonen 2 und 3 sein. Auf der oberen Begrenzungszone 2 ist eine Umhüllungsschicht 5 angeordnet, welche einen Längssteg 12 umfasst. Die Quantengrabenzone 1 hat nur wenig mit der optischen Begrenzung und der Lichtleitung zu tun, da die Lichtleitung durch die Begrenzungszonen 2 und 3 sowie die Deckschichten 4 und 5 sichergestellt wird. Die untere Umhüllungsschicht 4 ist auf einem Halbleitersubstrat 17 angeordnet.
Der Stab mit der Form eines Parallelepipeds ist von vier vertikalen Ebenen umgeben, die keine speziellen Reflexionseigenschaften aufweisen, während eine dritte Ebene eine reflektierende Eben 14 ist und eine vierte teildurchlässige reflektierende Ebene 13 als Austrittsebene für den Laserstrahl dient. Der Abstand zwischen der reflektierenden Ebene 14 und der teildurchlässigen reflektierenden Ebene 13 ist gleich der Resonatorlänge L_c. Der Steg 12 hat eine Basisbreite B_c und erstreckt sich von der reflektierenden Ebene 14 bis zur teildurchlässigen reflektierenden Ebene 13. Die obere Umhüllungsschicht 5 umfasst ferner eine Anzahl würfelförmiger Löcher, deren Längsachse senkrecht zur Längsachse der Rippe 12 liegt und die hier zum Beispiel als Vierergruppen dargestellt sind. Diese Gruppen liegen paarweise auf der linken und rechten Seite des Stegs 12. Außerdem ist die obere Umhüllungsschicht 5 bis zur Höhe des Stegs 12 mit einer Deckschicht 6 bedeckt, die auch als Einbettungsschicht bezeichnet wird und aus einem isolierenden Material besteht. Die Deckschicht 6 zeigt ebenfalls die würfelförmigen Löcher. Das Laserbauelement umfasst ferner eine erste elektrische leitende Schicht 7, die auf dem Steg 12 und der Deckschicht 6 angeordnet und mit einem ersten Kontaktbauelement 9 verbunden ist. Der bis zur Gruppe der Löcher reichende Teil der elektrisch leitenden Schicht 7 bildet dort ein die Lichtwelle dämpfendes Dämpfungsglied 10, welches mehrere Dämpfungsgliedteile umfasst, wobei jedes dieser Dämpfungsteile ein gefülltes Loch ist. Somit sind im vorliegenden Beispiel entlang des Stegs 12 an vier Stellen Dämpfungsglieder 10 bereitgestellt, deren Positionen in Abhängigkeit von der Differenz m der Longitudinalmodenzahlen der sich ausbreitenden Moden gewählt wurden.
An der gegenüberliegenden Seite des Halbleitersubstrats 17 ist eine zweite elektrisch leitende Schicht 8 angebracht, die mit einem zweiten Kontaktbauelement 11 verbunden ist. Die Begrenzungszonen 2 und 3 bilden zusammen mit der Quantengrabenzone 1 einen Lichtwellenleiter 15 mit einer Dicke H_c, der als Laserresonator mit der Quantengrabenzone 1 als aktiver Bereich dient. Der Laserresonator ist ein Fabry-Perot- Resonator mit der Länge L_c, der Höhe H_c und der Breite B_c des Laserresonators.
Das Laserbauelement wird elektronisch gepumpt. Deshalb weist der Laser zwei verschiedene Dotierungen auf, und zwar eine n- und eine p-Dotierung, die einen p-n-Übergang und ferner zwei Kontaktelektroden 9 und 11 bilden. Die beiden elektrischen Kontakte 9 und 11 dienen dazu, durch den aktiven Bereich 1 einen Strom zu leiten, welcher die stimulierte Ladungsträgerrekombination bewirkt. Die Ladungsträger werden in die aktive Zone injiziert, wo sie rekombinieren und die Lichtemission auslösen. Unter GRINSCH (graded index separate confinement heterostructure, Heterostruktur mit getrennter Abgrenzung durch abgestuften Brechungsindex) ist zu verstehen, dass das Laserbauelement einen optischen Wellenleiter mit abgestuftem Brechungsindex hat und die Ladungsträger und das Licht getrennt voneinander führt. Die Isolatorschicht 6 dient dazu, den Strom auf dem Steg 12 zu beschränken und die Dämpfungswirkung der leitfähigen Schicht 7 auf den Lichtwellenleiter 15 zu verringern.
Die Änderung der Zusammensetzung kann man entweder dadurch erreichen, dass man bei der Molekularstrahlepitaxie (molecular beam epitaxy, MBE) die Temperatur einer Effusionszelle ändert, welche einen Atom- oder Molekularstrahl erzeugt, oder die Zusammensetzung dieses Strahl nacheinander ändert.
Die aktive Zone des Laserbauelements besteht aus der Quantengrabenzone 1, die sich in der Mitte einer Struktur mit im vorliegenden Fall symmetrischem Materialgradienten befindet. Die Quantengrabenzone 1 ist eine dünne Schicht aus einem Halbleitermaterial mit einer Energielücke, die kleiner als die Energielücke der benachbarten Begrenzungszonen 2 und 3 ist. Der Gradient der Materialzusammensetzung bewirkt einen Gradienten der Energielücke und einen Gradienten des optischen Brechungsindexes. Der Gradient der Energielücke verbessert den Wirkungsgrad der Ansammlung der durch den Injektionsstrom gelieferten Ladungsträger. Der Gradient des Brechungsindexes ermöglicht es, den geführten optischen Mode auf die aktive Zone 1 zu konzentrieren. Dadurch erreicht man eine optimale Überlagerung der Gewinnzone (Quantengraben) und des geführten optischen Mode.
Die Dämpfungsglieder 10 dämpfen den Nebenmode höherer Ordnung. Das Material der Dämpfungsglieder 10 ist im vorliegenden Fall Metall, das als sehr wirksames Lichtwellen dämpfendes Material bekannt ist. In 6b ist ein Beispiel gezeigt, bei dem die Differenz m der Longitudinalmodenzahl des Grundmode und des zu dämpfenden ersten Nebenmode höherer Ordnung m = 2 ist. Die Longitudinalmodenzahl des Grundmode kann zum Beispiel 2001 und die Longitudinalmodenzahl des ersten Nebenmode höherer Ordnung zum Beispiel 2003 betragen. Somit gibt es in diesem Fall zwei Stellen entlang des Lichtwellenleiters, an denen die relativen Intensitätsmaxima des ersten Nebenmode höherer Ordnung und des Grundmode am stärksten voneinander getrennt sind. Das ist die optimale Stelle, an der der erste Nebenmode höherer Ordnung unterdrückt werden kann und gleichzeitig der Einfluss dieser Unterdrückung auf den Grundmode nur minimal ist. Zu beiden Seiten des Stegs 12 und an beiden Positionen ist ein Dämpfungsglied 10 angebracht. Da die Longitudinalmodenzahlen im Vergleich zu m sehr groß sind, bestehen die Dämpfungsglieder 10 nicht nur aus einem Dämpfungselement, sondern umfassen mehrere Dämpfungselemente, welche im vorliegenden Fall in Form getrennter Streifen realisiert werden. Der Übergang zwischen der völligen Überlappung der relativen Maxima der beiden Moden und der vollständigen Trennung der relativen Maxima der beiden Moden erfolgt auf einer Strecke, die umso länger ist, je kleiner die Differenz m ist, und im Allgemeinen, d. h. bei realen Laserbauelementen, wesentlich größer als der Abstand zwischen zwei benachbarten Intensitätsmaxima des Grundmode ist. Deshalb kann man das relative Maximum des ersten Nebenmode höherer Ordnung nicht nur an einer Stelle unterdrücken, sondern auch benachbarte relative Maxima, welche ebenfalls weit von den relativen Maxima des Grundmode entfernt sind. Das erreicht man dadurch, dass man das Dämpfungsglied 10 in mehrere Dämpfungsgliedteile aufteilt, die in einer Reihe entlang Lichtwellenleiter angeordnet sind und sich in der Nähe der Stelle befinden, an der die relativen Intensitätsmaxima der beiden Moden am stärksten voneinander getrennt sind. Es würde jedoch zu einer Verschlechterung führen, wenn die Dämpfungsgliedteile nicht voneinander getrennt wären, da dann der Zwischenraum zwischen ihnen auch zu einer Dämpfung führen würde, die sich auf den Grundmode auswirkt, was normalerweise jedoch unerwünscht ist. Zur Optimierung des Effekts muss die Anzahl der Dämpfungsgliedteile für jedes Laserbauelement speziell ausgewählt werden. Das lichtwellendämpfende Material, aus dem die Dämpfungsglieder 10 bestehen, muss nicht dasselbe Material sein, welches als leitfähige Schicht 7 verwendet wird und braucht mit diesem auch nicht in Verbindung zu stehen. Ein geeignetes Verfahren zur Erzeugung der Löcher für die Dämpfungsbauelemente 10 ist das fokussierte Ionenstrahlätzen.
Als Material für die verschiedenen Schichten können beispielsweise für das Substrat 17 GaAs, für die Umhüllungsschichten 4 und 5 Al_0,3Ga_0,7As, für die Begrenzungszonen 2 und 3 Al_0,1Ga_0,9As und für die Quantengrabenzone 1 In_0,1Ga_0,9As verwendet werden. Die leitfähige Schicht 7 kann aus Gold und die Isolatorschicht 6 aus Si₃N₄ oder SiO₂ bestehen.
Im Allgemeinen sind die Dämpfungsglieder in Abhängigkeit vom Muster der stehenden Welle der Überlagerung zum Beispiel des sich ausbreitenden Grundmode und des ersten Nebenmode höherer Ordnung angeordnet.
In 7 sind ansatzweise die höheren Moden für verschiedene Gestaltungen des Bauelementstegs gezeigt.
Die linke Seite zeigt eine schematische Ansicht des effektiven Brechungsindexes n_eff eines ersten Laserbauelements mit einem flachen Steg in drei verschiedenen Querschnittsformen des Stegs 12. Die rechte Seite zeigt eine schematische Ansicht des effektiven Brechungsindexes n_eff eines zweiten Laserbauelements mit einem hohen Steg in diesen drei Querschnittsformen. Auf der Ordinate ist die Ausgangsleistung und auf der Abszisse die Steghöhe bzw. der seitliche Fernfeldwinkel Θ aufgetragen.
Eine höhere Ausgangsleistung P führt automatisch zu einer höheren Temperatur im aktiven Bereich. Der Temperaturanstieg führt zu einer Deformation des Profils des effektiven Brechungsindexes, und zwar zu einer künstlichen Erhöhung. Man sieht, dass ein höherer Steg mehr Platz zwischen den beiden Moden lässt, was der Differenz m zwischen ihren Modenzahlen entspricht. Folglich nimmt bei steigender Temperatur die Differenz m zwischen dem Grundmode und dem ersten Nebenmode höherer Ordnung zu. Das Laserbauelement durchläuft somit bei Erhöhung der Ausgangsleistung P mehrere Zahlen m. Das bestätigt die Existenz mehrerer Knickstellen bei ansteigender Ausgangsleistung P.
Beim Ansteigen der Ausgangsleistung P erreicht das erste Laserbauelement in 7 zunächst einen Knick bei m = 2 und dann infolge thermischer Deformation des Brechungsindexprofils bei m = 3 einen weiteren Knick, da durch die Deformation die Differenz der effektiven Brechungsindizes n_eff der beiden Moden vergrößert wird. Das zweite Laserbauelement hat den höheren Steg, sodass man bereits von einer kleinen Differenz der Brechungsindizes n_eff der beiden Moden ausgehen kann, die für eine Superposition bei m = 2 zu groß ist. Dessen Supermode tritt somit erst bei m = 3 auf. Den Laser auf der linken Seite von 7 kann man deshalb dem ersten Feld und den Laser auf der rechten Seite dem zweiten Feld in 3 zuordnen.
In 8a bis 8c ist eine theoretische Skizze gezeigt, welche die kohärente Überlagerung des Grundmode mit dem Nebenmode höherer Ordnung zeigt.
8a zeigt ein Schema der Lichtintensitätsverteilung des Grundmode in der aktiven Zone 1. Die Ellipsen stellen Bereiche dar, welche die relativen Maxima dieses Mode umgeben. Man sieht, dass der Grundmode symmetrisch zur Längsachse des Stegs 12 ist und in senkrechter Richtung dazu nur ein relatives Maximum zeigt. Bei diesem Beispiel lassen über die gesamte Resonatorlänge L_c hinweg insgesamt 7 relative Maxima abzählen.
8b zeigt ein Schema der Lichtintensitätsverteilung des ersten Nebenmode höherer Ordnung im aktiven Bereich 1. Dieser Mode ist bezüglich der Längsachse des Stegs 12 ebenfalls symmetrisch, zeigt jedoch in senkrechter Richtung dazu zwei relative Maxima. Bei diesem Beispiel lassen sich über die gesamte Resonatorlänge L_c hinweg insgesamt 9 relative Maxima abzählen. Die Differenz der Anzahl der relativen Maxima über den Laserresonator hinweg ist gleich der Differenz m der Longitudinalmodezahlen und beträgt im vorliegenden Falle m = 2. In dieser Figur wurde nicht dargestellt, dass die Amplitude der relativen Maxima des ersten Nebenmode höherer Ordnung niedriger ist als die Amplitude der relativen Maxima des Grundmode.
8c zeigt ein geschätztes Schema der Überlagerung der beiden Moden mit einer imaginären Konstanten c. An zwei Stellen bilden die relativen Maxima des Nebenmode höherer Ordnung separate Bereiche 16. Die Dämpfungsglieder 10 positioniert man am besten an diesen Stellen, da sich dort ihre Dämpfungswirkung nur auf den Nebenmode höherer Ordnung und nicht auf den Grundmode auswirkt. Die benachbarten Positionen, die nur eine halbe Wellenlänge davon entfernt sind, stellen jedoch auch noch sehr gute Orte dar, da die relativen Maxima der überlagerten Moden immer noch weit genug voneinander entfernt sind, sodass eine Unterdrückung des Nebenmode höherer Ordnung den Grundmode nicht besonders stark beeinflusst. Aus diesem Grund ist auch hier jedes Dämpfungsglied 10 als Gruppe von diesmal 3 Dämpfungsgliedteilen realisiert, die in einem vorgegebenen Abstand voneinander angeordnet sind. Die optimale Position stellt somit nur die ungefähre Stelle dar, an welcher man das Dämpfungsglied 10 anordnen muss, während die benachbarten Positionen präzise diejenigen Stellen darstellen, an welchen eine Unterdrückung auch möglich ist. Somit ist jede Stelle, an der entlang der Längsachse des Laserresonators die relativen Maxima der Moden unterschiedliche Positionen aufweisen, eine Stelle, an der man ein Dämpfungsglied 10 bzw. ein Dämpfungsgliedteil anordnen kann, damit es den Nebenmode höherer Ordnung stärker unterdrückt als den Grundmode. Je stärker die relativen Maxima der beiden oder mehr Moden an der Stelle des Dämpfungsgliedes 10 voneinander getrennt sind, umso wirksamer kann die Unterdrückung erfolgen und somit der Grundmode stabilisiert werden.
9 zeigt eine weitere Ausführungsart eines Halbleiterlaserbauelements gemäß der Erfindung. Zur Verdeutlichung sind nur ausgewählte Teile des Laserbauelements dargestellt, und zwar die Begrenzungszonen 2 und 3, die Quantengrabenzone 1 und die Umhüllungsschicht 5 mit dem Steg 12. Die obere Umhüllungsschicht 5 umfasst im vorliegenden Fall die Dämpfungsglieder 10, welche eine Gesamtheit sättigungsfähiger Dämpfungsbereiche umfassen, die jeweils von den benachbarten Bereichen elektronisch isoliert sind. Diese Bereiche kann man sich als Quantenpunkte vorstellen. Beim vorliegenden Beispiel sind diese Quantenpunkte Bereiche in der oberen Umhüllungsschicht 5, welche das Licht durch die Bildung von Ladungsträgern absorbieren, die an diesen Quantenpunkten eingefangen werden. Die Absorption bleibt lokal begrenzt, da die Quantenpunkte durch das Material der oberen Umhüllungsschicht 5 voneinander isoliert sind, welches schwächer oder sogar überhaupt nicht absorbiert und durch das die erzeugten Ladungen nicht abfließen können. Durch Definieren der Position, an welcher die Quantenpunkte liegen, kann man die Lichtabsorption räumlich kontrollieren. Somit kann man diesen Mode schwächen, indem man die Position, an der ein relatives Intensitätsmaximum des Nebenmode höherer Ordnung getrennt von einem relativen Maximum des Grundmode liegt, als diejenige Stelle auswählt, an welcher die Dämpfungsglieder 10 angeordnet werden. Die Trennung der sättigungsfähigen Licht absorbierenden Bereiche lässt sich durch deren Einbettung in ein schwächer oder überhaupt nicht absorbierendes Umgebungsmaterial erreichen.
Da die Quantenpunkte eine eigene Sättigungsfähigkeit aufweisen, kann man ein weiteres Beispiel angeben, bei welchem die Quantenpunkte nicht auf die oben beschriebenen ausgewählten Positionen beschränkt sind. Tatsächlich können die Quantenpunkte auf der gesamten Länge des Stegs 12 angeordnet werden, sodass beide Moden, nämlich der Grundmode und der Nebenmode höherer Ordnung, unterdrückt werden. Da die Amplitude der relativen Maxima des Nebenmode höherer Ordnung gemäß dem oben Gesagten kleiner ist als die Amplitude der relativen Maxima des Grundmode, kann man die sättigungsfähige Absorption zum Beispiel durch Festlegung der Konzentration der Quantenpunkte so einstellen, dass der Grundmode durch die Unterdrückung nicht ausgelöscht und der Nebenmode höherer Ordnung zum großen Teil unterdrückt wird.
Mit anderen Worten, man kann die Dämpfungsglieder 10 im Großen und Ganzen an solchen Stellen anbringen, an denen die räumliche Trennung der Intensitätsmaxima des Grundmode und des Nebenmode höherer Ordnung groß ist. Im Einzelnen dient der Grundmode selbst dazu, die Dämpfungsgliedteile dadurch zu bilden, dass die zur Dämpfung führende Absorptionssättigung den Grundmode zwar nicht auslöscht, aber den Nebenmode höherer Ordnung zu einem großen Teil unterdrückt.
Allgemein kann man ein Dämpfungsglied 10 in verschiedenen Formen realisieren. Es braucht nicht neben dem Steg 12 angeordnet zu werden. Es kann auch oberhalb des Stegs angeordnet oder sogar in einer der Halbleiterschichten oder in einer anderen Schicht, auch in dem Steg 12, vergraben werden. Insbesondere die Quantenpunkte können mittels eines üblichen Prozessschrittes wie Ionenbeschuss oder Fotolithographie oder auch durch einen selbstorganisierenden Keimbildungsprozess während des epitaxialen Wachstums erzeugt werden, der als „Stranski-Krastanov"-Wachstum bekannt ist. Ein für einen sättigungsfähigen Quantenpunkt infrage kommendes Material ist InGaAs oder InAs.
Die Dämpfungsglieder 10 können auch gleichzeitig für mehrere Nebenmoden höherer Ordnung angeordnet werden, sodass entsprechend mehr als nur ein Nebenmode höherer Ordnung unterdrückt wird, indem als Stellen für die Dämpfungsglieder 10 die Überlagerung der Stellen für die Einzelnebenmoden höherer Ordnung ausgewählt wird.
Die Erfindung ist im Rahmen der Anwendung auf spezielle Steg-Laserdioden ausführlich beschrieben worden. Es ist jedoch klar, dass sie unabhängig von den Verbindungshalbleitern auch auf andere Laserdiodenstrukturen angewendet werden kann. Auch die Verfahren und Bauelementparameter können von den oben genannten abweichen. Die Quantengrabenzone 1 braucht nicht auf einen Quantengraben beschränkt zu sein, sondern kann auch eine Struktur mit mehreren Quantengräben (multiple quantum well, MQW) umfassen.
Das vorgeschlagene Konzept kann in ähnlicher Form auch auf Mehrmoden-Laserbauelemente mit breiter Fläche angewendet werden. In diesem Fall führt das Dämpfungsglied zu einer Verringerung der Anzahl der sich ausbreitenden Nebenmoden höherer Ordnung, deren Gewinn zur Schwingung ausreicht. Das liegt daran, dass die Longitudinalmodezahl durch die Dämpfungsglieder 10 für alle Moden festgelegt und stabilisiert werden kann. Dadurch nimmt die Frequenz bzw. die Wellenlänge im freien Raum eines Mode höherer Ordnung ab, und die Frequenz nimmt im Vergleich zum Grundmode zu. Somit ist es möglich, die Frequenzen der Nebenmoden höherer Ordnung in Bereiche zu verschieben, in denen die Quantengrabenzonen einen kleineren optischen Gewinn bewirken. Die Verringerung der Nebenmoden höherer Ordnung verringert den Fernfeldwinkel und steigert die Helligkeit des Laserlichts. Die Leistung von Lasern mit breiter Laserfläche ist oft durch die beginnende Strahleinschnürung begrenzt, bei der es sich um eine Autofokussierung des Laserstrahls handelt, die dann zur Zerstörung des optischen Spiegels führt. Die durch die Dämpfungsglieder 10 eingeführte Auswahl der Nebenmoden höherer Ordnung führt zusammen mit der spektralen Form des optischen Gewinns zur Stabilisierung der seitlichen Feldverteilung und zur Erhöhung des Schwellenwertes für die Strahleinschnürung. Durch Optimierung des Laserbauelements ist es sogar möglich, einen Grundmodenlaser mit breiter Laserfläche herzustellen. Hierzu kann man die Selektivität der Gewinnkurve des Laserbauelements durch eine Abstimmung des Reflexionsgrades einer der reflektierenden Ebenen verbessern, und zwar insbesondere der der Strahlaustrittsebene gegenüber liegenden Ebene. Wenn man das Maximum des Reflexionsgrades der reflektierenden Ebene nach längeren Wellenlängen verschiebt, wird der Reflexionsgrad bei den kürzeren Wellenlängen der Nebenmoden höherer Ordnung verringert, was zu höheren Verlusten für diese Moden führt.
Die Größe der Dämpfungsglieder 10 bzw. deren Teile in der Richtung der Längsachse des Stegs 12 ist bezüglich der durch die Dämpfungsglieder 10 erreichbaren Wirkung am kritischsten. Wählt man diese Größe kleiner als ein Viertel der Wellenlänge der Moden im Resonator, so kann man dadurch eine geeignete Wirkung erzielen.
Grundsätzlich sollten die Größe und die Längsposition des Dämpfungsgliedes bzw. dessen Teile so gewählt werden, dass der Einfluss des Dämpfungsgliedes bzw. dessen Teile auf den Nebenmode höherer Ordnung maximal und auf den Grundmode minimal ist. Daraus wird deutlich, dass man die verschiedenen Dämpfungsglieder bzw. deren Teile untereinander in unterschiedlicher Größe, Form, Position und Material und/oder Sättigungsfähigkeit wählen kann. Sogar die Dämpfungsgliedteile können aus einzelnen Elementen bestehen, die entweder miteinander verbunden oder voneinander getrennt sind, um die zu erzielende Stabilisierungswirkung zu optimieren.
Alle beschriebenen Ausführungsarten der Erfindung können ganz oder teilweise miteinander kombiniert werden.

Claims

Laservorrichtung, welche einen an beiden gegenüberliegenden Enden durch zumindest teilreflektierende Flächen (13, 14) abgeschlossenen longitudinalen Lichtwellenleiter (15) umfasst, wobei der Lichtwellenleiter (15) einen aktiven Bereich (1) umfasst, der zur Ladungsträgerrekombination angeregt werden kann, welche zur Erzeugung eines Grundmode und mindestens eines Nebenmode höherer Ordnung einer kohärenten Lichtwelle im Innern des Lichtwellenleiters (15) führt, dadurch gekennzeichnet, dass am Lichtwellenleiter (15) Dämpfungsglieder (10) mindestens näherungsweise an einer Stelle angebracht sind, wo sich an verschiedenen Stellen entlang der Längsachse des Lichtwellenleiters (15) ein relatives Intensitätsmaximum des Nebenmode höherer Ordnung und ein relatives Intensitätsmaximum des Grundmode befinden, wobei die Dämpfungsglieder (10) die Nebenmoden höherer Ordnung dämpfen.
Laservorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Dämpfungsglieder (10) dort befinden, wo sich ein relatives Intensitätsmaximum eines Nebenmode höherer Ordnung der Lichtwelle befände, wenn die Dämpfungsglieder (10) nicht vorhanden wären.
Laservorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfungsglieder (10) ein Lichtwellen dämpfendes Material umfassen, welches einen hervorstehenden Teil einer leitfähigen Schicht (7) umfasst, wobei der hervorstehende Teil näher zum Lichtwellenleiter (15) reicht als die leitfähigen Schicht (7).
Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfungsglieder (10) mehrere Dämpfungsgliedteile umfassen, welche in einem bestimmen Abstand voneinander angeordnet sind.
Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Position der Dämpfungsglieder (10) entsprechend der Differenz (m) der Längsmodenzahlen des Grundmode und des Nebenmode höherer Ordnung im Lichtwellenleiter (15) gewählt ist.
Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfungsglieder (10) einen oder mehrere sättigungsfähige, licht-absorbierende Bereiche umfassen, die in schwächer absorbierendes oder nicht absorbierendes Umgebungsmaterial eingebettet sind.
Laservorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die sättigungsfähigen, licht-absorbierenden Bereiche voneinander getrennt sind, um den Absorptionseffekt lokal zu begrenzen.
Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der zumindest teilreflektierenden Flächen (13, 14) einen nicht abgestimmten Reflexionsgrad aufweist.