DE10316220A1 - Semiconductor laser amplifier has active layer sandwich between input and output facets and convergent preamplification structure in charge carrier input region - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Halbleiterlaserverstärker sowie ein Lasersystem mit zumindest einem Halbleiterlaserverstärker und einem Laser.The The invention relates to a semiconductor laser amplifier and a laser system with at least one semiconductor laser amplifier and a laser.
Halbleiterlaserverstärker zur optischen Verstärkung eines optischen Signals eines Lasers sind bekannt. Derartige Halbleiterlaserverstärker sind beispielsweise als kantenemittierende Halbleiterheterostrukturen aufgebaut, bei welchen das zu verstärkende optische Signal über eine Stirnfläche, der sogenannten Eingangsfacette, in die Halbleiterschichtstruktur eingekoppelt wird, diese zumindest einmal durchläuft und über die gegenüberliegende Stirnseite, die sogenannte Ausgangsfacette, als verstärktes optisches Signal ausgekoppelt wird. Der Verstärkungsprozeß in dem Halbleiterlaserverstärker ähnelt dem Funktionsprinzip eines Halbleiterlasers, wobei eine optisch aktive Schicht, beispielsweise eine zwischen komplementär dotierten Halbleiterbereichen eingebrachte Quantentopf- bzw. Multiquantentopfstruktur, elektrisch gepumpt wird. Das optische Signal wird während seines Durchlaufs durch die optisch aktive Schicht, welche das Verstärkungsmedium darstellt, über stimulierte Emissionsprozesse von in die aktive Schicht injizierten Elektron-Loch-Paaren verstärkt.Semiconductor laser amplifier for optical amplification an optical signal of a laser are known. Such semiconductor laser amplifiers are for example, as edge-emitting semiconductor heterostructures constructed in which the optical signal to be amplified via a End face, the so-called Eingangsfacette, in the semiconductor layer structure is coupled, at least once passes through the opposite end, the so-called output facet, coupled out as amplified optical signal becomes. The amplification process in the Semiconductor laser amplifier is similar to the Working principle of a semiconductor laser, wherein an optically active Layer, for example, a complementary doped semiconductor regions introduced quantum well or Multiquantentopfstruktur, is pumped electrically. The optical Signal gets during its passage through the optically active layer, which is the gain medium represents, over stimulated emission processes of injected into the active layer Reinforced electron-hole pairs.
Probleme herkömmlicher Lasersysteme mit Halbleiterlaserverstärkern betreffen insbesondere unerwünschte optische Rückkopplungen des Halbleiterlaserverstärkers mit dem Signallaser sowie unbefriedigende optische Sättigungscharakteristika im Halbleiterlaserverstärker.issues conventional Laser systems with semiconductor laser amplifiers in particular concern unwanted optical feedback of the semiconductor laser amplifier with the signal laser and unsatisfactory optical saturation characteristics in the semiconductor laser amplifier.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen verbesserten Halbleiterlaserverstärker vorzuschlagen, welcher verbesserte Rückkoppeleigenschaften im Betrieb mit einem Laser und verbesserte Sättigungscharakteristika aufweist. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein entsprechendes verbessertes Lasersystem mit einem Laser und einem verbesserten Halbleiterlaserverstärker anzugeben.task the invention is to propose an improved semiconductor laser amplifier, which improved feedback characteristics in operation with a laser and has improved saturation characteristics. It is another object of the invention to provide a corresponding improved Specify laser system with a laser and an improved semiconductor laser amplifier.
Diese Aufgaben werden durch einen Halbleiterlaserverstärker mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen und ein Lasersystem mit den in Anspruch 10 angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This Objects are achieved by a semiconductor laser amplifier with the in claim 1 specified features and a laser system with the in claim 10 solved characteristics. Preferred embodiments are the subject of the dependent Claims.
Gemäß der Erfindung umfaßt ein Halbleiterlaserverstärker
- – eine Halbleiterstruktur mit – einer Eingangsfacette, welche zur Einkopplung eines optischen Signals ausgelegt ist; – einer Ausgangsfacette, welche zur Auskopplung eines verstärkten optischen Signals ausgelegt ist; – zumindest einer optisch aktiven Schichtstruktur aus Halbleitermaterial, welche zwischen angrenzenden Begrenzungschichtstrukturen aus Halbleitermaterial angeordnet ist und sich zwischen der Eingangs- und der Ausgangsfacette erstreckt; und
- – zumindest einen ersten und einen zweiten elektrischen Kontaktbereich zur Injektion von elektrischen Ladungsträgern über die Begrenzungsschichtstrukturen in die optisch aktive Schichtstruktur zur Verstärkung des optischen Signals, wobei zumindest einer der Kontaktbereiche einen eingangsfacettenseitigen Vorverstärkungsabschnitt, welcher sich in Richtung von der Eingangsfacette zu der Ausgangsfacette verjüngt, und einen ausgangsfacettenseitigen Hauptverstärkungsabschnitt, welcher sich in Richtung von der Eingangsfacette zu der Ausgangsfacette erweitert, umfaßt.
- A semiconductor structure having an input facet adapted to couple an optical signal; An output facet adapted to extract a amplified optical signal; - At least one optically active layer structure of semiconductor material, which is disposed between adjacent boundary layer structures of semiconductor material and extending between the input and the Ausgangsfacette; and
- At least a first and a second electrical contact region for injecting electrical charge carriers via the boundary layer structures into the optically active layer structure for amplifying the optical signal, wherein at least one of the contact regions has an input facet side preamplification section which tapers in the direction from the input facet to the output facet, and an output facet-side main amplifying section which widens in the direction from the input facet to the output facet.
Bei dem erfindungsgemäßen Halbleiterlaserverstärker handelt es sich bevorzugt um einen sogenannten kantenemittierenden Halbleiterlaserverstärker, welcher vorzugsweise eine einkristalline, epitaktisch gewachsene Halbeiterschichtstruktur umfaßt. Ein optisches Signal, welches im allgemeinen von einem Laser erzeugt wird, wird über die Eingangsfacette der Halbleiterstruktur des Halbleiterlaserverstärkers zumindest teilweise in die optisch aktive Schichtstruktur aus Halbleitermaterial eingekoppelt. Das optische Signal durchläuft die aktive Schichtstruktur, in welche durch "elektrisches Pumpen" Elektron-Loch-Paare eingebracht werden, um so Elektron-Loch-Rekombinationen über stimulierte Emissionsprozesse zur Verstärkung des optischen Signals auszulösen. Bei der aktiven Schichtstruktur kann es sich beispielsweise um eine Quantentopf- bzw. Multiquantentopf-Struktur mit gegebenenfalls geeigneter vertikaler Wellenführung handeln. Die optisch aktive Schichtstruktur ist vorzugsweise zwischen zwei Begrenzungsschichtstrukuren angeordnet, welche vorzugsweise komplementär zueinander dotiert sind, d.h. eine der Begrenzungsschichtstrukturen ist n-dotiert während die andere Begrenzungsschichtstruktur p-dotiert ist. Über die entsprechenden Begrenzungsschichtstrukturen werden Elektronen bzw. Löcher in die optisch aktive Schichtstruktur eingebracht, um dort stimulierte Emissionsprozesse zur Verstärkung des optischen Signals zu bewirken.at the semiconductor laser amplifier according to the invention it is preferably a so-called edge-emitting semiconductor laser amplifier, which preferably a monocrystalline, epitaxially grown semiconductor layer structure includes. On optical signal, which is generally generated by a laser will be over the input facet of the semiconductor structure of the semiconductor laser amplifier at least partially in the optically active layer structure of semiconductor material coupled. The optical signal passes through the active layer structure, in which by "electrical Pumps "electron-hole pairs be introduced so electron-hole recombination via stimulated emission processes for reinforcement of the optical signal. The active layer structure may be, for example, a Quantum well or multi-quantum well structure with optionally suitable vertical wave guide act. The optically active layer structure is preferably between arranged two Begrenzungsschichtstrukuren, which preferably complementary doped to each other, i. one of the boundary layer structures is n-doped during the other boundary layer structure is p-doped. About the corresponding boundary layer structures are electrons or holes introduced into the optically active layer structure to stimulate there Emission processes for reinforcement to effect the optical signal.
Die optisch aktive Schichtstruktur wird mittels des ersten und zweiten elektrischen Kontaktbereichs elektrisch "gepumpt", um eine Besetzungsinversion herzustellen. Vorzugsweise ist jeder der elektrischen Kontaktbereiche mit genau einer der Begrenzungsschichtstrukturen in elektrischem und mechanischem Flächenkontakt verbunden.The optically active layer structure is by means of the first and second electrically "pumped" electrical contact area to produce a population inversion. Preferably, each of the electrical contact areas is accurate one of the boundary layer structures in electrical and mechanical surface contact connected.
Die Erfindung schlägt vor, zumindest einen der Kontaktbereiche in seiner lateralen Form, d.h. in einer zur optisch aktiven Schichtstruktur parallelen Schichtebene, in besonderer Weise auszubilden. Insbesondere ist zumindest einer der Kontaktbereiche derart gestaltet, daß er einen Vorverstärkungsabschnitt aufzuweist, welcher sich in Ausbreitungsrichtung des optischen Signals (Strahlrichtung) in seiner Breite verjüngt. Eine derartige Verjüngung des Vorverstärkungsabschnitts in Richtung von der Eingangsfacette zu der Ausgangsfacette bewirkt, daß sich auch derjenige Bereich der optisch aktiven Schichtstruktur, welcher elektrisch gepumpt wird und welcher in einer Richtung senkrecht zur Schichtebene benachbart zum Vorverstärkungsabschnitt liegt, entsprechend verjüngt. Die laterale Formgebung des Kontaktbereichs in einen sich verjüngenden Vorverstärkungsabschnitt und einen sich erweiternden ausgangsfacettenseitigen Hauptverstärkungsabschnitt überträgt sich somit auf die optisch aktive Schichtstruktur derart, daß in der optisch aktiven Schichtstrukur im wesentlichen lediglich Bereiche elektrisch gepumpt werden, welche in Normalenrichtung der Schichtebene der optisch aktiven Schichtstruktur benachbart zu dem strukturierten Kontaktbereich angeordnet sind. Der Bereich der optisch aktiven Schichtstruktur, in welchen Ladungsträger eingebracht werden, wird somit durch die Strukturierung des einen Kontaktbereichs in den Vorverstärkungsabschnitt und den Hauptverstärkungsabschnitt bestimmt. In den übrigen Bereichen der optischen Schichtstruktur werden keine elektrischen Ladungsträger über die Begrenzungsschichtstrukturen eingebracht, so daß diese Bereiche nicht zur Verstärkung des optischen Signals beitragen.The Invention proposes before, at least one of the contact areas in its lateral form, i.e. in a layer plane parallel to the optically active layer structure, to train in a special way. In particular, at least one the contact areas are designed such that it has a preamplification section exhibits, which is in the propagation direction of the optical signal (Beam direction) tapers in its width. Such a rejuvenation of the Vorverstärkungsabschnitts in the direction from the input facet to the output facet, that yourself also that region of the optically active layer structure, which is electrically pumped and which in a direction perpendicular to the layer plane adjacent to the preamplification section, accordingly rejuvenated. The lateral shape of the contact area in a tapered Vorverstärkungsabschnitt and a flared output facet-side main amplification section is transmitted thus on the optically active layer structure such that in the optically active Schichtstrukur essentially only areas electrically be pumped, which in the normal direction of the layer plane of the optically active layer structure adjacent to the structured contact region are arranged. The area of the optically active layer structure, in which charge carrier be introduced, is thus by structuring the one Contact area in the Vorverstärkungsabschnitt and the main reinforcement section certainly. In the rest Areas of the optical layer structure are not electrical Charge carriers over the Boundary layer structures introduced so that these areas not to reinforcement contribute to the optical signal.
Durch die besondere Gestaltung in lateraler Ebene bzw. Schichtebene von zumindest einem der Kontaktbereiche wird somit bewirkt, daß sich die Breite der optisch aktiven Schichtstruktur in einer zur Schichtebene parallelen und zur Strahlrichtung senkrechten Richtung, in welche Ladungsträger zur Erzeugung einer Besetzungsinversion injiziert werden, in Richtung von der Eingangsfacette zu der Ausgangsfacette bzw. in Strahlrichtung zunächst abnimmt und später wieder zunimmt.By the special design in the lateral plane or layer plane of at least one of the contact areas is thus caused to change the width the optically active layer structure in parallel to the layer plane and the direction perpendicular to the beam direction, in which charge carriers to Generation of a population inversion can be injected in the direction from the input facet to the output facet or in the beam direction first decreases and later increases again.
Die optisch aktive Schicht erstreckt sich nicht notwendigerweise über die gesamte Länge der Halbleiterstruktur, d.h. nicht notwendigerweise von der Eingangs- bis zur Ausgangsfacette. Zwischen dem Vorverstärkungsabschnitt und dem Hauptverstärkungsabschnitt kann ein Zwischenabschnitt vorgesehen sein, in welchem sich die laterale Breite des Kontaktbereichs nicht wesentlich ändert. Vorzugsweise ist lediglich einer der Kontaktbereiche in lateraler Ebene mit einem Vorverstärkungsabschnitt und einem Hauptverstärkungsabschnitt strukturiert. Der zweite Kontaktbereich ist vorzugsweise unstrukturiert und erstreckt sich in lateraler Ebene, d.h. in einer zur optisch aktiven Schichtstruktur parallelen Schichtebene, über den strukturierten Kontaktbereich hinaus.The optically active layer does not necessarily extend over the whole length the semiconductor structure, i. not necessarily of the input up to the starting facet. Between the preamplification section and the main reinforcement section may be provided an intermediate portion in which the lateral width of the contact area does not change significantly. Preferably only one of the contact areas in the lateral plane with a Vorverstärkungsabschnitt and a main reinforcement section structured. The second contact region is preferably unstructured and extends in the lateral plane, i. in one to the optically active Layer structure parallel layer plane, over the structured contact area out.
Die Gestaltung des zumindest einen Kontaktbereichs mit einem sich verjüngenden Vorverstärkungsabschnitt und einem sich erweiternden Hauptverstärkungsabschnitt führt überraschenderweise zu besonders günstigen Verstärkungseigenschaften des Halbleiterlaserverstärkers. Insbesondere weist der erfindungsgemäße Halbleiterlaserverstärker wesentlich verbesserte optische Sättigungseigenschaften und erheblich verbesserte Rückkoppeleigenschaften auf, wie später im Einzelnen beschrieben wird. Hierduch ergibt sich auch eine vorteilhafte Reduktion der verstärkten spontan-emittierten Strahlung (ASE-Strahlung) gegenüber der induziert-emittierten Strahlung in der optisch aktiven Schichtstruktur des Halbleiterlaserverstärkers. Bei der ASE-Strahlung handelt es sich um eine unerwünschte „Störstrahlung" bzw. um ein unerwünschtes verstärktes optisches Signal, welches im Vergleich zu der gewünschten stimuliert-emitierten Strahlung des Halbleiterlaserverstärkers eine geringe Intensität aufweisen soll. Wie später detailliert beschrieben wird, führt der sich verjüngende bzw. getaperte Vorverstärkungsabschnitt zu einer besseren optischen Sättigung der optisch aktiven Schichtstruktur im Hauptverstärkungsabschnitt, wodurch spontane Rekombinationsprozesse von injizierten Ladungsträgerpaaren gegenüber stimulierten Emissionsprozessen weniger wahrscheinlich werden und somit die parasitäre ASE-Strahlung gegenüber der erwünschten verstärkten induziert-emittierten Strahlung abnimmt.The Design of the at least one contact region with a tapered preamplification section and a flared main reinforcing section surprisingly results to particularly favorable Reinforcement properties of the Semiconductor laser amplifier. In particular, the semiconductor laser amplifier according to the invention is essential improved optical saturation properties and significantly improved feedback characteristics on, as later will be described in detail. Hereduch also results in an advantageous Reduction of reinforced spontaneously emitted radiation (ASE radiation) over the induced-emitted Radiation in the optically active layer structure of the semiconductor laser amplifier. at the ASE radiation is an unwanted "interference radiation" or an unwanted amplified optical Signal stimulated-emitiert compared to the desired Radiation of the semiconductor laser amplifier have a low intensity should. How later is described in detail leads the rejuvenating or taped preamplification section to a better optical saturation the optically active layer structure in the main reinforcement section, resulting in spontaneous recombination processes of injected carrier pairs across from stimulated emission processes become less likely and thus the parasitic ASE radiation across from the desired increased induced-emitted Radiation decreases.
Ferner gestattet ein erfindungsgemäßer Halbleiterlaserverstärker aufgrund der besonderen lateralen Gestaltung zumindest eines der Kontaktbereiche eine im Vergleich zu bekannten Halbleiterlaserverstärkern stark reduzierte Rückkopplung mit dem Signallaser, wodurch ebenfalls die optischen Gesamteigenschaften sowie die Effizienz eines Halbleiterlasersystems mit einem Laser und einem erfindungsgemäßen Halbleiterlaserverstärker entscheidend verbessert werden.Further allows a semiconductor laser amplifier according to the invention due to the particular lateral design of at least one of the contact areas a strong compared to known semiconductor laser amplifiers reduced feedback with the signal laser, which also gives the overall optical properties and the efficiency of a semiconductor laser system with a laser and a semiconductor laser amplifier according to the invention crucial be improved.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zwischen dem Vorverstärkungsabschnitt und dem Hauptverstärkungsabschnitt ein Taillenabschnitt des einen Kontaktbereiches angeordnet. Der Taillenabschnitt ist in Richtung von der Eingangs- zu der Ausgangsfacette, d.h. in Richtung des propagierenden optischen Signals, zwischen dem Vorverstärkungsabschnitt und dem Hauptverstärkungabschnitt angeordnet. Die laterale Position des Taillenabschnitts fällt im Betrieb vorzugsweise mit einer Strahltaille des optischen Signals im wesentlichen zusammen. In einer lateralen Ebene, d.h. in einer zur optisch aktiven Schichtstruktur parallelen Schichtebene, durchläuft das optische Signal im wesentlichen denjenigen Bereich der optisch aktiven Schichtstruktur, welcher durch den entsprechend strukturierten Kontaktbereich elektrisch gepumpt wird.According to a preferred embodiment of the invention, a waist section of the one contact region is arranged between the preamplification section and the main reinforcement section. The waist portion is arranged in the direction from the input to the output facets, that is, in the direction of the propagating optical signal, between the preamplification portion and the main amplification portion. The lateral position of the waist portion preferably coincides in operation with a beam waist of the optical signal substantially. In a lateral plane, ie in a layer plane parallel to the optically active layer structure, the optical signal essentially passes through that region of the optically active layer structure ture, which is electrically pumped through the correspondingly structured contact area.
Vorzugsweise umfaßt der zumindest eine Kontaktbereich eine elektrisch leitfähige Kontaktschichtstruktur, welche an eine der Begrenzungsschichtstrukturen angrenzt. Die Kontaktschichtstrukur weist vorzugsweise eine Metallschicht auf, welche in elektrischem und mechanischem Flächenkontakt mit einer der vorzugsweise hochdotierten Begrenzungsschichtstrukturen steht.Preferably comprises the at least one contact region comprises an electrically conductive contact layer structure, which adjoins one of the boundary layer structures. The contact layer structure preferably has a metal layer, which in electrical and mechanical surface contact with one of the preferably highly doped boundary layer structures stands.
Vorzugsweise verlaufen die Schichtebenen der Kontaktschichtstruktur und der optisch aktiven Schichtstruktur im wesentlichen parallel zueinander. Die Kontaktschichtstruktur, bei welcher es sich um eine Mehrschichtstruktur oder eine Einzelschichtstruktur handeln kann, wird vorzugsweise durch planarlithograpische Präparatenstechniken auf der Halbleiterstruktur definiert und weist somit eine Schicht- bzw. Flächenebene auf, welche im wesentlichen parallel zu der Schichtebene der optisch aktiven Schichtstruktur ist. Die Schichtebene der optisch aktiven Schichtstruktur entspricht vorzugsweise der Oberflächenebene eines Halbleitersubstrats, in bzw. auf welchem die Halbleiterstruktur definiert wird. Die Normalenrichtung der optisch aktiven Schichtstruktur bzw. des Substrats entspricht in diesem Fall vorzugsweise der epitaktischen Wachstumsrichtung der Halbleiterschichtstrukturen.Preferably The layer planes of the contact layer structure and the optical extend active layer structure substantially parallel to each other. The Contact layer structure, which is a multi-layered structure or a single layer structure, is preferably by planarlithographic preparation techniques defined on the semiconductor structure and thus has a layer or area level which is substantially parallel to the layer plane of the optical active layer structure is. The layer plane of the optically active Layer structure preferably corresponds to the surface level a semiconductor substrate, in or on which the semiconductor structure is defined. The normal direction of the optically active layer structure or of the substrate in this case preferably corresponds to the epitaxial Growth direction of the semiconductor layer structures.
Vorzugsweise verlaufen die Normalenrichtungen der Eingangs- und der Ausgangsfacette jeweils parallel zu der Schichtebene der optisch aktiven Schichtstruktur. Bei der Ein- und Ausgangsfacette handelt es sich beispielsweise um Bruchflächen einer einkristallinen Halbleiterstruktur (sogenannte „cleave"-Flächen), wobei die Ein- und Ausgangsfacette insbesondere parallel zueinander verlaufen. Es kann jedoch gleichfalls vorteilhaft sein, die Eingangs- und die Ausgangsfacette derart zu neigen, daß deren Normalenrichtungen nicht parallel zu der Schichtebene der optisch aktiven Schichtstruktur verlaufen.Preferably the normal directions of the input and the output facets run in each case parallel to the layer plane of the optically active layer structure. The input and output facets are, for example around fractured surfaces a monocrystalline semiconductor structure (so-called "cleave" surfaces), wherein the input and output facets in particular run parallel to each other. However, it may also be advantageous to have the input and the To tilt output facet such that their normal directions not parallel to the layer plane of the optically active layer structure run.
Vorzugsweise weist der Vorverstärkungsabschnitt und/oder der Hauptverstärkungsabschnitt eine im wesentlichen trapezförmige Flächengestalt auf. Die Flächenebene ist hierbei parallel zu der Schichtebene der optisch aktiven Schichtstruktur, d.h. parallel zu der Oberflächenebene des Halbleiterstubstrats. Die längere Grundseite der trapezförmigen Flächengestalt des Vorverstärkungsabschnitt (bzw. des Hauptverstärkungsabschnitts) ist der Eingangsfacette (bzw. der Ausgangsfacette) zugewandt, während die kürzere Grundseite von der entsprechenden Facette weggerichtet ist. Vorzugsweise handelt es sich bei der Flächengestalt um eine gleichschenklig trapezförmige Gestalt. Besonders bevorzugt sind sowohl der Vorverstärkungsabschnitt als auch der Hauptverstärkungsabschnitt trapezförmig ausgestaltet. Besonders vorteilhaft ist eine Gestaltung, bei welcher die Trapezwinkel αV für den Vorverstärkungsabschnitt und αH für den Hauptverstärkungsabschnitt, d.h. die Innenwinkel zwischen den beiden verlängerten, sich schneidenden Trapezseiten, im wesentlichen identisch sind. Vorzugsweise liegt der Trapezwinkel zwischen 2 Grad und 15 Grad, weiter bevorzugt zwischen 3 Grad und 10 Grad.The preamplification section and / or the main reinforcement section preferably has a substantially trapezoidal surface configuration. In this case, the surface plane is parallel to the layer plane of the optically active layer structure, ie parallel to the surface plane of the semiconductor substrate. The longer base side of the trapezoidal surface shape of the preamplification section (or the main reinforcement section) faces the input facet (or the output facet), while the shorter base side is directed away from the corresponding facet. Preferably, the surface shape is an isosceles trapezoidal shape. Particularly preferably, both the preamplification section and the main reinforcement section are trapezoidal. Particularly advantageous is a design in which the trapezoidal angles α V for the preamplification section and α H for the main reinforcement section, ie the internal angles between the two elongated intersecting trapezoidal sides, are substantially identical. Preferably, the trapezoid angle is between 2 degrees and 15 degrees, more preferably between 3 degrees and 10 degrees.
Vorzugsweise gilt lVor/lHaupt < 1, vorzugsweise lVor/lHaupt < 0,8, wobei lVor die Länge des Vorverstärkungsabschnitts und lHaupt die Länge des Hauptverstärkungsabschnitts jeweils in Richtung von der Eingangs- zu der Ausgangsfacette bzw. in Ausbreitungsrichtung des den Halbleiterverstärker einfach durchlaufenden optischen Signals sind.Preferably applies Before l / l main <1, preferably l Before / l main <0.8, where l is the length of the Prior Vorverstärkungsabschnitts and l the length of the main portion of each of the main reinforcement in the direction from the input to the output facet or in the propagation direction the semiconductor amplifier are simply passing optical signal.
Vorzugsweise steht zumindest eine Fläche der elektrisch leitfähigen Kontaktschichtstruktur, welche von der Begrenzungsschichtstruktur abgewandt ist, mit einer elektrisch leitfähigen Wärmesenke in elektrischem und mechanischem Flächenkontakt. Somit erfolgt sowohl die elektrische als auch die mechanische Kontaktierung der Kontaktschichtstruktur über deren Außenfläche, welche beispielsweise auf einen Metallbock gelötet wird, um über den großflächigen Kontakt dem Halbleiterbauelement effizient Verlustwärme entnehmen zu können.Preferably is at least one area of the electrically conductive Contact layer structure, which of the boundary layer structure facing away, with an electrically conductive heat sink in electrical and mechanical surface contact. Thus Both the electrical and the mechanical contact takes place the contact layer structure over their outer surface, which for example, is soldered to a metal bracket to over the large area contact the Semiconductor device to remove heat loss efficiently.
Vorzugsweise weist der Halbleiterlaserverstärker zumindest eine Absorberstruktur zum Absorbieren eines unerwünschten optischen Signals auf, wobei die Absorberstruktur zumindest angrenzend zu einem Taillenabschnitt des Kontaktbereichs oder angrenzend zum gesamten Kontaktbereich angeordnet ist. Die Absorberstruktur umfaßt ein Material, welches in dem Wellenlängenbereich des optischen Signals einen hohen Absorptionskoeffizienten aufweist.Preferably has the semiconductor laser amplifier at least one absorber structure for absorbing an undesired one optical signal, wherein the absorber structure at least adjacent to a waist portion of the contact area or adjacent to the entire Contact area is arranged. The absorber structure comprises a material which in the wavelength range of the optical signal has a high absorption coefficient.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfaßt ein erfindungsgemäßes Lasersystem zumindest einen zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Halbleiterlaserverstärker sowie zumindest einen Laser. Vorzugsweise ist der Laser derart ausgelegt und bezüglich des Halbleiterlaserverstärkers angeordnet ist, daß ein von dem Laser erzeugtes optisches Signal über die Eingangsfacette zumindest teilweise in die optisch aktive Schichtstruktur des Halbleiterlaserverstärkers eingekoppelt wird, wobei ein Fokus des optischen Signals in einer zu optischen aktiven Schichtstruktur parallelen Schichtstrukturebene bzw. Schichtebene innerhalb des Halbleiterlaserverstärkers liegt.According to one Another aspect of the invention comprises a laser system according to the invention at least a previously described semiconductor laser amplifier according to the invention and at least one laser. Preferably, the laser is designed in this way and re of the semiconductor laser amplifier is arranged that a at least partially generated by the laser optical signal via the input facet coupled into the optically active layer structure of the semiconductor laser amplifier is where a focus of the optical signal in an optical to be active Layer structure parallel layer structure layer or layer plane within the semiconductor laser amplifier.
Bei dem erfindungsgemäßen Lasersystem wird das zu verstärkende optische Signal, d.h. der einfallende Laserstrahl, vorzugsweise derartig in den Halbleiterlaserverstärker eingekoppelt, daß in Schichtebene der optisch aktiven Schichtstruktur das optische Signal einen (virtuellen) Fokus im Inneren des Halbleiterlaserverstärkers aufweist und nicht – wie herkömmlicherweise – auf die Eingangsfacette fokusiert wird. Da der Fokus des eingehenden optischen Signals in der Schichtebene nicht mit der Eingangsfacette zusammenfällt, sondern vorzugsweise in der optisch aktiven Schicht beabstandet von der Eingangsfacette liegt, ist die optische Leistungsdichte an der Eingangsfacette geringer als wenn das eingehende optische Signal auf einen kleineren Flächenbereich der Eingangsfacette fokusiert wird. Auf die damit verbunden Vorteile wird später detailliert eingegangen.In the laser system according to the invention, the optical signal to be amplified, ie the incident laser beam, is preferably coupled into the semiconductor laser amplifier in such a way that the optical signal has a (virtual) focus in the layer plane of the optically active layer structure of the semiconductor laser amplifier and not - as conventionally - focused on the input facet. Since the focus of the incoming optical signal in the layer plane does not coincide with the input facet but is preferably spaced apart from the input facet in the optically active layer, the optical power density at the input facet is less than when the incoming optical signal focuses on a smaller area of the input facet becomes. The advantages associated with this will be discussed in detail later.
Vorzugsweise ist der Laser derart ausgelegt und bezüglich des Halbleiterlaserverstärkers angeordnet, daß der Fokus des optischen Signals in der Schichtstrukturebene von der Eingangsfacette um einen Abstand beabstandet ist, welcher im wesentlichen einer Länge lVor des Vorverstärkungsabschnitts in Richtung von der Eingangs- zu der Ausgangsfacette entspricht. In Schichtstrukturebene ist der Fokus des eingehenden optischen Signals somit in Ausbreitungsrichtung des optischen Signals vorzugsweise genauso weit von der Eingangsfacette beabstandet, wie sich der Vorverstärkungsabschnitt erstreckt. Demgemäß wird das Strahlprofil in Schichtstrukturebene der geometrischen Form des Vorverstärkungsabschnitts bzw. der Form des elektrisch gepumpten Bereichs der optisch aktiven Schichtstruktur angepaßt.Preferably, the laser is arranged and positioned relative to the semiconductor laser amplifier such that the focus of the optical signal in the layer structure plane is spaced from the input facet by a distance substantially equal to a length l before the preamplification section in the direction from the input to output facets. In the layer structure plane, the focus of the incoming optical signal is thus preferably at the same distance from the input facet in the direction of propagation of the optical signal as the preamplification section extends. Accordingly, the beam profile in layer structure plane is adapted to the geometric shape of the preamplification section or the shape of the electrically pumped region of the optically active layer structure.
Vorzugsweise ist der Laser derart ausgelegt und bezüglich des Halbleiterlaserverstärkers angeordnet, daß der Fokus des optischen Signals in der Schichtstrukturebene im wesentlichen in einem Bereich der optisch aktiven Schichtstruktur liegt, welcher in Normalenrichtung der Schichtstrukturebene benachbart zu dem Taillenabschnitt des Kontaktbereichs angeordnet ist. Gemäß dieser besonders bevorzugten Ausführungsform eines endungsgemäßen Lasersystems wird das optische Eingangssignal lateral derart eingekoppelt, daß in Schichtstrukturebene der Fokus des optischen Signals in einem Bereich der optisch aktiven Schichtstruktur liegt, welcher im wesentlichen von dem Taillenabschnitt des Kontaktbereichs elektrisch gepumpt wird. Der laterale Strahlverlauf des optischen Signals kann dadurch besonders gut dem sich verjüngenden Vorverstärkungsabschnitt angepaßt werden, wodurch eine besonders gute optische Sättigung im Hauptverstärkungsabschnitt des Halbleiterlaserverstärkers möglich ist.Preferably the laser is designed and arranged with respect to the semiconductor laser amplifier, that the Focus of the optical signal in the layer structure level substantially is in a region of the optically active layer structure, which in the normal direction of the layer structure plane adjacent to the waist section the contact area is arranged. According to this particularly preferred embodiment a laser system according to the invention the optical input signal is coupled laterally such that in layer structure plane of Focus of the optical signal in a region of the optically active Layer structure lies, which essentially from the waist section the contact area is electrically pumped. The lateral beam path The optical signal can thereby be particularly good for the tapered Vorverstärkungsabschnitt customized whereby a particularly good optical saturation in the main reinforcement section of the semiconductor laser amplifier possible is.
Vorzugsweise ist der Laser derart ausgelegt und bezüglich des Halbleiterlaserverstärker angeordnet, daß das optische Signal im Bereich der Eingangfacette einen astigmatischen Strahlverlauf aufweist, wobei ein Fokus des optischen Signals in einer zu der Schichtstrukturebene senkrechten Ebene im wesentlichen in einem Bereich der Eingangfacette liegt. Gemäß dieser besonderen bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lasersystems wird das optische Signal bzw. der eingehende Laserstrahl in „astigmatischer Weise" in den Halbleiterlaserverstärker eingekoppelt. Während der Fokus des optischen Signals in Schichtstrukturebene innerhalb des Halbleiterlaserverstärker liegt, wird das optische Signal in einer zur Schichtstrukturebene senkrechten und zur Strahlrichtung parallelen Ebene derart eingekoppelt, daß in dieser Ebene der Fokus des optischen Signals im wesentlichen mit der Eingangsfacette zusammenfällt. Der Fokus des eingekoppelten optischen Signals in der Schichtstrukturebene fällt somit mit dem Fokus senkrecht zur Schichtstrukturebene nicht zusammen, so daß es sich um eine astigmatische Einkoppelung des optischen Signals in den Halbleiterlaserverstärker handelt.Preferably the laser is designed and arranged with respect to the semiconductor laser amplifier, that this optical signal in the area of the input facet an astigmatic Beam profile, wherein a focus of the optical signal in a plane perpendicular to the layer structure plane substantially lies in an area of the entrance facet. According to this particular preferred embodiment a laser system according to the invention becomes the optical signal or the incoming laser beam in "astigmatic Way "coupled into the semiconductor laser amplifier. While the focus of the optical signal in layer structure plane within of the semiconductor laser amplifier is located, the optical signal is in one of the layer structure level vertical and parallel to the beam direction plane coupled such that in this level of focus of the optical signal substantially with the input facet coincides. The focus of the injected optical signal in the layer structure plane falls thus with the focus perpendicular to the layer structure plane not together, so that it is an astigmatic coupling of the optical signal in the semiconductor laser amplifier is.
Bei dieser astigmatischen Einkoppelung wird ausgenützt, daß bei geeigneter Wahl der optisch aktiven Schichtstruktur und Begrenzungsstrukturen das optische Signal im wesentlich innerhalb der optisch aktiven Schichtstruktur in Form von Wellenleitermoden geführt wird. In Schichtstrukturebene, d.h. in lateraler Richtung, findet hingegen keine Index- bzw. Wellenleiterführung des optischen Signals statt. In dieser Ebene wird das optische Signal derartig eingekoppelt, daß das Strahlungsfeld in der optisch aktiven Schichtstruktur im wesentlichen mit demjenigen Teil der optisch aktiven Schichtstruktur zusammenfällt, welcher elektrisch gepumpt wird.at This astigmatic coupling is utilized that, with a suitable choice of optically active layer structure and limiting structures the optical signal essentially within the optically active layer structure in the form guided by waveguide modes becomes. In layer structure level, i. in a lateral direction however, no index or waveguide guidance of the optical signal instead of. In this plane, the optical signal is coupled in such a way that this Radiation field in the optically active layer structure substantially coincides with that part of the optically active layer structure, which is pumped electrically.
Vorzugsweise umfaßt das Lasersystem eine Einkoppeloptik zur Einkopplung des optischen Signals in den Halbleiterlaserverstärker. Die Einkoppeloptik kann zumindest eine Zylinderlinse bzw. astigmatische Linse umfassen, um eine astigmatische Einkopplung zu bewirken.Preferably comprises the laser system a coupling optics for coupling the optical Signal in the semiconductor laser amplifier. The coupling optics can comprise at least one cylindrical lens or astigmatic lens, to effect an astigmatic coupling.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lasersystems umfaßt die Einkoppeloptik eine Schlitzblende mit einer senkrecht zur Schichtstrukturebene verlaufenden Schlitzrichtung, wobei die Schlitzblende im Bereich eines Zwischenfokus des optischen Signals angeordnet ist, um Rückkopplungen optischer Signale von dem Halbleiterlaserverstärker in den Laser zu reduzieren.According to one another preferred embodiment a laser system according to the invention comprises the coupling optics a slit with a perpendicular to the layer structure level extending slot direction, wherein the slit in the region of a Intermediate focus of the optical signal is arranged to feedback to reduce optical signals from the semiconductor laser amplifier in the laser.
Vorzugsweise ist im Strahlengang zwischen dem Laser und dem Halbleiterlaserverstärker zumindest ein optisches Dämpfungs- bzw. Abschwächungselement angeordnet. Das optische Signal des Lasers durchläuft das Dämpfungselement einmal, um zu dem Halbleiterlaserverstärker zu gelangen. Der an der Eingangsfacette des Halbleiterlaserverstärkers reflektierte Signalstrahl (reflektierter Laserstrahl) muß hingegen das Dämpfungselement zweifach durchlaufen. Ebenso muß die vom Laser reflektierte ASE-Strahlung das Dämpfungselement zweifach durchlaufen. Somit läßt sich die Rückkopplungsdämpfung durch Anordnung zumindest eines Dämpfungselements in den Strahlengang weiter erhöhen.Preferably, at least one optical attenuation or attenuation element is arranged in the beam path between the laser and the semiconductor laser amplifier. The optical signal of the laser passes through the attenuation element once to get to the semiconductor laser amplifier. The signal beam (reflected laser beam) reflected at the input facet of the semiconductor laser amplifier, on the other hand, has to pass through the attenuation element twice. Likewise, the laser reflected ASE radiation must pass through the damping element twice. Thus, the feedback can be attenuation by arranging at least one damping element in the beam path further increase.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand begleitender Zeichnungen bevorzugter Ausführungsformen beispielhaft beschrieben. Es zeigt:The Invention will be more preferred with reference to accompanying drawings embodiments described by way of example. It shows:
In
Die
Geometrie der elektrischen Kontaktbereiche bestimmt somit denjenigen
Schichtbereich der optisch aktiven Schichtstruktur, welcher elektrisch "gepumpt" wird und zur optischen
Verstärkung
des optischen Signals in der Halbleiterstruktur beitragen kann.
Lediglich diejenigen Schichtbereiche der optisch aktiven Schichtstruktur,
welche im wesentlichen in Normalenrichtung der Schichtstrukturebene,
d.h. in einer Richtung senkrecht zur Zeichenebene in
Herkömmliche
Halbleiterlaserverstärker
wurden oftmals mit einem streifenförmigen Kontaktbereich
In
Im
Unterschied zu sämtlichen
in
Die
kürzere
Trapezgrundfläche
des Vorverstärkungsabschnitts
In
Im
Gegensatz zu bekannten Halbleiterlaserverstärkern ist die Geometrie von
zumindest einem der Kontaktbereiche
Eine
derartige Einkopplung kann beispielsweise mit einer Zylinderoptik
Die
Einkopplung des optischen Signals
In
Im
folgenden wird die Funktionsweise sowie Vorteile von den beschriebenen
bevorzugten Auführungsformen
erfindungsgemäßer Halbleiterlaservertärker
Zu unterschieden ist zwischen folgenden optischen Rückkopplungsmechanismen:
- 1. Reflexion des Signalstrahls, d.h. des einzukoppelnden
optischen Signals
47 , an der Eingangsfacette14 des Halbleiterlaserverstärkers10 zurück in den Signallaser42 ; - 2. Reflexion der sogenannten ASE-Strahlung (amplified spontaneous
emission) aus der Eingangsfacette
14 des Halbleiterlaserverstärkers10 an der Ausgangsfacette des Signallasers42 zurück in den Halbleiterlaserverstärker10 ; und - 3. Kopplung der ASE-Strahlung aus der Eingangsfacette
14 des Halbleiterlaserverstärkers10 in den Signallaser42 .
- 1. Reflection of the signal beam, ie the optical signal to be coupled
47 , at the entrance facet14 of the semiconductor laser amplifier10 back to the signal laser42 ; - 2. Reflection of the so-called ASE radiation (amplified spontaneous emission) from the input facet
14 of the semiconductor laser amplifier10 at the output facet of the signal laser42 back into the semiconductor laser amplifier10 ; and - 3. Coupling of the ASE radiation from the input facet
14 of the semiconductor laser amplifier10 in the signal laser42 ,
Herkömmliche Lasersysteme besitzen bauartbedingt eine hohe Empfindlichkeit gegenüber optischen Rückkopplungen, weil die Lage der optischen Strahltaille in der vertikalen und horizontalen Richtung mit der Position der emittierenden und reflektierenden Facette übereinstimmt. In diesem Bereich sind die Wellenfronten der Strahlung eben, so daß der an der Facettenfläche reflektierte Anteil der Strahlung mit dem einfallenden Strahlengang nahezu deckungsgleich ist. Die reflektierte Strahlung wird somit wieder auf den ursprünglichen Focuspunkt an der emittierenden Facette fokussiert, was für die unter 1. und 2. beschriebenen Fälle gleichermaßen gilt.conventional Due to their design, laser systems have a high sensitivity to optical Feedback, because the location of the optical beam waist in the vertical and horizontal Direction with the position of the emitting and reflecting Facet matches. In this area, the wave fronts of the radiation are flat, so that the on the facet surface reflected portion of the radiation with the incident beam path is almost congruent. The reflected radiation thus becomes back to the original one Focus point focused on the emitting facet, what for the under 1st and 2nd cases described equally applies.
Bei
einem erfindungsgemäßen Lasersystem bildet
des reflektierte Strahlungsfeld
Der
in
Ein
weiterer signifikanter Vorteil eines erfindungsgemäßen Lasersystems
bzw. eines erfindungsgemäßen Halbleiterlaserverstärkers
Ferner
zeichnet sich die beschriebene Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lasersystems sowie
die beschriebenen Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Halbleiterlaserverstärker durch eine
erhöhte
Zerstörschwelle
für die
optische Leistung an der Eingangsfacette
Das
erfindungsgemäße Konzept
eines sich in Strahlrichtung verjüngenden Vorverstärkungsabschnitts
Im
Vergleich zu herkömmlichen
Halbleiterlaserverstärkern
mit lateraler Indexwellenführung
(siehe
In
den Strahlengang zwischen Laser
In
Im
folgenden wird unter Bezugnahme auf
Anhand
schematischer Schnittansichten entlang einer zur Schichtebene der
Halbleiterschichtstrukturen senkrechten Schnittrichtung wird nachfolgend
ein bevorzugtes Herstellungsverfahren eines bevorzugten erfindungsgemäßen Halbleiterlaserverstärkers
Anschließend wird
vorzugsweise eine elektrisch isolierende Schicht
Eine
effektive Unterdrückung
der Selbstoszillation des Halbleiterverstärkers
Um
eine gute Ableitung der Verlustwärme
zu erreichen, werden die so hergestellten und vereinzelten Halbleiterlaserverstärker
- 100100
- HalbleiterlaserverstärkerSemiconductor laser amplifier
- 102102
- Kontaktbereichcontact area
- 104104
- Eingangsfacetteinput facet
- 106106
- Ausgangsfacetteoutput facet
- 108108
- RippenwellenleiterRidge waveguide
- 1010
- HalbleiterlaserverstärkerSemiconductor laser amplifier
- 1212
- Kontaktbereichcontact area
- 1414
- Eingangsfacetteinput facet
- 1616
- Ausgangsfacetteoutput facet
- 2020
- VorverstärkungsabschnittVorverstärkungsabschnitt
- 2222
- HauptverstärkungsabschnittMain amplification section
- 2424
- Taillenabschnittwaist section
- 2626
- BegrenzungsschichtstrukturBoundary layer structure
- 2828
- optisch aktive Schichtstrukturoptical active layer structure
- 3030
- BegrenzungsschichtstrukturBoundary layer structure
- 3232
- (zweiter) Kontaktbereich(Second) contact area
- 3434
- Strahlverlaufray tracing
- 3636
- Strahltaillebeam waist
- 3838
- Zylinderoptik bzw. Zylinderlinsecylindrical optics or cylindrical lens
- 4040
- Einkoppeloptikcoupling optics
- 4242
- Laserlaser
- 4444
- Linse bzw. Linsensystemlens or lens system
- 4545
- Schlitzblendeslit
- 4646
- Linse bzw. Linsensystemlens or lens system
- 4747
- eingehendes Strahlungsfeld bzw. optisches Signalincoming Radiation field or optical signal
- 4848
- reflektiertes Strahlungsfeldreflected radiation field
- 5050
- Vertiefungen, ggfs. mit Absorbermaterial gefülltrecesses if necessary filled with absorber material
- 5252
-
elektrisch
Ieitfähige
Kontaktschichtstruktur (umfaßt
54 und59 )electrically conductive contact layer structure (includes54 and59 ) - 5454
- p-Kontakt aus Ti/Pt/Aup-contact made of Ti / Pt / Au
- 5656
- FotolackmaskePhotoresist mask
- 5858
- elektrisch isolierende Schichtelectrical insulating layer
- 5959
- Ti/Pt/Au-KontaktTi / Pt / Au contact
- 6060
- n-Kontakt aus Ge/Au/Ni/Au-Schichtenfolgen-contact from Ge / Au / Ni / Au layer sequence
- 6161
- elektrisch gepumpter Teil der optisch aktiven Schichtstrukturelectrical pumped part of the optically active layer structure
- 6262
- Wärmesenkeheat sink
Claims (16)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE10316220A DE10316220A1 (en) | 2003-04-09 | 2003-04-09 | Semiconductor laser amplifier has active layer sandwich between input and output facets and convergent preamplification structure in charge carrier input region |
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Family
ID=33154131
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DE10316220A Ceased DE10316220A1 (en) | 2003-04-09 | 2003-04-09 | Semiconductor laser amplifier has active layer sandwich between input and output facets and convergent preamplification structure in charge carrier input region |
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