DE3915625A1 - Halbleiterlaser - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Halbleiterlaser gemäß dem
Oberbegriff von Anspruch 1.
Derartige Halbleiterlaser sind unter dem Begriff
DFB (Distributed Feedback)- oder DBR (Distributed
Braggreflector)-Laser bekannt und in der EP A2 01 73 269
beschrieben. Derartige Laser weisen zwischen zwei
Schichten eine wellenförmige Grenzfläche auf, die ein
Gitter bildet, an der stimuliertes Licht derart
gestreut wird, daß sich bei Betrachtung der ersten
Ordnung Licht mit einer Emissionswellenlänge λ0
ausbreitet, dessen Wellenlänge der zweifachen
Gitterperiode entspricht.
Der Unterschied zwischen einem DFB-Laser und einem
DBR-Laser liegt nun darin, daß beim DFB-Laser die
wellenförmige Grenzschicht zwischen der laseraktiven
Schicht und einer Wellenleiterschicht liegt. Beim
DBR-Laser befindet sich die wellenförmige Grenzfläche im
Anschluß an die laseraktive Schicht zwischen der
Wellenleiterschicht und einer weiteren Schicht mit einem
geringeren Brechungsindex. Die bekannten DFB- und
DBR-Laser emittieren longitudinal monomodiges und extrem
schmalbandiges Licht. Diese Laser eignen sich daher
sowohl zur optisch kohärenten Nachrichtenübertragung als
auch zur optischen Nachrichtenübertragung bei hohen
Bitraten über lange Strecken.
Die bekannten DFB- und DBR-Laser weisen nun den Nachteil
auf, daß sie nur in einem sehr schmalen Bereich, etwa
bis Δ λ = 2 nm durchstimmbar sind, und daher im
Wellenlängenmultiplexbetrieb nur eingeschränkt verwendet
werden können. Die Durchstimmung erfolgt durch Erhöhung
der freien Ladungsträgerdichte in der laseraktiven
Schicht oder durch Temperaturänderung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen
schmalbandigen Monomoden-Halbleiterlaser zu schaffen,
der in einem größeren Wellenlängenbereich Licht
emittieren kann.
Die Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung
durch das kennzeichnende Merkmal des Anspruchs 1 gelöst.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind dem Rest der
Beschreibung und den übrigen Ansprüchen zu entnehmen.
Ausführungsbeispiele werden im folgenden in bezug auf
die Fig. 1 bis 3 beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 einen schaltbaren DFB-Laser im Schnitt
schematisch,
Fig. 2 einen DFB-Laser mit einem Steuerbereich im
Schnitt schematisch und
Fig. 3a, b Möglichkeiten der Modulation von zwei Gittern.
In Fig. 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen DFB- (Distributed Feedback)-Lasers 1
im Schnitt schematisch abgebildet. Auf einem Substrat 2
befindet sich eine Wellenleiterschicht 3, die an die
laseraktive Schicht 4 angrenzt. Auf der laseraktiven
Schicht 4 befindet sich eine angrenzende Schicht 5, die
mit einer Elektrode 6 verbunden ist. Auf der Unterseite
des Substrats 2 ist eine zweite Elektrode 7 aufgebracht.
Die Grenzfläche zwischen dem Substrat 2 und der
Wellenleiterschicht 3 ist wellenförmig ausgebildet, so
daß die Wellenleiterschicht auf ihrer Unterseite ein
Liniengitter 8 aufweist.
Das Liniengitter besteht aus zwei oder mehreren
Untergittern mit unterschiedlichen Gitterkonstanten. In
Fig. 3a ist eine mögliche Form eines Liniengitters 8 mit
zwei Untergittern abgebildet. Die Gitterzähne sind dabei
schematisch als Rechteckzähne abgebildet. Diese Form
wird hier als frequenzmodulierte Überlagerung von
Untergittern bezeichnet.
Bei einem möglichen Herstellungsverfahren eines solchen
Liniengitters wird zuerst das eine Untergitter mit der
Gitterkonstante A 1 durch holographische Belichtung und
anschließendem Ätzen der Wellenleiterschicht 3 in das
Substrat 2 eingeprägt. Anschließend wird der gleiche
Vorgang für das zweite Untergitter mit der
Gitterkonstanten A 2 wiederholt. Prinzipiell können dem
Liniengitter 8 auf diese Weise noch zusätzliche
Untergitter mit weiteren Gitterkonstanten eingeprägt
werden.
Bei einem anderen Herstellungsverfahren erfolgt die
holographische Belichtung durch mehrmaliges Belichten
des Substrats 2 mit Laserlicht unterschiedlicher
Wellenlängen und danach durch einmaliges Herausätzen des
Liniengitters 8 aus dem Substrat 2.
Eine weitere Form eines Liniengitters 8 ist in Fig. 3b
abgebildet. Diese Form wird als amplitudenmodulierte
Überlagerung von Untergittern bezeichnet.
Das Liniengitter 8 weist ein erstes Untergitter mit der
Gitterkonstanten A 1 auf. Ein zweites Untergitter mit der
Gitterkonstanten A 2 ist nicht direkt, sondern über die
Einhüllende der Schwebungsamplitude eingeprägt, die sich
aus der Überlagerung zweier Wellen mit den Wellenlängen
λ1 = 2A 1 n eff /r und λ2 = 2A 2 n eff /l ergibt, wobei r, l
ganze Zahlen 1, 2, 3 ... sind und die Ordnung des
Gitters beschreiben und n eff den effektiven
Brechungsindex darstellt.
Die Herstellung erfolgt nach den oben beschriebenen
Verfahren.
Werden im Liniengitter 8 mehr als zwei Untergitter
eingeprägt, so ist auch eine Mischform eines amplituden-
und frequenzmodulierten Liniengitters 8 möglich.
Bekannte DFB- oder DBR-Laserstrukturen emittieren nur
Licht einer Wellenlänge λ0, da ihre Liniengitter eine
einheitliche Gitterkonstante aufweisen. Der
erfindungsgemäße DFB-Laser 1 kann Licht mehrerer
Wellenlängen emittieren. Die Anzahl der
unterschiedlichen Emissionswellenlängen entspricht der
Anzahl der eingeprägten Untergitter. Der DFB-Laser 1
ermittiert Licht der Wellenlänge, welches von der
Gitterstruktur her zugelassen ist und am nächsten am
Maximum der Verstärkungskurve liegt. Durch Veränderung
des Injektionsstromes I J verändert sich die
Konzentration der freien Ladungsträger in der
laseraktiven Schicht 4 und somit auch der effektive
Brechungsindex. Dieser setzt sich aus den
Brechungsindizes der laseraktiven Schicht 4 und der
Wellenleiterschicht 3 zusammen. Dies hat zur Folge, daß
sich die optischen Verhältnisse im Laserresonator
verändern, wodurch der DFB-Laser 1 Licht einer anderen
Emissionswellenlänge λ2 emittiert.
Durch periodische Änderung des Injektionsstromes I J
kann der DFB-Laser 1 somit im
Wellenlängenmultiplexbetrieb verwendet werden oder bei
konstantem Injektionsstrom I J , je nach Größe entweder
die eine Emissionswellenlänge oder die andere gewählt
werden.
In Fig. 2 ist als zweites Ausführungsbeispiel ein
weiterer DFB-Laser 9 abgebildet, der die gleiche
Schichtenfolge, wie die des DFB-Lasers 1 aus dem ersten
Ausführungsbeispiel aufweist. Der schon im
Ausführungsbeispiel 1 offenbarte Teil des DFB-Lasers 9
ist im folgenden als Verstärkungsbereich 10 und der sich
daran anschließende Teil als Steuerbereich 11
bezeichnet. Der Steuerbereich 11 unterscheidet sich vom
Verstärkungsbereich 10 dadurch, daß zwischen dem
Substrat 2 und der Wellenleiterschicht 3 kein
Liniengitter 8 vorhanden ist. Ferner weist er mit dem
Verstärkungsbereich gemeinsam eine Elektrode 7′ und eine
eigene auf der angrenzenden Schicht 5 befindliche
Elektrode 12 auf.
Beim DFB-Laser 9 wird der Injektionsstrom I J über die
Elektrode 6 und der Steuerstrom I S über die Elektrode
12 eingespeist. Die Brechungsindexänderung erfolgt in
diesem Fall nur im Steuerbereich, beeinflußt aber wie
beim DFB-Laser 1 von Ausführungsbeispiel 1 den
effektiven Brechungsindex, und bewirkt damit eine
Änderung der Emissionswellenlänge. Dieses
Ausführungsbeispiel 2 hat den Vorteil, daß der
Injektionsstrom I J und der Steuerstrom I S
voneinander unabhängig eingespeist werden können, was
ein stabileres Betreiben des DFB-Lasers 9 ermöglicht.
Die Anordnung eines Liniengitters 8 mit mehreren
Untergittern unterschiedlicher Gitterkonstanten ist
nicht auf den Einsatz in DFB-Lasern beschränkt, sondern
kann auch in DBR-Lasern sowie bei Lasern, deren
laseraktive Schicht gleichzeitig die Wellenleiterschicht
darstellt, eingesetzt werden.
DFB- und DBR-Laser sind an den Lichtaustrittsflächen für
gewöhnlich entspiegelt, was für die erfindungsgemäße
Vorrichtung je nach Anwendungsfall vorgesehen ist. Die
Emissionswellenlänge der erfindungsgemäßen
Halbleiterlaser lassen sich neben der Variation des
Injektionsstromes I J bzw. des Steuerstroms I S auch
durch die Variation der Temperatur verändern. Hierzu
wird das Substrat 2 auf einen regelbaren
Wärmeaustauscher aufgebracht (keine Figur).
Die DFB-Laser 1 und 9 weisen jeweils ein n-InP-Substrat
2, eine n-InGaAsP-Wellenleiterschicht 3, eine
InGaAsP-laseraktive Schicht 4 und eine p-InP-Schicht 5
auf. Es können auch andere Materialkombinationen
verwendet werden, sofern eine Schicht laseraktiv ist.
Claims (10)
1. Halbleiterlaser mit einer Mehrschichtstruktur, wobei
die Grenzfläche zwischen zwei Schichten als Liniengitter
ausgebildet ist, und eine der beiden Schichten eine
Wellenleiterschicht ist, dadurch
gekennzeichnet, daß das Liniengitter (8)
wenigstens aus zwei unterschiedlichen Untergittern
besteht.
2. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Untergitter amplitudenmoduliert
überlagert ausgebildet sind.
3. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Untergitter frequenzmoduliert
überlagert ausgebildet sind.
4. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Untergitter frequenz- und
amplitudenmoduliert ausgebildet sind.
5. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Emissionswellenlänge (λ) durch
Veränderung des Injektionsstromes (I J ) zwischen den
Elektroden (6, 7) einstellbar ist.
6. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Wellenleiterschicht (3) neben
dem Bereich (10) mit eingeprägtem Liniengitter (8) einen
gitterfreien Bereich aufweist, der zwischen zwei
Elektroden (12, 7′) angeordnet ist und als Steuerbereich
(11) wirkt.
7. Halbleiterlaser nach Anspruch 6, dadurch
gekennzeichnet, daß im Steuerbereich (11) durch
Einspeisung des Steuerstromes (I S ) zwischen den
Elektroden (12, 7′) die Emissionswellenlänge (λ)
veränderbar ist.
8. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß er mit einem Wärmeaustauscher
gekoppelt ist.
9. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Emissionswellenlänge (λ) über
die Veränderung der Temperatur einstellbar ist.
10. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß er an den optischen Ausgängen
verspiegelt ist.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |