DE3621198C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiter-Laseranord­ nung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bekannte Halbleiter-Laser, die von ihrer Struktur her nur einen einzigen Laser-Resonanzraum haben, können bestenfalls Lichtstrahlen mit einer Leistung von 50 mW erzeugen. Zur Er­ zeugung höherer Ausgangsleistungen wurden Halbleiter-Laser untersucht, bei denen mehrere Laser-Resonanzräume bzw. soge­ nannte "Lasing-Filaments" parallel nebeneinander auf einem einzigen Substrat angeordnet waren, so daß eine optische Phasenkopplung zwischen den benachbarten Laser-Resonanz­ räumen erhalten würde.

In den Fällen, bei denen mehrere indexgeführte Halbleiter- Laseranordnungen parallel zueinander liegen, wobei eine op­ tische Phasenkoppelung zwischen den benachbarten Laser-Reson­ anzräumen vorhanden ist und die einzelnen Laseranordnungen die gleiche Verstärkung haben, neigen diese dazu, mit Laser- Lichtstrahlen zu oszillieren, die zwischen sich eine Phasen­ verschiebung von 180° aufweisen anstatt eine Phasenverschie­ bung von 0°. Dies liegt daran, daß in der Schwingungsmode mit der Phasenverschiebung von 180° die Verteilung des elek­ trischen Feldes mit der Verteilung der Verstärkung überein­ stimmt und nicht bei der Phasenverschiebung von 0°, was dazu führt, daß in der Schwingungsart mit der Phasenverschiebung von 180° die Schwellwertverstärkung für die Oszillation klein ist. Will man dieses Phänomen vermeiden, so muß die Schwingungsschwellwertverstärkung in der Schwingungsart mit der Phasenverschiebung von 180° groß sein, um die Schwin­ gungsart mit der 180° Phasenverschiebung zu unterdrücken. Zu diesem Zwecke wurde - wie in Fig. 5(a) dargestellt - eine Halbleiter-Laseranordnung vorgeschlagen, die Verzweigungs- und Vereinigungs-Wellenleiter 51 an beiden Facetten 50 hat. Die grundlegende Arbeitsweise dieser Laseranordnung ist wie folgt:
Lichtstrahlen, die sich mit einer Phasenverschiebung von 0° zwischen sich in den Verzweigungs-Wellenleitern fortpflan­ zen, gelangen zu den Vereinigungs-Wellenleitern mit der gleichen Phase, so daß die Lichtstrahlen verstärkt werden. Breiten sich dagegen Lichtstrahlen mit einer Phasenverschie­ bung von 180° zwischen sich in den Verzweigungs-Wellenlei­ tern aus und gelangen zu den Vereinigungs-Wellenleitern, so löschen sich die entgegengesetzten Phasen aus, so daß die Lichtstrahlen extrem gedämpft bzw. geschwächt werden, was zu einer Strahlungs-Mode führt, bei der die Lichtstrahlen aus dem Wellenleiter abgestrahlt werden. Damit erleiden die Lichtstrahlen, die eine Phasenverschiebung von 180° zwischen sich haben, eine Dämpfung, was dazu führt, daß die Oszilla­ tions-Schwelllwertverstärkung in der Betriebsart mit der Phasenverschiebung von 180° vergrößert wird.

Allerdings ist mit einer Vergrößerung der Anzahl der Wellen­ leiter die Oszillations-Schwellwertverstärkung bei Betriebs­ arten zwischen der Phasenverschiebung von 0° und der von 180° reduziert, so daß eine Oszillation mit der Betriebsart der Phasenverschiebung von 0° nicht erreicht werden kann. So zeigen beispielsweise die Fig. 6(a) bis 6(d) die Vertei­ lungen des elektrischen Feldes E bezüglich der Betriebsart mit der Phasenverschiebung von 0° (Fig. 6a), der Betriebsart mit einer Phasenverschiebung von 180° (Fig. 6d) sowie dazwi­ schenliegende mittlere Betriebsarten (Fig. 6b und 6c) bei einer Laseranordnung gemäß der Fig. 5(b). Aus den Fig. 6(a) bis 6(d) ist zu erkennen, daß die Verteilung des elek­ trischen Feldes der Laser-Lichtstrahlen bei der Betriebsart mit der Phasenverschiebung von 0° in der Mitte Spitzenwerte aufweist, während die Verteilung des elektrischen Feldes der Laser-Lichtstrahlen bei den anderen Betriebsarten (b), (c) und (d) Spitzen an beiden Seiten aufweist.

Das von herkömmlichen Halbleiter-Laseranordnungen erzeugte Fernfeldmuster der Laser-Lichtstrahlen, die eine Phasenver­ schiebung von 0° zwischen sich haben, weist eine einzige Spitze auf, so daß die Laser-Lichtstrahlen mittels optischer Linsen zu einem Punkt bzw. Fleck konzentriert werden können, während das Fernfeldmuster von Laser-Lichtstrahlen, die eine Phasenverschiebung von 180° zwischen sich haben oder eine Phasenverschiebung mit Zwischenwerten zwischen 180° und 0°, zwei Spitzen aufweist, so daß ihre Laser-Lichtstrahlen mit­ tels optischer Linsen nicht zu einem Punkt bzw. Fleck kon­ zentriert werden können. Diese Halbleiter-Laseranordnungen, die Laser-Lichtstrahlen erzeugen, die nicht zu einem Punkt konzentriert werden können, können in optischen Systemen nicht für eine optische Koppelung verwendet werden; sie können auch nicht als Lichtquellen usw. verwendet werden.

Aus der US 42 55 717 ist bereits eine Halbleiter-Laseranord­ nung der eingangs genannten Art bekannt, bei der mehrere, indexgeführte aktive Wellenleiter Y-förmig miteinander ge­ koppelt sind. Bei dieser Halbleiter-Laseranordnung treten bevorzugt Wellen mit einer gegenseitigen Phasenverschiebung von 180° in benachbarten Wellenleitern auf. Das Fernfeld der von dieser Halbleiter-Laseranordnung abgegebenen Laserstrah­ lung weist zwei räumlich beabstandete Spitzenwerte auf, so daß die Einkopplung der gesamten Laserlichtleistung in ein gemeinsames optisches System Schwierigkeiten bereitet.

Aus der Fachveröffentlichung Ackley, D. E. et al., Phase- Locked Injection Laser Arrays with Integrated Phase Shif­ ters, In: RCA Review, Vol. 44, December 1983, 625-633, ist eine weitere Halbleiter-Laseranordnung bekannt, die eine Mehrzahl von parallel zueinander verlaufenden, indexgeführ­ ten aktiven Wellenleitern umfaßt. Jeder zweite Wellenleiter ist an einer der beiden Facetten mit einem Lambda-Halbe-Pha­ senschieber versehen, um dadurch die gewünschte Fernfeldver­ teilung mit einem einzigen Spitzenwert herbeizuführen. Wenn, wie dies bei dem dort angegebenen Ausführungsbeispiel der Fall ist, Material für die auf die Facetten aufgebrach­ ten Phasenschieber Al₂O₃ verwendet wird, so ergeben sich hierdurch unterschiedliche Reflexionsfaktoren bei benachbar­ ten Wellenleitern.

Aus der US 43 37 443 ist ein Halbleiter-Lasergerät bekannt, bei dem eine Facette zur Abgabe des Laserlichtes mit amorphem Silizium beschichtet ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Halbleiter- Laseranordnung zu schaffen, deren Laser-Lichtstrahlen eine gegenseitige Phasenverschiebung von 0° haben, so daß ein Fernfeld mit einem einzigen Spitzenwert entsteht.

Diese Aufgabe wird durch eine Halbleiter-Laseranordnung ge­ mäß Patentanspruch 1 gelöst.

Kurz zusammengefaßt schafft die Erfindung eine Halbleiter- Laseranordnung, die folgendes enthält:

Eine Vielzahl von indexgeführten aktiven Wellenleitern, die parallel zueinander optisch schwach gekoppelt sind, wobei der Reflexionskoeffizient im Mittelbereich minde­ stens einer Facette der Halbleiter-Laseranordnung, die den aktiven Wellenleitern zugeordnet ist, größer ist, als der der übrigen Bereiche der Facette, die dem aktiven Wellen­ leiter zugeordnet ist.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sorgt eine be­ grenzte Dicke jeder der Schichten eines ein- oder mehr­ schichtigen reflektierenden Filmes an der Facette für einen Reflexionskoeffizienten der Facette in einem Bereich zwischen etwa 2% bis 95%. Der Film besteht dabei entweder aus einem einschichtigen Film aus Al₂O₃ oder einem mehr­ schichtigen Film aus Al₂O₃ und/oder einem Si-Film mit amorphem Al₂O₃.

In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Er­ findung wird ein hoher Reflexionskoeffizient der Facette dadurch erreicht, daß der reflektierende Film im Mittel­ bereich der Facette, die den aktiven Wellenleitern zuge­ ordnet ist, aus zwei Schichten aus Al₂O₃ besteht; der niedrige Reflexionskoeffizient in den übrigen Bereichen der Facette, die den aktiven Wellenleitern zugeordnet ist, wird dadurch erhalten, daß der reflektierende Film aus einer einzigen Schicht aus Al₂O₃ besteht.

Die Dicke des aus zwei Al₂O₃-Schichten zusammengesetzten reflektierenden Filmes und des aus einer Al₂O₃-Schicht bestehenden reflektierenden Filmes beträgt nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel 2λ/4 bzw. λ/4 (λ ist die Oszillationswellenlänge), was zu Reflexionskoeffizienten von etwa 32% bzw. 2% führt.

Mit den oben beschriebenen Merkmalen der Erfindung werden folgende Ziele erreicht:

• (1) Es wird eine Halbleiter-Laseranordnung mit mehreren indexgeführten Halbleiter-Lasern geschaffen, die parallel zueinander liegen und eine optische Phasen­ koppelung zwischen benachbarten Laser-Resonanzräumen auf demselben Substrat haben, bei der zwischen be­ nachbarten Laser-Resonanzräumen eine Phasenverschie­ bung von 0° erhalten wird, was zu Laser-Lichtstrahlen mit hoher Ausgangsleistung und einem Strahlungsmuster mit einem einzigen Spitzenwert führt; und
• (2) es wird eine Halbleiter-Laseranordnung geschaffen, bei der der Reflexionskoeffizient im Mittelbereich mindestens einer seiner Facetten, die den aktiven Wellenleitern zugeordnet ist, größer ist, als der der übrigen Bereiche der Facette, die den aktiven Wellen­ leitern zugeordnet ist, so daß die Oszillations- Schwellwert-Verstärkung in der Betriebsart mit der Phasenverschiebung von 0° kleiner ist als die der übrigen Moden bzw. Betriebsarten, womit erreicht wird, daß Laser-Lichtstrahlen mit einer Phasenver­ schiebung von 0° zwischen sich stabil schwingen und zu einem einzigen Punkt bzw. Fleck konzentriert werden können, was die Herstellung von optischen Ein­ richtungen, die Laser-Licht verwenden bei ausgezeich­ netem Auflösungsvermögen erlaubt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungs­ beispieles im Zusammenhang mit der Zeichnung ausführlicher erläutert. Es zeigt:

Fig. einen Querschnitt einer Halbleiter-Laseranord­ nung nach der Erfindung;

Fig. 2 und 3 Draufsichten der Halbleiter-Laseranordnungen zur Erläuterung der Herstellung der reflektie­ renden Filme auf den Facetten der Laseranord­ nung der Fig. 1;

Fig. 4 ein Diagramm der Verteilung der optischen Inten­ sität der Laser-Lichtstrahlen der Laseranordnung nach der Erfindung;

Fig. 5(a) und 5(b) Diagramme der Verzweigungs- und Vereinigungs- Wellenleiter einer herkömmlichen Laseranordnung;

Fig. 6(a) bis 6(d) Diagramme der Verteilung des elektrischen Feldes der Betriebsarten mit verschiedenen Phasenver­ schiebungen bei der herkömmlichen Laseranordnung der Fig. 5(b).

Fig. 1 zeigt eine GaAs-GaAlAs-Halbleiter-Laseranordnung mit einer flachen aktiven Schicht nach der Erfindung, die wie folgt aufgebaut ist:

Auf einem Substrat 1 aus p-GaAs wird eine Stromblockie­ rungsschicht 2 aus n-Gas durch eine Kristall-Wachstums­ technik, wie z. B. Flüssigkeiten-Epitaxie usw., aufgetragen. Darauf werden mittels Photolithographie und einer Ätztech­ nik V-förmige Kanäle 3 in der Stromblockierungsschicht 2 ausgebildet, und zwar so, daß sie das Substrat 1 erreichen, womit Stromwege gebildet werden. Danach wird auf die Stromblockierungsschicht 2 einschließlich der V-förmigen Kanäle 3 eine p-Al_xGa_1-xAs-Abdeckschicht 4, eine p- oder eine n-Al_yGa_1-yAs-Aktivschicht 5, eine n-Al_xGa_1-xAs-Ab­ deckschicht 6 und eine n⁺ Deckschicht 7 sukzessiv durch Flüssigphasen-Epitaxie aufgebracht (wobei x<y ist), was zu einem mehrschichtigen aufgewachsenem Kristall mit einer doppelten Heterostruktur für eine Laseroszillation führt. Danach werden ein p-ohmscher Kontakt 8 und ein n-ohmscher Kontakt 9 auf der Rückseite des Substrates 1 bzw. der Oberseite der Deckschicht 7 ausgebildet, worauf ein Ab­ spalten unter rechtem Winkel zu den V-förmigen Kanälen 3 erfolgt, zur Bildung einer Lasereinheit mit einer internen Hohlraumlänge von 200-300 µm.

Sodann wird ein ein- oder mehrschichtiger reflektieren­ der Film aus Al₂O₃ und/oder amorphem Silizium an beiden Facetten der Anordnung aufgebracht und zwar durch einen Elektronenstrahl-Aufdampfprozeß, womit an beiden Facetten Laserreflektoren geschaffen werden. Die Dicke jeder der Schichten des reflektierenden Filmes aus einer einzigen Schicht aus Al₂O₃ oder einem mehrschichtigen Film aus Si und amorphem Al₂O₃ sollte dabei so gewählt werden, daß der Reflexionskoeffizient des reflektierenden Filmes einen Wert zwischen etwa 2% und 95% hat. Nach diesem Ausfüh­ rungsbeispiel ist der Reflexionskoeffizient des reflek­ tierenden Filmes, der aus einer einzigen Schicht aus Al₂O₃ besteht, die eine Dicke von λ/4 hat (λ ist die Oszilla­ tionswellenlänge) ungefähr 2%; der Reflexionskoeffizient des anderen reflektierenden Filmes, der aus mehreren Schichten von Al₂O₃ besteht und der eine Dicke 2λ/4 (λ ist die Oszillationswellenlänge) hat, ist etwa 32%. Um diese reflektierenden Filme zu erhalten, wird - wie in Fig. 2 gezeigt - an beiden Facetten 10 und der Laseranordnung ein Al₂O₃-Film 11 mit einer Dicke von λ/4 durch Elektro­ nenstrahldampfabscheidung aufgebracht. Sodann werden in Bereichen der Al₂O₃-Filme 11 an den Facetten 10, die den aktiven Wellenleitern W₁, W₄, W_a und W_c zugeordnet sind, mittels Photolithographie Resist-Filme 12 aufgebracht. Danach wird ein Al₂O₃-Film 13 mit der Dicke von λ/4 auf beiden Al₂O₃-Filmen 11 und den Resist-Filmen 12 an beiden Facetten 10 mittels desselben Dampfabscheideverfahrens aufgebracht. Sodann werden - wie in Fig. 3 gezeigt - die Resist-Filme 12 mit einem Entfernungsmittel entfernt, womit man einen Al₂O₃-Film 131 mit einer Dicke von 2λ/4 (dessen Reflexionskoeffizient bei 32% liegt) im Mittel­ bereich beider Facetten, die den aktiven Wellenleitern W₂ und W₃ sowie W_b zugeordnet sind, erhält sowie einen Al₂O₃-Film 11 mit einer Dicke von λ/4 (dessen Refle­ xionskoeffizient 2% ist) in den äußeren Bereichen der beiden Facetten 10, die den aktiven Wellenleitern W₁ und W₄ sowie W_a und W_c zugeordnet sind. Diese reflektierenden Filme 11 und 131 an beiden Facetten 10 bilden einen Resonator-Reflektor.

Wie oben erwähnt, wird durch die Bildung dieser unter­ schiedlichen dielektrischen Filme an beiden Facetten der Reflexionskoeffizient im Mittelbereich beider Facetten, die den aktiven Wellenleitern W zugeordnet sind, groß, während der Reflexionskoeffizient in den äußeren Berei­ chen der beiden Facetten, die den aktiven Wellenleitern W zugeordnet sind, klein wird. Entsprechend ist die Dämpfung des Lichtes in der Betriebsart mit einer Phasenverschiebung von 0° aufgrund des Resonator-Reflektors unterdrückt, da die Verteilung des elektrischen Feldes auf den Mittel­ bereich der aktiven Wellenleiter W konzentriert ist, (wie in Fig. 6(a) dargestellt ist), während die Dämpfung des Lichtes in den anderen Betriebsarten der Anordnung auf­ grund des Resonatorreflektors hoch ist, da die Verteilung des elektrischen Feldes in den Außenbereichen der aktiven Wellenleiter W konzentriert ist, wie in den Fig. 6(b) bis 6(d) dargestellt. Im Ergebnis ist also die Licht­ dämpfung in der Betriebsart mit der Phasenverschiebung von 0° kleiner als die des Lichtes in den anderen Betriebs­ arten, so daß die Oszillationsschwellwertverstärkung in der Betriebsart mit der Phasenverschiebung von 0° klein ist, so daß - wie in Fig. 4 gezeigt - die Laseranordnung stabil schwingen kann mit einem Laser-Licht, das eine Phasenver­ schiebung von 0° hat. Obwohl eine noch stabilere Betriebs­ art mit einer Phasenverschiebung von 0° erhalten werden kann, wenn die aktiven Wellenleiter optisch miteinander gekoppelt sind, wobei eine gedämpfte Welle zwischen be­ nachbarten aktiven Wellenleitern auftritt, sofern diese aktiven Wellenleiter gleichförmig ausgebildet sind, ist eine optische Koppelung mit einer solchen gedämpften Welle nicht notwendigerweise gefordert.

Die Halbleiter-Laseranordnung mit der in Fig. 5b gezeigten Struktur der aktiven Wellenleiter wurde mit fol­ genden Daten hergestellt. Die Breite We der aktiven Wellenleiter war 4 µm; die Distanz Ws zwischen benach­ barten Wellenleitern war 1 µm, der Reflexionskoeffizient im Mittelbereich der beiden Facetten, die den aktiven Wellenleitern zugeordnet war, lag bei 32%; der Re­ flexionskoeffizient in den übrigen Bereichen der beiden Facetten, die den aktiven Wellenleitern zugeordnet ist, lag bei 2%. Diese Laseranordnung oszillierte in einer Betriebsart mit einer Phasenverschiebung von 0° bis zu einer Ausgangsleistung von 130 mW und hatte einen Oszil­ lationsschwellwertstrom im Bereich von 120 bis 150 mA, wobei eine Laseroszillation in den übrigen Betriebsarten bzw. -moden unterdrückt war.

Die Halbleiter-Laseranordnung nach der Erfindung ist selbstverständlich nicht nur bei der oben erwähnten indexgeführten Struktur anwendbar, sondern auch bei anderen indexgeführten Strukturen einschließlich dem Steghohlleitertyp (ridged-typ) dem Typ mit versenktem Kanal (buried-typ), usw. Die Erfindung ist weiterhin nicht nur auf Halbleiter-Laser mit einem GaAlAs-GaAs-Aufbau an­ wendbar, sondern auch auf solche mit einem InP-InGaAsP- Aufbau.

Claims (3)

1. Halbleiter-Laseranordnung mit mehreren indexgeführten aktiven Wellenleitern (W), die Y-förmig miteinander ge­ koppelt sind, sich zwischen den beiden Facetten (10) des Halbleiterkörpers erstrecken und im Bereich der Facetten (10) parallel verlaufen, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Facetten (10) beschichtet sind, so daß der Reflexionskoeffizient in dem die Laserstrahlung emittierenden Mittelbereich (W₂, W₃; W_b) jeder der beiden Facetten (10) größer ist als der Reflexionskoeffizient in den übrigen, an den Mittelbereich (W₂, W₃; W_b) an­ grenzenden, Laserstrahlung emittierenden Bereichen (W₁, W₄; W_a, W_c) jeder der beiden Facetten (10).

2. Halbleiter-Laseranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der hohe Reflexionskoeffizient jeder Facette (10) durch die Bildung eines reflektierenden Filmes aus zwei Schichten (11, 131) aus Al₂O₃ im Mittelbereich (W_2,, W₃; W_b) jeder Facette, der den aktiven Wellenleitern zuge­ ordnet ist, erhalten wird und daß der niedrigere Re­ flexionskoeffizient jeder Facette (10) durch die Bildung eines reflektierenden Filmes (11) aus einer einzigen Schicht aus Al₂O₃ in den übrigen Bereichen (W₁, W₄; W_a, W_c) jeder Facette, die den aktiven Wellenleitern zuge­ ordnet sind, gebildet wird.

3. Halbleiter-Laseranordnung nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Dicke des zweischichtigen reflektierenden Filmes (11, 131) aus Al₂O₃ bzw. die des einschichtigen reflek­ tierenden Filmes (11) aus Al₂O₃ 2λ/4 bzw. λ/4 ist, wo­ bei λ die Oszillationswellenlänge in den Schichten ist, was zu Reflexionskoeffizienten von etwa 32% bzw. etwa 2% führt.