DE3850131T2

DE3850131T2 - Laser mit im wesentlichen ebenem Wellenleiter.

Info

Publication number: DE3850131T2
Application number: DE3850131T
Authority: DE
Inventors: Sang Keun Sheem; Bruce Arthur Vojak
Original assignee: BP Corp North America Inc
Current assignee: Viavi Solutions Inc
Priority date: 1987-02-04
Filing date: 1988-01-28
Publication date: 1994-09-22
Anticipated expiration: 2008-01-29
Also published as: IE880296L; US4791648A; ATE107438T1; AU1114188A; JP2851040B2; EP0277768A2; DE3850131D1; AU589311B2; EP0277768B1; JPS63222492A; EP0277768A3; CN88100570A

Description

Hintergrund der Erfindung

1. Anwendungsgebiet der Erfindung

Diese Erfindung bezieht sich auf einen Laser, der einen im wesentliches ebenen Wellenleiter enthält. Sie bezieht sich insbesondere auf einen solchen Laser, bei dem der Wellenleiter in einer Richtung innerhalb seiner Ebene und senkrecht zur Richtung der Fortpflanzung des Laserlichtes besteht aus variierenden Kombinationen von Bereichen mit hoher Verstärkung und Bereichen mit geringer Verstärkung.

2. Beschreibung des Standes der Technik

Ein Laser ist eine Vorrichtung, welche die Fähigkeit hat, durch stimulierte Emission von Photonen aus Atomen oder Molekülen eines aktiven Mediums, die durch Zufuhr von Energie von einem Grundzustand in einen höheren Energie zustand angeregt worden sind, monochromatisches, kohärentes Licht zu erzeugen. Eine solche Einrichtung enthält einen optischen Hohlraum oder Resonator, der von stark reflektierenden Oberflächen begrenzt ist, die einen geschlossenen runden Wanderungsweg für das Licht bilden, und das aktive Medium ist innerhalb des optischen Hohlraums enthalten.
Wenn durch Anregung des aktiven Mediums eine Besetzungsumkehr erzeugt wird, kann die spontane Emission eines Photons aus einem angeregten Atom, Molekül oder Ion, das in seinen Grundzustand zurückkehrt, die Emission von Photonen mit identischer Energie aus anderen angeregten Atomen, Molekülen oder Ionen stimulieren. Als Folge davon erzeugt das anfängliche Photon eine Kaskade von Photonen zwischen den reflektierenden Oberflächen des optischen Hohlraums, die alle eine identische Energie haben und genau in Phase sind. Ein Teil dieser Photonenkaskade wird dann durch eine oder mehr der reflektierenden Oberflächen des optischen Hohlraums entladen.
Die Anregung des aktiven Mediums eines Lasers kann nach verschiedenen Verfahren erzielt werden. Die meisten üblichen Verfahren sind jedoch das optische Anregen (Pumpen), die Anwendung einer elektrischen Entladung und das Hindurchfließenlassen eines elektrischen Stromes durch den p-n-Zonenübergang eines Halbleiter-Lasers.
Halbleiter-Laser enthalten einen p-n-Zonenübergang, der eine Diode bildet, und dieser Übergang fungiert als das aktive Medium des Lasers. Solche Vorrichtungen, die auch als Laser-Dioden bezeichnet werden, werden in der Regel hergestellt aus Materialien wie Galliumarsenid und Aluminium-Galliumarsenid-Legierungen. Der Wirkungsgrad dieser Laser in bezug auf die Umwandlung von elektrischer Energie in Output-Strahlung ist verhältnismäßig hoch und er kann beispielsweise mehr als 40% betragen.
Laser-Dioden enthalten in der Regel einen Wellenleiter, der dazu dient, das Laserlicht auf einen spezifischen Bereich innerhalb des optischen Hohlraums zu begrenzen. Dieser Wellenleiter kann entweder eine Verstärkungs-geführte Struktur oder eine Index-geführte Struktur sein. Die Verstärkungs-geführte Struktur wird vorübergehend während der Injektion des Pumpstroms in die Laser-Diode gebildet und resultiert, wie angenommen wird, mindestens zum Teil aus der Bildung eines thermisch induzierten Brechungsindex-Gradienten innerhalb der aktiven Schicht und der Plattierungsschichten (Umhüllungs- bzw. Überzugsschichten) während des Betriebs der Vorrichtung. Andererseits enthalten die Index-geführten Strukturen ein eingebautes Brechungsindex-Profil, das parallel zu dem p-n-Zonenübergang ist und dazu dient, das Licht in einem Bereich parallel zu dem Zonenübergang zu begrenzen.
Eine Streifen-Geometrie ist für den Wellenleiter einer Laser-Diode konventionell, wobei die Breite des Wellenleiters vergleichbar ist mit der Wellenlänge des Laserlichtes. Mit einer solchen Geometrie kann ein Lateral- Grundmodus-Betrieb oder ein Betrieb der niedrigsten Ordnung erzielt werden. Es hat sich jedoch gezeigt, daß eine erhöhte Menge an Output-Strahlung erhalten werden kann bei Verwendung eines breiten und im wesentlichen ebenen oder sogenannten Platten-Wellenleiters. Ein solcher Platten- Wellenleiter hat eine Breite, die in der Regel das 10-fache derjenigen des Streifen-Wellenleiters beträgt und er kann daher ein größeres Volumen an aktivem Material enthalten und liefert eine höhere Output-Energie bei verminderten Strom- und Energiedichten.
Unglücklicherweise bringt jedoch die Verwendung eines Platten-Wellenleiters einen unerwünschten Verlust an Lateralmodus-Kontrolle mit sich. Da die Breite des Platten- Wellenleiters groß genug ist, um eine Vielzahl von Lateralmodi zu tragen, hat der Output-Strahl aus dem Laser ein Profil entlang der Breite des Wellenleiters, das sehr unregelmäßig ist, und dieses Profil kann sich sowohl mit der Zeit als auch mit dem Pumpniveau (Anregungsniveau) ändern. Das Output-Strahl-Profil aus einem solchen Platten- Wellenleiter ist auch eine Funktion von winzigen Defekten und Inhomogenitäten. Diese Defekte und Inhomogenitäten führen zu einer Zerfaserung (Filamentation), einem Phänomen, bei dem Teile des aktiven Bereiches quasi unabhängig voneinander fungieren, wobei sie ein Nahfeld-Bildmuster ergeben, das aus hellen Filamenten (Fäden) in einem begrenzten Bereich anstatt aus einer glatten Intensitätsverteilung über die Breite des Wellenleiters besteht. Derzeit gibt es kein völlig zufriedenstellendes Verfahren, um diese Probleme zu beseitigen, ohne das Laser-Dioden-Herstellungsverfahren schwerwiegend zu komplizieren, wodurch die Vorrichtungskosten erhöht werden.
Es sind bereits verschiedene Typen von Mehrfach- Streifen-Lasern entwickelt worden in dem Bemühen, die Probleme zu überwinden, die bei Platten-Lasern auftreten. So wird beispielsweise die optische Kopplung von benachbarten, parallelen Streifen-Lasern von J.E. Ripper et al. in "Appl. Phys. Lett.", 17, 371 (1970), beschrieben. In dem US-Patent Nr. 4 255 717 (Scifres) ist eine Laser-Vorrichtung beschrieben, die eine Vielzahl von benachbarten Streifen-Lasern enthält, wobei ein Teil der in irgendeinem Streifen erzeugten Strahlung abgelenkt und mit einem oder mehr der benachbarten Streifen gekoppelt wird. Außerdem wurde von D.F. Welch et al. in "Electronics Lett.", 21, 603 (1985), eine asymmetrische Offset-Streifen-Laser-Dioden-Gruppe beschrieben. Alle diese Versuche umfassen jedoch das Koppeln von einzelnen Streifen-Lasern und lösen nicht die vorstehend beschriebenen Probleme, die bei einem Platten-Laser auftreten.
J. Salzman et al. haben in "Appl. Phys. Lett.", 49, 611 (1986), einen Dioden-Laser mit einem Platten-Wellenleiter beschrieben, der identische periodische Störungen (Abweichungen) aufweist als Folge von mehreren Rippen, die sich über einige zehn um in einer Richtung senkrecht zu den Facetten erstrecken. Dieser Laser hat einen Mehrfach- Filament-Charakter und ergibt ein Einzel-Keulenstrahl- und fast Beugungs-begrenztes Weitfeld(Fraunhofer)-Bildmuster. In dieser Druckschrift wird jedoch keine Laser-Diode mit einem Platten-Wellenleiter vorgeschlagen, der in einer Weise gestört ist, die nicht in einer identisch wiederkehrenden Art periodisch ist. Außerdem haben J. Salzman et al. in "Appl. Phys. Lett.", 46, 218 (1985), die Herstellung und den Betrieb eines GaAs-Dioden-Lasers beschrieben, bei dem beide Spiegel eine konvexe Gestalt haben und die laterale Breite des Verstärkungsbereichs durch einen 80 um-Kontaktstreifen begrenzt war. Es ist darin angegeben, daß dieser Laser über einen Bereich von Injektions-Strömen in einem einzelnen Lateralmodus stabil arbeitet. Der optische Hohlraum dieses Lasers enthielt jedoch keine Kombination von Bereichen mit hoher Verstärkung und Bereichen mit geringer Verstärkung.

Zusammenfassung der Erfindung

Es wurde gefunden, daß eine Lateralmodus-Kontrolle in einem Laser mit einem Platten-Wellenleiter erzielt werden kann durch Variieren der Kombination von Bereichen mit hoher Verstärkung und von Bereichen mit geringer Verstärkung zwischen den reflektierenden Oberflächen des optischen Hohlraums des Lasers als Funktion der Position über die Breite des Wellenleiters. Durch Erzielung einer höheren Verstärkung in den Positionen, in denen die gewünschten Lateralmodi an sich eine höhere Amplitude haben, ausgedrückt als das lokale Lateral-Eigenfunktions-Profil, können die gewünschten Modi aus der Vielzahl von zulässigen Modi ausgewählt werden, die ansonsten von dem Wellenleiter getragen werden könnten.
Ein Ziel dieser Erfindung ist es, einen verbesserten Laser mit einem Platten-Wellenleiter zu schaffen.
Ein anderes Ziel dieser Erfindung ist es, ein Verfahren für die Lateralmodus-Kontrolle in dem Output-Strahl eines Platten-Lasers zur Verfügung zu stellen.
Ein anderes Ziel dieser Erfindung ist es, einen Wellenleiter mit einem verbesserten Aufbau (Design) für die Verwendung in einem Laser zu schaffen.
Ein noch weiteres Ziel dieser Erfindung ist es, einen Platten-Laser mit einem Output-Strahl-Profil zur Verfügung zu stellen, das über einen breiten Bereich der Laser-Output-Energie-Niveaus stabil ist.
Ein anderes Ziel der Erfindung besteht darin, einen Platten-Laser zu schaffen, bei dem die Lateralmodus-Kontrolle kombiniert ist mit einer verbesserten Ausnutzung des aktiven Mediums in dem optischen Hohlraum.
Ein noch weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, einen leicht herstellbaren Halbleiter-Platten-Laser zu schaffen, dessen Output eine kontrollierte Lateralmodus- Struktur hat.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 der Zeichnungen zeigt eine schematische Darstellung eines konventionellen Lasers;
Fig. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Einzelstreifen-Halbleiter-Laser-Diode mit einem p-n-Zonenübergang und einem eingebauten Wellenleiter;
Fig. 3 zeigt eine perspektivische Ansicht des Wellenleiter-Abschnitts der in Fig. 2 dargestellten Laser-Diode;
Fig. 4 zeigt eine perspektivische Ansicht der Wellenleiter einer Mehrfachstreifen-Halbleiter-Laserdiode gemäß Stand der Technik;
Fig. 5 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Vergleichs-Wellenleiters;
Fig. 6 zeigt eine perspektivische Ansicht des Wellenleiters gemäß einer Ausführungsform der Erfindung:
Fig. 7 zeigt eine perspektivische Ansicht des Wellenleiters gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 8 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Vergleichs-Wellenleiters;
Fig. 9 zeigt eine perspektivische Ansicht eines weiteren Vergleichs-Wellenleiters; und
Fig. 10 zeigt eine perspektivische Ansicht des Wellenleiters gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen Die Arbeitsweise (der Betrieb) eines konventionellen Lasers ist in der Fig. 1 schematisch dargestellt. Das aktive Medium 11 des Lasers wird durch eine Energiequelle, die durch den Pfeil 12 dargestellt ist, angeregt. Als Folge der resultierenden Besetzungsumkehr emittiert dann das aktive Medium 11 Licht, das begrenzt ist durch Spiegel 13 und 14 innerhalb des optischen Hohlraums, der durch diese zwei Spiegel definiert ist. Das durch die Spiegel 13 und 14 reflektierte Licht stimuliert die Emission von weiterem zusätzlichem) Licht durch das aktive Medium und die resultierende Photonen-Kaskade bildet einen Lichtstrahl 15. Der Querschnitt des Strahls 15 weist bestimmte gut definierte räumliche Profile auf, die als Transversal-Modi bezeichnet werden. Ein besonders erwünschter Transversal- Modus, der TEMoo-Modus weist ein Gauß'sches Intensitätsverteilungsmuster über den Strahldurchmesser auf. Einer der beiden Spiegel 14 dient dazu, das Licht teilweise durchzulassen, das innerhalb des optischen Hohlraums erzeugt wird, und der resultierende Output-Strahl wird durch den Pfeil 16 dargestellt.
Die Fig. 2 erläutert eine Halbleiter-Laser-Diode. Diese Vorrichtung enthält alle Elemente eines konventionellen Lasers, wie sie in der Fig. 1 schematisch dargestellt sind. Das aktive Medium 21 ist ein p-n-Zonenübergang zwischen einem Halbleiter 22 vom n-Typ und einem Halbleiter 23 vom p-Typ. Das aktive Medium wird durch einen elektrischen Strom angeregt, der durch die Leitung 24 in die Elektrode 25, durch den p-n-Zonenübergang 21 in den Kühlkörper und elektrischen Kontakt 26 an der Basis des Dioden-Lasers fließt. Die Spiegel, welche den Laser- Hohlraum begrenzen, sind die polierten oder geschnittenen (Spaltungs-)Enden des Halbleitermaterials selbst. Außerdem weist der Dioden-Laser einen optischen Wellenleiter auf, der unter der Elektrode 25 angeordnet ist, die den Teil des aktiven Mediums enthält, der während des Betriebs des Lasers angeregt (aufgepumpt) wird.
Da sich die vorliegende Erfindung hauptsächlich mit dem optischen Wellenleiter eines Lasers und der Kombination von Bereichen mit hoher Verstärkung und geringer Verstärkung innerhalb dieses Wellenleiters befaßt, werden nur diese beiden Merkmale in den Fig. 3 bis 10 erläutert.
Die Fig. 3 erläutert den Streifen- oder Kanal-Wellenleiter 31 eines Dioden-Lasers, z. B. eines solchen, wie er in Fig. 2 dargestellt ist. Das aktive Medium des Lasers ist innerhalb des Wellenleiters 31 enthalten und der angeregte (aufgepumpte) Bereich oder der Bereich mit hoher Verstärkung innerhalb des aktiven Mediums ist unterhalb der punktierten Fläche 32 auf der oberen Oberfläche des Wellenleiters 31 angeordnet. Dieser Hochverstärkungs-Bereich (Bereich mit hoher Verstärkung) ist in der Regel begrenzt durch die Geometrie der Elektrode, die zum Anregen (Aufpumpen) des aktiven Mediums verwendet wird. Der Wellenleiter 31 kann entweder eine Index-geführte Struktur oder eine Verstärkungs-geführte Struktur sein. In einer Index-geführten Struktur besteht der Wellenleiter 31 aus einem Kern, der einen höheren Brechungsindex aufweist als seine Umgebung oder die Überzugsschicht (Hülle). In einer Verstärkungs-geführten Struktur wird der Wellenleiter 31 gebildet, wenn der Anregungsstrom (Pumpstrom) fließt und einen höheren Brechungsindex in dem angeregten Bereich induziert. Die Brechungsindex-Änderung zwischen dem Kern des Wellenleiters und seiner Umhüllung (Plattierung) ist in der Regel eine oder zwei Größenordnungen kleiner in einer Verstärkungs-geführten Struktur als in einer Index-geführten Struktur. Dennoch ist ein Verstärkungs-geführter Wellenleiter in der Regel ganz zufriedenstellend, um das von einer Laser-Diode erzeugte Licht zu begrenzen.
Ein Kanal-Wellenleiter, z. B. ein solcher, wie er in Fig. 3 dargestellt ist, hat eine Dicke 33 und eine Breite 34, die vergleichbar sind mit der Wellenlänge des erzeugter Laser-Lichtes, beispielsweise in der Größenordnung von etwa 1 um liegen. Wenn ein solcher Wellenleiter verwendet wird, ist der resultierende Laser-Strahl in der Regel ein solcher vom fundamentalen Lateral-Modus. Das heißt, es gibt nur ein geführtes Wellenprofil für jede optische Polarisation. Der Grundmodus eines solchen Kanal-Wellenleiters weist ein Einzelstrahlungskeule-Nahfeld- und -Fernfeld (Fraunhofer)-Bildmuster auf, das für die meisten Anwendungszwecke am meisten erwünscht ist. Dieser Grundmodus weist in der Regel ein Gauß'sches oder Gauß-artiges Intensitätsprofil auf.
Ein konventionelles Verfahren zur Erhöhung der Output-Energie aus einem Dioden-Laser besteht darin, einen verbreiterten Mehrkanal-Wellenleiter zu verwenden, wie in Fig. 4 dargestellt. Das aktive Medium des Lasers ist innerhalb des Wellenleiters 41 enthalten und der aufgepumpte (angeregte) Bereich oder Hochverstärkungs-Bereich innerhalb des aktiven Mediums ist unter den punktierten Flächen 42 auf der oberen Oberfläche des Wellenleiters 41 angeordnet. Diese Hochverstärkungs-Bereiche oder -Kanäle sind begrenzt durch die Geometrie der zum Anregen (Aufpumpen) des p-n-Zonenübergangs des Dioden-Lasers verwendeten Elektroden. Benachbarte Kanäle sind in einem Abstand angeordnet, der vergleichbar ist mit der Output-Wellenlänge des Lasers oder ein niederes Mehrfaches desselben darstellt. Als Folge davon sind alle Kanäle optisch gekoppelt und in Phase festgelegt (fixiert). Die Richtung der Lichtfortpflanzung in dem Wellenleiter 41 ist durch den Doppelkopf-Pfeil 43 angezeigt.
Ein Hauptproblem, das bei einem Mehrkanal-Wellenleiter des in der Fig. 4 dargestellten Typs auftritt, ist das unregelmäßige Bildmuster des Output-Strahls aus dem Laser, in dem er verwendet wird. Dieser Output-Strahl ist in der Regel aufgespalten in zwei große Strahlungskeulen, denen in der Regel eine willkürliche und unregelmäßige Feinstruktur überlagert ist. Diese Feld-Aufspaltung tritt auf, weil der Lateralmodus die höchste Modusverstärkung für die Laserwirkung hat und die anderen Modi dominiert. Ein solcher Output-Strahl kann nicht zu einem einzelnen scharfen Punkt fokussiert werden, wie er für viele konventionelle Anwendungszwecke erwünscht ist.
Es wurde gefunden, daß die obengenannte Feld-Aufspaltung herabgesetzt oder eliminiert werden kann in einem verbreiterten Wellenleiter, wenn die Anregungs(Aufpump)- Menge zu einer Funktion der Position über die Breite des Wellenleiters gemacht wird. Dies kann in konventioneller Weise in einem Dioden-Laser erzielt werden durch Variieren der Pumplänge (Anregungslänge) entlang der Richtung der Lichtfortpflanzung als Funktion der Position über die Breite des Wellenleiters.
So erläutert beispielsweise die Fig. 5 die Hochverstärkungs- und Niedrigverstärkungs-Bereiche innerhalb eines im wesentlichen ebenen Wellenleiters. Das aktive Medium ist innerhalb des Wellenleiters 51 enthalten und der Hochverstärkungs-Bereich innerhalb des aktiven Mediums ist unterhalb der punktierten Flächen 52 auf der oberen Oberfläche des Wellenleiters 51 angeordnet. Die Richtung der Lichtfortpflanzung in dem Wellenleiter 51 ist durch den Doppelkopf-Pfeil 54 angezeigt. In einer Laser-Diode ist der Hochverstärkungs-Bereich natürlich begrenzt durch die Gestalt der Elektroden, die dazu verwendet werden, das aktive Medium anzuregen (aufzupumpen). Die Niedrigverstärkungs-Bereiche, die unterhalb der Fläche 53 auf der oberen Oberfläche des Wellenleiters 51 angeordnet sind, werden bis auf ein Niveau angeregt (aufgepumpt), das niedriger ist als dasjenige der Hochverstärkungs-Bereiche und gewünschtenfalls kann das Aufpump-Niveau (Anregungsniveau) in den Niederverstärkungs-Bereichen Null sein.
In dem in Fig. 5 dargestellten Wellenleiter weist die kumulative Verstärkung von einem Ende des Wellenleiters zu dem anderen entlang der Richtung der Lichtfortpflanzung ein Maximum auf in der Nähe des Zentrums des Wellenleiters und es tritt eine allmähliche Abnahme in Richtung auf die Ränder des Wellenleiters auf, gemessen als Funktion der Position entlang einer Linie innerhalb der Ebene des Wellenleiters, die senkrecht zur Richtung der Lichtfortpflanzung verläuft. Bei diesem Wellenleiter ist das höchste Aufpumpniveau (Anregungsniveau) etwa in der Hälfte entlang der Breite 55 des Wellenleiters 51 angeordnet und die Modi mit einer verhältnismäßig hohen Intensität an diesem Punkt auf halbem Wege sind begünstigt. Daher ist der Grundmodus oder Gauß-artige Modus begünstigt und das Output-Strahl-Profil weist im Zentrum die höchste Intensität auf. Obgleich die Erfindung nicht darauf beschränkt ist, wird angenommen, daß der Grundmodus (Grundtyp) am meisten begünstigt ist, wenn die Grenze zwischen den Hochverstärkungs- und Niedrigverstärkungsbereichen eine (l-Cosinus)- oder parabolische Funktion der Position über die Breite 55 des Wellenleiters 51 ist. Daher ist eine solche Beziehung bevorzugt.
Die Fig. 6 erläutert die Hochverstärkungs- und Niedrigverstärkungs-Bereiche innerhalb eines im wesentlichen ebenen Wellenleiters gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Das aktive Medium ist innerhalb des Wellenleiters 61 enthalten und die Hochverstärkungs-Bereiche innerhalb des aktiven Mediums sind unterhalb der punktierten Flächen 62 auf der oberen Oberfläche des Wellenleiters 61 angeordnet. Die Niedrigverstärkungs-Bereiche sind unterhalb der nicht-punktierten Flächen auf der oberen Oberfläche des Wellenleiters 61, beispielsweise unterhalb der Flächen 63, angeordnet. Die Richtung der Lichtfortpflanzung in dem Wellenleiter 61 ist durch den Doppelkopf-Pfeil 64 angezeigt.
Der Wellenleiter der Fig. 6 ist identisch mit demjenigen der Fig. 5, jedoch mit der Ausnahme, daß der Niedrigverstärkungs-Bereich der Fig. 5 ersetzt ist durch eine Vielzahl von alternierenden Streifen mit Hochverstärkungs- und Niedrigverstärkungs-Bereich, die parallel zur Richtung der Lichtfortpflanzung verlaufen. Diese Streifen dienen dazu, eine unerwünschte Fadenbildung (Filamentation) zu verhindern, die sonst während des Betriebs des Lasers auftreten könnte. Eine solche Fadenbildung (Filamentation) kann natürlich eine Laserwirkung umfassen, die nur innerhalb eines einzelnen engen Filaments des aktiven Mediums auftritt, während der Rest des aktiven Mediums keine Laserstrahlen aussendet. Die alternierenden Streifen mit Hochverstärkungs- und Niedrigverstärkungs-Bereich, die in der Fig. 6 dargestellt sind, fungieren als ein Raum-Filter, das den optischen Strahl entlang der Richtung der Lichtfortpflanzung ausrichtet. Daher gewährleisten für den Fall, daß überhaupt irgendeine Fadenbildung (Filamentation) auftritt, die Mehrfach-Streifen mit Hochverstärkungs-Bereich, daß eine Laserwirkung in den Mehrfach-Filamenten auftritt anstatt in einem Einzel-Filament, wodurch die Menge des aktiven Mediums, die der Laserwirkung unterworfen ist, maximiert wird. Obgleich die Breite und der Abstand dieser Streifen mit Hochverstärkungs-Bereich nicht kritisch sind, gilt, daß (a) sie eine Breite haben, die zweckmäßig in dem Bereich von etwa 1 bis etwa 10 um, vorzugsweise in dem Bereich von etwa 2 bis etwa 6 um, liegt, und (b) sie in einem Abstand voneinander angeordnet sind, der zweckmäßig in dem Bereich von etwa 2 bis etwa 20 um, vorzugsweise in dem Bereich von etwa 3 bis etwa 10 um, liegt.
Die Fig. 7 erläutert die Hochverstärkungs- und Niedrigverstärkungs-Bereiche innerhalb eines im wesentlichen ebenen Wellenleiters gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Das aktive Medium ist innerhalb des Wellenleiters 71 enthalten und die Hochverstärkungs-Bereiche innerhalb des aktiven Mediums sind unterhalb der punktierten Flächen 72 auf der oberen Oberfläche des Wellenleiters 71 angeordnet. Die Niedrigverstärkungs- Bereiche sind unterhalb der Fläche 73 auf der oberen Oberfläche des Wellenleiters 71 angeordnet, die nicht punktiert ist. Die Richtung der Lichtfortpflanzung in dem Wellenleiter 71 ist durch den Doppelkopf-Pfeil 74 angezeigt.
Der Wellenleiter der Fig. 7 ist identisch mit demjenigen der Fig. 5, jedoch mit der Ausnahme, daß einer der Hochverstärkungs-Bereiche der Fig. 5 ersetzt ist durch eine Vielzahl von alternierenden Streifen mit Hochverstärkungs- und Niedrigverstärkungs-Bereich, die parallel zur Richtung der Lichtfortpflanzung verlaufen. Wie in dem Wellenleiter gemäß Fig. 6 dargestellt, fungieren die alternierenden Streifen mit Hochverstärkungs- und Niedrigverstärkungs-Bereich der Fig. 7 als Raum-Filter, das den optischen Strahl des Lasers entlang der Richtung der Lichtfortpflanzung ausrichtet. Daher gewährleisten für den Fall, daß überhaupt eine Fadenbildung (Filamentation) auftritt, die Mehrfachstreifen mit Hochverstärkungs-Bereich, daß die Laserwirkung eher in den Mehrfach-Filamenten auftritt als in einem Einzel-Filament, wodurch die Menge an aktivem Medium, das der Laser-Wirkung unterliegt, maximiert wird. Die Breite und der Abstand dieser Streifen mit Hochverstärkungs-Bereich sind nicht kritisch. Für sie gilt jedoch, daß (a) sie eine Breite haben, die zweckmäßig in dem Bereich von etwa 1 bis etwa 10 um, vorzugsweise in dem Bereich von etwa 2 bis etwa 6 um, liegt und (b) sie in einem Abstand voneinander angeordnet sind, der zweckmäßig in dem Bereich von etwa 2 bis etwa 20 um, vorzugsweise in dem Bereich von etwa 3 bis etwa 10 um, liegt.
Die Fig. 8 erläutert die Hochverstärkungs- und Niedrigverstärkungs-Bereiche innerhalb eines im wesentlichen ebenen Wellenleiters. Das aktive Medium ist innerhalb des Wellenleiters 81 enthalten und die Hochverstärkungs-Bereiche innerhalb des aktiven Mediums sind unterhalb der punktierten Flächen 82 auf der oberen Oberfläche des Wellenleiters 81 angeordnet. Die Niedrigverstärkungs-Bereiche sind unterhalb der Fläche 83 auf der oberen Oberfläche des Wellenleiters 81 angeordnet. Die Richtung der Lichtfortpflanzung in dem Wellenleiter 81 ist durch den Doppelkopf- Pfeil 84 angezeigt.
In dem in Fig. 8 erläuterten Wellenleiter weist die kumulative Verstärkung von einem Ende des Wellenleiters zu dem anderen entlang der Richtung der Lichtfortpflanzung ein Minimum auf in der Nähe des Zentrums des Wellenleiters und es tritt eine allmähliche Zunahme in Richtung auf die Ränder des Wellenleiters auf, gemessen als Funktion der Position entlang einer Linie innerhalb der Ebene des Wellenleiters, die senkrecht zur Richtung der Lichtfortpflanzung verläuft. Diese Konfiguration führt zur Bildung des Modus der höchstmöglichen Ordnung, wodurch die Erzeugung eines Output-Strahls mit zwei weit voneinander getrennten Intensitätspeaks gewährleistet wird. Dieser Output-Strahl ähnelt demjenigen, der aus einem konventionellen Mehrkanal-Wellenleiter des in der Fig. 4 dargestellten Typs erhältlich ist. Der Output-Strahl aus dem Wellenleiter gemäß Fig. 8 liegt jedoch regelmäßiger in dem Modus der höchsten Ordnung vor und weist keine so starke ihm über lagerte willkürliche und unregelmäßige Feinstruktur auf.
Die Fig. 9 erläutert die Hochverstärkungs- und Niedrigverstärkungs-Bereiche innerhalb eines im wesentlichen ebenen Wellenleiters. Das aktive Medium ist innerhalb des Wellenleiters 91 enthalten und die Hochverstärkungs-Bereiche innerhalb des aktiven Mediums sind unterhalb der punktierten Flächen 92 auf der oberen Oberfläche des Wellenleiters 91 angeordnet. Die Niedrigverstärkungs-Bereiche sind unterhalb der Fläche 93 auf der oberen Oberfläche des Wellenleiters 91 angeordnet. Die Richtung der Lichtfortpflanzung ist durch den Doppelkopf-Pfeil 94 angezeigt. Dieser Wellenleiter ist im wesentlichen der gleiche wie derjenige gemäß Fig. 5, jedoch mit der Ausnahme, daß die kumulative Verstärkung (wobei die Verstärkung definiert ist als eine solche mit Einheiten des Abstand-Kehrwertes) von einem Ende des Wellenleiters zu dem anderen entlang der Richtung der Lichtfortpflanzung eine lineare Funktion der Position entlang einer Linie innerhalb-der Ebene des Wellenleiters ist, die senkrecht zur Richtung der Lichtfortpflanzung verläuft. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 5 ist diese Beziehung nicht-linear.
Die Fig. 10 erläutert die Hochverstärkungs- und Niedrigverstärkungs-Bereiche innerhalb eines im wesentlichen ebenen Wellenleiters gemäß einer noch weiteren Ausführungsform der Erfindung. Das aktive Medium ist innerhalb des Wellenleiters 101 enthalten und die Hochverstärkungs- Bereiche innerhalb des aktiven Mediums sind unterhalb der punktierten Fläche 102 auf der oberen Oberfläche des Wellenleiters 101 angeordnet. Die Niedrigverstärkungs-Bereiche innerhalb des aktiven Mediums sind unterhalb der Flächen 103 auf der oberen Oberfläche des Wellenleiters 101, die nicht punktiert sind, angeordnet. Die Richtung der Lichtfortpflanzung in dem Wellenleiter 101 ist durch den Doppelkopf-Pfeil 104 angezeigt.
Der Wellenleiter der Fig. 10 ist im wesentlichen identisch mit demjenigen der Fig. 6, jedoch mit der Ausnahme, daß die Niedrigverstärkungs-Streifen 103 der Fig. 10 Rechtecke sind, während in der Fig. 6 zwei Seiten des jeweiligen Niedrigverstärkungs-Streifens nicht-parallel sind. Wie bei den in den Fig. 6 und 7 dargestellten Wellenleitern fungieren die alternierenden Streifen mit Hochverstärkungs- und Niedrigverstärkungs-Bereich in Fig. 10 als Raum-Filter, das den optischen Strahl des Lasers entlang der Richtung der Lichtfortpflanzung ausrichtet.
Bei der praktischen Durchführung der Erfindung variiert die kumulative Verstärkung von einem Ende des optischen Hohlraums zu dem anderen entlang der Laserlicht- Fortpflanzungsrichtung als Funktion der Position entlang einer Linie innerhalb der Ebene des Wellenleiters, die senkrecht zur Richtung der Laserlicht-Fortpflanzung verläuft und bei der diese Variation nicht in einer identisch wiederkehrenden Weise periodisch ist. Es ist natürlich klar, daß diese Variation der kumulativen Verstärkung periodisch sein kann, jedoch kehrt eine Periode, die bei der kumulativen Verstärkung von Peak zu Peak oder von Minimum zu Minimum gemessen wird, in der nächsten Periode nicht wieder, da die Breite des Wellenleiters entlang der obengenannten Linie überschritten ist. So weisen beispielsweise die in den Fig. 6, 7 und 10 dargestellten Wellenleiter eine Periodizität in der kumulativen Verstärkung auf, weil sie Streifen mit einem Hochverstärkungs- und Niedrigverstärkungs-Bereich enthalten. Die Variation in bezug auf die kumulative Verstärkung über eine gegebene Periode kehrt jedoch nicht wieder in der nächsten Periode, wenn die Breite des Wellenleiters überschritten ist.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung variiert die kumulative Verstärkung von einem Ende des optischen Hohlraums zu dem anderen entlang der Laserlicht-Fortpflanzungsrichtung von einem Punkt zum benachbarten Punkt entlang einer Linie innerhalb der Ebene des Wellenleiters, die senkrecht zur Richtung der Lichtfortpflanzung verläuft, wobei diese Punkte entlang dieser Linien einen einheitlichen Abstand voneinander haben. Der Abstand zwischen diesen benachbarten Punkten beträgt zweckmäßig nicht mehr als 10 um, vorzugsweise nicht mehr als 5 um und besonders bevorzugt nicht mehr als 1 um.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung variiert die kumulative Verstärkung kontinuierlich als Funktion der Position entlang einer Linie innerhalb der Ebene des Wellenleiters, die senkrecht zur Richtung der Laserlicht-Fortpflanzung verläuft, und die Fig. 6 und 7 erläutern diese Ausführungsform. Gewünschtenfalls kann die kontinuierliche Variation eine glatte (gleichmäßige) Änderung sein, die durch eine oder mehr abrupte Änderungen unterbrochen ist, wie in den Fig. 6 und 7 erläutert. Wie in den Fig. 6, 7 und 10 dargestellt, kann die kumulative Verstärkung variieren als eine Stufen-Funktion der Position entlang der obengenannten Linie über die Breite des Wellenleiters.
Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung ist die Anordnung der Laserspiegel nicht kritisch. Unter Bezugnahme auf die Fig. 6, 7 und 10 können die Spiegel an den Enden des Wellenleiters oder an Punkten entlang des Weges der Lichtfortpflanzung, jedoch in einem Abstand von diesen Enden, angeordnet sein. Die Spiegel können irgendein konventionelles Design haben. In Dioden-Lasern sind die Spiegel jedoch vorzugsweise eben, weil solche Spiegel leicht herstellbar sind.
Der erfindungsgemäße im wesentlichen ebene Wellenleiter kann irgendeine konventionelle Dicke haben. So hat beispielsweise der Wellenleiter für eine Laser-Diode eine Dicke, die zweckmäßig weniger als etwa 10 um, vorzugsweise weniger als etwa 5 um und besonders bevorzugt weniger als etwa 2 um beträgt. Die Breite des Wellenleiters, gemessen entlang einer Linie innerhalb der Ebene des Wellenleiters, die senkrecht zur Richtung der Lichtfortpflanzung in dem Wellenleiter verläuft, ist nicht kritisch, in einer Laser- Diode beträgt sie jedoch zweckmäßig mindestens etwa 10 um, vorzugsweise mindestens etwa 50 um und besonders bevorzugt mindestens etwa 100 um. Die Länge des Wellenleiters, gemessen entlang der Richtung der Lichtfortpflanzung ist nicht kritisch und sie kann irgendeinen konventionellen Wert haben.
Der erfindungsgemäße Wellenleiter kann als Komponente eines konventionellen Lasers irgendeines beliebigen Typs verwendet werden. Infolgedessen kann irgendein konventionelles aktives Medium und irgendeine Pumptechnik (Anregungstechnik) angewendet werden. Zu Beispielen für geeignete Pumptechniken (Anregungstechniken), auf welche die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist, gehören das optische Pumpen (optische Anregen) und das Hindurchschicken eines elektrischen Stromes durch einen Halbleiter-Dioden- Laser.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung umfaßt die Verwendung des erfindungsgemäßen Wellenleiters als Komponente eines Dioden-Lasers. Zu Beispielen für geeignete Dioden-Laser gehören, ohne daß die Erfindung darauf beschränkt ist, diejenigen, die umfassen einen einfachen p-n-Zonenübergang, einen Hetero-Zonenübergang und eine Multiquantum-Quelle-Doppel-Heterostruktur. Der Dioden-Laser kann aus beliebigen konventionellen Halbleiter- Materialien hergestellt sein, die für die Verwendung als aktives Medium eines Lasers geeignet sind. Zu den am häufigsten verwendeten Halbleiter-Materialien gehören Galliumarsenid (GaAs) und Aluminium-Galliumarsenid-Legierungen (AlxGa1-xAs), worin das Atomverhältnis von Aluminium zu Gallium variieren kann. Eine Aluminium-Galliumarsenid-Multiquantum-Quelle oder ein Über-Gitter ist besonders vorteilhaft. Daher sind solche Halbleiter-Materialien bevorzugt. Zu Beispielen für andere geeignete Halbleiter-Materialien, auf welche die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist, gehören InGaAsP, InAsP, GaAlP, GaAlSb und PbSnTe.
Zur praktischen Durchführung der Erfindung kann jeder beliebige konventionelle Wellenleiter verwendet werden, so lange er die erforderlichen Kombinationen von Hochverstärkungs- und Niedrigverstärkungs-Bereichen enthält. So gehören beispielsweise zu geeigneten Wellenleitern in einem Dioden-Laser sowohl Verstärkungs-geführte als auch Indexgeführte Strukturen mit einem konventionellen Aufbau. Zu Beispielen für geeignete Index-geführte Strukturen gehören, ohne daß die Erfindung darauf beschränkt ist, diejenigen, die erzeugt werden entweder durch ein Verunreinigungs-Profil oder eine Materialzusammensetzungsänderung.
Bei der praktischen Durchführung der Erfindung ist es selbstverständlich, daß die Niedrigverstärkungs-Bereiche innerhalb des Wellenleiters auf ein niedrigeres Niveau angeregt (aufgepumpt) werden als die Hochverstärkungs-Bereiche. Gewünschtenfalls können die Niedrigverstärkungs-Bereiche nicht-angeregt sein und daher kann die Verstärkung darin Null oder praktisch Null betragen.

Claims

1. Laser mit einem optischen Hohlraum, der ein aktives Medium und einen im wesentlichen ebenen Wellenleiter vom Platten-Typ (61, 71, 101) enthält zur Begrenzung des Laserlichtes innerhalb eines spezifischen Bereiches des optischen Hohlraums, wobei der Wellenleiter umfaßt eine Vielzahl von Hochverstärkungs-Bereichen (62, 72, 102) und Niedrigverstärkungs-Bereichen (63, 73, 103) des aktiven Mediums in einer Richtung innerhalb der Ebene des Wellenleiters, die senkrecht zur Richtung der Laserlicht-Fortpflanzung (64, 74, 104) ist, wobei die kumulative Verstärkung entlang der Laserlicht-Fortpflanzungs-Richtung von einem Ende des optischen Hohlraums zu dem anderen variiert als Funktion der Position entlang einer Linie innerhalb der Ebene des Wellenleiters, die senkrecht zu dieser Richtung der Licht-Fortpflanzung verläuft, und wobei die Länge jedes der Hochverstärkungs- und Niedrigverstärkungs-Bereiche entlang dieser Richtung der Laserlicht-Fortpflanzung variiert als Funktion der Position in der im wesentlichen senkrechten Richtung zu dieser Richtung der Lichtfortpflanzung für mindestens einen Teil der Länge des Wellenleiters entlang dieser Lichtfortpflanzungs-Richtung, so daß die Variation der kumulativen Verstärkung von einem Ende des optischen Hohlraums zu dem anderen entlang dieser Lichtfortpflanzungs-Richtung nicht periodisch ist in einer identisch wiederkehrenden Weise, wodurch einige der Lateralmodi des optischen Hohlraums eine verhältnismäßig höhere Verstärkung erfahren als der Rest der Lateralmodi des optischen Hohlraums.

2. Laser nach Anspruch 1, worin die kumulative Verstärkung kontinuierlich variiert als Funktion der Position entlang der Linie innerhalb der Ebene des Wellenleiters.

3. Laser nach Anspruch 1, worin die kumulative Verstärkung variiert als eine Stufen-Funktion der Position entlang dieser Linie innerhalb der Ebene des Wellenleiters.

4. Laser nach Anspruch 1, worin die Verstärkung in den Niedrigverstärkungs-Bereichen Null beträgt.

5. Laser nach Anspruch 1, worin das aktive Medium mindestens ein Halbleiter-Material umfaßt.

6. Laser nach Anspruch 5, worin das aktive Medium mindestens ein Halbleiter-Material umfaßt, das ausgewählt wird aus der Gruppe, die besteht aus Galliumarsenid und Aluminium-Galliumarsenid-Legierungen der Formel AlxGa1-xAs.

7. Laser nach Anspruch 6, worin das aktive Medium aus mindestens einer Aluminium-Galliumarsenid-Legierung der Formel AlxGa1-xAs besteht.

8. Laser nach Anspruch 7, worin das aktive Medium ein Übergitter (eine Überstruktur) ist.

9. Laser nach Anspruch 5, worin der Wellenleiter eine Verstärkungs-geführte Struktur ist.

10. Laser nach Anspruch 5, worin der Wellenleiter eine Index-geführte Struktur ist.

11. Laser nach Anspruch 10, worin die Index-geführte Struktur durch ein Verunreinigungs-Profil erzeugt wird.

12. Laser nach Anspruch 10, worin die Index-geführte Struktur durch eine Materialzusammensetzungsänderung erzeugt wird.

13. Laser nach Anspruch 1, worin der Wellenleiter mindestens zum Teil aus einer Vielzahl von alternierenden Streifen mit Hochverstärkungs- und Niedrigverstärkungs-Bereich besteht, wobei diese Streifen parallel zur Richtung der Lichtfortpflanzung verlaufen.

14. Laser nach Anspruch 1, worin die kumulative Verstärkung ein Maximum in der Nähe des Zentrums des Wellenleiters hat und eine allmähliche Abnahme in Richtung auf die Ränder des Wellenleiters aufweist, gemessen als Funktion der Position entlang dieser Linie innerhalb der Ebene des Wellenleiters, die senkrecht zu der Richtung der Lichtfortpflanzung verläuft.

15. Laser nach Anspruch 14, worin die Grenze zwischen den Hochverstärkungs- und Niedrigverstärkungs-Bereichen eine (l-Cosinus)-Funktion der Position entlang dieser Linie ist, die senkrecht zu der Richtung der Lichtfortpflanzung verläuft.

16. Laser nach Anspruch 14, worin die Grenze zwischen den Hochverstärkungs- und Niedrigverstärkungs-Bereichen eine parabolische Funktion der Position entlang dieser Linie ist, die senkrecht zu der Richtung der Lichtfortpflanzung verläuft.

17. Laser nach Anspruch 1, worin die kumulative Verstärkung ein Minimum in der Nähe des Zentrums des Wellenleiters hat und eine allmähliche Zunahme in Richtung auf die Ränder des Wellenleiters auftritt, gemessen als Funktion der Position entlang dieser Linie innerhalb der Ebene des Wellenleiters, die senkrecht zu dieser Richtung der Lichtfortpflanzung verläuft.

18. Laser nach Anspruch 1, worin die kumulative Verstärkung variiert von einem Punkt zu einem benachbarten Punkt in der Richtung senkrecht zur Richtung der Laserlicht-Fortpflanzung und worin diese Punkte einen einheitlichen Abstand voneinander haben entlang der senkrechten Richtung in einem Abstand, der nicht größer ist als etwa 10 um.

19. Laser nach Anspruch 18, worin die Punkte einen einheitlichen Abstand voneinander haben entlang dieser Lidie in einem Abstand, der nicht größer als 1 um ist.

20. Laser nach Anspruch 18, worin das aktive Medium mindestens ein Halbleiter-Material umfaßt.