DE69601388T2 - Laser mit asymmetrischem Doppelwellenleiter - Google Patents

Description

Technisches Gebiet
• Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erzielung eines Einzelfrequenz-Laserbetriebs in einer gekoppelten Wellenleiterkonfiguration ohne die Verwendung eines Beugungsgitters.
Beschreibung des Standes der Technik
• In vielen Anwendungen ist eine Einzelfrequenz-Festkörperlaserquelle erforderlich. Zum Beispiel breiten sich in Faserübertragungen, in denen Hochgeschwindigkeitssignale optisch in einer Faser über eine große Entfernung hinweg übertragen werden, unterschiedliche Lasermoden mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten entlang der Faser aus (Dispersion), und somit verbreitert sich ein Signalimpuls, der viele Wellenlängen enthält, mit der Zeit, was die Bandbreite des Kanals begrenzt. Bei kurzen Entfernungen fluktuieren die relativen Leistungen in den Moden und verursachen übermäßiges Rauschen.
• Herkömmliche Fabry-Perot(F-P)-Laser besitzen ein Mehrfachmoden- Spektrum und sind somit für viele Übertragungsanwendungen unzulänglich. Ihre Wellenleiter sind üblicherweise etwa 300 um lang, wobei sich jeweils nach einigen Ä (1 Å = 0,1 nm) Fabry- Perot-Moden befinden. Der einzige frequenzabhängige Parameter ist die spektrale Form der Verstärkungskurve des Materials. Da die Verstärkung über viele longitudinale Moden hinweg relativ flach verläuft, emittieren diese F-P-Läser üblicherweise in vielen Moden gleichzeitig. Wenngleich Einzelfrequenz-Laser existieren, sind sie sehr viel schwieriger herzustellen und somit teurer. Diese Laser mit verteilter Rückkopplung (DFB-Laser) enthalten ein Beugungsgitter, das sich im Inneren ihrer Struktur befindet, und emittieren somit nur bei der Wellenlänge, bei der das Gitter reflektiert. DFB-Laser werden üblicherweise durch ein zweistufiges Aufwachsen und Holographie- oder Elektronenstrahllithographie erzeugt. Ungünstigerweise sind diese Bauelemente aufgrund der erhöhten Komplexität eines derartigen Lasers schwierig herzustellen und teurer als die einfachen F-P- Laser. Was benötigt wird, ist ein einfaches Verfahren zur Stabilisierung des Ausgabespektrums eines Lasers ohne die Erfordernis von feinen Gittern und Aufwachsunterbrechungen.
• Des weiteren kann das Licht, das durch derartige Laser erzeugt wird, nicht ohne weiteres in optische Fasern eingekoppelt werden. Der hohe Brechungsindex des Halbleiters und der asymmetrische Querschnitt des Führungsbereichs bedeutet, daß das vom Laser erzeugte Licht elliptisch und häufig astigmatisch ist. Um eine gute Einkopplung in eine optische Faser zu erhalten, ist eine Korrektur des Strahls notwendig, wobei optische Komponenten, wie Zylinderlinsen und Prismapaare, verwendet werden, was die Gesamtkosten weiter erhöht. Häufig bleibt die unerwünschte Strahlform unkorrigiert, mit einem entsprechend hohen Einspeiseverlust. Da das Signal-RausCh-Verhältnis durch die Menge an Licht bestimmt ist, das in die Faser ist, kann die schlechte Einkopplung eine signifikante Begrenzung darstellen.
• In letzter Zeit wurde eine neue Laserart erfunden, die geringe Kosten und eine einzelne Frequenz aufweist, sie ist jedoch für Übertragungen nicht geeignet, da sie lediglich einen mäßigen Betrag an optischer Leistung erzeugt. Diese über eine vertikale Hohlraumoberfläche emittierenden Laser (VCSELs) haben einen neuen Satz von Kompromißüberlegungen veranlaßt. In diesen Strukturen breitet sich das Licht senkrecht zu den epitaxialen Schichten aus und reflektiert an Mehrschichtspiegeln, die aus vielen Schichten mit der Dicke einer viertel Wellenlänge hergestellt sind. Sie können im Einzelmodenbetrieb arbeiten, nicht so sehr wegen der Wellenlängenselektivität der verteilten Spiegel, sondern weil die Hohlraumlänge äußerst kurz ist. Somit liegt lediglich eine longitudinale Mode innerhalb der Verstärkungsbandbreite des Halbleiters. Derartige verteilte Spiegel sind sehr viel einfacher herzustellen als lithographische Gitter in den Wellenleiter-DFB-Lasern. Epitaxiale Aufwachsverfahren liefern eine einfache Kontrolle über die vertikalen Schichtstrukturen mit atomarer Schichtgenauigkeit. Des weiteren erfordern diese λ/4-Spiegel keine Unterbrechung des Aufwachsvorgangs und keinen erneuten Aufwachsvorgang.
• Die gleichen Spiegel mit kurzem Hohlraum und hohem Reflexionsvermögen, die zu Einzelmoden-Betrieb in VCSELs führen, beschränken auch die optische Leistung von dem Bauelement. Die Umlaufverstärkung durch den kurzen Hohlraum beträgt lediglich etwa 1%, und somit müssen die Reflexionsvermögen der Spiegel sehr hoch sein. In der Praxis können diese Bauelemente lediglich ein oder zwei Milliwatt Einzelmoden-Ausgabeleistung liefern, was für viele Anwendungen nicht ausreichend ist. Die Leistung nimmt mit Bauelementdurchmesser oder Treiberstrom zu, beide tendieren jedoch dazu, laterale Moden anzuregen und die Ausgabeleistung zu verschlechtern. Ein wesentlicher Vorteil von VCSELs besteht in der relativ großen kreisförmigen Apertur, die eine Einkopplung in optische Fasern vereinfacht.
• B. Broberg, B. 5. Lindgren, M. G. Oberg und H. Jiang, "A novel integrated optics filter in InGaAsP-InP", J. Lightwave Technology, Bd. LT-4, Seite 196, 1986 beschreibt ein frequenzselektives Filter, das basierend auf einer Kopplung zwischen asymmetrischen Wellenleitern arbeitet. E. Yablonovich, T. J. Gmitter, J. P. Harbison und R. Bhat, Applied Physics Letters, Bd. 51, Seite 2222 (1987) lehrt eine Technik, durch die dünne Schichten aus Halbleiter von dem Substrat entfernt werden und auf anderen Materialien plaziert werden können. M. H. MacDougal, P. D. Dapkus, V. Pudikov, H. Zhao und G. M. Yang, "Ultralow threshold vertical-cavity surfaceemitting lasers with AlAs Ovide-GaAs distributed bragg reflectors", IEEE Photonics Technology Letters, Bd. 7 (3), Seite 229 (1995) lehrt eine Technik, bei der dielektrische Schichten aus Oxid unterhalb von αktivem Halbleitermaterial gebildet werden können. Das US-Patent 4 715 672 offenbart einen Wellenleitertyp, der antiresonante Schichten verwendet, um das Licht in dem Wellenleiter zu begrenzen. Das US- Patent 5 343 542 lehrt einen optischen Mehrfachwellenlängen- Demultiplexer, der antiresonante Wellenleiter in einer asymmetrischen Kopplerkonfiguration verwendet. J. A. Kash, D. W. Misker, B. Pezeshki und F. Tong, "Tapered Fabry-Perot multi-wavelength optical source", US-Patentanmeldung, Seriennummer 08/145.259, eingereicht am 29.10.93 und auf den Rechtsnachfolger der vorliegenden Anmeldung übertragen, beschreibt eine Struktur, die als optische Quelle konfiguriert ist. B. Pezeshki, F. Tong, J. A. Kash und D. W. Kisker, "Vertical cavity devices as wavelength selective elements", Journal of Lightwave Technology, Bd. 12 (4), Seite 1791 (1994) präsentiert ein mathematisches Modell für eine wellenlängenselektive Kopplung in nicht ähnliche Wellenleiter, die antiresonante reflektietende Schichten verwenden.
• Das Dokument "Multiple Wavelength Light Source using an Asymmetric Waveguide Coupler" von B. Pezeshki et al. in Appl. Phys. Lett. 65 (2), 1994, Seiten 138 bis 140 beschreibt eine gekoppelte Wellenleiterstruktur für eine Lichtquelle mit mehreren Emissionswellenlängen gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Das Dokument erwähnt, daß Maßnahmen für eine Laseraktivität nicht enthalten sind. Eine sich verjüngende Resonatordicke wird dazu verwendet, daß verschiedene Wellenlängen zu verschiedenen Stellen der Struktur passen. Um spezifische Wellenlängen anzuregen, wird das (optische) Pumpen in einem begrenzten Bereich durchgeführt. Es wird erwähnt, daß es wichtig ist, die Überlappung der Pumpstruktur mit dem Wellenleiter zu vergrößern.
Zusammenfassung der Erfindung
• Daher besteht eine Aufgabe dieser Erfindung, wie sie in Anspruch 1 und den beigefügten Unteransprüchen definiert ist, darin, eineinfaches Verfahren zur Erzielung von Einzelfrequenzbetrieb in einem Halbleiterlaser ohne die Verwendung von Beugungsgittern, Wiederaufwachsvorgängen oder anderen genauen lithographischen Prozessen bereitzustellen. Diese Erfindung ist ein Fortschritt gegenüber den herkömmlichen Einzelfrequenzlasern, da sie viel einfacher herzustellen ist und mit geringeren Kosten verbunden sein sollte. Des weiteren emittiert das Bauelement einen ziemlich symmetrischen Strahl von einem Material mit niedtigem Brechungsindex, der hohe Leistung führt und zu der Mode von optischen Fasern paßt.
• Unter Verwendung von entweder Umhüllungsschichten mit niedrigem Brechungsindex oder antiresonanten reflektierenden Schichten erzeugt diese Erfindung einen äußerst asymmetrischen Wellenleiterkoppler in einer Laserstruktur mit einer Wellenlängenauflösung, die hoch genug ist, um zwischen longitudinalen Fabry- Perot-Moden zu unterscheiden. Eine geeignete Pumpstruktur erlaubt lediglich die Mode, die zwischen den zwei Wellenleitern derart koppelt, daß sie Verstärkung erfährt und somit laseraktiv ist. Die Gesamtstruktur besteht aus einem passiven Wellenleiter mit niedrigem Brechungsindex, der aus einem Dielektrikum gefertigt ist, das durch einen zwischen den zwei Wellenleitern befindlichen Spiegel an einen aktiven Halbleiter-Wellenleiter gekoppelt ist. Die Wellenleiter besitzen eine derartige Länge, daß die frequenzselektive Kopplung zwischen den Wellenleitern zwischen Wellenlängen verschiedener longitudinaler Moden unter scheiden kann. Der Halbleiter wird auf einer Seite gepumpt, um Verstärkung zu erhalten, während die andere Seite verlustbehaftet bleibt. Nur die Wellenlänge, die an den dielektrischen Wellenleiter mit niedrigem Brechungsindex aus dem aktiven Halbleiter koppeln kann, kann die verlustbehafteten Bereiche vermeiden und laseraktiv sein. An den zwei Enden sind Endspiegel für die erforderliche Rückkopplung vorgesehen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
• Fig. 1 zeigt schematisch zwei Wellenleiter, den Spiegel, der die Kopplung steuert, die Endspiegel und. den optischen Rückkopplungspfad.
• Fig. 2 zeigt die Pumpstruktur, die für einen derartigen Laser erforderlich ist.
• Fig. 3 zeigt, wie das Bauelement mit einer D-förmigen optischen Faser verwendet werden kann.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
• Der vertikal gekoppelte Einzelfrequenzlaser ist in Fig. 1 gezeigt und besteht aus Halbleiter- und dielektrischen Schichten. Die Halbleiterbereiche dieser Laserstruktur können durch Techniken wie Molekularstrahlepitaxie (MBE) oder organometallische chemische Gasphasenabscheidung (OMCVD) hergestellt werden, während die dielektrischen Materialien durch eine Vielzahl von weniger anspruchsvollen Prozessen aufgebracht werden können. Die Laserstruktur besteht in erster Linie aus zwei Wellenleitern, von denen einer aus aktivem Halbleitermaterial und der andere aus einem passiven Dielektrikum oder Polymer besteht. Der untere Halbleiter-Wellenleiter (100) ist durch zwei Spiegel begrenzt. Der untere Spiegel (102) verhindert, daß das Licht in das Substrat (104) verlorengeht, während der mittige Spiegel (106) die Kopplung zwischen dem Halbleiter-Wellenleiter. (100) und dem oberen dielektrischen Wellenleiter (108) bestimmt. Außerdem ist ein oberer Spiegel (110) auf der Oberseite des dielektrischen Wellenleiters (108) notwendig, um das Licht in dem oberen Wellenleiter zu begrenzen. Die Spiegel (102, 106, 110) können entweder aus Materialien mit niedrigerem Brechungsindex hergestellt werden, so daß das Licht in dem Spiegel gedämpft und somit durch innere Totalreflexion reflektiert wird, oder sie können aus mehrschichtigen antiresonanten Schichten hergestellt werden. Die Herstellung kann einfacher sein, wenn die Spiegel antiresonant sind, da es gegenwärtig keinen einfachen Weg gibt, ein Material mit sehr niedrigem Brechungsindex unterhalb des Halbleiter-Wellenleiters anzuordnen (die Referenzen 2 und 3 zeigen jedoch Techniken, um dies zu bewerkstelligen). Außerdem ist, wenn der mittige Spiegel (106) vom antiresonanten Typ ist, der obere Wellenleiter für Moden höherer Ordnung verlustbehaftet, und die Material-Luft-Grenzfläche wäre als Spiegel 110 ausreichend, wobei keine zusätzlichen Schichten erforderlich wären, um einen Einzelmodenbetrieb aufrechtzuerhalten. Um einen laseraktiven Hohlraum zu erzeugen, sind Spiegel an den zwei Enden der Struktur vorgesehen, ein Spiegel (112) auf der rechten Seite des oberen Wellenleiters (108) und ein Spiegel (114) auf der linken Seite des unteren Wellenleiters (100). Diese Spiegel können einfach aus einer gespaltenen Kristallfläche bestehen oder zusätzliche Beschichtungen für ein gesteigertes Reflexionsvermögen besitzen. Diese gekoppelte Wellenleiterstruktur wird gepumpt, damit sie im linken Bereich (116) des Halbleiter-Wellenleiters (100) eine Verstärkung und im rechten Bereich (118) des gleichen Wellenleiters einen Verlust erfährt. Somit erfährt lediglich das optische Feld, das zwischen die zwei Leiter (120) koppelt, den Verstäfkungsbereich und vermeidet den Verlustbereich, um laseraktiv zu sein. Elektrisch kann der mittige Spiegel (106) p-leitend und der untere Spiegel (102) n-leitend dotiert und der Halbleiter-Wellenleiterkern (100) intrinsisch belassen sein. Ein Material, das eine optische Verstärkung erzielen kann, wie Quantenmulden, wird dann in dem Wellenleiterkern (100) angeordnet. Strominjektion aus der p- und n-Seite stellt die für eine Verstärkung notwendigen Elektronen und Löcher bereit.
• Das Pumpverfahren und die notwendige laterale Begrenzung sind in Fig. 2 gezeigt. Der mittige Spiegel (106) ist leicht geätzt, mit Ausnahme eines schmalen Streifens von 5 um bis 10 um, um eine Variation des lateralen Brechungsindex bereitzustellen. Ein Wellenleiter 108 mit niedrigem Brechungsindex wird dann auf der Oberseite des nicht geätzten Bereiches hergestellt, und Metallkontaktflecken (200) werden auf jeder Seite des Wellenleiters angeordnet, um Strom in einen Teil der Bauelementlänge zu injizieren. Dieser gepumpte Bereich (116) stellt dann eine Verstärkung bereit, während der nicht gepumpte Bereich (118) verlustbehaftet ist. Verschiedene Techniken können für eine elektrische Isolation und Trägerkanalisierung verwendet werden, wie Protonenimplantate, elektrische Isolationsschichten, wie Polyimide (202), oder Mesaätzen. Alle diese Techniken sind auf dem Fachgebiet allgemein bekannt und werden sowohl in Wellenleiter- als auch oberflächenemittiereriden Lasern verwendet. Wenn alle Schichten eine gleichmäßige Dicke aufweisen, dann sollte die Länge des Bauelements etwa eine Kopplungslänge betragen. Wenn das Bauelement zu lang ist, beginnt das Licht in die Halbleiterführung zurückzukoppeln, während die Übertragung zwischen den Wellenleitern unvollständig ist, wenn es zu kurz ist. Alternativ kann das Bauelement eine sich verjüngende Form aufweisen, zum Beispiel durch Verjüngen der Dicke oder der Breite des Kernwellenleiterbereichs (108). Dies ist schematisch in Fig. 2 gezeigt.
• Anstelle der Herstellung eines separaten Wellenleiters 108 auf dem Bauelement kann eine modifizierte optische Faser (300) verwendet werden, wie in Fig. 3 gezeigt. Es sind D-förmige Fasern kommerziell erhältlich, bei denen der Faserkern dicht bei der flachen Seite des D liegt. Wenn eine derartige Faser direkt auf der Oberseite des Halbleiters angeordnet wird, dann wird die gekoppelte Wellenleitergeometrie realisiert, bei der das Licht bereits in einer optischen Fasermode vorliegt. Um die Kristallflächen-Endspiegel 112 zu bilden, kann eine Vielzahl von gut beherrschten Techniken verwendet werden, wie UV-geschriebene Bragg-Spiegel, partielles Ätzen oder einfaches Spalten der Faser.
• Ref. 1 beschreibt eine gekoppelte Wellenleiterstruktur, die als abstimmbares Filter verwendet wird, wobei zwischen nicht ähnlichen Wellenleitern eine frequenzselektive Kopplung erzielt wird. Da Ref. 1 die Verwendung von Halbleitern für beide Wellenleiter lehrt, ist die Frequenzselektivität beschränkt. Diese Frequenzselektivität nimmt mit der Bauelementlänge und mit dem Grad an Asymmetrie zu. Indem die Wellenleiter sehr asymmetrisch gemacht werden, sind wir in der Lage, eine hohe Selektivität bei kurzer Bauelementlänge zu erhalten, und sind somit in der Lage, zwischen longitudinalen Fabry-Perot-Moden zu unterscheiden. In einer Laserstruktur ermöglicht dies einen Einzelfrequenzbetrieb.
• Um eine derartige hohe Asymmetrie zwischen Wellenleitern zu erzielen, müssen verschiedene Materialsysteme verwendet werden. Ein Wellenleiter kann zum Beispiel aus einem dielektrikumartigen Glas gefertigt werden, während der andere ein Halbleiter ist. Die Umhüllungsbereiche oder Spiegel (102, 106) zwischen und auf jeder Seite der Wellenleiter (100, 108) müssen aus einem Material mit einem Brechungsindex, der niedriger als jener der beiden Wellenleiterkerne ist, oder aus einem mehrschichti gen, antiresonanten Spiegel bestehen. Wenn die Wellenleiter äußerst asymmetrisch sind, wird es schwierig, dielektrische Schichten mit einem noch niedrigeren Brechungsindex als jenem der Umhüllungs- oder Spiegelschichten zu verwenden, insbesondere da ein derartiger Spiegel unterhalb des Halbleiter-Wellenleitets (100) angeordnet werden muß. Wenngleich es eventuell möglich ist, ein epitaxiales Lift-off (Reif. 2) oder eine selektive Oxidation einer epitaxialen Schicht (Ref. 3) zur Bildung von derartigen vergrabenen Umhüllungsbereichen zu verwenden, kann es leichter sein, mehrschichtige, antiresonante Schichten zur Bildung der Spiegel zu verwenden, wie in der bevorzugten Ausführungsform unten beschrieben. Diese mehrschichtigen Spiegel reflektieren den Strahl und begrenzen das Licht in den Wellenleitern, Bekannt als ARROW (antiresonante reflektierende optische Wellenleiter) wurden derartige Spiegel in der Vergangenheit dazu verwendet, Umhüllungsbereiche für integrierte optische Anwendungen zu bilden (Ref. 4). Anders als beim Laser mit vertikalem Hohlraum ist diese Erfindung ein kantenemittierendes Bauelement, das wegen der großen Wechselwirkungslänge ein Hochleistungsbauelement sein kann. Da das Licht aus dem Wellenleiter (108) mit niedrigem Brechungsindex ausgekoppelt werden kann, ist die Mode genau an eine optische Faser angepaßt und sollte einfach zu koppeln sein. Am wichtigsten ist, daß das Bauelement keine komplexe Lithographie zur Herstellung eines Gitters erfordert, da die Mehrfachschichten alle epitaxial in dem Aufwachsprozeß hergestellt werden.
• Richtkopplerstrukturen werden im allgemeinen durch Bilden von zwei identischen Wellenleitern dicht beieinander hergestellt. Da die Dicken und Brechungsindizes die gleichen sind, kann Licht jeder beliebigen Wellenlänge von einem Wellenleiter zum nächsten koppeln. Wenn die Wellenleiter nicht ähnlich sind, dann kann eine Phasenanpassung noch immer bei einer bestimmten Wellenlänge auftreten, wenn die Schichtdicken so gewählt sind, daß der unterschiedliche Brechungsindex ausgeglichen wird. Dieser Ausgleich tritt lediglich bei einer bestimmten Wellenlänge auf, somit ist das Bauelement frequenzselektiv. Je unterschiedlicher die zwei Wellenleiter sind, desto schärfer ist die Auflösung des Bauelements. Dieses Prinzip wurde früher für abstimmbare Filter verwendet (z. B. in Ref. 1). Allgemein kann die Wellenlängenauflösung eines derartigen asymmetrischen Kopplers unter Verwendung einer Mode erster Ordnung jedes Wellenleiters folgendermaßen geschrieben werden (Ref. 5, 7):
• wobei β die Ausbreitungsmode des Lichts ist, λ die Wellenlänge ist, n&sub1; und n&sub2; die Brechungsindizes der zwei Wellenleiter, sind und Lc die Kopplungslänge ist. Damit eine Laserstruktur nur eine einzelne longitudinale Mode aufnimmt, muß diese Wellenlängenauflösung mit dem Abstand Δλlong der longitudinalen Mode vergleichbar sein. Bei Vernachlässigung voll Dispersion in dem Material kann der Abstand zwischen diesen longitudinalen Fabry- Perot-Moden folgendermaßen geschrieben werden:
• Wird somit Δλlong > ~ der Bauelementlänge L gleich der Kopplungslänge Lc gesetzt und unter der Annahme, daß der effektive Brechungsindex genau an den oberen Wellenleiter angepaßt ist, erhält man, daß die Asymmetrie zwischen den Wellenleitern derart zu sein hat, daß gilt
• n&sub2; ≥ 1,6n&sub1;
• Wenngleich eine Erfüllung von Gleichung (3) für alle Halbleitermaterialien sehr schwierig ist, wird es machbar, wenn ein Material dielektrisch ist und das zweite ein Halbleiter ist. In einem derartigen Bauelement ist die Wellenlängenäuflösung der Kopplung ausreichend, um zwischen longitudinalen Fabry-Perot- Moden zu unterscheiden und in einem Einzelmodenlaser zu resultieren. Eine derartige gekoppelte Wellenleiterstruktur ist schematisch in Fig. 1 gezeigt.
• Die Physik kann sowohl in Abhängigkeit von vertikalen Hohlraumresonatoren als auch von gekoppelten Wellenleitern erklärt werden. Mit antiresonanten Spiegeln ähnelt die Struktur einem vertikalen Hohlraumresonator, statt einer Kopplung an eine Mode β = 0 senkrecht zu den Schichten im freien Raum wird jedoch nun an einen niedrigen β-Wert einer Wellenleitermode auf den oberen; Schichten gekoppelt. Solange der obere Wellenleiter sich von den Halbleiterschichten sehr unterscheidet, wird eine hohe Wellenlängenselektivität erzielt. Die Struktur ähnelt auch einem Richtkoppler, wobei der Halbleiterresonator und das Dielektrikum die zwei Wellenleiter bilden.
• Ref. 7 zeigt die Frequenzselektivität der Kopplung in einer Richtkopplerstruktur für ein Mehrfachwellenlängenbauelement. Unter Verwendung der Brechungsindizes von 3,5 für den Halbleiter und 1,6 für ein Polymer kann eine Halbwertsbreiten(FWHM)- Auflösung von 0,5 nm mit einer Kopplungslänge von etwa 100 ums erzielt werden. Die Ausbreitung in diesen resonanten Hohlräumen kann Verluste von weniger als 1 dB über die Kopplungslänge hinweg aufweisen, und der Übertragungsprozeß von einem Wellenleiter zum nächsten kann Effizienzen von nahe 100% haben. Somit wurden alle Komponenten, die für eine derartige Laserstruktur notwendig sind, unabhängig verifiziert.
• Um eine effiziente Kopplung zwischen den zwei Wellenleitern zu gewährleisten, kann entweder die Bauelementlänge auf die Kopplungslänge eingestellt oder eine Verjüngung in der Struktur erzeugt werden. Mit gleichmäßigen Schichten wird das Licht innerhalb einer Kopplungslänge von dem Halbleiter zu dem oberen Wellenleiter übertragen. Alternativ kann eine längere Struktur und eine Verjüngung in den Wellenleitern verwendet werden, um eine unidirektionale Kopplung zu gewährleisten. Dies kann entweder durch eine Verjüngung in den Halbleiterschichten oder durch Verjüngen der Breite des oberen Wellenleiters lithographisch erreicht werden.
• Idealerweise wäre erforderlich, daß der Halbleiter-Wellenleiter in der lateralen Richtung in Einzelmodenfunktion agiert. In der gleichen Weise, in der Kantenwellenleiter für herkömmliche Laser hergestellt werden, bildet ein Ätzen der Halbleiterschichten vor dem Aufbringen des oberen Wellenleiters eine leichte laterale Brechungsindexmodulation, die für einen Einzelmodenleiter erforderlich ist. Der obere Wellenleiter kann auch durch Verwenden von lateralen Brechungsindexvariationen in Einzelmodenfunktion gebracht werden. In dem früheren Demultiplexer von Ref. 7 wurde eine laterale Begrenzung durch Modifizieren des Brechungsindex in einem Polymer mit UV-Belichtung erreicht. Weitere Techniken, wie Vergraben des Kerns mit Umhüllen oder Dotierstoffdiffusion, sind ebenfalls effektiv.
• Um für elektrisches Pumpen des Verstärkungsmaterials in dem unteren Halbleiter-Wellenleiter 100 zu sorgen, kann das Material dotiert werden, um eine p-i-n-Struktur zu bilden, und Kontaktflecken können auf einer Seite des Bauelements angeordnet werden, wie in Fig. 2. Entweder kann eine Protonenimplantation oder dielektrisches Material dazu verwendet werden, den Metallkontaktfleck zu isolieren, um eine Injektion nur in die Wellenleiter zu gewährleisten. Wenn notwendig, können vergrabene Im plantate die Träger direkt in das aktive Gebiet kanalisieren, wie in VCSEL-Strukturen gezeigt.
• Die Struktur dieser Erfindung kann auch für integrierte Optikanwendungen sehr nützlich sein. Zum Beispiel kann das obere Dielektrikum nicht-lineare optische Eigenschaften aufweisen oder akusto-optische (AO) Elemente enthalten, um den Laserstrahl abrasternd zu führen. Alternativ kann anstelle einer Kopplung des Wellenleiters an eine optische Faser eine D-förmige Faser auf der Oberseite des Bauelements verwendet werden, wie in Fig. 3 gezeigt. Der Ausgabeendspiegel kann dann ein induzierter Spiegel in der optischen Faser sein. Nicht nur ist dann die Mode exakt an die Faser angepaßt, sondern es können auch die Kosten der Justierung der Faser zu dem Bauelement drastisch reduziert werden.
• Ein Zusammenbringen von derartigen verschiedenen Materialien in dem Bauelement erfordert entweder eine neuartige Prozeßtechnik, wie epitaxiales Lift-off oder selektive Oxidation von vergrabenen Schichten, oder alternativ die Verwendung von antiresonanten Spiegeln. In der Vergangenheit haben wir gezeigt, wie antiresonante Spiegel verwendet werden können, um einen dielektrischen Wellenleiter mit einem Halbleiterresonator für Mehrfachwellenlängenbauelemente zu kombinieren. Das Einbringen einer Verjüngung in die Dicke von einem der Leiter bewirkte, daß verschiedene Wellenlängen aus einer Faser an unterschiedlichen Stellen ausgekoppelt wurden (Ref. 5). In einem aktiven Bauelement konnten wir Schmalbandemission aus einem Bauelement unter Verwendung derselben Filtereigenschaften erzeugen (Ref. 6). In dieser Patentanmeldung wird erläutert, wie diese Technik dazu verwendet werden kann, einen Einzelfrequenzlaser herzustellen, der als kostengünstiger Ersatz für DFB-Laser nützlich ist.
• Die genaue Auslegung eines derartigen Lasers ist ziemlich problemlos. Die verschiedenen Leistungsparameter der Struktur werden unter Verwendung derselben Gleichungen wie in unserer früher dargelegten Veröffentlichung (Ref. 7) berechnet. Kontakte, Isolation und Rückkopplung für den Laserbetrieb müssen zu dem früher beschriebenen, einfachen Demultiplexer hinzugefügt werden. Diese Techniken sind auf dem Fachgebiet bereits bekannt.
• Beginnend mit dem oberen Wellenleiter (108) kann der Wellenleitermodenwinkel aus der Dicke und dem Brechungsindex berechnet werden. In unseren Experimenten wurde ein Polymer mit niedrigem Brechungsindex als der obere Wellenleiter (108) verwendet. Typischerweise besitzen derartige Polymere einen Brechungsindex von etwa 1,6, und eine Dicke von 5 um bewirkt eine enge Anpassung an eine Mode einer optischen Faser. Bei einer Wellenlänge von 0,85 ums beträgt der Modenwinkel dann etwa 87 Grad bezüglich der Normalen. Der Winkel in den Halbleiterschichten (100, 116 und 118) kann dann aus dem Snelliusschen Gesetz berechnet werden, und die Dicke der Schichten kann geeignet eingestellt werden, um eine λ/4-Welle bei dem geeigneten Modenwinkel in jeder Schicht zu liefern. Für AlAs (n = 3,0) beträgt der Modenwinkel 32 Grad bei einer entsprechenden Dicke von 81,7 nm. Für Al0,3Ga0,7As beträgt der Modenwinkel 28 Grad bei einer entsprechenden Dicke von 67,8 nm. Ein unterer Einwellen-Wellenleiter oder -Hohlraum (100) aus Al0,2Ga0,8As erfordert eine Dicke von 266 nm. Ein mittiger Spiegel (106) mit sechs Perioden aus AlAs/Ai0,3Ga0,7As weist ein Reflexionsvermögen von 0, 99, eine Kopplungslänge von 200 Mikrometer und eine Wellenlängenauflösung von besser als 1 nm auf. Ein unterer Spiegel (102) mit 30,5 Perioden weist ein Reflexionsvermögen von 99, 99% auf. Drei Quantenmulden aus GaAs von 7,5 nm in der Mitte des unteren Halbleiter-Wellenleiters (100) sollten eine Verstärkung von etwa 3% in jedem Umlauf liefern, entsprechend einer Verstärkung von α = 600 cm&supmin;¹ (die effektive Hohlraumlänge einschließlich der Eindringtiefe in die Spiegel beträgt etwa 930 nm, und die Mode bewegt sich etwa 30 Grad bezüglich der Normalen). Der mittige Spiegel (106) ist p-leitend dotiert, und der untere Spiegel (102) ist n-leitend dotiert, beide mit etwa 3 · 10¹&sup8;/cm³. Diese Dotierung induziert einen gewissen optischen Verlust zusammen mit Streuung an den Grenzflächen, dem Verlust an den Endspiegeln (112, 114) und dem Verlust an dem oberen Wellenleiter (108). Experimentell wurde festgestellt, daß eine Verstärkung von 3 QWs ausreichend ist, um diese Verluste in einem Bauelement von 200 Mikrometer zu überwinden. Eine laterale Begrenzung in dem oberen Wellenleiter kann durch Ätzen des Polymers zu einer Stegstruktur realisiert werden. Unter Verwendung von herkömmlidhen Wellenleitergleichungen bleibt ein 10 um breiter und 5 um dicker Wellenleiter in Einzelmodenfunktion, wenn die Ätztiefe etwa 1 Mikrometer beträgt. Eine laterale Begrenzung in dem Halbleiter kann ebenfalls durch ein leichtes Ätzen des mittigen Spiegels (106) realisiert werden. Ein Ätzvorgang von 5 nm erzeugt einen effektiven Brechungsindexunterschied von 0,015, was eine mehr als ausreichende Begrenzung bereitstellt.
• Die Herstellung des Bauelements ist eine Modifikation von bekannten Techniken für oberflächenemittierende Laser. Eine tiefe Protonenimplantation beschränkt den Stromfluß überall mit Ausnahme der Halbleiterschichten unter dem oberen Wellenleiter. Eine flache Protonenimplantation stellt eine Bauelementisolation bereit. Kontakte auf jeder Seite des oberen Wellenleiters stellt eine Strominjektion durch den oberen p-leitenden Spiegel bereit, während ein ohmscher Kontakt zu der Rückseite des Substrats den Kontakt zu der n-leitenden Seite bereitstellt. Es wird Strom entlang ¹/&sub2; bis ³/&sub4; eines Bauelements von 200 Mikrometer injiziert, während der verbleibende Teil des Bauelements verlustbehaftet bleibt. Spaltflächen auf beiden Seiten des Bauele ments fungieren als Ausgabekoppler. Der Polymerreflektor kann beschichtet werden, um den Schwellwert des Bauelements zu reduzieren, wenn gewünscht.
• Zusammenfassend wurde eine neuartige Laserstruktur mit einem intrahohlraum-frequenzselektiven Element beschrieben, das einen Einzelmodenbetrieb gewährleistet. Ein derartiges vertikales Gitter ist viel einfacher herzustellen als lithographische Gitter, die in DFB- oder DBR-Lasern verwendet werden. Des weiteren wird die Lichtausgabe von einem dicken symmetrischen Wellenleiter ausgestrahlt, der den Kopplungsverlust zu optischen Fasern oder in integrierten Optikanwendungen erniedrigt.
• Referenzen 1 bis 7:
• 1. B. Broberg, B. S. Lindgren, M. G. Oberg, und H. Jiang, "A novel integrated optics filter in InGaAsP-InP", J. Lightwave Technology, Bd. LT-4, Seite 196, 1986.
• 2. E. Yablonovich, T. J. Gmitter, J. P. Harbison und R. Bhat, Applied Physics Letters, Bd. 51, Seite 2222 (1987).
• 3. M. H. MacDougal, P. D. Dapkus, V. Pudikov, H. Zhao und G. M. Yang, "Ultralow threshold vertical-cavity surfaceemitting lasers with AlAs Oxide-GaAs distributed bragg reflectors", IEEE Photonics Technology Letters, Bd. 7 (3), Seite 229 (1995).
• 4. M. A. Duguay, T. L. Koch, Y. Kokubun und L. Pfeiffer, US-Patent 4 715 672, "Optical waveguide utilizing an antiresonant layered structure", 29. Dez. 1987.
• 5. J. A. Kash, B. Pezeshki und F. Tong, US-Patent 5 343 542, "Tapered Fabry-Perot waveguide optical demultiplexer", 30. Aug. 1994.
• 6. J. A. Kash, D. W. Kisker, B. Pezeshki und F. Tong, "Tapered Fabry-Perot multi-wavelength optical source", eingereichtes Patent Y0993-102, SN 08/145.259, 29. Oktober 1993.
• 7. Pezeshki, F. Tong, J. A. Kash uncl D. W. Kisker, "Vertical cavity devices as wavelength selective elements", Journal of Lightwave Technology, Bd. 12 (4), Seite 1791 (1994).

Claims (5)

1. Lichtquellenstruktur (10) mit:

a. einem Paar von gekoppelten, jedoch verschiedenen Wellenleitern (100, 108), die parallel zueinander sind, wobei die Wellenleiter eine derartige Länge aufweisen, daß eine frequenzselektive Kopplung zwischen den Wellenleitern (100, 108) zwischen Wellenlängen unterscheiden kann, die unterschiedlichen longitudinalen Moden entsprechen; und

b. einem Spiegel (106), der mit dem Paar von Wellenleitern (100, 108) in Kontakt ist und diese trennt,

dadurch gekennzeichnet, daß

die Lichtquelle als eine Einzelfrequenz-Laserstruktur (10) ausgelegt ist, um Licht in einer einzigen longitudinalen Mode oszillieren zu lassen, wobei die Wellenleiter (100, 108) Brechungsindizes (n&sub1;, n&sub2;) aufweisen, von denen einer (n&sub2;) wenigstens ungefähr 1,6 Mal größer als der andere (n&sub1;) ist, wobei die Laserstruktur (10) weiter beinhaltet:

c. ein Paar von Endspiegeln (112, 114) auf gegenüberliegenden Seiten der Wellenleiter (100, 108) zur Bildung eines laseraktiven Hohlraums,

d. Mittel (200) zum Pumpen eines aktiven (100) der Wellenleiter für lediglich einen Teil (116) seiner Länge, wobei in dem aktiven Wellenleiter (100) außerhalb (118) dieses Teils (116) ein optischer Verlust auftritt, so daß lediglich das Licht, das zwischen das Paar von Wellenleitern (100, 108) eingekoppelt ist, einen optischen Nettogewinn erfährt.

2. Struktur, wie in Anspruch 1 beansprucht, wobei der Spiegel (106), der das Paar von Wellenleitern (100, 108) trennt, ein Mehrschichtspiegel mit antiresonanten Schichten ist.

3. Struktur, wie in Anspruch 1 beansprucht, wobei der andere, passive (300) der Wellenleiter eine optische Faser ist.

4. Struktur, wie in Anspruch 1 beansprucht, wobei eine gewisse Verjüngung entlang der Länge von wenigstens einem der Wellenleiter (100, 108) vorliegt, um zu bewirken, daß die Fortpflanzungskonstante von Licht räumlich entlang der Länge des einen Wellenleiters (100, 108) variiert.

5. Struktur, wie in Anspruch 1 beansprucht, wobei der andere, passive (108, 300) der Wellenleiter aus einem nichtlinearen optischen Material besteht.