DE3125847A1

DE3125847A1 - Halbleiter-laser

Info

Publication number: DE3125847A1
Application number: DE19813125847
Authority: DE
Inventors: Donald Elton Redwood City Calif. Ackley
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1980-07-22
Filing date: 1981-07-01
Publication date: 1982-03-11
Also published as: US4349905A; GB2080609B; SG99785G; JPS5752186A; HK20586A; JPS6151770U; GB2080609A

Description

Int. Az. r Case 1447 *··* °°° '..* : \.° Λ. 26. Juni 1981

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Hewlett-Packard Company

HALBLEITER-LASER

Streifen-Halbleiter-Laser sind bekannte Vorrichtungen, hei denen die Injektion von Ladungsträgern durch eine oder mehrere Halbleiterübergänge zu stimulierter Emission führt. Auf der Vorrichtung sind spiegelnde Oberflächen vorgesehen, so daß ein Hohlraum gebildet wird, in welchem die stimulierte Emission durch die Laser-Wirkung kohärentes Licht erzeugt, wenn die Injektionsstromdichte oberhalb eines bestimmten Schwellwertes liegt. Beim Entwurf der Vorrichtung mit mehreren Schichten aus sich bezüglich des Bandabstandes ändernden Materialien, kann der Bereich, in dem die Laserwirkung auftritt, in der zur übergangsebene normalen Richtung auf eine wohl definierte aktive Schicht beschränkt werden. Der aktive Laserbereich kann seitlich dadurch begrenzt werden, daß die Ladungsinjektion auf einen Streifen beschränkt wird, der sich zwischen den spiegelnden Oberflächen erstreckt.

Eine ideale Vorrichtung würde einen niedrigen Schwellwert für die Stromdichte benötigen, während oberhalb des Schwellwertes eine lineare Beziehung zwischen Ausgangslicht und Strom herrschen würde. Außerdem wären eine hohe Ausgangsleistung und stabile Intensitätsverteilungsmuster wünschenswert.

Bekannte Vorrichtungen erzeugen im allgemeinen mehr als eine Seitenschwingungsart in der übergangsebene bei hohen Ansteuerströmen. Dies ist unerwünscht, da es zu Nicht-Linearitäten in der Beziehung zwischen Ausgangslicht und Strom führt, die im allgemeinen als "Knicke" bezeichnet werden, und außerdem zu komplexen und instabilen Fernfeid-Intensitätsverteilungsmustern. Die Schwierigkeit dieses Problems steigt mit größer werdender Streifenbreite.

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Int. Az.: Case 1447

Um solche Knicke zu vermeiden, werden bei einigen bekannten Vorrichtungen schmale Streifen (unter ΙΟμπι) verwendet. Solche schmalen Streifen führen jedoch zu einem ausgesprochen ungünstigen Ansteigen des Stromdichte-Schwellwertes und verringern die erreichbare Ausgangsleistung der Vorrichtung.

Ein anderer bekannter Versuch, die ungewollten Querschwingungsarten zu eliminieren, war der sogenannte SWAN-Laser (IEEE Journal of Quantum Electronics, Band QE-16, Nr. 1, Januar 1980). Diese Vorrichtung benutzte einen Hauptstreifen mit schmaleren Einschnürungen bzw. Einkerbungen an der Spiegel oberfläche. Die abrupten Änderungen der Streifenbreite sollten als verlustreiche Filter für ungewollte Schwingungsarten dienen. Solche Vorrichtungen haben aber den Nachteil, daß die abrupte Vergrößerung der Streifenbreite eine signifikante Umwandlung in unerwünschte Schwingungsarten höherer Ordnung verursachen kann.

Ein weiterer bekannter Versuch, Laser-Vorrichtungen höherer Leistung zu schaffen,, bezieht sich auf ein Verfahren zur Streifenfabrikation. Der Streifen wird durch Diffusion von Zn mit ausreichender Tiefe zur Durchdringung der aktiven Schicht in eine Halbleiterstruktur vollständigen η-Typs definiert.

Dadurch wird längs des Streifens eine Stufe im Brechungsindex erzeugt. Ein Vorteil dieser Technik ist, daß ein Bereich in der Nachbarschaft jeder Spiegel oberfläche undiffundiert bleiben kann, so daß die Absorption in der Nähe der Spiegel verringert wird. Es hat sich herausgestellt, daß dadurch der Leistungsschwellwert heraufgesetzt wird, bei dem eine ernsthafte Spiegelzerstörung stattfindet, so daß der Laser mit höherer Leistung betrieben werden kann als Vorrichtungen mit konventionellen Streifen (Applied Physics Letters, Band 34, Nr. 10, Mai 1979).

Solche Vorrichtungen können jedoch ungewollte Seitenschwingungen erzeugen, was zu komplexen Fernfeldern führt.

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Weiterer Stand der Technik findet sich auf dem Gebiet der passiven Wellenleiter. Passive Wellenleiter werden für die übertragung von optischen Signalen in integrierten optischen Vorrichtungen benutzt. In diesem Zusammenhang sind konische Kopplungshörner als passive Koppler zwischen den Wellenleitern vorgeschlagen worden. Diese passiven Vorrichtungen verhindern eine Schwingungsartänderung während des Durchgangs einer Welle von einem Wellenleiter zum anderen. Jedoch sind diese Wellenleiter keine aktiven Elemente wie Laser, und es gibt nach dem Stand der Technik keinen Hinweis_s sich in der Breite konisch ändernde-Streifen in aktiven Halbleiterlasern zu benutzen.

Der Erfindung gemäß Anspruch 1 liegt die Aufgabe zugrunde, einen Streifen-Halbleiter-Laser hoher Leistung zu schaffen, bei dem keine störenden Schwingungsarten auftreten.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Streifen-Halbleiter-Laser vorgesehen, bei dem die Streifenbreite sich konisch ändert. Ein schmaler Streifenabschnitt sorgt für die Kontrolle der Seitenschwingung, während ein breiterer Abschnitt den Betrieb bei hoher Leistung erlaubt und einen niedrigen Schwellwert für die Stromdichte für den Laserbetrieb ermöglicht. Die konische Breitenänderung zwischen den breiten und schmalen Abschnitten verhindert wesentlich die Umwandlung der Grund-Querschwingung in ungewollte Schwingungsarten höherer Ordnung. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbei- spiel reduziert ein schmaler Streifenabschnitt in der Nähe einer Spiegelfläche des Lasers die Bildgröße.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen bzw. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:

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Int. Az.: Case 1447

Fig. 1 einen Halbleiter-Laser, bei dem der Streifen eine sich

konisch ändernde Breite hat;
Fig. 2 einen Querschnitt durch den Laser gemäß Fig. 1 in einer Ebene durch den Streifen und parallel zu einer Spiegel oberfläche;

Fig. 3 eine Draufsicht auf einen anderen Halbleiter-Laser mit

einem sich in der Breite konisch ändernden Streifen.

In Fig. 1 ist ein Streifen-Halbleiter-Laser 100 dargestellt, der ein paar von Spiegel oberflächen 102 und 104 aufweist. Strom von einer Spannungsquelle 106 wird in den Laser 100 über einen Streifen 108 injiziert, welcher beim bevorzugten Ausführungsbeispiel durch Diffusion einer p-Dotier.ung, vorzugsweise Zn oder Be, in einer HeteroStruktur 110 gebildet wird, die beispielsweise aus Halbleitern des n^Typs zusammengesetzt sein kann.

Bereiche 112 und 114 in der Nachbarschaft der Spiegelflächen 102 und 104 wurden undiffundiert gelassen, so daß die Absorption in der Nähe der Spiegel reduziert ist und dadurch der Leistungsschwellwert heraufgesetzt ist, bei dem die Spiegel ernsthaft beschädigt werden.

Ein Paar von breiten Abschnitten 116 und 118 des Streifens ermöglichen einen niedrigen Stromdichte-Schwellwert für den Laserbetrieb und erlauben einen Laserbetrieb mit hoher Leistung. Eine Breite von ungefähr 20 um wird für diese Abschnitte bevorzugt.. Ein schmalerer Bereich 120 des Streifens 108, vorzugsweise etwa zwei bis drei um breitest vorgesehen, um ungewollte Schwingungsarten zu verhindern, so daß nur die Grund-Querschwingung erhalten wird. Der Abschnitt 120 ist mit den breiten Abschnitten 116 und 118 durch ein paar von konischen Streifenabschnitten 122 bzw. 124 verbunden, die verhindern, daß eine Umwandlung in Querschwingungsarten höherer Ordnung in den breiten Bereichen stattfindet.

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Bei dem in Fig. 2 dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel bilden Schichten 200, 202, 204 und 206 eine HeteroStruktur durchgehend vom η-Typ. Die Schicht 200 ist ein Substraht des η-Typs, während die Schichten 202 und 206 vorzugsweise aus A1_{Q 3}Ga_Q yAs bestehen. Der aktive Laserbereich ist im wesentlichen auf die Schicht 204 beschränkt, die vorzugsweise aus A1_Q QgGa₀ 94^As besteht. Der Streifen 208 ist durch Diffusion einer p-Dotierung, z.B. Zn, ausreichender Tiefe gebildet, so daß die aktive Schicht durchdrungen wird.

Gemäß Fig. 3 hat ein Streifen 300 einen einzigen konischen Abschnitt 302, der einen breiten Abschnitt 304 mit einem schmalen Abschnitt 306 verbindet. Bei dieser Ausführungsform reduziert die geringe Streifenbreite in der Nähe einer Spiegel oberfläche 308 die minimale Bildgröße, was von Vorteil ist, wenn ein stark fokussierter Strahl benötigt wird.

Bei einer weiteren Ausführungsform wird die Streifenform gemäß Fig. 3 benutzt, jedoch arbeitet sie im sogenannten "Leck"-Betrieb. Bei dieser Ausführungsform hat der Streifen 300 einen niedrigeren Brechungsindex als die umgebenden Bereiche, so daß an. einer Grenze 310 ein negativer Brechungsindex-Sprung angetroffen wird. An der Grenze 310 wird Licht aus dem Streifen herausgebrochen bzw. gelangt als "Leck"-Lient in den umgebenden Bereich. Dadurch wird die Intensität des auf den Spiegel 308 auftreffenden Lichtes abgeschwächt, wodurch eine Spiegelbeschädigung vermieden wird, während andererseits die Streifenform eine Kontrolle der Seitenschwingung ermöglicht.

Bei allen diesen Ausführungsformen ermöglicht die konische Form der Streifen eine Kontrolle der Seitenschwingungsart, was zu einfachen und stabilen Fernfeld-Intensitätsverteilungsmustern führt. Ein zusätzliches vorteilhaftes Ergebnis ist, daß breite Streifenabschnitte benutzt werden können, so daß der Stromdichte-Schwellwert für den Laserbetrieb niedrig ge-

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Int. Az.: Case 1447

halten werden kann, ohne daß eine nachteilige Wirkung auf das Fernfeldmuster eintritt. Auch ermöglichen die breiten Streifenabschnitte einen Betrieb bei hohen Leistungspegeln. Ein weiteres vorteilhaftes Ergebnis der Anordnung nach Fig. besteht darin, daß eine kleine Nahfeld-Bildgröße erreicht werden kann, ohne die nachteiligen Wirkungen auf den Stromdichteschwellwert oder die Stabilität der Intensitätsverteilung.

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Int. Az.: Case 1447 26. Juni 1981

PATENTANSPRÜCHE

Halbleiterlaser mit einer Vielzahl von Schichten (200, 202, 204, 206) aus halbleitendem Material einschließlich einer aktiven Schicht (204), in der Ladungsrekombination und Emission optischer Strahlung durch Injektion von Ladungsträgern induzierbar ist, mit zwei Spiegelflächen (102, 104) an den entgegengesetzten Enden der aktiven Fläche, sowie mit einer Streifenanordnung (108), die sich zwischen den beiden Spiegelflächen erstreckt und die optische Strahlung und die Ladungsträger seitlich einschränkt, dadurch gekennzeichnet, daß die Streifenanordnung einen Bereich (122) sich konisch ändernder Breite zur Verhinderung eines Laserbetriebs in mehr als einer Betriebsart aufweist.
2. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzei c h n e t, daß die Streifenanordnung (108) einen niedrigeren Brechungsindex als eine der Schichten (206_s 204) hat, so daß Lecklicht austreten kann.
3. Halbleiterlaser nach Anspruch I₉ dadurch gekennzeichnet, daß die Streifenanordnung (108) einen p-dotierten diffundierten Bereich (208) aufweist, dessen Tiefe zur Durchdringung der aktiven Schicht (204) ausreicht.
4. Halbleiterlaser nach Anspruch 3, dadurch g e k e η η ζ ei c h net, daß die Länge des p-dotierten diffundierten Bereichs (208) der Streifenanordnung (108) kleiner als der Abstand zwischen den beiden Spiegelflächen (102, 104), so daß im Anschluß an die Spiegelflächen je ein Bereich (112, 114) entsteht, der nicht p-dotiert diffundiert ist, so daß der Leistungsschwellwert erhöht wird, bei dem eine Spiegel beschädigung eintritt.

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5. Halbleiterlaser nach Anspruch I₅ 3 oder 4, dadurch g e k e η η zei chnet, daß die Streifenanordnung (108) einen zweiten Bereich (124) mit sich konisch ändernder Breite zwischen dem ersten Bereich (122) sich konisch ändernder Breite und der zweitenSpiegelfläche (104) aufweist, wobei die größte Breite des zweiten Bereichs der zweiten Spiegelfläche und die größte Breite des ersten Bereichs der ersten Spiegelfläche (102) zugewandt ist.