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DE3881737T2 - Element zur Wellenlängenumwandlung. - Google Patents

Element zur Wellenlängenumwandlung.

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DE3881737T2
DE3881737T2 DE88302832T DE3881737T DE3881737T2 DE 3881737 T2 DE3881737 T2 DE 3881737T2 DE 88302832 T DE88302832 T DE 88302832T DE 3881737 T DE3881737 T DE 3881737T DE 3881737 T2 DE3881737 T2 DE 3881737T2
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semiconductor laser
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absorption region
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Kunishige Oe
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Description

    Hintergrund der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft Halbeitervorrichtungen, insbesondere zur Anwendung bei der Nachrichtenübermittlung, Informationsverarbeitung und dergleichen, die zum Umwandeln von einfallendem oder Eingangslicht mit einer gegebenen Wellenlänge in austretendes oder Ausgangslicht mit einer gewünschten Wellenlänge verwendet werden.
  • Auf dem Gebiet der optischen Informationsverarbeitung, der optischen Schalttechnik und dergleichen, wo Informationen verarbeitet werden, bei denen Licht die Informationen trägt oder übermittelt, ohne die Informationen in elektrische Signale umzuwandeln, war die Realisierung eines Wellenlängenwandlers erwünscht, der Eingangslicht mit einer gegebenen Wellenlänge in Ausgangslicht mit einer gewünschten Wellenlänge umwandeln kann, da eine solche Vorrichtung die Verarbeitung von Informationen mit Hilfe multiplexer Wellenlängen in großem Umfang ermöglicht.
  • Bisher vorgeschlagene herkömmliche Wellenlängenwandlerelemente enthalten einen Wellenlängenwandler, bei dem die zweite Harmonische erzeugt wird, die nichtlinear optisch nutzbar ist, und die eine Wellenlangenumwandlung auf die Hälfte der Originalwellenlänge ermöglicht. Genauer, wie Taniuchi und andere auf einer internationalen Konferenz, und zwar der Conference on Lasers and Elektro-optics, 1986, berichteten, erzeugte die Eingabe eines Laserstrahls mit einer Wellenlänge von 0,84 um mit einer Leistung von 40 mW in einen Protonentauscher-Lichtwellenleiter aus Lithiumniobatsubstrat einen Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 0,42 um mit einer Leistung von 0,4 mW (WR3-Präsentation). Der die Erzeugung der zweiten Harmonischen verwendende herkömmliche Wellenlängenwandler ist jedoch unvorteilhaft, da er nur die Umwandlung einer Wellenlänge in die halbe Wellenlänge des Eingangslichts erlaubt
  • Auf der anderen Seite sind bei Lasern, deren Pumpwellenlänge elektrisch abgestimmt werden kann, verschiedene Typen Halbleiterlaser bekannt, wie zum Beispiel bei Y. Abe und andere, Electronics Letters, Band 17, Nr. 25, 10. Dezember 1981, S. 945 - 947 beschrieben, die integrierte Laser mit über Stoßverbindungen eingebauten verteilten Bragg- Reflektoren enthalten, bei denen ein aktiver Leiter und ein eingebauter äußerer Leiter mit geriffelter Oberfläche durch Stoßverbindungen verbunden sind.
  • Darüber hinaus wurden Mehrelektrodenhalbleiterlaser mit verteilter Rückkopplung vorgeschlagen, wie sie zum Beispiel in der JP-A-61-290789 beschrieben sind, die einen Mehrelektrodenhalbleiterlaser mit verteilter Rückkopplung mit einem Beugungsgitter über die gesamte Länge des Resonators und mindestens zwei Elektroden in der Richtung der Lichtachse umfassen, wobei die Elektroden bezüglich ihrer Injektionsstromversorgung unabhängig voneinander steuerbar sind.
    • Zusammenfassung der Erfindung
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Wellenlängenwandler zu schaffen, der in der Lage ist, Eingangslicht mit einer gegebenen Wellenlänge in Ausgangslicht einer gewünschten Wellenlänge umzuwandeln.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Wellenlängenwandler zu schaffen, der in der Lage ist, die Pumpwellenlänge bei wechselnden Operationsbedingungen auf eine gewünschte Wellenlänge zu steuern.
  • Die vorliegende Erfindung stellt einen Wellenlängenwandler zur Umwandlung eines Eingangslichts mit einer gegebenen Wellenlänge in ein Ausgangslicht mit einer gewünschten Wellenlänge zur Verfügung. Der Wellenlängenwandler umfaßt:
  • - einen wellenlängenabstimmbaren Halbleiterlaserteil, der in einem einzigen Mode schwingt, und dessen Schwingungswellenlänge durch die Änderung der zumindest auf zwei getrennte in der Richtung der Lichtachse auf dem wellenlängenabstimmbaren Halbleiterteil angeordnete Elektroden zu injizierenden Stromstärke auf einen gewünschten Wert innerhalb eines gegebenen Bereichs gesetzt werden kann,
  • - und einen sättigbaren, optisch mit dem wellenlängenabstimmbaren Halbleiterlaserteil verbundenen Absorptionsbereich;
  • - wobei der wellenlängenabstimmbare Halbleiterlaserteil und der sättigbare Absorptionsbereich nebeneinander, aber elektrisch voneinander isoliert, auf einem Substrat integriert sind.
  • Vorzugsweise ist der wellenlängenabstimmbare Halbleiterlaserteil ein Mehrelektrodenhalbleiterlaser mit verteilter Rückkopplung, der ein über die gesamte Länge der Lichtachse angeordnetes Beugungsgitter aufweist.
  • Vorzugsweise ist der wellenlängenabstimmbare Halbleiterlaserteil ein Halbleiterlaser mit verteilter Reflexion, der einen aktiven Teil ohne Beugungsgitter und einen lichtreflektierenden Teil aus dem Beugungsgitter umfaßt, wobei der lichtreflektierende Teil zum Variieren des Brechungsindex durch Andern der injizierten Stromstärke ausgebildet ist, um die Schwingungswellenlänge abstimmbar zu machen.
  • Vorzugsweise weist der sättigbare Absorptionsbereich den gleichen Schichtaufbau wie der wellenlängenabstimmbare Halbleiterlaserteil auf, wobei die aktive Schicht in dem sättigbaren Absorptionsbereich ohne unterbrechung mit der aktiven Schicht im wellenlängenabstimmbaren Halbleiterlaserteil verbunden ist.
    • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Fig. 1 ist ein Längsschnitt einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wellenlängenwandlerelements;
  • Fig. 2 zeigt in einem Diagramm die zeitabhängige Änderung im Lichtausgang des sättigbaren Absorptionsbereichs eines erfindungsgemäßen Wellenlängenwandlers;
  • Fig. 3 ist ein Längsschnitt einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wellenlängenwandlerelements;
  • Fig. 4 zeigt einen Längsschnitt eines Wellenlängenwandlers nach einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Bei der Konstruktion des wellenlängenwandlers der vorliegenden Erfindung wird der wellenlängenabstimmbare Laser, solange der sättigbare Absorptionsbereich gesättigt wird, in einen negativen Temperaturstatus mit einer geringen Anzahl von vom sättigbaren Absorptiosbereich zugeführten Ladungsträgern versetzt, wenn Eingangslicht in den sättigbaren Bereich eingegeben wird. Wenn der sättigbare Absorptionsbereich dann gesättigt ist, und sich der Lichtausgang plötzlich vergrößert, wird durch den wellenlängenabstimmbaren Laser im negativen Temperaturstatus Ausgangslicht mit einer gegebenen Wellenlänge erzeugt. Die Auswahl der Wellenlänge wird durch die Veränderung der zu injizierenden Stromstärke einiger Elektroden durchgeführt.
    • Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
  • In der Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 1 ein InP-Substrat vom n-Typ, auf dem eine aktive GaInAsP-Schicht 2, mit 1,5 um Wellenlänge, mit einer darauf angeordneten GaInAsP- Wellenleiterschicht 3 mit 1,3 um Wellenlänge, angeordnet ist. Auf der Wellenleiterschicht 3 ist über der aktiven Schicht 2 ein lichtbrechendes Gitter 4 so angebracht, daß das Gitter 4 ein Interface zwischen der p-leitenden InP- Plattierung 5 und der Wellenleiterschicht 3 bildet. Auf der Plattierungsschicht 5 sind voneinander getrennte Injektionselektroden 6 und 7 in der Richtung der Lichtachse angeordnet, die sich horizontal entlang der Länge des Elements erstrecken, wie es in der Fig. 1 gezeigt ist. Der Abstand zwischen den Elektroden 6 und 7 beträgt allgemein 2 um bis 10 um und vorzugsweise ungefähr 5 um. Auf der Unterseite des Substrats 1 oder der Oberfläche des Substrats 1, entgegengesetzt zu der, auf der die aktive Schicht vorgesehen ist, ist eine injektionselektrode 8 mit einer der Polarität der injektionselektroden entgegengesetzten Polarität befestigt. An den Seitenoberflächen, das heißt, der Lichteingangsseite und der Lichtausgangsseite des Lichtwandlers sind zur Vermeidung der Lichtreflexion Antireflexschichten 9 und 10 vorgesehen. In der Plattierung 5 ist zur Herstellung einer elektrischen Isolierung eine Nut 11 angeordnet. Die Tiefe der Nut 11 ist so festgelegt, daß eine wirksame Isolierung zwischen einem wellenlängenabstimmbaren Halbleiterlaserteil 13 und einem sättigbaren Absorptionsbereich 12 erreicht wird. Die Nut 11 sollte aber nicht bis zum Gitter oder zur Riffelung 4 reichen. Allgemein beträgt die Tiefe der Nut 0,5 um bis 1,5 pm, vorzugsweise ungefähr 1,0 um.
  • Der Wellenlängenwandler der vorliegenden Erfindung kann nach dem herkömmlichen Verfahren hergestellt werden, das zum Beispiel in Electronics Letters, Band 23, (1987), Nr. 20, Seite 1088 beschrieben ist. Insbesondere kann er wie folgt hergestellt werden:
  • Zuerst läßt man auf einem n-leitenden InP-Substrat nichtdotierte aktive GaInAsP- und Leiterschichten aufwachsen. Nachdem ein 2400 Angströmperioden-Wellengitter auf der Leiterschicht gebildet wurde, läßt man auf dem Gitter eine p-leitende InP-Plattierungsschicht sowie eine GaInAsP-Kappenschicht aufwachsen. Um eine verdeckte Heterostruktur herzustellen, wurde eine selektive chemische Ätztechnik verwendet, um einen Mesastreifen des Doppelheterostrukturbereichs herzustellen, und die aus einer p-leitenden InP-Schicht und einer n-leitenden InP-Schicht bestehenden umgebenden InP-Schichten läßt man durch Flüssigphasenepitaxie auf die geätzten Oberflächen aufwachsen. Die Kontakte auf der p-leitenden beziehungsweise n-leitenden Seite werden durch Aufdampfen von AnZnNi und AnSn gebildet. Die p-leitende Elektrode wurde durch selektives Ätzen des AnZnNi-Metalls mit KI-Ätzmittel in drei Teile geteilt, und die p-leitende Elektrode des sättigbaren Absorptionsbereichs wurde weggeätzt. Die GaInAsP-Kappenschicht und die p-leitende InP-Plattierungsschicht wurden ionenstrahlgeätzt, um eine einwandfreie Isolierung zwischen den Elektroden und dem sättigbaren Bereich zu erhalten. Der Widerstand zwischen den p-leitenden Elektronen wurde auf ungefähr 100 X festgesetzt und der Widerstand zwischen dem sättigbaren Absorptionsbereich und der p-leitenden Elektrode betrug ungefähr l kX.
  • In der Fig. 1 arbeitet ein mit gestrichelten Linien umrandeter Teil 12 als sättigbarer Absorptionsbereich, da hier keine Strominjektion vorhanden ist. Der sättigbare Bereich 12 hat die in der Fig. 2 gezeigten Eigenschaften, die nachfolgend beschrieben werden.
  • Der außer dem sättigbaren Bereich 12 verbleibende Teil zeigt die Funktion eines wellenlängenabstimmbaren Lasers, wie eines Mehrelektrodenhalbleiterlasers mit verteilter Rückkopplung, wie er in der JP-A-61-290789, offengelegt am 20. Dezember 1986, beschrieben ist. Das heißt, bei einer Änderung der Stärke des in die Injektionselektrode 6 fließenden Stroms 11 und des in die injektionselektrode 7 fließenden Stroms I&sub2; wird im Innern des Lasers eine Differenz der Dichteverteilung der Ladungsträger gebildet, welche, verursacht durch den Gradienten der Dichte der Ladungsträger, die Anderung des Brechungsindex des Lasers bewirkt. Durch diese Änderung ändert sich die optische Neigung des Beugungsgitters 4 in der Richtung der Lichtachse und erlaubt es, die Schwingungswellenlänge kontinuierlich in einem einzigen Mode innerhalb eines bestimmten Wellenlängenbereichs zu ändern, der eine Funktion verschiedener Paramter, wie Hohlraumlänge, Widerstand zwischen den Elektroden 6 und 7 und so weiter ist, wie es im Stand der Technik bekannt ist.
  • Wenn ein Eingangslicht dein mit einer von der aktiven Schicht 2 absorbierbaren Wellenläge eingegeben wird, ist bei der oben beschriebenen Konstruktion der Lichtausgang des sättigbaren Absorptionsbereichs 12 so, wie in der Fig. 2 dargestellt. Die Fig. 2 zeigt auf der horizontalen Achse einen Zeitraum "t", ausgehend von der Eingabe des Eingangslichts Pein, gegenüber der Intensität des Lichtausgangs vom sättigbaren Absorptionsbereich 12, auf der vertikalen Achse. Wie aus dieser Kurve ersichtlich ist, nimmt die Intensität des Ausgangslichts durch die Wirkung des sättigbaren Absrptionsbereichs 12 bei einem geringen Ausgang graduell bis zu einer bestimmten Zeit td zu, gefolgt von einer abrupten Zunahme nach der Zeit td. Die Zeit td hängt von der Intensität des Eingangslichts ab. Wenn zum Beispiel das Eingangslicht 50 uW aufweist, beträgt die Zeit td 0,8 ns. Wenn in diesem Fall die Summe I der an den wellenlängenabstimmbaren Laser 13 angelegten Injektionsströme I&sub1; und I&sub2; auf das 0,94 bis 0,998-fache des Schwellenwertes Ith des Lasers 13 gesetzt wird, fällt der Laser 13 wegen der durch die Absorption von Eingangslicht Pein in der Zeitspanne td erzeugten Träger in den negativen Temperaturstatus, um Licht in einem einzigen Mode zu oszillieren, dessen Wellenlänge durch die Proportionen der Injektionsströme I&sub1; und I&sub2; bestimmt ist.
  • Die Wellenlänge der Laserschwingung kann in einem wellenlängenbereich frei gewählt werden, in dem die aktive Schicht 2 durch die Anderung der Proportionen der Injektionsströme I&sub1; und I&sub2; eine Verstärkung aufweist. Somit kann durch chronologisches Andern der Proportionen der Injektionsströme I&sub1; und I&sub2; chronologisch Laserlicht mit einer dazu korrespondierenden Wellenlänge erhalten werden.
  • Bei der obigen Operation ist das Vorhandensein eines sättigbaren Absorptionsbereichs 12 von wesentlicher Bedeutung. Wenn kein sättigbarer Absorptionsbereich 12 vorgesehen und nur ein wellenlängenabstimmbarer Laser 13 vorhanden ist, bleibt die Verstärkung der Wellenlänge des Eingangslichts durch die Einrichtung bestehen, aber die Funktion als wellenlängenwandler entfällt.
  • Die Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der in der Fig. 1 gezeigten ersten Ausführungsform in den nachfolgenden Punkten.
  • 1) Die auf der oberen Seite der Einrichtung vorgesehene Injektionselektrode ist in drei Teile, die oberen Elektroden 21, 22 und 23 unterteilt. Die Elektroden 21 und 23 sind miteinander elektrisch verbunden, und die abgestimmte Wellenlänge kann durch Ändern der Proportionen des an die Elektroden 21 und 22 angelegten Injektionsstroms I&sub1; und des an die zentrale Elektrode 22 angelegten Injektionsstroms I&sub2; variiert werden.
  • 2) Das lichtbrechende Gitter 4 ist nicht gleichmäßig, sondern um 1/4 Phase unter die Zentralelektrode 22 verschoben. Obwohl sie weggelassen werden kann, sichert die Phasenverschiebung, wenn sie vorhanden ist, die Schwingung von nur einem der zwei auf beiden Seiten der Braggschen Wellenlänge positionierten longitudinalen Modi.
  • Bei der obigen Konstruktion dient die Einrichtung als Wellenlängenwandler, wie die in der Fig. 1 gezeigte erste Ausführungsform.
  • Der wellenlängenabstimmbare Laserteil 13 des Wellenlängenwandlers kann eine beliebige Form aufweisen. Die Fig. 4 zeigt eine dritte Ausführungform eines Wellenlängenwandlers gemäß der vorliegenden Erfindung, bei der ein wellenlängenabstimmbarer Laserteil verwendet wurde, wie er von Y.Abe und anderen in Electronics Letters, Band 17 (1981), Nr.25, S.945 beschrieben wurde.
  • Der wellenlängenabstimmbare Lasertell 13 des Wellenlängenwandlers dieses Typs ist ein sogenannter Halbleiterlaser mit verteilter Reflexion, der eine aktive Schicht 2 ohne Beugungsgitter aufweist, wobei ein Beugungsgitter 3 nur an einer Stelle auf der linken Seite auf der aktiven Schicht 2 und unter einer Elektrode 31 vorgesehen ist. Das Beugungsgitter 3 dient als lichtreflektierender Teil 4. Der Wellenlängenwandler gemäß dieser Ausführungsform kann in gleicher Weise hergestellt werden, wie der Wellenlängenwandler gemäß der ersten Ausführungsform, mit Ausnahme der Stoßverbindung, die auch in einer herkömmlichen Weise hergestellt werden kann, wie es zum Beispiel in Electronics Letters, Band 17 (1981), Nr. 25, S.945 beschrieben ist.
  • Bei der obigen Konstruktion ändert sich die pumpwellenlänge mit der Änderung des erreichten Brechungsindex, zum Beispiel durch Variieren der Stärke des in die Elektrode 31 eingeleiteten Injektionsstroms I&sub1;, während die Stärke des Stroms I&sub2; auf einem vorbestimmten Pegel geringfügig unter dem Schwellenstrom (zum Beispiel 0,94 bis 0,998 mal so hoch, wie der Schwellenstrom) gehalten wird, um das Verhältnis von I&sub1; /I&sub2; zu variieren. Somit funktioniert die Einrichtung als Wellenlängenwandler.
  • Wie oben festgestellt, ermöglichen der wellenlängenabstimmbare Laserteil und der sättigbare Absorptionsbereich zusammen die Umwandlung des in den sättigbaren Bereich eingegebenen Eingangslichts in einen Laserstrahl mit einer gewünschten Wellenlänge innerhalb eines bestimmten Wellenlängenbereichs. Deshalb können die Vervielfachung und der Austausch von Informationen durchgeführt werden. Dies resultiert in der Realisierung einer Informationsverarbeitung mit großer Kapazität durch Wellenlängenvervielfachung.
  • Obwohl bei den in den Fig. 1, 2 und 3 gezeigten Ausführungsformen kein Strom in den sättigbaren Absorptionsbereich 12 injiziert wird, kann eine Elektrode an diesem befestigt werden, um einen Strom zur Steuerung der sättigbaren Absorption hindurchfließen zu lassen. Der wellenlängenwandler der vorliegenden Erfindung arbeitet unabhängig davon, ob ein Strom in den sättigbaren Absorptionsbereich injiziert wird oder nicht.
  • Obwohl hier beschrieben wurde, was als bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrachtet wird, ist es verständlich, daß verschiedene Modifikationen durchgeführt werden können.

Claims (4)

1. Wellenlängenwandlerelement zum Umwandeln von Eingangslicht mit einer gegebenen Wellenlänge in Ausgangslicht mit einer gewünschten Wellenlänge, dadurch gekennzeichnet, daß das Wellenlängenwandlerelement
einen wellenlängenabstimmbaren Halbleiterlaserteil (13), der in einem einzigen Mode schwingt und dessen Schwingungswellenlänge auf einen gewünschten Wert innerhalb eines gegebenen Wellenlängenbereiches dadurch gesetzt werden kann, daß die Stärke des Stromes (I1, I2) geändert wird, der wenigstens zwei getrennten Elektroden (6, 7, 21, 22, 23, 31, 32) zu injizieren ist, die in Richtung der Lichtachse auf dem wellenlängenabstimmbaren Halbleiterlaserteil (13) angeordnet sind, und
einen sättigbaren Absorptionsbereich (12) umfaßt, der optisch mit dem wellenlängenabstimmbaren Halbleiterlaserteil (13) verbunden ist, und daß
der wellenlängenabstimmbare Halbleiterlaserteil (13) und der sättigbare Absorptionsbereich (12) auf einem Substrat (1) nebeneinander, jedoch elektrisch voneinander isoliert, integriert sind.
2. Wellenlängenwandlerelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der wellenlängenabstimmbare Halbleiterlaserteil (13) ein Mehrelektrodenhalbleiterlaser mit verteilter Rückkopplung ist, der ein Beugungsgitter (3) umfaßt, das über die gesamte Länge der Lichtachse angeordnet ist.
3. Wellenlängenwandlerelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der wellenlängenabstimmbare Halbleiterlaserteil (13) ein Halbleiterlaser mit verteilter Reflexion ist, der einen aktiven Teil (2) ohne Beugungsgitter und einen lichtreflektierenden Teil (4) aus dem Beugungsgitter umfaßt, wobei der lichtreflektierende Teil (4) so ausgebildet ist, daß sein Brechungsindex dadurch geändert werden kann, daß die Stärke des Stromes (11, 12) geändert wird, der zu injizieren ist, um die Schwingungswellenlänge abstimmbar zu machen.
4. Wellenlängenwandlerelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der sättigbare Absorptionsbereich (12) den gleichen Schichtaufbau wie der wellenlängenabstimmbare Halbleiterlaserteil (13) aufweist, wobei die aktive Schicht (2) im sättigbaren Absorptionsbereich (12) ohne Unterbrechung mit der aktiven Schicht (2) im wellenlängenabstimmbaren Halbleiterlaserteil (13) verbunden ist.
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