DE69505900T2

DE69505900T2 - Halbleiterlaser mit integrierter Wellenleiterlinse

Info

Publication number: DE69505900T2
Application number: DE69505900T
Authority: DE
Inventors: Kang-Yih Holmdel New Jersey 07733 Liou
Original assignee: AT&T Corp
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1994-06-30
Filing date: 1995-06-20
Publication date: 1999-05-12
Anticipated expiration: 2015-06-21
Also published as: CA2149156C; CA2149156A1; DE69505900D1; US5517517A; EP0690533A1; EP0690533B1; JPH08130348A

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Halbleiterlaser und insbesondere Halbleiterlaser mit einer integrierten Wellenleiterlinse.

Stand der Technik

Optische Systeme und Schaltungen erfordern eine Vielfalt von Bauelementen, in die optische Gefüge integriert sind. Zum Beispiel erfordern optische Kommunikationssysteme mit großer Leistungsfähigkeit, die Informationen über aus optisch durchlässigen Knoten, Fasern, Wellenleitern und dergleichen bestehende Netze übertragen, eine leistungsstarke Quelle von Lichtenergie, die monochromatisch und räumlich kohärent ist. Eine ideale Quelle zur Erzeugung solcher Lichtenergie ist ein Halbleiterlaser.
Ein bekannter Typ von Halbleiterlaser ist ein breitflächiger Halbleiterlaser mit einer vergrößerten seitlichen Abmessung, die es dem Laser ermöglicht, eine hohe Ausgangsleistung bereitzustellen. Beispiele für solche Laser sind aus Fu et al., "High-Temperature Operation of InGaAs Strained Quantum-Well Lasers", IEEE Photonics Technology Letters, Band 3, Nr. 4, S. 308, 1991, und J. N. Walpole et al., "High power tapered semiconductor amplifiers and lasers at 980 nm", in Proc. Conf. IEEE/LEOS Annu. Meeting, Boston, MA, Beitrag PD2, Nov. 1992, bekannt. Breitflächige Halbleiterlaser weisen gegenüber anderen Typen von Halbleiterlasern eine Anzahl von Vorteilen auf. Zum Beispiel stellen solche Laser neben einer hohen Ausgangsleistung eine hohe Zuverlässigkeit und einen einfachen Aufbau bereit, der relativ leicht herzustellen ist. Ein wesentlicher Nachteil von breitflächigen Halbleiterlasern besteht jedoch darin, daß keine Möglichkeit der seitlichen Eingrenzung der Lichtenergie besteht, und die bekannten breitflächigen Halbleiterlaser sind somit durch Ausgangsenergien gekennzeichnet, die keine sehr hohe räumliche Kohärenz aufweisen. Darüber hinaus wird es durch die relativ große seitliche Abmessung schwierig, das Lichtausgangssignal an ein externes Bauelement wie zum Beispiel einen Wellenleiter anzukoppeln. Als Folge dieser Unzulänglichkeiten wurden breitflächige Halbleiterlaser bisher noch nicht in Kommunikationssystemen eingesetzt, sondern werden typischerweise einfach zur Kennzeichnung verschiedener Materialien oder zur Bereitstellung einer hellen Lichtquelle verwendet.
Dementsprechend besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, einen Halbleiterlaser wie zum Beispiel einen breitflächigen Laser bereitzustellen, dessen Lichtausgangssignal eine hohe räumliche Kohärenz aufweist und der effizient an einen externen Wellenleiter oder an eine externe Faser angekoppelt werden kann, damit er in einem optischen Kommunikationssystem eingesetzt werden kann.
Aus der US-A-4 815 084 sind Laser mit verschiedenen optischen Elementen bekannt, darunter in den optischen Resonator des Lasers integrierte Linsen.

Kurze Darstellung der Erfindung

Die Erfindung wird durch die unabhängigen Ansprüche definiert.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wurde ein Halbleiterlaser entwickelt, der in der Lage ist, eine vorbestimmte Anzahl von Schwingungsarten effizient in eine externe Faser oder einen externen Wellenleiter zu übertragen. In einer Ausführungsform der Erfindung enthält der Laser einen aktiven Verstärkungsbereich, der in einem Laserresonator angeordnet ist, der in einem Halbleitermaterial ausgebildet ist. Außerdem befinden sich eine Linse und ein Wellenleiter in dem Laserresonator. Die Linse erhält Lichtenergie, die durch den aktiven Verstärkungsbereich erzeugt wird, und leitet diese Energie in ein Ende des Wellenleiters hinein. Der Wellenleiter überträgt die Lichtenergie aus dem Laser zu einer externen Faser oder einem externen Wellenleiter.
Der Wellenleiter kann entweder ein Einmodenwellenleiter oder ein Multimodenwellenleiter sein, der aus allen durch den aktiven Bereich erzeugten Schwingungsarten eine vorbestimmte Anzahl von Schwingungsarten auswählt. Wenn ein Einmodenwellenleiter eingesetzt wird, dann besteht die Ausgangsenergie aus der durch den aktiven Bereich erzeugten Grundfrequenz. Wenn ein Multimodenwellenleiter eingesetzt wird, dann besteht die Ausgangsenergie aus den vorbestimmten Schwingungsarten, die durch den Wellenleiter auswählt werden.
In bestimmten Ausführungsformen der Erfindung weist der aktive Bereich eine rechteckige oder verjüngte Form auf. Ungeachtet der eingesetzten Form kann die Linse so konfiguriert werden, daß die durch sie verlaufende Lichtenergie so gebeugt wird, daß sie im wesentlichen den aktiven Bereich ausfüllt. Die Linse ist so konfiguriert, daß die Lichtenergie in ein Ende des Wellenleiters fokussiert wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt eine vereinfachte schematische Draufsicht eines bekannten Halbleiterlasers mit einem in einem Laserresonator angeordneten aktiven Bereich.
Fig. 2(a) und 2(b) zeigen Querschnittsansichten von in Halbleiterlasern eingesetzten bekannten aktiven Bereichen.
Fig. 3 zeigt eine Draufsicht eines bekannten verjüngten optischen Verstärkers.
Fig. 4 zeigt eine Draufsicht eines erfindungsgemäß aufgebauten Halbleiterlasers.
Fig. 5 und 6 zeigen jeweils alternative Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Halbleiterlasers.

Ausführliche Beschreibung

Ein Halbleiterlaser ist in seiner einfachsten Form ein in Vorwärtsrichtung vorgespannter, stark dotierter p-n-Übergang, der aus einem Halbleitermaterial mit direktem Bandabstand hergestellt wird. Durch reflektierende Oberflächen, die gewöhnlich durch Spalten des Halbleitermaterials entlang seiner Kristallebenen zur Bildung eines optischen Resonators gewonnen werden, wird eine optische Rückkopplung bereitgestellt. Der p-n-Übergang wird in dem optischen Resonator ausgebildet und dient als das aktive Medium zur Erzeugung von Lichtenergie. Eine Klasse von Halbleiterlasern setzt typischerweise eine Halbleiter- Heterostruktur ein, die aus mehr als einem Halbleitermaterial, wie zum Beispiel aus Galliumarsenid (GaAs) und Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs), ausgebildet wird. Halbleiterlaser mit Heterostruktur werden aus einer Kombination von Halbleitermaterialien mit verschiedenen Bandabstandsenergien zur Erzielung einer Begrenzung elektrischer Ladungsträger und verschiedenen Lichtbrechungsindizes zur Erzielung einer optischen Begrenzung hergestellt. Fig. 1 zeigt eine Draufsicht eines Halbleiterlasers mit einem aktiven Bereich 2, der in einem Halbleiterresonator angeordnet ist, der zwischen reflektierenden Facetten 26 und 32 ausgebildet ist.
Der Halbleiterlaser kann im allgemeinen aus einem beliebigen ternären oder quaternären Halbleiterlegierungssystem mit direktem Bandabstand zusammengesetzt sein, dessen verschiedene Legierungen so gewählt werden können, daß sie Gitterkonstanten in der Nähe der Gitterkonstante des Substratkristalls aufweisen, bei dem es sich zum Beispiel um GaAs oder InP handeln kann. Materialsysteme zur Herstellung des Halbleiterlasers der Erfindung umfassen zum Beispiel InGaAsP/InP, GaAs/AlGaAs, GaAs/AlAs, InGaAs/InGaAlAs und GaAsSb/GaAlAsSb. Darüber hinaus wird auch eine Fehlanpassung in Betracht gezogen, bei der aktive Bereiche mit verspannten Schichten über dem Substratmaterial aufgewachsen werden. Als letztes wird außerdem noch eine Erweiterung der Bauelementgefüge um Halbleiterverbindungen in der Gruppe II-VI in Betracht gezogen.
Ein Beispiel des aktiven Bereichs eines Lasers mit Heterostruktur besteht wie in Fig. 2(a) gezeigt aus drei Halbleitermaterialschichten. Ein p-Material 12 mit relativ großem Bandabstand und ein n-Material 14 ebenfalls mit relativ großem Bandabstand bilden die Mantelschichten des Bauelements. Die Mantelschichten 12 und 14 können zum Beispiel aus AlGaAs zusammengesetzt sein. Die aktive Wellenleiterschicht 16, die den Wellenleiterkern definiert, ist zwischen die Mantelschichten 12 und 14 geschichtet und wird aus einem Material mit relativ kleinem Bandabstand, wie zum Beispiel aus GaAs oder einer komplizierteren Mehrschichtenfolge ausgebildet. Über der Mantelschicht 12 wird eine Elektrode 18 wie zum Beispiel AuZn/Au abgelagert. Zwischen der Elektrode 18 und der Mantelschicht 12 kann eine zum Beispiel aus p&spplus;-GaAs bestehende Kontaktschicht angeordnet werden, um die elektrische Leitfähigkeit zu vergrößern.
Ein weiteres Beispiel des aktiven Bereichs eines Lasers mit Heterostruktur besteht aus vier Halbleiterschichten und ist in Fig. 2(b) gezeigt. Die Mantelschichten 15 und 10 sind aus Materialien mit relativ großem Bandabstand wie zum Beispiel n-AlGaAs und p-InGaP zusammengesetzt. Zwischen den Mantelschichten 10 und 15 sind eine passive Wellenleiterschicht 11 und eine benachbarte aktive Schicht 13 geschichtet. Die passive Wellenleiterschicht 11 und die aktive Schicht 13 definieren zusammen den Wellenleiterkern des Bauelements. Die passive Wellenleiterschicht 11 wird aus einem undotierten Material wie zum Beispiel GaAs ausgebildet, das eine Bandabstandsenergie von mehr als dem Bandabstand der aktiven Schicht 13, aber weniger als dem Bandabstand der Mantelschichten 10 und 15 aufweist. Die aktive Schicht 13 wird aus einem Material ausgebildet, das ein zusammengesetztes Mehrschichtengefüge, wie zum Beispiel ein GaAs/InGaAs-Gefüge mit mehreren Quantenmulden, aufweisen kann. Wie bei der in Fig. 2(a) gezeigten Zusammensetzung wird auf der Mantelschicht 15 eine Elektrode 17 abgelagert, und dazwischen kann eine Kontaktschicht angeordnet werden.
Es sind viele auf den oben beschriebenen Schichtengefügen basierende Typen von Halbleiterlasern zur Bereitstellung eines Hochleistungs- Dauerstrichbetriebs bekannt. Ein solcher Typ ist ein breitflächiger Laser, der durch eine seitliche Abmessung von etwa einigen zehn bis zu einigen hundert Mikrometer gekennzeichnet ist. Diese Abmessung ist etwa 10-100 mal größer als die seitliche Abmessung eines herkömmlichen Transversaleinmodenhalbleiterlasers. Der aktive Bereich eines breitflächigen Lasers kann, wie in Fig. 1 gezeigt, eine rechteckige Form aufweisen, oder er kann eine verjüngte Form aufweisen, bei der die Breite des aktiven Bereichs exponentiell oder linear entlang der Lichtausbreitungsrichtung zunimmt, so wie es in Fig. 3 gezeigt ist. Die Form des aktiven Bereichs kann unabhängig davon, ob sie rechteckig oder verjüngt ist, definiert werden, indem auf dem Laserwafer eine strukturierte Isolierschicht bereitgestellt wird. Zum Beispiel kann der verjüngte aktive Bereich vor der Ablagerung der Elektrode durch Ablagern einer SiO&sub2;- Schicht über dem gesamten Lasergefüge ausgebildet werden. Ein die Verjüngung definierender Teil der Oxidschicht wird dann entfernt. Nach der Entfernung dieses Teils des Oxids wird die Elektrode abgelagert, so daß nur zwischen dem verjüngten, freigelegten Teil der Oberfläche und dem Rest des Bauelements ein elektrischer Kontakt hergestellt wird.
Statt die Verjüngung mit einer strukturierten Isolierschicht zu definieren, kann die verjüngte Form einfach durch Ablagern des Materials der aktiven Schicht nur auf einem eine verjüngte Form aufweisenden Teil des Lasergefüges erzielt werden. Der Rest des Gefüges in der Ebene der aktiven Schicht kann dann aus einem Halbleitermaterial mit hohem elektrischen Widerstand ausgebildet werden. In diesem Fall ist die über diesem Material mit hohem Widerstand liegende Schicht, die andernfalls einen Teil der Mantelschicht bilden würde, ebenfalls aus einem Halbleitermaterial mit hohem elektrischen Widerstand zusammengesetzt.
Fig. 4 zeigt einen Halbleiterlaser gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Laser ist aus einem aktiven Bereich 2, den passiven Bereichen 20 und 22, einer Linse 24 und einem Einmodenwellenleiter 34 zusammengesetzt. Während der aktive Bereich 2 in der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform der Erfindung eine verjüngte Form aufweist, kann dem aktiven Bereich jede beliebige gewünschte Form gegeben werden. Der aktive Bereich 2, die Linse 24 und der Einmodenwellenleiter 34 sind alle auf demselben Substrat integriert und sind in einem Laserresonator ausgebildet, der durch die reflektierenden Oberflächen 21 und 32 definiert wird. Die reflektierenden Oberflächen 21 und 32 können gegebenenfalls durch Dünnbeschichtungen verstärkt werden.
Die passiven Bereiche 20 und 22 sind Bereiche, durch die hindurch sich Lichtenergie ausbreiten kann, ohne daß der Lichtenergie eine erhöhte Verstärkung bereitgestellt wird. Wenn der Laser einen aktiven Bereich 2 mit einem Gefüge wie dem in Fig. 2(b) gezeigten einsetzt, dann können die passiven Bereiche 20 und 22 ein ähnliches Gefüge aufweisen, mit der Ausnahme, daß die aktive Schicht 13 entfernt und die Mantelschicht 15 separat von der Mantelschicht in dem aktiven Bereich aufgewachsen wird. Als Alternative können die passiven Bereiche 20 und 22 ein mehrschichtiges Wellenleitergefüge umfassen, das unabhängig von dem aktiven Bereich 2, aber auf demselben Substrat aufgewachsen wird. In diesem Fall werden die Kerne der passiven Bereiche 20 und 22 durch anstoßende Verbindung mit der aktiven Wellenleiterschicht 16 in Fig. 2(a) verbunden. Die Mantelschichten in den passiven Bereichen 20 und 22 können entweder dotiert oder undotiert sein. Undotierte Mantelschichten können die Wellenleiter- Ausbreitungsverluste in den passiven Bereichen vermindern.
Bei der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform der Erfindung wird die Linse 24 in dem aktiven Bereich 2 an der Grenze zwischen dem aktiven Bereich 2 und dem passiven Bereich 22 ausgebildet. Der Einmodenwellenleiter 34 ist in den Laserresonator integriert, so daß ein erstes seiner Enden 40 an eine der den Wellenleiterresonator definierenden Facetten angekoppelt und ein zweites seiner Enden 42 im Brennpunkt der Linse 24 positioniert ist, so wie es durch die in Fig. 4 gezeigten Lichtstrahlen angedeutet wird. Das erste Ende 40 des Wellenleiters 34 dient als der Ausgang für den Laser, durch den hindurch Lichtenergie zum Beispiel zu einem anderen Wellenleiter oder zu einer Faser außerhalb des Lasers übertragen werden kann.
Wie aus Verdiell et al. Appl. Phys. Lett 62 (8), 1993, bekannt, kann in einem planaren Wellenleiter eine Linse ausgebildet werden, indem die Dicke der Wellenleiterschicht verändert wird, um eine Änderung des effektiven Brechungsindex zu erzeugen. Bei der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform der Erfindung wird die Brechungsindexdifferenz für die Linse durch die Differenz der Kerndicke zwischen dem aktiven Bereich 2 und dem passiven Bereich 22 erzeugt. Diese Dickeänderung wird durch das Fehlen der aktiven Schicht 13 in dem passiven Bereich 22 verursacht, so daß der Kern lediglich aus der passiven Wellenleiterschicht 11 zusammengesetzt ist. Die Form der Linse kann durch das herkömmliche Lichtstrahlverfolgungsverfahren oder durch die Berechnung der Strahlausbreitung entworfen werden. Beim Betrieb erzeugt der aktive Bereich 2 Lichtenergie über einer Laserschwelle, die in dem durch die Facetten 21 und 32 definierten Laserresonator in Resonanz schwingt. Die Linse 24 fokussiert Lichtenergie, die von der Facette 32 reflektiert wird, so daß die Energie am zweiten Ende 42 des Einmodenwellenleiters 34 ankommt, das sich im Brennpunkt der Linse 24 befindet. Wie nachfolgend beschrieben wird, dient der Einmodenwellenleiter 34 als ein Modenstabilisator, der aus allen durch den aktiven Bereich 2 erzeugten Schwingungsarten die Grundschwingungsart auswählt.
Der Einmodenwellenleiter 34 begrenzt nur die durch den aktiven Bereich 2 erzeugten Grundschwingungsart, und nicht die ebenfalls durch den aktiven Bereich 2 erzeugten Transversalschwingungsarten höherer Ordnung. Diese Schwingungsarten höherer Ordnung weisen deshalb eine geringe Effizienz der Kopplung zwischen den reflektierenden Facetten 21 und 32 auf, und es kann somit nur die Grundschwingungsart mit geringen Verlusten zwischen den beiden Facetten oszillieren. Dementsprechend wird aus allen Schwingungsarten in dem Resonator die Grundschwingungsart ausgewählt, weil die Grundschwingungsart die niedrigste Laserschwelle aufweist. Der Einmodenwellenleiter 34 wählt somit die in dem Laserresonator in Resonanz schwingende Grundschwingungsart und koppelt diese Wellentyp an einen externen Wellenleiter an.
Fig. 5 zeigt eine alternative Ausführungsform der Erfindung, bei der der aktive Bereich 2 statt einer verjüngten Form, wie in Fig. 4, eine im wesentlichen rechteckige Form aufweist. In diesem Fall wird die Linse 24 auf derselben Seite des aktiven Bereichs 2 wie der Einmodenwellenleiter 34 positioniert. Das zweite Ende 42 des Einmodenwellenleiters 34 wird ähnlich wie bei der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform im Brennpunkt der Linse 24 positioniert. Lichtenergie, die sich von dem Brennpunkt der Linse 24 aus ausbreitet, wird durch die Linse geleitet, so daß die Lichtenergie in einer im wesentlichen senkrechten Richtung von der Facette 32 reflektiert wird. Ähnlich wie bei der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform der Erfindung wählt bei dieser Ausführungsform der Einmodenwellenleiter 34 die Grundschwingungsart der durch den aktiven Bereich erzeugten Lichtenergie.
Wie Durchschnittsfachleute aus der obigen Besprechung von Fig. 4 und 5 erkennen werden, wird die optimale Position und Form der Linse 24 in dem Laserresonator durch die Form des aktiven Bereichs 2 bestimmt. Insbesondere ist die Linse 24 so konfiguriert, daß die durch sie verlaufende Lichtenergie so gebeugt wird, daß sie im wesentlichen den aktiven Bereich 2 ausfüllt. Dementsprechend wird durch die vorliegende Erfindung eine große Vielfalt von Lasern mit unterschiedlich geformten aktiven Bereichen und verschiedenen Linsenkonfigurationen in Betracht gezogen, und die Erfindung ist daher nicht auf die in den Figuren gezeigten Konfigurationen beschränkt. Natürlich werden bestimmte Ausführungsformen vorteilhafte Merkmale bereitstellen, die bei anderen Ausführungsformen nicht verfügbar sind. Zum Beispiel ist die Lichtintensität bei der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform der Erfindung über den aktiven Bereich hinweg keine Konstante und es tritt somit auf eine ungleichförmige Weise Sättigung auf. Dementsprechend ist die optische Verstärkung aufgrund der Effekte der Sättigung nicht über den aktiven Bereich hinweg gleichförmig. Im Gegensatz dazu ist die Lichtintensität bei der in Fig. 5 gezeigten Ausführungsform über den aktiven Bereich hinweg konstant und die Verstärkung ist somit über ihn hinweg gleichförmig.
In der in Fig. 5 gezeigten Ausführungsform der Erfindung ist zwischen dem aktiven Bereich 2 und der Facette 32 auf einer von der Linse 24 entfernten Seite des aktiven Bereichs 2 ein passiver Bereich 22 angeordnet. Fig. 6 zeigt eine alternative Ausführungsform der Erfindung, bei der der aktive Bereich 2 direkt an die Facette 32 anstößt und somit den passiven Bereich 22 eliminiert. Außerdem zeigt Fig. 6 Bereiche 40 und 42, in denen die passive Wellenleiterschicht 11 völlig entfernt ist, um Rückreflexionen von Schwingungsarten höherer Ordnung, die nicht durch den passiven Wellenleiter 34 gewählt werden, weiter zu unterdrücken. Eine solche Entfernung der passiven Wellenleiterschicht 11 kann bei den in Fig. 4-5 gezeigten Ausführungsformen und auch bei der in Fig. 6 gezeigten Ausführungsform der Erfindung eingesetzt werden.
Bei einer weiteren alternativen Ausführungsform der Erfindung kann die Linse entweder in dem aktiven Bereich 2 oder in dem passiven Bereich 22 statt an der Grenze zwischen diesen plaziert werden. Bei diesen Ausführungsformen kann die Änderung des Brechungsindex durch Verändern der Dicke der aktiven Schicht und/oder der passiven Wellenleiterschicht an der die Linse definierenden Stelle erzielt werden.
Der Laser der vorliegenden Erfindung kann durch einen zweistufigen MOVPE-Prozeß hergestellt werden. Es können jedoch auch andere Prozesse eingesetzt werden, wie zum Beispiel mehrstufige LPE, MBE oder CBE. Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist das Gefüge aus einer 0,8 Mikrometer dicken n-Al0,5GaAs Unter- Mantelschicht 10 zusammengesetzt, die auf einem n&spplus;- GaAs-Substrat abgelagert wird. Eine undotierte 0,2- Mikrometer-GaAs-Schicht bildet die passive Wellenleiterschicht 11 von Fig. 2(b). Auf der passiven Wellenleiterschicht 11 wird eine dünne InGaP- Ätzstopschicht abgelagert. Die aktive Schicht 13 ist aus einer 500-Å-GaAs-Unter-Sperrschicht, drei druckverspannten 40-Å-In0,3Ga0,7As-Quantenmulden mit 80-Å-GaAs-Sperrschichten und einer 700-Å-GaAs-Ober- Sperrschicht zusammengesetzt. Eine 1-Mikrometer-p&spplus;- InGaP-Schicht bildet die Ober-Mantelschicht 15, über der eine p-GaAs-Kontaktschicht abgelagert wird. Die Mantelschicht 15 und die aktive Schicht 13 werden von einem Abschnitt des Gefüges weggeätzt, um die passiven Bereiche 20 und 22 zu definieren. Während der passive Bereich 22 ausgebildet wird, wird die Linse durch chemisches Naßätzen definiert und so konfiguriert, daß sie eine Form aufweist, die durch eines der oben erwähnten Verfahren bestimmt wird. Der Einmodenwellenleiter wird in dem passiven Bereich hergestellt, in dem die Mantelschicht 15 und die aktive Schicht 13 entfernt wurden. Die Wellenleiterschicht 11 von Fig. 2(b) wird dann teilweise geätzt, um einen schmalen (z. B. etwa zwei Mikrometer breiten) streifengerippelten Wellenleiter zu bilden. Andere Wellenleitergefüge können als ein Einmodenwellenleiter dienen, darunter zum Beispiel vergrabene Heterostrukturen oder Stegwellenleiter. Nach der Ausbildung der Linse und des Einmodenwellenleiters wird in einem zweiten MOVPE-Schritt eine 1, 2 Mikrometer dicke undotierte InGaP-Schicht abgelagert, um die Mantelschicht 15 in den passiven Bereichen 20 und 22 zu bilden. Diese undotierte InGaP-Schicht wird von dem verstärkenden aktiven Abschnitt 2 weggeätzt.
Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf einen Halbleiterlaser beschrieben, in den ein Einmodenwellenleiter zur Auswahl der durch den aktiven Bereich erzeugten Grundschwingungsarts integriert ist. Durchschnittsfachleute werden erkennen, daß die Erfindung nicht auf die Verwendung eines Wellenleiters beschränkt ist, der eine einzigen Schwingungsart auswählt, sondern auch einen Wellenleiter einsetzen kann, der aus allen durch den aktiven Bereich erzeugten Schwingungsarten eine vorbestimmte Anzahl von Schwingungsarten auswählt. Zum Beispiel kann es vorteilhaft sein, einen Wellenleiter bereitzustellen, der die ersten zehn oder sogar die ersten hundert Schwingungsarten auswählen kann.
Beim Betrieb kann die Ausgabe aus dem Laser der vorliegenden Erfindung entweder von der Seite neben dem Wellenleiter 34 oder von der breitflächigen Seite neben der Facette 32 abgenommen werden. Die Ausgabe aus der Seite neben dem passiven Wellenleiter 34 kann für die Ankopplung an einen externen Wellenleiter oder eine externe Faser verwendet werden, während die Ausgabe aus der breitflächigen Seite vorteilhafterweise für Freiraumanwendungen verwendet werden kann.

Claims

1. Monolithisches Halbleitergefüge mit: einem Substrat mit gegenüberliegenden reflektierenden Oberflächen (26, 32), zwischen denen ein Laserresonator definiert wird, wobei der besagte Resonator einen aktiven Verstärkungsbereich (2) und einen passiven Bereich (20, 22) aufweist;

einer unteren Mantelschicht (14, 10), einer Kernschicht (16; 11, 13) und einer oberen Mantelschicht (12, 15), die alle aus Halbleitermaterialien gebildet und auf dem besagten aktiven Verstärkungsbereich und dem besagten passiven Bereich des Substrats angeordnet sind, wobei der Teil der Kernschicht in dem aktiven Verstärkungsbereich ein Halbleitermaterial zur Bereitstellung von Verstärkung für eine Reihe von Lichtenergieschwingungsarten enthält und der Teil der Kernschicht in dem passiven Bereich eine passive Wellenleiterschicht bildet, die keine Verstärkung bereitstellt; und

einer auf dem besagten Substrat integrierten Linse (24), die sich an einer solchen Stelle befindet, daß sich in der Kernschicht ausbreitende Lichtenergie die besagte Linse durchläuft; dadurch gekennzeichnet, daß

auf dem besagten Substrat ein Wellenleiter (40) integriert ist, um Lichtenergie aus der besagten Linse zu empfangen;

dadurch, daß der besagte Wellenleiter selektiv als ein optisches Ausgangssignal eine Teilmenge von Schwingungsarten aus der besagten Reihe von Lichtenergieschwingungsarten überträgt, wobei die besagte Teilmenge von Schwingungsarten an eine externe Lichtleitfaser angekoppelt werden kann;

und dadurch, daß die besagte Linse einen Brennpunkt aufweist, der im wesentlichen mit einem Ende des besagten Wellenleiters zusammenfällt.

2. Gefüge nach Anspruch 1, wobei die besagte Linse an einer Grenze zwischen dem besagten aktiven Verstärkungsbereich und dem besagten passiven Bereich angeordnet ist, wobei die besagte Linse gebildet wird, indem ein Brechungsindex erzeugt wird, der sich aus einer Dickedifferenz zwischen der Kernschicht in dem aktiven Verstärkungsbereich und der Kernschicht in dem passiven Bereich ergibt.

3. Gefüge nach Anspruch 1 oder 2, wobei sich die besagte Linse und der besagte Wellenleiter auf einer gemeinsamen Seite des besagten aktiven Verstärkungsbereichs befinden.

4. Gefüge nach Anspruch 1 oder 2, wobei sich die besagte Linse und der besagte Wellenleiter auf gegenüberliegenden Seiten des besagten aktiven Verstärkungsbereichs befinden.

5. Gefüge nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der besagte Wellenleiter ein Einmodenwellenleiter ist.

6. Gefüge nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der besagte Wellenleiter ein Multimodenwellenleiter zur Übertragung einer vorbestimmten Anzahl von Schwingungsarten ist.

7. Halbleiterlaser mit:

einem durch in einem Halbleitermaterial ausgebildete gegenüberliegende reflektierende Oberflächen (26, 32) definierten Resonator; einem in dem Laserresonator angeordneten aktiven Verstärkungsbereich (2); und einer Linse (24) zum Empfangen einer durch den aktiven Verstärkungsbereich erzeugten Reihe von Lichtenergieschwingungsarten; dadurch gekennzeichnet, daß:

ein Wellenleiter (40) so angeordnet ist, daß er Lichtenergie empfängt, die von der Linse durchgelassen wird, wobei die besagte Linse und der besagte Wellenleiter monolithisch auf einem gemeinsamen Substrat integriert sind und sich in dem Laserresonator befinden;

und dadurch, daß der besagte Wellenleiter ein erstes Ende aufweist, das sich an einem Brennpunkt der Linse befindet.

8. Laser nach Anspruch 7, wobei der besagte aktive Bereich eine verjüngte Form aufweist, deren Breite entlang der Ausbreitungsachse zunimmt, wobei sich die besagte Linse an einem Punkt entlang der besagten Ausbreitungsachse befindet, an dem die besagte Breite des aktiven Verstärkungsbereichs maximal ist, wobei sich der besagte Wellenleiter auf einer Seite des besagten aktiven Bereichs befindet, der von der besagten Linse abgesetzt ist.

9. Laser nach Anspruch 7, wobei der besagte Wellenleiter ein Einmodenwellenleiter ist.

10. Laser nach Anspruch 7, wobei der besagte Wellenleiter ein Multimodenwellenleiter zur Übertragung einer vorbestimmten Anzahl von Schwingungsarten ist.

11. Laser nach einem der Ansprüche 7 bis 10, weiterhin mit: dem besagten Wellenleiter, der in dem Laserresonator an einer Stelle angeordnet ist, die sich außerhalb des besagten aktiven Verstärkungsbereichs befindet, so daß der besagte Wellenleiter Lichtenergie empfängt, die von der Linse durchgelassen wird, und einen optischen Ausgangsstrahl aussendet, wobei der besagte aktive Bereich eine verjüngte Form aufweist, deren Breite entlang der Ausbreitungsachse zunimmt.

12. Laser nach Anspruch 11, wobei die besagte Linse eine vorgegebene Form aufweist, die in dem Laserresonator an einer solchen Stelle angeordnet ist, daß sich dort hindurch ausbreitende Lichtenergie im wesentlichen den besagten aktiven Verstärkungsbereich ausfüllt.