DE60314997T2

DE60314997T2 - Verstimmte dfb-laserdiode

Info

Publication number: DE60314997T2
Application number: DE60314997T
Authority: DE
Inventors: Jeffrey E. Valley Village UNGAR
Original assignee: Quintessence Photonics Corp
Current assignee: Quintessence Photonics Corp
Priority date: 2002-03-04
Filing date: 2003-03-03
Publication date: 2008-04-03
Anticipated expiration: 2023-03-04
Also published as: CN100346542C; DE60314997D1; WO2003077379A2; EP1481450B1; JP2005527107A; US20030210724A1; US7139299B2; WO2003077379A3; EP1481450A4; CA2454651A1; EP1481450A2; CN1639932A; AU2003217887A1; AU2003217887A8

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Der beschriebene Gegenstand trifft allgemein das Gebiet von Halbleiter-Lasern.
2. Hintergrundinformationen
Halbleiter-Laser werden bei einer Vielzahl von Systemanwendungen verwendet. Beispielsweise werden Halbleiter-Laser als eine Lichtquelle bei Glasfaserkommunikationssystemen verwendet. Es ist allgemein wünschenswert, einen Halbleiter-Laser bereitzustellen, der eine hohe Ausgangsleistung aufweist. Eine hohe Ausgangsleistung vermindert die Anzahl von für das optische System erforderlichen Repeatern und Verstärkern.
Halbleiter-Laser mit hoher Leistung, wie beispielsweise Laserdioden, erzeugen Laserstrahlen mit relativ geringer Qualität, wenn sie bei einer Leistung von 0,5 Watt (W) oder mehr betrieben werden. Strahlen mit geringer Qualität lassen sich üblicherweise nur schwer in Singlemode-Glasfaserkabel einkoppeln.
Es wurden Laserdioden entwickelt, die oberhalb von 1 W Strahlen mit hoher Qualität erzeugen können. Solche Laserdioden mit hoher Leistung umfassen üblicherweise einen Rückkopplungsbereich, der den Laserstrahl erzeugt, und einen separaten Verstärkungsbereich, der den Strahl verstärkt. Es wurde gefunden, dass ein Teil des von diesen Laserdioden mit hoher Leistung erzeugten Lichts in die Einrichtung zurückreflektiert. Aufgrund der hohen Kohärenz und geringen Linienbereite des Laserstrahl erzeugt das reflektierte Licht eine Rückkopplung, die den Laser destabilisiert. Diese ungewünschte Rückkopplung kann mit optischen Isolatoren minimiert oder reduziert werden. Isolatoren erhöhen die Komplexität und Produktionskosten des optischen Systems.
Ein Beispiel einer bekannten Einrichtung ist beschrieben in US-Patent Nr. 5103456A (Scifres et al) mit dem Titel "Broadbeam Laser Diode With Integrated Amplifier".
Zusammenfassung der Erfindung
Ein Halbleiter-Laser einschließlich eines an einen Verstärkerbereich gekoppelten Rückkopplungs-Laser-Bereichs und ein Verfahren zum Betreiben, wie es in den beigefügten Ansprüchen dargelegt ist.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Veranschaulichung eines Halbleiter-Lasers,
2 ist eine Veranschaulichung, welche die Schichten des Halbleiter-Lasers zeigt,
3 ist ein Graph, welcher die Verstärkung gegen Wellenlängen des Rückkopplungs- und Verstärkerbereichs des Halbleiter-Lasers zeigt.
Detaillierte Beschreibung
Beschrieben wird ein Halbleiter-Laser, der einen Rückkopplungs-Laser-Bereich und einen Verstärkerbereich aufweist. Der Rückkopplungsbereich erzeugt einen Laserstrahl, der bei einer ersten Wellenlänge eine maximale Intensität aufweist. Der Verstärkerbereich verstärkt den Laserstrahl in einen Strahl mit hoher Leistung. Der Verstärkerbereich ist konstruiert, ein Maximum einer optischen Verstärkung bei einer zweiten Wellenlänge aufzuweisen, die gegenüber der ersten Wellenlänge versetzt ist. Ein Versetzen der in dem Rückkopplungs-Laser-Bereich erzeugten Wellenlänge gegenüber der Wellenlänge maximaler Verstärkung des Verstärkerbereichs resultiert in einem Ausgangsstrahl, der eine deutlich breitere Linienbreite aufweist als der Rückkopplungsbereich alleine. Die breitere Linienbreite führt dazu, dass die gesamte Einrichtung relativ stabil ist, auch wenn ein Teil des Lichtes in den Halbleiter-Laser zurückreflektiert wird.
Es wird Bezug genommen auf die Zeichnungen, und zwar insbesondere durch Bezugszeichen. 1 zeigt einen Halbleiter-Laser 10. Der Halbleiter-Laser 10 umfasst einen Rückkopplungs-Laser-Bereich 12 und einen Verstärkerbereich 14, die in einem Halbleiterchip 16 angeordnet sind. Der Rückkopplungs-Laser-Bereich 12 erzeugt einen Laserstrahl. Der Verstärkerbereich 14 verstärkt und erhöht die Lichtleistung des Laserstrahls. Der verstärkte Laserstrahl tritt aus einer Ausgangs-Fassette 18 des Lasers 10 aus.
Der Rückkopplungs-Laser-Bereich 12 kann vom Distributed Feedback-Typ sein. Ein Distributed Feedback umfasst ein Beugungsgitter 20. Obwohl ein verteiltes Gitter 20 gezeigt und beschrieben ist, ist es verständlich, dass der Rückkopplungs-Laser-Bereich 12 andere Mittel zum Erzeugen eines Laserstrahls aufweisen kann. Beispielsweise kann der Rückkopplungs-Laser-Bereich 12 ein Distributed-Bragg-Reflector(DBR)-Laser sein.
Der Verstärkerbereich 14 umfasst vorzugsweise ein Paar von konischen Kanten 22, die in der Höhe der Ausgangs-Fassette 18 am breitesten sind. Die Kanten 22 sind konisch, um am effizientesten mit dem Ausbereitungsprofil des optischen Strahls zusammenzupassen. Der Halbleiter-Laser 10 kann zum Erzeugen einer hohen Lichtausgangsleistung in dem Bereich von 5 W verwendet werden.
2 zeigt die unterschiedlichen Schichten 30, 32, 34, 36, 38, 40, 42, 44 und 46 eines Ausführungsbeispiels des Halbleiter-Lasers 10. Der Laser 10 kann eine untere, auf einem Substrat 30 gebildete Cladding-Schicht 32 umfassen. Das Substrat kann n-dotiertes Indiumphosphid (InP)- oder Galliumarsenid (GaAs)-Material sein. Die Cladding-Schicht 32 kann ein n-dotiertes InP- oder GaAs-Material sein.
Der Laser 10 kann ferner eine zwischen Confinement-Schichten 34 und 38 angeordnete Multi-Quantum Well Active Schicht aufweisen. Die Confinement-Schicht 34 kann ein n-dotiertes InGaAsP- oder Al_yGa_1-yAs-Material sein. Die Confinement-Schicht 38 kann ein p-dotiertes InGaAsP- oder Al_yGa_1-yAs-Material sein. Die Schichten 40, 42 und 44 können eine obere Cladding-Schicht sein, die p-dotiertes Material umfasst. Bei spielsweise kann Schicht 40 p-dotiertes InGaAsP oder Al_xGa_1-xAs sein. Die Schicht 42 kann p-dotiertes InGaAsP oder Al_zGa_1-zAs-Material sein. Die Schicht 44 kann p-dotiertes InP- oder Al_xGa_1-xAs-Material sein. Die Schicht 46 kann eine elektrische Kontaktschicht mit p⁺-dotiertem InGaAs- oder GaAs-Material sein.
Die Schichten 34, 36 und 38 erzeugen eine pn-Verbindung, die in Reaktion auf einen Fluss von elektrischem Strom eine stimulierte Lichtemission erzeugt. Die Cladding-Schichten 32, 40, 42 und 44 bilden einen Wellenleiter, welcher das Licht leitet. Das Gitter in dem Distributed Feedback Laser-Bereich 12 ist üblicherweise in den Schichten 34, 36 und 38 ausgebildet. Sowohl durch den Distributed Feedback Laser-Bereich 12 als auch den Verstärkerbereich 14 wird über an den Oberflächen dieser Bereiche 14 und 15 ausgebildete Kontakte Strom geführt. Der Strom bewirkt eine stimulierte Emission in dem Distributed Feedback Laser-Bereich 12, wobei kohärentes Licht gebildet wird. Der Strom bewirkt ferner eine stimulierte Emission in dem Verstärkerbereich 14, welche die Lichtleistung des Lasers 10 erhöht.
Der Halbleiter-Laser 10 kann durch anfängliches Ausbilden der Schichten 32, 34, 36, 38, 40 und 42 auf dem Substrat 30 aufgebaut werden. Ein Gitter kann dann in dem Distributed Feedback Laser-Bereich 12 von 42 ausgebildet werden. Die verbleibenden Schichten 44 und 46 können nachfolgend auf der Schicht 38 ausgebildet werden. Sämtliche der Schichten können mit bekannten epitaxialen Halbleiterherstellungsprozessen gebildet werden. Das in 2 gezeigte Ausführungsbeispiel ist lediglich exemplarisch. Es ist verständlich, dass der Halbleiter-Laser aus anderen Materialien und/oder anderen Schichten aufgebaut werden kann.
3 zeigt den Betrieb der unterschiedlichen Bereiche des Halbleiter-Lasers 10. Die Periode des Gitters 20 ist konstruiert, einen Laserstrahl zu erzeugen, der eine maximale Intensität bei einer ersten Wellenlänge λ₁ hat. Der Verstärkerbereich 14 ist konstruiert, eine maximale optische Verstärkung bei einer zweiten Wellenlänge λ₂ aufzuweisen. Übliche Halblei ter-Laser sind derart gestaltet, dass die von dem Rückkopplungs-Laser-Bereich erzeugte Wellenlänge der Wellenlänge für eine maximale optische Verstärkung in dem Verstärkerbereich entspricht, um eine optimale optische Verstärkung in der Einrichtung zu erhalten. Dieses kann zu einem instabilen Laser führen, wenn ein Teil des Ausgangsstrahls zurück in die Einrichtung reflektiert wird.
Ein Versetzen der ersten Wellenlänge λ₁ gegenüber der zweiten Wellenlänge λ₂ führt zu einer Einrichtung 10, bei welcher der Verstärkerbereich 14 Wellenlängen in dem "Ausläufer" der Verstärkungskurve stark verstärkt, während eine schwache Verstärkung bei der maximalen Verstärkung der Kurve bereitgestellt wird. Der resultierende Ausgangsstrahl weist eine relativ breite Linienbereit auf. Beispielsweise kann die Linienbreite des Ausgangsstrahls 10 Nanometer oder mehr betragen. Ein eine breite Linienbreite erzeugender Halbleiter-Laser ist stabiler als ein Laser, der eine geringe Linienbereite erzeugt, und zwar insbesondere bei einem Strahl mit hoher Leistung, bei dem ein Teil des Strahls zurück in die Einrichtung reflektiert wird.
Während verschiedene exemplarische Ausführungsbeispiele beschrieben und in den begleitenden Zeichnungen dargestellt sind, ist es verständlich, dass derartige Ausführungsbeispiele für die Erfindung lediglich veranschaulichend und nicht einschränkend sind, und dass diese Erfindung nicht auf die speziellen gezeigten und beschriebenen Konstruktionen und Anordnungen beschränkt ist, da verschiedene andere Modifikationen dem Fachmann einfallen werden.

Claims

Eine Laserdiode (10), aufweisend: einen Rückkopplungs-Laser-Bereich (12) umfassend ein Distributed Feedback-Gitter oder einen Distributed Bragg-Reflektor, konstruiert zum Erzeugen eines Ausgangslaserstrahls mit einer maximalen Intensität bei einer ersten Wellenlänge, und einem Verstärkerbereich (14), der mit dem Rückkopplungs-Laser-Bereich gekoppelt ist und derart konstruiert ist, dass er eine maximale optische Verstärkung bei einer zweiten Wellenlänge aufweist, die gegenüber der ersten Wellenlänge versetzt ist, um die Linienbreite eines Ausgangsstrahls in Bezug auf die Linienbreite des Laserstrahls des Rückkopplungs-Bereichs alleine zu verbreitern.
Die Laserdiode nach Anspruch 1, wobei der Rückkopplungs-Laser-Bereich (12) einen Distributed Bragg-Reflektor umfasst.
Die Laserdiode nach Anspruch 1, wobei der Verstärkerbereich eine konische Kante aufweist.
Ein Verfahren zum Betreiben einer Halbleiter-Laserdiode (10), aufweisend: Erzeugen eines Laserstrahls in einem Rückkopplungs-Laser-Bereich (12) umfassend ein Distributed Feedback-Gitter oder einen Distributed Bragg-Reflektor, konstruiert zum Erzeugen eines Ausgangslaserstrahls mit einer maximalen Intensität bei einer ersten Wellenlänge, und Verstärken des Laserstrahls mit Hilfe eines Verstärkerbereichs (14), der derart konstruiert ist, dass der Verstärkerbereich eine maximale optische Verstärkung bei einer zweiten Wellenlänge aufweist, die gegenüber der ersten Wellenlänge versetzt ist, um die Linienbreite eines Ausgangsstrahls in Be zug auf die Linienbreite des Laserstrahls des Rückkopplungs-Bereich alleine zu verbreitern.