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Diese Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiterlaservorrichtung
mit mehreren Anschlüssen, welche eine Laserschwingung mit einer
stabilisierten Schwingungs-Wellenlänge erreicht und Änderungen
bei der Schwingungs-Wellenlänge gestattet.
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Bei vergrößerten Anwendungen auf solchen Gebieten, wie optischen
Kommunikationssystemen, optischen Meßsystemen, optischen
Informationsverarbeitungssystemen, Halbleiterlasern usw. sind
Halbleiterlaser, welche Licht durch stabilisierte
Schwingungs-Wellenlänge erreichen, erforderlich. Um eine optische
Kommunikationsform mit Wellenlängenüberlagerung, Frequenzmodulation (FM)
oder dergleichen zu erreichen, sind Halbleiterlaser, die
gestatten, daß die Schwingungs-Wellenlänge verändert wird, ebenfalls
erforderlich. Aus diesen Gründen sind solche Halbleiterlaser,
wie Laser mit Breitband-Rückkopplung (DFB-Laser), Breitband-
Brack-Reflektorlaser (DBR-Laser), interferometrische Laser mit
internem Reflektor, verbund-Resonatorlaser, Laser mit externem
Resonator usw. untersucht worden. Jedoch sind erfahrene Arbeiter
für die Bildung von Beugungsgittern der DFB-Laser und der DBR-
Laser erforderlich. Außerdem sind der Aufbau und das
Herstellungsverfahren für die interferometrischen Laser mit internem
Reflektor, die Verbund-Resonatorlaser und die Laser mit externem
Resonator kompliziert, und es ist schwierig, sie in die
praktische Anwendung zu bringen.
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Es ist aus JP-A-5897888 eine Halbleiterlaservorrichtung bekannt,
bei welcher ein Doppel-Heterostruktur-Mehrschichtkristall, der
eine aktive Schicht für eine Laserschwingung enthält, auf einem
Einkristallsubstrat gebildet wird, der einen länglichen Kanal
hat, der eine Vielzahl von Kanalteilen entsprechender Breite und
Länge umfaßt, die in einer Reihe entlang der Längsrichtung des
Kanals positioniert sind. Bei der letzteren Vorrichtung sind die
Kanalteile von unterschiedlicher Höhe bezogen auf das Substrat
und weisen deshalb eine Vielzahl abgestufter Differenzen in der
Höhe zwischen den verschiedenen Kanalteilen auf.
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Es ist ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung, für einen
Halbleiterlaser zu sorgen, welcher die Beschränkungen und
vorstehend erwähnten Nachteile der bekannten Vorrichtungen
überwindet oder mildert.
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Entsprechend der vorstehenden Erfindung wird eine
Halbleiterlaservorrichtung geliefert, bei der ein eine
Doppel-Heterostruktur aufweisender Mehrschichtkristall, der eine aktive
Schicht zur Laserschwingung enthält, auf einem einzigen ebenen
Einkristallsubstrat ausgebildet ist, das einen länglichen Kanal
konstanter Tiefe hat, der eine Vielzahl von Kanalbereichen mit
entsprechender Breite und Länge aufweist, die in einer Reihe
entlang der Längsrichtung des Kanals angeordnet sind, wodurch
sich eine Vielzahl von optischen Wellenleitern in der aktiven
Schicht entsprechend den jeweiligen Kanalbereichen ergibt, wobei
die optischen Wellenleiter optisch gekoppelt, jedoch elektrisch
voneinander getrennt sind.
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Bei einer Ausführungsform unterscheidet sich die Mittelachse
eines der Kanalbereiche von der des benachbarten Kanalbereichs,
jedoch haben der eine Kanalbereich und der benachbarte
Kanalbereich einen gemeinsamen Begrenzungsbereich. Bei einer anderen
Ausführungsform haben die Kanalteile eine gemeinsame Mittelachse
und liegt einer der Kanalteile, welcher schmaler als der andere
Kanalteil ist, in dem mittigem Bereich des Kanals.
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Die Erfindung wird im Nachstehenden, nur in Form eines
Beispiels, unter Verweis auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben, bei welchen:
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Fig. 1(A) und 1(B) eine perspektivische Ansicht beziehungsweise
eine Grundrißansicht sind, die eine Halbleiterlaservorrichtung
in Übereinstimmung mit dieser Erfindung zeigen;
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Fig. 1(C) eine Grafik ist, die die Verteilung der optischen
Intensität in der Richtung parallel zur aktiven Schicht der in
Fig. 1(A) und 1(B) gezeigten Halbleiterlaservorrichtung zeigt;
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Fig. 2(A) bis 2(D) Schemata sind, die ein Verfahren für die
Herstellung der in Fig. 1(A) und 1(B) gezeigten
Halbleiterlaservorrichtung zeigen;
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Fig. 3 eine Vorder-Schnittansicht entlang von Linie X-Y der in
Fig. 2(D) gezeigten Halbleiterlaservorrichtung ist;
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Fig. 4(A) eine Grafik ist, die die Abhängigkeit der Schwingungs-
Wellenlänge von der Temperatur bezogen auf die
Halbleiterlaservorrichtung zeigt, die durch das in Fig. 2(A) bis 2(D) gezeigte
Verfahren hergestellt worden ist;
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Fig. 4(B) eine Grafik ist, die eine Änderung bei der
Schwingungs-Wellenlänge der in Fig. 2(D) gezeigten
Halbleiterlaservorrichtung zeigt, wenn der eingespeiste Strom 12 verändert wird;
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Fig. 5 ein Seitenaufriß ist, der eine andere
Halbleiterlaservorrichtung in Übereinstimmung mit dieser Erfindung zeigt, die
eine konkave aktive Schicht hat;
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Fig. 6(A) beziehungsweise 6(B) Draufsichten auf eine andere
Halbleiterlaservorrichtung in Übereinstimmung mit dieser
Erfindung sind, bei welcher die Mittelachse eines Kanalteils von der
des benachbarten Kanalteils verschieden ist;
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Fig. 7 eine Draufsicht ist, die eine andere
Halbleiterlaservorrichtung in Übereinstimmung mit dieser Erfindung zeigt, bei
welcher die Mittelachsen der Kanalteile gemeinsam sind; und
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Fig. 8 eine Vorder-Schnittansicht ist, die einen konventionellen
VSIS-Laser zeigt.
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Die Grundkonzeption dieser Erfindung ist wie folgt: Als
Halbleiterlaser, bei welchen ein Mehrschichtkristall mit
Heterostruktur, der eine aktive Schicht hat, auf einem kanalisierten
Einkristall-Substrat gezüchtet wird, was zu einem optischen
Wellenleiter führt, der einen effektiven Brechungsindex in der
aktiven Schicht hat, hat es bis jetzt
Kanalsubstrat-Einspeisungslaser mit planarer Struktur (CSP-Laser), Laser mit
V-Kanalsubstrat-Innenstreifen (VSIS-Laser) usw. gegeben. Fig. 8 der
beigefügten Zeichnungen zeigt einen konventionellen VSIS-Laser,
welcher auf einanderfolgend ein p-GaS-Substrat 1, eine n-GaAs-
Stromsperrschicht 2, eine p-GaAlAs-Plattierschicht 3, eine
aktive GaAlAs-Schicht 4, eine n-GaAlAs-Plattierschicht 5 und eine n-
GaAs-Deckschicht 6 umfaßt. Bezugszeichen 7 bezeichnet eine n-
Seitenelektrode und Bezugszeichen 8 eine p-Seitenelektrode. Ein
V-Kanal 9, der die Breite W hat, wird in der Stromsperrschicht
derart gebildet, daß er das Substrat 1 erreicht, was zu einem
Strompfad führt. Der Strom, der in diese Vorrichtung eingeleitet
wird, wird durch die Stromsperrschicht 2 blockiert und fließt
nur durch den Strompfad (d. h. den Kanal 9). Laserlicht, das in
der aktiven Schicht 4 erzeugt wird, wird durch die
n-Stromsperrschicht 2 außerhalb von Kanal 9 absorbiert, was zu einer Abnahme
beim effektiven Brechungsindex führt, so daß der Teil der
aktiven Schicht 4, der dem Kanal 9 mit der Breite W entspricht,
einen optischen Wellenleiter bildet. Diese Vorrichtung
funktioniert als Resonator, welcher Reflexionen an beiden
Kristallflächen Q davon nutzt.
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Bei einer Halbleiterlaservorrichtung in Übereinstimmung mit der
vorliegenden Erfindung wird die Breite W des Wellenleiters in
der Resonatorrichtung geändert, was zu einer internen Reflexion
von Laserlicht daran führt. Infolge eines Interferenzeffekts,
der aus der internen Reflexion und dem reflektierten Licht, das
von jeder der Kristallflächen herrührt, entsteht, kann eine
stabile Longitudinalform gewählt werden. Darüberhinaus gestattet
eine Steuerung jedes der Ströme, die in die Elektrodenbereiche
einzuleiten sind, welche den verschiedenen Breiten des optischen
Wellenleiters entsprechen, die Wahl von Longitudinalformen.
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Fig. 1(A) und 1(B) zeigen einen Halbleiterlaser dieser
Erfindung, bei welchem eine Vertiefung 10 die n-Seitenelektrode 7 in
zwei Gebiete trennt, von denen eines das Gebiet 7a ist, das den
V-Kanalteil mit der Breite W&sub1; und der Länge L&sub1; in der
Resonatorrichtung enthält und das andere das Gebiet 7a ist, welches den
V-Kanalteil mit der Breite W&sub2; und der Länge L&sub2; (L&sub1; L&sub2;) in der
Resonatorrichtung enthält. Fig. 1(A) und 1(B) zeigen einen Fall,
in welchem W&sub1; > W&sub2;. Jedoch ist diese Erfindung natürlich auch auf
Fälle anwendbar, bei denen W&sub1; < W&sub2; und W&sub1; - W&sub2;. Die Vertiefung 10
ist einer Art und Weise ausgebildet, daß sie einen Bereich
unter der aktiven Schicht 4 erreicht, ausgenommen der mittlere
Bereich 11, welcher durch Entfernen der Elektrode 7 allein oder
der Elektrode 7 und der Deckschicht 6 gebildet wird. Folglich
sind die optischen Wellenleiter, die durch die Bereiche 7a und
7b gebildet werden, optisch miteinander gekoppelt, sie sind aber
elektrisch voneinander getrennt. Fig. 1(C) zeigt die Verteilung
der optischen Intensität in der Richtung parallel zur aktiven
Schicht 4, wobei die Kurve a die Verteilung der optischen
Intensität in dem Bereich 7a und die Kurve b die Verteilung der
optischen Intensität im Bereich 7b ist. Wenn diese beiden Formen
(Transversalformen) in der Querrichtung an der Grenzschicht 11
miteinander gekoppelt sind, dann tritt eine interne Reflexion
von Laserlicht auf. Folglich wandert Laserlicht über die drei
Resonatorlängen L&sub1;, L&sub2; und L&sub1; + L&sub2; hin und zurück, was zu drei
Arten von Longitudinalschwingung in der Längsrichtung führt,
welche eine Interferenz dazwischen schaffen. Das Ergebnis ist,
daß eine spezielle Longitudinalform allein eine große
Verstärkung
erzielt und die anderen Longitudinalformen unterdrückt
werden.
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Unter der Annahme, daß die Schwingungs-Wellenlänge von
Laserlicht, das durch Longitudinalschwingung erzeugt wird, λ&sub0; ist und
der effektive Brechungsindex der aktiven Schicht, die den
Bereichen 7a und 7b entspricht, n&sub1; beziehungsweise n&sub2; ist, kann man
die folgende Gleichung erhalten:
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2(n&sub1; · L&sub1; + n&sub2; · L&sub2;) = mλ&sub0; (1)
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wobei m eine ganze Zahl ist.
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Die effekten Brechungsindizi n&sub1; und n&sub2; variieren in Abhängigkeit
von der Dicke d der aktiven Schicht 4, der Breite W des
Wellenleiters, der eingespeisten Trägerdichte usw. Eine interne
Reflexion von Laserlicht tritt an der Grenzschicht zwischen den
Bereichen der aktiven Schicht auf, die einen unterschiedlichen
Brechungsindex haben. Bei dem Beispiel in Fig. 1 tritt, da ja
die beiden Bereiche in der Wellenleiterbreite verschieden sind,
eine interne Reflexion dazwischen auf und entsteht ein
Interferenzeffekt zwischen drei Arten von
Longitudinalschwingungsformen, die aus der Resonatorlänge L&sub1; + L&sub2;, L&sub1; und L&sub2;
resultieren, so daß die Wahl der speziellen Longitudinalform λ&sub0;
erreicht werden kann und andere Longitudinalformen, als die
spezielle Longitudinalform λ&sub0; unterdrückt werden. Die erhaltene
spezielle Longitudinalform λ&sub0; ist extrem stabil, trotz
Veränderungen bei der Temperatur und/oder der Ströme I&sub1; und I&sub2;, die in
den Bereich 7a beziehungsweise 7b eingespeist werden.
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Darüberhinaus erhöht sich, wenn der Strom I&sub1;, der in den Bereich
7a eingespeist wird, auf einem festen Wert gehalten und der
Strom I&sub2;, der in den Bereich 7b eingespeist wird, erhöht wird,
die Dichte N&sub2; eines in die aktive Schicht eingebrachten Trägers,
der in dem Gebiet 7b positioniert ist, während der effektive
Brechungsindex absinkt. Deshalb wird die Schwingungs-Wellenlänge
λ&sub0; in der Gleichung (1) klein. Das heißt, wenn der Strom I&sub2;
erhöht wird, dann kann die Schwingungs-Wellenlänge λ&sub0; von
Laserlicht in einer Longitudinalform auf die Seite einer kürzeren
Wellenlänge verschoben werden.
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Folglich ermöglicht die hierin beschriebene Erfindung folgende
Gegenstände: (1) Bereitstellen einer interferometrischen
Lasereinrichtung mit internem Reflektor, welche eine
Multianschlußstruktur hoher Qualität hat, die durch ein vereinfachtes
Verfahren hergestellt wird; (2) und eine
Multianschluß-Halbleiterlasereinrichtung, bei welcher zwei Arten optischer
Wellenleiter in einer solchen Weise gebildet werden, daß sie elektrisch
getrennt, aber optisch miteinander gekoppelt sind und eine
interne Reflexion an der Grenzschicht zwischen diesen optischen
Wellenleitern entsteht, was zu einem Interferenzeffekt führt,
durch welchen Laserlicht in einer speziellen Longitudinalform
allein gewählt werden kann, so daß Laserlicht mit einer
stabilisierten Wellenlänge über einen großen Bereich eingespeister
Ströme und/oder Temperaturen durch Schwingung erzeugen kann und
die Vorrichtung Änderungen bei der Wellenlänge des Laserlichts
durch Ändern des Betrages eines der eingespeisten Ströme
gestattet.
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Jetzt soll eine Anzahl von Beispielen mit weiterem Verweis auf
die Zeichnungen beschrieben werden.
Beispiel 1
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Eine Halbleiterlasereinrichtung dieser Erfindung wird wie folgt
hergestellt: Wie in Fig. 2(A) gezeigt, wird auf der (100)-Fläche
eines p-GaAs-Substrats 1 eine n-GaAs-Stromsperrschicht 2, die
eine Trägerkonzentration von 3 · 10¹&sup8; cm&supmin;³ und eine Dicke von 0,6
um hat, mittels Flüssigphasenepitaxie gebildet. Auf der
Oberfläche der Stromsperrschicht 2 wird ein Kanal 9, der aus
Kanalteilen zusammengesetzt ist, die die Breite W&sub1; (= 7 um)
beziehungsweise W&sub2; (= 3 um) haben, kontinuierlich in der < 110>
-Richtung in derselben Linie derart gebildet, daß das Substrat 1
erreicht wird. Dann werden, wie in Fig. 2(B) gezeigt, auf der
Stromsperrschicht 9, die den Kanal 9 enthält, eine p-Ga0,6Al0,4As-
Plattierschicht 3, eine aktive Ga0,95Al0,05As-Schicht 4, eine n-
Ga0,6Al0,4As-Plattierschicht 5 und eine n-GaAs-Deckschicht 6
nacheinander
mittels Flüssigphasenepitaxie gebildet, was zu einem
Doppelheterostruktur-Mehrschichtkristall für eine
Laserschwingung führt. Dann werden die Oberseite der n-GaAs-Deckschicht 6
und die Rückseite des p-GaAs-Substrats 1 einer
Dampfablagerungsbehandlung mit Metallmaterialien aus Au-Ge-Ni beziehungsweise
Au-Zn ausgesetzt, wonach dann ein Erwärmen folgt, um eine n-
Seitenelektrode 7, die aus einer Au-Ge-Ni-Legierung hergestellt
ist beziehungsweise eine p-Seitenelektrode 8, die aus einer Au-
Zn-Legierung hergestellt ist, zu bilden, was zu ohm'schen
Kontakten daran in entsprechender Weise führt. Dann wird, wie in
Fig. 2(C) gezeigt, eine Nut 12, die eine Breite von 10 um hat,
rechtwinklig zum Kanal 9 mittels einer Ätztechnik in einer
solchen Art und Weise gebildet, daß die n-Seitenelektrode 7 und die
n-GaAs-Deckschicht 6 an der Grenzfläche zwischen den Kanalteilen
entfernt wird, die die unterschiedliche Breite W&sub1; und W&sub2; haben.
Dann wird, wie in Fig. 2(D) gezeigt, die Nut 12 weiter einer
chemischen Ätzbehandlung oder einer reaktiven Ionenätzbehandlung
(RIE-Behandlung) unterzogen, um eine Nut 10 zu bilden, welche
unter die aktive Schicht 4 reicht, mit Ausnahme des Teils der
Nut 10, welcher eine Breite von 10-20 um hat, der über dem
Kanal 9 positioniert ist, wie in Fig. 3 gezeigt. Die
resultierende Vorrichtung wird in einem Abstand von L&sub1; (= 210 um) in
einer Richtung von der Nut 10 und in einem Abstand L&sub2; (= 40 um)
in der entgegengesetzten Richtung von Nut 10 gespalten, um eine
Vorrichtungseinheit zu bilden, die entsprechende Kristallflächen
Q hat, was zu den Gebieten 7a und 7b führt. Der elektrische
Widerstand zwischen den Gebieten 7a und 7b betrug 800 Ω, was
bedeutet, daß sie elektrisch voneinander getrennt sind.
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Die Vorrichtung wird auf einem Schaft in einer solchen Weise
montiert, daß die p-Seitenelektrode nach unten positioniert ist.
Leitungsdrähte aus Gold werden mit dem Elektrodengebiet 7a
beziehungsweise 7b verbunden, welche die n-Seitenelektrode 7
bilden, um Anschlüsse Ta beziehungsweise Tb zu bilden.
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Wenn Strom in die Vorrichtung durch die Elektrode 7 über die
Anschlüsse Ta und Tb eingespeist wurde, wurde eine
Laserschwingung
bei einem Ansprechstrom von 60 mA erreicht. Fig. 4(A)
zeigt die Abhängigkeit der Schwingungs-Wellenlänge von den
Temperaturen bezüglich dieser Vorrichtung, woraus man erkennt, daß
die Vorrichtung eine stabile Longitudinalschwingung über einen
Bereich von 15 bis 45 ºC hat.
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Wenn der Strom I&sub1;, der in das Gebiet 7a eingespeist wurde, auf 80
mA gehalten und der Strom I&sub2;, der in das Gebiet 7b eingespeist
wurde, geändert wird, wurde eine Laserschwingung mit Änderungen
bei der Schwingungs-Wellenlänge erreicht, wie in Fig. 4(B)
gezeigt, was anzeigt, daß dann, wenn der Strom I&sub2; über einen
Bereich von 0 bis 20 mA geändert wird, sich die
Schwingungs-Wellenlänge über einen Bereich von ungefähr 40 Å ändert.
Beispiel 2
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Das vorstehend erwähnte Beispiel zeigt einen Fall, bei welchem
der Bereich der aktiven Schicht 4, der dem Gebiet 7a entspricht,
dieselbe Dicke d hat, wie der aktiven Schicht 4, der dem Gebiet
7b entspricht, ist aber nicht darauf beschränkt. Die Dicke der
aktiven Schicht 4 kann dadurch verschieden sein, daß
beispielsweise der Teil der aktiven Schicht, der dem Kanal 9 entspricht,
gekrümmt wird. Im allgemeinen ist bekannt, daß dann, wenn die
aktive Schicht gekrümmt wird, wenn Flüssigphasenepitaxie
verwendet wird, die Dicke des mittleren Teils der gekrümmten
aktiven Schicht größer als die des anderen Teils wird. Fig. 5 zeigt
eine Seiten-Schnittansicht des mittleren Teils der aktiven
Schicht 4, die dem Kanal 9 entspricht, wobei die aktive Schicht
4 an dem vorstehend erwähnten Grenzschichtbereich 11 davon
gekrümmt ist. Bei der Vorrichtung, die man entsprechend diesem
Beispiel erhält, unterliegt Laserlicht einer beträchtlichen
Reflexion im Bereich der aktiven Schicht, deren Dicke variiert,
so daß man Kennwerte der Vorrichtung erreichen kann, sie sogar
noch besser als jene bei Beispiel 1 sind.
Beispiel 3
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Fig. 6(A) beziehungsweise 6(B) zeigen Draufsichten, die andere
Vorrichtungen in Übereinstimmung mit dieser Erfindung zeigen,
bei welchen die Mittelachse des Kanalteils in einem Gebiet 7a
verschieden von der des Kanalteils in dem anderen Gebiet 7b ist,
aber ein Teil des Kanalteils im Gebiet 7a mit dem des Kanalteils
in dem Gebiet 7b gemeinsam ist. Fig. 6(A) zeigt den Fall, in dem
W&sub1; > W&sub2;, und Fig. 6(B) zeigt den Fall, in welchem W&sub1; = W&sub2;. In
beiden Fällen ist die Lage des Spitzenwertes der optischen
Intensität in einem Gebiet verschieden von der des Spitzenwertes
der optischen Intensität in dem anderen Gebiet. Folglich tritt
dann, wenn das Laserlicht, das von diesen Gebieten hergeleitet
wird, miteinander an der aktiven Schicht, die der Grenzschicht 13
zwischen diesen Gebieten entspricht, gekoppelt wird, interne
Reflexion auf. Diese Vorrichtungen erreichen die Wahl einer
stabilisierten Longitudinalform durch Nutzung dieser internen
Reflexion.
Beispiel 4
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Dieses Beispiel bezieht sich auf Vorrichtungen, bei welchen ein
mittlerer Teil des Kanals schmaler als die anderen Teile des
Kanals ist.
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Fig. 7 zeigt eine weitere Vorrichtung entsprechend dieser
Erfindung, bei welcher die Breite W&sub1; des Kanalteils in dem Gebiet
7a dieselbe wie die Breite W&sub2; des Kanalteils in dem Gebiet 7b
ist, wobei W&sub1; = W&sub2; = 7 um und die Breite W&sub3; des mittleren Teils
schmaler als die Breite W&sub1; und W&sub2; der anderen Teile ist, wobei W&sub3;
= 3 um. Die Länge L&sub3; des schmalen Kanalteils mit der Breite W&sub3;
wird auf ungefähr 50 um gesetzt. Diese Vorrichtung ist eine
Vorrichtung mit drei Anschlüssen, mittels der die Steuerung
eines Stroms, der in ein drittes Gebiet 19 eingespeist wird, das
wischen den Gebieten 7a und 7b liegt und welches dem schmalen
Kanalteil entspricht, eine Steuerung der Schwingungs-Wellenlänge
gestattet.
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Eine Mehrfachanschluß-Halbleiterlaservorrichtung dieser
Erfindung ist nicht auf GaAs-GaAlAs-Systeme begrenzt, sondern ist
auch auf Lasereinrichtungen mit Heterostruktur von InP-InGaAsP-
Systemen usw. anwendbar.
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Es ist selbstverständlich, daß verschiedene andere
Modifikationen für jene, die mit der Technik vertraut sind, offensichtlich
sind und von diesen vorgenommen werden können, ohne von dem
Geltungsbereich dieser Erfindung abzuweichen, wie sie durch die
beigefügten Ansprüche definiert ist.