DE4301830A1 - 3-Sektions-DFB-Halbleiterlaser mit erweitertem Wellenlängen-Durchstimmungsbereich - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen 3-Sektions-DFB-Halbleiter­ laser (DFB = distributed feedback), der eine größere Wellenlängen-Durchstimmbarkeit ohne Modensprünge als die bisher bekannten Ausführungen von 3-Sektions-DFB-Halb­ leiterlasern ermöglicht.

Es existieren zahlreiche Veröffentlichungen über 3-Sekti­ ons-DFB-Halbleiterlaser mit identischen Sektionslängen, z. B. D. Leclerc, J. Jaquet, D. Sigogne, C. Labourie, Y. Louis, C. Artigue and J. Benoit, "Three-electrode DFB wavelength tunable FSK transmitter at 1,53 µm" Electron. Lett. 25, 45 (1989), und Y. Yoshikuni and G. Motosugi, "Independent modulation in amplifier and frequency regimes by a multielectrode distributed feedback laser" Technical digest of OFC 86, pp. 32-33 (1986).

Weiterhin sind symmetrische 3-Sektions-DFB-Halbleiterlaser bekannt, bei denen die äußeren beiden Sektionen identische Längen aufweisen, wie z. B. in folgenden Quellen beschrie­ ben: Y. Kotaki and H. Ishikawa, "Wavelength tunable DFB and DBR lasers for coherent optical fibre communications", IEE Proceedings- J. 138,171 (1991), und Y. Kotaki, S. Ogita, M. Matsuda, Y. Kuwahara and H. Ishikawa, "Tunable, narrow-linewidth and high-power λ/4- shifted DFB-Laser" Electron. Lett. 25,990 (1989). Die Phasenverschiebung/-en sind bei den bekannten Lösungen immer im Zentrum des Lasers, also in der Mitte der zentra­ len Sektion, angeordnet. Gegenüber den bekannten Bauformen durchstimmbarer Laser zeichnet sich der erfindungsgemäße Laser durch höhere Modulierbarkeit und kleinere Linien­ breite aus. Ein entscheidender Nachteil aller bisher be­ kannten 3-Sektions-DFB-Halbleiterlaser sind ihre, vergli­ chen mit anderen Lasern wie z. B. DBR-Laser oder TTG-Laser, geringen Wellenlängen-Durchstimmungsbereiche, die den An­ wendungsbereich der 3-Sektions-DFB-Halbleiterlaser doch erheblich einschränken.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen 3-Sektions- DFB-Halbleiterlaser zu entwickeln, der die bekannten Vor­ teile der 3-Sektions-DFB-Halbleiterlaser mit einem erwei­ terten Wellenlängen-Durchstimmungsbereich ohne Modensprünge verbindet.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die 3 Sektionen des DFB-Halbleiterlasers so ausgebildet sind, daß sie zueinander unterschiedliche Sektionslängen aufweisen. Bei einer Gesamtlänge L des DFB-Halbleiterlasers zwischen 150 und 400 µm sind die einzelnen Sektionen im Verhältnis zueinander und im Verhältnis zur Gesamtlänge L so ausgebil­ det, daß die Länge der linken Sektion L_S1 im Bereich zwi­ schen 1/10 bis 3/10, die Länge der mittleren Sektion L_C im Bereich zwischen 3/10 bis 6/10 und die Länge der rechten Sektion L_S2 im Bereich zwischen 4/10 bis 6/10 in Bezug auf die Gesamtlänge L des 3-Sektions-DFB-Halbleiterlasers liegt. Innerhalb der o. g. Längenangaben sind damit die Sektionen, entsprechend den Erfordernissen, längenmäßig zueinander variierbar, wobei aber immer gewährleistet sein muß, daß die Sektionslängen, bezüglich ihrer Längen zuein­ ander, unsymmetrisch ausgebildet sind, die Phasenverschie­ bung stark aus dem Zentrum des Halbleiterlasers herausge­ schoben ist und der Kopplungskoeffizient K des DFB-Gitters hoch gewählt ist. Die Trennungslücken W_G zwischen den Sek­ tionen, die ebenfalls in der Gesamtlänge L enthalten sind, sind so ausgebildet, daß jeweils von Sektionslänge zu Sek­ tionslänge ein Abstand in den Grenzen von 5 bis 10 µm ge­ währleistet ist. Die Nachteile eines größeren Kopplungs­ koeffizienten K, die insbesondere in der geringeren opti­ schen Ausgangsleistung zum Ausdruck kommen, werden erfin­ dungsgemäß durch eine Veränderung der Lage der Phasenver­ schiebung aus dem Zentrum des Halbleiterlasers heraus kom­ pensiert. Dabei gilt, je größer der Kopplungskoeffizient, desto weiter muß die Lage der Phasenverschiebung/-en in Richtung auf die Resonator-Endfläche verschoben sein, wel­ che in Richtung der für die Nachrichtenübertragung genutz­ ten Streckenfaser liegt. Der minimalste Abstand der Lage der Phasenverschiebung von der entsprechenden Laser-End­ fläche darf jedoch keinesfalls kleiner als L/10 sein.

Die erfindungsgemäße Lösung wird anhand eines Ausführungs­ beispiels näher erläutert.

Fig. 1 zeigt hierbei einen Querschnitt durch einen erfin­ dungsgemäßen 3-Sektions-DFB-Halbleiterlaser.

In Fig. 1 stellen die schwarz ausgefüllten Flächen an der Oberseite des Bauelements die Metallisierung der elektri­ schen Kontaktfelder dar, welche jeweils durch unterschied­ liche Längen L_S1; L_C; L_S2 gekennzeichnet sind und damit die individuellen Sektionslängen verdeutlichen. Die punktier­ ten Flächen stellen die elektrische Isolierung der elek­ trischen Kontaktfelder voneinander dar, wobei der Isola­ tionswiderstand 100 Ω bis einige kΩ beträgt. Die elek­ trische Isolierung wird gewöhnlich mittels Ionenimplan­ tation, Ätzen oder der Kombination von Ätzen und Epitaxie realisiert. Die Struktur kann sowohl auf n- wie auch auf p-Substrat basieren. Als Beispiel wurde in Fig. 1 in das DFB- Gitter unter der mittleren Sektion L_C eine λ/4 Phasenver­ schiebung integriert, deren Lage durch die senkrecht ge­ strichelte Linie angedeutet ist. Dabei ist die Lage der Phasenverschiebung aus dem Zentrum des Halbleiterlasers immer in Richtung auf die Laser-Endfläche verschoben, wel­ che in Richtung der für die Nachrichtenübertragung genutz­ ten Streckenfaser liegt. Bezogen auf das in Fig. 1 darge­ stellte Ausführungsbeispiel ist die Lage der Phasenver­ schiebung in Richtung auf diejenige Laser-Endfläche ver­ schoben, welche zur linken Sektion L_S1 korrespondiert. Die Phasenverschiebung/-en liegt/liegen, wenn die Streckenfaser auf der linken Seite liegt, immer in der mittleren Sektion L_C oder in der linken Sektion L_S1. Die drei Sektionen wer­ den, wie in Fig. 1 dargestellt, mit 2 verschiedenen Strömen betrieben. Die äußeren Sektionen L_S1 und L_S2 werden durch den Strom I_S- elektrisch gepumpt, während die mittlere Sek­ tion L_C mit dem Strom I_C gepumpt wird. Aus Gründen der All­ gemeingültigkeit sind die einzelnen Epitaxieschichten nicht separat dargestellt. Die aktive/-n Schicht/-en können auf beiden Seiten des DFB-Gitters liegen. Die Substratuntersei­ te ist ebenfalls metallisiert und dient als Masse-Kontakt (in Fig. 1 nicht dargestellt). Noch größere Durchstimmungs­ bereiche werden dadurch erreicht, daß alle drei Sektionen L_S1; L_C; L_S2 mit verschiedenen Strömen betrieben werden. Als Grenzfall ist auch eine kurze ungepumpte oder schwach ge­ pumpte Rand-Sektion denkbar.

Die Wellenlängendurchstimmung kann bei dem Bauelement bei Verwendung von ein oder zwei Steuerströmen folgendermaßen erfolgen:

• - der Strom I_S oder I_C ist fixiert und der andere Strom oder I_S wird variiert,
• - beide Ströme werden abhängig voneinander durch ein Netz­ werk bestimmt, welches mit einem einzelnen Steuerstrom betrieben wird, oder
• - der Gesamtstrom I_C + I_S ist fixiert und das Teilungsver­ hältnis zwischen I_C und I_S wird variiert, z. B. mittels eines einzigen Steuerstroms über ein Netzwerk.

Große Kopplungskoeffizienten verursachen bekanntlich am Ort der Phasenverschiebung/-en sowohl eine starke Photonenfeld- Überhöhung als auch damit gekoppelt, eine starke Ladungs­ trägerdichte-Reduktion (räumliches Lochbrennen). Durch optimierte Geometrieparameter der Struktur und geeignete Variation der Steuerströme I_C und I_S kann die Schwell- Verstärkung (threshold gain modulation) und die durch räumliches Lochbrennen induzierte Verstärkung des Plasma­ effektes auf die Emissionswellenlängen-Änderung des Bau­ elements beträchtlich verstärkt werden. Bei der Nutzung des räumlichen Lochbrennens erweist sich eine λ/4-Phasenver­ schiebung günstiger als im Vergleich dazu zwei λ/8 Phasen­ verschiebungen. Diese verstärkte elektronische Wellenlän­ gen-Durchstimmung ist besonders für schnelle Emissions-Wel­ lenlängen-Änderungen über größere Wellenlängen-Bereiche interessant. Dieser Effekt läßt sich insbesondere durch die erfindungsgemäße Bauform des 3-Sektions-DFB-Halbleiterla­ sers herauspräparieren. Durch Optimierung kann dieser Effekt verstärkt und gezielt zur Vergrößerung des Wellen­ längen-Durchstimmungsbereiches eingesetzt werden.

Im folgenden werden einige konkrete Anwendungsbeispiele für die erfindungsgemäße Konfiguration beschrieben. Zur Erhöhung der einseitigen externen Quantenausbeute wird eine Veränderung der Lage der Phasenverschiebung in Rich­ tung einer Laser-Endfläche (Laser-Facette) vorgenommen, und zwar so, daß die gesamte Resonatorlänge im Verhältnis 3 : 7 geteilt ist. Durch diese Asymmetrie kann der Kopplungskoef­ fizient sehr groß gewählt werden (z. B. K < 80cm^-1; L∼200-300 m). An der Facette, die näher an der Phasenverschiebung liegt (Frontfacette), ist nun die externe Quantenausbeute auf Kosten der rückwärtigen Facette wesentlich vergrö­ ßert. Zur Erhöhung der Braggmoden-Stabilität erfolgt die Berechnung der longitudinalen Photonenverteilungen derjenigen beiden Seitenmoden, welche dem Schwellengain der Braggmode am nächsten kommen. Die Wahl der Sektionslängen erfolgt z. B. nach folgendem Schema: Linke Sektionstrennung an der Stelle, an welcher der Mittelpunkt der beiden Inten­ sitätsmaxima der betrachteten Seitenmoden auf der linken Seite liegt. Rechte Sektionstrennung an der Stelle, an welcher der Mittelpunkt der beiden Intensitätsmaxima der betrachteten Seitenmoden auf der rechten Seite liegt. Der Kopplungskoeffizient, der relativ hoch gewählt wird (K < 80cm^-1), wirkt dabei stabilisierend.

Zur Vergrößerung des Wellenlängen-Durchstimmungsbereichs müssen große Kopplungskoeffizienten (K < 80 cm^-1; L∼200-300 m) verwendet werden, wenn das räumliche Lochbrennen verstär­ kend für die Wellenlängen-Durchstimmung genutzt werden soll.

Ein Beispiel dafür wird anhand eines 3-Sektions-DFB-Halb­ leiterlasers näher erläutert. Bei dieser Ausführungsform liegt die Phasenverschiebung in der mittleren Sektion L_C bei 70 µm, gemessen von der linken Resonator-Endfläche. Die Länge der rechten Sektion L_S2 liegt bei 149 µm. Die Länge der linken Sektion L_S1 liegt bei 41 µm. Die Länge der mitt­ leren Sektion L_C liegt bei 100 µm. Der Abstand zwischen den einzelnen Sektionen W_G liegt bei 5 µm. Die Gesamtlänge L des erfindungsgemäßen Bauelements liegt bei 300 µm.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel für eine Bauelemen­ telänge von L = 200 µm liegt die Länge der linken Sektion L_S1 bei 20 µm, die Länge der mittleren Sektion L_C bei 80 µm und die Länge der rechten Sektion L_S2 bei 90 µm. Der Abstand zwischen den einzelnen Sektionen W_G liegt bei 5 µm und der Abstand der Phasenverschiebung liegt, gemessen von der lin­ ken Resonator Endfläche aus, bei 60 µm.

Bei diesen Beispielen handelt es sich um mögliche Ausfüh­ rungsformen. Die optimalen Kombinationen der Laserparameter werden rechnerisch ermittelt, z. B. mit Hilfe eines Trans­ fer-matrix-Modells oder eines Coupled-Mode Modells. Die Art, Größe und Verteilung der Phasenverschiebung/-en wird in diesen rechnerischen Optimierungsverfahren ebenfalls festgelegt. In die Verfahren können noch weitere Parameter einbezogen werden, wie z. B. die Variation in longitudina­ ler Richtung der DFB-Gitterperiode Λ(z) und des Kopplungs­ koeffizienten K(z). Die Optimierung erfolgt je nach der er­ wünschten Anwendung entweder im Hinblick auf die Verstär­ kung elektronischer Wellenlängen-Durchstimmungs-Effekte für ultra-schnelle Wellenlängendurchstimmung über weite Wellen­ längen-Differenzen, oder im Hinblick auf die simultane Aus­ nutzung von thermischen und elektronischen Wellenlängen- Durchstimmungs-Effekten zur Erzielung eines möglichst gro­ ßen Gesamt-Wellenlängen-Durchstimmungsbereichs. Der nutz­ bare Durchstimmungsbereich ist in herkömmlichen 3-Sektions- DFB-Halbleiterlasern vielfach auch durch Reduktion der Sei­ tenmoden-Unterdrückung eingeschränkt. Dies kann durch ein zusätzlich stabilisierendes Element der Einmodigkeit er­ reicht werden, indem eine kurze, schwach oder ungepumpte Seiten-Sektion, nur durch einen kleinen Separationswider­ stand von der mittleren Sektion getrennt wird, wobei der Separationswiderstand und die betreffende Sektionslänge rechnerisch optimiert werden.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung liegen insbeson­ dere darin begründet, daß die Struktur des erfindungsgemä­ ßen Bauelements verhältnismäßig einfach ist, da es mit nur ein oder zwei Steuerströmen betrieben werden kann, wobei eine größere Wellenlängen-Durchstimmbarkeit ohne Moden­ sprünge als bei den bekannten 3-Sektions-DFB-Halbleiter­ lasern, welche mit vergleichbaren Steuerströmen betrieben werden, erreicht wird. Die größere Durchstimmbarkeit beruht auf der geometrischen Asymmetrie in Bezug auf die unter­ schiedlichen Sektionslängen, auf dem hohen Kopplungskoeffi­ zienten K, sowie auf der asymmetrischen Lage der Phasenver­ schiebung/-en außerhalb der Mitte des Halbleiterlasers. Da­ mit ist es möglich, unter Beibehaltung der bekannten Vor­ teile der 3-Sektions-DFB-Halbleiterlaser, wie der sehr ge­ ringen Linienbreite und der sehr schnellen Modulierbarkeit, trotz hoher Kopplungskoeffizienten eine hohe Lichtausbeute zu realisieren. Durch die erfindungsgemäße Lösung erfährt der durchstimmbare 3-Sektions-DFB-Halbleiterlaser, bezüg­ lich seines Anwendungsbereichs, eine beträchtliche Aufwer­ tung gegenüber dem durchstimmbaren DBR-Laser.

Claims (2)

1. 3-Sektions-DFB-Halbleiterlaser mit erweitertem Wellen­ längen-Durchstimmungsbereich, dadurch ge­ kennzeichnet, daß seine Gesamtlänge (L) zwischen 150 und 400 µm beträgt, und daß seine einzelnen Sektionen (L_S1; L_C; L_S2) unterschiedlich lang sind, wobei im Verhältnis zur Gesamtlänge (L) der Längenanteil der linken Sektion (L_S1) zwischen 1/10 bis 3/10, der Län­ genanteil der mittleren Sektion (L_C) zwischen 3/10 bis 6/10 und der Längenanteil der rechten Sektion (L_S2) zwischen 4/10 bis 6/10 der Gesamtlänge (L) variierbar ist, daß die Trennungslücken (W_G), die in die Gesamt­ länge (L) einbezogen sind, zwischen den einzelnen Sek­ tionen einen Abstand von 5 bis 10 µm aufweisen, daß die drei Sektionen (L_S1; L_C; L_S2) vorzugsweise mit zwei ver­ schiedenen Strömen (I_C; I_S) betrieben werden, daß das Produkt aus Gesamtlänge (L) und Kopplungskoeffizient (K) zwischen 2 und 4 beträgt, daß die Lage der Phasen­ verschiebung aus dem Zentrum des Halbleiterlasers in Richtung auf die Laser-Endfläche verschoben ist, die in Richtung der für die Nachrichtenübertragung genutzten Streckenfaser liegt, wobei dies diejenige Laser-End­ fläche ist, welche zur linken Sektion L_S1 korrespon­ diert, und daß der minimalste Abstand der Lage der Pha­ senverschiebung von der entsprechenden Laser-Endfläche nicht kleiner als L/10 ist.

2. 3-Sektions-DFB-Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Vertauschung der Längenanteile der linken Sektion L_S1 mit den Längenanteilen der rech­ ten Sektion L_S2 die Lage der Phasenverschiebung in Richtung auf die Laser-Endfläche verschoben ist, die zur rechten Sektion L_S2 korrespondiert.