DE60201974T2

DE60201974T2 - Verbesserungen im bezug auf halbleiterlaser

Info

Publication number: DE60201974T2
Application number: DE60201974T
Authority: DE
Inventors: James Craig Bishopton HAMILTON; Haig John MARSH
Original assignee: University of Glasgow
Current assignee: University of Glasgow
Priority date: 2001-01-23
Filing date: 2002-01-23
Publication date: 2005-12-15
Anticipated expiration: 2022-01-24
Also published as: JP2004520710A; GB2371405A; DE60201974D1; ES2236499T3; US6717971B2; US20020097762A1; GB2371405B; EP1356553A1; CN1224147C; ATE282901T1; WO2002060023A1; CN1488183A; EP1356553B1; GB0101641D0

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Halbleiter-Laservorrichtungen und insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, eine index-geführte Laserdiode mit einem einzigen Mode.
Hintergrund der Erfindung
In vielen Anwendungen besteht das Bedürfnis, dass Halbleiter-Laservorrichtungen mit einer einzelnen örtlichen Modenausgabe arbeiten. Diese Ausgabe ist beispielsweise für eine verbesserte Kopplung zu Einzelmodenfasern erwünscht sowie für die Erzeugung von kleinen Punktgrößen mit hohen Lichtintensitäten. Typischerweise verwenden Laserdioden, welche Ausgaben mit einem einzelnen Mode erzeugen, index-geführte Laserstrukturen, welche entweder einen Steahohlleiter oder einen Hohlleiter mit einer Graben-Heterostruktur aufweisen. Solche Vorrichtungen sind beispielsweise in der EP 0 475 330 offenbart und umfassen eine Laserstruktur mit einem Substrat, unteren und oberen Ladungsträger-Begrenzungsschichten auf dem Substrat, einem Steg, der sich über einen Abschnitt der oberen Begrenzungsschicht erstreckt und den optischen Mode des Lasers seitlich begrenzt, wobei eine Schicht mit aktivem Lasermaterial zwischen den Begrenzungsschichten gesandwicht ist, wobei die Schicht eine Quantentopf-Struktur umfasst und als ein aktiver Bereich konfiguriert ist.
Obwohl diese Vorrichtungen eine Ausgabe mit einem einzelnen örtlichen Mode bereitstellen, ist die Gesamtausgangsleistung wegen des Niveaus des totalen optischen Spiegelschadens (COMD) an den Enden (Facetten) der Vorrichtung begrenzt. Jede Laser-Facette ist ein gespaltener Halbleiter und umfasst somit eine hohe Dichte an Leerstellen und unterbrochenen Kontakten, was zu einer Absorption des erzeugten Lichts führen kann. Licht oder elektrischer Strom, der an den Laser-Facetten absorbiert wird, erzeugt Wärme, da angeregte Ladungsträger ohne Strahlung rekombinieren. Diese Wärme vermindert die Energie der Bandlücke des Halbleiters, was zu einer Erhöhung der Absorption führt, die einen thermischen Anstieg auslöst, was zu dem COMD führt.
Weitere Probleme mit diesen Vorrichtungen umfassen die Fortpflanzung von Moden höherer Ordnung bei hohen Steuerströmen. Diese Moden höherer Ordnung pflanzen sich aufgrund der höheren Niveaus der eingespeisten Ladungsträger fort, welche den Brechungsindex und die optische Verstärkung in Gebieten beeinflussen, welche unmittelbar benachbart zum aktiven Bereich liegen.
Es ist eine Aufgabe von wenigstens einer Ausführungsform wenigstens eines erfindungsgemäßen Aspektes, eine Laser vorrichtung (wie z. B. einen index-geführten Laser mit einem einzelnen Mode) zu schaffen, die wenigstens einen der oben genannten Nachteile des Standes der Technik beseitigt oder vermindert.
Es ist eine weitere Aufgabe von wenigstens einer Ausführungsform von wenigstens einem erfindungsgemäßen Aspekt, eine Halbleiter-Laservorrichtung zu schaffen, welche unter der Verwendung eines Brechungsbereichs an einem Ende eines Lasergebiets (wie z. B. eines index-begrenzten Halbleiter-Laserbereichs mit einem einzelnen Mode) eine Ausgabe mit einem einzelnen Mode mit erhöhten Ausgangs-Leistungsniveau schafft.
Es ist ferner eine weitere Aufgabe wenigstens einer Ausführungsform von wenigstens einem erfindungsgemäßen Aspekt, eine Halbleiter-Laservorrichtung zu schaffen, wobei durch die Verwendung eines passiven Bereichs, der durch eine Mischung mit einem Quantentopf unter der Verwendung einer verunreinigungsfreien Technik in einem Verstärkungsbereich gebildet wird, die Keulenschwenkungs-Eigenschaften der Laservorrichtung verbessert werden können, beispielsweise indem die Neigung zur Keulenschwenkung vermindert wird.
Wesen der Erfindung
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Halbleiter-Laservorrichtung bereitgestellt, umfassend:
ein Substrat, auf dem eine erste Mantelschicht, eine Kern- oder Führungs-Schicht und eine zweite Mantelschicht ausgebildet ist, wobei die Kern- oder Führungs-Schicht ein aktives Lasermaterial umfasst;
einen optischen Wellenleiter, welcher eine laterale optische Begrenzung schafft und sich longitudinal von einem ersten Ende der Vorrichtung zu einer Zwischenposition zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende der Vorrichtung erstreckt;
einen optisch aktiven Bereich, der in der Kern- oder Führungs-Schicht unterhalb und/oder innerhalb des Wellenleiters vorgesehen ist;
einen ersten optisch passiven Bereich, der in der Kern- oder Führungs-Schicht angeordnet ist und sich von der Zwischenposition zu dem zweiten Ende der Vorrichtung erstreckt, wobei der passive Bereich breiter als der Wellenleiter ist, so dass im Betrieb eine optische Ausgabe aus dem Wellenleiter beim Durchgang durch den ersten optisch passiven Bereich gebeugt wird; und
ein elektrisches Kontaktmaterial, welches oberhalb des Wellenleiters angeordnet ist, um einen Kontaktbereich zu bilden, der kürzer als die longitudinale Ausdehnung des Wellenleiters ist, so dass ein kontaktfreier Abschnitt des Wellenleiters bereitgestellt wird, wobei der kontaktfreie Abschnitt einen zweiten optisch passiven Bereich in der Kern- oder Führungs-Schicht der Halbleiter-Laservorrichtung bereitstellt.
Vorzugsweise ist der optische Wellenleiter aus einem Steghohlleiter in wenigstens der zweiten Mantelschicht gebildet, und das elektrische Kontaktmaterial kontaktiert eine Oberfläche des Stegs.
Vorzugsweise ist das elektrische Kontaktmaterial von einem Ende des Steghohlleiters beabstandet.
Durch diese Anordnung werden im Betrieb ein Teil oder Teile des Steghohlleiters nicht elektrisch gepumpt. Erstaunlicherweise hat man durch diese Vorrichtung entdeckt, dass die Halbleiter-Laservorrichtung als ein Moden-Steuerungs-Diskriminator/-Stabilisator betrieben werden kann. Da der Wellenleiter einen einzelnen Mode aufweist, sollte der nichtgepumpte Abschnitt des Wellenleiters ohne Stromeinspeisung im Betrieb in dem einzelnen Mode bleiben.
Vorzugsweise kann eine Länge des optischen Wellenleiters ungefähr 200 bis 2000 Mikrometer betragen, wohingegen eine Länge/die Gesamtlänge von wenigstens einem elektrischen Kontakt bei ungefähr 100 bis 1900 Mikrometer liegen kann.
In einer modifizierten Ausführungsform kann ein erstes, in der Zusammensetzung ungeordnetes oder mit einem Quantentopf gemischtes Material verwendet werden, welches die Seiten des optischen Wellenleiters begrenzt.
Bei Verwendung der oben beschriebenen Vorrichtung kann die optische Ausgabe vergrößert werden, so dass eine Intensität der optischen Strahlung (Licht) die auf eine Ausgabefacette der Vorrichtung fällt, vermindert wird. Somit kann eine Ausgangsleistung der Vorrichtung erhöht werden, ohne dass das COMD-Limit der Ausgangsfacette erreicht wird.
Die Schicht aus aktivem Lasermaterial kann eine Quantentopf-Struktur (QW) umfassen.
Der erste optisch passive Bereich kann ein in der Zusammensetzung ungeordneter oder mit einem Quantentopf gemischter (QWI) Bereich aus Halbleiter-(Laser)-Material sein.
Es können zweite, in der Zusammensetzung ungeordnete Bereiche aus (Laser)-Material vorgesehen sein, welche den optisch aktiven Bereich lateral begrenzen.
Das erste und das zweite QWI-Material können eine größere Bandlücke als der aktive Bereich aufweisen. Die ersten und die zweiten, in der Zusammensetzung ungeordneten Lasermaterialien können deshalb eine niedrigere optische Absorption als der aktive Bereich aufweisen.
Vorzugsweise kann die Vorrichtung eine monolithische Struktur aufweisen.
Vorzugsweise kann das zweite Ende der Facette ein Ausgang der Halbleiter-Laservorrichtung sein. Das erste QWI-Material kann deshalb als ein Beugungsbereich an dem Ausgang der Laservorrichtung funktionieren. Der Beugungsbereich kann im Betrieb derart arbeiten, dass die Intensität der optischen Strahlung, welche auf die Facette einfällt, durch eine Aufweitung der optischen Strahlung vermindert wird.
Vorzugsweise umfasst die Facette eine Antireflexions-Beschichtung auf einem gespaltenen Halbleiter. Vorzugsweise kann die Antireflexions-Beschichtung ungefähr zu 1% bis 10% reflektierend sein. Die Kombination aus dem ersten QWI-Beugungsbereich und der Antireflexions-Beschichtung stellt einen nichtabsorbierenden Spiegel (NAM) bereit, der das COMD-Niveau der Facette weiter hebt und somit die Ausgangsleistung der Laservorrichtung erhöhen kann.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung können die ersten und zweiten, in der Zusammensetzung ungeordneten Materialien im Wesentlichen die gleichen Materialien sein.
Der QWI-Bereich verwischt die Quantentopf-Begrenzung der Töpfe innerhalb des Halbleiter-Lasermaterials. Insbesondere kann der QWI-Bereich im Wesentlichen verunreinigungsfrei sein. Die QWI-Bereiche können zum Blauen hin verschoben sein, d. h. typischerweise besteht ein Unterschied von mehr als 20–30 meV, insbesondere von 100 meV und mehr zwischen dem aktiven Bereich, wenn mit Ladungsträgern gepumpt wurde, und den passiven QWI-Bereichen. Das erste, in der Zusammensetzung ungeordnete Lasermaterial arbeitet somit als örtlicher Modenfilter, da Moden höherer Ordnung größere Beugungsverluste erfahren, wenn sie sich durch das erste, in der Zusammensetzung ungeordnete Lasermaterial fortsetzen, als dies bei dem Basismode der Fall ist. Somit weist der Basismode eine größere Überlappung mit dem aktiven Bereich auf und wird selektiv verstärkt. Die Halbleiter-Laservorrichtung kann somit derart angepasst werden, dass sie eine Ausgabe in im Wesentlichen einem Mode bereitstellt.
Vorzugsweise umfasst die Halbleiter-Laservorrichtung ferner jeweils Schichten aus Kontaktmaterial, welche eine (obere) Oberfläche des Stegs und eine (untere) Oberfläche der unteren Mantelschicht kontaktiert. In einer alternativen und bevorzugten Ausgestaltung kann das Kontaktmaterial eine obere Oberfläche des Stegs und eine untere Oberfläche des Substrats kontaktieren. Die Kontaktschichten können den Steuerstrom für den optisch aktiven Bereich oder den "Verstärkungs"-Bereich bereitstellen. Es sei angemerkt, dass die Ausdrücke "obere" und "untere" Schichten in dieser Beschreibung der Einfachheit halber verwendet werden und dass die Vorrichtung im Betrieb in jeder beliebigen Richtung orientiert sein kann.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Material, dass eine obere Oberfläche des Stegs kontaktiert, eine kleinere Fläche aufweisen als die Fläche der oberen Oberfläche des Stegs. In dieser Ausführungsform existiert ein kontaktfreier Abschnitt des Stegs. Dieser kontaktfreie Abschnitt kann einen zweiten passiven Bereich in der Kern-Schicht der Halbleiter-Laservorrichtung bereitstellen. Der zweite passive Bereich kann eine größere Bandlücken-Energie und deshalb eine niedrigere Absorption als der aktive Bereich aufweisen. Der zweite passive Bereich kann durch das Mischen mit einem Quantentopf gebildet werden, wie vorher beschrieben wurde.
Vorzugsweise kann der zweite passive Bereich Teil des Stegs sein. Vorzugsweise ist auch ein Ende des zweiten passiven Bereichs an der soeben genannten Position bereitgestellt, so dass der zweite passive Bereich an einem effektiven "Ausgabeende" der Laservorrichtung liegt. Der zweite passive Bereich kann die Korrektur der Keulenschwenkungen unterstützen.
Vorzugsweise kann die Länge von der Position zu dem zweiten Ende der Vorrichtung ungefähr drei Größenordnungen kleiner sein als die Länge zwischen dem ersten und dem zweiten Ende der Vorrichtung. Vorzugsweise kann der zweite passive Bereich auch eine wesentlich kleinere Länge aufweisen als der passive Bereich, d. h. als der Abstand zwischen der soeben genannten Position und dem zweiten Ende der Vorrichtung.
In einer Ausführungsform der Halbleiter-Laservorrichtung hat die Halbleiter-Laservorrichtung eine Stegbreite von ungefähr 1 bis 5 Mikrometer, eine Breite von ungefähr wenigstens dreimal der Breite des Stegs und vorzugsweise ungefähr 15 Mikrometer, einen Abstand zwischen den Enden von ungefähr 1 bis 2 mm, einen Abstand zwischen dem ersten Ende und der Position von ungefähr 1,5 mm und einem passiven Bereich, der eine Länge von ungefähr 0,5 mm aufweist.
Vorzugsweise ist die Halbleiter-Laservorrichtung aus einem III-V-Materialsystem, wie z. B. Gallium-Arsenid (GaAs) oder Aluminium-Gallium-Arsenid (AlGaAs), hergestellt und kann deshalb bei einer Wellenlänge von im Wesentlichen zwischen 600 und 1300 nm lasern. Die ersten und die zweiten, in der Zusammensetzung ungeordneten Materialien können im Wesentlichen Indium-Gallium Arsenid (InGaAs) umfassen. Es sei jedoch angemerkt, dass andere Materialsysteme auch verwendet werden können, wie z. B. Indium-Phosphid (InP), welche somit bei einer Wellenlänge von im Wesentlichen zwischen 1200 und 1700 nm lasern können.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird durch die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleiter-Laservorrichtung geschaffen, umfassend die Schritte:

(i) aufeinander folgendes Ausbilden der folgenden Schichten auf einem Substrat: eine erste optische Mantelschicht mit einer Funktion zur Begrenzung der Ladungsträger; eine Kern- oder Führungs-Schicht, die ein aktives Lasermaterial umfasst; und eine zweite optische Mantelschicht mit einer Funktion zur Begrenzung der Ladungsträger;
(ii) Ausbilden eines optischen Wellenleiters, der eine laterale optische Begrenzung darstellt und sich longitudinal von einem ersten Ende der Vorrichtung zu einer Zwischenposition zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende der Vorrichtung erstreckt, um eine optische Wellenleiterstruktur zu definieren;
(iii) Ausbilden eines ersten optisch passiven Bereichs in der Kern- oder Führungs-Schicht, der sich von der Zwischenposition zu dem zweiten Ende der Vorrichtung erstreckt und breiter als der Wellenleiter ist, so dass im Betrieb eine optische Ausgabe aus dem Wellenleiter beim Durchgang durch den ersten optisch passiven Bereich gebeugt wird;
(iv) Ausbilden eines elektrischen Kontaktmaterials oberhalb des Wellenleiters, um einen Kontaktbereich zu definieren, der kürzer als die longitudinale Ausdehnung des Wellenleiters ist, so dass ein kontaktfreier Abschnitt des Wellenleiters geschaffen wird, wobei der kontaktfreie Abschnitt einen zweiten optisch passiven Bereich in der Kern- oder Führungs-Schicht der Halbleiter-Laservorrichtung bereitstellt; und
(v) Ausbilden eines optisch aktiven Bereichs in der Kern- oder Führungs-Schicht unterhalb des und/oder in dem Wellenleiter während wenigstens einiger der obigen Schritte (i) bis (iv).

Vorzugsweise ist der optische Wellenleiter ein Steghohlleiter, der in wenigstens der zweiten Mantelschicht ausgebildet ist. Vorzugsweise ist das elektrische Kontaktmaterial zur Kontaktierung einer Oberfläche des Stegs ausgebildet.
Der Schritt (i) kann durch bekannte Wachstumstechniken, wie z. B. Molekularstrahl-Epitaxie (MBE) oder metallorgani sche chemische Dampfphasenabscheidung (MOCVD) durchgeführt werden.
Vorzugweise kann der erste passive Bereich durch eine Quantentopf-Mischtechnik (QWI) gebildet werden, welche vorzugsweise die Erzeugung von Leerstellen in dem passiven Bereich umfassen kann oder alternativ die Implantation oder die Diffusion von Ionen in dem passiven Bereich umfassen kann sowie das Ausheilen, um einen in der Zusammensetzung ungeordneten Bereich oder ungeordnete Bereiche der Kern-Schicht zu erzeugen, welche eine größere Bandlücke als die Quantentopf-Struktur aufweisen.
Vorzugsweise kann die QWI-Technik dadurch durchgeführt werden, dass verunreinigungsfreie Leerstellen erzeugt werden, und die Technik kann insbesondere eine Technik zur Erzeugung eines Schadens verwenden, um das Mischen mit dem Quantentopf zu erreichen. In einer bevorzugten Ausführungsform einer solchen Technik kann das Verfahren die folgenden Schritte umfassen:
Abscheiden einer dielektrischen Schicht, wie z. B. Siliziumdioxid (SiO₂) unter der Verwendung eines Diodensputterers und in einer im Wesentlichen aus Argon bestehenden Atmosphäre auf wenigstens einem Teil einer Oberfläche des Halbleiter-Laservorrichtungs-Materials, um strukturelle Punktdefekte wenigstens in einem Abschnitt des Materials benachbart zur dielektrischen Schicht einzubringen;
optionales Abscheiden einer weiteren dielektrischen Schicht mit einer Technik, die nicht auf Sputtern beruht, wie z. B. plasmaverstärkte chemische Dampfphasenabscheidung (PECVD), auf wenigstens einem anderen Teil der Oberfläche des Materials;
Ausheilen des Materials, wodurch Gallium von dem Material in die dielektrische Schicht übertragen wird. Eine solche Technik ist in der anhängigen Anmeldung ( EP 1 368 823 A ) mit dem Titel "Method of Manufacturing Optical Devices and Related Improvements" beschrieben, wobei die Anmeldung auch von dem vorliegenden Anmelder eingereicht wurde und das gleiche Einreichungsdatum wie die vorliegende Anmeldung hat.
Vorzugsweise kann der erste optisch passive Bereich durch die QWI-Technik gebildet werden, um einen in der Zusammensetzung ungeordneten Bereich des Lasermaterials zu erzeugen, der eine größere Bandlücke als die Quantentopf-Struktur aufweist.
Vorzugsweise kann der Steg durch bekannte Ätztechniken, wie zum Beispiel Trocken- oder Nassätzen, erzeugt werden.
Vorzugsweise ist die Länge des ersten passiven Bereichs kürzer als die Länge der Vorrichtung. Diese Anordnung erzeugt einen passiven Bereich benachbart zu einem Verstärkungsbereich.
Der erste passive Bereich ist breiter als der Steg. Der erste optisch passive Bereich stellt somit einen Beugungsbereich benachbart zu dem Steg bereit, wodurch ein optischer Strahl innerhalb der QW-Struktur eingegrenzt wird.
Vorzugsweise kann der erste optisch passive Bereich durch die Erzeugung von verunreinigungsfreien Leerstellen gebildet werden, und insbesondere kann eine Technik zur Schadensvergrößerung verwendet werden, um ein Mischen mit dem Quantentopf zu erreichen.
Vorzugsweise kann das Verfahren einen Schritt umfassen, bei dem elektrische Kontaktschichten auf eine Oberfläche der unteren Mantelschicht aufgebracht werden. Alternativ und vorzugsweise können die elektrischen Kontaktschichten jeweils auf eine untere Oberfläche des Substrats aufgebracht werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Eine Mehrzahl von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird nunmehr beispielhaft mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei:
1 eine Draufsicht auf eine Halbleiter-Laservorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 eine perspektivische Ansicht von einer Seite auf ein Ende und oberhalb der Halbleiter-Laservorrichtung der 1 zeigt;
3 eine Schnittansicht der Vorrichtung der 2 entlang der Linie A-A zeigt;
4 eine Draufsicht auf eine Halbleiter-Laservorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
5 eine perspektivische Ansicht von einer Seite auf ein Ende und oberhalb der Halbleiter-Laservorrichtung der 4 zeigt; und
6 eine Schnittansicht der Vorrichtung der 5 entlang der Linie A-A' zeigt.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
In den 1 bis 3 ist eine Halbleiter-Laservorrichtung gezeigt, welche allgemein mit Bezugszeichen 10 bezeichnet wird und einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entspricht. Die Vorrichtung 10 umfasst: einen optischen Wellenleiter 15, wenigstens einen elektrischen Kontakt 20, der sich entlang eines Teils einer Länge des Wellenleiters 15 erstreckt und wobei der wenigstens eine elektrische Kontakt 20 kürzer ist als der optischen Wellenleiter 15.
Ein Ende 25 des elektrischen Kontaktes 20 ist von einem jeweiligen Ende 30 des optischen Wellenleiters 15 beabstandet. In dieser Ausführungsform ist der optische Wellenleiter 15 ein Steghohlleiter, und der elektrische Kontakt 20 ist entlang eines Teils des Steghohlleiters 15 bereitgestellt. Durch diese Anordnung wird ein Teil oder werden Teile des Steghohlleiters 15 im Betrieb nicht elektrisch gepumpt.
Eine Länge des optischen Wellenleiters 15 kann ungefähr 200 bis 2000 μm betragen, wohingegen eine Gesamtlänge des elektrischen Kontakts 20 ungefähr 100 bis 1900 μm betragen kann.
In dieser Ausführungsform ist der Teil des Steghohlleiters 15 mit dem Kontakt 20 lateral durch geätzte Abschnitte 32, 35 begrenzt.
In einer modifizierten Ausführungsform können die geätzten Abschnitte 32, 35 in der Zusammensetzung ungeordnete oder mit einem Quantentopf gemischte Abschnitte sein, welche Seiten des optischen Wellenleiters 15 begrenzen.
Die Vorrichtung 10 umfasst ferner:
Einen optisch aktiven Bereich oder Verstärkungsbereich 40, der den optischen Wellenleiter 15 umfasst und einen optisch passiven Bereich 45, der an einem Ende des optischen Wellenleiters 15 vorgesehen ist, wobei der optisch passive Bereich 45 breiter ist als der optische Wellenleiter 15, so dass im Betrieb eine optische Ausgabe des optischen Wellenleiters 15 beim Durchgang durch den optisch passiven Bereich 45 gebeugt wird.
Auf diese Art und Weise wird die optische Ausgabe verbreitert, so dass die Intensität des Lichts, das auf eine Ausgangsfacette 50 der Vorrichtung 10 einfällt, reduziert wird, wodurch die Ausgangsleistung der Vorrichtung 10 erhöht werden kann, ohne dass das COMD-Limit der Ausgangsfacette 50 erreicht wird.
Der optisch aktive und der optisch passive Bereich 40, 45 sind innerhalb einer optischen Führungs- oder Kern-Schicht 55 zwischen einer ersten und einer zweiten (unteren und oberen) optischen Mantel-Begrenzungsschicht 60, 65 angeordnet. Die erste Mantelschicht 60, die Führungs-Schicht 55 und die zweite Mantelschicht 65 können jeweils einen Brechungsindex von ungefähr 3,0 bis 3,5 aufweisen, wobei die Führungs-Schicht 55 einen höheren Brechungsindex als die Mantelschichten 60, 65 aufweist.
Ein Steg 70 ist in wenigstens der zweiten Mantelschicht 65 ausgebildet und erstreckt sich longitudinal von einem ersten Ende 71 der Vorrichtung 10 zu einer Position 75 zwischen dem ersten Ende 71 und einem zweiten Ende 76 der Vorrichtung 10.
Die optische Führungs-Schicht 55 umfasst eine aktive Lasermaterial-Schicht mit einer Quantentopf-Struktur 77.
Der optisch passive Bereich 45 umfasst ein in der Zusammensetzung ungeordnetes Halbleitermaterial 78, welches innerhalb der Führungs-Schicht 55 von oder benachbart zu der soeben genannten Position 75 bis hin zu dem zweiten Ende 76 der Vorrichtung 10 vorgesehen ist.
Das in der Zusammensetzung ungeordnete Lasermaterial 78 weist eine größere Bandlücke als die Führungs-Schicht 55 mit der Quantentopf-Struktur 77 auf. Das in der Zusammensetzung ungeordnete Lasermaterial 78 weist eine niedrigere Absorption als die aktive Schicht 55 ohne Unordnung in der Zusammensetzung auf.
Wie aus den 1 bis 3 ersichtlich ist, weist die Vorrichtung 10 eine monolithische Struktur auf, umfassend ein Substrat 80, auf dem die weiteren Schichten 60, 55, 65 aufgewachsen sind, und zwar mit herkömmlichen III-Vorheizwalzenanordnung Halbleiter-Wachstumstechniken, wie zum Beispiel Molekularstrahl-Epitaxie (MBE) oder mit metallorganischer chemischer Dampfphasenabscheidung (MOCVD).
Die Ausgangsfacette 50 des zweiten Endes 76 umfasst einen Ausgang der Halbleiter-Laservorrichtung 10. Das in der Zusammensetzung ungeordnete Lasermaterial 78 funktioniert somit als ein Beugungsbereich an der Ausgangsfacette 50 der Laservorrichtung 10. Der Beugungsbereich arbeitet in Betrieb derart, dass die Intensität der optischen Strahlung (Licht), die auf die Facette 50 einfällt, durch das Aufweiten der optischen Strahlung vermindert wird.
Die Facette 50 umfasst optional eine Antireflexions-Beschichtung 81 auf dem gespaltenen Halbleiter. Die Antireflexions-Beschichtung 81 kann ungefähr 1% bis 10% reflektierend sein. Die Kombination des passiven Beugungsbereichs 45 und der Antireflektions-Beschichtung 81 schafft einen nichtabsorbierenden Spiegel (NAM), der ferner das COMD-Niveau der Facette 50 heraufsetzt, wodurch die Ausgangsleistung der Laservorrichtung 10 erhöht werden kann.
Das in der Zusammensetzung ungeordnete Lasermaterial 78 kann durch Mischen mit einem Quantentopf (QWI) erzeugt werden, wie im folgenden näher beschrieben wird. Die QWI-Technik verwischt die Quantentopf-Begrenzung der Töpfe 77 innerhalb der Führungs-Schicht 55, d. h. innerhalb des Halbleiter-Lasermaterials. Insbesondere kann die QWI-Technik im wesentlichen verunreinigungsfrei sein. Der passive QWI-Bereich 45 ist "ins Blaue" verschoben, d. h. typischerweise besteht ein Unterschied von 100 meV oder mehr zwischen dem optischen Verstärkungsbereich 40, wenn mit Ladung gepumpt wird, und dem passiven QWI-Bereich 45. Das in der Zusammensetzung ungeordnete Lasermaterial 78 funktioniert somit als ein örtlicher Modenfilter, da Moden höherer Ordnung größere Beugungsverluste beim Durchgang durch das in der Zusammensetzung ungeordnete Lasermaterial 78 erfahren, als es für den Basismode der Fall ist. Somit hat der Basismode eine größere Überlappung mit dem aktiven Bereich 40 und kann selektiv verstärkt werden. Die Halbleiter-Laservorrichtung 10 kann somit derart angepasst werden, dass sie im wesentlichen eine Ausgabe in einem einzelnen Mode bereit stellt.
Die Halbleiter-Laservorrichtung 10 umfasst ferner jeweils Schichten aus metallischem Kontaktmaterial 20, 85, welche eine obere Oberfläche 90 des Stegs 70 und eine untere Oberfläche 95 des Substrats 80 kontaktieren. Die Kontaktschichten 20, 85 stellen den Steuerstrom für den optischen Verstärkungsbereich 40 bereit. Es sei angemerkt, dass die Ausdrücke "obere" und "untere" Schichten zur Vereinfachung gewählt wurden und dass die Vorrichtung 10 im Betrieb in beliebige verschiedene Richtungen orientiert sein kann. Das Kontaktmaterial 20, das die obere Oberfläche 90 des Stegs 70 kontaktiert, weist eine kleinere Fläche auf als eine Gesamtfläche der oberen Oberfläche 90 des Stegs 70. In dieser Ausführungsform existiert ein kontaktfreier Abschnitt 105 des Stegs 70. Dieser kontaktfreie Abschnitt 105 stellt einen weiteren passiven Bereich 110 an einem Ende des optisch aktiven Bereichs 40 der Halbleiter-Laservorrichtung 10 bereit. Der zweite passive Bereich 105 weist eine größere Bandlücken-Energie und eine niedrigere Absorption auf als der optisch aktive Bereich oder der Verstärkungsbereich 40. Der weitere passive Bereich 10 kann durch die QWI-Technik gebildet sein. Wie aus 1 ersichtlich ist, entspricht die laterale Erstreckung des weiteren optischen Bereichs 105 der Erstreckung des Stegs 70.
In einer bevorzugten Anordnung ist eine Länge von der Position 75 bis zu dem zweiten Ende 76 der Vorrichtung 10 ungefähr um drei Größenordnungen kleiner als eine Länge zwischen dem ersten Ende 71 und dem zweiten Ende 76 der Vorrichtung 10.
In einer solchen Ausführungsform der Halbleiter-Laservorrichtung 10 hat die Halbleiter-Laservorrichtung 10 eine Stegbreite von ungefähr 1 bis 5 μm, eine Breite von ungefähr wenigstens 15 μm, einen Abstand zwischen den Enden 71, 76 von ungefähr 1 bis 2 mm, einen Abstand zwischen dem ersten Ende 71 und der Position 75 von ungefähr 1,5 mm und einen passiven Bereich 45 mit einer Länge von ungefähr 0,5 mm.
Die Halbleiter-Laservorrichtung ist in der vorliegenden Ausführungsform in einem Gallium-Arsenid (GaAs) Materialsystem hergestellt, wie zum Beispiel Aluminium-Gallium-Arsenid (ALGaAs) Materialsystem, und sie kann deshalb bei einer Wellenlänge von zwischen 600 und 1300 nm, vorzugsweise ungefähr 980 nm; lasern. Die Führungs-Schicht 55 kann im wesentlichen Indium-Gallium-Arsenid (InGaAs) umfassen. Alternativ kann die Vorrichtung 10 in einem Indium-Phosphid (InP) Materialsystem hergestellt sein, wobei sie beispielsweise in einem Wellenlängenbereich von 1200 bis 1700 nm arbeitet.
Ein Verfahren zur Herstellung der Halbleiter-Laservorrichtung 10 umfasst die Schritte:

(i) aufeinanderfolgendes Ausbilden von: der ersten optischen Mantelschicht 60 zum Begrenzen der Ladungsträger auf dem Substrat 80; der Führungs-Schicht 55 (Lasermaterial), in der die Quantentopf-Struktur 60 ausgebildet ist; und einer zweiten optischen Mantel-Begrenzungsschicht 65;
(ii) ausbilden des passiven Bereichs 45 in der Lasermaterial-Schicht 55; und
(iii) ausbilden des Stegs 70 von wenigstens einem Abschnitt der oberen Mantelschicht 65.

Die Schritte (ii) und (iii) können ausgetauscht werden.
In dieser Ausführungsform wird der passive Bereich 45 durch eine Quantentopf-Mischtechnik (QWI) gebildet, welche die Erzeugung von Leerstellen in dem passiven Bereich 45 umfasst und welche alternativ die Implantation und Diffusion von Ionen in den passiven Bereich 45 sowie einen Ausheilungsschritt umfassen kann, um in der Zusammensetzung ungeordnete Bereiche der Führungs-Schicht zu erzeugen, welche eine größere Bandlücke als die Quantentopf-Struktur 77 aufweisen.
Die QWI-Technik wird durch die Erzeugung von Verunreinigungsfreien Leerstellen durchgeführt und verwendet vorzugsweise eine Technik zur Erzeugung eines Schadens, um das Mischen mit dem Quantentopf zu erreichen. Die Technik erfordert das Abscheiden einer dielektrischen Schicht, wie zum Beispiel Silicium-Oxid (SiO₂) unter der Verwendung eines Dioden-Sputterers und innerhalb einer im wesentlichen aus Argon bestehenden Atmosphäre auf wenigstens einem Teil einer Oberfläche des Halbleiter-Laservorrichtungs-Materials, so dass strukturelle Punktdefekte wenigstens in einem Abschnitt des Materials benachbart zur dielektrischen Schicht erzeugt werden;
das optionale Abscheiden einer weiteren dielektrischen Schicht mit einer Technik, die nicht auf Sputtern beruht, wie z. B. Plasma gestützte chemische Dampfphasenabscheidung (PECVD), auf wenigstens einem anderen Teil der Oberfläche des Materials;
Ausheilen des Materials, wodurch Gallium von dem Material in die dielektrische Schicht übertragen wird.
Das Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung 10 dieser ersten Ausführungsform kann auch die nachfolgenden Schritte bezüglich einem Herstellungsverfahren einer zweiten Ausführungsform der Vorrichtung umfassen oder beinhalten.
In Schritt (ii) wird der passive Bereich 45 in vorteilhafter Weise durch eine QWI-Technik in den Bereich 45 hinein ausgebildet, um einen in der Zusammensetzung ungeordneten Bereich 78 der Lasermaterialschicht 55 mit einer größeren Bandlücke und einer niedrigeren Absorption als die Quantentopf-Struktur 60 zu bilden.
Der Schritt (iii) kann durch bekannte Ätztechniken, wie zum Beispiel Nass- oder Trockenätzen durchgeführt werden.
Wie aus 1 bis 3 ersichtlich ist, ist eine Länge des passiven Bereichs 45 in dieser Ausführungsform kürzer als eine Länge der Vorrichtung 10. Diese Anordnung umfasst einen passiven Bereich 45 benachbart zum optischen Verstärkungsbereich 40.
Wie aus 2 ersichtlich ist, ist wenigstens ein Teil des passiven Bereichs 45 breiter als der Steg 75. Der passive Bereich 45 ist somit ein Beugungsbereich benachbart zu dem Steg 75, der einen optischen Strahl innerhalb der Quantentopf-Struktur 60 eingrenzt. Der Steg 70 er streckt sich in dieser Ausführungsform nicht über den passiven Bereich 45.
Das Herstellungsverfahren umfasst den Schritt des Aufbringens von Kontaktschichten 85, 20 auf die untere Oberfläche 95 des Substrats 80 und auf eine obere Oberfläche 90 des Stegs 75. Die Kontaktschicht 80 wird auf einen Abschnitt des Stegs 70 aufgebracht, so dass die Halbleiter-Laservorrichtung 10 einen aktiven Bereich 40 und wenigstens einen zweiten passiven Bereich 110 unterhalb des Stegs 75 aufweist. Der Abschnitt des Stegs 70 ist benachbart zu einem Ende der Vorrichtung 10, so dass der zweite passive Bereich 110 an oder in der Nähe eines ersten Endes 71 der Laservorrichtung 10 vorgesehen ist. Der zweite passive Bereich 110 kann durch eine QWI-Technik auf ähnliche Art und Weise wie der passive Bereich 45 gebildet werden.
Wie in 1 gezeigt ist, bilden Schichten 71, 81 einen rückwärtigen Reflektor bzw. einen Ausgangskoppler der Halbleiter-Laservorrichtung 10. Die Beschichtungen 71, 81 überdecken zumindest teilweise das erste und das zweite Ende 70, 76 der Vorrichtung 10. Die Beschichtung 71 ist eine hochreflektierende Beschichtung, d. h. typischerweise größer 90%, welche zusammen mit dem optisch passiven QWI-Bereich 110 einen nicht absorbierenden Spiegel (NAM) bildet. Der optisch passive Bereich 110 ist an dem Ausgang des Verstärkungsbereichs 40 angeordnet und stellt einen Beugungsbereich dar. Der Beugungsbereich vermindert die Intensität der optischen Strahlung (Licht), die auf das zweite Ende 76 einfällt, in dem die optische Strahlung aufgeweitet wird. Die Antireflexions-Beschichtung 81 reflektiert einen Prozentsatz der optischen Strahlung von zwischen 1% und 10% zurück in die Laservorrichtung 10, wobei die restliche optische Strahlung als Ausgabe der Laservorrichtung übertragen wird.
Die in der Zusammensetzung ungeordneten Bereiche des Lasermaterials 45, 78, 110 werden durch eine Quantentopf-Mischtechnik (QWI) erzeugt, wie im folgenden beschrieben wird. Die QWI-Technik verwischt die Quantentopf-Begrenzung der Töpfe innerhalb der Schicht aus Halbleiter-Lasermaterial oder der Führungs-Schicht 55. Die QWI-Technik ist in dieser Ausführungsform verunreinigungsfrei und "ins Blaue verschoben", d. h. es existiert eine Differenz von typischerweise mehr als 20 bis 30 meV und insbesondere von typischerweise mehr als 100 meV oder mehr zwischen dem optisch aktiven Bereich 40, wenn mit Ladungsträgern gepumpt wird, und den passiven QWI-Bereichen 45, 110. Der passive Bereich 45 stellt einen örtlichen Modenfilter dar, da Moden höherer Ordnung größere Beugungsverluste beim Durchgang durch den Bereich 45 erfahren, als dies bei dem Basismode der Fall ist. Somit weist der Basismode einen größeren Überlapp mit dem Verstärkungsbereich 40 auf und wird selektiv verstärkt. Die Halbleiter-Laservorrichtung 10 bevorzugt somit eine Ausgabe mit einem einzelnen Mode.
In den 4 bis 6 ist eine Halbleiter-Laservorrichtung gezeigt, welche allgemein mit Bezugszeichen 10a bezeichnet wird und welche eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Gleiche Bauteile der Vorrichtung 10a werden mit den gleichen Bezugszeichen wie in der Vorrichtung 10 der ersten Ausführungsform mit dem Zusatz "a" bezeichnet.
Ein Unterschied zwischen der zweiten Vorrichtung 10a und der ersten Vorrichtung 10 besteht darin, dass in der Vorrichtung 10a ein weiterer passiver QWI-Bereich 150a unter dem Steg 70a und zwischen einem Ende 155a des Kontakts 20a und der Position 75a bereitgestellt ist, d. h. der Kontakt 20a endet kurz vor der Position 75a. Wie aus 4 ersichtlich ist, ist der weitere passive Bereich 150a in dieser Ausführungsform in seiner Länge wesentlich kleiner als der passive Bereich 45.
Ein Ende 160a des weiteren passiven Bereichs 150a ist an der Position 75a vorgesehen, so dass der weitere Bereich 150a im Betrieb die Ausgabe von Keulenschwenkungen vermindern kann. Der Bereich 150a arbeitet als ein örtlicher Modenfilter, der als stärkerer Diskriminator als der passive Beugungsbereich 45a ist. Da der Wellenleiter 15a für einen einzelnen Mode ausgelegt ist, bedeutet dies, dass der weitere passive Bereich 150a im Betrieb in dem einzelnen Mode bleibt, da in ihm kein Strom eingespeist wird.
Im Betrieb weist der weitere kontaktfreie passive Bereich 150a keine wesentlichen nichtlinearen Effekte aufgrund eingehender Ladungsträger auf, so dass die Verschwenkung des ausgegebenen Strahls vermieden wird, wenn der elektrische Steuerstrom variiert wird, wodurch Keulenschwenkungen korrigiert werden. Eine ähnliche Anordnung existiert an dem ersten Ende 71a der Vorrichtung 10a, an dem ein NAM-Spiegel arbeitet.
Diese Ausführungsform hat auch die Vorteile, die der passive Beugungsbereich 45 aufweist, wie im Vorangegangenen im Bezug auf die erste Ausführungsform beschrieben wurde.
In Bezug auf 6 wird nachfolgend ein Verfahren zur Herstellung der Halbleiter-Laservorrichtung 10a beschrieben, wobei wenigstens Teile des Herstellungsverfahrens auch für die Vorrichtung 10 der ersten Ausführungsform verwendet werden.
Das Verfahren beginnt mit dem Bereitstellen eines Substrats 80a. Das Substrat 80a kann Gallium-Arsenid (GaAs) sein und es kann mit einem n-Typ hochdotiert sein. Auf das Substrat 80a wird die erste optische Mantel-/Ladungsträger-Begrenzungs-Schicht 60a aufgewachsen. Die erste Ladungsträger-Begrenzungs-Schicht 60a kann Aluminium-Gallium-Arsenid (AlGaAs) umfassen und kann mit einem n-Typ mit einer ersten Konzentration dotiert sein. Die erste Mantelschicht 60a, welche beispielsweise einen Brechungsindex von ungefähr 3,0 bis 3,5 aufweist, ist typischerweise 1 bis 3 μm dick. Auf die erste Mantelschicht 60a wird die optische aktive Führungs- oder Kernschicht 55a aus Halbleiter-Lasermaterial aufgewachsen. Diese Schicht 55a umfasst auch AlGaAs. Die Schicht 55a ist im wesentlichen eine Intrinsic-Schicht. Die aktive Schicht 55a, welche beispielsweise einen Brechungsindex von 3,0 bis 3,5 aufweist, wird mit einer Dicke von typischerweise einigen 100 nm aufgewachsen. Innerhalb der Schicht 55a befindet sich eine Quantentopf-Struktur 77a.
Auf der Schicht 55a wird die zweite Mantelschicht 65a aufgewachsen. Die zweite Mantelschicht 65a ist vom p-Typ mit einer im wesentlichen identischen Dotierkonzentration wie die Konzentration der unteren Mantelschicht. Die zweite Mantelschicht 65a besteht auch aus AlGaAs mit einer Dicke, einer Zusammensetzung und einem Brechungsindex ähnlich zu denen der ersten Mantelschicht 60a. Somit wird die Quantentopf-Struktur (QW 77a) zwischen Schichten vom n-Typ und p-Typ der ersten bzw. zweiten Mantelschicht 60, 65a gesandwicht. Die aktive Schicht 55a weist einen niedrigeren Aluminiumgehalt (Al) als die Mantelschichten 60a, 65a auf. Die aktive Schicht 55a weist einen höheren Brechungsindex als die Mantelschichten 60a, 65a auf.
Eine selektive QWI-Maske (nicht gezeigt) wird dann auf den Abschnitten der Vorrichtung 10a, welche nicht die QWI-Bereiche sind, angeordnet. Die Technik, die vorzugsweise zur Erzeugung des Mischens mit dem Quantentopf in und um der Quantentopf-Struktur 77a in dieser Ausführungsform verwendet wird, ist eine Technik zum Erzeugen eines Schadens unter der Verwendung von Leerstellen. Es ist jedoch ersichtlich, dass jede andere Quantentopf-Mischtechnik verwendet werden kann, welche einen Unterschied in der Bandlücken-Energie zwischen der Quantentopf-Struktur 77a und der mit dem Quantentopf gemischten passiven Bereiche 45a, 105a erreicht, im Rahmen dieser Erfindung verwendet werden kann. Die bevorzugte Technik zur Erzeugung eines Schadens erfordert eine gesputterte Siliziumoxid-Kappe (SiO₂), welche auf die Vorrichtung 10a abgeschieden wird. Nachdem eine dünne Schicht von SiO₂ abgeschieden wurde, kann die Vorrichtung nachfolgend auf eine erhöhte (hohe) Temperatur erwärmt werden, um sie auszuheilen.
Wenn die Vorrichtung 10a ausgeheilt wurde, werden Bereiche der zweiten Mantelschicht 65a auf jeder Seite, wo der Steg 70a liegen soll, durch bekannte Ätztechniken weggeätzt, nach dem eine geeignete Ätzmaske über die Fläche, welche den Steg 70a festlegt, angeordnet wurde.
Metallkontakte 20a, 85a können dann durch bekannte litho graphische Techniken auf dem Steg 70a bzw. nachfolgend auf 80a abgeschieden werden, um eine elektrische Steuerung der Vorrichtung 10a zu ermöglichen.
Somit ist die Vorrichtung 10a, die im Querschnitt in 5 gezeigt ist, eine monolithische Halbleiter-Laservorrichtungs-Struktur. Der aktive Bereich oder der Verstärkungsbereich 40a der Laservorrichtung 10a liegt innerhalb der Schicht 55a und wird in der Quantentopf-Struktur 77a durch den oberen Steg 70 begrenzt. Die gemischten QW-Bereiche 45a, 110a, 150a um die Quantentopf-Struktur 77a herum sind wie oben beschrieben angeordnet.
In dem die Größe der QWI-Maske variiert wird und die QWI-Technik mehr als einmal für die Vorrichtung 10a ausgeführt wird, können mehrere passive QWI-Bereiche 45a, 110a, 150a erzeugt werden. Zusätzlich kann die QWI-Maske nur eine QWI-Mischung in dem passiven Beugungsbereich 45a ermöglichen, wodurch eine Vorrichtung 10a erzeugt wird, bei welcher der Wellenleiter 15a nur durch den oberen Steg 70a definiert ist.
Beide im Vorangegangenen beschriebenen Ausführungsformen umfassen einen Abschnitt 45, 45a in der Schicht 55, 55a, der eine Beugung bewirkt, daher passiv ist und sich über die Breite der Vorrichtung 10, 10a erstreckt. Somit weist die Halbleiter-Laservorrichtung 10, 10a einen Beugungsbereich 45, 45a an dem Ende eines Index-kombinierten Halbleiter-Wellenleiter-Lasers mit einem einzelnen Mode auf. Der Beugungsbereich 45, 45a ist im wesentlichen ein passiver, plattenförmiger Wellenleiter-Bereich, in dem die Beugung von optischer Strahlung ermöglicht wird.
Der Beugungsbereich 45, 45a vermindert effektiv die Lichtintensität am Ausgangsende 81, 81a, ohne die Ausgangsleistung oder Helligkeit der Vorrichtung 10, 10a zu vermindern, da der Beugungswinkel durch die relativen Differenzen in den Brechungsindizes zwischen dem Steghohlleiter 70, 70a und anderen Bereichen der Vorrichtung 10, 10a gesteuert wird. Der passive, plattenförmige Wellenleiter-Beugungs-Bereich 45, 45a kann auch als ein örtlicher Modenfilter verwendet werden, da sie im wesentlichen Beugungsbereiche innerhalb des Laserhohlraums darstellen. Dies hat den Vorteil, dass Wellenleiter-Moden von höherer Ordnung größere Beugungsverluste erfahren als der Basismode, wenn sie sich durch den Beugungsbereich 45, 45a fortpflanzen. Der Basismode weist dann einen höheren Überlapp mit dem Verstärkungsbereich 40 auf und wird selektiv verstärkt. Für die vorliegende Erfindung ist es somit vorteilhaft, dass der Beugungsbereich 45, 45a eine größere Bandlücken-Energie als der optisch aktive Bereich 40, 40a der Vorrichtung 10, 10a aufweist.
Verunreinigungsfreies Mischen wird in einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung verwendet, da dies eine Erhöhung der Bandlücken-Energie bewirkt, ohne dass optische Verluste durch den Zusatz von Verunreinigungen hinzugefügt werden.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass der passive, mit dem Quantentopf gemischte Bereich am Ausgang der Vorrichtung optische Strahlung beugt, welche den Verstärkungsbereich verlässt. Die erhöhte Strahlungsgröße an den Enden der Vorrichtung 10, 10a erhöht das COMD-Niveau an jeder Facette und es sind somit höhere Ausgangsleistungen erreichbar. Durch eine wohl überlegte Auswahl der Brechungsindex-Variationen wird der Mode des ausgegebenen Strahls als Basismode bereitgestellt, wobei eine horizontale Divergenz auftritt welche mit Vorrichtungen ohne einen Beugungsbereich vergleichbar ist.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass hohe Steuerströme zwischen den Kontakten 20, 85; 20a, 85a verwendet werden können, ohne dass das Risiko besteht, dass sich Moden höherer Ordnung fortpflanzen. Es ist bekannt, dass nicht lineare Effekte in dem Brechungsindex der Abschnitte um den Verstärkungsbereich auftreten, wenn der Steuerstrom in Halbleiter-Laservorrichtungen erhöht wird. Eine Änderung in dem Brechungsindex ermöglicht die Unterstützung von Moden höherer Ordnung, wenn der "Kink-Strom" erreicht wird. Die vorliegende Erfindung vermeidet dieses Problem, da diese Moden höherer Ordnung größere Divergenzwinkel in den QWI-Bereichen aufweisen. Ferner werden Keulenschwenkungen und weitere Moden durch den weiteren passiven Bereich 150a verhindert.
Es ist für einen Fachmann ersichtlich, dass Modifikationen in der vorliegenden Erfindung gemacht werden können, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen.
Es ist insbesondere ersichtlich, dass ein Vorteil der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die mit einem elektrischen Kontakt bzw. elektrischen Kontakten versehen sind, die kürzer als der Wellenleiter sind, darin besteht, dass ein Abschnitt bzw. Abschnitte des Wellenleiters ohne dem elektrischen Kontakt bzw. ohne die elektrischen Kontakte im Betrieb in einem einzelnen Mode bleiben, da in dem oder in den Kontakten kein Strom eingespeist wird.
Eine Modifikation der offenbarten Ausführungsform würde darin bestehen, einen vergrabenen Heterostruktur-Wellenleiter statt des offenbarten Stegs zu verwenden.

Claims

Halbleiter-Laservorrichtung (10, 10a), umfassend: ein Substrat (80, 80a), auf dem eine erste Mantelschicht (60, 60a) ausgebildet ist, eine Kern- oder Führungs-Schicht (55, 55a) und eine zweite Mantelschicht (65, 65a), wobei die Kern- oder Führungs-Schicht (55, 55a) ein aktives Lasermaterial umfasst; einen optischen Wellenleiter (15, 15a), der eine laterale optische Begrenzung schafft und sich longitudinal von einem ersten Ende (71, 71a) der Vorrichtung zu einer Zwischenposition (75, 75a) zwischen dem ersten Ende (71, 71a) und einem zweiten Ende (76, 76a) der Vorrichtung (10, 10a) erstreckt; einen optisch aktiven Bereich (40, 40a), der in der Kern- oder Führungs-Schicht (55, 55a) unterhalb und/oder innerhalb des Wellenleiters (15, 15a) vorgesehen ist; einen ersten optisch passiven Bereich (45, 45a), der in der Kern- oder Führungs-Schicht (55, 55a) vorgesehen ist und sich von der Zwischenposition (75, 75a) zu dem zweiten Ende (76, 76a) der Vorrichtung (10, 10a) erstreckt, wobei der passive Bereich breiter als der Wellenleiter (15, 15a) ist, so dass im Betrieb eine optische Ausgabe aus dem Wellenleiter beim Durchgang durch den ersten optisch passiven Bereich (45, 45a) gebeugt wird; und ein elektrisches Kontaktmaterial (20, 20a), welches oberhalb des Wellenleiters (15, 15a) angeordnet ist, um einen Kontaktbereich zu bilden, der kürzer als die longitudinale Ausdehnung des Wellenleiters ist, so dass ein kontaktfreier Abschnitt (105, 105a) des Wellenleiters (15, 15a) bereit gestellt wird, wobei der kontaktfreie Abschnitt einen zweiten optisch passiven Bereich (110, 110a) in der Kern- oder Führungs-Schicht der Halbleiter-Laservorrichtung (10, 10a) bereitstellt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der zweite optisch passive Bereich (110, 110a) an einem ersten Ende (71, 71a) der Vorrichtung ausgebildet ist und ferner einen dritten optisch passiven Bereich (150a) umfasst, der benachbart zu der Zwischenposition ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die aktive Lasermaterialschicht eine aufgewachsene Quantentopf-Struktur umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste optisch passive Bereich einen ersten in der Zusammensetzung ungeordnet Bereich oder einen mit einem Quantentopf gemischten Bereich umfasst, der von oder benachbart zu der Zwischenposition bis zu dem zweiten Ende der Vorrichtung vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei zweite in der Zusammensetzung ungeordnete Bereiche vorgesehen sind, welche den optisch aktiven Bereich (40, 40a) lateral begrenzen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Vorrichtung eine monolithische Struktur aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung eine Substratschicht (80, 80a) umfasst, auf der die erste Mantelschicht (60, 60a), die Kern- oder Führungs-Schicht (55, 55a) bzw. die zweite Mantelschicht (65, 65a) vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei das zweite Ende (76, 76a) einen Ausgang der Halbleiter-Laservorrichtung (10, 10a) umfasst und der erste mit einem Quantentopf gemischte Bereich im Betrieb als ein Beugungsbereich an dem Ausgang der Laservorrichtung funktioniert, um die Intensität der optischen Strahlung, die auf eine Facette des zweiten Endes einfällt, durch Verbreitern der optischen Strahlung zu vermindern.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Facette eine Antireflexions-Beschichtung eines gespaltenen Halbleiters umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei der erste und die zweiten in der Zusammensetzung ungeordneten Bereiche im Wesentlichen die gleiche Bandlücke aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 7, ferner umfassend elektrisches Kontaktmaterial (85, 85a), welches eine Oberfläche des Substrats (80, 80a) kontaktiert.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der zweite optisch passive Bereich (110, 110a) ein Ende der Vorrichtung darstellt, das entgegengesetzt zum ersten optisch passiven Bereich (45, 45a) liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Länge von der Zwischenposition bis zu dem zweiten Ende (76, 76a) der Vorrichtung um drei Größenordnungen kleiner ist als eine Länge zwischen dem ersten (71, 71a) und dem zweiten (76, 76a) Ende der Vorrichtung.
Vorrichtung nach Anspruch 1 mit einer Wellenleiterbreite zwischen einem 1 und 5 Mikrometer, mit einer Breite der Vorrichtung, die wenigstens das Dreifache der Breite des Wellenleiters (15, 15a) beträgt, mit einem Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Ende von zwischen 1 und 2 mm, mit einem Abstand zwischen dem ersten Ende (71, 71a) und der Zwischenposition (75, 75a) von 1,5 mm und mit einem Abstand zwischen der Zwischenposition (75, 75a) und dem zweiten Ende (76, 76a) von 0,5 mm.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Halbleiter-Laservorrichtung in einem III-V-Halbleiter-Materialsystem hergestellt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei das III-V-Halbleiter-Materialsystem ein auf Galliumarsenid basierendes System ist, welches bei einer Wellenlänge von im Wesentlichen zwischen 600 und 1.300 nm lasert.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei das erste und das zweite in der Zusammensetzung ungeordnete Material im Wesentlichen Indium-Gallium-Arsenid umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei das III-V-Halbleiter-Materialsystem ein auf Indiumphosphid basierendes System ist, welches bei einer Wellenlänge von im Wesentlichen zwischen 1.200 und 1.700 nm lasert.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der optische Wellenleiter (15, 15a) ein Steghohlleiter (70, 70a) ist, der in wenigstens der zweiten Mantelschicht (65, 65a) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei das elektrische Kontaktmaterial (20, 20a) eine Oberfläche des Stegs (70, 70a) kontaktiert.
Verfahren zur Herstellung einer Halbleiter-Laservorrichtung (10, 10a), umfassend die Schritte: (i) aufeinanderfolgendes Ausbilden der folgenden Schichten auf einem Substrat (80, 80a): eine erste optische Mantelschicht (60, 60a) mit einer Funktion zur Begrenzung der Ladungsträger; eine Kern- oder Führungs-Schicht (55, 55a), die ein aktives Lasermaterial umfasst; und eine zweite optische Mantelschicht (65, 65a) mit einer Funktion zur Begrenzung der Ladungsträger; (ii) Ausbilden eines optischen Wellenleiters (15, 15a), der eine laterale optische Begrenzung darstellt und sich longitudinal von einem ersten Ende (71, 71a) der Vorrichtung zu einer Zwischenposition (75, 75a) zwischen dem ersten Ende (71, 71a) und einem zweiten Ende (76, 76a) der Vorrichtung erstreckt, um eine optische Wellenleiterstruktur zu definieren; (iii) Ausbilden eines ersten optisch passiven Bereichs (45, 45a) in der Kern- oder Führungs-Schicht (55, 55a), der sich von der Zwischenposition (75, 75a) zu dem zweiten Ende (76, 76a) der Vorrichtung (10, 10a) erstreckt und breiter als der Wellenleiter (15, 15a) ist, so dass im Betrieb eine optische Ausgabe aus dem Wellenleiter beim Durchgang durch den ersten optisch passiven Bereich (45, 45a) gebeugt wird; (iv) Ausbilden eines elekrischen Kontaktmaterials (20, 20a) oberhalb des Wellenleiters (15, 15a), um einen Kontaktbereich (20, 20a) zu definieren, der kürzer als die longitudinale Ausdehnung des Wellenleiters ist, so dass ein kontaktfreier Bereich (105, 105a) des Wellenleiters (15, 15a) geschaffen wird, wobei der kontaktfreie Abschnitt einen zweiten optisch passiven Bereich (110, 110a) in der Kern- oder Führungs-Schicht (55, 55a) der Halbleiter-Laservorrichtung bereitstellt; und (v) Ausbilden eines optisch aktiven Bereichs in der Kern- oder Führungs-Schicht (55, 55a) unterhalb und/oder in dem Wellenleiter während wenigstens einiger der obigen Schritte (i) bis (iv).
Verfahren nach Anspruch 21, wobei der Schritt (i) durch eine Wachstumstechnik ausgeführt ist, welche ausgewählt ist aus Molekularstrahl-Epitaxie oder metallorganischer chemischer Dampfphasenabscheidung.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei der erste passive Bereich (45, 45a) mit einer Quantentopf-Mischtechnik gebildet wird, welche das Erzeugen von Leerstellen in dem ersten passiven Bereich sowie das Ausheilen umfasst, um einen in der Zusammensetzung ungeordneten Bereich der Kern- oder Führungs-Schicht mit einer größeren Bandlücke als die der Quantentopf-Struktur zu schaffen.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei die Quantentopf-Mischtechnik die Schritte umfasst: Abscheiden einer dielektrischen Schicht unter der Verwendung eines Diodensputterers und in einer im Wesentlichen aus Argon bestehenden Atmosphäre auf wenigstens einem Teil einer Oberfläche des Halbleiter-Laservorrichtungs-Materials, um strukturelle Punktdefekte wenigstens in einem Abschnitt des Materials benachbart zur dielektrischen Schicht einzubringen; optionales Abscheiden einer weiteren dielektrischen Schicht mit einer Technik, die nicht auf Sputtern beruht, auf wenigstens einem anderen Teil der Oberfläche des Materials; und Ausheilen des Materials, wodurch Ionen oder Atome von dem Material in die dielektrische Schicht übertragen werden.
Verfahren nach Anspruch 21, ferner umfassend den Schritt des Ausbildens des zweiten optisch passiven Bereichs (110, 110a) des Wellenleiters benachbart zu dem ersten Ende der Vorrichtung.
Verfahren nach Anspruch 21, ferner umfassend den Schritt des Ausbildens des zweiten optisch passiven Bereichs (110, 110a) des Wellenleiters (15, 15a) benachbart zu dem ersten Ende (71, 71a) der Vorrichtung und des Ausbildens eines dritten optisch passiven Bereichs (150, 150a) des Wellenleiters benachbart zu der Zwischenposition (75, 75a).
Verfahren nach Anspruch 21, bei dem der optische Wellenleiter (15, 15a) als Steghohlleiter (70, 70a) in wenigstens der zweiten Mantelschicht (65, 65a) ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 27, bei dem das elektrische Kontaktmaterial (20, 20a) auf der Oberfläche des Stegs (70, 70a) ausgebildet ist.