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Diese
Anmeldung beansprucht den Vorteil unter 35 U. S. C. § 119 (e)
der folgenden, ebenfalls anhängigen
und gemeinsam übertragenen
provisorischen US-Patentanmeldung Seriennummer 60/209,069, eingereicht
am 2. Juni 2000 von Larry A. Coldren et. al., mit dem Titel „High-Power,
Manufacturable Sampled-Grating DBR Lasers", Anwaltsaktenzeichen Nummer 122.2-US-P1.
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Diese
Anmeldung ist eine Continuation-in-Part der folgenden ebenfalls
anhängigen
und gemeinsam übertragenen
US-Patentanmeldungen:
Seriennummer 09/614,224, eingereicht
am 12. Juli 2000 von Larry A. Coldren et. al. mit dem Titel „Method
of Making a Tunable Laser Source with Integrated Optical Amplifier" (jetzt US-Patent
Nr. 6,654,400, ausgestellt am 25. November 2003),
Seriennummer
09/614,377, eingereicht am 12. Juli 2000 von Larry A. Coldren mit
dem Titel „Integrated Opto-Electronic
Wavelength Converter Assembly" (jetzt
US-Patent Nr. 6,580,739, erteilt am 17. Juni 2003),
Seriennummer
09/614,376, eingereicht am 12. Juli 2000 von Larry A. Coldren et.
al. mit dem Titel „Method
of Converting an Optical Wavelength with an Opto-Electronic Laser
with Integrated Modulator" (jetzt
US-Patent Nr. 6,614,819, erteilt am 2. September 2003),
Seriennummer
09/614,378, eingereicht am 12. Juli 2000 von Larry A. Coldren et.
al. mit dem Titel „Opto-Electronic
Laser with Integrated Modulator" (jetzt US-Patent
Nr. 6,628,690, erteilt am 30. Septemer 2003),
Seriennummer
09/614,895, eingereicht am 12. Juli 2000 von Larry A. Coldren mit
dem Titel „Method
for Converting an Optical Wavelength Using a Monolithic Wavelength
Converter Assembly" (jetzt
US-Patent Nr. 6,349,106, erteilt am 19. Februar 2002),
Seriennummer
09/614,375, eingereicht am 12. Juli 2000 von Larry A. Coldren et
al. mit dem Titel" Tunable
Laser Source with Integrated Optical Amplifier (jetzt US-Patent
Nr. 6,658,035, erteilt am 2. Dezember 2003),
Seriennummer 09/614,195,
eingereicht am 12. Juli 2000 von Larry A. Coldren et al. mit dem
Titel „Method
of Making and Opto-Electronic Laser with Integrated Modulator" (jetzt US-Patent
Nr. 6,574,259, erteilt am 3. Juni 2003),
Seriennummer 09/614,665,
eingereicht am 12. Juli 2000 von Larry A. Coldren et al. mit dem
Titel „Method
of Generating an Optical Signal with a Tunable Laser Source with
Integrated Optical Amplifier" (jetzt US-Patent
6,687,278, erteilt am 3. Februar 2004) und
Seriennummer 09/614,674,
eingereicht am 12. Juli 2000 von Larry A. Coldren mit dem Titel „Method
for Making a Monolithic Wavelength Converter Assymbly" (jetzt US-Patent
Nr. 6,624,000, erteilt am 23. September 2003),
wobei alle hiervon
Continuation-in-Part Anmeldungen der anderen sind und alle den Vorteil
unter 35 U. S. C. §119
(e) der folgenden provisorischen US-Patentanmeldungen in Anspruch
nehmen:
Seriennummer 60/152,083, eingereicht am 2. September
1999 von Gregory Fish et al. mit dem Titel "Optoelectronic Laser with Integrated
Modulator",
Seriennummer
60/152,049, eingereicht am 2. September 1999 von Larry Coldren mit
dem Titel „Integrated
Optoelectronic Wavelength Converter" und
Seriennummer 60/152,072, eingereicht
am 2. September 199 von Beck Mason et al. mit dem Titel „Tunable
Laser Source with Integrated Optical Amplifier".
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Technischer
Hintergrund der Erfindung
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1. Technisches Gebiet
der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft allgemein über
einen breiten Bereich einstellbare Halbleiterlaser und insbesondere
einen abstimmbaren Bragg-Reflektorlaser mit sampled grating bzw.
abgetastetem Gitter (SGDBR).
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2. Beschreibung des relevanten
Standes der Technik
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Diodenlaser
werden in Anwendungsfällen wie
der optischen Kommunikation, Sensoren und Computersystemen verwendet.
In solchen Anwendungsfällen
ist es sehr nützlich,
Laser einzusetzen, die leicht eingestellt werden können, so
daß sie
Frequenzen über
einen breiten Wellenlängenbereich ausgeben.
Ein Diodenlaser, der bei auswählbaren variablen
Frequenzen betrieben werden kann, die einen weiten Wellenlängenbereich
abdecken können, d.
h. ein breit einstellbare Laser, ist ein unschätzbares Werkzeug. Die Anzahl
von getrennten Kanälen, zwischen
denen durch eine Laserquelle in einem gegebenen Wellenlängenbereich
umgeschaltet werden kann, wird ohne solch einen Laser stark begrenzt. Folglich
ist die Anzahl von einzelnen Kommunikationspfaden, die gleichzeitig
geschaltet in einem System existieren können, welches solche im Bereich beschränkten Laser
einsetzt, in ähnlicher
Weise sehr begrenzt. Während
Diodenlaser Lösungen
zu vielen Problemen in der Kommunikation, den Sensoren und Computersystemdesigns
bereitgestellt haben, haben sie nicht ihr Potential, basieren auf
der verfügbaren Bandbreite,
die lichtbasierte Systeme ermöglichen, erfüllt. Es
ist wichtig, daß die
Anzahl der Kanäle
erhöht
wird und daß sie
selektiv verwendet werden können,
um optische Systeme für
viele zukünftige Anwendungen
zu realisieren.
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Für eine Vielzahl
von Anwendungsfällen
ist es notwendig, einstellbare Diodenlaser zu haben, die selektiv
konfiguriert werden können,
um im wesentlichen einer eines breiten Bereichs von Wellenlängen zu
emittieren. Solche Anwendungen beinhalten Übertragungssquellen und lokale
Oszillatoren in kohärenten
Lichtwellenkommunikationssystemen, Quellen für andere Mehrkanallichtwellenkommunikationssysteme
und Quellen für
die Verwendung in frequenzmodulierten Sensorsystemen. Die kontinuierliche
Einstellbarkeit wird üblicherweise über einen
gewissen Bereich von Wellenlängen
benötigt.
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Zusätzlich müssen über einen
weiten Bereich einstellbare Halbleiterlaser, wie zum Beispiel die
abstimmbaren Bragg-Reflektorlaser mit sampled grating (SGDBR), die
grating-gekoppelten sampled-reflector Laser (GCSR) und die Laser
mit vertikaler Kavität
mit mikromechanisch bewegbaren Spiegeln (VCSEL-MEMs) im allgemeinen
einen Kompromiß hinsichtlich
ihrer Ausgangsleistung eingehen, um einen großen Abstimmbereich zu erzielen.
Die grundlegende Funktion und Struktur von SGDBR-Lasern wird detailliert
beschrieben in dem US-Patent Nr. 4,896,325, ausgegeben am 23. Januar
1990 von Larry A. Coldren mit dem Titel „Multi-Section Tunable Laser
with Differing Multi-Element
Mirrors". Dieses Dokument
beschreibt einen einstellbaren Halbleiterlaser, der einen aktiven
Abschnitt, der einen Verstärkungsabschnitt
und einen Phasenverschiebungsabschnitt beinhaltet, für das Erzeugen
und Führen
eines Lichtstrahls zwischen gegenüberliegenden Enden des aktiven
Abschnitts und ein Spiegelpaar, das den aktiven Abschnitt begrenzt,
aufweist, wobei die Spiegel unterschiedlich beabstandete, schmale
Reflexionsmaxima haben. Konstruktionen, die einen Einstellbereich
von über
40 nm bereitstellen können,
waren nicht in der Lage, viel mehr als ein Milliwatt oder zwei Ausgangsleistung
am Extrempunkt ihres Einstellspektrums bereitzustellen. Gegenwärtige und
zukünftige
optische Faserkommunikationssysteme sowie spektroskopische Anwendungen
erfordern jedoch Ausgangsleistungen von mehr als 10 mW über den
gesamten Einstellbereich. Das C-Band der International Telekommunikation
Union (ITU) ist nahe 1,5 μm
etwa 40 nm breit. Es gibt auch andere ITU-Bänder, die verwendet werden
können,
einschließlich dem
L-Band und dem S-Band.
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Es
ist wünschenswert,
eine einzelne Komponente zu haben, die zumindest das gesamte C-Band abdecken kann.
Systeme, die mit hohen Bitraten betrieben werden, können mehr
als 20 mW über
die gesamten ITU-Bänder
erfordern. Solche Leistungen sind verfügbar von Distributed Feedback
Lasern (DFB), diese können
jedoch nur um ein paar Nanometer eingestellt werden durch Einstellen
ihrer Temperatur. Es ist somit äußerst wünschenswert,
eine Quelle mit sowohl einem breiten Einstellbereich (> 40 nm) als auch hoher
Leistung (> 20 mW)
ohne eine signifikante Vergrößerung der
Fabrikationskomplexität gegenüber existierenden,
breit einstellbaren Konstruktionen, zu haben.
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Die
vorliegende Erfindung offenbart Verfahren und Vorrichtungen von
verbesserten Halbleiterlasern und insbesondere von abstimmbaren
Bragg-Reflektorlasern mit sampled grating (SGDBR), die eine hohe
Leistung über
einen weiten Einstellbereich erreichen und unter Verwendung von
konventionellen Techniken hergestellt werden.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Um
die oben beschriebenen Probleme anzusprechen, weist die vorliegende
Erfindung im allgemeinen einen abstimmbaren Laser auf, der einen Verstärkungsabschnitt
für das
Erzeugen eines Lichtstrahls durch das gut bekannte Phänomen der
spontanen und stimulierten Emission über eine Bandbreite, einen
Phasenabschnitt für
das Steuern des Lichtstrahls um eine Zentralfrequenz der Bandbreite,
einen Wellenleiter für
das Leiten und Reflektieren des Lichtstrahl in einer Kavität, einschließlich einer
separate-confinement Heterostruktur (SCH) mit relativ niedriger
Energiebandlücke,
einen ersten oder vorderen Spiegel, der ein Ende der Kavität begrenzt, und
einen zweiten oder hinteren Spiegel, der ein gegenüberliegendes
Ende der Kavität
begrenzt, aufweist, wobei die Verstärkung bereitgestellt wird durch zumindest
einen aus der Gruppe, die besteht aus dem Phasenabschnitt, dem vorderen
Spiegel und dem hinteren Spiegel.
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Folglich
ist ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung, so wie sie in
Anspruch 1 festgelegt ist, auf einen abstimmbaren Bragg-Reflektorlaser
mit sampled grating (SGDBR) gerichtet, der aufweist: einen Verstärkungsabschnitt
für das
Erzeugen eines Lichtstrahls, einen Phasenabschnitt für das Einstellen
des Lichtstrahls in der Nähe
einer Zentralfrequenz der Bandbreite, einen vorderen Spiegel des verteilten
Bragg-Reflektors (DBR), der ein Ende der Kavität begrenzt, und einen hinteren
Spiegel des verteilten Bragg-Reflektors (DBR), der ein entgegengesetztes
Ende der Kavität
begrenzt, einen Wellenleiter für
das Führen
und Reflektieren des Lichtstrahls in einer Kavität, einschließlich einer
separate confinement Heterostruktur (SCH) mit einer relativ niedrigen Bandlückenenergie,
wobei der Wellenleiter, der die SCH beinhaltet, gleichförmig über den
Verstärkungsabschnitt
und den Phasenabschnitt und über
den vorderen und hinteren Spiegel und die SCH ist, der zentrierte
flache Quantenwells beinhaltet, wobei die Verstärkung für den Lichtstrahl von zumindest
einem aus der Gruppe, die besteht aus dem Phasenabschnitt, dem vorderen
Spiegel und dem hinteren Spiegel, bereitgestellt wird.
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Ein
zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung, so wie sie in Anspruch
12 festgelegt ist, ist auf ein Verfahren zum Erzeugen eines Bragg-Reflektorhalbleiterlasers
mit sampled grating (SGDBR) gerichtet, das die Schritte aufweist:
Züchten
einer Wellenleiterschicht für
das Führen
und Reflektieren des Lichtstrahls, einschließlich einer separate-confinement
Heterostrukurregion (SCH) mit relativ niedriger Energiebandlücke auf
einem Substrat, einschließlich eines
Verstärkungsabschnitts
für das
Erzeugen eines Lichtstrahls, eines Phasenabschnitts, für das Steuern bzw.
Einstellen des Lichtstrahls um eine Zentralfrequenz der Bandbreite,
einen vorderen Spiegel, der ein Ende der Kavität begrenzt, und einen hinteren Spiegel,
der ein gegenüberliegendes
Ende der Kavität
begrenzt, wobei die Wellenleiterschicht einschließlich der
SCH gleichförmig über die
Verstärkungs- und Phasenabschnitte
und den vorderen und hinteren Spiegel ist, und wobei die SCH zentrierte, flache
Quantenwells beinhaltet, Ätzen
von sampled grating Nuten in die Wellenleiterschicht, um den vorderen
Spiegel und den hinteren Spiegel zu bilden, und Aufwachsen bzw.
Züchten
von oberen Mantel- und Kontaktschichten auf der Wellenleiterschicht, wobei
die Verstärkung
von zumindest einem aus der Gruppe, die besteht aus dem Phasenabschnitt,
dem vorderen Spiegel und dem hinteren Spiegel, bereitgestellt wird.
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Abwandlungen
der SGDBR-Konstruktion stellen über
einen weiten Bereich einstellbare Vorrichtungen bereit, die im allgemeinen
eine höhere Leistung
bereitstellen als frühere
SGDBR-Laser. Zusätzlich
sind die meisten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung relativ einfach herzustellen.
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Wie
unten in den Zeichnungen gezeigt wird, vereinfachen einige Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung das grundlegende SGDBR-Design, da sie über die
gesamte Vorrichtungslänge
dasselbe aktive Wellenleitermaterial verwenden, anstatt die Herstellung
von aneinander angrenzenden aktiven und passiven Sektionen zu fordern.
Andere Ausführungsformen
beinhalten jedoch eine Modifikation der Bandlücke der Wellenleiterbereiche
in den Spiegeln und den Phasenver schiebungssektionen. Diese Modifikation
kann mit einem einfachen Quanten-Well-Umordnungsprozeß, einer
selektiven Bereichszüchtung
oder Rezüchtungstechniken
erreicht werden, die dem Fachmann gut bekannt sind. In den meisten
Fällen
muß die
Absorptionskante dieser Abschnitte nur leicht verschoben werden,
und somit werden sowohl die Quantenwell-Umordnung (oder Vermischung)
und die selektive Bereichszüchtungsprozedur
leicht durchgeführt.
Die letzteren Verfahren erfordern ebenfalls keine zusätzliche
Rezüchtungsschritte.
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Kurze Beschreibung der
Figuren
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Es
wird nun Bezug genommen auf die Figuren, in denen gleiche Bezugszahlen
korrespondierende Teile darstellen, in denen:
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1A und 1B eines
SGDBR-Laser darstellen, der die vier Abschnitte zeigt, die verwendet
werden, um die Leistung und Wellenlänge der Laseremission zu steuern,
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2 eine
schematische Querschnittsansicht einer ersten Klase von Ausführungsformen
der gegenwärtigen
Erfindung ist,
-
3 ein
transversales Schema der Energiebänder ist, das über den
SCH-Wellenleiterbereich für
die erste Ausführungsform,
in der ein einzelner gleichförmiger
Quantenwell-SCH-Wellenleiter über die
gesamte Vorrichtungslänge
verwendet wird, aufgetragen ist,
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4 stellt
die Bandstruktur bei geringen und hohen Trägerinjektionsniveaus dar,
-
5 zeigt
die modale Verstärkung über der Energie
für die
Trägerdichten
von 4,
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6 stellt
den modalen Index über
die Trägerdichte
dar,
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7 stellt
die Bandstruktur eines gemischten Abschnitts in einer anderen Ausführungsform
der Erfindung dar und
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8A bis 8B stellen
eine andere Ausführungsform
dar, in der drei unterschiedliche Bandlückenregionen erzeugt werden.
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Detaillierte Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
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In
der folgenden Beschreibung wird Bezug genommen auf die begleitenden
Zeichnung, die einen Teil hiervon bilden und in denen beispielhaft
eine bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung gezeigt ist. Es versteht sich, daß andere
Ausführungsformen
verwendet werden können
und strukturelle Veränderungen
durchgeführt
werden können,
ohne vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
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Die 1A und 1B zeigen
einen typischen SGDBR-Laser, der die vier Abschnitt darstellt, die
seine einmaligen Einstellcharakteristiken erlauben. Der Laser 100 weist
einen Verstärkungsabschnitt 102,
einen Phasenabschnitt 104, einen ersten oder vorderen Spiegel 108 und
einen zweiten oder hinteren Spiegel 106 auf. Vorzugsweise
ist unterhalb dieser Abschnitte ein Wellenleiter 110 angeordnet
für das
Leiten und Reflektieren des Lichtstrahls, während die gesamte Einrichtung
auf einem Substrat 112 ausgebildet ist. Während der
Verwendung werden im allgemeinen hohe Spannungen an die Elektroden 114 auf
der Oberseite der Einrichtung angeschlossen und eine Masse wird
mit einem unteren Substrat 112 verbunden. Wenn eine Vorspannung
auf dem Verstär kungsabschnitt 102 über einer
Laserschwelle liegt, wird ein Laserausgang von einem aktiven Bereich 116 erzeugt.
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Der
vordere und hintere Spiegel 108, 106 sind typischerweise
sampled-grating-Spiegel, die jeweils unterschiedliche Samplingperioden 118, 120 beinhalten.
Die Gratings bzw. Gitter verhalten sich als wellenlängenselektive
Reflektoren, so daß Teilreflexionen
bei periodischen Wellenlängenabständen eines optischen
Signals, das in der Kavität
getragen wird, erzeugt werden. Der vordere und der hintere sampled-grating-Spiegel 108, 105 bestimmen
aufgrund ihrer effektiven Längen
und Grating-Unterschiede zusammen die Wellenlänge mit dem minimalen Kavitätsverlust,
wobei jedoch die Laserwellenlänge
nur bei der longitudinalen Mode der optischen Kavität in dem
Wellenleiter 110 auftreten kann. Es ist daher wichtig,
die Spiegel 106, 108, und die Moden des Wellenleiters 110 einzustellen,
so daß sie übereinstimmen,
wodurch der geringst mögliche
Kavitätsverlust
für die
gewünschte
Wellenlänge
erzielt wird. Der Phasenabschnitt 104 der in 1 gezeigten Vorrichtung wird verwendet,
um die optische Länge
der Kavität
einzustellen, um die Kavitätsmodi
zu positionieren.
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Optionale
Rückseitenmonitore 122 und
vorderseitige Halbleiterverstärker-(SOA)
und/oder optische Modulator-124-Abschnitte sind ebenso
angezeigt. Ströme
werden an die verschiedenen Elektroden 114 der vorerwähnten Abschnitt
angelegt, um eine gewünschte
optische Ausgangsleistung und Wellenlänge bereitzustellen, wie in
dem US-Patent 4,896,325, ausgegeben am 23. Januar 1990 an Larry A.
Choldren mit dem Titel „Multi-Section
Tuable Laser with Differing Multi-Element Mirrors" diskutiert wird. Wie
hier beschrieben, erzeugt ein Strom zu dem Verstärkungsabschnitt 102 Licht
und stellt eine Verstärkung
zur Verfügung,
um Verluste in der Laserkavität auszugleichen,
wobei Ströme
zu den zwei unterschiedlichen wellenlängenselektiven SGDBR-Spiegeln 106, 108 verwendet
werden, um ein niedriges Nettoverlustfenster über einen weiten Wellenlängenbereich
einzustellen, um eine gegebene Mode auszuwählen und ein Strom an dem Phasenabschnitt 104 stellt
ein Feintuning der Modenwellenlänge
zur Verfügung.
Es versteht sich ebenso, daß die
Abschnitte miteinander agieren, so daß Ströme an einem Abschnitt einen
gewissen Effekt auf die Parameter haben, die hauptsächlich durch
die anderen gesteuert werden.
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Ströme und Spannungen
werden an die optischen Abschnitte angelegt und/oder überwacht,
um die Energie oder die Wellenlänge
zu überwachen oder
eine Verstärkung
oder Modulation bereitzustellen, wie spezifiziert ist in den folgenden
US-Patentanmeldungen: Seriennummer 09/614,224, eingereicht am 12.
Juli 2000 von Larry A. Coldren et. al. mit dem Titel „Method
of Making a Tunable Laser Source with Integrated Optical Amplifier" (jetzt US-Patent
Nr. 6,654,400. ausgestellt am 25. November 2003), Seriennummer 09/614,377,
eingereicht am 12. Juli 2000 von Larry A. Coldren mit dem Titel „Integrated
Opto-Electronic Wavelength Converter Assembly" (jetzt US-Patent Nr. 6,580,739, erteilt
am 17. Juni 2003), Seriennummer 09/614,376, eingereicht am 12. Juli 2000
von Larry A. Coldren et. al. mit dem Titel „Method of Converting an Optical
Wavelength with an Opto-Electronic
Laser with Integrated Modulator" (jetzt
US-Patent Nr. 6,614,819, erteilt am 2. September 2003), Seriennummer
09/614,378, eingereicht am 12. Juli 2000 von Larry A. Coldren et.
al. mit dem Titel „Opto-Electronic
Laser with Integrated Modulator" (jetzt
US-Patent Nr. 6,628,690, erteilt am 30. September 2003), Seriennummer
09/614,895, eingereicht am 12. Juli 2000 von Larry A. Coldren mit
dem Titel „Method
for Converting an Optical Wavelength Using a Monolithic Wavelength
Converter Assembly" (jetzt
US-Patent Nr. 6,349,106, erteilt am 19. Februar 2002), Seriennummer
09/614,375, eingereicht am 12. Juli 2000 von Larry A. Coldren et
al. mit dem Titel" Tunable
Laser Source with Integrated Optical Amplifier (jetzt US-Patent
Nr. 6,658,035, erteilt am 2. Dezember 2003), Seriennummer 09/614,195,
eingereicht am 12. Juli 2000 von Larry A. Coldren et al. mit dem
Titel „Method
of Making and Opto-Electronic Laser with Integrated Modulator" (jetzt US-Patent
Nr. 6,574,259, erteilt am 3. Juni 2003), Seriennummer 09/614,665,
eingereicht am 12. Juli 2000 von Larry A. Coldren et al. mit dem
Titel „Method
of Generating an Optical Signal with a Tunable Laser Source with
Integrated Optical Amplifier" (jetzt
US-Patent 6,687,278, erteilt am 3. Februar 2004) und Seriennummer 09/614,674,
eingereicht am 12. Juli 2000 von Larry A. Coldren mit dem Titel „Method
for Making a Monolithic Wavelength Converter Assymbly" (jetzt US-Patent
Nr. 6,624,000, erteilt am 23. September 2003), wobei alle hiervon
Continuation-in-Part Anmeldungen der anderen sind und alle den Vorteil
unter 35 U. S. C. §119
(e) der folgenden provisorischen US-Patentanmeldungen in Anspruch
nehmen: Seriennummer 60/152,083, eingereicht am 2. September 1999 von
Gregory Fish et al. mit dem Titel "Optoelectronic Laser with Integrated
Modulator", Seriennummer 60/152,049,
eingereicht am 2. September 1999 von Larry Coldren mit dem Titel „Integrated
Optoelectronic Wavelength Converter" und Seriennummer 60/152,072, eingereicht
am 2. September 199 von Beck Mason et al. mit dem Titel „Tunable
Laser Source with Integrated Optical Amplifier". Die vorliegende Erfindung arbeitet
unter denselben allgemeinen Prinzipien und Techniken wie die vorherigen
Hintergrunderfindungen tun.
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Ein
wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es, eine Verstärkung in
dem SGDBR-Spiegel und/oder
den Phasenverschiebungsabschnitten bereitzustellen, um den Verlust
aufzuheben, der normalerweise das Abstimmen mittels Trägerinjektion
begleitet. Ein anderer Schlüsselaspekt
ist es, diese Verstärkung
in einer Konfiguration bereitzustellen, die eine höhere Sättigungsleistung
als die 5 bis 10 mW hat, die typisch für quantenwellaktive Bereiche
in dem 1,5 bis 1,6 μm
Wellenlängenbereich
sind. Die verschiedenen Ausführungsformen
der gegenwärtigen
Erfindung stellen eine Kombination dieser beiden Aspekte bereit,
was Vorrichtungen mit viel höheren
Ausgangsleistungen ermöglicht,
als ohne diese Verbesserungen erreichbar sind.
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2 ist
eine schematische Querschnittsansicht einer ersten Klasse von Ausführungsformen
der gegenwärtigen
Erfindung. Ein optionaler Rückseitenmonitor 122 und
ein vorderseitiger optischer Halbleiterverstärker (SOA) und/oder optische
Modulatorsektionen 124 sind dargestellt. Nicht dargestellt
ist die optionale Unordnung oder Vermischung der Quantenwellverstärkungsbereiche
in dem Abschnitten der Phase 104, des hinteren Spiegels 106 oder
des vorderen Spiegels 108, die eine zusätzliche Optimierung des Lasers 100 bereitstellen.
Wie dargestellt, enthält die
Vorrichtung eine gemeinsame Wellenleiterschicht 110, die
sich entlang ihrer gesamten Länge
erstreckt. Es gibt somit keine optischen Diskontinuitäten, die unerwünschte Reflexionen
verursachen. Dies trifft zu, selbst wenn der optionale Quantenwellvermischungsschritt
hinzugeführt
wird, da das Vermischen keine Nettoveränderung in dem Modalbrechungsindex
verursacht. Ebenso stellt die Einfachheit die ses Querschnitts die
relative Einfachheit der Herstellungssequenz dar, was nur einen
Rezüchtungsschritt erfordert,
um die vergrabenen Gitter bzw. Gratings für die Spiegel 106, 108 zu
bilden. Eine zusätzliche
Rezüchtung
kann jedoch für
eine laterale optische Wellenleitung und eine Stromeinschränkung wünschenswert
sein.
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Die
erste Ausführungsform
verwendet einen gemeinsamen aktiven Wellenleiter 110 entlang
der gesamten Länge
der Vorrichtung. Dieser Wellenleiter 110 besteht aus einer
separaten confinement Heterostruktur (SCH) 200 mit relativ
niedrigenergetischer Bandlücke,
die zentrierte niedrige Quantenwells enthält. Diese Struktur ist optimiert,
so daß sich
die Verstärkung
schnell in den Quantenwells aufbaut, wenn Träger injiziert werden auf ein
Niveau, das ungefähr gleich
demjenigen ist, daß für die Vorrichtungsschwelle
erforderlich ist. An diesem Punkt werden die niedrigen Quantenwells
gefüllt
und einige Träger quellen
bereits in den SCH-Bereich 200. Somit neigt die Verstärkung mit
zusätzlicher
Trägerinjektion
zur Sättigung
mit nur einem leichten Anstieg in dem gewünschten optischen Band, wenn
zusätzliche
injizierte Träger
den höheren
Bandlücken
SCH-Bereich 200 auffüllen.
Das Aufbauen von Trägern
in dem SCH wird jedoch eine wünschenswerte
Veränderung
im Brechungsindex bereitstellen. Somit können durch Verändern der
relativen Vorspannungen der verschiedenen SGDBR-Lasersektionen 102–108 die verschiedenen
Indizes eingestellt werden, während die
Nettoverstärkung
immer noch auf ihrem erforderlichen Grenzwert bleibt. Da die Differentialverstärkung (Steigung
der Verstärkung
gegenüber
der Trägerdichte)
ebenso relativ gering oberhalb des Verstärkungs-Rollover-Punktes ist,
tendiert die Sättigungsenergie
dazu, viel höher
zu sein.
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Das
Aufbauen von Trägern
in dem SCH-Bereich 200 würde normalerweise von einem
Absorptionsnettoverlust der freien Träger begleitet, aber in diesem
Fall wird dies teilweise oder vollständig kompensiert durch die
leichten Anstiege in der Modalverstärkung mit zusätzlichen
Trägern.
Diese Anstiege werden verbessert aufgrund einer Bandschrumpfung,
was ein gut bekannter Vielkörpereffekt
ist, der dazu neigt, die Bandlückenenergie
zu reduzieren, wenn eine große
Trägerdichte
erhalten wird. Somit wird die freie Trägerabsorption, die mit dem
Aufbau von Trägern
in dem SCH-Bereich 200 verknüpft ist, ebenso
zumindest teilweise kompensiert durch stimulierte Band zu Band Emission,
die in dem reduzierten Bandlücken
SCH-Bereich mit hohen Trägerdichten
auftreten kann. Da die Verstärkung
nur bereitgestellt wird an der Niedrigenergiekante dieser Population,
wird die Sättigungsenergie
erneut verbessert. Um diese gewünschte
Operation zu erzielen, müssen
die Bandlücken
und die Anzahl der Quantenwells sowie die Bandlücke und die Breite des SCH-Bereichs
sorgfältig
spezifiziert werden.
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Andere
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung beinhalten eine Modifikation der Absorptions-
und Verstärkungseigenschaften
von dem Phasenabschnitt 104, dem vorderen Spiegelabschnitt 108 und/oder
dem hinteren Spiegelabschnitt 106. Diese Ausführungsformen
können
daher eine bessere Optimierung der Verstärkungseigenschaften des aktiven
Bereichs 102 bereitstellen, während immer noch die gewünschte hohe
Sättigungsenergieverlustkompensation
in den Spiegeln 106, 108 und/oder den Phasenverschiebungssektionen 104 bereitgestellt
wird. Diese Modifikation kann entweder durch selektives Quantenwellmischen,
selektive Bereichszüchtung
oder durch Rezüchtung
von Wellenleitern mit unterschiedlicher Bandlücke nebeneinander erfolgen.
Beispiels weise kann man für
die Quantenwellmisch-Ausführungsformen
Ionenimplantation von Phosphor über
den Wellenleiter 110 verwenden, um Leerstellen zu erzeugen,
die dann in einem Wärmebehandlungsschritt
diffundiert werden können,
um die Quantenwells mit dem umgebenden SCH Wellenleitermaterial 110 zu
mischen. Diese Mischung erhöht
die Nettoabsorptionskante in den Quantenwells und verringert ebenso
die Absorptionskante der benachbarten SCH-Bereiche 200.
Die ungeordneten Bereiche können
somit nun hauptsächlich
wie passive Einstellsektionen arbeiten, die von der Trägerinjektion
herrührende
signifikante Indexveränderungen haben.
Mit der vorliegenden Erfindung werden sie jedoch immer noch die
gewünschte
hinzugefügte
Verstärkung
haben, um bei hohem Pumpen den Verlust zu kompensieren, wo die hohe
Trägerdichte
die Bandlücke über die
Bandschrumpfung ausreichend verringert, so daß Band-zu-Band-Übergänge auftreten.
Erneut ist die Sättigungsenergie
der Verstärkung in
diesen gemischten Sektionen signifikant größer als die der ursprünglichen
nicht gemischten Quentenwell/SCH-Sektionen. Der nicht gemischte
Verstärkungsbereich
kann nun tiefere Quantenwells und höhere Barrieren haben, um Verstärkung effizienter
bereitzustellen.
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Eine
weitere Optimierung wird erzielt in einigen dieser Ausführungsformten
durch Anlegen von zwei Niveaus der Quantenwellmischung, einer Maske
für das
selektive Gebietswachsen variabler Breite oder durch zwei Rezüchtungsschritte,
um drei unterschiedliche Banklücken
entlang des Lasers 100 bereitzustellen. Der Verstärkungsbereich 102 wird
optimal mit relativ niedrigem Quantenwell und hohen SCH-Bandlücken konstruiert.
Eine erste Veränderung
in der Bandlücke
(beispielsweise mit einem ersten Grad der Unordnung) stellt Bereiche
mit leicht erhöhten
Quantenwell-Bandlücken und
leicht erniedrigten SCH-Bandlücken
zur Verfügung.
Eine weitere Veränderung
in der Bandlücke
stellt passive Wellenleiterbereiche zur Verfügung, die sehr effizient wie
in konventionellen SGDBR-Designs eingestellt werden können, während sie
wenig oder keine Verlustkompensation haben (beispielsweise kann
dies verwirklicht werden mit einem zweiten Grad der Unordnung, bei
dem nahezu vollständig
die Quantenwells mit dem SCH vermischt sind). Der erste Grad der
Unordnung stellt Bereiche mit moderaten Verstärkungsniveaus zur Verfügung, jedoch
mit einer höheren
Sättigungsenergie
als für
die ursprünglichen
nicht vermischten Bereiche. Diese haben reduzierte Einstelleigenschaften,
da die Träger
durch stimulierte Rekombination verarmt sind, sie haben jedoch bessere Verstärkungseigenschaften.
Eine dieser Ausführungsformen
verwendet die periodische selektive Unordnung in den SGDBR-Spiegeln
mit zwei Bandlückenbereichen,
um die Verlustkompensation mit geringer Beeinträchtigung in der Einstellbarkeit
zu optimieren. Eine detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
folgt.
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Für die erste
Ausführungsform
ohne irgendeine Quantenwellunordnung wird die Struktur als erstes
vom InP-Basissubstrat 202 zu der Oberseite der SCH-Wellenleiterregion 110 gezüchtet, typischerweise
in einem MOCVD-Gerät
unter Verwendung von standardisierten epitaktischen Halbleiterzuchttechniken.
Der untere Mantel 204 des Substrats 112 ist typischerweise
n-Typ InP; der SCH Wellenleiter 110 ist typischerweise
InGaAsP von ~1,45 bis 1,5 μm
Bandlückenzusammensetzung
(der exakte Bereich wird unten spezifiziert); die beinhalteten Quantenwells
sind typischerweise InGaAS- oder AinGaAsP-wells mit einer Dicke
von 7–10
nm einer Bandlückenzusammensetzung
von 1,6 bis 1,67 μm.
An diesem Punkt wird der „Basiswafer" dann verarbeitet, um
die sampled grating Nuten in die Oberfläche des SCH-Wellenleiters 110 (typischerweise
~30 nm tief) zu ätzen.
Abhängig
von dem Typ der lateralen Führung,
die verwendet wird, wird der Wafer erneut in den Wachstumsreaktor
eingesetzt und zusätzliche Schichten
werden gezüchtet.
Für einen
Grat oder irgendeinen Typ von vergrabener Heterostruktur (BH) lateralen
Wellenleiter wird der obere Mantel 206 (typischerweise
p-Typ InP) und die Kontaktschichten 114 (typischerweise
p+InGaAs) erneut aufgewachsen. Dann wird für eine Kante bzw. einen Grat
umgebendes Material auf den SCH-Wellenleiter 110 heruntergeätzt für die laterale
Einschränkung
oder für die
vergrabene Heterostruktur (BH) wird ein tiefer Grat durch die SCH
heruntergeätzt
und zusätzlich werden
halbleitende oder irgendwelche npnp-Blockierschichten aufgewachsen,
um den Grat zu umgeben, um ein Strom- und optische Einschränkung bereitzustellen.
Andere Wiederaufwachsvariationen sind für den Mantel und die lateralen
Führungsstrukturen
möglich,
wie sie allesamt dem Fachmann bekannt sind; diese Erfindung handelt
hautsächlich
mit dem Design und der Formation des SCH-Wellenleiterbereichs 110.
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Für einige
Ausführungsformen
wird eine selektive Bandlückenveränderung
entlang der Länge bereitgestellt,
um die Verstärkung
und die Einstelleigenschaften der verschiedenen Abschnitte besser
zu optimieren. Falls die optionale Quantenwellunordnung von einigen
Abschnitten verwendet wird, um die Notwendigkeit, den Großteil der
Quantenwellabsorption zu überwinden,
zu reduzieren, beinhaltet das erste Aufwachsen ebenso eine Mantelschicht
(typischerweise InP) von einigen hundert Nanometern Dicke. Diese
wird dann (typischerweise mit P) in eine tiefere Länge als
die Manteldicke implementiert, um Lücken bzw. Fehlstellen nur in
diesem Mantel zu erzeugen. Diese Fehlstellen werden dann durch den SCH-Wellenleiter 110 und
die Quantenwells diffundiert, um die Wells mit dem SCH-Material
in einem Temperschritt zu vermischen. Dann wird dieser erste obere
Mantel entfernt, was jeglichen Ionenimplantierungsschaden entfernt,
die Gratings bzw. Gitter gebildet und die oberen Schichten wie vorher
erneut aufgewachsen. Diese selektive Veränderung in der Bandlücke entlang
der Länge
des Lasers 100 kann ebenso verwirklicht werden durch das
selektive Gebietsaufwachsen, das Maskierungsbereiche variierender
Breite verwendet, um während
des ersten Wachsens Quantenwells und SCH unterschiedlicher Zusammensetzung
und Dicke bereitzustellen. Sie könnte
ebenso verwirklicht werden durch Wegätzen bestimmter Bereiche nach
dem ersten Wachsen und Wiederaufwachsen der gewünschten Bandlückenbereiche
mit einem zweiten Aufwachsen.
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3 ist
eine transversale schematische Darstellung 300 der Energiebänder, aufgetragen über den
SCH-Wellenleiterbereich 110 für die erste Ausführungsform,
bei der ein einzelner gleichförmiger
Quantenwell SCH-Wellenleiter über
die gesamte Vorrichtungslänge
verwendet wird. Es werden InGaAsP/InP-Materialien angenommen, jedoch
können andere
Materialien, die dem Fachmann bekannt sind, in ähnlicher Weise verwendet werden.
Wie in 3 gezeigt ist, ist ein Schlüsselaspekt dieser ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung die relativen Bandlückenenergien oder die optischen
Absorptionskanten korrekt auszuwählen,
um die gewünschte
Verstärkung,
die Abstimmung und die Verlusteigenschaften in den verschiedenen
Sektionen, die alle einer gemeinsamen Wellenleiterstruktur angehören, zu
verwirklichen.
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Wie
in 3 dargestellt ist, besteht die Wellenleiterführung as
grown bzw. wie gewachsen aus einer relativ niedrigen Bandlückenenergie
SCH 302, die zentriert flache Quantenwells enthält. Diese Struktur
ist optimiert, so daß sich
die Verstärkung
in den Quantenwells schnell aufbaut, wenn Träger auf ein Niveau injiziert
werden, was in etwa gleich dem Niveau ist, das für die Vorrichtungsschwelle 304 erforderlich
ist. An diesem Punkt werden die flachen Quantenwells gefüllt und
einige Träger
werden bereits in den SCH-Bereich verstreut. Somit neigt die Verstärkung mit
zusätzlicher
Trägerinjektion
zum Sättigen
mit nur einem leichten Anstieg in dem gewünschten optischen Band, wenn
zusätzlich
injizierte Träger
den höheren
Bandlücken
SCH-Bereich fülle. Das
Aufbauen von Trägern
in der SCH wird jedoch die gewünschte
Brechungsindexveränderung
bereitstellen. Somit können
die verschiedenen Indizes durch Verändern der relativen Vorspannungen
der verschiedenen SGDBR-Lasersektionen eingestellt werden, während die
Nettoverstärkung
immer noch auf ihrem erforderlichen Grenzwert bleibt.
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Die
Analyse zeigt an, daß optimale
Werte für die
SCH-Bandlücke
zwischen 1 bis 2 kT (oder 26 bis 52 meV) über der Laserenergie liegen
oder eine etwa 50 bis 100 nm kürzer
Wellenlänge
als die Wellenlänge
nahe 1550 nm haben. Die Laserenergie ist typischerweise näherungsweise
gleich der kleinsten berechneten Subbandübergangsenergie in dem Quantenwell
ohne Pumpen. Bandlückenschrumpfen
reduziert die Bandlücke
und diese kleinste Subbandenergie um etwa 30 meV bei typischer Trägerschwellwertdichte
und die Linienformrundung und die Zustandsfüllung wirken zusammen, um die
typische Laserwellenlänge
zurück
an denselben Punkt wie die berechnete trägerfreie Subbandkante zu stellen.
Diese Trennung zwischen der Laserenergie und der SCH-Wellenleiter
Absorptionskante ist viel kleiner als normal in typischen Mehrfachquantenwell
SCH-Lasern, wo es üblicherweise
gewünscht
ist, eine gute Trägereingrenzung
auf die Quantenwells zu haben. Diese Trennung führt zu einer verstärkungsweisen Stromdichtecharakteristik,
die bei relativ geringen Werten sättigt.
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Für einen
Betrieb nahe 1550 nm sind die Quantenwells besonders bevorzugt zusammengesetzt
aus kompressiv verspannten InGaAs- oder InGaAsP mit etwa 1% Verformung,
obgleich verschiedene andere Welldesigns relativ gut arbeiten können. Variieren
der Spannung und der Zusammensetzung wird zu Wells mit unterschiedlicher
Breite führen;
die ternären
Wells der kompressivsten Spannung werden am schmalsten mit der geringsten
Sättigungsverstärkung sein,
und die quarternären
Wells mit der am wenigst kompressiven Verspannung werden die breitesten
mit der größten Sättigungsverstärkung sein.
Die Anzahl von Wells und die gewünschte
Breite wird von dem Kavitätsverlust
der betrachteten bestimmten Vorrichtung abhängen. Im allgemeinen sollte
die Verstärkung
bei etwa dem Schwellwertverstärkungsniveau
sättigen.
Somit ist es die Aufgabe, die Anzahl von Wells und die Zusammensetzung
auszuwählen,
um diese Bedingung zu erreichen.
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Mit
diesem Design kann die Trägerdichte
in den SCH-Bereichen durch Variieren der Vorspannungsströme an den
verschiedenen Sektionen moduliert werden. Diese Modulation variiert
wiederum den Brechungsindex und die optische Pfadlänge und/oder
die Braggwellenlänge
des bestimmten in Frage stehenden Abschnitts, um den Laser abzustimmen.
Somit haben die Ströme
zu den verschiedenen Elektroden in etwa dieselbe Funktion wie in den
SGDBR-Lasern des Standes der Technik. Es ist jedoch im allgemeinen
notwendig, in einem Abschnitt bzw. Sektion die Vorspannung zu reduzieren,
und zwar zur selben Zeit, wie sie in einem anderen Abschnitt erhöht wird
aufgrund des Klemmens der modalen Nettoverstärkung in der Vorrichtung an
ihrem Schwellwert. Dieser Effekt wird minimiert durch Arbeiten in
dem gesättigten
Bereich der Verstärkungskurve,
es liegt jedoch immer noch nahe, daß die beste Abstimmung verwirklicht
wird durch gleichzeitiges Erniedrigen eines Stroms, während ein
anderer erhöht
wird.
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4 stellt
die Bandstruktur 400 bei niedrigem und hohem Trägerinjektionsniveau
(d. h. bei niedrigem und hohem Pumpen) dar. Der unerwünschte Verlust,
der mit dem Aufbau von Trägern
in dem SCH-Bereich verbunden ist, wird teilweise kompensiert durch
leichte Vergrößerungen
in der modalen Verstärkung,
die mit Band-zu-Band-Übergängen verbunden
sind, die nur in der SCH existieren können, aufgrund eines signifikanten
Bandschrumpfens 402, ΔES, was die SCH-Bandlücke verringert, so daß sie in
den Laserwellenlängenbereich
bei hohen Trägerdichten
fällt,
wo das Material invertiert wird. Wie in 4 dargestellt
ist, breiten sich bei hohen Injizierungsgraden die Ladungsträger aus
den Quantenwells aus, um den SCH-Bereich zu füllen. Dies stellt die Änderung
im Brechungsindex zur Verfügung.
Die Bandschrumpfung 402, ΔES bewegt
jedoch nur die Bandlücke
der SCH unter diese Übergangsenergie. Glücklicherweise
wird dem Leitungs-/Valenzbandzustand die Besetzung invertiert, so
daß eine
Nettoverstärkung
resultiert. Dieser Effekt zusammen mit der Tatsache, daß es eine
Verstärkungskompensation der
passiven und Streuverluste an dem ersten Ort mit korrekter Vorspannung
gibt, führt
zu Ausgangsleistungen, die viel höher sind als sie mit Aufbauten
des Standes der Technik möglich
waren. 4 stellt die Niedrig- und Hochenergieniveaus bei
niedrigem Pumpen 404, 406 relativ zu den Niedrig-
und Hochenergieniveaus bei hohen Pumpen 408, 410 dar.
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Die 5 und 6 erläutern weiter
die modale Verstärkung/Verlustcharakteristiken
einer typischen Sektion mit der grundlegenden Konstruktion der gegenwärtigen Erfindung.
Dieselben zwei Pumpniveaus, die in 4 vorgeschlagen
wurden, werden betrachtet. 5 stellt
die modale Verstärkung über der
Energie für
die Trägerdichten
von 4 dar. 6 zeigt den modalen Index gegenüber der
Trägerdichte.
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5 skizziert
die Verstärkung
für die
zwei Pumpniveaus von 4. Die erste ist für moderates Pumpen,
was typischerweise ausreichend sein dürfte, um das modale Verstärkungsschwellwertniveau für die Zentralwellenlänge bereitzustellen,
wenn alle Sektionen gleich gepumpt werden. Die positive Verstärkung erstreckt
sich von einer niedrigen Energie 404, EL,
der Energietrennung der ungestörten
Subbandkanten, zu einer Hochenergie 406 EH,
die sich von der Leitungsbandkante der SCH (unter der Annahme des
großen
Prozentsatzes von Trägern
in der SCH) zu einer Valenzbandenergie immer noch unterhalb des
Quantenwellbarriere erstreckt. Es ist wichtig, daß mit einem
großen
Prozentsatz von Trägern
in der SCH es immer noch eine viel größere Trägerdichte in den Quantenwells
gibt. D. h., die modale Indexabstimmung und somit die Wellenlängenabstimmung
ist immer noch klein, wie in 6 gezeigt
ist. Die zweite Kurve stellt die Verstärkung unter hohem Pumpen dar.
Es kann notwendig sein, das Pumpen irgendwo leicht zu reduzieren,
um eine Ladungsträgerklemmung
zu verhindern, wie jedoch gezeigt ist, gibt es kaum Verstärkungsan stieg
bei irgendeiner Wellenlänge,
so daß dies
nicht notwendig sein braucht. Der wichtige Punkt ist, daß die Trägerdichte in
der SCH viel höher
ist, und dies eine signifikante Einstellung bereitstellt, wie in 6 gezeigt
ist. Das Verstärkungsspektrum
ist signifikant verbreitert, von einer niedrigen Energie 408,
EL' zu
einer hohen Energie 410, EH', es gibt jedoch
kaum einen Anstieg an seinem Scheitelwert aufgrund der Sättigung
der verfügbaren
Zustände
in dem Laserband.
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Die
Verstärkungscharakteristiken
von
5 zeigen ebenso an, daß die Sättigungsenergie für diese
Konfiguration groß sein
sollte. Wie in verschiedenen Arbeiten gefunden werden kann, beispielsweise in
den Gleichungen (8.18) bis (8.24) in Kapitel 8 der Veröffentlichung „Diode
Lasers and Photonic Integrated Circuits" von L. Coldren und S. Corzine, 1995,
die hier durch Bezugnahme aufgenommen werden, werden die Sättigungscharakteristiken
der inkrementellen Verstärkung
g für eine
optische Leistung P gegeben durch
wobei g
0 die
Kleinsignalverstärkung
ist und die Sättigungsenergie
ist.
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Die
Parameter w und d sind die Breite und Dicke des aktiven Bereichs,
der die Träger
enthält, (hυ) ist die
Photonenenergie, a ist die Differentialverstärkung, dg/d/N, Γxy ist
der transversale Einschränkungsfaktor,
der den relativen Verstärkungs-/optischen
Modenüberlapp
mißt,
und τ ist
die Trägerlebensdauer.
Wenn nun die Träger
in den SCH-Bereich heraustreten, was die Charakteristiken ergibt,
wie in 5 gezeigt ist, wird die Differentialverstärkung a klein
(weniger als 20% der besten Quantenwellverstärkungsbereiche) und die Dicke
d, die Träger
enthält,
vergrößert sich
mehr als der Eingrenzungsfaktor ΓXY. Die Sättigungsenergie
erhöht
sich somit um ein Vielfaches, was der Ausgangsleistung erlaubt,
einige zehn Milliwatt zu sein.
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7 zeigt
die Bandstruktur 700 einer gemischten Sektion (oder einer,
die durch selektive Gebietszüchtung
oder angrenzende Neuzüchtung
gebildet wurde), die in einer anderen Ausführungsform existiert, wo eine
Veränderung
in der Bandlücke
in dem Spiegel- und/oder Phasenverschiebungsbereich erzeugt wird.
Das ursprüngliche
Wachstum beginnt ebenso mit einer höheren SCH-Bandlücke, um den
aktiven Bereich besser zu optimieren. Nach dem Mischen wird die
Quantenwellbandlücke
angehoben und die SCH-Bandlücke 702 wird
leicht reduziert, um einen besseren Betrieb von sowohl dem Verstärkungs-
als auch dem Einstimmbereich bereitzustellen. Typische SCH-Bandlückenwerte
des Startmaterials in diesem Fall wären von 1,45 bis 1,4 μm. Die SCH-Bandlücke 702 der
gemischten Struktur 700 ist größer als die SCH-Bandlücke der
nicht gemischten Struktur 300.
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Noch
eine andere Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung reduziert die Effekte der Verstärkungsklemmung
auf die Freiheit, die Trägerdichte
in irgendeiner Sektion zu variieren sowie die Notwendigkeit, jede
Sektion auf zumindest Transparenz vorzuspannen. In diesem Fall arbeitet die
Vorrichtung eher wie der SGDBR-Laser des Standes der Technik mit
der wichtigen Ausnahme, daß wir
immer noch ein Mittel der Verlustkompensation der Absorption von freien
Trägern
haben. Dies tritt auf, wenn der ungeordnete Quantenwellbereich eine
Bandlücke
von 1 bis 2 kT über
dem Zentrum des Laserwellenbandes hat. Somit bewegt bei höheren Pumpniveaus,
wo die größere Anzahl
von Trägern
injiziert wird, die Bandschrumpfung die Bandkante der SCH auf ein
Niveau hinunter, wo Band-zu-Band-Übergänge in der SCH bei der Laserwellenlänge möglich sind.
In der Verstärkungsregion,
wo es kein Vermischen gibt, existiert somit ein SCH-Bereich mit
etwa höherer
Bandlücke,
um eine bessere Ladungsträgereingrenzung
bereitzustellen, während
in den gemischten Regionen die gewünschte Verlustkompensation
bei höheren Pumpniveaus
immer noch existiert. Somit gibt es eine geringere Verschlechterung
in den gewünschten individuellen
Eigenschaften der verschiedenen Sektionen.
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Die 8A bis 8B stellen
eine Ausführungsform
dar, in der drei unterschiedliche Bandlückenregionen erzeugt werden.
Die zwei unteren Bandlückenbereiche 802 werden
periodisch in den SGDBR-Spiegelsektionen 106, 108,
wie in 8A dargestellt ist, plaziert. 8B stellt
eine mögliche getrennte
elektrische Verbindung zu zwei von diesen dar, die in den SGDBR-Spiegelsektionen 106, 108 angeordnet
sind. Die elektrischen Kontakte für die Verstärkungssektion 804 und
die Phasensektion 806 sind wie üblich gezeigt. Der vordere
und der hintere Spiegel 108, 106 haben jeweils
Verstärkungskontakte 808, 819,
die mit den Abstimmkontakten 812, 814 verzahnt
sind. Dies ist nicht wesentlich, es wird jedoch einen optimierteren
Betrieb bereitstellen, jedoch zu dem Preis, daß ein zusätzlicher Stromanschluß in jedem
Spiegel vorhanden ist. Die SCH-Region in der Verstärkungssektion
kann hier eine noch größere Bandlücke (~1,3
bis 1,4 μm)
und Quantenwells haben, die für
den effizientesten Betrieb dieser Sektion optimiert sind; der erste
ungeordnete Bereich (zweite Bandlücke) wird die Quantenwells
mischen, um eine Bandlücke
zu erhalten, die leicht vergrößert ist
und eine SCH, die leicht reduziert ist. Das Ausmaß der Trägereinschränkung wird ebenso
zumindest verdoppelt. Dieser Bereich wird für die Verstärkung in den Spiegeln verwendet.
Dies ist wünschenswert,
da es eine etwas höhere
Sättigungsenergie
als das optimierte Material des Quantenwellverstärkungsbereichs haben wird und
immer noch gute Verstärkungseigenschaften über dem Großteil des
Wellenlängenbandes
haben wird. Die Bandlückenschrumpfung
wird dies wieder ermöglichen,
da höhere
Trägerdichten
notwendig sein werden, um eine gute Verstärkung, verglichen mit der optimierten
nicht vermischten Verstärkungssektion,
bereitzustellen. Der zweite ungeordnete Bereich (dritte Bandlücke) wird
vollständig
die Quantenwells und die SCH vermischen, um optimale Abstimmcharakteristiken
bereitzustellen, jedoch mit keiner Verlustkompensation. Der teilweise
vermischte Verstärkungsbereich
wird periodisch in den Spiegeln plaziert, um die Verlustkompensation
mit relativ hoher Sättigungsenergie
bereitzustellen.
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Wie
sich dem Fachmann ergibt, können
die Prinzipien der vorhergehenden Ausführungsformen dieser Erfindung
ebenso verwendet werden bei der Erzeugung von optimierten integrierten
Verstärkern und
Modulatoren, wie sie beschrieben wurden in den gemeinsam übertragenen
und ebenfalls anhängigen US-Patentanmeldungen:
Seriennummer 09/614,224, eingereicht am 12. Juli 2000 von Larry
A. Coldren et. al. mit dem Titel „Method of Making a Tunable
Laser Source with Inte grated Optical Amplifier" (jetzt US-Patent Nr. 6,654,400. ausgestellt
am 25. November 2003), Seriennummer 09/614,377, eingereicht am 12.
Juli 2000 von Larry A. Coldren mit dem Titel „Integrated Opto-Electronic
Wavelength Converter Assembly" (jetzt
US-Patent Nr. 6,580,739, erteilt am 17. Juni 2003), Seriennummer
09/614,376, eingereicht am 12. Juli 2000 von Larry A. Coldren et.
al. mit dem Titel „Method
of Converting an Optical Wavelength with an Opto-Electronic Laser
with Integrated Modulator" (jetzt
US-Patent Nr. 6,614,819, erteilt am 2. September 2003), Seriennummer
09/614,378, eingereicht am 12. Juli 2000 von Larry A. Coldren et.
al. mit dem Titel „Opto-Electronic
Laser with Integrated Modulator" (jetzt
US-Patent Nr. 6,628,690, erteilt am 30. September 2003), Seriennummer
09/614,895, eingereicht am 12. Juli 2000 von Larry A. Coldren mit dem
Titel „Method
for Converting an Optical Wavelength Using a Monolithic Wavelength
Converter Assembly" (jetzt
US-Patent Nr. 6,349,106, erteilt am 19. Februar 2002), Seriennummer
09/614,375, eingereicht am 12. Juli 2000 von Larry A. Coldren et
al. mit dem Titel" Tunable
Laser Source with Integrated Optical Amplifier (jetzt US-Patent
Nr. 6,658,035, erteilt am 2. Dezember 2003), Seriennummer 09/614,195, eingereicht
am 12. Juli 2000 von Larry A. Coldren et al. mit dem Titel „Method
of Making and Opto-Electronic
Laser with Integrated Modulator" (jetzt
US-Patent Nr. 6,574,259, erteilt am 3. Juni 2003), Seriennummer
09/614,665, eingereicht am 12. Juli 2000 von Larry A. Coldren et
al. mit dem Titel „Method
of Generating an Optical Signal with a Tunable Laser Source with
Integrated Optical Amplifier" (jetzt
US-Patent 6,687,278, erteilt am 3. Februar 2004), Seriennummer 09/614,674,
eingereicht am 12. Juli 2000 von Larry A. Coldren mit dem Titel „Method
for Making a Monolithic Wavelength Converter Assymbly" (jetzt US-Patent
Nr. 6,624,000, erteilt am 23. September 2003), die alle Continuation-in-Part
Anmeldungen der anderen sind und die alle die Vorteile unter 35
U. S. C. §119
(e) der folgenden provisorischen US-Patentanmeldungen beanspruchen:
Seriennummer 60/152,083, eingereicht am 2. September 1999 von Gregory
Fish et al. mit dem Titel "Optoelectronic
Laser with Integrated Modulator",
Seriennummer 60/152,049, eingereicht am 2. September 1999 von Larry
Coldren mit dem Titel „Integrated
Optoelectronic Wavelength Converter" und Seriennummer 60/152,072, eingereicht
am 2. September 1999 von Beck Mason et al. mit dem Titel „Tunable
Laser Source with Integrated Optical Amplifier".
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Dies
beendet die Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung. Zusammenfassend offenbart die vorliegende Erfindung einen
einstellbaren Laser einschließlich
einer Verstärkungssektion
für das
Erzeugen eines Lichtstrahls durch stimulierte und spontane Emission
entlang einer Bandbreite, einer Phasensektion für das Steuern des Lichtstrahls
um eine Zentralfrequenz der Bandbreite, eines Wellenleiters für das Führen und Reflektieren
des Lichtstrahls in einer Kavität
einschließlich
einer separaten confinement Heterostruktur (SCH) mit relativ niedriger
Energiebandlücke,
einem vorderen Spiegel, der ein Ende der Kavität begrenzt, und einem hinteren
Spiegel, der ein gegenüberliegendes
Ende der Kavität
begrenzt, wobei die Verstärkung
bereitgestellt wird von zumindest einem Element der Gruppe, die
besteht aus der Phasensektion, dem vorderen Spiegel und dem hinteren
Spiegel.
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Die
vorhergehende Beschreibung von ein oder mehreren Ausführungsformen
der Erfindung wurde aus Zwecken der Illustration und Beschreibung
präsentiert.
Es nicht beabsichtigt, allumfas send zu sein oder die Erfindung auf
die präzise
Form, die hier beschrieben wurde, zu begrenzen. Viele Modifikationen
und Variationen sind im Licht der obigen Lehre möglich. Es ist beabsichtigt,
daß der
Schutzbereich der Erfindung nicht durch diese detaillierte Beschreibung
begrenzt wird, sondern vielmehr durch die hier angefügten Patentansprüche.