DE102004037362A1 - Optical multiplexer transceiver, has several active photosensitive and light emitting units tuned in different wavelengths, where transceiver is developed as monolithically integrated optical semiconductor chip - Google Patents
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Abstract
Description
Gebiet der ErfindungField of the invention
Die Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der integrierten Optik und im speziellen einen optischen Halbleiterchip mit der Funktion eines Multiplexer-Transceivers für FTTx Anwendungen, insbesondere einen optischen Triplexer-Transceiver.The The invention relates generally to the field of integrated optics and in particular, an optical semiconductor chip having the function of Multiplexer transceivers for FTTx applications, in particular an optical triplexer transceiver.
Die Nachfrage nach Hochgeschwindigkeitszugängen für die Datenübertragung und sogenannte Tripleservices (Sprache, Daten, Video) ist höher als zuvor und FTTx-Netzwerke sind der Schlüssel für diese Dienste. Derzeit werden diese FTTx Netzwerke bereits auf der ganzen Welt eingeführt. FTTx ist ein Akronym für die Anwendungen „Fiber to the Home", "Fiber to the Premises", "Fiber to the Curb" oder "Fiber to the Building", etc. Diese Begriffe stehen für verschiedene „last mile" Netzwerkzugänge, insbesondere optische Monomode-Glasfasernetze. Z.B. ist die FTTH-Technik wie alle anderen FTTx-Techniken eine Glasfaseranschlusstechnik, bei der die Glasfaser von der Ortsvermittlungsstelle bis ins Haus an das Teilnehmer-Endgerät geführt wird. Mit dieser zukunftsorientierten Anschlusstechnik lassen sich alle zukünftigen, interaktiven, breitbandigen Verteildienste nutzen.The Demand for high-speed access for data transmission and so-called Tripleservices (Voice, data, video) is higher as before and FTTx networks are the key to these services. Currently These FTTx networks have already been introduced around the world. FTTx is an acronym for the applications "Fiber to the Home, Fiber to the Premises, Fiber to the Curb, or Fiber to the Building, etc. These terms stand for different "last mile "network access, in particular optical single-mode optical fiber networks. For example, is the FTTH technique like all other FTTx techniques include fiber optic connectivity the fiber from the local exchange to the house the subscriber terminal guided becomes. With this future-oriented connection technology can be all future, use interactive broadband distribution services.
Es gibt mehrere gängige Spezifikationen und Protokolle für diese Technologie, (siehe z. B.: http://www.ftthcouncil.org/, und http://www.itu.int/home/index.html), wobei jedoch für auf Monomode-Wellenleiter basierenden Anwendungen folgende Technologie am häufigsten für bidirektionale Kommunikation verwendet wird: 1490 nm data Rx, 1550 nm video Rx, 1310 nm data Tx; wobei Rx für download (Provider → Home) und Tx für upload (Home → Provider) Datentransfer steht. Mittels sogenannten Triplexer Transceivern, die mit der datenübertragenden Monomoder-Glasfaser gekoppelt sind, lassen sich gleichzeitig Signale auf 1490 nm und 1550 nm Wellenlänge empfangen und auf 1310 nm senden.It are several common Specifications and protocols for This technology (see for example: http://www.ftthcouncil.org/, and http://www.itu.int/home/index.html), although for single-mode waveguides based applications the most common technology for bidirectional Communication is used: 1490 nm data Rx, 1550 nm video Rx, 1310 nm data Tx; where Rx is for download (Provider → Home) and Tx for upload (Home → Provider) Data transfer is available. By means of so-called triplexer transceivers, those with the data transmitting monomoder fiber are coupled, can simultaneously signals to 1490 nm and 1550 nm wavelength receive and send to 1310 nm.
Derzeit
werden Triplexer Transceiver aus diskreten Komponenten gefertigt,
die gemeinsam in einem Gehäuse
untergebracht werden und aussehen wie in
Der in dieser Abbildung beispielhaft
vorgestellte, derzeit kommerziell erhältliche, Txiplexer-Transceiver
- a) einer Multiquantenwell Fabry Perot (MQW FP) Laserdiode als Transmitter mit 1310 nm Wellenlänge Ausgang
- b) einer 1490 nm InGaAs P-I-N Diode als digitalem Receiver
- c) einem in 45° montierten halbdurchlässigem Spiegel, der 1490 nm durchlässt und 1550 nm um 90° ablenkt, und
- d) einer 1550 nm InGaAs P-I-N Diode als digitalem Receiver.
The exemplified in this figure, currently commercially available, Txiplexer transceiver
- a) a multi-quantum well Fabry Perot (MQW FP) laser diode as a transmitter with 1310 nm wavelength output
- b) a 1490 nm InGaAs PIN diode as a digital receiver
- c) a 45 ° mounted semitransparent mirror which transmits 1490 nm and deflects 1550 nm by 90 °, and
- d) a 1550 nm InGaAs PIN diode as a digital receiver.
Wie man sieht, ist hier ein externes Gehäuse unbedingt notwendig, da dieses Gehäuse vier unterschiedliche Bauelemente beherbergt. Der gesamte Triplexer Transceiver erfordert einen entsprechenden Montageaufwand und ist verhältnismäßig groß. Eine Ankopplung an die Monomode-Glasfaser erfolgt über eine herkömmliche Steckverbindung.As one sees, here an external housing is absolutely necessary, there this case houses four different components. The entire triplexer Transceiver requires a corresponding installation effort and is relatively large. A Coupling to the single-mode optical fiber via a conventional Plug connection.
Es ist noch zu erwähnen, dass in den nächsten Jahren daran gedacht wird, in anderen Protokollen den 1310 nm Kanal auch als Rx Kanal auszuführen und einen zusätzlichen 1625 nm Wellenlängen Kanal für Fehler Detektion zu verwenden. Für diese Technik müssen dann Fünffach-Multiplexer Transceiver entwickelt und gebaut werden. Dies erschwert den Aufbau in der herkömmlichen diskreten Bauweise zusätzlich.It is still to be mentioned that in the next Is remembered in other protocols the 1310 nm channel also as Rx channel and an additional one 1625 nm wavelength channel for mistakes To use detection. For this technique must then five-fold multiplexer Transceivers are developed and built. This complicates the structure in the conventional discrete construction in addition.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Multiplex Transceiver und ein Verfahren zu dessen Herstellung zu schaffen, der kleiner, kostengünstiger und zuverlässiger ist als die bisherigen Systeme.The The object of the invention is therefore a multiplex transceiver and to provide a method of making it, the smaller, cost-effective and more reliable is as the previous systems.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst.These The object is achieved by the Characteristics of the independent Claims solved.
Bevorzugte Ausgestaltungen sowie weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.preferred Embodiments and other advantageous features of the invention are in the subclaims specified.
Erfindungsgemäß ist ein optischer Multiplexer-Transceiver beschrieben, der als monolithisch integrierter optischer Halbleiterchip aufgebaut ist und mehrere, auf verschiedene Wellenlängen abgestimmte aktive photosensitive und lichtemittierende Elemente umfasst.According to the invention is a optical multiplexer transceiver described as monolithic integrated optical semiconductor chip is constructed and several, to different wavelengths coordinated active photosensitive and light-emitting elements includes.
Der optische Halbleiterchip basiert auf einem Halbleitersubstrat, auf dem mindestens ein erster Schichtaufbau, der ein photosensitives Element für Licht einer ersten Wellenlänge bildet, und ein auf dem ersten Schichtaufbau angeordneter, weiterer Schichtaufbau, der ein lichtemittierendes Element für Licht einer weiteren Wellenlänge bildet, angeordnet sind. Zwischen dem photosensitiven Element und dem lichtemittierende Element können ein oder mehrere weitere photosensitive Elemente angeordnet sein.Of the optical semiconductor chip is based on a semiconductor substrate, on the at least one first layer structure which is a photosensitive Element for light a first wavelength forms, and arranged on the first layer structure, further layer structure, which forms a light-emitting element for light of a further wavelength, are arranged. Between the photosensitive element and the light-emitting Element can one or more further photosensitive elements can be arranged.
Erfindungsgemäß wird also ein integriertes optisches Bauelement in Form eines Multiplexer Transceiver, insbesondere eines Triplexers, geschaffen, das bei Wellenlängen von vorzugsweise 1550 nm und 1490 nm optische Signale empfangen und mittels zwei Photodetektoren in elektrische Signale umwandeln kann, und das außerdem elektrische Signale in optische Signale einer Wellenlänge von vorzugsweise 1310 nm umwandelt und aussendet. Die optischen Signale werden über einen Monomode-Wellenleiter ein- und ausgekoppelt.According to the invention thus an integrated optical device in the form of a multiplexer transceiver, in particular a triplexer, created that can receive optical signals at wavelengths of preferably 1550 nm and 1490 nm and convert it into electrical signals by means of two photodetectors, and also electrical signals in optical signals of a wavelength of preferably 1310th nm converts and sends out. The optical signals are coupled in and out via a single-mode waveguide.
Im
Gegensatz zu eingangs beschriebenen, handelsüblichen Triplexer Transceivern
werden erfindungsgemäß drei optisch
aktive Bauelemente auf einem Halbleiterchip integriert und vorzugsweise
unmittelbar mit einem Monomode-Wellenleiter
verbunden. Die Bauelemente sind:
Ein lichtemittierendes Bauelement,
vorzugsweise in Form einer 1310 nm Laserdiode, beispielsweise ausgebildet
als Vertical Cavity Surface Emitting Laser (VCSEL) oder Distributed
Feedback (DFB) Laser, die in Richtung Oberflächennormale abstrahlt,
ein
photosensitives Bauelement, vorzugsweise in Form einer 1490 nm Photodiode,
beispielsweise durch eine InGaAs PIN-Diode realisierbar, und
ein
weiteres photosensitives Bauelement, vorzugsweise in Form einer
1550 nm Photodiode, beispielsweise ebenfalls durch eine InGaAs PIN-Diode
realisierbar.In contrast to the commercially available triplexer transceivers described at the beginning, according to the invention three optically active components are integrated on a semiconductor chip and are preferably connected directly to a single-mode waveguide. The components are:
A light-emitting component, preferably in the form of a 1310 nm laser diode, for example, designed as a vertical cavity surface emitting laser (VCSEL) or distributed feedback (DFB) laser, which radiates in the direction of surface normal,
a photosensitive component, preferably in the form of a 1490 nm photodiode, for example, by an InGaAs PIN diode feasible, and
another photosensitive component, preferably in the form of a 1550 nm photodiode, for example, also by an InGaAs PIN diode feasible.
Der Halbleiterchip umfasst die unterschiedlichen Funktionalitäten (Photodioden, Laser...) in unterschiedlichen epitaktischen Schichten verwirklicht, wobei die Schichten beispielsweise aus InxGa1-xAs mit unterschiedlichem x-Gehalt (Dotierungsgehalt) gebildet sind.The semiconductor chip comprises the different functionalities (photodiodes, lasers, etc.) realized in different epitaxial layers, wherein the layers are formed, for example, from In x Ga 1-x As with different x content (doping content).
Die Wellenlängenselektivität der Photodioden wird durch eine geschickte Anordnung (Schichtung) der Bauelemente in vertikaler Richtung und zusätzliche lithographische Schritte (Strukturierung) in horizontaler Richtung gewährleistet. Insbesondere werden die einzelnen optischen Elemente entsprechend ihrer zugeordneten Wellenlänge auf dem Substrat geordnet. Das optische Element mit der längsten Wellenlänge wird am nächsten zum Substrat angeordnet, während das optische Element mit der kürzesten Wellenlänge am weitestem vom Substrat entfernt angeordnet wird.The Wavelength selectivity of the photodiodes is achieved by a clever arrangement (stratification) of the components in the vertical direction and additional lithographic steps (structuring) in the horizontal direction guaranteed. In particular, the individual optical elements are corresponding their assigned wavelength arranged on the substrate. The optical element with the longest wavelength becomes the next while arranged to the substrate the optical element with the shortest wavelength placed farthest from the substrate.
Zur Passivierung des Wafers kann als Deckschicht ein Dielektrikum aufgebracht werden, das eine Oxid- oder Oxinitridschicht ist. Die Deckschicht kann den Chip auch vollständig umschließen und nur durch die elektrischen Kontakte unterbrochen sein.to Passivation of the wafer can be applied as a cover layer, a dielectric which is an oxide or oxynitride layer. The cover layer can the chip also completely enclose and be interrupted only by the electrical contacts.
Ein weiteres wichtiges Merkmal ist, dass die photosensitiven und lichtemittierenden Elemente unabhängig voneinander kontaktiert und betreibbar sind.One Another important feature is that the photosensitive and light-emitting Elements independent contacted and operable from each other.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann der die photosensitiven und lichtemittierende Elemente tragende Wafer in mehrere nebeneinander liegende säulenartige Strukturen unterteilt werden, wobei die photosensitiven und/oder lichtemittierenden Elemente jeder Säulenstruktur ebenfalls unabhängig voneinander kontaktiert und betreibbar sind.In a particularly preferred embodiment of the invention, the the wafers supporting the photosensitive and light emitting elements divided into several adjacent columnar structures be, wherein the photosensitive and / or light-emitting elements each column structure also independent contacted and operable from each other.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung können zur Verbesserung des Signal/Rauschverhältnisses eine oder mehrere optische Filterstrukturen über den lichtsensitiven Elementen angebracht sein, die unerwünschte Frequenzen von den jeweils darunter angeordneten photosensitiven Elementen fern halten.In A further embodiment of the invention can be used to improve the signal-to-noise ratio one or more optical filter structures over the light-sensitive elements be attached, the unwanted Frequencies from the respectively photosensitive ones arranged underneath Keep elements away.
Zur Aufbringung von Filterschichten können die zuoberst angeordneten lichtemittierende Elemente entfernt werden, indem z.B. die lichtsensitiven Elemente mittels lithographischen Prozessen freigelegt werden.to Application of filter layers can be arranged at the top light-emitting elements are removed by e.g. the light-sensitive ones Elements are exposed by means of lithographic processes.
Sofern das Substrat eine Bandlücke größer als 0.9 eV entsprechend einer Wellenlänge von λ < 1300 nm aufweist, kann des Substrat unmittelbar mit einem Lichtwellenleiter verbunden werden. Die einzelnen lichtemittierenden und photosensitiven Elemente sind in diesem Fall in umgekehrter Reihenfolge auf dem Substrat angeordnet und senden und empfangen das Licht zum/vom Wellenleiter durch das transparente Substrat hindurch.Provided the substrate a band gap greater than 0.9 eV corresponding to a wavelength of λ <1300 nm, the substrate be connected directly to an optical fiber. The single ones light-emitting and photosensitive elements are in this case arranged in reverse order on the substrate and send and receive the light to / from the waveguide through the transparent Substrate through.
Ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Halbleiterchips für Multiplexer-Transceiver Anwendungen ist ebenfalls angegeben. Nach der epitaktischen Herstellung und den Lithographieschritten werden die Halbleiterchips geschnitten, auf Träger gesetzt, elektrisch kontaktiert und mit einem Wellenleiter (Glasfaser) zusammen in eine transparente Masse (Polymer oder SiO2) eingegossen. Die Elektronik zur Verstärkung der Signale kann z.B. in Si-Technologie ausgeführt werden; prinzipiell wäre natürlich möglich, die Verstärkerelektronik auch z. B.: in GaAs auszuführen.A method for manufacturing an optical semiconductor chip for multiplexer transceiver applications is also provided. After the epitaxial production and the lithography steps, the semiconductor chips are cut, placed on carriers, electrically contacted and molded together with a waveguide (glass fiber) into a transparent mass (polymer or SiO 2 ). The electronics for amplifying the signals can be implemented, for example, in Si technology; In principle, of course, would be possible, the amplifier electronics also z. B .: to perform in GaAs.
Kurzbeschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Es zeigt:It shows:
Beschreibung von bevorzugten Ausgestaltungen der ErfindungDescription of preferred Embodiments of the invention
In
Direkt über diese
erste Halbleiterschicht
Diese
oben liegende, zweite Halbleiterschicht
Auf
die zweite Halbleiterschicht
- – einem
unteren DBR
37 , beispielsweise InxAl1-xAs/InP - – einer
aktiven lichtemittierenden Schicht
39 bei einer Wellenlänge von λ3= 1310 nm, beispielsweise aus InxGa1-xAs mit x etwa 0,35; diese Schicht kann jedoch auch aus verzerrtem (engl. strained) Material bestehen, da auch Spannungen die Energie der Emission verschieben. - – einem
oberen DBR
38 , beispielsweise InxAl1-xAs/InP, oder dieser könnte auch aus SiO2/p-Si Schichten bestehen.
- - a lower DBR
37 , for example In x Al 1-x As / InP - An active light emitting layer
39 at a wavelength of λ 3 = 1310 nm, for example, In x Ga 1-x As with x about 0.35; However, this layer can also be strained Material exist, as even voltages shift the energy of the emission. - - an upper DBR
38 , For example, In x Al 1-x As / InP, or this could also consist of SiO 2 / p-Si layers.
InxAl1-xAs/InP (siehe
Bei Multiplexer ist die Reihenfolge der Schichtaufbauten, das heißt der übereinander angeordneten optischen Elemente, in der Reihenfolge ihrer zugewiesenen Wellenlänge geordnet. Die Elemente mit langer Arbeitswellenlänge unten und die Elemente mit kurzer Arbeitswellenlänge weiter oben im Schichtaufbau.at Multiplexer is the order of the layer structures, that is the one above the other arranged optical elements, in the order of their assigned wavelength orderly. The elements with long working wavelength below and the elements with a short working wavelength above in the layer structure.
Als
letzte Schicht folgt eine Deckschicht
Die elektrische Kontaktierung der einzelnen optischen Elemente erfolgt in üblichen Techniken, die einem Fachmann wohl bekannt sind. In den Zeichnungen sind Einzelheiten der elektrischen Kontaktierung daher nicht näher dargestellt.The electrical contacting of the individual optical elements takes place in usual Techniques well known to a person skilled in the art. In the drawings Therefore, details of the electrical contact are not shown in detail.
Die
aktiven Elemente
Zur
Verbesserung des Signal Rausch Verhältnisses bei den Photodetektoren
ist in
Mittels
eines lithographischen Verfahrens wird der Wafer so strukturiert,
dass vier jeweils z. B. etwa 5 μm × 5 μm breite
Säulen
Pro
Säule wurde
also nur eine Detektorschicht
Die
photosensitive Schicht
In
der linken Säule
- 11
- Triplexer (Std. der Technik)Triplexers (Hours of technique)
- 22
- Substratsubstratum
- 33
- Erste Halbleiterschicht (Photodetektor)First Semiconductor layer (photodetector)
- 44
- Zweite Halbleiterschicht (Photodetektor)Second Semiconductor layer (photodetector)
- 55
- Weitere Halbleiterschicht (Laserdiode)Further Semiconductor layer (laser diode)
- 66
- Säulepillar
- 77
- Säulepillar
- 88th
- Säulepillar
- 99
- Säulepillar
- 1010
- Säulepillar
- 1111
- Säulepillar
- 1212
- Erste Halbleiterschicht (Photodetektor)First Semiconductor layer (photodetector)
- 1313
- Weitere Halbleiterschicht (Laserdiode)Further Semiconductor layer (laser diode)
- 1414
- Filterschichtfilter layer
- 1515
- Polymerträger bzw. SiO2-TrägerPolymer support or SiO 2 support
- 1616
- Wellenleiterwaveguides
- 1717
- Substrat (transparent)substratum (transparent)
- 1818
- Säulepillar
- 1919
- Säulepillar
- 2020
- Erste Halbleiterschicht (Laserdiode)First Semiconductor layer (laser diode)
- 2121
- Weitere Halbleiterschicht (Photodetektor)Further Semiconductor layer (photodetector)
- 2222
- Filterschichtfilter layer
- 2323
- Säulepillar
- 2424
- Säulepillar
- 2525
- Erste Halbleiterschicht (Photodetektor)First Semiconductor layer (photodetector)
- 2626
- Zweite Halbleiterschicht (Photodetektor)Second Semiconductor layer (photodetector)
- 2727
- Dritte Halbleiterschicht (Photodetektor)third Semiconductor layer (photodetector)
- 2828
- Weitere Halbleiterschicht (Laserdiode)Further Semiconductor layer (laser diode)
- 2929
- Deckschicht (Dielektrikum)topcoat (Dielectric)
- 3030
- Pin-PhotodiodePin photodiode
- 3131
- p-Schichtp-layer
- 3232
- i-Schichti-layer
- 3333
- n-Schichtn-layer
- 3434
- Antireflektierende Schichtanti Reflective layer
- 3535
- Kontaktierungcontact
- 3636
- VCSEL LaserVCSEL laser
- 3737
- DBRDBR
- 3838
- DBRDBR
- 3939
- Laseraktive Schichtlaser Active layer
Claims (39)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE200410037362 DE102004037362A1 (en) | 2004-07-30 | 2004-07-30 | Optical multiplexer transceiver, has several active photosensitive and light emitting units tuned in different wavelengths, where transceiver is developed as monolithically integrated optical semiconductor chip |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE200410037362 DE102004037362A1 (en) | 2004-07-30 | 2004-07-30 | Optical multiplexer transceiver, has several active photosensitive and light emitting units tuned in different wavelengths, where transceiver is developed as monolithically integrated optical semiconductor chip |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102004037362A1 true DE102004037362A1 (en) | 2006-03-23 |
Family
ID=36001493
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE200410037362 Withdrawn DE102004037362A1 (en) | 2004-07-30 | 2004-07-30 | Optical multiplexer transceiver, has several active photosensitive and light emitting units tuned in different wavelengths, where transceiver is developed as monolithically integrated optical semiconductor chip |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102004037362A1 (en) |
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GB2378069A (en) * | 2001-07-12 | 2003-01-29 | Bookham Technology Plc | Vertically integrated optical transmitter and receiver |
US6526080B1 (en) * | 1999-07-12 | 2003-02-25 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Bidirectional light transmitting and receiving device |
-
2004
- 2004-07-30 DE DE200410037362 patent/DE102004037362A1/en not_active Withdrawn
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