DE10201103B4

DE10201103B4 - Optoelektronisches Bauelement

Info

Publication number: DE10201103B4
Application number: DE10201103A
Authority: DE
Inventors: Bernhard STEGMÜLLER
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Finisar Corp
Priority date: 2002-01-09
Filing date: 2002-01-09
Publication date: 2004-05-13
Anticipated expiration: 2022-01-10
Also published as: DE10201103A1; US6823095B2; US20030152310A1

Abstract

Optoelektronisches Bauelement mit mindestens einer monolithisch integrierten Laserdiode und mindestens einem monolithisch integrierten optischen Wellenleiter dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der optischen Wellenleiter (20) mit mindestens zwei entlang des optischen Wellenleiters (20) angeordneten elektrooptischen Modulatoren (2) funktionell gekoppelt ist, wobei die mindestens zwei elektrooptischen Modulatoren (2) elektrisch miteinander gekoppelt sind und gemeinsam das von der Laserdiode (1) emittierte Licht modulieren.

Description

Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Bauelement nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Für die elektrooptische Datenübertragung mit hohen Datenübertragungsraten (z.B. > 10 Gbit/s) ist eine schnelle Intensitätssteuerung der Lichtquellen erforderlich. Da mit Laserdioden allein diese Intensitätssteuerung nicht möglich ist, werden elektrooptische Modulatoren (z.B.
Elektroabsorptionsmodulatoren) verwendet. Die Spannungsänderungen zur Ansteuerung dieser Modulatoren kann nicht von Silizium-basierten Steuereinrichtungen (Treibern) zur Verfügung gestellt werden, insbesondere nicht bei hohen Datenübertragungsraten. Auch ist für die sichere Datenübertragung ein hoher Signalpegel mit einem hohen Kontrast bzw. einem hohen Extinktionsverhältnis notwendig.
Diese unterschiedlichen Anforderungen werden vom Stand der Technik nur unvollständig berücksichtigt.

Zur Reduzierung der erforderlichen Spannungsänderungen bei der Ansteuerung ist es grundsätzlich bekannt, eine Tandemstruktur von Elektroabsorptionsmodulatoren zu verwenden (F. Alexandre, et al. "Butt-coupled waveguide-modulators by low temperature embedded CBE regrowth for high speed modulation (43 GHz) for large extinction ratio (> 50 dB), Proc. InP and Rel. Material, 1997 Intern. Conference, 11-15 May 1997, pp. 621-624). Diese Tandemstruktur wurde aber nur grundsätzlich als Versuchsaufbau realisiert, nicht zur Schaffung eines monolithisch integrierten optoelektronischen Bauelementes.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein aktives elektrooptischen Bauelement zu schaffen, das sich effizient anzusteuern lässt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein elektrooptisches Bauelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Die funktionelle Kopplung eines optischen Wellenleiters mit mindestens zwei elektrooptischen Modulatoren, insbesondere Elektroabsorptionsmodulatoren erlaubt, dass die Elektroabsorptionsmodulatoren relativ kurz ausgeführt werden können. Dies hat den Vorteil, dass die Kapazitäten der Elektroabsorptionsmodulatoren im Vergleich zu den Kapazitäten eventueller Zuleitungen (z.B. Wanderwellenkontakten) vernachlässigbar sind. Damit ist es möglich, die Dimensionierung und die Anordnung der elektrischen Wellenleiter und der optischen Wellenleiter voneinander zu trennen.

Dabei ist es vorteilhaft, wenn mindestens zwei Elektroabsorptionsmodulatoren entlang des optischen Wellenleiters angeordnet sind.

Auch ist es vorteilhaft, wenn mindestens einem Elektroabsorptionsmodulator mindestens ein optischer Verstärker zugeordnet ist, da sich damit Verluste im Elektroabsorptionsmodulator ausgleichen lassen. Aus dem gleichen Grund ist es auch vorteilhaft wenn zwischen zwei Elektroabsorptionsmodulatoren mindestens ein optischer Verstärker und / oder ein optischer Verstärker am Ende des optischen Wellenleiters angeordnet ist.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist mindestens einer der Elektroabsorptionsmodulatoren über einen Wanderwellenkontakt mit einer elektronischen Steuerschaltung verbunden.

Besonders vorteilhaft ist es, die Länge der Elektroabsorptionsmodulatoren gleich oder kürzer ist als die Länge der optischen Verstärker. Kurze Elektroabsorptionsmodulatoren bewirken, dass die Kapazität kleiner wird, als die der Zuleitungen, so dass eine Entkopplung von elektrischen und optischen Leitungen möglich ist.

Dabei ist es vorteilhaft, wenn mindestens ein Elektroabsorptionsmodulator eine Länge von weniger als 150 μm aufweist.

Mit Vorteil ist mindestens ein optischer Wellenleiter und mindestens ein elektrischer Wellenleiter auf unterschiedlichem Substraten angeordnet sind.

Vorteilhafterweise weisen die monolithisch integrierten Komponenten, insbesondere Elektroabsorptionsmodulatoren, optische Verstärker und / oder Laserdioden die Materialsysteme InGaAsP/InP, InGaAlAs/InP, InGaAsN/GaAs oder InGaAlAs/GaAs auf. Diese Systeme sind insbesondere für den Betrieb bei hohen Frequenzen gut geeignet.

Vorteilhafterweise sind die monolithisch integrierten Komponenten, insbesondere Elektroabsorptionsmodulatoren, optische Verstärker und / oder Laserdioden über eine gemeinsame aktive Schicht funktionell gekoppelt sind.

Mit Vorteil weist die aktive Schicht Multi-Quantum-Well-Strukturen unterschiedlicher Quantum-Well-Typen auf, die somit auf die jeweiligen Betriebsbedingungen eingestellt werden können. Auch Quantenpunktstrukturen sind vorteilhaft einsetzbar.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Draufsicht auf eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optoelektronischen Bauelementes;
2a eine schematische Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optoelektronischen Bauelementes;
2b eine Schnittansicht entlang der Line A-A in 2;
3 eine schematische Draufsicht auf eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optoelektronischen Bauelementes;
4 eine schematische Draufsicht auf eine vierte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optoelektronischen Bauelementes;
5 eine schematische Draufsicht auf eine fünfte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optoelektronischen Bauelementes;
6 eine schematische Schnittansicht einer sechsten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optoelektronischen Bauelementes;
7. eine schematische Schnittansicht einer siebten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optoelektronischen Bauelementes.
In 1 ist eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optoelektronischen Bauelementes dargestellt. In der Mitte, entlang des Wellenleiters 20 ist eine Folge optoelektronischer Komponenten des Bauelementes angeordnet, nämlich von rechts nach links: eine Laserdiode 1 (hier mit einer DFB-Struktur, alternativ auch mit DBR- Struktur oder einer photonischen Kristallstruktur möglich), ein Elektroabsorptionsmodulator 2 und ein optischer Verstärker 3.
Anschließend folgen jeweils paarweise ein Elektroabsorptionsmodulator 2 und ein optischer Verstärker 3.
Somit liegt eine kaskadierte Anordnung von Elektroabsorptionsmodulatoren 2 und optischen Verstärkern 3 vor. Die optischen Verstärker 3 dienen dem Ausgleich optischer Verluste in den Elektroabsorptionsmodulatoren 2 oder in den Zwischenräumen der Komponenten. Grundsätzlich ist aber auch die funktionelle Kopplung zweier Elektroabsorptionsmodulatoren 2 mit dem Wellenleiter 20 möglich, d.h. ohne optische Verstärker.
Durch die kaskadierte Anordnung ist es möglich, die notwendigen Modulationen des Lichtes in kürzeren Elektroabsorptionsmodulatoren 2 (hier z.B. weniger als 150 μm) vorzunehmen, was zu einer Verringerung der Kapazität der Elektroabsorptionsmodulatoren 2 führt. Wenn die Elektroabsorptionsmodulatoren 2 sehr kurz sind, müssen entsprechend mehr Paare an Elektroabsorptionsmodulatoren 2 und optischen Verstärkern 3 verwendet werden, um einen ausreichend hohen Signalkontrast und einen hohen Signalpegel zu erhalten.
Die Elektroabsorptionsmodulatoren 2 sind einzeln seitlich durch Stichleitungen 10 an Wanderwellenkontakte mit einer hier nicht dargestellten HF-Steuereinrichtung (Treiber) für das Bauelement verbunden. Die Steuereinrichtung ist dabei auf einem anderen Substrat angeordnet.
Wenn die Elektroabsorptionsmodulatoren 2 so kurz sind, dass die Kapazitäten der Elektroabsorptionsmodulatoren 2 vernachlässigbar sind, können die elektrischen und die optischen Wellenleiter getrennt dimensioniert und angeordnet werden. Dabei können die optoelektronischen Komponenten auf einem leitenden Substrat angeordnet werden, was für die Herstellung einfacher ist. Leitende Substrate sind jedoch für die Herstellung von Wanderwellenkontaktstrukturen weniger gut geeignet. Durch die Möglichkeit der räumlichen Entkopplung der optischen und elektrischen Wellenleiter erhält man eine größere Entwurfsfreiheit.
Das Bauelement weist quer zum Wellenleiter 20 eine Breite von mehr als 300 μm auf, der Wellenleiter 20 selbst weist eine Breite von ca. 2 μm auf. Die Laserdiode 1 weist eine Länge von ca. 200 μm, der Elektroabsorptionsmodulator 2 weist eine Länge von weniger als 50 μm, der optische Verstärker 3 weist eine Länge von weniger als 100 μm auf.
Grundsätzlich ist es vorteilhaft, die optischen Verstärker 3 gleich lang wie die Elektroabsorptionsmodulatoren 2 oder bis zu einem Faktor Zwei länger auszuführen. Grundsätzlich ist es auch möglich die Längen der einzelnen Komponenten unterschiedlich auszuführen.
Diese Abmessungen und Dimensionierungen sind im wesentlichen auch für die anderen Ausführungsformen gültig.
Weiterhin sind ein positiver elektrischer Laserkontakt 11, und positive elektrische Kontakte 12 für die optischen Verstärker 3 dargestellt.
Auch wenn diese Beispiele explizit einen Elektroabsorptionsmodulator verwenden, so ist grundsätzlich ein elektrooptischer Modulator verwendbar.
In 2a und 2b ist ein zweites Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem die Verbindung zur Steuereinrichtung anders als in der ersten Ausführungsform gestaltet ist. Die grundsätzliche Anordnung der Laserdiode 1, der Elektroabsorptionsmodulatoren 2 und der optischen Verstärker ist analog zu 1, so dass auf die dortige Beschreibung Bezug genommen werden kann.
Im Unterschied zu der ersten Ausführungsform ist hier aber die Art der Zuleitungen zu den Elektroabsorptionsmodulatoren 2 anders ausgeführt, nämlich zwei der Elektroabsorptionsmodulatoren 2 werden gemeinsam angeschlossen. Hier dient eine koplanare Zuleitung 16 der Ansteuerung der Elektroabsorptionsmodulatoren 2 (Signal, negativ). Ein Anschluss 14 dient dem Anschluss der koplanaren Zuleitung 16 an eine HF Steuereinrichtung.
Diese Zuleitung 16 ist gegenüber den Masseverbindungsleitungen 17 isoliert. Die Masseverbindungsleitungen 17 sind unter den Elektroabsorptionsmodulatoren-Zuleitungen 16 verbunden.
In 2b sind die Kontaktschichten teilweise geschnitten dargestellt. Die nicht geschnittenen Zuleitungen zu dem Elektroabsorptionsmodulator 2 und dem optischen Verstärker 3 sind in der 2b angedeutet.
In 3 ist eine dritte Ausführungsform des optoelektronischen Bauelementes, das eine Abwandlung der zweiten Ausführungsform darstellt. Hier sind die Masseverbindungszuleitungen 17 "mäanderförmig" um die Elektroabsorptionsmodulatoren 2 herum angeordnet. Ansonsten gilt die Beschreibung der 2a analog.
In 4 ist eine vierte Ausführungsform dargestellt, bei der jeweils zwei Elektroabsorptionsmodulatoren 2 gemeinsam über Zuleitungen 16 kontaktiert sind und je zwei in Reihe angeordnet sind. Signale (Signal 1 negativ, Signal 2 negativ) werden über die Anschlüsse 14', 14'' zugeführt. Die Signale, die über die Anschlüsse 14', 14'' zugeführt werden, können dabei unterschiedlich sein.
Grundsätzlich können jeweils auch mehr als zwei Elektroabsorptionsmodulatoren 2 kontaktiert werden und auch mehr als jeweils zwei in Reihe geschaltet werden. Somit können auch mehr als zwei unterschiedliche Signale zur Ansteuerung der Elektroabsorptionsmodulatoren verwendet werden.
5 zeigt eine fünfte Ausführungsform, in der die Ansteuerung der Elektroabsorptionsmodulatoren 2 über einen elektrischen Wanderwellenleiter 16 erfolgt. Die Anschlüsse zur HF-Steuereinrichtung (in 5 rechts) ist analog zu 3 ausgebildet. An der rechten Seite der 5 sind Anschlüsse 19 zum HF-Abschlußwiderstand angeordnet.
Diese Ausführungsform verfügt ferner über Kontaktlöcher 18 zur Substratunterseite (Metallkontakt).
Die fünfte Ausführungsform weist eine hybrid integrierte Bauform auf, die alternativ zur monolithischen Integration verwendbar ist. Dies kann Kostenvorteile bringen.
In 6 ist eine Schnittansicht entlang des Wellenleiters 20 dargestellt, wie sie z.B. bei der ersten Ausführungsform vorliegt (1).
Dabei weist eine Modulatorschicht 25 und die weiteren Schichten des Elektroabsorptionsmodulators 2 andere Schichtdicken auf als die benachbarten Schichten der Laserdiode 1 oder der optischen Verstärker 3. Die Modulatorschicht 25 und die aktiven Schichten der Laserdiode 1 und des optischen Verstärkers 3 sind als Multi-Quantum-Well-Strukturen ausgebildet. Alternativ können auch Quantenpunktstrukturen verwendet werden.
Die Dicke der Modulatorschicht 25 wird mit A, die Dicke der aktiven Schicht wird mit B bezeichnet. Die Zusammenhänge und die Schichtenfolge sind im Zusammenhang mit der 7 näher erläutert.
Durch die unterschiedlichen Schichtdicken kann die Funktion der Komponenten gut auf den jeweiligen Verwendungszweck abgestimmt werden.
In 7 wird eine siebte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gegenstandes beschrieben, die in horizontaler Anordnung eine zu 6 analoge Anordnung der Komponenten 1, 2, 3 aufweist.
Von rechts nach links ist eine Laserdiode 1 und zwei Paare eines Elektroabsorptionsmodulators 2 und eines optischen Verstärkers 3 angeordnet.
Zuunterst weist die Schichtenstruktur ein semi-isolierendes Substrat 22 auf, auf dem ein Masse-Anschluss 15 aufgedampft wird.
Ruf dem semi-isolierenden Substrat 22 sind n-dotierte Schichten 23 epitaktisch aufgewachsen.
Hier ist die Schichtenfolge aber so ausgebildet, dass alle Schichten die in horizontaler Richtung die gleiche Dicke aufweisen, was zu einer erheblichen Vereinfachung der Herstellung führt, da die Schichten in einem Epitaxieschritt herstellbar sind.
Ruf n-dotierten, epitaktisch aufgewachsenen Schichten 23 als Substrat ist eine MQW-Schicht (Multi-Quantum-well Schicht) als Modulatorschicht 25 aufgewachsen, die für den Elektroabsorptionsmodulator 2 vorgesehen ist. Die Dicke A der Modulatorschicht 25 beträgt zwischen ca. 0 und 500 nm.
Eine aktive Schicht 21 (ebenfalls eine MQW-Struktur) ist als aktive Schicht für die Laserdiode 1 angeordnet. Die aktive Schicht weist eine Dicke B von 0 bis 500 nm auf.
Für das Verhältnis der Schichtdicken gilt:
Der minimale Wert entspricht einer gegenüber der aktiven Schicht 21 relativ dicken Modulatorschicht 25, der maximale Wert 1 entspricht einer ausschließlich aktiven Schicht 21. Diese Angaben können sinngemäß auf alle anderen Ausführungsbeispiele übertragen werden, bei sinngemäßer Interpretation auch auf die Schichtenanordnung gemäß 6.
Grundsätzlich kann statt einer MQW-Struktur (aktive Schicht oder Modulatorschicht) auch eine Quantenpunktstruktur verwendet werden.
Bei dieser Ausführungsform werden im Gegensatz zu den bekannten integrierten Strukturen die Komponenten 1, 2, 3 des optoelektronischen Bauelementes über mindestens eine aktive Schicht 21 gekoppelt.
Im vorliegenden Beispiel liegen zwei Schichten vor, nämlich die Modulatorschicht 25 und die aktive Schicht 21, die eine MQW-Struktur aufweisen, wobei diese MQW-Strukturen aus unterschiedlichen Quantum-Well-Typen (zwei oder mehr) zusammengesetzt sind.
Die aktive Schicht 21 und die Modulatorschicht 25 können in einem Epitaxieprozess hergestellt werden. Damit wird eine wesentliche Vereinfachung bei der Herstellung erreicht.
Oberhalb der aktiven Schicht 21 sind p-dotierte Schichten 24 angeordnet.
Die in 6 und 7 dargestellten Ausführungsformen weisen eine Laserdiode 1 mit einer DFB-Struktur oder einer DBR-Struktur auf.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, die von dem erfindungsgemäßen optoelektronischen Bauelement auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch machen.

1: Laserdiode
2: Elektroabsorptionsmodulator (EAM)
3: optischer Verstärker (SOA)
10: Stichleitung zu Wanderwellenkontakt
11: positiver elektrischer Laserkontakt
12: positiver elektrischer Kontakt opt. Verstärker
13: Anschluss Masse positiv (ground)
14: Anschluss Signal (negativ)
15: Masse
16: koplanare Zuleitung, Wanderwellenleiter
17: Masseverbindungsleitungen
18: Kontaktlöcher
19: Anschluss HF-Abschlußwiderstand
20: optischer Wellenleiter
21: aktive Schicht (MQW, QD)
22: semi-isoliertes Substrat
23: n-dotierte Schichte
24: p-dotierte Schichten
25: Modulatorschicht
A: Dicke Modulatorschicht
B: Dicke aktive Schicht

Claims

Optoelektronisches Bauelement mit mindestens einer monolithisch integrierten Laserdiode und mindestens einem monolithisch integrierten optischen Wellenleiter dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der optischen Wellenleiter (20) mit mindestens zwei entlang des optischen Wellenleiters (20) angeordneten elektrooptischen Modulatoren (2) funktionell gekoppelt ist, wobei die mindestens zwei elektrooptischen Modulatoren (2) elektrisch miteinander gekoppelt sind und gemeinsam das von der Laserdiode (1) emittierte Licht modulieren.
Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die mindestens zwei elektrooptischen Modulatoren als Elektroabsorptionsmodulatoren (2) ausgebildet sind.
Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einem elektrooptischen Modulator (2) mindestens ein optischer Verstärker (3) zugeordnet ist.
Optoelektronisches Bauelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei elektrooptischen Modulatoren (2) mindestens ein optischer Verstärker (3) angeordnet ist.
Optoelektronisches Bauelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass ein optischer Verstärker (3) am Ende des optischen Wellenleiters (20) angeordnet ist.
Optoelektronisches Bauelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der elektrooptischen Modulatoren (2) über einen Wanderwellenkontakt mit einer elektronischen Steuerschaltung verbunden ist.
Optoelektronisches Bauelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der elektrooptischen Modulatoren (2) gleich oder kürzer ist als die Länge der optischen Verstärker (3).
Optoelektronisches Bauelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein elektrooptischer Modulator (2) eine Länge von weniger als 150 μm aufweist.
Optoelektronisches Bauelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein optischer Wellenleiter (20) und mindestens ein elektrischer Wellenleiter auf unterschiedlichem Substraten angeordnet sind.
Optoelektronisches Bauelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche,dadurch gekennzeichnet, dass monolithisch integrierte Komponenten (1, 2, 3), insbesondere Elektroabsorptionsmodulatoren (2), optische Verstärker (3) und / oder Laserdioden (1) die Materialsysteme InGaAsP/InP, InGaAlAs/InP, InGaAsN/GaAs oder InGaAlAs/GaAs aufweisen.
Optoelektronisches Bauelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass monolithisch integrierte Komponenten (1, 2, 3), insbesondere Elektroabsorptionsmodulatoren (2), optische Verstärker (3) und / oder Laserdioden (1) über eine gemeinsame aktive Schicht (21) funktionell gekoppelt sind.
Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Schicht (21) Multi-Quantum-Well-Strukturen unterschiedlicher Quantum-Well Typen und / oder Quantenpunktstrukturen aufweist.