DE19500135A1 - Opto-electronic component with feedback grating for e.g. semiconductor laser - Google Patents

Opto-electronic component with feedback grating for e.g. semiconductor laser

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Abstract

The component includes a optical feedback grating with an axially variable corrugation period which is formed from at least three layers of at least two different semiconductor materials and an optical waveguide. The feedback grating has at least one homogenous grating field in longitudinal direction, which is interrupted by in its periodicity in longitudinal direction by a quasi-abrupt phase shift at one point, at least. The characteristic lengths of the grating, locally lying in the region of the phase shift of the order number, are effectively changed in length by the curvature of the waveguide. A specified grating groove comprises the effective length change, due to the waveguide arcuation. The corrugation period is also changed.

Description

Die erfindungsgemäße Lösung findet in photonischen Komponenten Anwendung, welche auf DFB (engl. = distributed feedback) Gittern, DBR (engl. = distributed Bragg reflector) Gittern oder axial mehrfach unterbrochenen Gitterstrukturen (engl. "sampled grating") basieren. Für folgende photonische Komponenten ist die Erfindung anwendbar: z. B. Laser, Laser-Verstärker, Filter, Koppler, Schalter, Wellenlängen-Konverter, Multiplexer, Wellenleiter-Verzweigungen (engl. splitter), Wellenleiter- Zusammenführungen (engl. combiner), Demultiplexer und Detektoren. Die vorliegende Lösung ermöglicht die Realisierung von optischen Rückkopplungsgittern mit quasi­ kontinuierlich variierbarer Korrugationsperiode und darin enthaltenen quasi abrupten Phasenverschiebungen.The solution according to the invention takes place in photonic Component application that is based on DFB (distributed feedback) grids, DBR (English = distributed Bragg reflector) grids or axially interrupted several times Lattice structures ("sampled grating") are based. For The following photonic components is the invention applicable: e.g. B. lasers, laser amplifiers, filters, couplers, Switches, wavelength converters, multiplexers, Waveguide branches (English splitter), waveguide Combiners, demultiplexers and Detectors. The present solution enables Realization of optical feedback gratings with quasi continuously variable corrugation period and therein contained quasi-abrupt phase shifts.

Folgende Arbeiten, welche thematisch mit der vorliegenden Erfindung zusammenhängen, gehören zum bekannten Stand der Technik:The following works, which are thematically related to the present Invention related, belong to the known prior art Technology:

  • 1. Bekannt ist die Erzeugung abrupter Phasenverschiebungen durch holographische Verfahren [z. B. T. Numai et. al., Jap. J. Appl. Phys. 26, L 1910 (1987)] oder mittels Elektronenstrahl-Lithographie (EL). Der gesamte Phasenverschiebungs-Betrag kann dabei auch auf mehrere örtlich voneinander getrennte Phasenverschiebungs-Anteile (engl. multiple phase-shifts) verteilt werden [z. B. S. Ogita et. al. J. Lightwave Technol 8, 1596 (1990)]. Die einzelnen Teil-Phasenverschiebungen wurden jedoch hierbei mittels EL oder holographischer Methoden quasi-abrupt ausgeführt. 1. The generation of abrupt phase shifts is known by holographic methods [e.g. B. T. Numai et. al., Yep J. Appl. Phys. 26, L 1910 (1987)] or by means of Electron beam lithography (EL). The whole The phase shift amount can also be several locally separated phase shift components (English multiple phase shifts) are distributed [z. B. S. Ogita et. al. J. Lightwave Technol 8, 1596 (1990)]. The However, individual partial phase shifts were found here quasi-abruptly using EL or holographic methods executed.  
  • 2. Aus der Literatur sind Lösungen bekannt, die abrupte Änderungen der Korrugationsperiode in longitudinaler Bauelementerichtung bewirken. Dabei wird in der zentral gelegenen Sektion des Laser-Resonators mit der Selbstinterferenz-Methode eine größere Korrugationsperiode realisiert als in den Seitensektionen [M. Okai et. al., IEEE J. Quantum Electron. 27, 1767 (1991)]. Mit dieser Struktur wurden zwar abrupte Korrugationsperioden- Änderungen erzeugt, aber nicht alle Vorteile, welche eine kontinuierliche Variation der Korrugationsperiode bietet, ausgeschöpft.2. Solutions are known from the literature that are abrupt Changes in the corrugation period in longitudinal Effect device direction. The central located section of the laser resonator with the Self-interference method a longer corrugation period realized as in the side sections [M. Okai et. al., IEEE J. Quantum Electron. 27, 1767 (1991)]. With this Abrupt corrugation periods Changes created, but not all advantages, which one offers continuous variation of the corrugation period, exhausted.
  • 3. In gewissem Rahmen ermöglicht auch die Elektronenstrahl- Litografie (EL) die Variation der Korregationsperiode in longitudinaler Richtung. Allerdings ist bei diesem Verfahren die Differenz zwischen benachbarten Gitterperioden auf größere Werte (z. B. 2,5 nm) begrenzt bzw. kleine Werte können nur sehr aufwendig realisiert werden. Dadurch können mit EL lediglich DFB-Gitter hergestellt werden, welche eine kleine Anzahl verschiedener Sektionen aufweisen. Innerhalb dieser Sektionen ist die effektive Gitterperiode zwar konstant, sie unterscheidet sich jedoch von Sektion zu Sektion. [H. Ishii et. al. IEEE Photonics Technol. Lett. 4, 393 (1993)]3. To a certain extent, the electron beam Litography (EL) the variation in the period of correlation in longitudinal direction. However, with this Procedure the difference between neighboring Grid periods limited to larger values (e.g. 2.5 nm) or small values can only be realized with great effort will. This means that only DFB grids can be used with EL are produced, which are a small number of different Have sections. Within these sections is the effective grid period is constant, it differentiates but from section to section. [H. Ishii et. al. IEEE Photonics Technol. Lett. 4, 393 (1993)]
  • Es können keine quasi-kontinuierlichen Variationen der Gitterperiode mit dem Ort erreicht werden. Ferner ist EL ein kompliziertes Verfahren und die EL- Schreibzeit ist sehr teuer.There can be no quasi-continuous variations of the Grid period can be reached with the location. Furthermore, EL is a complicated procedure and the EL write time very expensive.
  • 4. Eine weitere bekannte Lösung beinhaltet auf homogenen DFB-Gittern gekippt verlaufende Wellenleiter, welche eine Abweichung der Korrugationsperiode im Wellenleiter von derjenigen des ursprünglichen DFB Gitters ermöglichen. Die Zusammensetzung des Gesamtwellenleiters aus verschiedenartig gekippten Teilwellenleitern ermöglicht die Realisierung einer λ/4 Phasenverschiebung [Hirato Shoji, DE 36 43 361 A1, H 01 S 3/098-C (1987)].4. Another known solution involves on homogeneous DFB gratings tilted waveguides, which one Deviation of the corrugation period in the waveguide from enable that of the original DFB grid. The Composition of the overall waveguide the differently tilted partial waveguides enables  Realization of a λ / 4 phase shift [Hirato Shoji, DE 36 43 361 A1, H 01 S 3/098-C (1987)].
  • 5. Des weiteren ist es bekannt, gekrümmte Wellenleiter auf homogenen DFB-Gitterfeldern zur Definition von Gittern mit axial variierter Gitterperiode zu nutzen (DE-42 33 500.0).5. Furthermore, it is known to have curved waveguides homogeneous DFB grid fields for the definition of grids with to use axially varied grating period (DE-42 33 500.0).

Das Ziel der Erfindung ist es, charakteristische Eigenschaften des photonischen Bauelements für speziell vorgesehene Anwendungsfälle maßzuschneidern. Dabei wird die Realisierung von optischen Rückkopplungsgittern ermöglicht, welche eine kleinere Anzahl von quasi abrupten Phasenverschiebungen enthalten und zusätzlich in den Bereichen, die frei von Phasenverschiebungen sind, eine kontinuierlich variierbare Korrugationsperiode aufweisen.The aim of the invention is characteristic Properties of the photonic component for special Tailor the intended use cases. The Realization of optical feedback grids enables which is a smaller number of quasi abrupt Phase shifts included and additionally in the Areas that are free of phase shifts, one have continuously variable corrugation period.

Die axiale Variation der Korrugationsperiode (axial = Richtung der Wellenleiterkrümmung) wird mittels eines gekrümmt verlaufenden optischen Lichtwellenleiters realisiert, welcher im Bereich eines optischen Rückkopplungs-Gitters liegt. Dabei weist das Rückkopplungs- Gitter in longitudinaler Richtung (z-Richtung) eine Anzahl (n + 1) homogene Teilbereiche mit konstanter Korrugationsperiode auf und beinhaltet ferner zwischen diesen Bereichen eine bestimmte Anzahl n von quasi-abrupten Phasenverschiebungen Δϕj (1 j n). Die longitudinale Richtung (z-Richtung) und axiale Richtung sind bei der vorliegenden Lösung nicht identisch. Die axiale Richtung verläuft entlang der Wellenleiter-Krümmung und beschreibt näherungsweise die gekrümmt verlaufende optische Achse des im Wellenleiter geführten Lichtes. Die Erzeugung der axial variierbaren Korrugationsperiode resultiert aus der gezielten lokalen Kippung des optischen Wellenleiters relativ zu den Gitterstrichen. Das bedeutet, daß der optische Wellenleiter die Gitterlinien nicht an jeder Position auf der z-Achse innerhalb des photonischen Bauelements unter demselben Winkel schneidet. Die effektive, lokale Korrugationsperiode, welche aus der lokalen Lichtwellenleiter-Krümmung resultiert, ist eng mit dem Winkel ϑ(z) verknüpft. Dabei ist ϑ(z) der Winkel zwischen der Senkrechten auf die der Stelle z benachbarten Gitterlinie und der Tangente an den Lichtwellenleiter an der Stelle z. Dadurch ist die effektive Korrugationsperiode an einer Stelle z, an welcher sich keine der quasi-abrupten Phasenverschiebungen befindet, durch folgende Beziehung gegeben: Λ(z) = Λz/cos [ϑ(z)]. Dabei ist Λz die Korrugationsperiode der homogenen Gitterbereiche. In den in z-Richtung gesehen kleinen Bereichen, in denen die quasi­ abrupten Phasenverschiebungen erzeugt werden, treten durch die Wellenleiter-Krümmung gedehnte oder verkürzte Gittergräben bzw. gedehnte oder verkürzte Gitterstege an den Stellen zsi,j und zgi,j auf.The axial variation of the corrugation period (axial = direction of the waveguide curvature) is realized by means of a curved optical light waveguide, which lies in the area of an optical feedback grating. The feedback grating in the longitudinal direction (z-direction) has a number (n + 1) of homogeneous partial areas with a constant corrugation period and also contains a certain number n of quasi-abrupt phase shifts Δϕ j (1 jn) between these areas. The longitudinal direction (z-direction) and axial direction are not identical in the present solution. The axial direction runs along the waveguide curvature and describes approximately the curved optical axis of the light guided in the waveguide. The generation of the axially variable corrugation period results from the targeted local tilting of the optical waveguide relative to the grating lines. This means that the optical waveguide does not intersect the grating lines at the same angle at every position on the z-axis within the photonic device. The effective, local corrugation period, which results from the local optical waveguide curvature, is closely linked to the angle ϑ (z). Here ϑ (z) is the angle between the perpendicular to the grid line adjacent to point z and the tangent to the optical waveguide at point z. As a result, the effective corrugation period at a point z at which none of the quasi-abrupt phase shifts is present is given by the following relationship: Λ (z) = Λ z / cos [ϑ (z)]. Here Λ z is the corrugation period of the homogeneous lattice areas. In the small areas seen in the z direction, in which the quasi-abrupt phase shifts are generated, the waveguide curvature causes extended or shortened grating trenches or stretched or shortened grating webs at the positions z si, j and z gi, j .

Die charakteristischen Längen des Wellenleiters, welche lokal in dem Bereich der Phasenverschiebung der Ordnungszahl j liegen, sind dabei effektiv in ihrer Länge definiert, wobeiThe characteristic lengths of the waveguide, which locally in the area of the phase shift of the Atomic number j are effective in their length defined where

  • - ein Gittergraben der Ordnungszahl i an der Stelle zgi,j, der in z-Richtung betrachtet, die Länge gzi,j ausgebildet hat, eine durch die Wellenleiterkrümmung verursachte effektive Längenänderung gi,j = gzi,j/cos(ϑ (zgi,j)) aufweist,a lattice trench of atomic number i at position z gi, j , viewed in the z direction, has the length g zi, j , an effective change in length caused by the waveguide curvature g i, j = g zi, j / cos (ϑ (z gi, j )),
  • - ein Gittersteg der Ordnungszahl i an der Stelle zsi,j, der in z-Richtung betrachtet, die Länge szi,j ausgebildet hat, eine durch die Wellenleiterkrümmung verursachte effektive Längenänderung si,j = szi,j/cos(ϑ(zsi,j)) aufweist, und wobei - A lattice web of atomic number i at position z si, j , viewed in the z direction, has the length s zi, j , an effective change in length caused by the waveguide curvature s i, j = s zi, j / cos (ϑ (z si, j )), and wherein
  • - eine Korrugationsperiode an der Stelle z, die in longitudinaler Richtung betrachtet, die Länge Λz ausgebildet hat, eine durch die Wellenleiterkrümmung verursachte effektive Längenänderung Λ(z) = Λz/cos(ϑ(z)) aufweist.- A corrugation period at point z, viewed in the longitudinal direction, which has length Λ z , has an effective length change Λ (z) = Λ z / cos (ϑ (z)) caused by the waveguide curvature.

Die erfindungsgemäße Lösung soll anhand einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Dabei zeigt:The solution according to the invention should be based on some Exemplary embodiments are explained in more detail. It shows:

Fig. 1 die schematische Darstellung eines Ausschnittes des optischen Rückkopplungs-Gitters in der xz-Ebene, mit einem gekrümmten optischen Wellenleiter, der in vertikaler Richtung (y-Richtung) oberhalb oder unterhalb bzw. innerhalb eines homogenen Gesamt- Gitterfeldes verläuft. Die Dimensionen (z. B. Wellenleiterbreite, Korrugationsperioden) sind nicht maßstabgerecht gezeichnet. Zur Verdeutlichung der Winkel sind die Korrugationsperioden z. B. übertrieben groß dargestellt, Fig. 1 is a schematic representation of a section of the optical feedback grating in the xz plane, with a curved optical waveguide that runs in the vertical direction (y direction) above or below or within a homogeneous overall grating field. The dimensions (e.g. waveguide width, corrugation periods) are not drawn to scale. To illustrate the angles, the corrugation periods are e.g. B. exaggerated,

Fig. 2 die Teilansichten eines optischen Rückkopplungs- Gitters, welches n = 3 quasi-abrupte (j = 1, 2, 3) Phasenverschiebungen aufweist und relativ dazu die Lage eines gekrümmt verlaufenden optischen Wellenleiters. Die Dimensionen (z. B. Wellenleiterbreite, Korregationsperiode) sind nicht maßstabgerecht gezeichnet. Das unterste Teilbild stellt den Querschnitt des optischen Rückkopplungs- Gitters in der xz-Ebene dar. Der Index i stellt die Ordnungszahl der in jeder Phasenverschiebung auftretenden charakteristischen Längen (Gitterstege, Gittergräben) dar, Fig. 2, the partial views of an optical feedback grating which n = 3 quasi-abrupt (j = 1, 2, 3) phase shifts and relative thereto the position of a curved optical waveguide. The dimensions (e.g. waveguide width, period of correlation) are not drawn to scale. The bottom sub-picture represents the cross-section of the optical feedback grating in the xz plane. The index i represents the ordinal number of the characteristic lengths occurring in each phase shift (grating bars, grating trenches),

Fig. 3 das Beispiel eines optischen Rückkopplungs-Gitters mit vollständig durchstrukturierter Schicht 2 in der yz-Ebene, Fig. 3 shows the example of an optical feedback grating with fully structured layer 2 in the yz plane,

Fig. 4 das Beispiel eines optischen Rückkopplungs-Gitters mit nicht vollständig durchstrukturierter Schicht 5 in der yz-Ebene und Fig. 4 shows the example of an optical feedback grating with not completely structured layer 5 in the yz plane and

Fig. 5 das Beispiel eines Schnitts durch einen Ausschnitt der Schichtstruktur in einer gekrümmt verlaufenden Ebene, welche aus der vertikalen Richtung (y- Richtung) und der Richtung gebildet wird, die entlang der Wellenleiterkrümmung verläuft (axiale Richtung). Fig. 5 shows the example of a section through a detail of the layered structure in a curved running plane from the vertical direction (y direction) and the direction is formed extending along the waveguide curvature (axial direction).

Das Beispiel in Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt aus einem Gesamtgitter in der xz-Ebene. Die axiale Variation der Korrugationsperiode wird hierbei mittels einer quasi-ab­ rupten Phasenverschiebung und eines gekrümmt verlaufenden Lichtwellenleiters realisiert, welcher im Bereich eines optischen Rückkopplungsgitters liegt.The example in FIG. 1 shows a section of an overall grid in the xz plane. The axial variation of the corrugation period is realized here by means of a quasi-ab rupen phase shift and a curved optical waveguide, which is in the region of an optical feedback grating.

Das Beispiel in Fig. 1 zeigt eine quasi-abrupte Phasenverschiebung, welche einen verbreiterten Gittersteg szi,j/cos (ϑ(zsi,j)) aufweist.The example in FIG. 1 shows a quasi-abrupt phase shift which has a broadened lattice web s zi, j / cos (ϑ (z si, j )).

Fig. 2 zeigt im oberen Teilbild eine Gitterstruktur in der xz-Ebene mit verschiedenartigen quasi-abrupten Phasenver­ schiebungen. Veränderungen in der Periodizität des Gitters erzeugen Phasenverschiebungen z. B. durch die lokale Veränderung der Längen der Gitterstege szi,j und/oder der Gittergräben gzi,j in z-Richtung. Es sind in Fig. 2 drei quasi-abrupte Phasenverschiebungen dargestellt (Δϕ₁, Δϕ₂ und Δϕ₃). Sie werden als quasi-abrupt bezeichnet, da die Ausdehnungen der Bereiche in z-Richtung, in denen die quasi-abrupten Phasenverschiebungen erzeugt werden, gering sind gegenüber den Ausdehnungen der homogenen Gitterfelder in z-Richtung. Zur Verdeutlichung der einzelnen Elemente des Gesamtgitters sind jedoch in den Abbildungen die dazwischenliegenden homogenen Gitterbereiche in z-Richtung stark verkürzt dargestellt. Innerhalb jeder einzelnen Phasenverschiebung der Ordnungszahl j treten in ihrer Länge gegenüber den homogenen Gitterfeldern veränderte Gitterstege szi,j und Gittergräben gzi,j auf, wobei mit i die einzelnen charakteristische Längen durchnumeriert sind. Das Gesamt-Gitterfeld (Fig. 2 oben) wird entweder holographisch hergestellt, mit Elektronenstrahl-Litographie EL definiert oder mit Ionenstrahl-Lithographie realisiert. Im mittleren Teilbild von Fig. 2 ist der gekrümmt verlaufende optische Wellenleiter zusammen mit diesem Gesamt-Gitterfeld dargestellt. Dabei kann der gekrümmte optische Wellenleiter in vertikaler Richtung (y-Richtung) gesehen, oberhalb oder unterhalb bzw. innerhalb des Gitterfeldes verlaufen. Der optische Wellenleiter schneidet auf Grund seiner Krümmung die in z-Richtung hintereinanderfolgenden Gitterstriche unter verschiedenen Winkeln. Die Änderung dieses Winkels erfolgt zwischen benachbarten Gitterstrichen in derart kleinen Schritten, daß von einer kontinuierlichen Änderung des Winkels und damit einer kontinuierlichen Änderung der axialen effektiven Korrugationsperiode in den phasenverschiebungsfreien Bereichen gesprochen werden kann. Im untersten Teilbild von Fig. 2 ist ein Schnitt durch das Gitter in der yz-Ebene gezeigt. Ganz entscheidend ist nun, daß das entlang der Krümmung (= axiale Richtung) im optischen Wellenleiter geführte Licht ein lokal verschiedenartig gedehntes und teilweise auch ungedehntes Abbild der im unten Teilbild dargestellten Gitterstruktur durchläuft, wie es schematisch in Fig. 5 dargestellt ist. Fig. 2 shows in the upper part of a grid structure in the xz plane with various quasi-abrupt phase shifts. Changes in the periodicity of the grating produce phase shifts e.g. B. by the local change in the lengths of the grid webs s zi, j and / or the grid trenches g zi, j in the z direction. There are three quasi-abrupt phase shifts shown in Fig. 2 (Δϕ₁, Δϕ₂ and Δϕ₃). They are referred to as quasi-abrupt, since the dimensions of the areas in the z-direction in which the quasi-abrupt phase shifts are generated are small compared to the dimensions of the homogeneous lattice fields in the z-direction. However, to illustrate the individual elements of the overall grid, the homogeneous grid areas in between in the z direction are shown in a greatly shortened form. Within each individual phase shift of the atomic number j, the length of the grid bars s zi, j and the grid trenches g zi, j change in length compared to the homogeneous grid fields, with i denoting the individual characteristic lengths. The total grid field ( FIG. 2 above) is either produced holographically, defined with EL electron beam lithography or realized with ion beam lithography. In the middle part of FIG. 2, the curved optical waveguide is shown together with this overall grating field. The curved optical waveguide can be seen in the vertical direction (y-direction), above or below or within the grating field. Due to its curvature, the optical waveguide cuts the grating lines which follow one another in the z direction at different angles. The change of this angle takes place between adjacent grating lines in such small steps that one can speak of a continuous change of the angle and thus a continuous change of the axial effective corrugation period in the areas without phase shift. A section through the grid in the yz plane is shown in the bottom part of FIG. 2. It is very crucial that the light guided along the curvature (= axial direction) in the optical waveguide passes through a locally differently stretched and partly also unstretched image of the grating structure shown in the partial image below, as is shown schematically in FIG. 5.

Das Gesamt-Gitter kann andererseits auch DBR-artig sein oder eine Übergitterstruktur aufweisen (sampled grating), wobei in z-Richtung zusätzlich eine bestimmte Anzahl gitterfreier Bereiche existieren. On the other hand, the overall grid can also be DBR-like or have a sampled grating structure, with a certain number in the z direction grid-free areas exist.  

In Fig. 3 und 4 sind zwei Beispiele mit unterschiedlichen Realisierungsmöglichkeiten der Rückkopplungsgitter jeweils in einem Schnitt schematisch in der yz-Ebene dargestellt. Die Materialschichten 1, 2, 3, 4 und 5 haben dabei im allgemeinen Fall eine unterschiedliche kompositionelle Zusammensetzung. In Fig. 3 ist z. B. der komplexe Brechungsindex der Schicht 2 von dem der Schicht 1 und dem der Schicht 3 verschieden. Der komplexe Brechungsindex der Schichten 1 und 3 kann in einem Sonderfall identisch sein. Die Rückkopplungsgitter können z. B. auch aus einer Folge der Schichten 1, 2, 3; 1, 2, 3, . . . aufgebaut sein, wobei die Schichten 1 und 3 in einem Sonderfall auch identisch sein können.In Fig. 3 and 4 show two examples with different possibilities of realization of the feedback grating are each represented in a section schematically in the yz plane. The layers of material 1 , 2 , 3 , 4 and 5 generally have a different composition. In Fig. 3 z. B. the complex refractive index of layer 2 from that of layer 1 and that of layer 3 different. The complex refractive index of layers 1 and 3 can be identical in a special case. The feedback grid can e.g. B. also from a sequence of layers 1 , 2 , 3 ; 1 , 2 , 3,. . . be constructed, layers 1 and 3 can also be identical in a special case.

In Fig. 4 wird der komplexe Brechungsindex der Schichten 4 und 5 verschieden gewählt.In FIG. 4, the complex refractive index of the layers is selected to 4 and 5 different.

Die Form des Gitters in der yz-Ebene kann entweder dreieckförmig, rechteckförmig oder sinusartig verlaufen. Ferner sind entsprechende Mischformen möglich, wie in den Fig. 3 und 4 gezeigt (Rechteckform mit abgerundeten Ecken). In Fig. 5 ist der Fall eines sinusförmigen Git­ terquerschnitts gezeigt.The shape of the grid in the yz plane can either be triangular, rectangular or sinusoidal. Corresponding mixed shapes are also possible, as shown in FIGS. 3 and 4 (rectangular shape with rounded corners). In Fig. 5 the case of a sinusoidal cross-section is shown.

Die mathematische Funktion, welche die Krümmung des optischen Wellenleiters in der xz-Ebene beschreibt, ist stetig und wenn Streuverluste vermieden werden sollen, zusätzlich differenzierbar. Zur Erzeugung von starken Änderungen der Korrugationsperiode in Richtung der Wellenleiterkrümmung (= axiale Richtung) sind nur sehr moderate Krümmungen erforderlich. Die Darstellungen in den Fig. 1 und 2 übertreiben die Krümmungen zur Verdeutlichung. Starke Wellenleiterkrümmungen (kleine Krümmungsradien) wie in den Abbildungen übertrieben dargestellt, würden zu größeren Streuverlusten führen. Dies ist z. B. in Halbleiterlasern und Halbleiterlaser- Verstärkern jedoch unerwünscht. Im Folgenden soll ein Zahlenbeispiel insbesondere verdeutlichen, wie schwach die Krümmungen für eine in der Anwendung wünschenswerte axiale Variation der Korrugationsperiode gewählt werden kann.The mathematical function, which describes the curvature of the optical waveguide in the xz plane, is continuous and, if scattering losses are to be avoided, can also be differentiated. Only very moderate curvatures are required to generate strong changes in the corrugation period in the direction of the waveguide curvature (= axial direction). The illustrations in FIGS. 1 and 2 exaggerate the curvatures for clarification. Strong waveguide curvatures (small radii of curvature), as exaggerated in the figures, would lead to larger scattering losses. This is e.g. B. in semiconductor lasers and semiconductor laser amplifiers undesirable. In the following, a numerical example should in particular clarify how weakly the curvatures can be chosen for an axial variation of the corrugation period which is desirable in the application.

Für das Beispiel sei L die Bauelementelänge. L₁ und L₂ seien die Längen des Wellenleiters in z-Richtung, welche ungekrümmt und senkrecht zu den Gitterstrichen verlaufen. Die Gesamtlänge des Bauelements sei L = L₁ + 2LB + L₂. Das Gitter verläuft ununterbrochen von 0 z L. Die Wellenleiterkrümmung sei abschnittsweise wie folgt definiert:For the example, let L be the component length. L₁ and L₂ are the lengths of the waveguide in the z direction, which are not curved and perpendicular to the grating lines. The total length of the component is L = L₁ + 2L B + L₂. The grating runs continuously from 0 z L. The waveguide curvature is defined in sections as follows:

Die Krümmungsfunktion x(z) beginnt bei z = 0 mit einem ungekrümmten Teilstück der Länge L₁, in der Mitte ist der Wellenleiter auf einer Länge von 2LB gekrümmt und verläuft am Ende auf einer Länge L₂ wieder ungekrümmt und parallel zur z-Richtung. Bei z = L₁ + LB weist der Wellenleiter eine Steigung von -2 W/LB auf. Es sei 2 LB = 200 µm, L₁ = L₂ = 50 µm, W = 2,83 µm, Λz = 240 nm und damit L = 300 µm. Es ergeben sich Krümmungsradien von ungefähr 2 mm, wenn die allein durch die Wellenleiterkrümmung in den homogenen Gitterfeldbereichen erzeugte Gesamtphasenverschiebung beispielsweise λ/4 betragen soll [die homogenen Gitterfeldbereiche beinhalten nicht die quasi-abrupten Phasenverschiebungen]. Bei Bauelementen mit längeren Bereichen 2 LB sind bei einer identischen Gesamtphasenverschiebung von λ/4 die erforderlichen Krümmungsradien noch wesentlich größer und damit noch vorteilhafter. Werden nun noch beispielsweise 2 quasi abrupte Phasenverschiebungen von je λ/16 in das Gesamt- Gitter hinzugenommen, so ist die für einen Gesamtphasenverschiebungsbetrag von λ/4 erforderliche Krümmung noch schwächer, d. h. statt W = 2,83 µm, wie oben angegeben, genügen bereits W = 1,999 µm.The curvature function x (z) starts at z = 0 with an uncurved section of length L₁, in the middle the waveguide is curved over a length of 2L B and ends at a length L₂ again without curvature and parallel to the z-direction. At z = L₁ + L B the waveguide has a slope of -2 W / L B. Let 2 L B = 200 µm, L₁ = L₂ = 50 µm, W = 2.83 µm, Λ z = 240 nm and thus L = 300 µm. Radii of curvature of approximately 2 mm result if the total phase shift generated solely by the waveguide curvature in the homogeneous grating field regions should be, for example, λ / 4 [the homogeneous grating field regions do not include the quasi-abrupt phase shifts]. In the case of components with longer areas 2 L B , with an identical total phase shift of λ / 4, the required radii of curvature are still much larger and thus even more advantageous. If, for example, 2 quasi-abrupt phase shifts of λ / 16 each are added to the overall grid, the curvature required for a total phase shift amount of λ / 4 is even weaker, ie instead of W = 2.83 µm, as stated above, is sufficient W = 1.999 µm.

Mittels der erfindungsgemäßen Lösung ist es möglich, die auftretenden geometrischen und kompositionellen Parameter so zu optimieren, daß die Kenngrößen des photonischen Bauelements wesentlich verbessert werden. Für einen Halbleiterlaser können beispielsweise Verbesserungen in Bezug auf folgende Eigenschaften und Parameter erreicht werden:By means of the solution according to the invention it is possible to occurring geometric and compositional parameters to optimize so that the parameters of the photonic Component can be significantly improved. For one Semiconductor lasers can, for example, improvements in Regarding the following properties and parameters achieved will:

  • - kleinere Linienbreiten der optischen Emission,- smaller line widths of the optical emission,
  • - maßgeschneidertes räumliches Lochbrennen,- customized spatial hole burning,
  • - gezielte Beeinflussung der Stabilität der Oszillation einzelner spektraler Moden,- targeted influence on the stability of the oscillation single spectral modes,
  • - gezielte Veränderung der Hochfrequenzeigenschaften:
    • - reduzierter Frequenz-Chirp,
    • - höhere Grenzfrequenzen unter hochfrequenter Modu­ lation,
    • - Realisierung flacher Frequenz-Modulations- Charakteristiken,
    - targeted change of the radio frequency properties:
    • - reduced frequency chirp,
    • - higher cut-off frequencies under high-frequency modulation,
    • - implementation of flat frequency modulation characteristics,
  • - Realisierung stabilerer axialer Einwelligkeit auch bei hohen Ausgangsleistungen,- Realization of more stable axial single-shaft also high output power,
  • - mögliche Schwellenstrom-Erniedrigung der Hauptmode und mögliche Schwellenstrom-Erhöhung der Seitenmoden, - possible lowering of the main current threshold current and possible increase in threshold current of the side modes,  
  • - Linearisierung der Licht-Strom Kennlinie,- linearization of the light-current characteristic,
  • - Erhöhung der Ausbeute an photonischen Bauelementen bestimmter Spezifikationen,- Increasing the yield of photonic components certain specifications,
  • - Erhöhung der abgestrahlten optischen Leistung- Increase in the emitted optical power
  • - Erweiterte Wellenlängen-Durchstimmbarkeit.- Extended wavelength tunability.

Erzielt werden kann eine äußerst präzise Variation der Korrugationsperiode sowie der lokalen Phasenverschiebung. Ferner kann die Verteilung der Phasenverschiebung in axialer Richtung sehr genau festgelegt werden.An extremely precise variation of the can be achieved Corrugation period and the local phase shift. Furthermore, the distribution of the phase shift in axial direction can be set very precisely.

Das Verfahren ist ungeachtet der speziellen Bauformen verschiedener photonischer Bauelemente anwendbar, wenn diese auf optischen Rückkopplungsgittern basieren. Laserstrukturen mit stärkerer lateraler Wellenführung, wie z. B. vergrabene Laserstrukturen ("buried laser structures"), erlauben jedoch stärkere Wellenleiterkrümmungen sowie Wellenleiterverkippungen gegenüber den Gitterstrichen und sind daher vorzuziehen. Laserstrukturen mit schwächerer lateraler Wellenführung (z. B. "Ridge"-Laserstrukturen) ermöglichen dementsprechend nicht ganz so kleine Krümmungsradien.The process is regardless of the special designs different photonic components applicable if these are based on optical feedback gratings. Laser structures with stronger lateral wave guidance, such as e.g. B. buried laser structures ("buried laser structures "), but allow stronger ones Waveguide curvatures and waveguide tilt compared to the grid lines and are therefore preferable. Laser structures with weaker lateral wave guidance (e.g. "Ridge" laser structures) enable accordingly not so small radii of curvature.

BezugszeichenlisteReference list

L
L₁ spezifische Längenabschnitte des Wellenleiters in
L₂ z-Richtung
LB charakteristische Länge im gekrümmt verlaufenden Teil des Wellenleiters in z-Richtung
x laterale Richtung des Bauelements
y vertikale Richtung des Bauelements
z longitudinale Richtung des Bauelements
Λ(z) effektive Gitterperiode in Richtung des gekrümmten Wellenleiters (axiale Richtung) am Ort z
Λz Korrugationsperiode der homogenen Gitterbereiche in z-Richtung
ϑ (z) Winkel an der Stelle z zwischen der Senkrechten auf den benachbarten Gitterstrich und der Tangente an den Lichtwellenleiter
λ Wellenlänge des Lichtes
Δϕ₁
Δϕ₂
Δϕ₃ Bezeichnung verschiedener quasi-abrupter
Δϕi Phasenverschiebungen
gz Gittergrabenbreite in z-Richtung des homogenen Gitterfeldes
sz Gitterstegbreite in z-Richtung des homogenen Gitterfeldes
Λz Gitterperiode des homogenen Gitterfeldes in z- Richtung
i Anzahl der modifizierten und nicht modifizierten Korrugationsperioden innerhalb des Bereichs, in dem die quasi-abrupte Phasenverschiebung erzeugt wird. Das heißt, mit i werden die einzelnen Gitterstege und Gittergräben durchnumeriert, welche sich innerhalb einer der quasi abrupten Phasenverschiebungen befinden
j Ordnungszahl der quasi abrupten Phasenverschie­ bungen
zh Position auf der z-Achse im Bereich der homogenen Gitterfelder
szi,j Gitterstegbreite mit der Ordnungszahl i aus der quasi-abrupten Phasenverschiebung mit der Ordnungszahl j in z-Richtung
gzi,j Gittergrabenbreite mit der Ordnungszahl i aus der quasi-abrupten Phasenverschiebung mit der Ordnungs­ zahl j in z-Richtung
zsi,j Position auf der z-Achse im Bereich der quasi-ab­ rupten Phasenverschiebung mit der Ordnungszahl j an der Stelle, an welcher der Gittersteg mit der Ord­ nungszahl i liegt.
zgi,j Position auf der z-Achse im Bereich der quasi-ab­ rupten Phasenverschiebung mit der Ordnungszahl j an der Stelle, an welcher der Gittergraben mit der Ordnungszahl i liegt.
L
L₁ specific lengths of the waveguide in
L₂ z direction
L B characteristic length in the curved part of the waveguide in the z direction
x lateral direction of the component
y vertical direction of the component
z longitudinal direction of the component
Λ (z) effective grating period in the direction of the curved waveguide (axial direction) at the location z
Λ z corrugation period of the homogeneous lattice regions in the z direction
ϑ (z) Angle at the point z between the perpendicular to the neighboring grating and the tangent to the optical fiber
λ wavelength of light
Δϕ₁
Δϕ₂
Δϕ₃ designation of various quasi-abrupt
Δϕ i phase shifts
g z trench width in the z direction of the homogeneous grid field
s z grid web width in the z direction of the homogeneous grid field
Λ z lattice period of the homogeneous lattice field in the z direction
i Number of modified and unmodified corrugation periods within the range in which the quasi-abrupt phase shift is generated. This means that the individual grid bars and grid trenches are numbered with i, which are located within one of the quasi-abrupt phase shifts
j atomic number of the quasi-abrupt phase shifts
z h Position on the z-axis in the area of the homogeneous grid fields
s zi, j grid web width with the ordinal number i from the quasi-abrupt phase shift with the ordinal number j in the z direction
g zi, j trench width with the ordinal i from the quasi-abrupt phase shift with the ordinal j in the z direction
z si, j position on the z-axis in the region of the quasi-ab rupten phase shift with the ordinal number j at the point at which the grid web with the ordinal number i lies.
z gi, j position on the z-axis in the area of the quasi-ab rupte phase shift with the ordinal number j at the point at which the trench with the ordinal number i lies.

Claims (13)

1. Optoelektronisches Bauelement mit einem Rückkopplungsgitter mit axial veränderbarer Korrugationsperiode, das aus mindestens drei Schichten aus mindestens zwei verschiedenen Halbleitermaterialien und einem optischen Wellenleiter aufgebaut ist, wobei in dem Bereich des Wellenleiters, in dem die Intensität des geführten Lichtes deutlich von Null verschieden ist, das Rückkopplungsgitter mit seinen senkrecht zur longitudinalen Richtung angeordneten Gitterstrichen liegt, dadurch gekennzeichnet, daß das optoelektronische Bauelement ein optisches Rückkopplungsgitter mit mindestens einer quasi-abrupten Phasenverschiebung in Kombination mit einem gekrümmt verlaufenden optischen Wellenleiter aufweist, wobei das optische Rückkopplungsgitter in longitudinaler Richtung (z) mindestens ein homogenes Gesamt-Gitterfeld aufweist, daß dieses Feld an mindestens einer Stelle in seiner Periodizität in longitudinaler Richtung durch eine quasi-abrupte Phasenverschiebung (Δϕj) unterbrochen ist, daß die charakteristischen Längen des Gitters, welche lokal in dem Bereich der Phasenverschiebung der Ordnungszahl j liegen, durch die Wellenleiterkrümmung effektiv in ihrer Länge geändert sind, daß dabei ein Gittergraben der Ordnungszahl i an der Stelle zgi,j, welcher in z-Richtung betrachtet die Länge gzi,j ausgebildet hat, eine durch die Wellenleiterkrümmung verursachte effektive Längenänderung gzi,j = gzi,j/cos(ϑ (zgi,j)) aufweist, daß dabei ein Gittersteg der Ordnungszahl i an der Stelle zsi,j, welcher in longitudinaler Richtung betrachtet die Länge szi,j ausgebildet hat, eine durch die Wellenleiterkrümmung verursachte effektive Längenänderung si,j = szi,j/ cos(ϑ(zsi,j)) aufweist und daß dabei eine Korrugationsperiode an der Stelle z, welche in longitudinaler Richtung betrachtet, die Länge Λz ausgebildet hat, eine durch die Wellenleiterkrümmung verursachte effektive Längenänderung Λ(z) = Λz/cos(ϑ(z)) aufweist.1.Optoelectronic component with a feedback grating with an axially variable corrugation period, which is constructed from at least three layers of at least two different semiconductor materials and an optical waveguide, the region of the waveguide in which the intensity of the guided light is clearly different from zero Feedback grating with its grating lines arranged perpendicular to the longitudinal direction, characterized in that the optoelectronic component has an optical feedback grating with at least one quasi-abrupt phase shift in combination with a curved optical waveguide, the optical feedback grating in the longitudinal direction (z) at least one homogeneous overall grid field has that this field is interrupted at least at one point in its periodicity in the longitudinal direction by a quasi-abrupt phase shift (Δϕ j ) that the characteristic lengths of the grating, which are locally in the range of the phase shift of the atomic number j, are effectively changed in length by the waveguide curvature, so that there is a grating trench of the ordinal number i at the position z gi, j , which is in the z direction considered the length g zi, j has an effective length change caused by the waveguide curvature g zi, j = g zi, j / cos (ϑ (z gi, j )) has that a grid web of atomic number i at the point z si, j , which, viewed in the longitudinal direction, has formed the length s zi, j , has an effective length change s i, j = s zi, j / cos (ϑ (z si, j )) caused by the waveguide curvature and that there is a Corrugation period at point z, which has a length Λ z when viewed in the longitudinal direction, has an effective length change Λ (z) = Λ z / cos (ϑ (z)) caused by the waveguide curvature. 2. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in longitudinaler Richtung (z) zusätzlich eine definierte Anzahl von gitterfreien Bereichen angeordnet ist, wodurch eine DBR-Struktur bzw. eine "sampled grating"-Struktur entsteht.2. Optoelectronic component according to claim 1, characterized characterized in that in the longitudinal direction (z) additionally a defined number of grid-free Areas is arranged, creating a DBR structure or a "sampled grating" structure is created. 3. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mathematische Krümmungsfunktion des optischen Wellenleiters mindestens ein gerades, d. h. ungekrümmt verlaufendes Teilstück enthält, und daß das gerade Teilstück des optischen Wellenleiters einen Schnittwinkel mit den Gitterstrichen einschließt, der in einem Bereich von 60° bis 120° definiert ist.3. Optoelectronic component according to claim 1 and 2, characterized in that the mathematical Curvature function of the optical waveguide at least one straight, d. H. curvilinear Section contains, and that the straight section of the optical waveguide an intersection with the Includes dashes that range from 60 ° to 120 ° is defined. 4. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Realisierung des gekrümmten optischen Wellenleiters ein in sich konsistenter Lithographie-Maskensatz verwendet wird, wobei die Wellenleiterkrümmung nach beliebigen mathematischen Funktionen verläuft, und daß die Wellenleiter-Struktur in den auf der Oberfläche der Halbleiterstruktur aufgebrachten Photolackschichten mittels optischer Masken-Lithographie definiert wird. 4. Optoelectronic component according to claim 1 and 2, characterized in that for the realization of the curved optical waveguide in itself consistent lithography mask set is used, the waveguide curvature according to any mathematical functions, and that the Waveguide structure in the on the surface of the Semiconductor structure applied photoresist layers is defined by means of optical mask lithography.   5. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gekrümmte Wellenleiter- Struktur in den auf der Oberfläche der Halbleiterstruktur aufgebrachten Photolackschichten direkt mittels Elektronenstrahl-Lithographie definiert wird.5. Optoelectronic component according to claim 1 and 2, characterized in that the curved waveguide Structure in the on the surface of the Semiconductor structure applied photoresist layers defined directly by means of electron beam lithography becomes. 6. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gekrümmte Wellenleiter- Struktur in den auf der Oberfläche der Halbleiterstruktur aufgebrachten Photolackschichten direkt mittels Ionenstrahl-Lithographie definiert wird.6. Optoelectronic component according to claim 1 and 2, characterized in that the curved waveguide Structure in the on the surface of the Semiconductor structure applied photoresist layers is defined directly by means of ion beam lithography. 7. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplung des Gitters komplex ist und Brechungsindex- sowie Gewinnkopplung beinhaltet.7. Optoelectronic component according to claim 1 and 2, characterized in that the coupling of the grid is complex and refractive index and profit coupling includes. 8. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplung des Gitters komplex ist und Brechungsindex- sowie Verlustkopplung beinhaltet.8. Optoelectronic component according to claim 1 and 2, characterized in that the coupling of the grid is complex and refractive index and loss coupling includes. 9. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplung des Gitters rein imaginär ist und Gewinnkopplung beinhaltet.9. Optoelectronic component according to claim 1 and 2, characterized in that the coupling of the grid is purely imaginary and involves profit coupling. 10. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplung des Gitters rein imaginär ist und Verlustkopplung beinhaltet.10. Optoelectronic component according to claim 1 and 2, characterized in that the coupling of the grid is purely imaginary and involves loss coupling. 11. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplung des Gitters reell ist und reine Indexkopplung darstellt. 11. Optoelectronic component according to claim 1 and 2, characterized in that the coupling of the grid is real and represents pure index coupling.   12. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Tastverhältnis des homogenen Gitters gzz im Bereich zwischen 0 und 1 variiert.12. Optoelectronic component according to claim 1 and 2, characterized in that the pulse duty factor of the homogeneous grating g z / Λ z varies in the range between 0 and 1. 13. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Phasenverschiebungen befindlichen charakteristischen Längen szi,j und gzi,j zueinander unterschiedliche Längen aufweisen.13. Optoelectronic component according to claim 1 and 2, characterized in that the characteristic lengths located in the phase shifts s zi, j and g zi, j have different lengths from one another.
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