DE19754473C2 - Monolithisch integriertes Halbleiter-Laserarray - Google Patents

Abstract

Optische Sender für Multiplexbetrieb benötigen Halbleiter-Laserarrays, die auf verschiedenen Werten einer lasercharakteristischen Variablen, beispielsweise der Emissionswellenlänge, arbeiten. Bekannte Arrays erlauben zur Vermeidung von Kreuzbeeinflussungen nur den gleichzeitigen oder gestafftelten Betrieb der Laser. Außerdem verbrauchen die zugehörigen Koppelnetzwerke einen hohen Anteil der optischen Ausgangsleistung. Außerdem ist es bekannt, durch Integration zweier Zusatzlaser drei verschiedene Serien von Lasern vorzusehen, von denen dann nur eine für den optischen Chip konfektioniert wird. Das erfindungsgemäße Halbleiter-Laserarray weist unter Beibehaltung dieser Auswahlabstimmung für einen beliebigen Laserbetrieb doppelt so viele Laser (0...9) auf als für die Sendekanäle benötigt werden und verteilt diese durch Paarzuordnung auf die drei Serien (A, B, C) in der Form, daß immer zwischen zwei benutzten Lasern ein unbenutzter Laser angeordnet ist. Durch diese räumliche Distanz werden Kreuzbeeinflussungen weitgehend unterdrückt. Außerdem ist das zugehörige Koppelnetzwerk unter Ausnutzung beider Ausgänge von 3dB-Kopplern gegenüber herkömmlichen Netzwerken mit einer Stufe weniger aufgebaut, so daß die erzielte Ausgangsleistung verdoppelt werden konnte.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein monolithisch integriertes Halbleiter- Laserarray für einen optischen Multiplex-Senderchip zur Erzeugung einer Serie aus 2ⁿ aufeinanderfolgenden Werten einer für die Laseremissionen charakteristischen Variablen, die 2ⁿ aufeinanderfolgenden Sendekanälen mit vorgebbaren Abständen der Variablen zugeordnet sind, wobei das Halbleiter- Laserarray zur Auswahlabstimmung der sendefähigen Kanäle zunächst 2ⁿ + 2 verschiedene Werte der Variablen erzeugt, die in drei jeweils um einen Sendekanal versetzte Auswahl-Werteserien (A, B, C) mit den zugeordneten Werten 0 bis 2ⁿ - 1, 1 bis 2ⁿ und 2 bis 2ⁿ + 1 aufgeteilt sind, und mit einem die Laseremissionen auf zumindest einen optischen Chipausgang zusammenfassenden, von der Variablen unabhängigen passiven Koppelnetzwerk.

Die Integration von Halbleiter-Laserarrays zur Herstellung von Multiplex- Senderchips führt zu einem Chiplayout, bei dem die Emissionen der im Array angeordneten Laser über ein Koppelnetzwerk einem Chipausgang zugeführt werden, an den eine optische Faser zur Weiterleitung des Sendesignals angekoppelt ist. Jeder Laser emittiert in einem anderen Wert der charakteristischen Variablen und bestimmt so die Sendekanäle. Diese werden alle einem Ausgangskanal zugeführt, der entsprechend im Multiplexbetrieb ausgenutzt wird. Die Variable für das Multiplexing hängt dabei von dem Erzeuger des Sendesignals ab. Bei Lasern handelt es sich hierbei in der Regel um die Frequenz bzw. äquivalent die Wellenlänge des emittierten Signals. Dessen Energieinhalt oder relative Phasenlage sind aber ebenfalls geeignet. Der Abstand zwischen den Emissionen in der je nach Anwendungsfall ausgewählten Variablen aller Laser bildet den Kanalabstand. Dieser kann konstant oder auch variabel sein und wird im Allgemeinen von internationalen Kommissionen für die Kompatibilität der Sendeeinrichtungen als Raster festgelegt. Man spricht in diesem Zusammenhang beispielsweise von einem Wellenlängen- oder richtiger Frequenzkamm.

Die Einsetzbarkeit eines Halbleiter-Laserarrays mit verschiedenen Wellenlängen hängt davon ab, wie gut die Einhaltung der vorgegebenen Wellenlängenabstände während der Chipherstellung überwacht werden kann. Fehler treten hauptsächlich in der Gitter- und Wellenleiterstrukturierung auf. Eine Methode, um fehlerhafte Elemente aussortieren zu können, ist das Vorsehen mehrerer redundanter Elemente. Aus der US 5 612 968 ist ein optischer Multiplex-Senderchip bekannt, bei dem für jede zu emittierende Wellenlänge in einem Frequenzkamm eine Vielzahl von Halbleiterlasern vorgesehen ist. Nach der Chipherstellung werden die Laser auf diese charakteristische Variable getestet und entsprechend des vorgegebenen Frequenzkammes ausgewählt. Nur ein Laser pro Wellenlänge wird dann mit einer modulierenden Datenquelle dauerhaft elektrisch und mit einem Optokoppler optional verbunden. Die nicht verbundenen Laser bleiben ohne Funktion.

Aus dem Aufsatz "Multiwavelength DFB Laser Arrays with Integrated Combiner and Optical Amplifier for WDM Optical Networks" (Ch. Zah et al., IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 3, No. 2, 1997, S. 584-597) ist ein optischer Mulitplex-Senderchip mit einem DFB-Laserarray bekannt, bei dem zur Verbesserung der Arrayleistung zwei DFB-Laser pro Wellenlänge implementiert sind. Aus den beiden redundanten Lasern wird dann derjenige ausgesucht und kontaktiert, dessen emittierte Wellenlänge der festgelegten Systemwellenlänge am nächsten liegt. Haben beide Laser die gleiche Wellenlängenspezifikation, wird der leistungsstärkere ausgewählt. Der jeweils andere Laser bleibt ungenutzt.

Die Einhaltung der geforderten Kanalabstände kann bei der monolithischen Integration eines Halbleiter-Laserarrays in gewissem Maß gewährleistet werden, eine Einhaltung der Absolutwerte der emittierten Variablen ist erheblich schwerer zu erreichen. Die Integration kann also mit einer guten relativen, aber nur minderen absoluten Genauigkeit erfolgen. Die Abstimmung des gesamten Chips über seine Temperatur ermöglicht hierbei eine gewisse Korrektur der absoluten Lage der Laser hinsichtlich ihrer jeweiligen Emissionen. Eine Temperaturänderung von beispielsweise mehr als 10°C, die eine Verschiebung des Wellenlängenkammes um maximal +/- 1 nm bewirken könnte, ist allerdings bei gleichzeitig hoher optischer Leistung des Lasers nicht generell realisierbar. Die mit der Chipherstellung verbundenen Toleranzen sind jedoch größer, so dass die Ausbeute an verwertbaren Chips pro Wafer erheblich gesteigert werden kann, wenn man am oberen und unteren Ende des Kammes jeweils einen zusätzlichen Laser für insgesamt zwei weitere Kanäle integriert (2 "Extra-Laser"). Man gewinnt so den zweifachen Kanalabstand im Kamm als Toleranz. Damit werden gleichsam 3 verschiedene Kämme, deren absolute Lage sich um eine Stufe am oberen bzw. unteren Ende unterscheiden, zur Verfügung gestellt. Durch Auswahl vor der Chipkonfektionierung kann dann derjenige Kamm ermittelt werden, der den geforderten absoluten Werten am nächsten benachbart liegt. Hier führt dann beispielsweise eine thermische Feinabstimmung zu den gewünschten Werten.

Aus der Sicht der Systemanwendungen werden in den meisten Fällen Chips für 2ⁿ Sendekanäle verlangt. Dabei steht n für eine natürliche Zahl aus dem positiven Zahlenraum. Es sind also mit dem Halbleiter-Laserarray mindestens 2ⁿ verschiedene Zahlenwerte der Variablen zu erzeugen. Diese liegen in einer fortlaufenden Serie und müssen einen vorgegebenen Abstand zueinander aufweisen. Die Zahlenserie entspricht dabei auch einer Numerierung der emittierenden Laser. Durch Integration der 2 Extra-Laser (0, 2ⁿ + 1) ergeben sich 2ⁿ + 2 verschiedene Zahlenwerte, die drei Kämmen bzw. Serien mit den Zahlenwerten 0 bis 2n - 1, 1 bis 2ⁿ und 2 bis 2ⁿ + 1 zuzuordnen sind. Eine dieser Serien ist dann zur Grobabstimmung auszuwählen und optisch zu koppeln.

Vor dem Hintergrund dieser allgemeinen Ausführungen wird der Stand der Technik, von dem die Erfindung ausgeht, beschrieben in dem Aufsatz "Six wavelength laser array with integrated amplifier and modulator" von M. G. Young et al., Electronics Letters, 12^th October d1995, Vof. 31, No. 21, pp. 1835-1836. Wie aus persönlichen Gesprächen mit dem Koautor T. L. Koch bekannt ist, dienen bei dem hier beschriebenen Halbleiter-Laserarray zwei der sechs Laser als Extralaser zur Auswahlabstimmung des zu übertragenden Sendespektrums mit der Wellenlänge als fasercharakteristischer Variable. Die Laseremissionen werden über einen passiven 6 × 1-Sternkoppler auf der Basis eines "Dragone-Combiners" (vgl. "Efficient N × N Star Couplers Using Fourier Optics" von C. Dragone, Journal of Lightwave Techn. 3/89, Vol 7, No. 3, pp. 479-489) wellenlängenunabhängig auf einen einzigen Chipausgang geleitet. Bei einem derartigen Koppelnetzwerk nimmt die intrinsische Dämpfung linear mit der Anzahl der Eingänge zu. Im theoretischen Idealfall entspricht die Dämpfung im Falle von 2ⁿ ausgewählten Eingängen der eines entsprechenden Sternkopplernetzwerks, also n . 3 dB.

Durch die Integration mehrerer Laser auf einem Chip treten verschiedene Mechanismen der Kreuzbeeinflussung auf. Ein besonderes Problem ist die thermische Kreuzbeeinflussung, weil Laser als Hochleistungsbauelemente einerseits Wärmequellen darstellen, andererseits aber ihre Eigenschaften auch mit der Temperatur ändern. Diesem Problem der Temperaturempfindlichkeit von Halbleiterlasern wird begegnet, indem entweder immer alle Laser des Arrays eingeschaltet sind (vgl. "Monolithic Integrated Multiwavelength Laser Arrays for WDM Lightwave Systems" von C. E. Zah et al., Optoelectronics, 06/94, Vol. 9, No. 2, pp. 153-166) oder der Betriebszustand jedes einzelnen Lasers fest vorgegeben ist, beispielsweise wie bei dem aus dem oben zitierten Aufsatz bekannten Array in der Form, dass immer nur der Betrieb eines Lasers erlaubt wird. Damit ist die auftretende Verlustwärme immer kalkulierbar. Ein unabhängiger Betrieb der Laser, d. h. eine beliebiges Ein- und Ausschalten der Laser mit variierender aktueller Verlustwärme, ohne dass sich der Zustand und die Eigenschaften der anderen Laser durch Kreuzbeeinflussung, insbesondere thermischer Art, ändert, ist bei den bekannten Halbleiter-Laserarrays nicht möglich.

Ein weiteres Problem ist die Einstellung der Laser. Möchte man beispielsweise die Wellenlänge und die optische Leistung eines Lasers unabhängig voneinander einstellen, braucht man einen abstimmbaren Laser. Dabei ist zu berücksichtigen, dass sich mit der optischen Leistung auch die Verlustleistung und damit die Wellenlänge des Lasers ändert ("Selbstabstimmung"). Elektronisches Abstimmen in Multisektionslasern ist allgemein bekannt und führt in der Regel zu sehr komplexen Abstimmcharakteristiken. Auch thermisches Abstimmen ist bekannt, wobei entweder die Temperatur des gesamten Chips verändert wird oder gezielt die Temperatur des einzelnen Lasers, z. B. wie aus dem Aufsatz "Multiwavelength gain-coupled MQW DFB laser with fine tunability" von T. Makino et al., OFC'96 Technical Digest, FB 1, pp. 298-299" bekannt ist, über einen integrierten Heizdraht (Ti-Streifenwiderstand).

Das technische Problemfeld, mit dem sich die Erfindung befasst, besteht deshalb darin, ein monolithisch integriertes Halbleiter-Laserarray der eingangs beschriebenen Art so weiterzubilden, dass 2ⁿ Laser in der jeweilig relevanten lasercharakteristischen Variablen gleichzeitig betrieben und auf einen optischen Ausgang des Chips zusammengefasst werden können. Dabei soll eine besonders hohe Ausgangsleistung erzielt werden und eine Auswahlabstimmung unter drei verschiedenen Laserfolgen zur Einhaltung der geforderten Laseremissionen möglich sein. Die Laser sollen unabhängig voneinander betreibbar sein, d. h. jegliche Art der Kreuzbeeinflussung, insbesondere jede thermische Kreuzbeeinflussung, soll vermieden sein. Weiterhin soll die Möglichkeit einer Abstimmung der Laser, insbesondere hinsichtlich ihrer optischen Leistung, unter exakter Einhaltung der geforderten Werte gegeben sein. Darüber hinaus soll das Halbleiter-Laserarray mit einfachen und damit kostengünstigen Mitteln für große Serienproduktionen aufgebaut sein und bezüglich unterschiedlichster Anwendungen eine große Flexibilität aufweisen.

Die erfindungsgemäße Lösung für die Hauptproblematik sieht deshalb vor, dass das Halbleiter-Laserarray insgesamt 2ⁿ⁺¹ Laser mit den zugeordneten Werten 0,1,2,2,3,3,.......,2ⁿ - 2, 2ⁿ - 2, 2ⁿ - 1, 2ⁿ-1, 2ⁿ, 2ⁿ + 1 enthält, von denen die beiden Laser mit den Werten 0 und 2ⁿ in einem ersten Einzelpaar [0,2ⁿ], die beiden Laser mit den Werten 1 und 2ⁿ + 1 in einem zweiten Einzelpaar [1, 2ⁿ + 1] und die Laser mit den restlichen zugeordneten Werten als Doppelpaare [2, 2]; [3, 3]; ......; [2ⁿ - 2, 2ⁿ -2]; [2ⁿ - 1, 2ⁿ - 1] zusammengefasst sind, wobei alle Laserpaare in beliebiger Reihenfolge einander benachbart im Halbleiter-Laserarray ange­ ordnet sind, unter Einhaltung der Bedingung, dass das erste und das zweite Einzelpaar in der räumlichen Abfolge...[2ⁿ, 0],[2n + 1, 1]... oder deren Spiegelung ...[1, 2ⁿ + 1], [0, 2ⁿ]... positioniert sind, und dass die Laseremissionen jeder der drei Auswahl-Werteserien (A, B, C) durch ein Netzwerk aus jeweils zwei Ein- und zwei Ausgänge aufweisenden 3 dB-Kopplern in n Koppelstufen durch Kopplung jeweils eines Laser-Ausganges mit dem Ausgang eines dazu übernächsten Lasers oder eines Koppler-Ausganges mit dem Ausgang eines dazu übernäch­ sten Kopplers auf zumindest einen, nur der jeweiligen Werteserie (A, B, C) zuge­ ordneten optischen Chipausgang zusammengefasst sind, wobei in der n-ten Koppelstufe die Emissionen zumindest einer der drei Werteserien (A, B, C) ent­ sprechend ihrer optischen Leistung in der (n - 1)-ten Koppelstufe unter Ausnutzung beider Ausgänge der zugehörigen Koppler der (n - 1)-ten Koppel­ stufe zusammengefasst sind.

Von wesentlicher Bedeutung für die Erfindung ist, dass bei dem erfindungsgemäßen Halbleiter-Laserarray ein passives Sternkoppler-Netzwerk aus 3 dB-Kopplern verwendet wird, mit dem 2ⁿ + 1 Laser aus drei verschiedenen Auswahl-Werteserien auf drei optische Chipausgangsbereiche zusammen­ gefasst werden. Jede Serie erhält zumindest einen eigenen optischen Aus­ gang. Je nach Wahl der Serie muss nur dieser eine (oder wie weiter unten aus­ geführt, nur diese aus dem einen Chipausgangsbereich) optisch an das Sende­ netz angeschlossen werden. Es können aber auch alle drei Ausgänge optisch angeschlossen werden, die dann im Betrieb entsprechend umgeschaltet oder parallel ausgenutzt werden. Durch das Vorsehen von zumindest drei gleichbe­ rechtigten Chipausgängen kann gegenüber herkömmlichen Netzwerken, die durch das beschriebene Zusammenfassen der Laser bzw. vorgeordneten Kopplerstufen auf einen einzigen Ausgang n + 1 Kopplerstufen benötigen, auf eine Kopplerstufe verzichtet werden, so dass insgesamt nur n Kopplerstufen er­ forderlich sind. Dadurch gewinnt man 3 dB an optischer Ausgangsleistung, was einer Leistungsverdopplung gegenüber konventionellen Lösungen entspricht.

Das Problem der Kreuzbeeinflussung, insbesondere der thermischen Kreuzbeeinflussung, reduziert sich automatisch mit zunehmendem Abstand zwischen gleichzeitig betriebenen Lasern. Durch das Vorsehen von insgesamt 2ⁿ + 1 Lasern mit einer Zuordnung zu drei unterschiedlichen Serien können diese im erfindungsgemäßen Halbleiter-Laserarray so angeordnet werden, dass grundsätzlich niemals zwei nebeneinander liegende Laser gleichzeitig betrieben werden, weil sie immer unterschiedlichen Serien angehören. Diese sind dadurch optisch voneinander entkoppelt. Durch diese Anordnung wird bei gegebenen Laserabstand die Kreuzbeeinflussung, insbesondere die thermische, minimiert. Die Laseranzahl und -anordnung ist damit für die Erfindung ebenfalls von großer Bedeutung. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird bezüglich dieses Punktes und auch bezüglich des Aufbaus des Koppelnetzwerkes auf die Ausführungen im speziellen Beschreibungsteil hingewiesen.

Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiter-Laserarrays kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass jede der drei Auswahl-Werteserien durch ein Netzwerk aus 3 dB-Kopplern mit zwei belegbaren Ausgängen auf maximal 2^n-1 eigene, nur der jeweiligen Werteserie zugeordnete optische Chipausgänge zusammengefasst ist. Damit können, falls erforderlich, maximal 2^n-1 gleichberechtigte optische Ausgänge pro Serie in einem Chipausgangsbereich erzeugt werden. Das wird dadurch ermöglicht, dass beide bei jedem 3 dB-Koppler vorhandene Ausgänge auch genutzt werden. Herkömmliche Anwendungen mit Vereinigungsnetzwerken nutzen stets nur einen Ausgang. Dabei werden in den Koppelstufen auch weiter als benachbart auseinander liegende Ausgänge gekoppelt. Bei Vorhandensein von 2^n-1 Ausgängen pro Serie verändert sich das erfindungsgemäße Halbleiter-Laserarray von einer festen Konfiguration zu einer alternativ frei wählbaren Konfiguration gleichwertiger Ausgänge. Damit erhält das Combiner-Netzwerk ein hohes Maß an Flexibilität. Alternativ-Konfigurationen mit Faserumschaltern sind unter Berücksichtigung der auftretenden Auskopplungsverhältnisse beispielsweise zu Kontrollzwecken oder Mehrfachverteilungen verwendbar.

Die Anordnung der Laser im erfindungsgemäßen Halbleiter-Laserarray erfolgt so, dass genutzte Laser immer durch ungenutzte Laser räumlich voneinander getrennt sind. Bei dieser Anordnung der Laser entstehen also Paare von Partnerlasern aus unterschiedlichen Serien, von denen nur jeweils einer betrieben werden muss. Die Emissionen der jeweiligen Partnerlaser werden in unterschiedliche optische Ausgänge geleitet. Das eröffnet die Möglichkeit, den jeweiligen Partnerlaser als Heizquelle zum Abstimmen des eigentlich wichtigen Lasers zu verwenden. Dafür müssen die beiden Partnerlaser in sehr dichtem Abstand zueinander plaziert werden. Deshalb ist es gemäß einer anderen Erfindungsfortführung vorteilhaft, wenn jedes Laserpaar eine konstruktive Einheit aus zwei eng benachbarten Lasern bildet. Das führt zusätzlich zu einem sehr kompakten Aufbau des Halbleiter-Laserarrays. Dieser benötigt dann mit den vorhandenen 2ⁿ⁺¹ Lasern nicht mehr Platz als bei einer Integration der nur eigentlich geforderten 2ⁿ Laser.

Wie weiter oben bereits ausgeführt, hängt bei monolithisch integrierten Lasern die thermische Kreuzbeeinflussung zwischen den Lasern hauptsächlich von deren räumlicher Nähe ab. Nach einer andern Gestaltung der Erfindungsidee entspricht die Anzahl der Chipecken der Anzahl der Laserpaare und ist in jeder Chipecke ein Laserpaar angeordnet. So nehmen die betriebenen Laser einen maximalen Abstand voneinander ein, die thermische Kreuzbeeinflussung wird minimiert. Dies kann ebenfalls für die elektrische Kreuzbeeinflussung gelten. Für den Fall n = 2, was 2ⁿ = 4 Sendekanälen entspricht, ergibt sich die Möglichkeit, die benutzten Laser thermisch besonders effektiv zu entkoppeln. Die erforderlichen 2ⁿ⁺¹ = 8 Laser werden in 4 Paaren mit je zwei Lasern aus unterschiedlichen Serien zusammengefasst, die in den 4 Ecken eines rechteckigen, insbesondere quadratischen Chips angeordnet werden. So ist unabhängig von der Wahl der Serie immer nur ein Laser pro Ecke aktiv und der Abstand zwischen den benutzten Lasern optimal groß. Das Problem der thermischen Kreuzbeeinflussung ist damit durch eine fast völlige Eliminierung bestmöglich gelöst. In der Mitte des Chips befindet sich dabei ein zu den Chipecken ausgerichtetes 8 × 3 Sternkoppelnetzwerk. Eine thermische Abstimmung durch den jeweiligen Partnerlaser ist bei dieser Anordnung ebenso möglich wie durch einen jeweils zugeordneten Heizdraht in konventioneller Weise.

Hauptziele der Erfindung sind neben einer deutlichen Steigerung der Ausgangsleistung die weitgehende Entkopplung der genutzten Laser, um eine gute Konstanz der jeweiligen Emissionen unabhängig vom Sendebetrieb zu erreichen. Dabei spielt es keine Rolle, welche Eigenschaft der Laser in den Auswahlserien variiert wird. Deren Wahl hängt nur von den jeweiligen Einsatzbedingungen ab. Wenn deshalb nach einer anderen Ausgestaltung der Erfindung die Variable der lasercharakteristischen Eigenschaft die Emissionswellenlänge ist und die vorgebbaren Abstände zwischen den Wertevarianten konstant sind, kann das erfindungsgemäße Halbleiter- Laserarray vorteilhaft als integrierte Mehrwellenlängenquelle in einem Multi- Wellenlängen-Transmitter für Wellenlängen-Multiplexbetrieb (WDM) eingesetzt werden. Bei einer Konstanz der Kanalabstände ist, die Variation der Kammlage ohne weiteres durchführbar. Anderenfalls müssen zumindest die Werte in den Randbereichen einen konstanten Abstand zueinander aufweisen.

Von Verwendungs- und Herstellungsanforderungen hängt der spezielle Aufbau des Halbleiter-Laserarrays im Zusammenhang mit weiteren Komponenten des Senderchips ab. Diese sind im allgemeinen Stand der Technik bekannt. Insbesondere kann es besonders nützlich hinsichtlich der Anforderungen sein, wenn nach einer anderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Halbleiter-Laserarrays die monolithische Integration auf InP erfolgt, die Emissionswellenlängen der als DFB-Laser ausgebildeten Laser im 1,33 µm- oder 1,55 µm-Bereich liegen und weitere Bauelemente zur Weiterverarbeitung der Laseremissionen auf dem Halbleiter-Laserarray vorgesehen sind. Hierbei kann es sich insbesondere um Verstärker, Modulatoren und optische Schalter handeln. DFB-Laser sind einfach monolithisch aufzubauen und gut abstimmbar. Durch Modulation beispielsweise mit Elektroabsorptions- oder Mach-Zehnder-Interferometer- Modulatoren ist es möglich, Dauersignale zu dynamisieren und damit dem Sendesignal eine zusätzliche Charakteristik aufzuprägen. Optische Verstärker sind dann sinnvoll, wenn das bereits sehr leistungsstarke Ausgangssignal auf mehrere Ausgänge des photonischen integrierten Chips verteilt werden soll.

Veranschaulichungen des erfindungsgemäßen Halbleiter-Laserarrays und Ausbildungsformen dazu werden nachfolgend anhand der schematischen Figuren näher erläutert.

Dabei zeigt:

Fig. 1 eine Tabelle zu einer möglichen Anordnung der 2ⁿ⁺¹ Laser,

Fig. 2 den Aufbau eines Koppelnetzwerkes für n = 3 mit einem optischen Ausgang pro Serie,

Fig. 3 den Aufbau eines Koppelnetzwerkes für n = 3 mit der maximalen Anzahl 2^n-1 = 4 optischer Ausgänge pro Serie

Fig. 4 den Aufbau eines Koppelnetzwerkes für n = 2 mit einem optischen Ausgang pro Serie,

Fig. 5 den Aufbau eines Koppelnetzwerkes für n = 2 mit der maximalen Anzahl 2^n-1 = 2 optischer Ausgänge pro Serie,

Fig. 6 den Aufbau eines Koppelnetzwerkes für n = 2 mit einem optischen Ausgang pro Serie und konstruktiv vereinigten Laserpaaren und

Fig. 7 die prinzipielle Architektur eines erfindungsgemäßen Halbleiter-Laserarrays für 8 Laser mit optimaler Entkopplung.

Bei der Anordnung der Laser ist es das Ziel, die drei beschriebenen Serien von 2ⁿ Lasern mit 2ⁿ verschiedenen Werten der variierten Eigenschaft aus 2ⁿ⁺¹ Lasern mit insgesamt 2ⁿ + 2 Werten der variierten Eigenschaft im Array so anzuordnen, dass niemals zwei nebeneinander liegende Laser gleichzeitig zum Einsatz kommen. Die Laser sind durchnumeriert von 0 bis 2ⁿ + 1, wobei jede Nummer einem Wert der variierten Eigenschaft der Laser entspricht. Beispielsweise können mit den Nummern 2ⁿ + 2 verschiedene Emissionswellenlängen gemeint sein. Der Fig. 1 ist eine Tabelle für eine mögliche Laser-Konfigurierung nach der allgemeinen Anordnungsvorschrift für die Laser im erfindungsgemäßen Halbleiter-Laserarray zu entnehmen. Diese basiert auf einer Gesamtanzahl der Laser von 2ⁿ⁺¹ im Array, die durch eine doppelte Integration der Laser mit den Nummern 2 bis 2ⁿ - 1 hervorgerufen wird.

Diese Laser können nun wie folgt angeordnet sein: Um die gedankliche Mitte des Arrays gruppieren sich die Laser 0 und 2ⁿ + 1. Auf den Laser 0 folgt der Laser 2ⁿ. Daran schließen sich jeweils doppelt die Laser 2ⁿ - 1, 2ⁿ - 2, usw. bis 2^n-1 + 1 an. Auf der anderen Seite folgt auf den Laser 2ⁿ + 1 der Laser 1, darauf folgen jeweils doppelt die Laser 2, 3, usw. bis 2^n-1. Wählt man nun die benutzten Laser in den drei Serien so aus, wie in der Tabelle in Fig. 1 durch Ankreuzungen dargestellt, ist zu erkennen, dass zum einen die Serie "A" die Laser 1 bis 2ⁿ umfasst, die Serie "B" die Laser 0 bis 2ⁿ - 1 und die Serie "C" die Laser 2 bis 2ⁿ + 1. Zum anderen sieht man, dass unabhängig von der Wahl der Serie immer ein unbenutzter Laser zwischen zwei benutzten Lasern plaziert worden ist. Fasst man nun jeweils zwei benachbarte Laser zu Paaren zusammen, in der Tabelle durch Umrandungen und unterschiedliche Grautönungen angedeutet, so erkennt man weiterhin, dass in jedem Paar immer nur ein Laser benutzt ist und manche Paare gleichartige Laser enthalten. Diese Paarbildung kann besonders gut zur thermischen Laserabstimmung genutzt werden.

An dieser Stelle sei nochmals darauf hingewiesen, dass es sich bei dieser beschriebenen Konfiguration um eine mögliche von mehreren handelt. Bei anderen Konfigurationen können beispielsweise die Laser 0 und 2ⁿ sowie 1 und 2ⁿ + 1 am Rand des Arrays oder irgendwo in der Mitte zwischen den Doppelpaaren bildenden verdoppelten Lasern plaziert sein. Ausschlaggebend für ihre Anordnung ist die Bedingung, dass die räumliche Abfolge der aus diesen Lasern gebildeten Einzelpaare immer korrekt [2ⁿ, 0] [2ⁿ + 1, 1] eingehalten wird. Dabei ist eine räumliche Umkehr der Abfolge [1, 2ⁿ + 1] [0, 2ⁿ] als Spiegelung äquivalent und damit möglich.

Die Fig. 2 zeigt den Aufbau eines Koppelnetzwerkes im erfindungsgemäßen Halbleiter-Laserarray für den Fall n = 3. Auf der linken Seite sind die Laserpaare dargestellt, die je nach ihrer emittierten Wellenlänge mit Zahlen bezeichnet sind. Dabei bedeuten gleiche Zahlen auch gleiche Wellenlängen. Rechts außen sind die drei möglichen Werteserien mit den Buchstaben A, B und C bezeichnet. Die Laser ganz links sind mit dem Emissionssymbol (Scheinwerfer) und die Koppler in den Koppelstufen und der Ausgangsstufe mit dem gabelartigen Kopplersymbol gekennzeichnet. Jede Wertserie (A, B und C) ist durchgängig vom Laser bis zum Ausgang mit der gleichen Struktur dargestellt: Serie A mit kurzen Balken, Serie B mit durchgehenden Balken und Serie C mit der Balkenfolge kurz-lang. Alle beschriebenen Kennzeichnungen finden sich auch in den übrigen Figuren wieder.

Allgemein lässt sich das Koppelnetzwerk für den Fall eines einzigen optischen Chipausgangs pro Serie wie im Folgenden beschrieben aufbauen. In einer ersten Koppelstufe wird - ausgehend von einer Seite der Laseranordnung - jeweils ein Laser mit seinem übernächsten Nachbarn optisch zusammengefasst. Dies geschieht in 3 dB-Kopplern, beispielsweise 3 dB-MMI-Kopplern.

Bekannt sind auch sogenannte "MMI-PHASAR"-Anordnungen mit einer Chirpunterdrückung von mindestens 2 dB (vgl. "Chirping of an MMI-PHASAR Demultiplexer for Application in Multiwavelength" von C.G.P. Herben et al., IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 9. No. 8, August 1997, S. 1116-1118). Hierbei handelt es sich um in den Mehrwellenlängen-Chipaufbau integrierte gestufte Anordnungen (phased-array "PHASAR"), die auf dem Multimode­ interferenz-Prinzip (MMI) basieren und als wellenlängenselektive Filter arbeiten. Ein MMI-PHASAR besteht aus zwei MMI-Kopplern, die über mehrere Wellenleiterarme unterschiedlicher Länge miteinander verbunden sind. Der erste Koppler fungiert als Splitter, der zweite als Combiner. Durch geeignete Wahl der Verbindungswellenleiter kann der auftretende Chirpeffekt minimiert werden.

In der zweiten bis (n - 1)-ten Koppelstufe wird jeweils einer der Ausgänge der Koppler mit einem des übernächsten Nachbarkopplers zusammengefasst. Die erste Kopplerstufe enthält 2ⁿ Koppler, die zweite 2^n-1 Koppler usw., bis zur (n - 1)-ten Koppelstufe, die im Beispiel 4 Koppler enthält. Die n-te Koppelstufe enthält aber nicht wie üblich nur 2 Koppler, sondern 3 Koppler. Eine weitere Zusammenfassung dieser Koppler entfällt und somit eine weitere Koppelstufe. In der n-ten Koppelstufe werden zunächst wieder die übernächsten Nachbarn zusammengefasst. Diese beiden Koppler enthalten das Licht der Serien "B" und "C". Zusätzlich muss aber noch das Licht der Serie "A" zusammengefasst werden. Dazu verfolgt man das Licht der zur Serie "A" gehörenden Laser und fasst die beiden Koppler in der (n - 1)-ten Kopplerstufe, die dieses Licht enthalten, jedoch nicht übernächste Nachbarn sind, in einem weiteren Koppler zusammen. Das ist möglich, weil jeder Koppler außer zwei Eingängen immer auch zwei Ausgänge hat, von denen beide an dieser Stelle verwendet werden. Somit sind drei optische Ausgänge entstanden, von denen jeder für das Licht einer Serie verantwortlich ist. Durch die Einsparung einer Koppelstufe kann die Sendeleistung verdoppelt werden.

In Fig. 3 ist ein dreistufiges Koppelnetzwerk ebenfalls für n = 3 ohne die Laser dargestellt, bei dem jeder Serie eine maximal mögliche Anzahl 2^n-1 optischer Ausgänge, hier also 4, in einem Chipausgangsbereich zugeordnet werden. Die entsprechende Zusammenfassung der Laseremissionen der einzelnen Serien sind der Darstellung zu entnehmen. Der Aufbau des Koppelnetzwerks mit einer Kopplung immer der übernächsten Partner bis in die (n - 1)-te Stufe und einer Zusammenfassung in der n-ten Stufe je nach optischer Leitung in der vorletzten Stufe - hier jedoch für alle drei Serien - ist hier ebenfalls umgesetzt.

Die Fig. 4 und 5 sind analog zu den Fig. 2 und 3 zu verstehen und beziehen sich auf n = 2. Die dargestellte Anordnung für das Chiplayout in Fig. 4 mit den Lasern 3,3,4,0,5,1,2,2 und ihren zwei Kopplerstufen ist dabei wieder nur eine von mehreren Möglichkeiten. Eine andere Anordnung mit gleichen Eigenschaften wäre beispielsweise 1,5,2,2,3,3,0,4. In Fig. 5 ist zu der in Fig. 4 beschriebenen Anordnung nur das zweistufige Koppelnetzwerk für eine maximal mögliche Anzahl 2^n-1 = 2 optischer Ausgänge pro Serie dargestellt.

Das Halbleiter-Laserarray in Fig. 6 entspricht in der Laseranzahl und - zuordnung dem aus Fig. 4. Bei diesem Layout sind jedoch benachbarte Laser als Paare zusammengefasst und räumlich so dicht nebeneinander aufgebaut, dass sie sich gegenseitig stark thermisch beeinflussen. Dadurch kann ein Laser als Heizquelle den jeweiligen Partnerlaser thermisch abstimmen bzw. zur Abstimmung genutzt werden.

Das Layout in Fig. 7 ist aus der Laseranzahl und -zuordnung gemäß Fig. 5 abgeleitet. Hier sind jedoch die optischen Kopplungsleiter mit den einzelnen Kopplern so angeordnet, dass die 4 Laserpaare in je einer Chipecke plaziert werden konnten. Durch diese maximale räumliche Distanz sind die Laser jeder Serie optimal voneinander entkoppelt, insbesondere im Hinblick auf elektrische und thermische Kreuzbeeinflussung.

Claims (6)

1. Monolithisch integriertes Halbleiter-Laserarray für einen optischen Multiplex-Senderchip zur Erzeugung einer Serie aus 2ⁿ aufeinanderfolgenden Werten einer für die Laseremissionen charakteristischen Variablen, die 2ⁿ aufeinanderfolgenden Sendekanälen mit vorgebbaren Abständen der Variablen zugeordnet sind, wobei das Halbleiter- Laserarray zur Auswahlabstimmung der sendefähigen Kanäle zunächst 2ⁿ + 2 verschiedene Werte der Variablen erzeugt, die in drei jeweils um einen Sendekanal versetzte Auswahl-Werteserien (A, B, C) mit den zugeordneten Werten 0 bis 2ⁿ - 1, 1 bis 2ⁿ und 2 bis 2ⁿ + 1 aufgeteilt sind, und mit einem die Laseremissionen auf zumindest einen optischen Chipausgang zusammenfassenden, von der Variablen unabhängigen passiven Koppelnetzwerk, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiter-Laserarray insgesamt 2ⁿ⁺¹ Laser mit den zugeordneten Werten 0,1,2,2,3,3,......., 2ⁿ - 2, 2ⁿ - 2, 2ⁿ - 1, 2ⁿ - 1, 2ⁿ, 2ⁿ + 1 enthält, von denen die beiden Laser mit den Werten 0 und 2ⁿ in einem ersten Einzelpaar [0, 2ⁿ], die beiden Laser mit den Werten 1 und 2ⁿ + 1 in einem zweiten Einzelpaar [1, 2ⁿ + 1] und die Laser mit den restlichen zugeordneten Werten als Doppelpaare [2, 2]; [3, 3];......; [2ⁿ - 2, 2ⁿ - 2]; [2ⁿ - 1, 2ⁿ - 1] zusammengefasst sind, wobei alle Laserpaare in beliebiger Reihenfolge einander benachbart im Halbleiter- Laserarray angeordnet sind, unter Einhaltung der Bedingung, dass das erste und das zweite Einzelpaar in der räumlichen Abfolge ...[2ⁿ, 0], [2ⁿ + 1, 1]... oder deren Spiegelung ...[1, 2ⁿ + 1], [0, 2ⁿ]... positioniert sind, und dass die Laseremissionen jeder der drei Auswahl-Werteserien (A, B, C) durch ein Netzwerk aus jeweils zwei Ein- und zwei Ausgänge aufweisenden 3 dB- Kopplern in n Koppelstufen durch Kopplung jeweils eines Laser-Ausganges mit dem Ausgang eines dazu übernächsten Lasers oder eines Koppler- Ausganges mit dem Ausgang eines dazu übernächsten Kopplers auf zumindest einen, nur der jeweiligen Werteserie (A, B, C) zugeordneten optischen Chipausgang zusammengefasst sind, wobei in der n-ten Koppelstufe die Emissionen zumindest einer der drei Werteserien (A, B, C) entsprechend ihrer optischen Leistung in der (n - 1)-ten Koppelstufe unter Ausnutzung beider Ausgänge der zugehörigen Koppler der (n - 1)-ten Koppelstufe zusammengefasst sind.

2. Monolithisch integriertes Halbleiter-Laserarray nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede der drei Auswahl-Werteserien (A, B, C) durch ein Netzwerk aus 3 dB- Kopplern mit zwei belegbaren Ausgängen auf maximal 2^n-1 eigene, nur der jeweiligen Werteserie zugeordnete optische Chipausgänge zusammengefasst ist.

3. Monolithisch integriertes Halbleiter-Laserarray nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Laserpaar eine konstruktive Einheit aus zwei eng benachbarten Lasern bildet.

4. Monolithisch integriertes Halbleiter-Laserarray nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Chipecken der Anzahl der Laserpaare entspricht und in jeder Chipecke ein Laserpaar angeordnet ist.

5. Monolithisch integriertes Halbleiter-Laserarray nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Variable der lasercharakteristischen Eigenschaft die Emissions­ wellenlänge ist und die vorgebbaren Kanalabstände konstant sind.

6. Monolithisch integriertes Halbleiter-Laserarray nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die monolithische Integration auf InP erfolgt, die Emissionswellenlängen der als DFB-Laser ausgebildeten Laser im 1,33 µm- oder 1,55 µm-Bereich liegen und weitere Bauelemente zur Weiterverarbeitung der Laseremissionen auf dem Halbleiter-Laserarray vorgesehen sind.