DE19815567C2 - Monolithisch integriertes Halbleiter-Laserarray - Google Patents

Monolithisch integriertes Halbleiter-Laserarray

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Description

Das vorliegende Patent ist ein Zusatzpatent zum Hauptpatent DE 197 54 473.
Die Erfindung bezieht sich auf ein monolithisch integriertes Halbleiter- Laserarray, wie es im Anspruch 1 der Hauptanmeldung beschrieben ist und bei dem die monolithische Integration auf InP erfolgt, die Emissionswellenlängen der als DFB-Laser ausgebildeten Halbleiter-Laser im 1,3 µm- oder 1,55 µm-Bereich liegen und weitere Bauelemente zur Weiterverarbeitung der Laseremissionen auf dem Halbleiter-Laserarray vorgesehen sind.
Das im Hauptpatent beschriebene erfindungsgemäße monolithisch integrierte Halbleiter-Laserarray soll verbessert sowie weiter ausgebildet werden. Insbesondere soll das Halbleiter-Laserarray alterungsstabil sein, sollen die Halbleiter-Laser in ihrer Wellenlänge thermisch abstimmbar und die optische Leistung der Halbleiter-Laser meßbar sein.
Diese Aufgabe wird für das im Hauptpatent DE 197 54 473 beschriebene Halbleiter-Laserarray dadurch erreicht, daß die Halbleiter-Laser des Halbleiter-Laserarrays als Rippenwellenleiter-Laser ausgebildet sind, Mittel zur Kontrolle der Temperatur des Halbleiter-Laserarrays und/oder zur thermischen Abstimmung der einzelnen Halbleiter-Laser vorgesehen sind, zwischen jedem einzelnen Halbleiter-Laser und der Chipfacette eine Monitordiode dicht hinter dem Halbleiter-Laser angeordnet ist und das unabhängige passive Koppelnetzwerk, das die einzelnen Halbleiter-Laser mit dem Chipausgang verbindet, nach oben offene Rippenwellenleiter und MMI- Koppler als 3 dB-Koppelelemente enthält.
Die als Rippenwellenleiter-Laser ausgebildeten Halbleiter-Laser sind einfach herstellbar und alterungsstabil.
Die Einbettung des optisch verstärkenden Materials, bestehend aus sechs oder acht verspannten Vielfach-Quantenschichten (strained layer multiple quantum wells, SLMQW) zwischen separaten Wellenleiterschichten (confinement-Schichten), garantiert die Führung des von dem Halbleiter-Laser emittierten Lichts in vertikaler Richtung und somit die Verringerung von Verlusten.
Die Anordnung einer Monitordiode, in ihrer Funktion ähnlich einer Photodiode jedoch eine geringere Empfindlichkeit aufweisend, zwischen Halbleiter-Laser und Chipfacette, aber dicht benachbart zum Halbleiter-Laser, ermöglicht zum einen die Unterdrückung von Reflexionen von der Chipfacette zurück in den Halbleiter-Laser und zum anderen die Nutzung des Photostroms als ein Maß für die optische Leistung jedes einzelnen Halbleiter-Lasers.
Mit den als parallel zu den Laserstreifen angeordneten integrierten Platin- Schichtwiderständen ausgebildeten Heizelementen kann die Emissionswellenlänge jedes integrierten Halbleiter-Lasers individuell abgestimmt werden. Bereits in der Hauptanmeldung ist der Aufsatz "Multiwavelength gain-coupled MDW DFB laser with fine tunability" von T. Makino et al., OFC '96, Technical Digest, FB 1, pp. 298-299 erwähnt, in dem mittels eines integrierten Heizdrahts in Form eines Ti-Streifenwiderstands die Emissionswellenlänge eingestellt werden kann. Bei dem in dem Aufsatz "16- Wavelength Gain-Coupled DFB Laser Array with Fine Tunability", G. P. Li et al., IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 8, No. 1, January 1996, S. 22-24) beschriebenen integrierten Heizdraht für eine ähnliche Anordnung mit unterschiedlich breit gefurchten Wellenleiterbreiten handelt es sich um einen Dünnfilmwiderstand aus Titan, der in den Chip integriert ist und ein Feintuning bis zu 1 nm nach der Chipherstellung ermöglicht. Ein Grobtuning erfolgt hier über die Wahl der Wellenleiterbreiten bei der Chipfabrikation.
Die Anordnung eines in der Mitte des Laserchips integrierten Temperatursensors, eines Platin-Schichtwiderstandes oder einer rein elektrisch betriebenen Laserdiode, ermöglicht die Kontrolle der Temperatur bei wechselnder thermischer Belastung des Halbleiter-Laserarrays durch die integrierten Halbleiter-Laser. Über die bekannte Anordnung des Laserchips auf einem Kupferblock als Wärmesenke und mit dieser verbundenen Peltierelementen kann nunmehr die gewünschte Temperatur des Halbleiter-Laserarrays eingestellt werden. Im Vergleich zum allgemein bekannten Stand der Technik, wo beispielsweise mittels eines Thermistors die Temperatur des Kupferblocks bestimmt und dann reguliert wird, ist in der erfindungsgemäßen Lösung die Temperatur des Halbleiter-Laserarrays genauer einstellbar und somit eine genauere thermische Stabilisierung der integrierten Halbleiter-Laser in ihrer Gesamtheit möglich.
Das unabhängige passive Koppelnetzwerk, das die einzelnen Halbleiter-Laser mit dem Chipausgang verbindet, besteht aus selektiv an die Laserschichten angewachsenen quaternären Schichten und darauf nach oben offenen Rippenwellenleitern und MMI-Kopplern als 3 dB-Koppelelementen. Diese Ausführungsform weist eine hohe Koppeleffizienz zwischen den integrierten Halbleiter-Lasern und den passiven Wellenleitern auf.
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.
Weitere Einzelheiten der Erfindung und ihrer vorteilhaften Ausführungsformen werden im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Figuren näher erläutert.
Dabei zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Halbleiter-Laserstruktur;
Fig. 2 eine Draufsicht auf eine Halbleiter-Laserstruktur mit Heizwiderstand, Monitordiode und integriertem Wellenleiter.
In Fig. 1 ist deutlich die Ausbildung der rippenförmigen Halbleiter- Laserstruktur L zu erkennen. Zwischen einem n-InP-Substrat 1 und einer rippenförmig ausgebildeten p-InP-Schicht 8 sind als aktive Schicht 3 verspannte Vielfach-Quantenschichten (SLMQW) angeordnet. Die verspannten Vielfach-Quantenschichten (SLMQW) mit einer Gesamtdicke von 120 nm befinden sich zwischen separaten Laser-Wellenleiterschichten (confinement layers) 4 (150 nm dick) und 5 (180 nm dick), wobei die obere Wellenleiterschicht 5 ein DFB-Gitter aufweist, was den longitudinal einmodigen Betrieb des Halbleiter-Lasers im 1,3 µm- oder 1,55 µm- Wellenlängenbereich erlaubt. Eine seitliche Begrenzung dieser aktiven rippenförmig ausgebildeten Struktur L ist durch passive Wellenleiterschichten 2 gegeben. Ein 100 nm dicker und 10 µm breiter Heizstreifen 7, beispielsweise aus Gold oder Platin, ist auf der oberen Wellenleiterschicht 5 über die gesamte Länge des Halbleiter-Lasers angeordnet. Die Laserstruktur L ist von einer isolierenden, nur auf der Rippe geöffneten SiNx-Schicht 6 bedeckt. Eine metallische Kontaktschicht 9, beispielsweise aus Ti-Pt-Au, steht in direktem elektrischen Kontakt zu einer Halbleiter-Kontaktschicht 13, die die rippenförmig ausgebildete p-InP-Schicht 8 (Laserrippe) bedeckt. Die metallische Kontaktschicht 9 bedeckt weite Teile der Laserstruktur, ist dort aber durch die SiNx-Schicht von den darunterliegenden Schichten 8, 5, 2 isoliert.
In Fig. 2 ist die Laserstruktur L in der Draufsicht dargestellt. Im Bereich der aktiven Laserschicht 3, die mit der Kontaktschicht 9 versehen ist, ist der mit Kontakten versehene Heizstreifen 7 angeordnet. Zwischen Halbleiter-Laser und Chipfacette 10 befindet sich eine Monitordiode 11, die eine Reflexion zurück in den Halbleiter-Laser verhindert und eine Leistungskontrolle des Halbleiter-Lasers ermöglicht. Der passive Wellenleiter, bestehend aus an die Laserschichten angewachsenen quaternären Schichten und hier dargestellt als Rippe 12, die zwecks verlustarmer Überkopplung ebenfalls 2,5 µm breit ist, ist Teil des unabhängigen passiven Koppelnetzwerkes und am anderen Ende der Halbleiter-Laserstruktur L angeordnet.
Eine in Fig. 2 dargestellte Halbleiter-Laserstruktur ist 400 µm lang. Die Breite der als Rippe ausgebildeten p-InP-Wellenleiterschicht 8 beträgt 2,5 µm. Wird ein Halbleiter-Laserarray entsprechend der erfindungsgemäßen Lösung mit acht DFB-Rippenwellenleiterlasern, die in sechs unterschiedlichen Wellenlängen emittieren, realisiert, so ist seine Größe 3 × 3 mm2.

Claims (7)

1. Monolithisch integriertes Halbleiter-Laserarray gemäß Anspruch 1 des Hauptpatents DE 197 54 473, bei dem die monolithische Integration auf InP erfolgt, die Emissionswellenlängen der als DFB-Laser ausgebildeten Halbleiter-Laser im 1,3 µm- oder 1,55 µm-Bereich liegen und weitere Bauelemente zur Weiterverarbeitung der Laseremissionen auf dem Halbleiter-Laserarray vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß
  • 1. die Halbleiter-Laser (L) des Halbleiter-Laserarrays als Rippenwellenleiter- Laser mit Rippenwellenleitern (8) ausgebildet sind,
  • 2. Mittel (7) zur Kontrolle der Temperatur des Halbleiter-Laserarrays und/oder zur thermischen Abstimmung der Laserwellenlänge der einzelnen Halbleiter- Laser (L) vorgesehen sind,
  • 3. zwischen jedem einzelnen Halbleiter-Laser (L) und der Chipfacette (10) eine Monitordiode (11) dicht hinter dem Halbleiter-Laser (L) angeordnet ist,
  • 4. das unabhängige passive Koppelnetzwerk, das die einzelnen Halbleiter- Laser (L) mit dem Chipausgang verbindet, nach oben offene Rippenwellenleiter (12) und Vielfach-Modeninterferenz-Koppler (MMI- Koppler) als 3 dB-Koppelelemente enthält.
2. Halbleiter-Laserarray nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der als Rippenwellenleiter-Laser ausgebildete Halbleiter-Laser (L) als optisch verstärkendes Material in der aktiven Schicht (3) sechs oder acht verspannte Vielfach-Quantenschichten (SLMQW) aufweist.
3. Halbleiter-Laserarray nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das optisch verstärkende Material in der aktiven Schicht (3) zwischen separaten quaternären Laser-Wellenleiterschichten (4, 5) angeordnet ist.
4. Halbleiter-Laserarray nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (7) zur thermischen Abstimmung der Laserwellenlänge der einzelnen Halbleiter-Laser (L) als Heizelemente mit parallel zum Rippenwellenleiter (8) angeordneten integrierten Schichtwiderständen ausgebildet sind.
5. Halbleiter-Laserarray nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zur Kontrolle der Temperatur des Halbleiter-Laserarrays ein in der Mitte des Halbleiter-Laserarrays integrierter Temperatursensor ist.
6. Halbleiter-Laserarray nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperatursensor ein Platin-Schichtwiderstand ist.
7. Halbleiter-Laserarray nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperatursensor eine elektrisch betriebene Laserdiode ist.
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