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Die
Neuerung bezieht sich auf eine monolithisch integrierte BH-Laserstruktur
in Halbleiterschichtaufbau mit einer n-leitenden Schicht und einer p-leitenden
Schicht und einem Heizmittel, wobei zumindest die p-leitende Schicht
unter Zwischenlage einer Kontaktschicht und das Heizmittel über Kontaktpads
auf der Oberseite der BH-Laserstruktur und die n-leitende Schicht
auf der Unterseite der BH-Laserstruktur elektrisch kontaktiert sind,
mit einer vergrabenen aktiven Laserdchicht, die unter Bildung eines
Laserstreifens von zwei Ätzgruben
lateral begrenzt ist, und mit einer Frontfacette.
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In
External-Cavity (EC)- und Fibre-Grating (FG)-Lasern werden monolithisch
integrierte Halbleiter-Laserstrukturen als verstärkendes Element (Gain-Element) eingesetzt.
In solchen Lasern wird die Frontfacette der Halbleiter-Laserstruktur entspiegelt
(AR) und durch ein externes Gitter (EC-Laser) oder durch ein Fasergitter
(FG-Laser) ersetzt (vgl. 1 zum Stand der Technik). Die
in solchen Lasern eingebaute Koppelstelle (FG-Laser: Faser-Laserchip-Kopplung; EC-Laser:
Gitter-Laserchip-Kopplung) führt
zu inhärenten
Koppelverlusten, die die Funktion des Lasers beeinträchtigen.
Speziell für
direkt modulierte EC- oder FG-Laser werden aufgrund der im Vergleich
zu Laserstrukturen mit Rippenwellenleiter (Ridge-Waveguide-Laserstrukturen,
RW-Laserstrukturen)
kleineren Betriebsströme,
höheren Modulationsbandbreiten und
des symmetrischeren Fernfeldes vorzugsweise vergrabene heterogene
Laserstrukturen (Buried-Heterostructure-Laserstrukturen, BH-Laserstrukturen)
als Halbleiter-Verstärkungselement
eingesetzt.
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Stand der
Technik
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Die
für die
vorliegende Neuerung gattungsgemäße BH-Laserstruktur
ist aus der
DE 102
22 112 A1 bekannt. Hier wird die Struktur als elektrisch
angesteuerte modengekoppelte Halbleiter-Pulsquelle ausgebildet.
Dazu zeigt die Struktur eine Reihenschaltung aus einem aktiven Bereich
mit einer Absorber- und
einer Verstärkersektion
und einem passiven Bereich mit einer Heiz-, einer Phasen- und einer
Gittersektion. Die aktive Schicht im aktiven Bereich verläuft mit
konstantem Querschnitt und stößt nicht
direkt an die Frontfacette an. Diese schließt sich an den passiven Bereich
an. Besondere, die Lichtauskopplung verbessernde Maßnahmen
wurden nicht ergriffen. Die Heizsektion weist einen Heizstreifen auf,
der oberhalb des passiven Lichtwellenleiters angeordnet ist und
somit nicht direkt auf die aktive Sektion einwirkt. Die elektrische
Ansteuerung erfolgt über
ein Kontaktpad, das auf der Oberseite der Laserstruktur angeordnet
ist. Um die parasitären
Kapazitäten
der Laserstruktur möglichst
klein zu halten (Voraussetzung für
eine Direktmodulation der Laser), ist die aktive Schicht von zwei
lateralen Ätzgruben begrenzt.
Die dadurch gebildete Laserrippe liegt mit ihrer obersten Schicht
(Kontaktschicht) oberhalb der restlichen Laserstruktur außerhalb
der beiden Ätzgruben
ab, sodass sie bei der Kontaktierung der Laserstruktur leicht beschädigt werden
kann. Das n-leitende Substrat ist – wie bei allen Standard-Lasern üblich – auf der
Unterseite der Laserstruktur großflächig mit einem n-Kantakt kontaktiert.
Zusätzlich
ist auf der Oberseite der Laserstruktur noch ein n-Kontaktpad vorgesehen,
das eine lateral zum Wellenleiter verlaufende n-Elektrode elektrisch
kontaktiert. Die Kontaktpads liegen auf unterschiedlichen Höhen und
werden über
Luftbrücken angeschlossen.
Ihre Anordnung und Kontaktierung ist entsprechend aufwändig.
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Aus
der
DE 198 15 567
C2 ist es für
eine monolithisch integrierte RW-Laserstruktur bekannt, einen Heizstreifen
parallel zur aktiven Schicht auf der Laserrippe anzuordnen. Die
Ansteuerung erfolgt über
zwei Kontaktpads, die auf der gegenüber liegenden Seite des p-Kontaktpads
liegen. Dabei liegen die Kontaktpads wiederum auf unterschiedlichen
Höhenniveaus.
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Aus
der
DE 203 20 771
U1 ist eine BH-Laserstruktur mit einem Diffraktionsgitter
(DFB-Gitter) mit einem getaperten (sich verjüngenden) optischen Wellenleiter
zur Aufweitung des optischen Nahfeldes an der Frontfacette bekannt.
Dabei verläuft
die Taperung lateral und/oder vertikal und ist in der lateralen Ebene
gekrümmt.
Durch diese gekrümmte
Taperung kann eine Monomodigkeit in der Laserstruktur erzeugt werden.
Gleichzeitig wird eine Reduzierung der Einkoppelverluste beispielsweise
in eine optische Glasfaser erreicht. Durch die Krümmung in
der Taperung kann eine Entspiegelung der auskoppelnden Laserfacette
günstigstenfalls
entfallen.
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Aus
der Veröffentlichung „High-Performance All-Active
Tapered 1550 nm InGaAsP-BH-FP Lasers von M. Möhrle et al. (14th Indium Phosphide
and Related Materials Conference 2002, Stockholm, Sweden, Proc.
pp. 27–30)
ist es für
einen Fabry-Perot-Laser mit einer BH-Laserstruktur bekannt, eine
lineare Taperung (Verjüngung)
der aktiven Schicht zur Aufweitung des optischen Nahfeldes vorzusehen.
Dabei kann die lineare Taperung grundsätzlich sowohl lateral als auch
vertikal erfolgen.
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Aufgabenstellung
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Ausgehend
von der durch die
DE
102 22 112 A1 bekannten, gattungsgemäßen BH-Laserstruktur vor dem
Hintergrund der anderen genannten Druckschriften ist die Aufgabe
für die
vorliegende Neuerung darin zu sehen, eine solche BH-Laserstruktur
in der Ausbildung eines Verstärkungselements
anzugeben, die eine optimale Lichtauskopplung an der Frontfacette
ermöglicht
und die zudem einfach herstellbar und in ihrer emittierten Wellenlänge gut
einstellbar ist. Die neuerungsgemäße Lösung für diese Aufgabe ist dem Hauptanspruch
zu entnehmen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Neuerung werden in den
Unteransprüchen
aufgezeigt, die im Folgenden im Zusammenhang mit der Neuerung näher erläutert werden.
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Die
neuerungsgemäße BH-Laserstruktur
in der Ausbildung als Verstärkungselement
ist dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Schicht in Richtung auf
die Frontfacette eine integrierte Taperung in zumindest lateraler
Richtung aufweist, dass alle auf der Oberseite der BH-Laserstruktur
vorgesehenen Kontaktpads auf derselben Höhe angeordnet sind und dass
das Heizmittel als integrierter und parallel zur aktiven Laserschicht
verlaufender Heizdraht ausgebildet ist.
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Die
hier vorgestellte BH-Laserstruktur besitzt einen integrierten optischen
Taper zur Aufweitung des optischen Nahfeldes an der Frontfacette,
sodass ein schmaler Fernfeldwinkel erreicht wird. Im Vergleich zu
Standard-BH-Laserstrukturen
können
so erheblich niedrigere Koppelverluste an der Frontfacette erreicht
werden (Beispiel: Kopplung in eine Butt-Faser: Reduzierung der optischen
Verluste um 6dB). Wie eingangs schon erwähnt tragen niedrige Koppelverluste
entscheidend zu einer Verbesserung der Performance von EC- und FG-Lasern
bei. Je nach Anpassung des optischen Nahfelds an der Frontfacette
an das Koppelelement, beispielsweise ein externes Gitter oder ein
Fasergitter, kann eine nur laterale Taperung vorgesehen sein, die
parallel zur aktiven Laserschicht verläuft. Eine weitere Fokussierung
des Nahfeldes ergibt sich, wenn auch eine vertikale Taperung vorgesehen
ist, die senkrecht zur aktiven Laserschicht verläuft. Zur Erreichung der Aufweitung
des optischen Nahfelds ist eine lineare Taperung ausreichend. Vorteilhaft
kann die Taperung aber auch einen gekrümmten Verlauf aufweisen, um
aufgrund der entstehenden schrägen
Frontfacette zusätzlich
eine teilweise Entspiegelung dieser Facette zu erreichen. Die Anforderungen
an die in FG- und EC-Lasern
zusätzlich
aufzubringenden Entspiegelungsschichten lassen sich dadurch erheblich
reduzieren. Dabei verläuft
die gekrümmte
Taperung bevorzugt in lateraler Richtung.
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Die
Anordnung aller Kontaktpads auf derselben Höhe bei der neuerungsgemäßen BH-Laserstruktur
stellt eine erhebliche Vereinfachung insbesondere beim Flip-Chip-Aufbau
derartiger Laserstrukturen dar, da keinerlei Höhenunterschiede ausgeglichen
werden müssen.
Eine Änderung
der Anordnung, Form und Größe der Kontaktpads
ist dabei ohne weiteres möglich.
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Weiterhin
wird bei der neuerungsgemäßen BH-Laserstruktur
zur Einstellung der optischen Phase in EC- und FG-Lasern zusätzlich ein
elektrisch ansteuerbarer Heizdraht integriert. Optional kann diese Laserstruktur
auch mit einem oben liegenden n-Kontakt zur einfacheren Flip-Chip-Montage
hergestellt werden.
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Bei
einer vorteilhaften Weiterbildung der neuerungsgemäßen Laserstruktur
ist vorgesehen, dass der Laserstreifen gegenüber der Laserstruktur außerhalb
der beiden lateralen Ätzgruben
oberseitig tiefer liegt. Dies kann durch einen entsprechenden Schichtdickenaufbau
erreicht werden. Der Vorteil des gegenüber den seitlichen Kontaktpads
tiefer gelegten rippenartigen Laserstreifens besteht darin, dass der
Laserstreifen bei der Handhabung der monolithisch integrierten BH-Laserstruktur
(Laserchip) insbesondere durch Spalten und Flip-Chip-Aufbau nicht beschädigt werden
kann.
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Weiterhin
kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass die n-leitende Schicht auch
auf der Oberseite der BH-Struktur mittels zumindest eines Kontaktpads,
das auf derselben Seite vom Laserstreifen angeordnet ist wie das
Kontaktpad für
die p-leitende Schicht, elektrisch kontaktiert ist. Die zusätzliche
Anordnung eines n-Kontaktes auf die Oberseite der BH-Laserstruktur
ermöglicht
einen einfacheren elektrischen Anschluss beispielsweise bei der
Integration der BH-Laserstrukturen
in Module in Upside-Up- oder Flip-Chip-Konfiguration. Das eine oder
die mehreren Kontaktpads sind großflächig ausgebildet und kontaktieren
die n-leitende Schicht beispielsweise über die Seite der BH-Laserstruktur.
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Schließlich kann
bei der neuerungsgemäßen BH-Laserstruktur
noch vorgesehen sein, dass der Heizdraht und seine Kontaktpads auf
der dem Kontaktpad von zumindest der p-leitenden Schicht gegenüber liegenden
Seite des Laserstreifens angeordnet sind, wobei der Heizdraht in
der entsprechend ausgenommenen Ätzgrube
oder in Höhe
der Kontaktpads angeordnet ist. Im ersten Fall wird die Ätzgrube
so ausgeführt,
dass auf der dem p-Kontaktpad gegenüber liegenden Seite des Laserstreifens
ausreichend Platz für
einen integrierten Heizdraht bleibt. Vorteilhaft ist bei dieser
Anordnung der unmittelbare Einfluss des Heizdrahtes auf den Laserstreifen.
Je nach Anwendung kann die Heizung aber auch auf der Höhe der Kontaktpads
angeordnet sein, wodurch die Ätzgrube
nur geringere Abmaße
aufweisen muss, der Heizeinfluss aber nicht so direkt einwirkt.
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Ausführungsbeispiel
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Ausbildungsformen
der Neuerung werden nachfolgend anhand der schematischen Figuren
näher erläutert. Dabei
zeigt:
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1 eine
Seitenansicht eines FG-Lasers aus dem Stand der Technik,
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2 eine
Draufsicht auf die BH-Laserstruktur,
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3 einen
Querschnitt durch die BH-Laserstruktur gemäß 2 und
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4 eine
perspektivische Ansicht der Taperung der BH-Laserstruktur.
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Die 1 zeigt
schematisch aus dem Stand der Technik einen FG-Laser FGL in der
Seitenansicht. Dieser besteht aus einer BH-Laserstruktur BHL als
Verstärkungselement
VE und einer externen Faser EF mit einem integrierten Bragg-Gitter
BG. Die BH-Laserstruktur BHL besteht aus einer aktiven Laserschicht
ALS, die auf der einen Seite mit einer hochreflektierenden Laserfacette
HRF als Resonator und auf der anderen Seite mit einer teilreflektierenden
Frontfacette FF zur Lichtauskopplung in die externe Faser EF versehen
ist. An der Kopplungsstelle entstehen ohne weitere Maßnahmen
große
Koppelverluste. Die effektive Laserkavität LK zwischen der hochreflektierenden
Laserfacette HRF und dem Bragg-Gitter BG hat eine Länge im Bereich
von mehreren mm.
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In
der 2 ist eine Draufsicht auf die monolithisch integrierte
BH-Laserstruktur
BHL in Halbleiterschichtaufbau als Verstärkungselement VE nach der Neuerung
dargestellt. Zur erkennen ist ein Laserstreifen LS, der von einer
linken Ätzgrube
LAG und einer rechten Ätzgrube
RAG lateral begrenzt wird. In einer Ausnehmung AN der linken Ätzgrube
LAG ist parallel zum Laserstreifen LS ein integrierter Heizdraht
HD als Heizmittel zur thermischen Feinabstimmung der BH-Laserstruktur
BHL angeordnet. Der Heizdraht HD wird durch zwei Heizdrahtpads HDP1, HDP2
außerhalb
der linken Ätzgrube
LAG elektrisch kontaktiert. Auf derselben Höhe H (vergleiche 3) wie
die beiden Heizdrahtpads HDP1, HDP2 sind auf der gegenüberliegenden
Seite des Laserstreifens LS außerhalb
der rechten Ätzgrube
RAG ein p-Kontaktpad PP zur Kontaktierung einer zweiten p-leitenden Schicht
PLS2 und zwei n-Kontaktpads
NP1, NP2 zur Kontaktierung einer ersten n-leitenden Schicht NLS1 der
BH-Laserstruktur BHL angeordnet. Die großflächige elektrisch leitende Verbindung
der n-Kontaktpads NP1, NP2 mit der ersten n-leitenden Schicht NLS1
erfolgt seitlich (vergleiche 3).
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Die 3 zeigt
einen Querschnitt durch die 2 an der
markierten Stelle X-X in Pfeilrichtung (nicht maßstabsgerecht). Der Halbleiterschichtaufbau
der BH-Laserstruktur BHL ist zu erkennen. Ein Substrat bildet die
erste n-leitende Schicht NLS1, beispielsweise aus InP, und ist mit
einem Rückseitenkontakt
RSK großflächig n-leitend
kontaktiert. Auf der ersten n-leitende Schicht NLS1 befindet sich
eine erste p-leitende Schicht PLS1, beispielsweise ebenfalls aus
InP. In diese erste p-leitende Schicht PLS1 ist die aktive Laserschicht
ALS eingebettet. Nach einer weiteren n-leitenden Schicht NLS2 folgt
eine zweite p-leitende
Schicht PLS2, auf der eine Kontaktschicht KS angeordnet ist.
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Die
aktive Laserschicht ALS wird lateral von der linken Ätzgrube
LAG und der rechten Ätzgrube RAG
begrenzt, sodass der Laserstreifen LS als Laserrippe LR ausgebildet
ist. Seitlich der beiden Ätzgruben
LAG, RAG verbleiben entsprechende rippenartige BH-Laserstrukturen
BHLR1, BHLR2. Die rechte rippenartige BH-Laserstruktur BHLR2 ist
unterbrochen dargestellt (senkrechte Doppellinie), um die seitliche
Kontaktierung der n-Kontaktpads NP1, NP2 mit der ersten n-leitenden
Schicht NLS1 aufzuzeigen. Die Laserrippe LR wird von der Kontaktschicht
KS abgeschlossen, die elektrische Verbindung mit dem p-Kontaktpad PP hat.
In 3 liegt der Schnitt im Bereich der elektrischen
Zuleitung, die auf der tiefer liegenden Laserrippe LR angeordnet
ist, zum mittig angeordneten p-Kontaktpad PP. Dieses ist zusammen mit
den n-Kontaktpads NP1, NP2 auf der rechten rippenartigen BH-Laserstruktur
BHLR2 angeordnet. Die rippenartigen BH-Laserstrukturen BHLR1, BHLR2 weisen
oberhalb der Kontaktschicht KS eine dritte p-leitende Schicht PLS3
auf, wodurch sie höher
aufgebaut sind als die Laserrippe LR (H > HR) und diese mechanisch schützen. Die
Oberfläche
der BH-Laserstruktur BHL ist mit einer Deckschicht DS, beispielsweise
aus SiNx, abgedeckt.
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In
der 4 ist der Laserstreifen LS in perspektivischer
Ansicht dargestellt. Die Körperkanten der
BH-Laserstruktur BHL sind zur besseren Darstellung nur teilweise
angedeutet. Im gewählten
Ausführungsbeispiel
weist der Laserstreifen LS in der Laserrippe LR eine ungekrümmte, lineare
Taperung TP (Verjüngung)
in der Horizontalebene in Richtung auf die Frontfacette FF hin auf
(nur aktive Laserschicht ALS mit benachbarter p- und n-leitender
Schicht dargestellt). Eine zusätzliche
oder alternative lineare Taperung TP des Laserstreifens LS in der
Vertikalebene ist ebenfalls möglich.
Durch die Taperung TP ergibt sich eine Aufweitung des optischen
Nahfelds an der Frontfacette FF für eine verbesserte Lichtauskopplung
in beispielsweise die externe Faser FE gemäß 1. Ebenfalls
kann eine gekrümmte
Taperung TP, bevorzugt in lateraler Richtung, vorgesehen sein, um neben
der Aufweitung des optischen Nahfelds eine teilweise Entspiegelung
der Frontfacette FF zu erhalten.
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- ALS
- aktive
Laserschicht
- AN
- Ausnehmung
LAG
- BG
- Bragg-Gitter
- BHL
- BH-Laserstruktur
- DS
- Deckschicht
- EF
- externe
Faser
- FF
- Frontfacette
- FGL
- FG-Laser
- H
- Höhe Kontaktpads
- HD
- Heizdraht
- HDP
- Heizdrahtpad
- HR
- Höhe LR
- HRF
- hochreflektierende
Laserfacette
- KS
- Kontaktschicht
- LAG
- linke Ätzgrube
- LK
- effektive
Laserkavität
- LR
- Laserrippe
- LS
- Laserstreifen
- NLS
- n-leitende
Schicht
- NP
- n-Kontaktpad
- PLS
- p-leitende
Schicht
- PP
- p-Kontaktpad
- RAG
- rechte Ätzgrube
- RSK
- Rückseitenkontakt
- TP
- Taperung
- VE
- Verstärkungselement