DE2501782A1

DE2501782A1 - Oberflaechenlaser als monolithische halbleiteranordnung

Info

Publication number: DE2501782A1
Application number: DE19752501782
Authority: DE
Inventors: William Coffeen Holton
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1974-01-18
Filing date: 1975-01-17
Publication date: 1975-10-30
Also published as: FR2258724A1; JPS50105081A; JPS5845196B2; FR2258724B1; SU722509A3; JPS58218188A

Description

Unser Zeichen; T 1714

TEXAS INSTRUMENTS INCORPORATED
13500 North Central Expressway-Dallas, Texas, V.St.A.

Oberflächenlaser als monolithische Halbleiteranordnung

Die Erfindung bezieht sich auf ein optisches Übertragungssystem und insbesondere auf ein im optischen Frequenzbereich arbeitendes System, das auf einem kleinen Halbleiter-Chip hergestellt werden kann.

Bei der Übertragung großer Informationsmengen ist es vorteilhaft, eine möglichst hohe Trägerfrequenz zu verwenden, damit die größtmögliche Bandbreite und damit die höchstmögliche Übertragungsgeschwindigkeit erzielt werden können. Folglich läßt sich eine Übertragung mit hoher Datengeschwindigkeit am besten mit Trägerfrequenzen im optischen Bereich erzielen. Wichtige Anwendungsgebiete sind beispielsweise die Verbindung von Computer zu Computer, die Verbindung zwischen Computer und Dialog-Anzeigegeräten, sowohl an Ort und Stelle als auch über lange Leitungen, Schleifenverbindungen zwischen Dialog-Endgeräten mit der vollen Fähigkeit zur Vielfach-Fernsehübertragung, die Echtzeit-Fertigungs-

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bandüberwachung am Ort der Fertigung oder zwischen Fertigungsorten, Fernsehkonferenzen sowie die Informationsführung von integrierten Avionik-Systemen, von Nachrichtenübertragungsschleifen auf Schiffen und in Armee-Befehlswagen. Bildinformationen, "beispielsweise von Röntgenstrahl- und Thermiskop-Bildern sowie Echtzeit-Fernsehen können leicht erzielt werden. Der entstehende Bedarf nach einer verbesserten Fernmeldetechnologie bei der Stadtentwicklung, beispielsweise in neuen Städten, in denen dreissig gleichwertige Fernsehkanäle in beiden Richtungen zwischen jedem Haus beabsichtigt sind, kann durch eine einzige optische Fernmeldeverbindung befriedigt werden.

Die erfindungsgemäße Anordnung weist folgende Vorteile auf:

(1) Sie ist sowohl hinsichtlich des Betriebs als auch hinsichtlich des Entwurfs und der Herstellung einfach;

(2) sie ist mit integrierten elektronischen Schaltungen kompatibel;

(3) sie ist in Vergleich zu Systemen mit niedrigerer Trägerfrequenz kostenwirksam;

(4) sie ermöglicht in einfacher Weise einen Zeitmultiplexbetrieb;

(5) sie ermöj.icht einen Frequenzmultiplexbetrieb;

(6) sie hat ein geringes Gewicht;

(7) sie ermöglicht die Verwendung von ausschließlich unkritischen Materialien;

(8) sie ist beständig gegen HF-Störungen, Nebensprechen und Masseprobleme und

(9) sie hat eine große Bandbreite.

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Es ist von vielen erkannt worden, daß bei einem Miniaturisierten optischen Sender eine Kopplung an eine Übertragungsleitung aus optischen Fasern erforderlich ist. In jüngster Zeit sind Übertragungsleitungen aus optischen Fasern mit der erforderlichen niedrigen Dämpfung von 20 dB/km ent-'wickelt worden. Hier wird ein Sender in Form einer integrierten optischen Schaltung beschrieben, die auf einem Substrat-Chip von der Größe eines 5-Cent-Stücks hergestellt wird. Da bei wird folgendes benötigt:

(1) eine Quelle optischer Impulse mit unterschiedlichen Wellenlängen bei einer vorbestimmten Folgefrequenz,

(2) optische Wellenleiter-Übertragungswege,

(3) eine Anordnung zum Impulscodemodulieren der Folge optischer Impulse,

(4) ein Verfahren zum Ankoppeln mehrerer Folgen joptischer Impulse an einen einzigen optischen Wellenleiter und

(5) ein Verfahren zur Erzielung einer Ankopplung des Oberflächenwellenleiters auf dem Chip an die Übertragungsleitung aus optischen Fasern. Es werden hier Vorrichtungen zur Erzielung dieser Funktionen geschaffen.

Zur Miniaturisierung der Quelle der kohärenten Strahlung wird ein Oberflächenlaser benötigt, dessen Äusgangssignal dann leicht an den optischen Oberflächenwellenleiter angekoppelt werden kann. Wenn dies nicht zur Verfügung steht, muß Energie aus einer externen Quelle in den Wellenleiter gekoppelt werden, Dies wurde bisher unter Verwendung von Prismen- und Gitterkopplern erreicht. In der hier beschriebenen Vorrichtung werden diese Verfahren zum doppeln

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des JAG:Nd-Lasers oder einer anderen gepulsten Laserstrahlung zum optischen Pumpen des Oberflächenlasers verwendet. Der Oberflächenlaser nach der Erfindung sorgt für mehrere Strahlungsquellen mit unterschiedlichen Wellenlängen, so daß er einen Frequenzmultiplexbetrieb erlaubt.

Es sind bereits mehrere Typen von Oberflächenlasern entwickelt worden, beispielsweise Pr, Cl^ und verschiedene Farbstoffe, doch ermöglicht keiner von diesen auf einfache Weise die Erzeugung mehrerer Frequenzen bei erwünschten Wellenlängen. Der Oberflächenfarbstofflaser kann leicht auf verschiedene Wellenlängen abgestimmt werden, doch arbeitet er nicht im Infrarotbereich, der der gewünschte Wellenlängenbereich ist, und er weist keine lange Lebensdauer auf.Der Oberflächenlaser nach der Erfindung ist ein optisch/ oder elektrisch gepumpter Halbleiterlaser, beispielsweise aus GaAs, anderen III-V-Verbindungen und gemischten ternären III-V-Materialsystemen. Der Abstand zwischen dem Valenzband und dem Leitungsband wird durch die Materialverbindung und eine entsprechende Dotierung zur Erzielung, einer Strahlung im Wellenlängenbereich von 0,5 bis 0,3 wm eingestellt. Die Trägerlebensdauer ist kurz genug, daß der Laser so anspricht, daß er eine superstrahlungsähnliche Lasern

strahlung mit minimaler Rückkopplung als Antwort auf das Pumpen aus einem niodusstarren JAG:Nd-Laser ergibt. Auf dem Substrat werden durch selektive Epitaxieverfahren epitaktisch aufgewachsene Zonen aus eine Laserstrahlung abgebenden Halbleitermedien erzeugt. Verschiedene Zonen bestehen aus Materialien mit unterschiedlicher Zusammensetzung und Dotierung, damit mehrere Oberflächenlaser mit mehreren unterschiedlichen Emissionswellenlängen geschaffen werden.

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Ein optischer Strahl wird in einer lichtdurchlässigen dielektrischen Anordnung geführt, die durch Abscheidung, Aufwachsen oder Implantation auf einer ebenen Fläche gebildet ist.Der Führungsbereich besteht aus einem Streifen aus einem Material, dessen Brechungsindex geringfügig höher ist als der Brechungsindex des Mediums, in das er eingebettet ist. Es ist erwünscht,daß sich die optische Welle im Grundmodus des Wellenleiters mit der niedrigsten Ordnung ausbreitet. Aus der Berücksichtigung der Erfordernisse für die Ausbreitung im.Grundmodus, der von Biegungen des Wellenleiters hervorgerufenen Verluste, d.h. Strahlungslaser und Moduskopplung, sowie der Fähigkeit, die Strukturen durch Anwendung photolithographischer Verfahren auf einem Chip mit der Größe eines 5-Cent-Stücks herzustellen, kann abgeleitet werden, daß der gewünschte Wellenlängenbereich der Bereich zwischen 0,4 und 1,3yum ist. Dies macht erforderlich, daß die Wellenleiterbreite ungefähr 10 /um bei einer Dicke von ungefähr 0,3 /an beträgt und daß das Wellenleitermaterial einen Brechungsindex hat, der ungefähr k% größer als der des Materials ist, in dem er eingebettet ist. Der minimale zulässige Biegeradius beträgt dann ungefähr 4cm mit einem Kantenfestlegungserfordernis von ungefähr 0,!F yum. Gemäß der Erfindung wird angegeben, daß diese optischen Wellenleiter ausChalcogenid-Gläsern hergestellt werden können. Die Herstellung solcher Strukturen liegt im Bereich derzeit üblicher photolithographischer Verfahren.Die Verwendung von Chalcogenid-Glas ist mit den im oben beschriebenen Bereich von 0,5 bis 1,3yum arbeitenden Halbleiter-Oberflächenlasern kompatibel. Es können optische analoge Verfahren zu praktisch allen Herstellungsverfahren für Koppler, Filter und andere passive Mikrowellenelemente angewendet werden. Überdies kann eine Wellenleiteranordnung mit Verstärkung .hergestellt werden, wie nach folgend beschrieben wird. Das Substrat

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auf einer epitaktisch abgeschiedenen Halbleiterzone mit dem richtigen Bandabstand wird unmittelbar unterhalb des optischen Wellenleiters gebildet. Dieses aktive Material wird dann mittels einer externen Quelle optisch gepumpt, damit in dem an den optischen Wellenleiter angrenzenden Material •eine Besetzungsumkehr erzeugt wird. Mittels des sich aus dem optischen Wellenleiter in dieses Material erstreckenden Abklingfeldes (evanescent field) wird die optisch geführte Welle dann verstärkt. Auf die gleiche Weise können Dämpfungsglieder erzeugt werden.

Zu diesem Herstellungsverfahren passende Modulatoren werden mittels des akustisch-optischen Effekts erzeugt. Über dem Material, in das die optische Wellenleiteranordnung eingebettet ist,wird in einem ausgewählten Bereich ein piezoelektrisches Material wie ZnO abgeschieden, über dem seinerseits wieder ein kammartig ineinander verzahntes Metallisierungsmuster liegt, das zum Aussenden einer akustischen Welle in das piezoelektrische Material geeignet ist. Bei einer Herstellung an der V/eise, daß die Schichten dann mit der Wellenlänge der akustischen Welle verglichen werden, wird die optische Welle dann von der akusbischen Oberflächenwelle gebeugt. Zu diesem Zweck wird der optische Wellenleiter mehrfach breiter als die für die Ausbreitung eines einzigen Modentyps erforderliche Breite gemacht, wobei möglichst mehrere Ausgänge bei den richtigen Winkeln zum Auffangen der gebeugten optischen Welle vorgesehen werden.

Mit der Verwirklichung dieser Vorrichtungen auf einem Chip mit der Größe eines 5-Cent-Stücks wird ein optischer Sender hergestellt.

Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnung beispielshalber erläutert. Es zeigen:

Fig.1 eine integrierte Anordnung eines Oberflächenlasers und eines optischen Wellenleiters,
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Fig.2 einen Oberflächenlaser mit Mesastruktur,

Fig.3 eine Maskenausrichtung für das Aufwachsen von Oberflächenlasern,

Fig.4 Dispersionskurven für n_Q= 2,8, n^= 3,6, n₂= 3,57, Fig.5 eine dreischichtige dielektrische Wellenleiteranordnung, Fig.6 Streuungskurven für^ n_Q=1, n^=2,6i und n₂ =" 2,57,

Fig.7 ein Diagramm der optischen Absorption für die Chalcogenid-Gläser des Typs TI Nr.20 und TI Nr.1173,

Fig.8(a) eine Ansicht der Abstrahlung eines endseitig abstrahlenden Lasers,

Fig.8(b) eine Ansicht der Abstrahlung eines gittergekoppelten Lasers,

Fig.9 eine schematischeAnsicht eines monolithischen IOC-Senders,

Fig.10 eine vorgeschlagene Mesainjektions-Laser-Wellenleiteranordnung,

Fig.11 Streuungskurven für die TE-Modentypen des n-n-Wellen-Ieiters von Fig.10,

Fig.12 einen Dampfphasenreaktor für das Aufwachsen von (Ga, In) als epitaktische Legierungen,

Fig.13 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Auswirkung der GaAs-Verbindung auf die relative Wachstumsgeschwindigkeit der Λ-und B-{111} -GaAs-Ebenen,

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Fig. 14 die stenographische {110}-Projektion der Rhombus-Mesageometrie,

Fig.15 mögliche geometrische Ausgestaltungen für dreidimensionale abgegrenzte optische Wellenleiter mit (a) eingebetteten Kanälen, (b) erhobenen Kanälen und (c) darübergelegten Streifen, wobei die optische WellenleituEg in den gepunktet angegebenen Bereichen erfolgt,

Fig. 16 (a) Mahfeldäbtastungen mit optischer Wellenlaitung bei 1,15 jpm in einem 7 jam (Ga, In) als epitaktische

Schicht auf einem GaAs-Substrat und FIg* 16 (b) eine Vorrichtung zur Aufnahme dieser Abtastungen.

Unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis β (b) wird eine monolithische Integrierte Wellenleiteranordnung mit¹ optischer Quelle nach der Erfindung beschrieben.

Technische Erörterung

Bas Ziel des Vorschlags Ist die Entwicklung eines epitaktisch gewachsenen, optisch gepumpten ,. Oberflächenlasers, dessen Strahlung über eine einstückige periodische Struktur an einen ebenen optischen Wellenleiter gekoppelt ist. Eine schematische Ansicht der vorgeschlagenen Vorrichtung ist in FIg.1 dargestellt. BIe Laserstrahlung wird In der aktiven In Ga. As-Schleht erzeugt, die auf der ©berseite eines CraAs-Hesas aufgewachsen ist. Bei dieser Ausführung ergibt sich eine Rückkopplung zu dem die Laserstrahlung abgebenden Medium über die facettierten Bänder des Mesas3 die Wellenleitung erfolgt in dem aktiven Medium mittels des .höheren Brechungsindex des I\6a. As -und das geeignete Pumpen erfolgt über die Burchlässlgkelt des GaAs für eine ,Strahliang beim Band abstand des iJEUGa. As. Ber ebeaae Wellenleiter wird unter

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Anwendung von HF-Aufstäubung gebildeter Schichten aus Chalcogenid-Gläsern hergestellt. Diese Materialien haben geeignete Brechungsindices, die mit III-V-Halbleitern kompatibel sind; ferner haben äe in den vorgeschlagenen Wellenlängenbereichen niedrige Verluste, und sie können leicht zur Bildung qualitativ hochwertiger Schichten durch Katodenaufstäubung aufgebracht werden..Die Kopplung zwischen dem Oberflächenlaser und dem Wellenleiter wird durch eine Gitterstruktur bewirkt, die in der Fläche der aktiven Schicht gebildet ist. Das Verfahren zur Herstellung der Gitterstruktur, d.h. eine Interferenzbelichtung eines Photoresists ermöglicht es, die Gitterperiodizität und somit die Kopplungsparameter des Gitters zur Erzielung optimaler Ergebnisse zu verändern.

Infolge des hier beschrittenen Wegs mit zwei Substraten kann die zur Erzielung der in Fig.1 dargestellten Vorrichtung notwendige Experimentierarbeit in einzelne Aufgaben Bauteil für Bauteil aufgeteilt werden. Anfänglich können die Absorptionsparameter, die Laserstrahlungsschwellwerte, die Lasermodenstruktur, die Wellenlänge usw. des epitaktischen Oberflächenlasers im Einzelnen unter Verwendung eines externen makroskopischen Lasers als optische Pumpquelle untersucht werden. Insbesondere die Laserstrahlungswellenlängen und die Lasermodenstruktur müssen im Zusammenhang mit der vorhandenen Theorie solcher Laserstrukturen für einen Vergleich mit den Modentypen des ebenen Wellenleiters zu Anpassungszwecken gekennzeichnet werden. Wenn die optimalen, eine Laserstrahlung abgebenden Strukturen bestimmt worden sind, können als Pumpquelle geeignete Injektionslaser eingesetzt werdeu. Die ebenen optischen Wellenleiter können ebenfalls zunächst als getrennte Strukturen untersucht werden. Die Modenstruktur, die Steuerungseigenschaften, die Ausbreitungskonstanten usw. können unter Verwendung externer Laserquellen, Prismen, Gitter und anderer geeigneter Verfahren gemessen werden.

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In gleicher V/eise können optimale Strukturen, hinsichtlich der Lastzusammensetzung und der Schichtdicke bestimmt werden, so daß die Modenanpassung an die Oberflächenlaser möglichst günstig gemacht wird. Gitterkoppler können sowohl auf den Laserstrukturen als auch auf den Wellenleiterstrukturen nicht nur zur Untersuchung der Gitter selbst, sondern auch als Hilfe bei den lasergeführten Messungen angebracht werden.

A. Oberflächenlaser

Zusätzlich air Abgabe der Laserstrahlung muß der Oberflächenlaser mehrere Funktionen ausführen :(1) Er muß die Pumpstrahlung wirksam absorbieren; (2) er muß einen optischen Hohlraumresonator zur Eingrenzung der erzeugten Laserstrahlung bilden; (3) er muß die Laserstrahlung zu dem Wellenleiter aussenden. Der in Fig.2 dargestellte Oberflächenlaser ist ein Mesa , der durch eine Oxidmaske auf einem GaAs-Substrat aufgewachsen ist. Der aktive Bereich an der Oberseite ist eine Legierung aus Gallium, Indium und Arsen. Zur Verschiebung des Bandabstandes unter den des GaAs zur Eingrenzung der erzeugten Laserstrahlung und zur Absorption der Pumpstrahlung ist nur eine kleine Indiummenge (nur wenige Prozent), erforderlich. Diese Legierungsverbindung hat etwa die Zusammensetzung Ga^ g^ⁿn 05^As*

Zum Aufwachsen des heteroepitaktischen Mesas können mehrere Epitaxieverfahren in der Dampfphase und in da? flüssigen Phase gewählt werden. In der flüssigen Phase arbeitende Verfahren sind im allgemeinen für diese Art des AufWachsens nicht brauchbar, da zwei unterschiedliche Materialien erforderlich sind und die Kontrolle der vorgeschlagenen Abmessungen des Mesas nicht einfach ist. Am besten wird der Mesa mittels eines in der Dampfphase ausgeführten Verfahrens hergestellt, bei dem Gallium, eine Gallium-Indium-Legierung, HCl und Arsen in einem

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Überschuß an -Wasserstoff "benutzt werden, In diesem System wächst zunächst GaAs, worauf ein Wachsen ternärer Legierungs verbindungen aus Indium in GaAs folgt» Die Wachstumsgeschwindigkeiten sind niedrig genug, daß diese Dünnfilme in einer reproduzierbaren,kontrollierten Weise hergestellt werden könnan.

Wie bereits erwähnt wurde, erfolgt das Aufwachsen dieser heteroepitaktischen Filme durch Oxidmasken, Dieses Verfahren ergibt die Bildung eines optischen Resonatorhohlraums mit parallelen Gegenflächen ohne daß eine Aufspaltung dieser Flächen erforderlich ist» Die exakte Geometrie der Löcher in den Masken ist in diesem Fall kritisch, da die Aufwachsseiten parallel zueinander und senkrecht zum Substrat verlaufen müssen.Zur Erzielung dieser Geometrie wird eine rhombusförmige Maskfi verwendet (siehe Fig.3)- Die Ausrichtung der Maske bezüglich des Substrats ist in Fig,3 dargestellt. Eine mittels eines Abtastelektronenmikroskops (SEM)hergestellte Photographic des Randes des Mesas zeigt, daß die f 111] -Fläche senkrecht zur {11O} -Fläche des GaAs-Substrats wachst. Es werden auch andere Ausrichtungen betrachtet, die diese facettierte Anordnung ergeben. Ein facettiertes Aufwachsen ist für'GalnAs-Legierungen bisher nicht gezeigt worden; es ist jedoch nur ein kleiner Anteil des Indiums für diese Legierungen erforderlich, so daß keine wesentlichen Schwierigkeiten erwartet werden. Auch sollten andere Strukturfehler auf Grund des !Unterschiedes in der Zusammensetzung wegen des kleinen erforderlichen Indiuan anteils ebenfalls minimal sein·

Wie es für ein effektives Verhalten erwünscht wird, kann in dem Oberflächenlaser eine Laserstrahlung mit nur einem einzigen optischen Modentyp oder mit nur mehrereaa optischen Modentypen niedriger Ordnung erzielt werden. In Fig.4 sind die Streuungskurven des passiven Mediums für die erlaaalbteii Ausbreitungsjiodentypen in dem Oberflacheailaser dargestellt»

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Der epitaktische Oberflächenlaser steht mit einem Chalcogenid-Glasfilm in Verbindung; folglich sind die Kurven für eine Mehrfachdielektrikumsschicht n^, n₂ und n^ berechnet worden, wobei n^ der Index des Chalcoge^iid-Glases, n₂ der Index von GaInAs und n, der Index von GaAs ist. Wie in der Figur zu erkennen ist, kann die Ausbreitung eines Modentyps erzielt werden, in dem die Bedingung x/d^1»5 eingehalten wird.

Die Dotierung der GalnAs-Schicht wird für einen minimalen Laeerschwellwert eingestellt. Für die Erzielung dieser Wirkung sind zwei Dinge von Bedeutung: (1) der verwendete Vorgang der Strahlungsrekombination und (2) der niedrigste, von der Filmvollkommenheit abhängende optische Verlust sowie wiederum die Strahlungsemissionswellenlänge bezüglich der Bandkante. Schließlich könnte der epitaktische Film wieder auf GaAs zurückgeführt werden, damit eine dünne Schicht GaAs entsteht, die eine eingebettete, eine Laserstrahlung abgebende Schicht erzeugt, die Oberflächenrekombinationseffekte eliminiert, obwohl dies nicht für notwendig gehalten wird.

B. Optischer Dünnfilmwellenleiter

Die Laserstrahlung soll in einen ebenen optischen Wellenleiter gekoppelt werden. Die komplizierteren Herstellungsprobleme einer vollständigen monolithischen Struktur werden zunächst umgangen, und die Strahlung wird in einen optischen Wellenleiter gekoppelt, d?r auf einem eigenen Substrat gebildet ist. Dieser Weg ermöglicht eine vollständigere Kennzeichnung des Verhaltens bei einstellbaren Parametern, und er ermöglicht eine getrennte Optimierung der Baueinheit.

Es seien zunächst die Eigenschaften der Lösungen der Maxwellschen Gleichungen für die dreischichtige Struktur von Fig.5

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betrachtet. Die Schichten haben in der y- und z-Richtung eine unendliche Ausdehnung, und ihre Dielektrizitätskonstanten sind n_Q, n^ und np. Es wird angenommen, daß sich die Felder in der y-Richtung nicht ändern, während sie* sich hinsichtlich der Zeit und der Entfernung längs der z-•Achse gemäß exp i(ut - ßz) ändern. Die Maxwell'sehen Gleichungen ergeben zwei Typen von Lösungen, nämlich einen Lö\sungstyp, bei dem nur die Feldkomponenten E , Η_χ und H_z nicht Null sind (TE-Wellen) und einen weiteren Lösungstyp, bei dem nur die Feldkomponenten H , E und E

nicht Null sind (TM-Wellen). ^r

Es gibt zwei Arten von Lösungen (1) auf die Schicht 1 begrenzte geführte Wellen, die mit dem Abstand von der Schicht 1 mit den Abklingkonstanten γ und α exponentiell abklingen und (2) ungeführte Wellen, die keine solchen Einschränkungen zeigen. Die ungeführten Wellen sind bei der Betrachtung von Kopplern und von ¥erlustmechanismen von Bedeutung, doch sind die geführten Wellen hier von größerem Interesse. Die geführten TE-Wellen haben in den drei Bereichen Felder mit einer Abhängigkeit von x.

ocexp - y(x-dj, x>d/2_; E_y2occos(kx + 0), - *r <x< + |· ;

_y2 ocexp α (x + |) , χ < -

In diesen Gleichungen sind d die Breite der Führungsschicht und K und 0 sind die Konstanten der Modentypstruktur. Die anderen Feldkomponenten werden durch Differenzieren von E bezüglich ζ oder χ erhalten. Aus der Wellengleichung und den Grenzbedingungen an den zwei Grenzflächen ergeben sich folgende Beziehungen:

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2 2 2 2

γ - ß ⁺ VV = °

2 2 2 2

IT - β + ^₁ *₀ = O

² β² + n₂ ²k₀ ² = O mit k_Q

α - β² + n₂ ²k₀ ² = O mit k_Q = 2

γ/k = tan(kd/2 + 0)
- a/k = tan(-kd/2 + 0)

Ähnliche Gleichungen gelten für TM-Wellen. Für geführte Wellen gilt n^ >n_Q, n₂· X_Q .iet die Wellenlänge im Vakuum. Eine geeignete Möglichkeit zur Darstellung der diskreten Lösungen dieser GleLcbmgen ist ein Diagramm, in dem k_Q/ß=v/c über d/ Aq aufgetragen ist. Ein solches Diagramm zeigt Fig.6 für denEall n_Q= 1, n. = 2,61 und n₂ = 2,57. Dies entspricht einem Chalcogenid-Glasfilm TI-1173 auf einem Glassubstrat TI Nr.20 in Luft. Die geführten Modentypen existieren in dem Bereich, der in der Figur oben durch v/c = (2,57)" und unten durch v/c = (2,61)~ begrenzt ist. Wenn die Filmdicke zunimmt, nimmt die Zahl der geführten Modentypen, die in dem Film aufrechterhalten werden können, ebenfalls zu. Die Modentypen treten paarweise auf. In Richtung zunehmender Werte d/λ sind die Modentypen TE_Q und TM_Q, TE₁ und TM₁ usw.

Für die Verwendung als Wellenleiter im nahen Infrarotbereich sind viele Glasarten geeignet. Hier wird die Verwendung von (halcogenid-Gläsern mit hohem Brechungsindex vorgeschlagen. In Fig.7 sind die Absοrptionskurven dieser Gläser im interessierendem Spektralbereich angegeben. Diese Kurven wurden mit einem Absorptionsspektrometer gemessen und so normiert, daß sie durch die Punkte bei 1,064 um, 1,12 um und 1,36 um laufen, an denen exakte kalorimetrische Daten mit einer JAG:Nd

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Laserquelle aufgenommen wurden. Diese Daten sind in der am Schluß der Beschreibung angefügten Tabelle I angegeben. As₂S-Z-GIaS ist bei einem geringfügig niedrigerem Brechungsindex und bei einer besseren Durchlässigkeit bei kürzeren 'Wellenlängen ebenfalls brauchbar. Diese Gläser haben ausgezeichnete akustisch-optische Eigenschaften, die später für Modulations-, Ablenkungs- und Schaltfunktionen wichtig sind.

Es hat sich herausgestellt, daß diese Gläser durch Anwendung von HF-Aufstäubungsverfahren leicht in Form dünner Filme aufgebracht werden können. Die optischen Eigenschaften des Films unterscheiden sich nur geringfügig von denen des Ausgangsmaterials. Baispielsweise hat der Brechungsindex des Ausgangsmaterials TI-1173 den Wert 2,69, und der Brechungsindex des Films hat bei 1,15 /mn den Wert 2,61.

C. Kopplung zwischen der Laserquelle und dem Wellenleiter

Die vorgeschlagenen Laser-und Wellenleiteranordnungen erlauben ein einfaches Verfahren der Kopplung über Endabstrahlung oder über einen abgeschrägten Abschnitt. Der Laser ist über sein Substrat auf einem Sockel oder einem Mesa angehoben; für eine Ankopplung am Ende muß der Wellenleiter auf die richtige Höhe angehoben werden.Für eine vollständige monolithische Vorrichtung kann die Laseranordnung während der HF-Aufstäubung des Wellenleitersubstratmaterials und während des anschliessenden Aufstäubens des Wellenleitermaterials abgeschirmt werden. Jedoch ist die Festlegung der Grenzfläche zwischen dem Rand des Lasers und dem Wellenleiter schwierig. Das bedeutet, daß ein enger Anschluß zwischen dem Sockel und dem Wellenleitersubstrat ohne Lücken oder ohne ein Überlappen des Substrats auf dem Sockel und dem Laser bei Anwendung von HF-Aufstäubungsverfahren nur sehr schwer erhalten werden kann.

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Somit wird ein anderes Kopplungsschema mit einer Abklingfeldkopplung zwischen dem Laser und dem Wellenleiter angewendet. Damit diese Kopplung stattfindet, müssen die Phasengeschwindigkeiten des Wellenleiters und der Laserstrahlung aneinander angepaßtwerden. Da der Laser selbst eine Anordnung mit geschichtetem Dielektrikum ist, weist er eine geführte Ausbreitung seiner eigenen Strahlung auf. Zur Umwandlung der Phasengeschwindigkeit des Lasers in die des Wellenleiters ist einweiteres Aufbauelement zwischen dem Laser und dem Wellenleiter erforderlich. Eine sandwichartig zwischen die Seiten des Lasers und des Wellenleiters eingefügte Gitterstruktur kann diese Geschwindigkeitsumsetzung bewirken. Fig.1 zeigt die vorgeschlagene Anordnung, bei der ein Gitter verwendet wird. Das Gitter kann auf mehreren Wegen erzeugt werden, wobei der einfachste Weg darin besteht, auf einer Photoresistschicht suf dem Laser ein Gitter zu bilden und dann die Gitterstruktur in die Laseranordnung durch Ionenbeschuö einzufräsen. Dies erlaubt eine enge Kontrolle der Größe, der Position und der Form der Nuten des Gitters. Nach dem Fräsen wird die Photoresistgchicht von der Laseroberfläche entfernt. Die Laseranordnung vird dann umgedreht, und die ebene, monokristalline Facettenoberfläche wird mit dem Wellenleiter verbunden. Dieses Verbinden kann auf mehreren Wegen erreicht werden. Da die Unebenheiten beider Flächen kleiner als eine Wellenlänge des Lichts sind, ist eine optische Kontaktierung möglich. Alternativmöglichkeiten sind ein Verbinden durch Druck, ein Tempern dicht bei der niedrigen Schmelztemperatur des Glases TI-1173 während der Druckausübung oder die Verwendung eines optischen Klebstoffes -mit niedriger Viscosität, d.h. mit einer Klebstoffschichtdicke, die kleiner im Vergleich zur Dicke des Wellenleiters und des Lasers ist. Dieses zuletzt erwähnte Verbindungsverfahren ermöglicht es, den Laser und den Wellenleiter durch Auflösen des Klebstoffs wieder zu "trennen.

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Zusammenfassend läßt sich feststellen, daß die vorgeschlagene Laser-Wellenleiter-Anordnung äußerst vielseitig ist und zahlreiche konstruktionsmässige und entwicklungsmässige Fortschritte zusätzlich zur Möglichkeit des Betriebs bei Zimmertemperatur aufweist. Der Laser und der Wellenleiter werden getrennt aufgebaut; ihre Eigenschaften können daher vor ihrer Zusammenfügung bestimmt werden. Dies ist ein Vorteil, weil stark unterschiedliche Materialien für den Laser und den Wellenleiter verwendet werden können, so daß der Laser an die Pumpquelle angepaßt oder bei einer gewünschten Wellenlänge betrieben werden kann, während die Wellenleitermaterialien im Hinblick auf niedrige Verluste oder auf andere gewünschte Eigenschaften wie Kompatibilität mit einem Modulator ausgewählt werden können» Ferner ist dies deshalb ein Vorteil, weil eine Anzahl von identischen Lasern gleichzeitig aufgebaut werden können, so daß irgendwelche Anfangsfehler in der Anpassung der Phasengeschwindigkeiten an den nachfolgenden Geräten korrigiert werden können, die aus der gleichen Laserserie hergestellt werden. Es ist auch deshalb vorteilhaft, weil während der Anfangsphasen des Entwicklungsprogramms die Injektionslaser-Pumpquelle durch leistungsfähigere Laser ersetzt wird und das Injektionspumpen des Oberflächenlasers parallel zur anderen Entwicklungsarbeit wie zur Optimierung der Gitterlänge und der Gitterstruktur untersucht werden kann.

Die Anforderungen an den Gitterabstand werden aus der Gitterformel bestimmt, die aus geometrischen Optikausdrücken abgeleitet wird. Zwischen zwei Medien mit den Brechungsindices n. und rip gilt die folgende übliche Formel:

n. sin θ^ - n₂ sin O₂=Sj (1)

In dieser Formel sind Θ,. und θ~ der Einfallswinkel bzw. der Beugungswinkel gegenüber der Normalen, λ die Wellenlänge im Vakuum, d der Gitterabstand und s=+1+2 die Beugungsordnung. Der Kehrwert der Phasengeschwindigkeit einer Führungs-

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welle in einer geschichteten Struktur ergibt sich aus

Φ = <§>bulk ^{sin θ}'

In dieser Formel sind c die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, (cAOwiv^ ^{n der} Index des Führungsfilms und θ der Winkel, bei dem sich total innen reflektierte ebene Wellen zur Bildung des geführten Modentyps ausbreiten, Aus einer Kombination dieser zwei Formeln ergibt sich die folgende einfache Beziehung zwischen denRiasengeschwindigkeiten und dem Gitterabstand:

^v^film ⁼ Glaser ^{+ s} d" ^

Die Gitterformel (1) ist insofern umkehrbar, als die einfallenden und gebeugten Strahlen vertauscht werden können, ohne daß die Anpassungsparameter geändert werden müssen. Ein Gitter erlaubt somit nicht nur die Einkopplung einer Strahlung in den Wellenleiter, sondern auch die Auskopplung einer Strahlung aus dem Wellenleiter. Zur Erzielung einer reinen Kopplung in den Wellenleiter muß das Gitter plötzlich enden, und es muß die richtige Länge aufweisen.

Typische Anforderungen an den Gitterabstand liegen in der Größenordnung von d=1um;dies ist ein einfach herzustellender Gitterabstand. Diese Anforderung an den Gitterabstand d ergibt sich aus der Gleichung (3). Nachfolgend wird ein Beispiel einer vollständig aufgebauten Anordnung angegeben. Dabei wird dieFrage gestellt, welche Werte die Parameter des Rests der Anordnung haben müssen, wenn eine Injektionslaserpumpquelle eine Strahlung bei 9000 S abgibt. Es werden zunächst die Parameter des Ga_-1 „In As-Oberflächenlasers berechnet. Über den Brechungsindex und den Absorptionskoeffizienten dieser ternären Verbindung

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ist nur wenig bekannt; es ist jedoch bekannt, daß das Material auf einem Substrat optisch gepumpt und veranlaßt werden kann, bei Zimmertemperatur eine Laserstrahlung abzugeben. Die Brechungsindices von GaAs und InAs sind nahezu gleich, und für eine niedrige In-Konzentration soll die ternäre Verbindung so behandelt werden, als verhielten sich der Brechungsindex und der Absorptionskoeffizient ebenso wie in GaAs dicht bei der Bandlücke. Zur Erzielung einer Absorptionslänge von 5 Via sollte die Bandkante von . _In„As um 200 S von der Pumpstrahlung gemäß den Ab-

sorptionskoeffiziententabellen von GaAs verschoben werden. Aus der Kurve, in der die Bandabstandenergie über der Zusammensetzung von Ga.,' In„As aufgetragen ist, ist dies bei einer

ι ™·Χ Χ

In-Konzentration von 4,5% der Fall . Der Brechungsindex der ternären Verbindung "bei ihrer Bandkante beträgt' 3,603, was bedeutet, daß er den gleichen Wert wie der Brechungsindex von GaAs bei der Bandkante hat. Der Index von GaAs hat bei 9200 £ den Wert 3,569. Die dritte Schicht der dreischichtigen Laseranordnung, die die Führung ergibt, ist die Schicht aus TI-1173-Glas, wie in Fig.1 angegeben ist. Ihr Brechungsindex hat den Wert 2,8.Die reziproken Phasengeschwindigkeiten des Lasers (^c/^v)i_aser liegen dann zwischen 3,603 und 3,569, also innerhalb eines Bereichs von Λ% um c/v = 3,6. Die Streuungskurven für die Modentypen sind in Fig.4 dargestellt. Der von Luft und vom Glas TI Nr.20 begrenzte Wellenleiter aus TI-1173-Glas hat ein (c/v)^.-, im Bereich von 2,65 bis 2,7, und die Streuungskurven der Modentypen gleichen denjenigen, die in Fig.6 dargestellt sind. Die Gleichung (3) wird für einen Wert von s A/d«s -0,8 erfüllt, eo daß sich bei s=-1 ein Gitterabstand von d=1,15yum ergibt. Die Beugung erster Ordnung mit einem in einfacher Weise gebildeten Gitterabstand wird benötigt. Es könnten auch ein Gitter mit sinusförmigem Amplitudenverlauf oder ein Phasengitter verwendet werden. Da der von dem Film gebildete

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Wellenleiter als dritte Schicht Luft hat, sollte das Gitter am Rand des Dünnfilmlasers angebracht sein; im anderen Fall bildet GaInAs die dritte Schicht des Wellenleiters.

Ein gewisser Fehlerspielraum besteht insofern, als die Emissionewellenlänge in einem Band von 100 S liegt; das bedeutet, daß der Wert für λ/d um etwa 1% gespreizt ist. Eine zusätzliche Verbreiterung könnte mittels variabler Abstände odermehrfacher Abstände der Gitterelemente auf Kosten des Beugungswirkungsgrades erhalten werden. Das in dieser Abführung verwendete Gitter ist ein Hologramm auf einer ebenen Fläche mit einer gewissen Orientierung. Eine Variation von Λ% des Gitterabstandes d kann erzielt werden, indem ein Hologramm einer zylindrisch gekrümmten Fläche oder einer vibrierenden ebenen Fläche erzeugt wird. Eine Auslöschung des Gittermusters in dem Photoresistfilm erfolgt bei Gittern, die langer als 50 um sind, was jedoch länger ist, als das Gitter sein muß. Es sind optimale Bedingungen zur Erzeugung von Gitterkopplern auf Chalcogenid-Glas, Oxid-Glas, Si-und GaAs-Flächen bestimmt worden. Ein Positiv-Photoresist vom Typ Shipley Az 1350, der in einer Shipley-Verdünnung im Verhältnis 1:1 verdünnt ist, wird bei einer Drehzahl von.3000 Umdrehungen pro Minute auf die Oberfläche aufgesponnen. Dadurch entsteht eine Photoresistschicht mit einer Dicke von 1500 %. Der Photoresist wird mit zwei sich überschneidenden, kdLimierten Lichtstrahlen belichtet, die aus dem gleichen Argonionenlaser erhalten werden. PhotoelektrischeMessungen quer zu jedem Strahl helfen bei der optischen Ausrichtung und gewährleisten, daß die Strahlen hinsichtlich ihrer Intensität aneinander angepaßt sind. Nur ein schmaler Mittelbereich jedes Gaußschen Strahls wird zum Belichten des Photoresists verwendet. Die sich überschneidenden Strahlen, die mit der resistbedeckten Oberfläche (gewöhnlich gleiche) Winkel Q^

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und ©2 bilden, erzeugen Interferenzstreifen, die im

XJcos Θ*+ cos ©₂|" voneinander getrennt sind. Der Wert von λ beträgt 4880 A* . Die Belichtungszeit hängt vom verwendeten Substrat ab; sie liegt zwischen 3 und 10 Minuten. Eine geringfügige Überbelichtung erzeugt ein Gitter aus Photoresiststäben mit rechtwinkligem Querschnitt,die nach der Entwicklung des Photoresists durch Streifen aus unbedecktem Substrat voneinander getrennt sind. Es hat sich gezeigt, daß die Belichtungs- und Entwicklungszeiten bei der Erzeugung guter Gitter ziemlich kritisch sind. Ein wesentlicher Punkt ist audi die sorgfältige Reinigung des Substrats vor der Aufbringung des Photoresists.

In die Substrate sind Gittermuster mit Hilfe einer Ionenritz- oder Ionenfräs-Maschine geschnitten worden, bei- der ein Strom von Argonionen auf die Oberfläche auftrifft, die geritzt oder gefräst wird. Der Photoresist wird langsamer als das Substrat entfernt. Beispielsweise sind für den Photoreast und für GaAs Fräsgeschwindigkeiten von 0,06 um/min bzw. 0,12 um/min bei den derzeitigen Betriebsbedingungen gemessen worden. Eine neue größere Ionenfräsmaschine wird in Kürze ausgeliefert;·sie erlaubt eine erhöhte Flexibilität im experimentellen Einsatz. Die Gitterperiodizität beträgt in diesem Fall 0,64 um.

D. Vollständiger Aufbau der Anordnung

Zusammenfassend sei nun die fertige vorgeschlagene Anordnung betrachtet, die in Fig.1 dargestellt ist. Die aus einem gewöhnlichen GaAs-lnjektionslaser austretende Pumpstrahlung mit einer Wellenlänge von etwa 9000 A durchdringt das Substrat und wird von der GaInAs-Schicht (deren Dicke wenige um beträgt) absorbiert, die die aktive Dünnfilm-Laserstruktur bildet. Die auf diese Weise optisch angeregte und über Reflexionen an den parallelen facettierten Aufwachsflächen der Mesa-

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Struktur mit einer Rückkopplung versehene Schicht gibt im Bereich zwischen 9100 und 12 000 S. eine kohärente Strahlung ab, damit das Energieumlaufverhalten eines geführten Filmlaserresonators entsteht. Eine Begrenzung dieser umlaufenden Energie in Querrichtung findet jedoch nicht mittels des üblichen Normalmodusverhaltens optischer Resonatoren,sondern mittels der dielektrischen Wellenleitungseigenschaften statt, die vom höheren Brechungsindex der die Laserstrahlung abgebenden GalnAs-Schicht verursacht werden. Eine Entnahme dieser umlaufenden Laserstrahlung wird mit Hilfe des Gitterkopplers erzielt, der direkt auf der die Laserstrahlung abgebenden Schicht durch Anwendung von Photoresist- und Ionenfräsverfahren erzeugt wird. Die durch das Gitter gekoppelte Strahlung ist schließlich von der dreischichtigen dielektrischen Wellenleiterstruktur auf eine Ausbreitung in der einen höheren Brechungsindex aufweisenden Monomodentyp-Chalcogenid-Glasschicht beschränkt. Auf diese Weise entsteht die integrierte Dünnfilm-Laser-Koppler-Wellenleiteranordnung.

Die Laserausgangsstrahlungen der Mesaoberflächenlaserstrukturen können mit Hilfe von zwei unterschiedlichen experimentellen Verfahren beobachtet und miteinander in Beziehung gesetzt werden. Nach Fig.8 (a) können die neu hergestellten Oberflächenlaser optisch gepumpt und vor der Herstellung des Gitters zur Abgabe einer Laserstrahlung veranlaßt werden. In diesem Zustand kann die einfacheEndabstrahlung durch die facettierten Enden beobachtet und hinsichtlich der Wellenlänge, der Intensitätsverteilung abhängig vom Winkel oder anderer relevanter Parameter gemessen werden. Nach der Herstellung des Gitters kann die Laserausgangsstrahlung über das Gitter in Chalcogenid-Glasplatten gekoppelt werden, wie in Fig.8 (b) dargestellt ist. Die Messungen an der endseitigen Abstrahlung zusammen mit

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den theoretischen Grundlagen gemäß dem obigen Abschnitt C (und der einfachen Anwendung des Brechungsgesetzes) sollten diese Beobachtungen ermöglichen, die das Verständnis der Modentypstruktur und der Beugungseigenschaften der die Laserstrahlen abgebenden Anordnung erlauben. Überdies sollten diese Messungen zu einer Optimierung der Gitterlänge und der Periodizität führen.

Unter Bezugnahme auf die Figuren 9 bis· I6(b) erfolgt nun eine Beschreibung einer integrierten elektrischen Injektionslaser-Wellenleiter-Anordnung nach der Erfindung.

Vorschlag für die Entwicklung einer integrierten elektrischen In.iektionslaser-Wellenleiter-Anordnung

I. Einführung

Die Erwartungen an die optische Nachrichtenübertragung betreffen die schnelle Verarbeitung großer Informationsmengen mit integrierten optischen Schaltungen (IOC), die die Informationen über optische Fasern übertragen. Die Erfüllung dieser Erwartungen erfordert die Entwicklung einer zuverlässigen, kostenwirksamen Technologie zur Erzeugung der Fasern, der IOC-Sender und der IOC-Empfänger.

In neuester Zeit ist von optischen Fasern mit sehr niedrigen Übertragungsverlusten («2 dB/km) berichtet worden; wirksame Photodetektoren, die gut an Fasern angekoppelt werden können, sind im Handel erhältlich. In zukünftigen integrierten optischen Schaltungen erscheint eine inkohärente Abtastung angebracht, und große Abweichungen von den derzeitigen Verfahren in der Ausführung der Detektoren werden nicht erwartet.Die grundlegenden Technologien der optischen Fasern

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und Photodetektoren scheinen somit zur Verfügung zu stehen.

Hinsichtlich der Sendevorrichtungen ist die Situation jedoch ganz anders.Die Ankopplung von Leuchtdioden an Fasern ist mäßig, und die Ansprechzeit von Leuchtdioden ist für die Ermöglichung von Datenübertragungen mit hoher Geschwindigkeit ( >100 MHz) zu lang. Diskrete Halbleiterlaser können schneller direkt moduliert werden und zu einer wirksameren Ankopplung an optische Fasern veranlaßt werden; diese Ausführung mit einem Chip schließt jedoch die Einbeziehung der notwendigen Verarbeitungsfunktionen wie Multiplexieren, Modulieren und Schalten auf dem gleichen Chip aus. Die schwierigsten technischen Probleme liegen somit auf dem Gebiet der Entwicklung der Sender. Zur Entwicklung zuverlässiger und kostengünstiger IOC-Sender, die die Anforderungen hinsichtlich aller Schaltungsfunktionen erfüllen, muß eine monolithische Herstellungstechnologie geschaffen werden, die derjenigen gleicht, die sich bereits bei TI zur Herstellung integrierter Siliziumschaltungen als wirksam erwiesen hat.

Fig.9 zeigt eine integrierte optische Schaltung, die die Grundfunktionen enthält, die für einen zukünftigen, mit hoher Datengeschwindigkeit arbeitenden Sender für notwendig gehalten werden. Der Oberflächeninjektionslaser schickt Strahlung in einen dreidimensionalen abgegrenzten Wellenleiter. Die Modulation und das Schalten der Strahlung erfolgen in den Wellenleiteranordnungen; sie werden getrennt gesteuert. Der gesamte Sender ist ein Funktionsblock aus einem einzigen Chip, wobei jeder Bestandteil für eine integrierte, kostengünstige Herstellung geeignet ist.

Das für die Entwicklung eines solchen Senders ausgewählte Material gehört der Gruppe der III-V-Halbleiterlegierungen

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(Ga, In) As und (Ga, Al) As an. Die Eigenschaften dieser Halbleiter ermöglichen im Prinzip die Ausführung jeder der in der Anordnung von Fig.9 enthaltenen Grundfunktionen: Eine kohärente optische. Abstrahlung, eine passive optische Kopplung, eine optische Wellenleitung, eine elektrooptische Modulation und eine akustisch-optische Modulation. Die Abstrahlungswellenlänge des Oberflächenlasers kann durch iindern der Legierungszusammensetzung so bemessen werden, daß sie an Bereiche angepaßt ist, in denen die optische Faser niedrige Verluste aufweist. . .

Ganz speziell soll hier ein elektrischer Halbleiterinjektionslaser geschaffen werden, der sich auf der Oberfläche eines Chips befindet. Der Laser soll ein Bauelement mit einem pn-Übergang sein, die ein Spiegelreflexionsvermögen aufweist, das mit Hilfe der kristallinen Facetten eines Mesas erzielt wird, der durch Aufwachsen aus der Dampfphase auf einem epitaktischen Substrat durch eine Oxidmaske erzeugt wird.

II. Technische Erörterung

Der oben beschriebene integrierte optische Sender weist drei Hauptbestandteile auf:(1) Injektionslaserquelle (n), (2) abgegrenzteWellenleiter und (3) Modulatoren/Schalter. Jeder Bestandteil muß der Reihe nach entwickelt werden. Die Oberflächenlaserquelle ist ganz klar der kritischste Bestandteil, und sie erfordert die größte Aufmerksamkeit-An zweiter Stelle der Rangordnung steht die Entwicklung geeigneter, abgegrenztffWellenleiter, in die die Ausgangsstrahlung des Lasers gekoppelt werden kann.Da ein Oberflächeninjektionslaser direkt moduliert werden kann, ist die Entwicklung eines eigenen Wellenleitermodulators von geringerer Bedeutung.

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Die Beschreibung konzentriert sich hier auf einen optisch gepumpten (Ga, In)As-GaAs- Oberflächenlaser. Dieser Vorrichtung ist eine aus der Dampfphase aufgewachsene Mesaotruktur mit wellenleitenden zusammengesetzten Schichten und einem Phasengitter, das die Laserausgangsstrahlung zu einem auf einem eigenen Substrat angebrachten Chalcogenid-Glas-Wellenleiter koppelt. Das Grundkonzept der Halbleiter-Mesa-Laserstruktur führt von der optischen gepumpten Vorrichtung, die eine externe Laserpumpquelle erfordert zu einer elektrischen gepumpten Vorrichtung mit einem pnübergang, die von ihrem eigenen internen Injektionsstrom angesteuert wird. Der Injektionslaser ist so ausgelegt, daß sein Ausgangssignal in einen darunterliegenden epitaktischen Wellenleiter auf dem gleichen Substrat gekoppelt wird. Somit wird eine echt integrierte einzige kohärente Quelle hergestellt, die in einen integrierten abgegrenzten Wellenleiter gekoppelt ist, der das Substrat besetzt.

A. Integrierte Quelle

In diesem Abschnitt wird die neue Struktur zur Integration des Halbleiterinjektionslasers genau beschrieben. Die vorgeschlagene Anordnung, die in Fig.10 schematisch dargestellt ist, arbeitet folgendermaßen: Der im dem gewachsenen Mesa aus der (Ga, In)As-Legierung gebildete pn-übergang wird durch Injektion von Minoritätsträgern (Elektronen ) quer zum Übergang zur Abgabe einer Laserstrahlung veranlaßt. Eine optische Rückkopplung wird mit Hilfe der einander gegenüberliegenden parallelen facettierten Flächen des Mesa erzielt. Die Ausgangsstrahlung des Lasers wird in den darunterliegenden GaAs-Wellenleiter durch Abklingfeldkopplung eingekoppelt. Da GaAs einen größeren Energiebandabstand als der (Ga,In)As-Mesa hat, ist der darunterliegende Wellenleiter nominell für

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die Strahlung des Mesalasers, ("bei einem Verlust von etwa 1 dB/cm) durchlässig. Eine dreidimensionale Eingrenzung der Strahlung im Wellenleiter wird mittels einer unten noch beschriebenen Überdeckungsstruktur erzielt.

Die in Fig.10 dargestellte Anordnung kann in optischer Hinsicht folgendermaßen gekennzeichnet werden: Vom Mesa entfernt bildet der epitaktische GaAs-PiIm (n «10 cm" ) eine Wellenleiterschicht auf einem stark dotierten (n *^1Q cm Substrat. Eine optische Eingrenzung tritt auf, weil der Brechungsindex der epitaktischen Schicht ä; 10 größer als der Brechungsindex des Substrats ist. Wie in den Streuungskurven der TE-Modentypen von Fig.11 angegeben ist, erfolgt eine Eingrenzung für Wellenleiterdicken d > 1,6λ. Da die Wellenlänge χ «1 um ist, erfolgt die Ausbreitung des einen Modentyps TE_Q für 1,-6 um ^ d ^: 4,8 um. In der Nähe des Mesas ist die Situation komplizierter.Es sind zwei optische Wellenleiter vorhanden (von denen einer die optisch aktive Übergangszone des Mesas ist ), die über eine Pufferschicht mit niedrigerem Brechungsindex gekoppelt sind, wie das Indexprofil von Fig.11 angibt. Die Abklingfeldkopplung zwischen diesen Wellenleitern (den Bereichen mit hohen Brechungsindices) erfolgt über eine Feldstreuung durch die Pufferschicht (n ««10 'cm "^) am Boden des Mesas. Watts hat die Kopplung für eine ähnliche Struktur mit einem LOC-Injektionslaser bei einem Sprung des Brechungsindex von ^Ä10 berechnet. Eine brauchbar wirksame Kopplung erfolgt bei einer Pufferschicht mit einer Dicke von «1iam. Für den einfachen pn-Ühergangslaser von Fig.10 ist das Indexprofil dicht beim Übergang nicht eine ideale Sprungfunktion, und die optische Strahlung ist nicht ebensogut eingegrenzt. Es wird somit erwartet, daß die Kopplung bei dickeren Pufferschichten (mehrere um) wirksamer ist und leichter erzielt werden kann. Solche Abmessungen können mit der derzeitigen Aufdampfepitaxietechnologie leicht erhalten werden.

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Die in Fig.10 dargestellte Vorrichtung wird durch epitaktisches Aufwachsen aus der Dampfphase, eine Leitfähigkeitstyp-Konversion durch Anwendung von Diffusion und/oder Ionenimplantation sowie durch photolithographische Maskierungsverfahren hergestellt. Zunächst wird durch Aufwachsen ein gleichmässiger epitaktischer GaAs-FiIm (der Wellenleiter) auf einem stark dotiertem Substrat gebildet. Die Halbleiterscheibe wird dann mit einer SiOp-Schicht überzogen, in die zum Mesaaufwachsen Löcher geätzt sind. Durch die Maskenlöcher wird dann durch Aufwachsen ein η-leitender Mesa erzeugt. Über dem gewachsenen Mesa kann dann eine Diffusionamaske aus Si N abgeschieden werden. Eine Diffusion oder Implantation von Zn durch
geätzte Löcher in den Mesaoberseiten wandelt die Oberschicht in eine p-leitende Schicht um, und es entsteht der pn-übergang. Nach der Bildung des pn-Übergangs wird sowohl auf die Mesaoberseite als auch auf das Substrat ein Metallkontakt legiert. Zur Fertigstellung der Vorrichtung erfolgen ein Festlöten an einem Bauelementsockel, sowie das Bonden
der Anschlußleitungen.

Die erfolgreiche Vollendung dieser Fabrikationsschritte
erfordert mehrere spezielle Entwicklungen, die einzeln
untersucht und dann zur Erzielung des Endergebnisses
kombiniert werden müssen. Diese Entwicklungen sind:

(1) Aufwachsen von GaAs-Mesas und von (Ga, In)As-Legierungsmesas mit guten Facetten zur Erzielung einer optischen Rückkopplung,

(2) die Entwicklung von Diffusions- oder Implantations»
verfahren zur Bildung des pn-Übergangs in den n-leitenden GaAs-und(Ga, In)As-Mesas,

(3) die Bildung von Wellenleitern aus η-leitendem GaAs mit geringer Ladungsträgerdichte auf.einem stark dotierten η-leitendem Substrat,

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(4) Aufwachsen von (Ga, In)As-Mesas auf epitaktischen GaAs-Substraten,

(5) die Steuerung der Diffusionstiefe und/oder der Pufferschichtdicke für eine richtige Kopplung zwischen dem Mesa und dem Yfellenleiter und

(6) die Entwicklung der ohmschen Kontaktierungsverfahren für die kleinen Mesastrukturen:

Es wurde ein neuer Reaktor mit zwei Quellen konstruiert, bei' dem getrennte Gallium-und Indium-Metallquellen Mischlingen aus HCI/H2 ausgesetzt werden. Die aus der Reaktion Hai mit In und Ga gebildeten flüchtigen Chloride werden mit As-Dampf gemischt, der durch die Zersetzung von AsH,, einem getrennt eingegebenen Gas, erzeugt worden jsi.die flüchtigen Chloride und der As-Dampf werden dann über ein GaAs-Substrat geleitet. Die Strömungsbedingungen und die Temperatur sind so eingestellt, daß sich auf dem GaAs-Substrat epitaktische Filme abscheiden. Dieses mit einem offenen Rohr arbeitende Strömungssystem ist zum Aufwachsen steiler heteroepitaktischer (Ga, In)As-Legierungen mit einem InAs-Anteil bis zu 20% verwendet worden. Der Aufbau des Reaktors ist in Fig.12 schematisch dargestellt. Die Legierungsschichten sind bei einer Ladungsträgerdichte von etwa 10 cm n-leitend-·

Zwei weitere Merkmale dieses Reaktors tragen zu seiner Zuverlässigkeit bei. Eine zusätzliche Versorgung mit HC1/H₂ verhindert eine Abscheidung bei Temperaturen über der Temperatur des Substrats. Dieses Merkmal ergibt eine bessere Zusammensetzungssteuerung während der Abscheidung. Überdies ist es möglich, das In/Ga-Verhältnis in der Gas- phase unabhängig zu steuern. Dieses Merkmal erlaubt eine solche Einstufung der Zusammensetzung der Filme, daß die Wirkungen der Gitterfehlanpassung zwischen dem GaAs-Substrat und den (Ga, In)As-Legierungen auf ein Minimum verringert werden. Die Verwendung eigener Quellen der Gruppe III

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vereinfachen auch das Ändern der Zusammensetzung für das heteroepitaktische Wachstum.

Wichtiger als die oben erwähnten Merkmale ist jedoch die Vereinfachung der Steuerung der Gasphasenzusammen-"Setzung für die Steuerung des facettierten Mesawachstums aus GaAs und(Ga, In)As. Die Steuerung des III/V-Verhältnisses in der Gasphase ermöglicht den Ausgleich der Wachstumsgeschwindigkeiten der fm} -Ebenen mit entgegengesetzten Polaritäten . Dieser Effekt ist in Fig.13 für die GaAs-Epitaxie dargestellt. Eine Kombination dieses Effekts mit entsprechenden Substratorientierungen führt zum Aufwachsen paralleler, ebener Mesafacetten. Die genauen Beziehungen der {111} -Ebenen auf einem

{11O} -Substrat sind in der stereographischen Projektion von Fig.14 dargestellt. Diese Projektion ist von einer Raute umgeben, deren Seiten von { 111} -Ebenen gebildet sind. Diese Rautenstruktur oder Abwandlungen dieser Struktur , die in einen Siliziumdioxidfilm auf einem GaAs {HO} -Substrat geätzt sind, dienen als Basis für das Aufwachsen von Mesas aus GaAs und (Ga, In)As. Eine Änderung,der Zusammensetzung um den Faktor 2 zerstört die zweifache Rotationsachse der aufgewachsenen Mesas. Dieser Effekt ist auch bei(Ga, In)As-Legierungen beobachtet worden, wenn auch nicht so deutlich wie beim Aufwachsen von GaAs-Mesas.

Das Hauptmerkmal dieser Entwickung ist ein Halbleiter-Mesa-Injektionslaser. Zu diesem Zweck werden Zn-Diffusions- und/oder Ionenimplantationsverfahren für GaAs-Mesas vorgesehen. Dabei werden zur Bildung einer diffundierten .Zone auf der Oberseite des Mesas Maskierungsschritte und photolithographische Verfahrensschritte angewendet. Unter Anwendung eines HF-Plasmas abgeschiedenes Siliziumnitrid ist eine gute Maske, die für Zink bei Diffusionen in einer

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geschlossenen Ampulle undurchdringlich ist.

B. Abgegrenzte Wellenleiter

Eine integrierte optische Schaltung (IOC) muß fast definitionsgemäß dreidimensionale optische Wellenleiter enthalten, die in einem abgegrenzten Muster zum Modulieren, Schalten und Multiplexieren angeordnet sein müssen. Die meisten bisherigen Untersuchungen optischer Wellenleiter befaßten sich mit zweidimensionalen Dünnfilmwellenleitem, die nicht die für verschiedene Schaltungsfunktionen erforderliche Strahlungsführung ergaben. Drei Typen von abgegrenzten Wellenleitern zur Bildung von Schaltungen in epitaktischen Halbleiterschichten sind in Fig.15 dargestellt: (a) Der durch Protonenbeschuß, Ionenimplantation und Diffusion gebildete eingebettete Kanalj (b) der durch chemisches Ätzen oder lonenfrasen gebildete.erhabene Kanalwellenleiter; (c) der von einem Dielektrikum abgedeckte Wellenleiter .

In der Literatur sind vorläufige Berichte über Wellenleiter mit eingebetteten Kanälen und mit erhabenen Kanälen in epitaktischen Ill-V-Schichten erschienen. Beide Möglichkeiten erscheinen für integrierte optische Schaltungen vielversprechend zu sein, doch erfordern sie beide glatte, gut definierte Kanten für eine verlustarme Ausbreitung. Bei dem von einem Dielektrikum überdeckten Wellenleiter erfolgt die Ausbreitung und die Eingrenzung innerhalb des zweidimensionalen Films, und die Einschränkungen hinsichtlich der Kantendefinition sind erleichtert. Überdies sind die Anforderungen an die optische Qualität des abgrenzenden (darüberliegenden) Streifens minimal.

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Eine Wellenleitung in Halbleiteranordnungen mit epitaktischem Überzug ist nicht beobachtet worden.

Es hat sich gezeigt, daß (a) eine verlustarme ( «s 1dB/cm) Wellenleitung in qualitativ hochwertigen einschichtigen und mehrschichtigen epitaktischen Schichten aus GaAs und (Ga, In)As erfolgt und (b) daß eine verlustarme (^2dB/cm) abgegrenzte Leitung in aufgestäubten optischen Glasfilmen aus TI-1173-Glas erfolgt, die mit einem Photoresistmuster bescüchtet sind. Der Nachweis der optischen Eingrenzung bei 1,15 um in einer aus der Dampfphase aufgewachsenen 7 jum dicken epitaktischen Schicht aus (Ga, ln)As-Schicht auf einem GaAs-Substrat ist in Fig.16 (a) angegeben. Eine deutliche Zuspitzung des- Profils der übertragenen Intensität wird beobachtet, wenn der Eingangslaserstrahl auf die epitaktische Schicht fokussiert wird. Das für diese Messungen verwendete Wellenleiterabtastgerät ist in Fig.i6 (b) dargestellt. Ein Schwingspiegel schwenkt ein verstärktes Bild des Wellenleiterausgangssignals wiederholt an einem engen Spalt vorbei, und die Anzeige des Intensitätsprofils wird auf dem Bildschirm eines .Oszillographen erzeugt. Intensitätsmessungen zeigen, daß die Dämpfung des abgegrenzten Wellenleiters nicht wesentlich größer als die des zweidimensionalen Films war.

C. Modulator

Die obige Erörterung betraf zwei Grundbestandteile des integrierten optischen Senders, nämlich (a) die Injektionslaserquelle und (b) den abgegrenzten optischen Wellenleiter. Ein dritter Bestandteil, der für den Sender erforderlich ist, ist ein Modulator. Während die Laserquelle durch eine Änderung des Injektionsstroms direkt moduliert werden kann,erfordern Bauelemente der zweiten Generation zur Erzielung einer

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maximalen Bandbreite und Zuverlässigkeit eigene Modulationsfähigkeiten. (Es sei beispielsweise an die Multiplexierung gedacht). Zur Modulierung optischer Strahlen in abgegrenzten optischen III-V-Wellenleitern können sowohl elektrooptische als auch akustisch-optische Wirkungen von Nutzen sein.

Die Erfindung ist hier zwar im Zusammenhang mit speziellen Ausführungsbeispielen beschrieben worden, doch ist für den Fachmann ohne weiteres erkennbar, daß im Rahmen der Erfindung auch weitere Abwandlungen möglich sind.

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Tabelle I

Brechungsindex und Absorptionsverlust (dB/cm) der Gläser TI Nr.20 und TI-1173

	1	,064	1	,12	1	,358
η(20)	-2	,583	2	,574	2	,551
η(ΐ173)	2	,707	2	,688	2	,662
α(20)	O	,4	0	,4	0	,3
α(1173)	O	,3	0	,2	0	,07

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Claims

NACKeEREICHT Patentansprüche

1. iOberflächenlaser mit einem Halbleitersubstrat und einer auf 3er Oberseite des Substrats angebrachten aktiven Oberflächenlaserzone aus Halbleitermaterial, in der abhängig von der Laserstrahlungssa.ndung durch das Substrat eine Laserstrahlung erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial des Substrats aus einer III-V-Halbleiterverbindung oder aus gemischten ternären III-V-Halbleiterverbindungen besteht, daß auf einer Fläche des Substrats eine Isolierschicht angebracht ist, die eine Öffnung aufweist, die sich mit einem Laserstrahlenweg deckt, der durch das Substrat führen soll, daß auf dem Substrat ein Mesa aus einem aus gemischten ternären III-V-Halbleiterverbindungen bestehenden Halbleitermaterial angebracht ist, der sich durch die Öffnung in der Isolierschicht erstreckt, und daß auf der Oberseite des Mesas die aktive Oberflächenlaserzone verläuft, in der abhängig von der Laserstrahlungsaussendung durch das Substrat und den Mesa in Richtung auf diesen eine Laserstrahlung erzeugt wird.

2. Oberflächenlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus Galliumarsenid besteht und daß der Mesa aus epitaktisch gewachsenem Galliumarsenid besteht.

3. Oberflächenlaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die auf der Oberseite des Mesas verlaufende aktive Oberflächenlaserzone eine epitaktische Schicht aus eimer gemischten ternären III-V-Halbleiterverbindung besteht, die die Oberseite des Mesas bedeckt.

4. Oberflächenlaser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Oberflächenlaserzone aus epitaktisch ,gewachsenem In Ga₁ As besteht.

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j[N£ÖKÖ EFiETi OHT j

5. Oberflächenlaser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die epitaktische Schicht des aktiven Oberflächenlasers aus Ga_Q «j- In_Q qcAs besteht.

Oberflächenlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Mesa eine heteroepitaktische Struktur ist, die facettierte ebene Seitenflächen aufweist, die senkrecht zu der Fläche des Substrats verlaufen, auf der der Mesa angebracht ist, und die in zwei Paaren aus parallelen Seiten angeordnet sind, so daß die Eingrenzung der durch sie sich ausbreitenden Laserstrahlung innerhalb der Grenzen des Mesas verstärkt wird.

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