DE3611167A1 - Array mit verkoppelten optischen wellenleitern - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Array mit verkoppelten optischen Wellenleitern, insbesondere Laser­ dioden, wie im Oberbegriff des Patentanspruches 1 ange­ geben.

Laserdioden bzw. Halbleiterlaser sind bekannt. Eine solche Laserdiode hat die Eigenschaft, stark gebündelte Laser­ strahlung mit hoher Intensität auszusenden. Der flächen­ spezifischen Lichtleistung einer Laserdiode sind jedoch naturgemäß Grenzen gesetzt, insbesondere dann, wenn zusätzliche Erfordernisse an die erzeugte Laserstrahlung gestellt werden. Ein solches Erfordernis ist z.B. die Eigenschaft einer Monomoden-Strahlung.

Höhere Lichtleistung läßt sich erreichen, indem man mehre­ re gleiche Laserdioden parallel betreibt und deren Laser­ strahlung geometrisch-optisch zusammenführt. Bekannt sind Laserdioden-Arrays. Speziell für die Nachrichtenübertra­ gung ist aber das schon erwähnte Erfordernis wichtig, daß alle beteiligten Laserdioden mit derselben Frequenz und im gleichen Emissionsmode ausstrahlen, und zwar mit vorzugs­ weise einheitlicher Phase.

Seit langem ist es bekannt, mehrere Laserdioden, die je­ weils einen laseraktiven Streifen haben, integriert in einem jeweils einzigen Halbleiterkörper (Monolithen) zu realisieren. Die einzelnen Streifen der Laserdioden werden nahe benachbart und parallel zueinander angeordnet.

Bekannt ist auch, die Monomoden-Eigenschaft und Phasen­ gleichheit der von benachbarten Streifen ausgesandten Laserstrahlung dadurch zu erreichen, daß die Laserstreifen derart dicht nebeneinander angeordnet sind, daß seitliche (laterale) Verkopplung der einzelnen Laserstrahlen, d.h. wellenoptische Kopplung zwischen den Laserstrahlungen jeweils benachbarter Laserstreifen eintritt.

Für eine Laserdiode wird angestrebt, daß der Schwellen­ strom für ihr laseraktives Arbeiten möglichst niedrig ist. Niedrige Schwellenströme erreicht man bei guter lateraler Wellenführung der in der Streifenstruktur der Laserdiode erzeugten Laserstrahlung. Gute laterale Wellenführung (und geringe Schwellenströme) weisen indexgeführte Laserdioden nach US-PS 43 52 187 bzw. wie in "Frequenz" Bd. 34 (1980), S. 343-346 beschrieben, auf. Dieser Vorteil steht aber ge­ rade einer wirkungsvollen Kopplung benachbarter Laserstrei­ fen entgegen, da das Wirkungsfeld eines jeweiligen Laser­ diodenstreifens nur wenig über den eigentlichen Streifenbe­ reich seitlich hinausragt, d.h. Überlappung der Wirkungsbe­ reiche benachbarter Laserdiodenstreifen nur gering und da­ her wenig wirkungsvoll ist. Um dennoch genügende Kopplung zu erreichen, ist entsprechend geringer Abstand zwischen benachbarten Laserdiodenstreifen erforderlich. Da dies je­ doch zu ganz erheblichen technologischen Schwierigkeiten führt, ist bevorzugt worden, nach dem Prinzip eines gewinn­ geführten Lasers arbeitende Oxidstreifenlaser vorzusehen, deren wesentlich schwächere laterale Wellenführung gute Kopplung zum Nachbarstreifen gewährleistet.

Die voranstehenden Ausführungen zu einem Laserdioden-Array gelten hinsichtlich der Erfindung sinngemäß auch für ein Array gekoppelter Wellenleiter als passivem elektro­ nischem Bauelement, wie z.B. einem "star"-Koppler. Solch ein passives Bauelement kann auch zur Modulation der Strahlung ausgebildet sein. Als jeweiliger Sammelbegriff für aktives und passives Bauelement der Erfindung sind zu setzen anstelle:

"Laserdiode" bzw. "Laserstreifen" - "optischer Wellenleiter" bzw. "Wellenleiterstreifen", "laseraktive Schicht" - "wellenleitende Schicht", "Lasersteg" - "Wellenleitersteg" und dgl.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Lösungs­ weg für ein technologisch einfach herstellbares Array zu finden, dessen optische Wellenleiter bzw. dessen Laser­ dioden (Fall des aktiven Bauelements) optimal miteinander verkoppelt sind.

Diese Aufgabe wird mit einem Array mit verkoppelten optischen Wellenleitern gelöst, die die Merkmale des Anspruches 1 aufweisen und weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Der vorliegenden Erfindung liegen dem Prinzip nach zwei Entwicklungsrichtungen zugrunde, deren zu erwartendes je­ weiliges Ergebnis an sich derart ist, daß keine brauch­ bare Kombinationslösung zu erwarten ist. Das bei der Erfindung benutzte Prinzip der indexgeführten Wellenlei­ tung mit ihrer nur geringen lateralen Koppelwirkung einerseits und die Wahl größeren Abstandes zwischen benachbarten Wellenleiterstreifen, nämlich aus Gründen der einfacheren technologischen Herstellung, andererseits, legen dem Fachmann nahe, daß mit einer Kombination dieser Maßnahmen die Aufgabe nicht zu lösen ist.

Zur Realisierung der Erfindung werden Wellenleiter des Aufbaus von Laserdioden des Prinzips der US-PS 43 52 187 bzw. nach der Druckschrift "Frequenz" ... (MCRW-Laser) verwendet.

Das tatsächlich erzielte Ergebnis bestätigt die Richtig­ keit des eingeschlagenen Weges, wobei jedoch die Dickenbemessung im Zwischenbereich zwischen zwei be­ nachbarten Wellenleiterstreifen besonders zu beachten ist. Es wurde festgestellt, daß der jeweilige Bereich optimaler Dickenwerte abhängig von der Wellenlänge der im jeweiligen Halbleitermaterial erzeugten Laserstrahlung ist. Geeignete Dickenwerte für ein Halbleitermaterial verhalten sich zu geeigneten Werten eines anderen Halbleitermaterials so wie das Verhältnis der Wellenlänge der Strahlung des einen Materials zu derjenigen des anderen Materials. Halbleiter­ material mit relativ langwelliger Wellenlänge, z.B. InP gegenüber GaAs, erlaubt relativ größere Dickenwerte. Bei einem passiven Bauelement ist jeweils die Wellenlänge der eingestrahlten Strahlung maßgeblich. Der voranstehend er­ wähnte Dickenwert ist die Restschichtdicke derjenigen Halb­ leiterschicht des Heteroschichtaufbaues des Halbleiterkör­ pers, die oberhalb der laseraktiven Schicht im Zwischenbe­ reich zwischen zwei benachbarten Wellenleiterstreifen be­ lassen ist.

Es sei darauf hingewiesen, daß bereits die Laserdiode nach der obengenannten US-PS seitlich des Lasersteges eine ver­ ringerte Dicke derjenigen Halbleiterschicht des Doppelhetero- Schichtstrukturaufbaues hat, die zwischen der eigentlichen laseraktiven Schicht und dem Metall-Streifenkontakt liegt. Wie in dieser Patentschrift und in "Frequenz" beschrieben, ergibt sich durch die Stegform mit dieser Absenkung der Seitenbereiche die Indexführung der MCRW-Laserdiode.

Erfindungsgemäß ist die Absenkung jedoch so groß bzw. die Restdicke im Bereich seitlich des Wellenleitersteges bei den erfindungsgemäß verkoppelten Wellenleiterstreifen derart gering, daß ein bei bisher im Bereich seitlich des Wellenleitersteges (z.B. für MCRW-Laserdioden) gewählter Dicke dieser Schicht nicht auftretendes Phänomen wirksam ist, nämlich daß im Bereich zwischen zwei benachbarten Wellenleiterstreifen sog. Leckwellen auftreten. Diese Leckwellen, die sich bei erfindungsgemäß bemessener Rest­ schichtdicke in den Bereichen zwischen benachbarten Wellen­ leiterstreifen ausbilden können, haben eine Wellenzahl, die größer ist als die der im Bereich des Wellenleiter­ steges geführten Welle, z.B. im Bereich des Lasersteges erzeugten Laserstrahlung.

Für das Entstehen der Leckwellen kommt noch die Bedingung hinzu, daß auf der Halbleiterfläche im (seitlich des je­ weiligen Wellenleitersteges befindlichen) Bereichs der Leckwellen, d.h. zwischen den Wellenleiterstegen, eine Metallbedeckung vorliegt, so wie sie jedoch lediglich fakultativ bei einem MCRW-Laser vorgesehen sein kann.

Es wurde festgestellt, daß es sich bei den auftretenden Leckwellen um solche des TM-Modes handelt, wohingegen für z.B. erzeugte Laserstrahlung der TE-Mode vorliegt. Die TM-Leckwellen bilden bei der Erfindung das genutzte Koppelglied für die in einem solchen Abstand voneinander erzeugten TE-Wellen der jeweiligen Strahlung im Wellen­ leiter, der (technologisch vorteilhafterweise) so groß gewählt ist bzw. gewählt sein kann, daß eigentlich keine brauchbare Kopplung mehr zu erwarten wäre.

Weitere Erläuterungen der Erfindung gehen aus der nach­ folgenden Beschreibung zu einem Ausführungsbeispiel der Erfindung hervor. Diese Beschreibung bezieht sich auf ein Laserdiodenarray, gilt sinngemäß aber auch für ein erfindungsgemäßes passives Bauelement.

Fig. 1 zeigt ein Array.

Fig. 2 zeigt ein passives Bauelement.

Die Fig. 1 zeigt eine stirnseitige Ansicht eines Arrays mit miteinander verkoppeltern Laserdioden 1 a bis 1 d. Ein solches Array umfaßt in der Regel eine größere Anzahl (z.B. 2 bis 40) derartige einzelne Laserdioden 1 a bis 1 d.

Diese Laserdioden 1 a bis 1 d sind integrierte Anteile eines Halbleiterkörpers 2, der vorzugsweise Doppel-Heteroschicht­ strukturaufbau besitzt. Der Anteil 3 des Halbleiterkörpers 2 ist z.B. das Substrat bzw. ein Substrat mit einer darauf befindlichen ersten Schicht 3 a. Dieser Anteil 3 ist z.B. Indiumphosphid oder Galliumarsenid. Der Anteil 3 a ist z.B. Indiumphosphid bzw. Gallium-Aluminiumarsenid. Auf diesem Anteil 3 befindet sich eine regelmäßig sehr dünne Schicht 4, die die eigentliche laseraktive Schicht ist. Bei Indium­ phosphid des Anteils 3 besteht diese Schicht 4 bevorzugt aus Indium-Galliumarsenid-Phosphid bzw. bei einem Anteil 3 aus Galliumarsenid ebenfalls aus Galliumarsenid. Auf der Schicht 4 befindet sich die Schicht 5 aus beispielsweise lndiumphosphid bzw. Gallium-Aluminiumarsenid. Es können weiterhin Anteile 6 einer ursprünglich ganzflächigen Schicht auf der Schicht 5 vorgesehen sein, wie dies für Streifen­ laser mit Lasersteg als ein Ausführungsbeispiel bekannt ist. Solche Anteile 6 dienen der Bildung eines ohmschen Kontaktes bzw. verringerten elektrischen Zuleitungswider­ standes. Mit 7 ist ein elektrischer Substratanschluß be­ zeichnet.

Der mit der gestrichelten Umgrenzung herausgehobene Anteil der Figur entspricht prinzipiell einer MCRW-Laserdiode nach dem US-Patent 43 52 187. Es ist bekannt, daß eine solche Laserdiode 8 in einer Zone 9 der laseraktiven Schicht 4 Laserstrahlung erzeugt, die aufgrund des Schichtaufbaus 3, 4, 5 des Halbleiterkörpers 2 und durch die zu dem Patent angegebene Dicke d als MCRW-Laserdiode gute Indexführung besitzt.

Infolge der seitlich des Steges 10 vorgesehenen Verringe­ rung der Dicke der Schicht 5 auf den Wert d ergibt sich die aus der Figur ersichtliche Stegform einer jeweils einzelnen Laserdiode 1 a, 1 b, 1 c ... eines erfindungsge­ mäßen Arrays.

Mit 12 ist eine Metallschicht auf der Oberfläche des Halb­ leiterkörpers 2 bezeichnet. Der auf dem jeweiligen Anteil 6 des Halbleiterkörpers 2 befindliche Anteil der Metall­ schicht 12 ist die eigentliche Elektrode einer je­ weiligen Laserdiode 1 a, 1 b, 1 c ..., zu der Substratan­ schluß 7 die Gegenelektrode ist. Der Stromfluß zwischen diesem Elektrodenanteil der Schicht 12 und dem Substrat­ anschluß ist der Diodenstrom einer einzelnen Laserdiode 1 a, 1 b, 1 c ...

Für die Erfindung ist aber auch der Anteil 112 der Metallschicht 12 von Bedeutung, der sich seitlich des eigentlichen Steges 10 im Bereich der erfindungsgemäß verringerten Dicke d über die Oberfläche der Schicht 5 hinweg erstreckt. Diese seitlichen, bzw. lateralen Anteile 112 der Metallschicht 12 (und die erfindungsgemäß gewählte Dicke d) ermöglichen das Entstehen der wichtigen Leckwellen.

Wie aus der Figur ersichtlich, sind die einzelnen Laser­ dioden 1 a, 1 b, 1 c... nebeneinanderliegend, und zwar parallel zueinander angeordnet. Der jeweilige Mittenab­ stand a zwischen zwei benachbarten einzelnen Laserdioden 1 a-1 b; 1 b-1 c; ... ist bei einem erfindungsgemäßen Array so groß gewählt, daß für jeweils zwei dieser be­ nachbarten Laserdioden 1 a-1 b; 1 b-1 c; ...an sich keine solche wellenoptische Kopplung mehr auftreten dürfte, wie sie für ein Array mit phasenstarrer Monomoden- Ausstrahlung gekoppelter Laser des Arrays bekanntermaßen vorzusehen ist. Dabei bezieht sich diese Feststellung "an sich keine wellenoptische Kopplung mehr" auf die Ausge­ staltung und Wirkungsweise einer bekannten MCRW-Laser­ diode.

Bei der Erfindung ist jedoch die Dicke d so klein bemessen (kleiner als jeweils für einen MCRW-Laser vorzusehen), daß die oben beschriebenen Leckwellen des TM-Modes auftreten, und zwar in den mit 19 bezeichneten Bereichen. Diese Bereiche 19 erstrecken sich parallel zu den (dazwischenliegenden) laseraktiven Zonen 9 durch den Halbleiterkörper 2 hindurch. Diese Leckwellen sind die wellenoptischen Koppelglieder zwischen den TE-Wellen der laseraktiven Zonen 9 der Laserdioden 1 a, 1 b, 1 c ....

Für das oben angegebene Beispiel eines Halbleiterkörpers mit Indiumphosphid/Indium-Galliumarsenid-Phosphid/Indium­ phosphid mit einer (Luft-)Wellenlänge der in den Zonen 9 erzeugten Laserstrahlung von 1300 nm ist die Dicke d auf 0,05 bis 0,3 µm, vorzugsweise 0,15 µm zu bemessen. Die Abmessung a kann dabei 5 bis 10 µm betragen. Für das erwähnte Beispiel des Halbleiterkörpers aus Galliumarsenid/ Gallium-Aluminiumarsenid/Galliumarsenid mit einer (Luft-) Wellenlänge von 0,8 µm ist die Dicke d auf einen Bereich 0,05 bis 0,2, vorzugsweise auf 0,1 µm, zu bemessen und die Abmessung a kann 3 bis 8 µm be­ tragen.

Die Fig. 1 zeigt noch eine weitere Ausgestaltung der Er­ findung. Mit 21 ist je eine streifenförmige Schicht aus dielektrischem Material, z.B. Al₂O₃, bezeichnet. Wie er­ sichtlich erstrecken sich diese Streifen (parallel zu der Längserstreckung der Laserstege 10; in der Figur senkrecht zur Ebene der Figur) parallel zu den Laserstegen 10, und zwar jeweils auf der Außenseite des jeweils äußersten Lasersteges (hier der Laserdioden 1 a und 1 d). Diese Schichtstreifen 21 bewirken, daß der auf diesen Schicht­ streifen 21 aufliegende Anteil 212 der Metallschicht 12 keinen direkten elektrischen Kontakt mit der Schicht 5 bildet. Dies führt für das Prinzip der MCRW-Laser­ dioden dazu, daß die beiden außenliegenden laseraktiven Zonen jeweils nach außen (also weg von der Mitte des Arrays) eine geringere Indexführung bzw. wellenoptische Führung haben. Durch diese Maßnahme läßt sich erreichen, daß in denjenigen Bereichen 119, die in der Figur ledig­ lich punktiert umgrenzt sind, eine höchstens nur sehr schwache TM-Welle erzeugt wird. Dies verringert Abstrah­ lungsverluste in lateraler Richtung des Arrays.

Fig. 2 zeigt in Aufsicht einen erfindungsgemäßen Wellenkoppler 30 mit gekoppelten Wellenleitern 31 a, 31 b. Die vor und hinter den gekoppelten Wellenleitern 31 a, 31 b befindlichen Anteile sind (aufgrund ihres Abstandes) nicht miteinander gekoppelt. Auch bei dem Wellenkoppler der Fig. 2 liegt der Vorteil einfacherer Herstellung wegen vergleichsweise großen Abstandes a bei dennoch vor­ gegebener Kopplung vor. Im Schnitt gesehen entspricht der Aufbau des Wellenkopplers 30 dem Prinzip des Aufbaues nach Fig. 1, nämlich auch hinsichtlich der Dicke d im Bereich zwischen den gekoppelten Wellenleitern und der Metall­ schicht im Bereich 112.

Es kann auch bei der Ausführung nach Fig. 2, insbesondere entlang des Bereichs mit dem Abstand a, lateral, und zwar auf der jeweiligen Außenseite, ein Schichtstrei­ fen 21, wie bei der Ausführung nach Fig. 1 dargestellt, zwischen Halbleiter und der Metallschicht 12, 112 vorgesehen sein, um dort im Außenbereich das Entstehen der TM-Welle und die damit verbundenen Abstrahlverluste zu mindern.

Voranstehend ist eine Ausgestaltung der Erfindung be­ schrieben, bei der entlang des auf beiden Seiten äußersten Wellenleiters 1 a bzw. 1 d; 31 a, 31 b sich lateral nach außen erstreckend ein jeweiliger Schichtstreifen 21 zwischen (dem jeweiligen Anteil 212) der Metallschicht 12 und dem Halbleiterkörper 2 bzw. der Schicht 5 vorgesehen ist, wobei durch diese Schichtstreifen 21 dort das Entstehen des TM-Modes und laterale Abstrahlung nach außen vermin­ dert bzw. verhindert wird. Eine dazu alternative Ausge­ staltung ist, anstelle solcher zusätzlicher Schichtstrei­ fen 21 dort keine so große Verringerung der Schichtdicke auf das Maß d der Schicht 5 vorzusehen, wie dies für die Bereiche zwischen benachbarten Wellenleitern 1 a-1 b ... 1 c-1 d; 31 a-31 b (im Bereich 112, in dem die Wellen­ leiter 31 a und 31 b auf den Wert a verringerten Abstand voneinander haben) in Fig. 1 dargestellt ist. Bei dieser zweiten Alternative wählt man für die Schicht 5 dort, wo bei der ersten alternativen Ausgestaltung die Schichtstrei­ fen 21 vorgesehen sind, eine größere Schichtdicke d′ (größer d), nämlich wie sie z.B. für MCRW-Laserdioden üblich ist. In einer Figur wiedergegeben würde dies dar­ stellungsmäßig z.B. einem Weglassen der Schichtanteile 21 entsprechen, wie dies auf der rechten Seite der Fig. 1 angedeutet ist. Die Dicke d′ kann gleich der Summe der Dicke d und der Schichtdicke des Schichtstreifens 21 sein (es muß dies aber nicht der Fall sein). Entsprechende nicht bis auf das Maß d verringerte, sondern auf das Maß 35 d′ bemessene Dicke kann im Sinne dieser zweiten alterna­ tiven Ausführungsform auch für gekoppelte Wellenleiter 30 nach Fig. 2 vorgesehen sein, und zwar überall außerhalb des mit 112 bezeichneten Bereiches, nämlich überall außer­ halb des Bereiches, in dem diese Wellenleiter 31 a und 31 b auf den Abstand a angenähert sind und wo zwischen diesen Wellenleitern aufgrund des bei geringerer Dicke d auf­ tretenden TM-Modes die Wellenkopplung gemäß der Erfindung vorliegen soll.

Claims (3)

1. Array mit gekoppelten Wellenleitern, mit einem Halbleiterkörper in bzw. auf dem mehrere einzelne Wellenleiter mit Stegform (Prinzip der MCRW-Laserdiode) nebeneinanderliegend in seitlichem Abstand voneinander angeordnet sind, wobei seitlich eines jeweiligen Steges eines Wellenleiters eine Verringerung der Schichtdicke der oberhalb der eigentlichen Wellenleiterschicht befindlichen Halbleiterschicht des Halbleiterkörpers vorliegt, gekennzeichnet dadurch,

• - daß je zwei der benachbarten MCRW-Wellenleiter (1 a, 1 b, 1 c ...; 31 a, 31 b) in einem so großen Abstand (a) benachbart angeordnet sind,
• - daß erst aufgrund (gegenüber MCRW-Laserdiode) verringer­ ter Dicke (d) der oberhalb der wellenleitenden Schicht (4) befindlichen Halbleiterschicht (5) im Bereich seit­ lich und zwischen den benachbarten Wellenleitern (1 a, 1 b, 1 c ...; 31 a, 31 b) Leckwellen (19) des TM-Wellentyps auf­ treten und
• - daß die optische Kopplung zwischen den benachbarten Wellenleitern (1 a, 1 b, 1 c ...; 31 a, 31 b) des Arrays über diese TM-Wellen erfolgt.

2. Array nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß im jeweils außenliegenden Bereich seitlich des jeweils äußersten Wellenleiters (1 a, 1 d; 31 a, 31 b) zwischen der Metallbelegung (112) und der Oberfläche des Halbleiterkörpers (2, 5) eine Schicht (21) aus dielek­ trischem Material vorgesehen ist.

3. Array mit Laserdioden nach Anspruch 1 oder 2, ge­ kennzeichnet dadurch, daß die Wellenleiter Laserdioden (1 a, 1 b, 1 c) des MCRW-Typs sind (Fig. 1).