DE3802841A1 - Method for characterising optical properties of semiconductor lasers, and device for carrying out the method - Google Patents

Method for characterising optical properties of semiconductor lasers, and device for carrying out the method

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Abstract

In the production of semiconductor lasers or laser chips, several hundred individual lasers are located on one laser wafer. In order to characterise their optical properties, the wafer must be split and each laser or each laser chip must be optically tested individually. This method is very time consuming. The method represented here and the device for carrying out the method permit the optical properties of lasers or laser chips to be tested directly on the wafer. For this purpose, there are measured at the electric input of the lasers noise spectra from which conclusions are then drawn concerning the optical properties such as, e.g., mode spectrum, threshold current, quantum efficiency, relaxation frequencies and line width. The optical properties of transmit modules can be optimised in the same way. The characterisation based on purely electrical measurements can be used to simplify and automate the production of semiconductor lasers and optical transmit modules. <IMAGE>

Description

Sendemodule zur optischen Nachrichtenübertragung enthalten Halbleiter-Laser (HL-Laser) als aktive Elemente. Bisher wird bei der Herstellung von HL-Lasern wie folgt vorgegangen:Transmission modules for optical message transmission contain semiconductor lasers (HL lasers) as active Elements. So far, the manufacture of HL lasers proceeded as follows:

Auf einem Laserwafer befinden sich mehrere Hundert einzelne HL-Laser oder Laserchips. Bei den Laserchips handelt es sich dabei um Bauelemente, die neben dem aktiven Element auch eine Monitordiode enthalten. Der Laserwafer wird gespalten und in die einzelnen HL-Laser oder Laserchips zerlegt. Dabei wird jeder einzelne HL-Laser oder jedes Laserchip zunächst grob getestet. Die brauchbaren Bauelemente werden daraufhin einzeln auf sogenannte Submounts aufgelötet, gebondet und anschließend Stück für Stück optisch charakterisiert. Nur solche Bauelemente, die ganz bestimmten Anforderungen entsprechen, sind für den Einbau in Lasermodule vorgesehen. Nach dem Einbau eines solchen Bauelementes in ein Lasermodul wird die gesamte Anordnung erneut getestet und auf bestimmte Spezifikationen hin geprüft. Erfüllt das komplette Lasermodul die Spezifikationen nicht, so ist eine Nacharbeitung nur noch eingeschränkt möglich. Die Charakterisierung der optischen Eigenschaften der einzelnen Bauelemente sowie der Eigenschaften der Lasermodule ist zeitaufwendig und kostspielig.There are several hundred on a laser wafer individual HL lasers or laser chips. With the laser chips are components that are next to the active element also contain a monitor diode. The Laser wafer is split and into the individual HL lasers or disassembled laser chips. Every single one HL laser or every laser chip first roughly tested. The usable components are then individually so-called submounts soldered, bonded and then optically characterized piece by piece. Only those components that are very specific Requirements are for installation in Laser modules provided. After installing one  The component in a laser module is the entire Arrangement tested again and on certain Specifications checked. Fulfills the complete Laser module does not meet the specifications, so is one Reworking is only possible to a limited extent. The Characterization of the optical properties of the individual components and the properties of the Laser modules are time-consuming and expensive.

Aus einem von T.L.Paoli veröffentlichten Aufsatz "Emission Properties of Stripe-Geometrie Lasers", erschienen in den Applied Physic Letters 24, Seite 187 (1974) ist bekannt, daß die Intensität des optischen Rauschens bei Halbleiter-Lasern im Bereich des Schwellstromes stark zunimmt.From an article published by T.L. Paoli "Emission Properties of Stripe Geometry Lasers", published in Applied Physic Letters 24, page 187 (1974) it is known that the intensity of the optical Noise in semiconductor lasers in the range of Threshold current increases sharply.

Aus dem Artikel von P.A. Andrekson et al "Wideband Electrical Noise Measurements for In-Situ Optical Characterization of Laser Diodes" erschienen in den Proceedings of the 11th European Conference on Optical Communication, Venice, October 1985, Seiten 733 bis 736 ist weiterhin bekannt, daß das an den Eingangsklemmen eines HL-Lasers gewonnene elektrische Rauschspektrum (TEN = Terminal electrical Noise) zur Charakterisierung einer Reihe von optischen Eigenschaften des HL-Lasers herangezogen werden kann. Beispielsweise kann aus dem Rauschspektrum geschlossen werden, ob der Laser im Single-Mode- oder im Multi-Mode-Betrieb arbeitet.From the article by P.A. Andrekson et al "Wideband Electrical Noise Measurements for In-Situ Optical Characterization of Laser Diodes "appeared in the Proceedings of the 11th European Conference on Optical Communication, Venice, October 1985, pages 733 to 736 it is also known that this is at the input terminals electrical noise spectrum obtained from an HL laser (TEN = Terminal electrical Noise) for characterization a number of optical properties of the HL laser can be used. For example, from the Noise spectrum can be concluded whether the laser in the Single-mode or multi-mode operation.

Das bisher angewandte Verfahren zur Charakterisierung von Halbleiter-Lasern hat den Nachteil, sehr zeitaufwendig und kostenspielig zu sein.The characterization method used so far of semiconductor lasers has the very disadvantage to be time consuming and costly.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein kostengünstiges, weitgehend automatisierbares Verfahren zur Charakterisierung von HL-Lasern anzugeben. Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit der Merkmalskombination des Hauptanspruches.Task of Invention is therefore an inexpensive, largely automatable method for the characterization of Specify HL lasers. This task is solved by a  Procedure with the combination of features of Main claim.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß zur Charakterisierung der optischen Eigenschaften eines HL-Lasers keine optischen Messungen, sondern rein elektrische Messungen erforderlich sind. Aus den rein elektrischen Messungen lassen sich sehr genaue Rückschlüsse auf das optische Verhalten des jeweiligen Lasers ziehen. Ein zusätzlicher Vorteil des Verfahrens ist darin zu sehen, daß es auch beim Zusammenbau von Sendemodulen verwendet werden kann. Dabei werden die optischen Eigenschaften der Sendemodule mit Hilfe des elektrischen Raumspektrums optimiert. Auf diese Weise kann beispielsweise die bei der Einkopplung von Laserlicht in eine Lichtleitfaser auftretende störende Rückstreuung von Licht in den Laser minimiert werden.The inventive method has the advantage that Characterization of the optical properties of a HL-Lasers not optical measurements, but pure electrical measurements are required. Out of it electrical measurements can be very accurate Conclusions about the optical behavior of each Draw lasers. An additional advantage of the process can be seen in the fact that when assembling Transmitter modules can be used. The optical properties of the transmitter modules using the electrical space spectrum optimized. In this way can, for example, when coupling in Interfering laser light occurring in an optical fiber Backscattering of light into the laser can be minimized.

Das Verfahren und ein Ausführungbeispiel zur Durchführung des Verfahrens werden in der folgenden Beschreibung und anhand der Fig. 1 bis 3 näher erläutert. Es zeigenThe method and an exemplary embodiment for carrying out the method are explained in more detail in the following description and with reference to FIGS. 1 to 3. Show it

Fig. 1 den Verlauf der Rauschleistung über der Frequenz mit dem auf den Schwellstrom normierten Laserstrom als Parameter, Fig. 1 shows the course of the noise power over the frequency with the normalized threshold current to the laser power as a parameter,

Fig. 2 den Verlauf der Rauschleistung in Abhängigkeit vom normierten Laserstrom mit der Frequenz als Parameter, Fig. 2 shows the course of the noise power as a function of normalized laser power with frequency as a parameter,

Fig. 3 einen Meßaufbau zur Messung des elektrischen Rauschspektrums an einem Halbleiter-Laser. Fig. 3 shows a measurement setup for measuring the electrical noise spectrum on a semiconductor laser.

In Fig. 1 ist die an den Klemmen eines HL-Laser gemessene elektrische Rauschleistung über der Frequenz aufgetragen. Die Figur zeigt drei Kurven, die mit 1, 2 und 3 bezeichnet sind. Parameter an diesen Kurven ist der auf den Schwellstrom normierte Laserstrom. Kurve 1 gilt für den Fall, daß der Laserstrom kleiner als der Schwellenstrom ist. Man erkennt, daß beim Betrieb unterhalb des Schwellenstromes die Rauschleistung kein ausgeprägtes Maximum aufweist und oberhalb einer gewissen Grenze monoton mit wachsender Frequenz abfällt. Mit 2 ist eine Kurve bezeichnet, für die der Laserstrom gleich dem Schwellenstrom ist. Im Gegensatz zu Kurve 1 zeigt die Kurve 2 ein schwaches Maximum. Für Ströme größer als der Schwellenstrom (Kurve 3) wird aus dem schwachen Maximum ein sehr ausgeprägtes Maximum. Der Unterschied der Rauschspektren, abhängig davon, ob der Laserchip stimuliert oder nur spontan emittiert, ist augenfällig. Damit läßt sich z. B. sehr präzise die Laserschwelle bzw. der Laserschwellstrom bestimmen.In Fig. 1, the electrical noise power measured at the terminals of an HL laser is plotted against the frequency. The figure shows three curves labeled 1, 2 and 3 . The parameter on these curves is the laser current normalized to the threshold current. Curve 1 applies in the event that the laser current is less than the threshold current. It can be seen that when operating below the threshold current, the noise power has no pronounced maximum and drops monotonically with increasing frequency above a certain limit. 2 denotes a curve for which the laser current is equal to the threshold current. In contrast to curve 1 , curve 2 shows a weak maximum. For currents greater than the threshold current (curve 3 ), the weak maximum becomes a very pronounced maximum. The difference in the noise spectra, depending on whether the laser chip stimulates or only emits spontaneously, is striking. So that z. B. very precisely determine the laser threshold or the laser threshold current.

Fig. 2 zeigt eine andere Art der Darstellung. Aufgetragen ist die Rauschleistung über dem normierten Laserstrom mit der Frequenz als Parameter. Kurve 4 gilt für eine Frequenz von 10 MHz, Kurve 5 für eine Frequenz von 100 MHz. Beide Kurven zeigen an den Stellen, an denen der Laserstrom gleich dem Schwellstrom ist, ein ausgeprägtes Maximum. Damit kann der Schwellstrom genau bestimmt werden. Fig. 2 shows another type of representation. The noise power is plotted against the normalized laser current with the frequency as a parameter. Curve 4 applies to a frequency of 10 MHz, curve 5 applies to a frequency of 100 MHz. Both curves show a pronounced maximum at the points where the laser current is equal to the threshold current. The threshold current can thus be determined precisely.

Fig. 3 zeigt ein Schaltbild mit den für die Aufnahme der Rauschspektren nach Fig. 1 und 2 notwendigen Elementen. Mit 6 ist der HL-Laser bezeichnet, mit 7 ein Spektrumanalysator, mit 8 eine Gleichspannungsstromquelle und mit 9 ein hochfrequentes Bias "T". Bei der Stromquelle 8 handelt es sich zweckmäßigerweise um eine sehr rauscharme Stromquelle. Die Stromquelle speist den Laser 6, welcher z. B. auf einer temperaturstabilisierten Wärmesenke sitzt. Über das hochfrequente Bias "T" wird das Rauschspektrum des den Laser steuernden Stromes abgegriffen. Im Spektrumanalysator 7 wird dieses Spektrum analysiert. Je nach Art der Auftragung gelangt man dann zu Kurven nach Fig. 1 oder Fig. 2. Bei dem in Fig. 3 mit 6 bezeichenten Laser kann es sich dabei durchaus um ein auf einem Wafer befindliches Bauelement handeln. Da nur elektrische und keine optischen Größen gemessen werden, wird somit direkt auf dem Wafers entschieden, welche Bauelemente (HL-Laser oder HL-Laser mit Monitordiode) weiter verwendbar sind oder nicht. Selbstverständlich kann die Messung eines Rauschspektrums auch an jedem beliebigen HL-Laser vorgenommen werden. Fig. 3 shows a diagram with the for receiving the noise spectra of Fig. 1 and 2 necessary elements. 6 is the HL laser, 7 is a spectrum analyzer, 8 is a DC voltage source and 9 is a high-frequency bias "T". The current source 8 is expediently a very low-noise current source. The power source feeds the laser 6 , which, for. B. sits on a temperature-stabilized heat sink. The noise spectrum of the current controlling the laser is tapped via the high-frequency bias "T". This spectrum is analyzed in the spectrum analyzer 7 . Depending on the type of application then you get to curves of FIG. 1 or FIG. 2. The designated ducks in Fig. 3 with 6 laser, this can be quite act round a building on a wafer component. Since only electrical and no optical quantities are measured, a decision is made directly on the wafer as to which components (HL laser or HL laser with monitor diode) can be used or not. Of course, the measurement of a noise spectrum can also be carried out on any HL laser.

Aus den Rauschspektren lassen sich dann beispielsweise Rückschlüsse auf die folgenden, einen Laser charakterisierenden Größen ziehen:Then, for example, from the noise spectra Conclusions on the following, a laser characterizing sizes:

  • - Schwellstrom- threshold current
  • - Quantenausbeute- quantum yield
  • - Rückwirkungsempfindlichkeit- sensitivity to reactions
  • - Modenspektrum- fashion spectrum
  • - Alterungsverhalten- aging behavior
  • - Linienbreite.- line width.

Claims (12)

1. Auf der Auswertung von elektrischen Rauschspektren beruhendes Verfahren zur Charakterisierung optischer Eigenschaften von Halbleiter-Lasern, dadurch gekennzeichnet, daß die Rauschspektren (TEN = Terminal Electrical Noise) am elektrischen Eingang der noch auf einem Wafer befindlichen Halbleiter-Laser gemessen werden.1. Based on the evaluation of electrical noise spectra based method for characterizing optical properties of semiconductor lasers, characterized in that the noise spectra (TEN = Terminal Electrical Noise) are measured at the electrical input of the semiconductor laser still on a wafer. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung der elektrischen Rauschspektren ein Spektrumanalysator verwendet wird.2. The method according to claim 1, characterized in that that for measuring the electrical noise spectra Spectrum analyzer is used. 3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rauschspektren bei fester Frequenz und variablem Laserstrom gemessen werden.3. The method according to claims 1 and 2, characterized characterized in that the noise spectra at fixed Frequency and variable laser current can be measured. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrom von Werten weit unterhalb des Schwellstromes bis zu Werten oberhalb des Schwellstromes variiert wird. 4. The method according to claim 3, characterized in that the laser current of values far below the Threshold current up to values above the threshold current is varied.   5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rauschspektren bei festem Laserstrom und variabler Frequenz aufgenommen werden.5. The method according to claims 1 and 2, characterized characterized in that the noise spectra at fixed Laser current and variable frequency are recorded. 6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß aus den Rauschspektren auf das Vorliegen eines Single-Mode-Lasers geschlossen wird.6. The method according to one or more of claims 1 to 5, characterized in that from the Noise spectra on the existence of a Single-mode laser is closed. 7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß aus den elektrischen Rauschspektren auf eine oder mehrere der den Laser charakterisierenden Größen Schwellstrom, Quantenausbeute, Modenspektrum, Relaxationsfrequenzen und Linienbreite geschlossen wird.7. The method according to one or more of claims 1 to 5, characterized in that from the electrical Noise spectra on one or more of the lasers characteristic values threshold current, Quantum yield, mode spectrum, relaxation frequencies and line width is closed. 8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß aus den Rauschspektren auf das Alterungsverhalten des Lasers geschlossen wird.8. The method according to one or more of claims 1 to 7, characterized in that from the Noise spectra on the aging behavior of the laser is closed. 9. Auf der Auswertung von elektrischen Rauschspektren beruhendes Verfahren zur Charakterisierung optischer Eigenschaften von Halbleiter-Lasern, dadurch gekennzeichnet, daß die Rauschspektren an den Eingangsklemmen von Halbleiterlaser-Modulen gemessen werden.9. On the evaluation of electrical noise spectra based method for the characterization of optical Properties of semiconductor lasers, thereby characterized in that the noise spectra at the Input terminals of semiconductor laser modules measured will. 10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Module anhand des Rauschspektrums in ihren optischen Eigenschaften optimiert werden.10. The method according to claim 9, characterized in that the modules based on the noise spectrum in their optical properties can be optimized. 11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein auf einem Wafer befindlicher Halbleiter-Laser mit einer Stromquelle verbunden wird und die Rauscheigenschaften des von der Stromquelle zum Laser fließenden Stromes mittels eines Spektrumanalysators untersucht werden.11. Device for carrying out the method claims 1 to 8, characterized in that a  semiconductor laser on a wafer with a Power source is connected and the noise characteristics of the current flowing from the power source to the laser be examined using a spectrum analyzer. 12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein in einem Halbleiterlaser-Modul befindlicher Halbleiter-Laser mit einer Stromquelle verbunden wird, und die Rauscheigenschaften des von der Stromquelle zum Laser fließenden Stromes mittels eines Spektrumsanalysator untersucht werden.12. Device for performing the method according to Claims 9 to 11, characterized in that an in a semiconductor laser module Semiconductor laser is connected to a power source and the noise characteristics of the from the power source to Current flowing by means of a laser Spectrum analyzer to be examined.
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