DE4010823A1 - Monolithic mode-synchronised semiconductor laser - has electrodes on outer sides receiving current to change optical length of waveguide - Google Patents

Monolithic mode-synchronised semiconductor laser - has electrodes on outer sides receiving current to change optical length of waveguide

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DE4010823A1
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Michael Dipl Phys Schilling
Kaspar Dipl Phys Duetting
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Abstract

A semiconductor laser (1) is deposited on to a substrate, e.g. Indium-Phosphide (4). The optical length of a waveguide-forming channel (7) is controlled by a perpendicular-flowing current (IA) through an external electrode (18). This varies the light pulse duration to correspond to the semiconductor laser repetition frequency. An integrated interferometer (2) is provided for frequency measurement. USE/ADVANTAGE - High speed transmission in 20GHz+ systems. Overcomes susceptibility of optical waveguide length to mfg. tolerances.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen monolitisch integrierten, modensynchronisierten Halbleiterlaser, der einen Laseraktiven Bereich zur Erzeugung von Lichtpulsen und einen Wellenleiterbereich zur Ausbreitung der Lichtpulse aufweist.The present invention relates to a monolithically integrated, mode-synchronized Semiconductor laser, which is a laser active area for Generation of light pulses and a waveguide area for the propagation of the light pulses.

Die Erfindung bezieht sich ebenfalls auf ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Halbleiterlasers.The invention also relates to a method for the production of such a semiconductor laser.

Unter aktiver Modensynchronisation wird ein resonanzähnliches Phänomen verstanden; dabei wird ein Halbleiterlaser mit einer Frequenz moduliert, die dem Kehrwert der Umlaufzeit eines Lichtpulses in dem Halbleiterlaser entspricht. Die aktive Modensynchronisation von Halbleiterlasern ist eine Technik, die für die Erzeugung von Lichtpulsen sehr kurzer Dauer geeignet ist. Solche Lichtpulse sind von Bedeutung für Nachrichtenübertragungssysteme, die im Gigahertz-Bereich arbeiten. Modensynchronisierte Halbleiterlaser bieten die Möglichkeit, Nachrichten mit Geschwindigkeiten zu überragen, die merklich über den höchsten Frequenzen liegen, bei denen Halbleiterlaser mit bekannten Techniken direkt moduliert werden können.With active mode synchronization, a understood resonance-like phenomenon; doing so will Semiconductor laser modulated at a frequency that the Reciprocal of the orbital period of a light pulse in the Semiconductor laser corresponds. The active one Mode synchronization of semiconductor lasers is one Technology used for generating light pulses very much short duration is suitable. Such light pulses are from Significance for communication systems which in Gigahertz range work. Mode-synchronized Semiconductor lasers offer the possibility of using messages  Tower speeds that are noticeably above the highest frequencies are at which semiconductor lasers can be directly modulated using known techniques.

Für die Nachrichtenübertragung werden Lichtpulse oder Folgen von Lichtpulsen zeitlich unterschiedlich über Verzögerungsstrecken verzögert, anschließend in Modulatoren moduliert und zu einem Multiplexrahmen zusammengefügt. Die Lichtpulse derartiger Halbleiterlaser lassen sich ebenfalls für die Meßtechnik verwenden, insbesondere, wenn Frequenzen oberhalb von 20 GHz gemessen werden sollen. Ebenso dienen solche Halbleiterlaser zur Ansteuerung optischer Korrelatoren für die Adressencodierung von Einzelbits oder zur Codierung von Bitgruppen (Headercodierung).Light pulses or Sequences of light pulses differ over time Delay sections delayed, then in Modulators modulated and into a multiplex frame put together. The light pulses of such Semiconductor lasers can also be used for measurement technology use, especially if frequencies above 20 GHz should be measured. These also serve Semiconductor laser for driving optical correlators for address coding of single bits or for Coding of bit groups (header coding).

Aus dem Programm der "47th Annual Device Research Conference", Juni 1989, Cambridge (Massachusetts), Seite IIIA-4, ist ein Halbleiterlaser nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt. Er enthält Schichten aus Gallium-Indium-Arsenid-Phosphid. Er weist einen laseraktiven Bereich auf, in dem die optischen Impulse entstehen. Diese werden anschließend in einem sogenannten aktiven, d. h. durch eine Stromquelle gesteuerten Wellenleiterbereich bis zur seitlichen Begrenzung des Halbleiterlasers transportiert, wo sie teilweise reflektiert, teilweise emittiert werden. Der reflektierte Anteil der Lichtpulse wird phasenrichtig durch den laseraktiven Bereich wieder verstärkt. Dieser Halbleiterlaser weist außerdem einen sogenannten aktiven Absorberbereich auf, der zur passiven Modensynchronisation dient. Unerwünschte Lichtpulse der doppelten Wiederholungsfrequenz lassen sich durch Abstimmung zwischen der Verstärkung in der laseraktiven Zone und der Lichtabsorption in dem Absorberbereich unterdrücken.From the program of the "47th Annual Device Research Conference, June 1989, Cambridge, Massachusetts, page IIIA-4, is a semiconductor laser according to the preamble of Claim 1 known. It contains layers of Gallium indium arsenide phosphide. He has one laser-active area in which the optical impulses arise. These are then in one so-called active, d. H. through a power source controlled waveguide area to the side Limitation of the semiconductor laser transported where it partly reflected, partly emitted. The reflected portion of the light pulse is in phase reinforced by the laser active area. This Semiconductor laser also has a so-called active Absorber area on the passive Mode synchronization is used. Unwanted light pulses double repetition frequency can be passed through Coordination between the gain in the laser active  Zone and the light absorption in the absorber area suppress.

Derartige Halbleiterlaser weisen jedoch das Problem auf, daß ihre Länge durch die Herstellung technologischen Schwankungen unterworfen ist. Aufgrund dessen stellt sich in ihnen eine Wiederholungsfrequenz der Lichtpulse ein, die von der gewünschten Wiederholungsfrequenz abweicht.However, such semiconductor lasers have the problem that their length by manufacturing technological Is subject to fluctuations. Because of this, poses there is a repetition frequency of the light pulses in them one by the desired repetition rate deviates.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Halbleiterlaser der eingangs genannten Art zu schaffen, in dem bei vorgegebener Wiederholungsfrequenz der Lichtpulse die von der optischen Länge des Halbleiterlasers abhängige Umlaufdauer des Laserlichtes in dem Halbleiterlaser abstimmbar ist. Außerdem soll ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterlasers geschaffen werden.It is the object of the invention to provide a semiconductor laser to create the type mentioned in which predetermined repetition frequency of the light pulses dependent on the optical length of the semiconductor laser Orbital period of the laser light in the semiconductor laser is tunable. In addition, a method for Manufacturing a semiconductor laser can be created.

Die Aufgabe wird bei einem Halbleiterlaser der genannten Art gelöst, wie in Patentanspruch 1 angegeben. Aus den Unteransprüchen ergeben sich weitere Ausbildungen der Erfindung.The task is for a semiconductor laser of the aforementioned Kind solved, as specified in claim 1. From the Sub-claims result in further training of the Invention.

Bei einem Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterlasers der genannten Art wird sie gelöst, wie in Patentanspruch 6 angegeben.In a method of manufacturing a Semiconductor laser of the type mentioned is solved, such as specified in claim 6.

Vorteilhaft an der Erfindung ist, daß sich durch Abstimmung der optischen Länge auf die vorgesehene Wiederholungsfrequenz der Lichtpulse technologische Schwankungen bei der Herstellung der Halbleiterlaser innerhalb einer gewissen Bandbreite von z. B. einigen Promille ausgleichen lassen. Umgekehrt läßt sich bei einem ausgewählten, einzigen Halbleiterlaser die Wiederholungsfrequenz innerhalb derselben Bandbreite frei wählen, wenn die Umlaufdauer durch Abstimmung der optischen Länge entsprechend eingestellt wird.The advantage of the invention is that by Matching the optical length to the intended one Repetition frequency of light pulses technological Fluctuations in the manufacture of semiconductor lasers within a certain range of e.g. B. some Have the alcohol level balanced. Conversely, at a selected, single semiconductor laser Repetition frequency within the same bandwidth  choose freely if the orbital period by voting the optical length is set accordingly.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert. Es zeigen:The invention is now based on the drawing for example explained. Show it:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Halbleiterlasers und des Eingangsteils eines Mach-Zehnder-Interferometers und Fig. 1 is a perspective view of a semiconductor laser and the input part of a Mach-Zehnder interferometer and

Fig. 2 eine Draufsicht des Halbleiterlasers und des Mach-Zehnder-Interferometers. Fig. 2 is a plan view of the semiconductor laser and the Mach-Zehnder interferometer.

Zur Erläuterung der Herstellungsschritte des Halbleiterlasers nach Fig. 1 zeigen:To explain the manufacturing steps of the semiconductor laser according to FIG. 1:

Fig. 3 und 4 perspektivische Ansichten, FIGS. 3 and 4 are perspective views,

Fig. 5 eine Draufsicht, Fig. 5 is a plan view,

Fig. 6 bis 9 perspektivische Ansichten und FIGS. 6 to 9 are perspective views and

Fig. 10 eine Querschnittsansicht des Halbleiterlasers aus Fig. 1. FIG. 10 shows a cross-sectional view of the semiconductor laser from FIG. 1.

Ein Halbleiterlaser 1 (Fig. 1) ist zusammen mit einem Mach-Zehnder-Interferometer 2, von dem in Fig. 1 nur der Eingangsteil 3 dargestellt ist, auf einem n-leitenden Indiumphosphid-Substrat 4 monolitisch integriert. Das Mach-Zehnder-Interferometer 2 dient sowohl zur Messung der Wiederholungsfrequenz als auch zur Amplitudenmodulation des von dem Halbleiterlaser 1 in Längsrichtung ausgesandten Laserlichts. Allgemein sind auch andere Modulatoren, insbesondere andere Interferometer, z. B. Sagnac-Interferometer, zur Modulation des Laserlichtes denkbar. Halbleiterlaser und Modulator können auch in hybrider Bauweise aufgebaut sein. Für die monolitische Integration können außer n-leitendem Indiumphosphid auch andere Substrate in Frage kommen.A semiconductor laser 1 ( FIG. 1) together with a Mach-Zehnder interferometer 2 , of which only the input part 3 is shown in FIG. 1, is monolithically integrated on an n-type indium phosphide substrate 4 . The Mach-Zehnder interferometer 2 serves both for measuring the repetition frequency and for amplitude modulation of the laser light emitted in the longitudinal direction by the semiconductor laser 1 . In general, other modulators, in particular other interferometers, e.g. B. Sagnac interferometer, conceivable for modulating the laser light. The semiconductor laser and modulator can also be constructed in a hybrid construction. In addition to n-conducting indium phosphide, other substrates can also be used for monolithic integration.

Im Bereich des Halbleiterlasers 1 ist das Indiumphosphid-Substrat 4 von einer Pufferschicht 5 aus n-leitendem Indiumphosphid bedeckt. Sie bildet gleichzeitig die Sockelschicht einer Mesa 6, die sich im Inneren des Halbleiterlasers 1 in Lichtausbreitungsrichtung erstreckt. Oberhalb der Puffer-Schicht 5 liegt eine Schicht 7, die den optischen Wellenleiter bildet und sich in Lichtausbreitungsrichtung über die gesamte Länge des Halbleiterlasers 1 erstreckt; sie besteht aus einer quarternären Halbleiterverbindung, z. B. aus Indium-Gallium-Arsenid-Phosphid oder Indium-Gallium-Aluminium-Arsenid. Die Schicht 7 kann, statt aus einem einzigen Material zu bestehen, aus als eine Folge übereinanderliegender Schichten nach Art einer Multi-Quantum-Well-Struktur ausgebildet sein. Dabei können im Wechsel Schichten aus Indium-Gallium-Arsenid und Indium-Gallium-Arsenid-Phosphid oder aus Indium-Gallium-Aluminium-Arsenid und Indium-Aluminium-Arsenid übereinanderliegen. Zu der dem Mach-Zehnder-Interferometer 2 zugewandten Seite des Halbleiterlasers 1 hin bildet die Schicht 7 über eine bestimmte Strecke die oberste Schicht der Mesa 6.In the area of the semiconductor laser 1 , the indium phosphide substrate 4 is covered by a buffer layer 5 made of n-type indium phosphide. At the same time, it forms the base layer of a mesa 6 , which extends in the interior of the semiconductor laser 1 in the direction of light propagation. Above the buffer layer 5 is a layer 7 , which forms the optical waveguide and extends in the direction of light propagation over the entire length of the semiconductor laser 1 ; it consists of a quaternary semiconductor compound, e.g. B. from indium gallium arsenide phosphide or indium gallium aluminum arsenide. Instead of being made of a single material, the layer 7 can be formed as a sequence of layers lying one above the other in the manner of a multi-quantum well structure. Alternating layers of indium-gallium-arsenide and indium-gallium-arsenide-phosphide or of indium-gallium-aluminum-arsenide and indium-aluminum-arsenide can lie on top of each other. Towards the side of the semiconductor laser 1 facing the Mach-Zehnder interferometer 2 , the layer 7 forms the uppermost layer of the mesa 6 over a certain distance.

Zu der von dem Mach-Zehnder-Interferometer 2 abgewandten Seite des Halbleiterlasers 1 hin weist die Mesa 6 oberhalb der Schicht eine dünne Schicht 8 auf, die aus Indiumphosphid besteht. Sie hat keine Bedeutung für den Betrieb des Halbleiterlasers 1, wird jedoch bei der Herstellung als Ätzstopschicht verwandt, weil sie verhindert, daß eine von oben einwirkende Ätzlösung die unter ihr liegende Schicht 7 zerstört. Über der Schicht 8 befindet sich ein laseraktiver Bereich 9. Er besteht ebenfalls aus einer quarternären Halbleiterverbindung, z. B. aus Indium-Gallium-Arsenid-Phosphid. Dabei weisen die III-Elemente zueinander und die V-Elemente zueinander ein anderes Mischungsverhältnis auf, derart, daß die Bandabstandsenergie in dem Bereich 9 kleiner ist als in der Schicht 7. Der Bereich 9 kann sich ebenfalls aus Multi-Quantum-Well-Schichten zusammensetzen. Eine Schicht 10 aus p-dotiertem Indiumphosphid bildet die Deckschicht der Mesa 6 in diesem Bereich.To the side of the semiconductor laser 1 facing away from the Mach-Zehnder interferometer 2 , the mesa 6 has a thin layer 8 above the layer, which layer consists of indium phosphide. It has no significance for the operation of the semiconductor laser 1 , but is used in the manufacture as an etch stop layer, because it prevents an etching solution acting from above from destroying the layer 7 below it. A laser-active region 9 is located above the layer 8 . It also consists of a quaternary semiconductor compound, e.g. B. from indium gallium arsenide phosphide. The III elements to one another and the V elements to one another have a different mixing ratio, such that the bandgap energy in region 9 is smaller than in layer 7 . The area 9 can also be composed of multi-quantum well layers. A layer 10 of p-doped indium phosphide forms the cover layer of the mesa 6 in this area.

Oberhalb der Schicht 7 liegt, in Längsrichtung betrachtet, in einem mittleren Bereich ein Bereich 11 aus semiisolierendem Indiumphosphid, dessen Oberfläche mit der Oberfläche der Schicht 10 eine gemeinsame Ebene bildet. Mit Ausnahme eines Teils der Oberfläche des Bereichs 11 werden die Längsseiten und die Oberfläche der Mesa 6 von einem Bereich 12 bedeckt, der aus p-leitendem Indiumphosphid aufgebaut ist. Daß der Bereich 12 den Bereich 11 im wesentlichen nicht bedeckt, dient dazu, Bereiche 13, 14 zu beiden Längsenden der Mesa 6 zu erzeugen, die elektrisch voneinander isoliert sind. Die Bereiche 13 und 14 werden jeweils von einer Kontaktschicht 15 aus p-leitendem Indium-Gallium-Arsenid bedeckt. Die Schicht 15 ihrerseits wird von einer Schutzschicht 16 aus Siliziumdioxid bedeckt. Sowohl innerhalb des Bereiches 13 als auch innerhalb des Bereiches 14 wird die Schutzschicht 16 durch metallische Schichten 17, 18 durchbrochen, die als elektrische Kontakte dienen. Unterhalb des Indiumphosphid-Substrats 4 befindet sich eine Metallschicht 19, die ebenfalls als elektrischer Kontakt dient. Vorteilhaft wird die Metallschicht 19 als Massekontakt verwandt.Viewed in the longitudinal direction, above the layer 7 is a region 11 made of semi-insulating indium phosphide in a central region, the surface of which forms a common plane with the surface of the layer 10 . With the exception of part of the surface of the region 11 , the long sides and the surface of the mesa 6 are covered by a region 12 which is composed of p-conducting indium phosphide. The fact that the area 12 does not essentially cover the area 11 serves to create areas 13 , 14 at both longitudinal ends of the mesa 6 which are electrically insulated from one another. The regions 13 and 14 are each covered by a contact layer 15 made of p-conducting indium gallium arsenide. The layer 15 in turn is covered by a protective layer 16 made of silicon dioxide. The protective layer 16 is broken through both within the area 13 and within the area 14 by metallic layers 17 , 18 which serve as electrical contacts. Below the indium phosphide substrate 4 is a metal layer 19 , which also serves as an electrical contact. The metal layer 19 is advantageously used as a ground contact.

Wenn der Halbleiterlaser 1 in Betrieb ist, wird über den von der Schicht 17 gebildeten Kontakt ein Laserstrom IL zugeführt. Der Laserstrom IL weist einen Gleich- und einen Wechselstromanteil auf; dabei wird die Stärke des Gleichstromanteils vorteilhaft so gewählt, daß sie sich unmittelbar unterhalb der Laserschwelle befindet. Wenn dann ein zusätzlicher Wechselstrom angelegt wird, entstehen in den laseraktiven Bereich 9 Lichtpulse, die sich in der Schicht 7 fortpflanzen. Sie werden in den Querseiten reflektiert. Dabei kann die Querseite, die den Bereich 13 abschließt, vollständig verspiegelt sein, während die dem Mach-Zehnder-Interferometer 2 zugewandte Querseite, die den Bereich 14 abschließt, teilweise verspiegelt ist. Wenn nun die durch die Länge des Halbleiterlasers 1 und die optischen Eigenschaften der Schicht 7 vorgegebene Umlauffrequenz des jeweils reflektierten Anteils der Lichtpulse mit der Frequenz des Wechselstroms übereinstimmt, lassen sich die Lichtpulse stets phasengetreu verstärken.When the semiconductor laser 1 is in operation, a laser current I L is supplied via the contact formed by the layer 17 . The laser current I L has a direct and an alternating current component; the strength of the DC component is advantageously chosen so that it is immediately below the laser threshold. If an additional alternating current is then applied, 9 light pulses are generated in the laser-active region, which propagate in layer 7 . They are reflected in the transverse pages. The transverse side, which closes the region 13 , can be completely mirrored, while the transverse side, which faces the Mach-Zehnder interferometer 2 and closes the region 14 , is partly mirrored. If the rotational frequency of the respective reflected portion of the light pulses, which is predetermined by the length of the semiconductor laser 1 and the optical properties of the layer 7, matches the frequency of the alternating current, the light pulses can always be amplified in phase.

Die Form der Lichtpulse bestimmt sich durch die Form des Wechselstromanteils, der sich aus mehreren Fourier-Komponenten zusammensetzen kann. Der Bereich 11 bildet zusammen mit dem Indiumphosphid-Substrat 4, der Pufferschicht 5 und der Schicht 7 einen Absorberbereich. The shape of the light pulses is determined by the shape of the AC component, which can be composed of several Fourier components. The area 11 together with the indium phosphide substrate 4 , the buffer layer 5 and the layer 7 form an absorber area.

Die Nutzung als passiver Absorberbereich geschieht dann, wenn sich die Bandabstandsenergie der Schicht 7 nur wenig von der Bandabstandsenergie des Bereiches 9 unterscheidet. Als aktiver Absorberbereich dient er, wenn durch ihn ein Strom senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Lichtpulse fließt. In diesem Fall müßte der Bereich 11 auf seiner Oberseite mit einem elektrischen Kontakt versehen sein. Wenn die Energie der Photonen in der Schicht 7 größer ist als das chemische Potential des Elektron-Loch-Plasmas in dem Bereich 9, erscheint der Absorberbereich transparent, andernfalls absorbiert er die Lichtpulse.Use as a passive absorber area occurs when the bandgap energy of layer 7 differs only slightly from the bandgap energy of area 9 . It serves as an active absorber area when a current flows through it perpendicular to the direction of propagation of the light pulses. In this case, the area 11 would have to be provided with an electrical contact on its upper side. If the energy of the photons in the layer 7 is greater than the chemical potential of the electron-hole plasma in the region 9 , the absorber region appears transparent, otherwise it absorbs the light pulses.

Die optische Länge des Halbleiterlasers 1 hingegen läßt sich in dem Bereich 14 durch Anlegen eines Stromes IA zwischen der Schicht 18 und der Metallschicht 19 verändern. Der Bereich 14 wird deshalb auch als Abstimmbereich bezeichnet. Diese Abstimmöglichkeit hat zwei Vorteile: Durch sie lassen sich technologisch bedingte Schwankungen bei der Herstellung des Halbleiterlasers 1 auffangen. So kann man z. B. von einer relativen Längenstreuung von ± 8‰ ausgehen. Umgekehrt läßt sich bei einer fest vorgegebenen Gesamtlänge des Halbleiterlasers 1 die Umlauffrequenz innerhalb der gleichen Schwankungsbreite verändern. Aufgrund der Ladungsträgerinjektion in den Bereich 14 durch den Strom IA läßt sich ebenfalls die Pulsform der Lichtpulse beeinflussen. Auf diese Weise läßt sich u. U. auf eine Pulsformung in einem sättigbaren Absorberbereich verzichten.In contrast, the optical length of the semiconductor laser 1 can be changed in the region 14 by applying a current I A between the layer 18 and the metal layer 19 . The area 14 is therefore also referred to as the tuning area. This tuning option has two advantages: it can be used to compensate for technological fluctuations in the manufacture of the semiconductor laser 1 . So you can z. B. assume a relative length variation of ± 8 ‰. Conversely, with a predetermined total length of the semiconductor laser 1, the rotational frequency can be changed within the same fluctuation range. Due to the charge carrier injection into the area 14 by the current I A , the pulse shape of the light pulses can also be influenced. In this way, u. U. to avoid pulse formation in a saturable absorber area.

Der Strom IA fließt in dem Halbleiterlaser 1 senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Lichtpulse, da sich die Schicht 18 und die Metallschicht 19, die die Elektroden bilden, übereinander befinden. The current I A flows in the semiconductor laser 1 perpendicular to the direction of propagation of the light pulses, since the layer 18 and the metal layer 19 which form the electrodes are located one above the other.

Die Elektroden können auch an anderen Stellen auf der Oberfläche des Halbleiterlasers 1 angebracht sein, außer an der Stelle, an der die Lichtpulse aus dem Wellenleiter nach außen emittiert werden. Es muß nur gewährleistet sein, daß der Strom in irgendeiner Richtung, außer der Ausbreitungsrichtung der Lichtpulse, durch den Wellenleiter hindurchgeht.The electrodes can also be attached at other points on the surface of the semiconductor laser 1 , except at the point at which the light pulses are emitted to the outside from the waveguide. It is only necessary to ensure that the current passes through the waveguide in any direction other than the direction of propagation of the light pulses.

Ein den emittierten Anteil der Lichtpulse aufnehmender Modulator, wie das hier dargestellte Mach-Zehnder-Interferometer 2, kann entweder in monolithischer Bauweise auf dem gleichen Substrat integriert sein oder hybrid hergestellt werden. Es lassen sich neben dem Halbleiterlaser 1 auch mehrere Modulatoren und andere optische Bauelemente, z. B. Verzögerungselemente, auf dem gleichen Substrat integrieren. Das Mach-Zehnder-Interferometer 2 weist eine Schicht 20, eine Schicht 200, eine Schicht 21 sowie eine Schicht 22 auf, die jeweils der Pufferschicht 5, der Schicht 7, dem Bereich 12 und der Kontaktschicht 15 des Halbleiterlasers 1 entsprechen und so aufgebaut sind wie diese. Daher lassen sich diese Schichten des Halbleiterlasers 1 und des Mach-Zehnder-Interferometers 2 gleichzeitig in den entsprechenden Dotier- und Epitaxieschritten herstellen.A modulator receiving the emitted portion of the light pulses, such as the Mach-Zehnder interferometer 2 shown here , can either be integrated in a monolithic construction on the same substrate or can be produced hybrid. In addition to the semiconductor laser 1 , several modulators and other optical components, e.g. B. delay elements, integrate on the same substrate. The Mach-Zehnder interferometer 2 has a layer 20 , a layer 200 , a layer 21 and a layer 22 , which each correspond to the buffer layer 5 , the layer 7 , the region 12 and the contact layer 15 of the semiconductor laser 1 and are constructed in this way like these. Therefore, these layers of the semiconductor laser 1 and the Mach-Zehnder interferometer 2 can be produced simultaneously in the corresponding doping and epitaxy steps.

Zwischen dem Halbleiterlaser 1 und dem Mach-Zehnder-Interferometer 2 ist oberhalb des Indiumphosphid-Substrats 4 ein Übergangsbereich 23. Das Mach-Zehnder-Interferometer 2 (Fig. 2) weist neben seinem Eingangsteil 3 zwei Arme 24, 25 sowie ein Ausgangsteil 26 auf. Zur Modulation der Lichtpulse kann z. B. einer der beiden Arme 24, 25 eine Laufzeitverzögerung der Lichtpulse gegenüber dem anderen Arm 25, 24 verursachen. Die Laufzeitverzögerung wird entweder, lithographisch bedingt, durch unterschiedliche optische Dichte in den beiden Armen 24, 25 oder durch Anlegen eines elektrischen Feldes an einen der beiden Arme 24, 25 bewirkt. Dadurch entsteht im Ausgangsteil 26 ein amplitudenmoduliertes optisches Signal.A transition region 23 is located above the indium phosphide substrate 4 between the semiconductor laser 1 and the Mach-Zehnder interferometer 2 . The Mach-Zehnder interferometer 2 ( FIG. 2) has, in addition to its input part 3, two arms 24 , 25 and an output part 26 . To modulate the light pulses, for. B. one of the two arms 24 , 25 cause a delay in the light pulses compared to the other arm 25 , 24 . The transit time delay is caused either by lithography, by different optical density in the two arms 24 , 25 or by applying an electric field to one of the two arms 24 , 25 . This produces an amplitude-modulated optical signal in the output part 26 .

Wenn die den Halbleiterlaser 1 verlassenden Lichtpulse entweder einem ersten Mach-Zehnder-Interferometer unverzögert und (n-1) weiteren Mach-Zehnder-Interferometern um eine Verzögerungszeit von jeweils 1, 2, 3, ... (n-1) zugeführt werden, anschließend amplitudenmoduliert wieder zusammengeführt werden, so entsteht aus ihnen ein Zeitmultiplexrahmen.If the light pulses leaving the semiconductor laser 1 are either undelayed to a first Mach-Zehnder interferometer and (n-1) further Mach-Zehnder interferometers are fed by a delay time of 1, 2, 3, ... (n-1), respectively, are then merged again using amplitude modulation to create a time-division multiplex frame.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Halbleiterlaser eine Steuerschaltung zur Steuerung des Stromes IA aufweist. Das Mach-Zehnder-Interferometer 2 läßt sich zur Messung der Umlauffrequenz der Lichtpulse in dem Halbleiterlaser 1 nutzen, indem z. B. die Laufzeit der Lichtpulse in dem Arm 24 des Mach-Zehnder-Interferometers 2 gegenüber der in dem Arm 25 so verstimmt wird, daß die Transmissionsamplitude zweier sich in dem Ausgangsteil 26 überlagernder Lichtpulse maximal wird.It when the semiconductor laser has a control circuit for controlling the current I A is particularly advantageous. The Mach-Zehnder interferometer 2 can be used to measure the rotational frequency of the light pulses in the semiconductor laser 1 by z. B. the transit time of the light pulses in the arm 24 of the Mach-Zehnder interferometer 2 is detuned from that in the arm 25 so that the transmission amplitude of two light pulses superimposed in the output part 26 becomes maximum.

In diesem Fall ist die Amplitude ein Maß für die Wiederholungsfrequenz der Lichtpulse, aus der in einem Subtrahierer die Differenz zu einer vorgegebenen Soll-Wiederholungs-Frequenz erzeugt wird. Die Differenz wird dann der Steuerschaltung zugeführt, die aufgrund dessen den Strom IA ändert oder ihn beläßt. Sofern dieser Vorgang kontinuierlich abläuft, bilden der Halbleiterlaser 1, das Mach-Zehnder-Interferometer 2, der Subtrahierer und die Steuerschaltung eine Regelschleife.In this case, the amplitude is a measure of the repetition frequency of the light pulses, from which the difference to a predetermined desired repetition frequency is generated in a subtractor. The difference is then fed to the control circuit, which changes or leaves the current I A as a result. If this process takes place continuously, the semiconductor laser 1 , the Mach-Zehnder interferometer 2 , the subtractor and the control circuit form a control loop.

Die Transmissionsamplitude läßt sich ebenfalls nutzen, um mittels einer Änderung des Wechselstromanteils des Laserstromes IL die Wiederholungsfrequenz der Lichtpulse zu ändern.The transmission amplitude can also be used to change the repetition frequency of the light pulses by changing the AC component of the laser current I L.

Es lassen sich auch mehrere Halbleiterlaser 1 nebeneinander anordnen, insbesondere auf einem einzigen Substrat. Wenn diese Halbleiterlaser 1 geringfügig voneinander abweichende optische Längen haben, dann lassen sich die Wiederholungsfrequenzen der jeweils von ihnen ausgesandten Lichtpulse durch Anlegen entsprechender Ströme IA ausgleichen. Auch diese Ströme IA lassen sich durch Bestimmung-der Transmissionsamplituden in einem Interferometer oder in mehreren Interferometern steuern, wenn eine Referenzlichtquelle vorhanden ist, die Lichtpulse einer vorgegebenen Wiederholungsfrequenz liefert und diese Lichtpulse ebenfalls das Interferometer bzw. die Interferometer durchlaufen.A plurality of semiconductor lasers 1 can also be arranged next to one another, in particular on a single substrate. If these semiconductor lasers 1 have slightly different optical lengths, then the repetition frequencies of the light pulses emitted by them can be compensated for by applying appropriate currents I A. These currents I A can also be controlled by determining the transmission amplitudes in an interferometer or in a plurality of interferometers if a reference light source is present which supplies light pulses of a predetermined repetition frequency and these light pulses likewise pass through the interferometer or interferometers.

Anstelle des Halbleiterlasers 1, in dem der laseraktive Bereich 7 oberhalb des optischen Wellenleiters liegt, können ein laseraktiver Bereich und ein Wellenleiter auch hintereinander angeordnet sein, so daß dann die Lichtpulse in einem Bereich hin- und herreflektiert werden, der sowohl aus dem laseraktiven Bereich als auch aus dem Wellenleiter besteht.Instead of the semiconductor laser 1 , in which the laser-active region 7 lies above the optical waveguide, a laser-active region and a waveguide can also be arranged one behind the other, so that the light pulses are then reflected back and forth in a region that both from the laser-active region and also consists of the waveguide.

In einem anderen Aufbau können laseraktiver Bereich und Wellenleiter auch über die ganze Länge des Halbleiterlasers nebeneinander angeordnet sein. In another structure, the laser active area and Waveguide along the entire length of the Semiconductor laser can be arranged side by side.  

Der Halbleiterlaser 1 (Fig. 3) wird hergestellt, indem in einem ersten Epitaxieschritt auf dem Substrat 4 nacheinander die Pufferschicht 5, die Schicht 7, die Schicht 8 als Ätzstopschicht sowie eine Schicht, aus der später der laseraktive Bereich 9 hergestellt wird, und eine Schicht 10 abgeschieden werden.The semiconductor laser 1 ( FIG. 3) is produced by, in a first epitaxial step on the substrate 4 , the buffer layer 5 , the layer 7 , the layer 8 as an etching stop layer, and a layer from which the laser-active region 9 is subsequently produced, and one Layer 10 are deposited.

Nach Aufbringen einer Schicht 27 (Fig. 4) aus Siliziumdioxid wird lithographisch aus der Schicht 27 ein Streifen in Längsrichtung, z. B. der 011-Richtung des n-leitenden Indiumphosphid-Substrats 4, hergestellt und anschließend die Mesa 6 geätzt.After application of a layer 27 ( FIG. 4) made of silicon dioxide, a strip is lithographically removed from the layer 27 in the longitudinal direction, e.g. B. the 011 direction of the n-type indium phosphide substrate 4 , and then the mesa 6 etched.

Der Bereich 13 und mit ihm der laseraktive Bereich 9 entstehen, indem die Schichten 8, 9, 10 und 27 in einem nicht durch einen Photolack abgedeckten Bereich 28 (Fig. 5) nacheinander weggeätzt werden. Die Schicht 8 (Fig. 6) wird in einem gesonderten Ätzschritt durch ein Ätzmittel entfernt, das spezifisch nur diese Schicht 8 angreift.The area 13 and with it the laser-active area 9 are formed by the layers 8 , 9 , 10 and 27 being successively etched away in an area 28 ( FIG. 5) not covered by a photoresist. The layer 8 ( FIG. 6) is removed in a separate etching step by an etchant which specifically attacks only this layer 8 .

In einem zweiten Epitaxieschritt (Fig. 7) wird innerhalb des Bereiches 13 seitlich der Mesa 6 und außerhalb des Bereiches 13 auch oberhalb der Mesa 6 semiisolierendes Indiumphosphid 29 abgeschieden. Die Schicht 27 bleibt dabei unbedeckt. Die Bereiche 11 und 14 (Fig. 8) werden dadurch definiert, daß oberhalb der Bereiche 11 und 13 ein Lack aufgebracht wird und indem anschließend das semiisolierende Indiumphosphid 29 durch Ätzen entfernt wird. Dadurch wird nun in dem Bereich 14 die Schicht 7 wieder freigelegt. Anschließend werden der Lack und die Schicht 27 entfernt. In a second epitaxy step ( FIG. 7), semi-insulating indium phosphide 29 is deposited to the side of the mesa 6 within the area 13 and outside of the area 13 also above the mesa 6 . Layer 27 remains uncovered. The areas 11 and 14 ( FIG. 8) are defined in that a lacquer is applied above the areas 11 and 13 and in that the semi-insulating indium phosphide 29 is then removed by etching. As a result, layer 7 is now exposed again in area 14 . The paint and layer 27 are then removed.

In einem dritten Epitaxieschritt (Fig. 9) werden die Bereiche 11, 13 und 14 durch p-leitendes Indiumphosphid bedeckt, welches den Bereich 12 bildet. Die Kontaktschicht 15 aus p-leitendem Indium-Gallium-Arsenid wird darauf aufgetragen.In a third epitaxy step ( FIG. 9), regions 11 , 13 and 14 are covered by p-conducting indium phosphide, which forms region 12 . The contact layer 15 made of p-type indium gallium arsenide is applied thereon.

Der Bereich 12 (Fig. 10) erhält in seiner Mitte eine Einkerbung, indem er nach vorher erfolgtem teilweisen Bedecken durch eine Lackschicht oberhalb des Bereiches 11 abgeätzt wird. Darauf werden die Schicht 15 die der Einkerbung zugewändten Seitenkanten des Bereiches 12 und der Bereich 11 durch die Schutzschicht 16 aus Siliziumdioxid bedeckt. Die Schutzschicht 16 wird oberhalb der Bereiche 13 und 14 selektiv abgeätzt, um das Aufbringen der metallischen Schichten 17, 18 zu gestatten, die als elektrische Kontakte dienen. Die Unterseite des Indiumphosphid-Substrats 4 wird mit der Metallschicht 19 versehen. Damit ist der Halbleiterlaser 1 entstanden.The area 12 ( FIG. 10) is indented in the middle by being etched off by a layer of lacquer above the area 11 after partial covering. The layer 15, the side edges of the region 12 facing the notch and the region 11 are then covered by the protective layer 16 made of silicon dioxide. The protective layer 16 is selectively etched away above the areas 13 and 14 in order to allow the application of the metallic layers 17 , 18 , which serve as electrical contacts. The underside of the indium phosphide substrate 4 is provided with the metal layer 19 . The semiconductor laser 1 has thus been created.

Es versteht sich, daß bei gemeinsamer Fertigung des Halbleiterlasers 1 und des Mach-Zehnder-Interferometers 2 oder mehrerer Mach-Zehnder-Interferometer auf demselben Indiumphosphid-Substrat 4 Ätz- und Epitaxieschritte gemeinsam durchgeführt werden, so etwa das Abscheiden der Pufferschicht 5 und der Schicht 20.It goes without saying that when the semiconductor laser 1 and the Mach-Zehnder interferometer 2 or more Mach-Zehnder interferometers are produced together, etching and epitaxial steps are carried out together on the same indium phosphide substrate 4 , for example the deposition of the buffer layer 5 and the layer 20th

Claims (6)

1. Monolithisch integrierter, modensynchronisierter Halbleiterlaser (1), der einen laseraktiven Bereich zur Erzeugung von Lichtpulsen und einen optischen Wellenleiter zur Ausbreitung der Lichtpulse aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterlaser (1) an seinen Außenseiten Elektroden aufweist, an die ein Strom (IA) anlegbar ist, durch den die optische Länge des Wellenleiters veränderbar ist.1. Monolithically integrated, mode-locked semiconductor laser ( 1 ), which has a laser-active area for generating light pulses and an optical waveguide for propagating the light pulses, characterized in that the semiconductor laser ( 1 ) has electrodes on its outer sides to which a current (I A ) can be applied, by means of which the optical length of the waveguide can be changed. 2. Halbleiterlaser (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Elektroden an denjenigen Außenseiten befinden, die längs zur Ausbreitungsrichtung der Lichtpulse in dem Wellenleiter liegen, und daß der Strom (IA) senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Lichtpulse durch den Wellenleiter fließt.2. Semiconductor laser ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the electrodes are located on those outer sides which lie along the direction of propagation of the light pulses in the waveguide, and that the current (I A ) flows perpendicular to the direction of propagation of the light pulses through the waveguide . 3. Halbleiterlaser (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden an den Außenseiten so angebracht sind, daß der Strom (IA) in einer anderen als der Ausbreitungsrichtung der Lichtpulse durch den Wellenleiter fließt.3. A semiconductor laser ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the electrodes are attached to the outer sides so that the current (I A ) flows through the waveguide in a direction other than the direction of propagation of the light pulses. 4. Halbleiterlaser (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er, angrenzend an den Wellenleiter, einen Absorberbereich aufweist.4. Semiconductor laser ( 1 ) according to claim 1, characterized in that it has, adjacent to the waveguide, an absorber region. 5. Einrichtung mit einem Halbleiterlaser (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß eine Steuerschaltung zur Steuerung des Stromes (Ia) vorhanden ist,
  • - daß ein Mittel zur Messung der Wiederholungsfrequenz der Lichtpulse vorhanden ist,
  • - daß ein Subtrahierer zur Bildung der Differenz aus der gemessenen Wiederholungsfrequenz und einer Soll-Wiederholungsfrequenz vorhanden ist und
  • - daß die Differenz in der Steuerschaltung zur Steuerung des Stromes (IA) dient.
5. Device with a semiconductor laser ( 1 ) according to claim 1, characterized in
  • - That a control circuit for controlling the current (I a ) is available,
  • that there is a means for measuring the repetition frequency of the light pulses,
  • - That a subtractor for forming the difference between the measured repetition frequency and a target repetition frequency is present and
  • - That the difference in the control circuit is used to control the current (I A ).
6. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterlasers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß auf einem n-leitenden Indiumphosphid-Substrat durch Epitaxie, selektives Bedecken durch Lackschichten und selektives Wegätzen einzelner Schichten und Bereiche eine Mesa gebildet wird, die einen passiven Wellenleiterbereich, einen laseraktiven Bereich, einen Bereich aus semiisolierenden Indiumphosphid sowie einen Abstimmbereich zur Abstimmung der optischen Länge umfaßt,
  • - daß die Seitenbereiche der Mesa von semiisolierendem Indiumphosphid umgeben werden und
  • - daß auf die Oberseite des Halbleiterlasers und auf die Unterseite des Indiumphosphid-Substrats metallische Schichten aufgebracht werden, die als elektrische Kontakte dienen.
6. A method for producing a semiconductor laser according to claim 1, characterized in that
  • - That a mesa is formed on an n-type indium phosphide substrate by epitaxy, selective covering by lacquer layers and selective etching away of individual layers and areas, which has a passive waveguide area, a laser-active area, an area made of semi-insulating indium phosphide and a tuning area for tuning the optical Length includes
  • - That the side areas of the mesa are surrounded by semi-insulating indium phosphide and
  • - That on the top of the semiconductor laser and on the bottom of the indium phosphide substrate metallic layers are applied, which serve as electrical contacts.
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