DE4235920C1 - Monolithisch integrierte Laserdiode-Koppler-Kombination - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine monolithisch inte­ grierte Laserdiode-Koppler-Kombination für Anwendungen in der optoelektronischen Nachrichtentechnik.

Die monolithische Integration von Laserdioden mit optischen Richtkopplern ist für verschiedene Anwendungen in optischen Nachrichtenübertragungsnetzen eine vielversprechende Alterna­ tive zur Verknüpfung diskreter Bauelemente und Komponenten. Beispiele für diese Anwendungen sind Überlagerungsempfänger in kohärenten optischen Netzen, bei denen die Emission einer La­ serdiode mit durchstimmbarer Emissionsfrequenz über den opti­ schen Richtkoppler mit dem optischen Träger des zu empfangenden Signals überlagert wird. Das technische Problem besteht dabei darin, den inneren Aufbau von Laserdiode und Richtkoppler so zu gestalten, daß sowohl die Herstellung vereinfacht als auch die Fläche des integrierten Chips minimiert werden. Für den Koppler ist dabei ein enger Abstand zwischen den optischen Wellenlei­ tern und eine relativ geringe Wellenführung nötig, während im Bereich des Lasers eine Störung der Signalwelle im parallel zum Laser verlaufenden für das zu empfangende Signal vorgesehenen passiven Wellenleiter vermieden werden muß.

Bei bisherigen integrierten Laser-Koppler-Chips werden die un­ terschiedlichen Anforderungen an die Strukturen im Laserbereich und im Kopplerbereich dadurch erfüllt, daß der passive Wellen­ leiter in weitem Bogen um den Laser herumgeführt wird. Die pas­ siven Wellenleiter im Kopplerbereich und im Laserbereich haben dabei die gleiche Struktur, in den meisten Fällen eine Stegwel­ lenleiterstruktur oder eine vergrabene Rippenwellenleiterstruk­ tur. Beispiele hierfür findet man z. B. in der Veröffentlichung von T. L. Koch e. a.: "Balanced Operation of a GalnAs/GaInASP Multiple-Quantum-Well Integrated Heterodyne Receiver" in IEEE Photonics Technology Letters 2, 577 bis 580 (1990) und in P. J. Williams e. a. : "Design and Fabrication of Monolithically Inte­ grated DFB Laser-Wavelength Duplexer Transceivers for TPON/BPON Access Links" in Electronics Letters 27, 809 bis 810 (1991). In der ersten Veröffentlichung ist eine Integration eines abstimm­ baren Lasers mit Richtkopplern und Fotodetektoren beschrieben. Die Wellenleiter sind vergrabene Rippenwellenleiter aus semi­ isolierendem InP mit S-förmigen Krümmungen. In der zweiten ge­ nannten Veröffentlichung kommen ebenfalls gekrümmte Stegwellen­ leiter zur Anwendung. Das Herumführen des passiven Wellenlei­ ters um den Laser erfordert große Krümmungsradien, solange die Wellenleiterstrukturen im Krümmungsbereich und im Kopplerbe­ reich gleich sind. Wegen der geforderten guten Kopplung ist die Führung der Welle im Wellenleiter schwach; dadurch entstehen im Krümmungsbereich aber Abstrahlverluste. Durch die großen Krüm­ mungsradien werden die Abmessungen der integrierten Anordnung deutlich größer als es die addierten Abmessungen der einzelnen integrierten Komponenten wären. Da die vom Chip beanspruchte Fläche direkt die Ausbeute bei der Herstellung beeinflußt, ma­ chen Strukturen ohne Krümmungen die Herstellung wesentlich ko­ stengünstiger.

In der US 4 744 616 ist eine monolithisch integrierte Kombina­ tion aus einem Laserdiodenarray und einem Phasenmodulatorarray beschrieben. Die Laser sind als Streifenlaser ausgebildet, und diese Anordnung dient der elektronischen Richtungssteuerung des Laserstrahles. In der EP 0 187 198 A2 ist eine Anordnung be­ schrieben, bei der eine Laserdiode und ein Fotodetektor zusam­ men mit einem Streifen- oder Schichtwellenleiter auf einem gemeinsamen Substrat integriert sind und bei dem ein weiteres passives optisches Bauelement durch eine bestimmte Strukturgebung des Streifen- oder Schichtwellenleiters realisiert ist. In der DE 41 15 078 A1 ist eine Anordnung zur optischen Aneinanderkopplung eines aktiven und passiven Bauelementes der integrierten Optik beschrieben. Bei dieser Anordnung wird z. B. ein Laser mit einem Modulator über eine Koppelstrecke verkoppelt. Der Modulator besitzt zwei streifenförmige parallel zueinander ausgerichtete Wellenleiter. In der Veröffentlichung von H. Takeuchi u. a.: "Monolithic integrated coherent receiver on InP Substrate" in IEEE Photonics Technology Letters 1, 398 bis 400 (1989) ist eine monolithisch integrierte Kombination eines Lasers, eines Kopplers und zweier pin-Fotodioden beschrieben. Ein Streifen­ wellenleiter für den Signalweg wird s-förmig zu dem Koppler ge­ führt, wobei der Laser an dem anderen Eingang des Kopplers und die Fotodioden an den beiden Ausgängen angeordnet sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine einfach her­ stellbare monolithisch integrierte Laserdiode-Koppler-Kombina­ tion mit geringstmöglichen Abmessungen anzugeben.

Diese Aufgabe wird mit der Laserdiode-Koppler-Kombination mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Bei der erfindungsgemäßen Laser-Koppler-Kombination werden keine gekrümmten Wellenleiter eingesetzt, um das Lichtsignal am integrierten Laser vorbei in den Richtkoppler zu führen. Statt dessen hat der passive Wellenleiter den gleichen lateralen Ab­ stand vom aktiven Laserstreifen, den auch die beiden Wellenlei­ ter im optischen Richtkoppler haben. Dort sind die Wellenleiter als Rippenwellenleiter oder Stegwellenleiter ausgebildet, so daß bei dem gewählten Abstand und bei geeigneter Länge des Kopplers eine gute Überkopplung der in den beiden Wellenleitern geführten Wellen stattfindet. Im Laserbereich sind dagegen beide Strukturen (der aktive Streifen des Lasers und der strei­ fenförmige passive Wellenleiter, die parallel zueinander lau­ fen) als vergrabene Heterostrukturen ausgebildet, in denen die Welle der Strahlung so stark geführt wird, daß beim gleichen lateralen Abstand wie in dem Bereich des Richtkopplers hier keine Überkopplung stattfindet.

Es folgt eine Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Laserdiode-Koppler-Kombination anhand der Fig. 1 bis 3.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform in perspektivischer Auf­ sicht mit durch gestrichelte Linien angegebenen ver­ deckten Strukturen.

Fig. 2 zeigt die Ausführungsform nach Fig. 1 in einer per­ spektivischen Schnittaufsicht.

Fig. 3 zeigt eine perspektivische Schnittaufsicht einer al­ ternativen Ausführungsform.

In den Fig. 1 und 2 ist ein Ausführungsbeispiel des erfin­ dungsgemäßen integrierten Laser-Koppler-Chips schematisch dar­ gestellt. Die Anordnung befindet sich auf einem Substrat 1, das z. B. für elektrische Leitfähigkeit eines ersten Leitfähig­ keitstyps dotiert ist (im Materialsystem InP z. B. n-leitendes InP). Auf dem Substrat befindet sich eine Wellenleiterschicht 41. Im Bereich der Laserdiode befinden sich in der Schichtebene dieser Wellenleiterschicht 41 ein laseraktiver Streifen 3 und ein streifenförmiger passiver Wellenleiter 4. In dem für Kopp­ lung vorgesehenen Bereich ist die Wellenleiterschicht 41 ganz­ flächig aufgebracht. Die Wellenführung wird durch darauf aufge­ brachte Streifen 71, 72 aus Halbleitermaterial bewirkt. Die auf diese Weise ausgebildeten Stegwellenleiter bilden die geradli­ nige Verlängerung jeweils des laseraktiven Streifens 3 bzw. des passiven Wellenleiters 4, die in eine Deckschicht 2 aus Halb­ leitermaterial vergraben sind. Diese Deckschicht 2 ist für elektrische Leitung des zweiten Leitfähigkeitstyps dotiert (z. B. p-leitendes InP). Der Brechungsindex des laseraktiven Strei­ fens 3 ist z. B. größer als der des Halbleitermateriales des passiven Wellenleiters 4; dessen Brechungsindex wiederum ist größer als der des umgebenden Materials, d. h. des Substrates 1 und der Deckschicht 2. Der laseraktive Streifen 3 und der pas­ sive Wellenleiter 4 sind z. B. aus InGaAsP.

Die Bauform der Laserdiode ist nicht näher festgelegt. Es kann sich dabei um einen DFB-Laser oder einen DBR-Laser handeln, bei dem die Rückkopplung über ein in die Struktur integriertes Re­ flexionsgitter erfolgt, oder um einen sogenannten Fabry-Perot- Laser, dessen Resonator durch Spiegelendflächen gebildet wird. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung werden diese Spiegelendflä­ chen gebildet durch die Grenzfläche zwischen dem laseraktiven Streifen 3 und der Wellenleiterschicht 41 auf der einen Seite und z. B. durch einen senkrecht zur Schichtebene und zur Längs­ richtung der Wellenleiter verlaufenden geätzten Graben 5 auf der anderen Seite. Die senkrechte Stirnwand des laseraktiven Streifens 3 in diesem Graben 5 dient als Resonatorspiegel. Der durch den Graben 5 abgetrennte Teil 31 des laseraktiven Strei­ fens 3 kann z. B. dazu dienen, das vom Laser in diese Richtung abgestrahlte Licht zu absorbieren, so daß keine Einkopplung dieser Strahlung in einen angekoppelten Glasfaser-Wellenleiter stattfindet, der an die erfindungsgemäße Laser-Koppler-Kombina­ tion extern für eine Einspeisung von Strahlung in den passiven Wellenleiter 4 angekoppelt wird. Im Prinzip ist diese Absorp­ tion jedoch nicht nötig, da die Apertur von Monomode-Glasfasern die gleichzeitige Ankopplung an den passiven Wellenleiter 4 und den aktiven Streifen 3 ausschließt. Wenn zusätzlich zu dem für die Laserdiode vorgesehenen Kontakt 6, der auf der Deckschicht 2 aufgebracht ist, ein getrennter Kontakt 61 über diesem abge­ trennten Teil 31 des laseraktiven Streifens vorhanden ist, kann dieser Teil 31 der Struktur als Monitor-Fotodiode für die Kon­ trolle der Emission des Lasers genutzt werden. Wenn die erfin­ dungsgemäße Laserdiode-Koppler-Kombination wie bei diesem Aus­ führungsbeispiel auf einem leitfähigen Substrat 1 aufgebracht ist, kann eine durchgehende Kontaktmetallisierung 8 als Gegen­ kontakt auf der Unterseite des Substrats 1 aufgebracht und zum Anschluß an die elektrische Masse genutzt werden.

Ein Laser mit verteilter Rückkopplung (DFB, DBR) besitzt ein einfrequentes Emissionsspektrum und ist daher für bestimmte An­ wendungen besonders geeignet. Eine erfindungsgemäße Anordnung mit einem Gitter 10 auf dem laseraktiven Streifen 3 ist in Fig. 3 dargestellt. Das Gitter 10 befindet sich bei diesem Aus­ führungsbeispiel zwischen dem laseraktiven Streifen 3 und der Deckschicht 2. Es kann statt dessen zwischen dem Substrat 1 und dem laseraktiven Streifen 3 angeordnet sein. Der auf der Deck­ schicht 2 aufgebrachte Kontakt 6 kann in zwei oder mehrere in Längsrichtung des Wellenleiters aufeinanderfolgende voneinander getrennte Abschnitte 61, 62 unterteilt sein. Dann können ver­ schiedene Abschnitte der Laserdiode getrennt mit verschiedenen Strömen angesteuert werden, so daß ihre Emissionsfrequenz durchgestimmt werden kann. Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine Alternative mit semiisolierendem Substrat 1 gezeichnet. Auch in dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1 kann ein semiisolierendes Substrat 1 verwendet werden, wenn z. B. wie in Fig. 3 eine für elektrische Leitfähigkeit des ersten Leitfähigkeitstyps (n-Leitung) dotierte Zwischen­ schicht 9 zwischen dem Substrat 1 und dem laseraktiven Streifen 3 vorgesehen ist. Diese Zwischenschicht 9 wird in einem Bereich der Oberfläche freigelegt und kontaktiert. Dieser Kontakt ist in Fig. 3 nicht eingezeichnet.

Für die Materialien der einzelnen Teile der Strukturen ergeben sich z. B. folgende Möglichkeiten:

• 1. Der vergrabene passive Wellenleiter 4, die Wellenleiter­ schicht 41 und die darauf befindlichen Streifen 71, 72 bestehen aus dem gleichen Material, z. B. InGaAsP.
• 2. Die Wellenleiter bestehen insgesamt aus Halbleitermaterial, aber der vergrabene passive Wellenleiter 4 hat eine andere Zu­ sammensetzung als die Rippenwellenleiter, die durch die Wellen­ leiterschicht 41 und die Streifen 71, 72 gebildet sind. Insbe­ sondere können die Rippenwellenleiter in dem Koppelbereich auch aus organischen Polymeren bestehen.
• 3. Die Streifen 71, 72 haben eine andere Zusammensetzung als die Wellenleiterschicht 41. Sie können z. B. aus Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid bestehen oder aus InP, während die Wellen­ leiterschicht 41 aus InGaAsP besteht.

Claims (4)

1. Monolithisch integrierte Laserdiode-Koppler-Kombination mit zwei über die ganze Kombination und in einer Ebene liegend gradlinig parallel geführten Wellenleitern,
die in einem für Kopplung vorgesehenen Bereich durch eine Wel­ lenleiterschicht (41) und jeweils einen darauf befindlichen Streifen (71, 72) aus Halbleitermaterial als Stegwellenleiter ausgebildet sind und
die in einem für die Integration der Laserdiode vorgesehenen Bereich als streifenförmige vergrabene Heterostruktur ausgebil­ det sind, die einen in Halbleitermaterial niedrigeren Bre­ chungsindexes vergrabenen passiven Wellenleiter (4) und einen ebenfalls in Halbleitermaterial niedrigeren Brechungsindexes vergrabenen laseraktiven Streifen (3) aufweist, wobei dieser laseraktive Streifen (3) zwischen mit Kontakten (6, 8) versehe­ nen Halbleitermaterialien, die für elektrische Leitfähigkeit unterschiedlichen Vorzeichens dotiert sind, angeordnet und mit Maßnahmen zur Erzielung einer Laserresonanz versehen ist.

2. Laserdiode-Koppler-Kombination nach Anspruch 1, bei der als Maßnahme zur Erzielung einer Laserresonanz ein DFB- oder ein DBR-Gitter (10) bezüglich der Schichtebenen ober- oder unterhalb des laseraktiven Streifens (3) vorhanden ist.

3. Laserdiode-Koppler-Kombination nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Länge des laseraktiven Streifens (3) auf der den Stegwellenleitern abgewandten Seite durch einen senkrecht zur Schichtebene und zur Längsrichtung des Streifens verlaufenden Graben (5) begrenzt ist.

4. Laserdiode-Koppler-Kombination nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der ein Abschnitt (31) des laseraktiven Streifens (3) auf der den Stegwellenleitern abgewandten Seite mit einem separaten Kontakt (61) versehen ist.