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Zusammenhängende Anmeldungen
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Die
vorliegende Anmeldung hängt
mit der US-Patentanmeldung Serien-Nr. 60/122,194 zusammen, die am
1. März
1999 eingereicht wurde.
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Hintergrund der Erfindung
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Halbleiterlaser, und insbesondere
auf abstimmbare Halbleiterlaser.
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2. Beschreibung des Standes
der Technik
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Es
gibt eine Vielzahl von Halbleiterlaserkonstruktionen, bei denen
die Wellenlänge
dadurch abgestimmt werden kann, dass Strom in einen Bereich eingeleitet
wird, der eine gewisse spektrale Filtercharakteristik aufweist.
Beispiele dieser moderat abstimmbaren Vorrichtungen, wie z.B. der
Laser mit verteilem Bragg-Reflektor,
der aus einem Zunahmebereich, einem Phasensteuerungsbereich und
einem Gitterspiegel besteht, und weit abstimmbare Laser, die eine
Abstimmung mit dem Vernier-Effekt einsetzen, wie die Laser mit verteiltem
Bragg-Reflektor und mit abgetastetem Gitter. Bei all diesen Vorrichtungen ist
eine präzise
Steuerung des Abstimmungsstromes erforderlich, um die gewünschte Ausgabewellenlänge zu erreichen.
Das Maß an
Strom, das erforderlich ist, um eine gegebene Wellenlänge zu erreichen, kann
mit der Vorrichtungstemperatur und außerdem mit der Alterung variieren.
Mit der Zeit, wenn der Laser altert, verursachen Veränderungen
des Leckagestroms und die Trägerlebensdauer
in den Abstimmungsbereichen, dass die Wellenlänge driftet. Diese Variation
in den Abstimmungsei genschaften erfordert die Verwendung einer An
von Rückkopplungs-Steuerungssystem
für solche
abstimmbaren Laser zur Verwendung in Anwendungen, wo eine präzise Wellenlängensteuerung
beibehalten werden muss, wie z.B. dichte Wellenlängenabteilungs-gebündelte (WDM) Kommunikationssysteme.
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Einzelne
Wellenlängenvorrichtungen
wie z.B. vertriebene Rückkopplungslaser
sind ebenfalls einem Wellenlängendrift
unterworfen. Für
diese Vorrichtungen werden einfache Wellenlängen-Festlegungseinrichtungen
mit Temperatur- oder Strom-Rückführung verwendet,
um die Wellenlänge des
Lasers zu steuern.
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Diese
Wellenlängen-Festlegungseinrichtungen
sind jedoch nur in der Lage, die Laserwellenlänge auf einem einzigen Kanal
beizubehalten, so dass sie als abstimmbare Laser mit Vielfachkanal
unbrauchbar sind.
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Abstimmbare
Halbleiterlaser sind wichtige Komponenten für dichte Wellenlängenabteilungs-gebündelte fieberoptische
Netzwerke der nächsten
Generation.
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Mason
et al. haben in der IEEE Photonics Technology Letters, 1998, Seiten
1085 bis 1087 und in Conf. Digest of the Semiconductor Laser Conference,
1998, Seiten 267 bis 268 einen Laser beschrieben, der monolithisch
auf einer gemeinsamen Struktur hergestellt ist, wobei Licht, das
von dem Laser entnommen wurde, das durch einen Lichtwellenleiter
mit Zwei-Modi-Interferenz (TMI) geleitet wird. Mit diesem TMI-Lichtwellenleiter
werden zwei durch einen Lichtwellenleiter erzeugte, Wellenlängen-abhängige optische
Signale erzeugt, welche durch zwei Detektoren in elektrische Signale
umgewandelt werden.
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Was
gebraucht wird, ist ein frequenzstabiles, abstimmbares Lasermodul,
dessen Ausgabefrequenz sich mit der Zeit nicht verändert. Die
Vorrichtung sollte auf einem Chip integriert, kompakt und kosteneffizient
sein. Es sollte einen weiten abstimmbaren Bereich aufweisen und
für eine
Hochgeschwindigkeitsdatenüber tragung
unter direkter Modulation in dichten WDM-Netzwerken mit vielfachen Kanälen verwendbar
sein.
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Kurze Zusammenfassung
der Erfindung
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Diese
und andere Aufgaben werden gemäß der Erfindung
durch ein optisches Gerät
mit integriertem monolithischen Halbleiter zum Erzeugen spezieller
Wellenlängen
innerhalb einer breiten optischen Bandbreite erreicht, wie im unabhängigen Anspruch 1
definiert ist. Vorteilhafte Ausführungsformen
sind in den abhängigen
Ansprüchen
dargelegt. Vorteile der vorliegenden Erfindung werden Fachleuten
offensichtlich werden.
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Was
entwickelt worden ist, ist ein Wellenlängen-Überwachungsgerät, das auf
der Übertragungsantwort
eines optischen Filters zur Verwendung in der Steuerung der Wellenlänge eines
abstimmbaren Lasers basiert. Dieses Überwachungsgerät kann eine
Rückkopplung über die
Wellenlänge
des Lasers über
einen breiten abstimmbaren Bereich vorsehen, so dass dieser in die
Lage versetzt wird, die Vorrichtung auf irgendeine gegebene Wellenlänge oder
einen Kanal innerhalb seines abstimmbaren Bereichs festzulegen.
Es kann außerdem
in Kombination mit herkömmlichen
externen Festlegungseinheiten verwendet werden, um präziser auf
eine bestimmte Wellenlänge
innerhalb eines gegebenen Kanals abzustimmen.
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Die
Erfindung ist außerdem
ein Verfahren zum Integrieren der Wellenlängen-Überwachungseinheit
direkt auf dem Chip mit einer Vielzahl von abstimmbaren Halbleiterlasern.
Dies resultiert in einer wesentlich kompakteren und kosteneffizienteren
Vorrichtung.
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Die
Erfindung umfasst ein Verfahren zum Steuern der Wellenlänge eines
abstimmbaren Lasers durch Verwendung einer Wellenlängen-Überwachungseinheit,
um das ausgegebene Licht zu messen und eine Rückkopplung an ein Steuerungssystem
vorzusehen. In der bevorzugten Ausführungsform sind der Laser und
die Wellenlängen-Überwachungseinheit
zusammen auf einem einzigen Indium-Phosphid-Chip integriert.
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Die
Technik ist zu Steuerung von Lasern nützlich, die durch Stromeinspeisung
in Bereiche abgestimmt werden, die eine Bandlückenenergie aufweisen, die
größer ist
als die Laserwellenlänge.
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Die
Wellenlängen-Überwachungseinheit
umfasst ein Wellenlängen-Filterelement
und ein Paar von Detektorelementen. In einer Ausführungsform sind
diese Elemente durch Verwendung von Detektoren mit verschiedener
Bandlücke
kombiniert, die in Reihe angeordnet sind. In anderen Ausführungsformen
wird ein separater Filter mit einer Wellenlängen-abhängigen Übertragungsfunktion vor den
Detektoren platziert. In einigen dieser Ausführungsformen ist dieser separate
Filter als ein Wellenlängen-abhängiger Splitter
konstruiert, um einen Ausgabestrahl vorzusehen, der in lateraler
Richtung von einem Detektor zu dem anderen als eine Funktion der Wellenlänge (sehr
wie ein Prisma) aufgeteilt ist; in anderen Ausführungsformen wird die Ausgabe
des Lasers zuerst in zwei Strahlen aufgesplittet, und ein Wellenlängen-abhängiger Übertragungsfilter
wird nur in einen dieser Strahlen vor der Beleuchtung der Detektoren
platziert. In allen Fällen
sieht das Erfassen der Differenz zwischen den Fotoströmen in den
zwei Detektoren und die Normalisierung durch Teilen der Summe ein
Maß der
Wellenlänge
des integrierten Lasers vor. In allen Fällen ist die Netzfilterfunktion
derart konstruiert, dass der normalisierte Differenzstrom monoton
ist und von einem Minimum bei einem Ausmaß des Abstimmungsbereiches
des Lasers bis zu einem Maximum des anderen Ausmaßen variiert. Diese
Vorgehensweise kann eine Kanalidentifikation über dieses gesamte Band der
Wellenlängen
vorsehen, und es kann die Funktion von bestehenden externen Wellenlängen-Festlegungseinheiten,
die nur innerhalb der Spannweite eines Kanals festlegen, ergänzen oder
ersetzen.
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Die
Erfindung, die zusammengefasst worden ist, kann besser anhand der
folgenden Zeichnungen visualisiert werden, wobei gleiche Elemente
mit gleichen Bezugszeichen benannt sind.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist eine perspektivische
Schemazeichnung eines abstimmbaren Lasers, der nach dem Stand der
Technik hergestellt wurde.
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2 ist eine Graphik der Wellenfunktions-Intensität, welche
das Überlappen
von Zwei-Modi-Interferenzwellenlängenmodi
mit einem Lasermode in einem TMI-Wellenlängenbereich als eine Funktion
der lateralen Dimension zeigt.
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3a ist eine Seitenquerschnittsansicht
eines aktiven Bereichs des Lasers.
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3b ist eine seitliche Querschnittsansicht eines
passiven Bereich des Lasers.
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4 ist eine perspektivische
Schemadarstellung eines Beispiels eines abstimmbaren Lasers, der
gemäß dem Stand
der Technik hergestellt wurde, in der eine verborgene Herostruktur
vorgesehen ist.
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5 ist eine Graphik der normalisierten
Detektorantwort als eine Funktion der Wellenlänge für das Beispiel nach 4, welche die sinusförmige Wellenlängen-Abhängigkeit
zeigt.
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6 ist eine Graphik der Fasereinspeisungsenergie
und des Detektorstroms als eine Funktion des Betriebsstroms für das Beispiel
nach 4 mit festgelegten
Abstimmungsströmen.
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7a ist eine Schemadarstellung
einer Ausführungsform
eines abstimmbaren Lasers, welcher in Reihe geschaltete Detektoren
gemäß der vorliegenden
Erfindung beinhaltet.
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7b ist eine Graphik der
Fotoströme
von zwei Detektoren, gezeigt als eine Funktion der Wellenlänge gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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8 ist ein schematisches
Diagramm eines Beispiels eines abstimmbaren Lasers, bei welchem die
Wellenlängen-Überwachungseinheit
mit externen oder nicht-integrierten Komponenten implementiert ist.
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9 ist eine schematische
Ansicht der oberen Ebene von noch einer weiteren Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung, welche eine externe Wellenlängen-Überwachungseinheits-Implementierung
eines dielektrischen Filters in einer planaren Lichtwellenschaltkreisplattform
verwendet.
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10 ist ein schematisches
Diagramm einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, bei welcher die Reflektion von einem
Wellenlängenabhängigen dielektrischen
Film verwendet wird, um die Wellenlängen-Überwachungseinheit zu implementieren.
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11 ist ein schematisches
Diagramm einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, bei welcher die Reflektion von einem
Wellenlängenabhängigen dielektrischen
Film verwendet wird, um die Wellenlängen-Überwachungseinheit wie in dem
Fall von 10 zu implementieren,
aber ohne Verwendung eines Strahlsplitters.
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12a–12f sind
schematische Zeichnungen der in den 1, 4, 7, 8, 10 und 11 gezeigten Ausführungsformen bzw. -beispiele.
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Die
Erfindung und ihre vielfachen Ausführungsformen können besser
im Anbetracht der folgenden detaillierten Beschreibung und der illustrierten
Ausführungsformen
verstanden werden. Es muss ausdrücklich
verstanden werden, dass die Erfindung, wie sie in den folgenden
Patentansprüchen
definiert wurde, nicht auf die illustrierten Ausführungsformen begrenzt
ist.
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Detaillierte
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Abstimmbare
Halbleiterlaser sind wichtige Komponenten für dichte Wellenlängenabteilungs-gebündelte fieberoptische
Netzwerke der nächsten
Generation. Der breite Abstimmungsbereich und die Fähigkeit
für eine
Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung
entweder unter direkter oder externer Modulation des Lasers mit
abgestimmten Gitter und verteiltem Bragg-Reflektor (SGDBR) macht
sie besonders zur Verwendung in dichten WDM-Netzwerken mit vielfachen
Kanälen
attraktiv. Diese Laser stimmen über breite
Wellenlängenbereiche
durch Verwenden der Vernier-Effekt-Abstimmung ab. Die Wellenlängen-Steuerung
in diesen Vorrichtungen erfordert die Ausrichtung der Reflektionsmaxima
von den vorderen und hinteren Spiegel mit dem Kavitätsmodus
an der gewünschten
Wellenlänge.
Dies bedingt die Steuerung von vier separaten Abstimmungsströmen, um
eine komplette Wellenlängenabdeckung über den
gesamten Abstimmungsbereich zu erreichen. Es ist möglich, die
ausgegebene Wellenlänge
und Intensität
rückzukoppeln,
um die Vorrichtung bei dem optimalen Betriebspunkt für eine gegebene
Wellenlänge
festzulegen.
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Bestehende
Vorrichtungen zur Überwachung
der Wellenlänge
und der Ausgabeenergie eines abstimmbaren Lasers sind zu kompliziert
und teuer für
praktische Anwendungen. Was entwickelt worden ist, ist eine kompakte
integrierte Wellenlängen-Überwachungseinheit,
die auf einem Chip mit einem abstimmbaren Laser hergestellt werden
kann, um die Wellenlänge
und die Ausgabeenergie rückzukoppeln.
In einem Beispiel ist eine externe Version derselben Überwachungseinheit
gegeben, die sehr preiswert und hochstabil ist.
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In
dem Beispiel umfasst das Gerät
der Erfindung einen SGDBR-Laser, der mit einem Wellenlängen-abhängigen Splitter
gekoppelt ist und ein Paar von integrierten Detektoren. Eine Schemadarstellung der
Vorrichtung ist in 1 gezeigt.
Der Laser, der im Allgemeinen durch das Bezugszeichen 10 bezeichnet
ist, ist eine Lichtwellenleitervorrichtung mit 3 µm breitem
Kamm, der vier separate Elemente umfasst. Dieses beinhalten zwei
abgestimmte Gitter-DBR-Spiegel 12a und 12b und
Bereiche zur Zunahmesteuerung 14 und Phasensteuerung 16.
Durch Steuern des Einspeisestroms in die Zunahmesteuerung 14 und
die Phasensteuerung 16 kann erreicht werden, dass der Laser über mehr
als 40 nm mit kontinuier licher Wellenlängenabdeckung abgestimmt werden
kann. An dem Ausgang 18 des hinteren Spiegelbereichs 12b ist
der Laserlichtwellenleiter asymmetrisch in einen Zwei-Modi-Interferenz
(TMI) Lichtwellenleiter 20 eingekoppelt. An dem Ende des TMI-Bereichs 20 ist
ein Y-Verzweigungssplitter 22, der das Licht an ein Paar
von Ausgabedetektoren 24a und 24b aufteilt. Diese
verhältnismetrische
Konstruktion resultiert in eine kompakte, leicht hergestellte Wellenlängenüberwachungseinheit,
die im Allgemeinen durch das Bezugszeichen 26 bezeichnet wird.
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Die
verallgemeinerte, in transverser Richtung aktive Vorrichtungsstruktur,
wie in der seitlichen Querschnittsansicht von 3a dargestellt ist, umfasst eine dicke
Lichtwellenleiterschicht 28 für eine höhere Bandlückenenergie mit abgesetzten,
vielwertigen reaktoraktiven Bereichen 30. Der Lichtwellenleiter 30,
der in dem illustrierten Ausführungsbeispiel ein
Lichtwellenleiter mit 400 nm, 1,4 Q ist, ist auf einer 300 nm Pufferschicht 32 des
N-Typs angeordnet. Die dicke Lichtwellenleiterschicht 28 mit
hoher Bandlücke
ist notwendig für
eine gute Trägerinduzierte
Indexveränderung
in den Abstimmungsbereichen, welche abgestimmte Gitter-DBR-Spiegel 12a und 12b und
Bereiche zur Zunahmesteuerung 14 und Phasensteuerung 16 aufweisen.
In dem Fall des aktiven Bereichs nach 3a ist
eine InP-Ätzungs-Stoppschicht 34 auf
der Lichtwellenleiterschicht 28 angeordnet, auf welcher
wiederum eine reaktoraktive Schicht 30 angeordnet ist.
In dem Falle eines passiven Bereichs werden die Schichten 34 und 30 beseitigt.
Nichtabsorbierende passive Elemente, wie in der seitlichen Querschnittsansicht
nach 3b gezeigt ist,
werden durch selektives Beseitigen des Quantenreaktors auf der Oberseite
des Lichtwellenleiters 28 gebildet. Ein Kamm 36 vom
p-Typ InP wird dann auf die Quantenreaktorschicht 30 in
dem Fall eines aktiven Bereichs, wie in 3a gezeigt, oder auf dem Lichtwellenleiter 28 in
dem Fall eines passiven Bereichs, wie in 3b gezeigt, angeordnet. Eine 100 nm Kontaktschicht 38 aus
InGaAs wird dann auf der Oberseite des Kammes 36 angeordnet.
Die Verwendung der abgesetzten Quantenreaktoren 30 erlaubt die
Ausbildung von aktiven und passiven Bereichen in einem einzigen
Lichtwellenleiter ohne eine Stoßfugenausbildung
durchführen
zu müssen.
Dies ermöglicht
es, dass die Vorrich tung mit nur zwei chemischen Dampfabscheidungs-(MOCVD)-Wachstumsschritten
hergestellt werden kann.
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Licht,
das von dem Laser 10 in den TMI-Bereich 20 eingekoppelt
wird, regt die zwei lateralen Modi der untersten Ordnung des Lichtwellenleiters an,
wie in der Graphik nach 2 gezeigt
ist. Diese Modi verbreiten sich mit verschiedenen Phasengeschwindigkeiten,
was zu einem charakteristischen Ausschlagen in einem modalen Überlagerungsmuster
führt.
Die Ausschlagslänge
ist abhängig
von der Differenz der Ausbreitungskonstanten für die zwei Modi, welche jeweils
von der Wellenlänge
des Lichts abhängen.
An dem Ende des TMI-Bereichs 20 splittet ein Y-Verzweigungssplitter 40 das
Licht in ein Paar von Ausgabelichtwellenleitern 42a und 42b mit
einem Wellenlängen-abhängigen Aufsplittungsverhältnis auf.
Indem der TMI-Bereich 20 lang genug ausgebildet wird, um
verschiedene Ausschlagslängen
zu beinhalten, wirkt das Aufsplittungsverhältnis in zunehmenden Maße sensibel
auf die Wellenlänge
des Lasers 10. Die gesamte Energie aus der Rückseite 18 des
Lasers 10 kann durch Addieren der Ströme aus beiden Detektoren 24a und 24b bestimmt
werden. Das Wellenlängen-abhängige Signal
wird auf diese Summe normalisiert, um die Energieabhängigkeit
zu beseitigen. Dies resultiert in ein sinusförmiges Ausgabesignal, das mit
der Wellenlänge
variiert. Der TMI-Lichtwellenleiter 20 ist an seinen Enden
breit ausgebildet, um die optische Ankopplung zu verstärken, und
verjüngt
sich quadratisch entlang seines mittleren Interferenzbereichs, um
die modale Dispersion zu erhöhen.
Der Splitter 40 verwendet eine Y-Verzweigungskonstruktion,
um die eintreffende optische Energie in zwei Ausgabelichtwellenleiter 42a und 42b aufzuteilen.
Die Ausgabelichtwellenleiter 42a und 42b beinhalten
die Fotodetektoren 24a bzw. 24b, welche die aufgeteilte
Lichtintensität
messen. Große
Detektorausmaße
werden verwendet, um eine Sättigung
ihrer Absorption durch hohe optische Energieniveaus zu verhindern,
die in dem fotonischen integrierten Schaltkreis festgestellt wurden.
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Die
Detektorsignale können
dann an einen herkömmlichen
Prozessor oder Steuerungsschaltkreis (nicht gezeigt) angekoppelt
werden, wo das Steuerungssignal aus dem Verhältnis der Detektionssignale
erzeugt wird, bei Bedarf normalisiert wird, und dann an den Laser 10 angekoppelt
wird, um eine entsprechende Abstimmungssteuerung vorzusehen. Die
Weise, auf welche die Daten oder Signale gemäß den Lehren der Erfindung
verarbeitet werden, ist herkömmlich
und werden daher nicht weiter im Detail illustriert werden. Es wird
betrachtet, dass der Prozessor oder der Steuerungsschaltkreis in
dem Chip integriert oder zusammengesetzt werden wird, oder wie in
der unteren 8 extern
vorgesehen wird.
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Ein
Schlüsselvorteil
der TMI-Wellenlängen-Überwachungseinheit 26 ist,
dass sie unter Verwendung von vielen Schritten hergestellt werden kann,
die für
abstimmbare Laser 10 erforderlich sind, was es relativ
einfach macht, ihn auf dem Chip zu integrieren. Es gibt acht Hauptschritte
in den Herstellungsverfahren für
den SGDBR-Laser mit der integrierten Wellenlängen-Überwachungseinheit. Zuerst wird
eine Basisstruktur 44 unter Verwendung von nahem atmosphärischen
MOCVD mit Tertiarybutlyphosphin und Tertiarybutylarsin für die Gruppe
der V-Quellen gezüchtet. Die
transverse Struktur für
die aktiven und passiven Bereiche sind in den 3a bzw. 3b gezeigt.
Passive Bereiche werden ausgebildet, indem selektiv die (nicht gezeigt)
Kappenschicht und dann die Quantenreaktoren 30 weggeätzt werden.
Die Gitter 12a und 12b werden dann für die Laserspiegel
unter Verwendung eines Trockenätzverfahrens
ausgebildet.
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In
dem zweiten MOCVD-Schritt werden eine 2 µm-InP-Obermantelschicht 36 und
eine 100nm-InGaAs-Kontaktschicht 38 wieder gezüchtet. Die Kamm-Lichtwellenleiter
werden auf innerhalb von 200 nm der Lichtwellenleiterschicht unter
Verwendung eines Metan-Hydrongen-Argon (MHA RIE) Ätzmittels
geätzt.
Ein Nassätzmittel
(HCL : H3PO4) wird dann
verwendet, um die letzten 200 nm zu beseitigen und auf dem Lichtwellenleiter 28 zu
stoppen. Das Trockenätzen
wird durchgeführt,
um die geraden Seitenwände
in dem gebogenen Lichtwellenleiterbereich beizubehalten, während das
letzte Nassätzen die
Uneinheitlichkeit in dem MHA RIE kompensiert und eine konsistente Ätztiefe
vorsieht. Eine SiNx-Schicht (nicht gezeigt)
wird verwendet, um die Oberfläche
mit selbstausrichtenden Öff nungen
an den Kammoberseiten für
die Ti/Au-p-Kontakte 13 zu passivieren. Die Isolation zwischen
den angrenzenden Laserbereichen und zwischen den Detektoren wird
durch Wegätzen
der Kontaktschicht 38 und durch Durchführen einer tiefen (nicht gezeigten)
Protonenimplantierung erreicht. Dieser Schritt ist wesentlich zum
Vorsehen einer guten Isolierung zwischen den entgegengesetzt aufgeladenen
Detektoren 24a und 24b und den nach vorne hin
aufgeladenen Laserbereichen 10. In den letzten Schritten
wird die Vorrichtung auf 100 µm
Dicke poliert, und ein rückwärtiger (nicht
gezeiger) Kontakt wird vor dem Kleben und Montieren abgeschieden.
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Es
ist auch möglich,
diese Vorrichtung mit einer verborgenen Heterostruktur herzustellen.
In diesem Fall kann der Y-Verzweigungssplitter und das Detektorpaar
von 1 immer noch verwendet
werden, aber in 4 werden
ein verjüngender
Lichtwellenleiter 46 mit zwei Detektoren 48a und 48b auf
jeder Seite verwendet, anstatt des Y-Verzweigungssplitters 40.
Der Ausgabemodus von dem TMI-Lichtwellenleiter 20 wird
dann auf den Bereich zwischen den Detektoren 48a und 48b abgebildet,
um ein positionssensitives Ausgabedifferenzmaß vorzusehen. Die Herstellung
ist ähnlich
gegenüber
dem Kammherstellungsverfahren außer, dass der Kamm geätzt wird
bevor das Wiederzüchten
und das Ätzen
vorfährt
bis komplett durch den Lichtwellenleiter 28 durchgeschnitten
wurde. Bei dem Wiederaufbau wird dann das InP-Material um den Kamm
wiederaufgebaut, um diesen komplett zu begraben. Die Kontaktschicht 38 wird
dann gemustert, so dass sie nur den Bereich abdeckt, der direkt über dem
begrabenen Kamm liegt, und ein Protonenimplantationsschritt wird
außerdem
verwendet, um eine laterale Stromausbreitung zu verhindern.
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Wenn
die Wellenlänge
des Lasers 10 abgestimmt wird, sehen die zwei Detektoren 48a und 48b komplementäre sinusförmige Antworten
zum Überwachen
der Wellenlänge
vor. Durch das Verhältnis der
Differenz zwischen den Detektorströmen zu der Summe der Detektorströme wird
ein einziges monotones variierendes Signal vorgesehen, welches Wellenlängen-abhängig und
Energieniveau-unabhängig ist,
wie in der Graphik nach 5 gezeigt
ist. Die Summe der zwei Detektorströme kann verwendet werden, um
die Laserausgabeenergie zu überwachen,
wie in der Graphik nach 6 gezeigt
ist. Der Strom vom Detektor 48a wird durch die Linie 46 dargestellt,
der Strom vom Detektor 48b wird durch die Linie 66 dargestellt,
und ihre Summe wird durch die Linie 68 dargestellt. Die
Punkte 70 zeigen die gemessene eingespeiste Energie in
die Ausgangsfaser. Es ist sowohl für dies als auch für den Betrieb
der Wellenlängen-Überwachungseinheit 26 wichtig,
dass die Fotodiodenantwort so linear wie möglich ist, und dass beide Detektoren 48a und 48b gut
aufeinander abgestimmt sind. Wiederum werden die Detektionssignale durch
einen einzigen Prozessor oder eine (nicht gezeigte) Steuerungseinheit
gemäß herkömmlichen Mitteln
in Übereinstimmung
mit den Lehren der Erfindung verarbeitet.
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Ein
Beispiel einer Wellenlängen-Überwachungseinheit 26 würde ein
Paar von Detektoren 24a und 24b einsetzen, die ähnlich gegenüber denjenigen
sind, die entweder in 1 oder 4 gezeigt sind, bei denen
die Bandlücke
des absorbierenden Bereichs der zwei Detektoren verschieden war.
Ein Detektor 24a würde
eine Bandlücke
aufweisen, die gering genug wäre,
um eine volle Absorption des einfallenden Lichtes vorzusehen, so
dass sein Detektionsstrom nur gegenüber der Fotonendichte proportional wäre. Der
andere Detektor 24b würde
eine höhere Bandlücke aufweisen,
so dass die Absorption mit der Wellenlänge des Lichts variieren würde. Dies
würde erreicht
durch Verwenden einer kurzen Detektorlänge mit einer Bandlückenenergie
werden, die etwas größer ist
als die kürzeste
Wellenlänge
des Lichts. Die Detektionsantwort würde dann monoton mit der Wellenlänge variieren.
Die Detektionssignale werden wiederum durch einen Signalprozessor
oder eine (nicht gezeigte) Steuerungseinheit gemäß herkömmlichen Mitteln in Übereinstimmung
mit den Lehren der Erfindung verarbeitet werden.
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Eine
mögliche
Ausführungsform
für die
Wellenlängen-Überwachungseinheit 26 würde ein
Paar von Detektoren 49a und 49b mit verschiedenen Bandlücken einsetzen,
die in Reihe entlang eines einzigen passiven Lichtwellenleiters
im An schluss an die Ausgabe 18 des Lasers 10 geschaltet
sind, wie in 7a dargestellt
ist. Wie gesehen werden kann, beseitigt diese Ausführungsform
den Bedarf eines Y-Verzweigungssplitters sowie den dispersiven TMI-dispersiven
Lichtwellenleiterbereich. Der hintere Detektor 49b ist
hoch absorbierend über
das gesamte Band, während
der vordere Detektor 49a eine Absorptionskante aufweist,
die nahe der kürzeren
Wellenlängenseite
des Abstimmungsbereichs beginnt, wie in 7b dargestellt ist. Dieser vordere Detektor 49a ist
relativ kurz, so dass er teilweise das einfallende Licht absorbiert,
so dass ungefähr
die Hälfte
davon in die Mittel des Abstimmungsbereichs des Lasers übertragen
wird. Damit würde
der Netzfotostrom für
die zwei Detektoren erscheinen, wie in 7b. Wie in anderen Fällen kann daher ein nicht-willkürliches
Auslesen der Wellenlänge
durch Verwenden des Verhältnisses
der Differenz zu der Summe der zwei Ströme erreicht werden. Ein Vorteil
dieser Ausführungsformen
ist, dass es viel kürzer
ist als solche, die TMI- und Y-Verzweigungsbereiche erfordern.
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Es
ist außerdem
möglich,
die Wellenlängen-Überwachungseinheit 26 unter
Verwendung einer externen Vorrichtung zu implementieren, wie in dem
schematischen Diagramm nach 8 gezeigt ist.
Bei diesem Beispiel wird ein dielektrischer Filter 50 mit
einer Wellenlängen-abhängigen Antwort
und ein Paar von Detektoren 52a und 52b verwendet.
Ein 10/90-faseroptischer Splitter 54 wird verwendet, um etwas
von dem ausgegebenen Licht von dem Laser 10 an die optische
Faser 57 abzuzapfen, welches unter Verwendung eines 3-dB-Kopplers 56 in
zwei separate optische Fasern 58a und 58b gesplittet
wird. Eine Faser 58b ist direkt mit einem Referenzdetektor 52b gekoppelt.
Der Detektor 52b überwacht
die Laserenergie. Die andere Faser 58a wiest einen Kollimator 60 mit
einem Filterelement 50 davor auf. Dies stellt eine Wellenlängen-abhängige Antwort
bereit. Das Signal von dem Detektor 52a wird in einen Steuerungsschaltkreis 62 aufgeteilt,
der an den Laser 10 angekoppelt ist, durch das Signal von
dem Referenzdetektor 52b, um ein Energie-unabhängiges Signal vorzusehen.
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Die
externe Vorrichtung, die in 8 dargestellt
ist, kann außerdem
auf eine sehr kompakte Weise unter Verwendung einer hybriden Technologie implementiert
werden, die in 9 gezeigt
ist. Der Laser ist genau auf einer ebenen Lichtwellenleiterschaltkreis
(PLC) Plattform 72 montiert, so dass die Energie, die entweder
von der Rückseite 74 oder
der Vorderseite 76 imitiert wird, in den PLC-Lichtwellenleiter 78 eingekoppelt
wird. Wenn die Vorderseite 76 verwendet wird, wird Licht
von dem Laser zuerst durch eine Lichtwellen-unabhängige 5/95-Anzapftstelle 80 geleitet,
so dass der Hauptteil des Lichts als Ausgabe verwendet werden kann.
Licht von der Rückseite 78 wird
vollständig
an die Überwachungseinheit 26 ohne
Anzapfung übertragen.
Der überwachte
bzw. angezapfte Teil des Lichts wird dann durch einen Lichtwellen-unabhängigen 3-dB-Splitter 82 geleitet,
welcher das Paar der Fotodetektoren 84a und 84b,
die ebenfalls mit der PLC Plattform 72 verbunden sind,
angekoppelt. Vor dem Detektor 84b ist ein Wellenlängen-Filterelement 86 eingefügt. Dies kann
entweder durch einen Lichtwellenleiter-Kopplungsfilter implementiert
werden oder der Lichtwellenleiter kann durchgeschnitten werden,
und der in 8 beschriebene
Filter wird in der Nut mit einem Index angepassten Epoxydkleber
platziert. Wieder werden die Detektionssignale durch einen einzigen Prozessor
oder eine (nicht gezeigte) Steuereinheit gemäß herkömmlichen Mitteln in Übereinstimmung mit
den Lehren der Erfindung verarbeitet.
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Eine
weitere Ausführungsform
der Wellenlängen-Überwachungseinheit 26 ist
als Diagramm in 10 gezeigt.
Diese Ausführungsform
verwendet eine Filterbeschichtung 88, die auf der Rückseite 74 des
Lasers 10 abgeschieden ist. Ein Y-Splitter 90 wird verwendet,
um das Licht in zwei Wege aufzuteilen. Ein Weg 94a fällt zusammen
mit einem Referenzdetektor 92a zum Messen der Lichtintensität, und der
andere Weg 94b reflektiert zurück von der Rückseite 74 mit
einem Einfallswinkel der kleiner ist als kritische Winkel. Eine
dünne Filmseitenbeschichtung 88 mit
einer Wellenlängen-abhängigen Reflektivität wird verwendet.
Die Intensität
des reflektierten Lichts variiert mit der Wellenlänge, so
dass ein Signal vorgesehen wird, welches zur Wellenlängen-Überwachung
in Detektor 92b ver wendet wird. Wiederum werden die Detektionssignale
durch einen einzigen Prozessor oder eine (nicht gezeigte) Steuerungseinheit
gemäß herkömmlichen
Mitteln in Übereinstimmung
mit den Lehren der Erfindung verarbeitet.
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Dieses
Verfahren wird außerdem
in der schematisch in 11 gezeigten
Ausführungsform verwendet,
ohne einen Y-Splitter 90, in dem man das Licht derart brechen
lässt,
dass ein Teil des Lichts mit der Seite 74 bei einem Winkel
zusammenfällt,
der größer als
der kritische Winkel θc ist, und ein Teil fällt bei einem Winkel ein, der
kleiner als der kritische Winkel θc ist.
Die Laserausgabe kann etwas gebogen sein, um die Teilung dieser
zwei Teile zu erleichtern, und um eine Rückkopplung in den Laserbereich
zu verhindern. Licht von der Rückseite 74 wird
durch eine Wellenlängen-abhängige Seitenbeschichtung 88 bei
einem Winkel gegenüber
der Seite 74 reflektiert. Der Anteil des Lichts, der einer
totalen internen Reflektion 98 unterworfen wurde, wird
durch einen Referenzdetektor 100a gesammelt, und der Anteil, der
einer Wellenlängen-abhängigen Reflektion
unterworfen wird, wird durch einen zweiten Detektor 100b gesammelt.
Die Funktion der Seitenbeschichtung 88 kann außerdem durch
ein integriertes Gitter erreicht werden, ähnlich zu denen, die in dem
abstimmbaren Laser ausgebildet sind.
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Viele Änderungen
und Modifikationen können
durch Fachleute gemacht werden ohne von dem Umfang der Erfindung
abzuweichen. Daher muss es verstanden werden, dass das illustrierte
Ausführungsbeispiel
nur für
die Zwecke eines Beispiels dargelegt worden sind, und dass es nicht
als Begrenzung der Erfindung wie durch die folgenden Patentansprüche definiert
ist, verstanden werden darf. Trotz der Tatsache, dass die Elemente
eines Anspruchs unten in einer bestimmten Kombination dargelegt
sind, muss z.B. ausdrücklich
verstanden werden, dass die Erfindung andere Kombinationen mit weniger,
mehr oder verschiedenen Elementen umfasst, welche oben offenbart
sind, sogar wenn diese nicht in solchen Kombinationen beansprucht
sind.
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Die
Wörter,
die in dieser Beschreibung verwendet werden, um die Erfindung und
seine verschiedenen Ausführungsformen
zu beschreiben, dürfen
nicht nur in ihren gemeinhin definierten Bedeutungen verstanden
werden, sondern beinhalten durch spezielle Definition in dieser
Beschreibungsstruktur Materialien oder Maßnahmen, die über den Umfang
der gemeinhin definierten Bedeutungen hinaus geht. Falls ein Element
in dem Zusammenhang dieser Beschreibung so verstanden werden kann, dass
es mehr als eine Bedeutung beinhaltet, dann muss seine Verwendung
in einem Patentanspruch daher als Oberbegriff für alle möglichen Bedeutungen, die durch
die Beschreibung gestützt
werden und durch das Wort selbst verstanden werden.
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Die
Definitionen der Worte oder Elemente der folgenden Patentansprüche sind
daher in dieser Beschreibung definiert worden, um nicht nur die Kombination
der Elemente zu beinhalten, die wörtlich dargelegt sind, sondern
alle äquivalenten
Strukturen, Materialien oder Maßnahmen,
um im Wesentlichen dieselbe Funktion auf im Wesentlichen dieselbe
Weise durchzuführen,
um im Wesentlichen dasselbe Ergebnis zu erhalten. In diesem Sinne
wird daher erwogen, dass es eine äquivalente Substitution von
zwei oder mehr Elementen für
irgendeinem der Elemente in den folgenden Patentansprüchen gemacht
werden kann, oder dass ein einziges Element durch zwei oder mehr
Elemente in einem Patentanspruch ersetzt werden kann.
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Unwesentliche
Veränderungen
von dem beanspruchten Gegenstand werden von einem Fachmann, gleichgültig, ob
bereits bekannt oder später hergeleitet,
ausdrücklich
als äquivalent
innerhalb des Umfangs der Patentansprüche angesehen. Daher werden
offensichtliche Substitutionen, die einem Fachmann jetzt oder später bekannt
sind, als zum Umfang der definierten Elemente zugehörig definiert.
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Die
Patentansprüche
müssen
daher derart verstanden werden, dass sie beinhalten, was ausdrücklich oben
dargestellt und beschrieben wurde, was vom Konzept her äquivalent
ist, was offensichtlich ersetzt werden kann und außerdem was
im Wesentlichen die wesentliche Idee der Erfindung beinhaltet.