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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft allgemein Laseraufbauten und insbesondere ein
Verfahren zum Umwandeln einer optischen Wellenlänge unter Verwendung eines
weitgehend einstellbaren bzw. abstimmbaren Laseraufbaus mit integriertem
Modulator.
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Kurze Beschreibung des
verwandten Standes der Technik
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Ein
Lasertransmitter für
faseroptische Netzwerke muß Signale
mit einer gegebenen stabilen Wellenlänge bereitstellen, die mit
einer gewünschten Rate
mit geringem Chirp und einer geeigneten, in die optische Faser eingebrachten
Energie moduliert sind. Derzeitige Netzwerke weisen nicht weniger
als 100 Wellenlängenkanäle auf,
wobei jedem Kanal ein Laser zugeordnet ist und jeder Laser einen
externen Modulator aufweist. Eine bedeutend größere Effizienz könnte mit
einem Lasertransmitter und einem Modulator auf einem Chip erzielt
werden, wobei der modulierte Laser so eingestellt werden kann, daß jeder
Kanal eines Systems abgedeckt wird. Photonische Integration kann
verwendet werden, um einen Lasertransmitter auf einem Chip bereitzustellen,
wie es im Stand der Technik gut bekannt ist. 1 zeigt ein
Blockdiagramm einer Struktur, die verwendet werden kann, um dies
zu erreichen. Während
die photonische Integration in der Technik gut bekannt ist, konzentrierten
sich andere Versuche im Stand der Technik auf die Integration von
Lasern, die nicht weitgehend einstellbar sind. Kobayashi, N., Noda,
A., Watanabe, T., Miura, S., Odagawa, T., Ogita, S. "2.5-Gb/s-1200-km
transmission of electroabsorption modulator integrated DFB laser
with quarterwavelength-shifted corrugation", IEEE Photonics Technology Letters,
Band 11, (Nr. 8), IEEE, Aug. 1999, S. 1039–41; Delprat, D., Ramdane,
A., Silvestre, L.; Ougazzaden, A., Delorme, F., Slempkes, S. "20-Gb/s integrated
DBR laser-EA modulator by selective area growth for 1.55-mu m WDM
applications", IEEE
Photonics Technology Letters, Band 9, Nr. 7, IEEE, Juli 1997, S.
898–900.
Im Hinblick auf die Lehren aus dem Stand der Technik im allgemeinen
und aus dem Stand der Technik betreffend in beschränktem Maße einstellbare
Vorrichtungen im besonderen lassen große Einstellbereiche die Erzielung
einer angemessenen Leistung dieser funktionalen Blöcke als
nicht naheliegend erscheinen. Es werden Techniken der photonischen
Integration benötigt,
um eine weitgehend einstellbare Laservorrichtung mit integriertem Modulator
herzustellen.
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Beispielsweise
beschreibt die Veröffentlichung
von Kim, B. S. et al. mit dem Titel "Dynamic Analysis of Widely Tunable Laser
Diodes Integrated with Sampled- and Chirped-Grating Distributed Bragg
Reflectors and an Electroabsorption Modulator", IEICE Transactions on Electronics,
Institute of Electronics Information and Comm. Eng., Tokio, JP, Band
E81-C, Nr. 8, August 1998, Seiten 1342–1349, bezüglich der Wellenlänge einstellbare
Laserdioden, die entscheidende Komponenten einer großen Vielzahl
von WDM- und Paketvermittlungsarchitekturen sind. Auch bezüglich der
Wel lenlänge
eingestellte kurze Pulse, die von den Halbleiterlaserdioden erzeugt
werden, sind für
die Entwicklung von Ultrahochgeschwindigkeits- und optischen WDM-Kommunikationssystemen
von großer
Bedeutung. In den vergangenen Jahren wurden sowohl kontinuierlich als
auch diskontinuierlich einstellbare Laser, die periodisch abgetastete
und gechirpte Gitter beinhalten, theoretisch und mittels Experimenten
untersucht. Diese Laserdioden zeigen den großen Einstellbereich von mehr
als 60 nm, stabile Laserbedingungen und ein großes Nebenmoden-Unterdrückungsverhältnis. Direkt
modulierte Halbleiterlaserdioden, selbst diejenigen mit einer einzigen
Mode, zeigen während
der Ein/Aus-Modulation einen dynamischen Frequenzchirp. Die dynamische
Vergrößerung der
Linienbreite, die durch einen solchen großen Frequenzchirp verursacht
wird, kann die Leistung von optischen Hochgeschwindigkeits-Fernkommunikationssystemen
signifikant beeinträchtigen.
Die CW-Laserdioden,
die in einem externen EA-Modulator integriert sind, stellen bei
der Realisierung der optischen Hochgeschwindigkeitssysteme mit geringem
Chirp einen Durchbruch dar. Auch die Erzeugung kurzer Pulse unter
Verwendung des externen Modulators wurde experimentell umgesetzt,
wobei das optische Schalten (optical gating) des Elektroabsorptionsmodulators
das Prinzip der Pulserzeugung ist. In diesem Dokument werden weitgehend
einstellbare Laserdioden, die periodisch abgetastete und gechirpte
Gitter und einen externen Modulator beinhalten, unter Verwendung
eines verbesserten dynamischen Zeitbereichsmodells analysiert. Erstens
wird gezeigt, daß das
verbesserte Modell beim Simulieren der komplexen Laserdioden mit
aktiven und passiven Abschnitten sehr leistungsfähig ist. Auch werden die dynamischen
Eigenschaften der DBR-Laserdioden mit Abtastgitter und der DBR-Laserdioden
mit gechirptem Gitter untersucht. Zweitens werden die Modulationscharakteristika
der in dem externen Elektroabsorptionsmodulator integrierten Laserdiode
untersucht. Es wird gezeigt, daß die
externe Modulation der direkten Modulation im Hinblick auf den geringeren
Frequenzchirp überlegen
ist. Des weiteren wird die Pulserzeugung durch das optische Schalten
des externen Modulators in der Theorie beobachtet.
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Die
Veröffentlichung
von Kim et al. offenbart eine einstellbare Laserdiode mit mehreren
Abschnitten mit einem integrierten externen Elektroabsorptionsmodulator,
der einen einzigen elektrischen Kontakt beinhaltet.
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In
einem weiteren Beispiel beschreibt die Veröffentlichung von Koch, T. L.
et al. mit dem Titel "Semiconductor
Photonic Integrated Circuits",
IEEE Journal of Quantum Electronics, IEEE, Inc., New York, Band
27, Nr. 3, 1. März
1991 (1991-03-01), Seiten 641–653,
photonische integrierte Halbleiterschaltkreise (PIC), die sich auf
denjenigen Subsatz optoelektronischer integrierter Schaltkreise
(OEIC) beziehen, die sich in erster Linie auf die monolithische
Integration optisch miteinander verbundener optoelektronischer Vorrichtungen
mit leitungsgeführten
Wellen konzentrieren. Die Hauptmotivation für die PIC-Forschung bilden
die erwartete Kosteneinsparung und die Robustheit der Verpackung,
die mit dem Ersetzen individuell ausgerichteter, optischer Einzelmodenverbindungen
zwischen diskreten optoelektronischen Vorrichtungen mit lithographisch
erzeugten integrierten Wellenleitern einhergehen. Auf diesem Gebiet
wurden kürzlich
bedeutende Fortschritte erzielt, die aus einem verbesserten epitaktischen III-V-Kristallwachstum
und damit in Beziehung stehenden Verarbeitungstechniken resultieren.
In diesem Dokument werden Ausgestaltungs- und Herstellungsfragen diskutiert,
die durch eine Anzahl kürzlich vorgestellter
PIC auf InP-Basis veranschaulicht werden. Die Veröffentlichung
von Koch et al. offenbart Laser mit mehreren Abschnitten mit integrierten
Ausgangskopplern und Modulatoren, wobei die Modulatoren einen einzigen
elektrischen Kontakt beinhalten.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Dementsprechend
ist die vorliegende Erfindung auf einen Diodenlaseraufbau gerichtet,
der folgendes beinhaltet: ein Substrat, eine auf dem Substrat ausgebildete
epitaktische Schicht, einen in der epitaktischen Schicht ausgebildeten
einstellbaren Laserresonator, der einen Ausgang erzeugt, wobei der
einstellbare Laserresonator einen ersten und einen zweiten Reflektor,
einen Verstärkungsabschnitt und
einen Phasenabschnitt beinhaltet, wobei der Verstärkungsabschnitt
und der Phasenabschnitt jeweils zwischen dem ersten und dem zweiten
Reflektor positioniert sind, wobei die Ausgangswellenlänge über einen
breiteren Wellenlängenbereich
hinweg einstellbar ist, als es durch Indexeinstellung irgendeines
Abschnitts erzielbar ist, und der breitere Wellenlängenbereich
durch Δλ/λ > Δn/n dargestellt wird, einen
Modulator mit mindestens einem ersten Abschnitt und einem zweiten
Abschnitt, die in der epitaktischen Struktur außerhalb des einstellbaren Laserresonators
gebildet sind, wobei dem ersten und dem zweiten Abschnitt des Modulators
getrennte elektrische Verbindungen bereitgestellt werden, die so
ausgestaltet sind, daß sie
durch Anlegen einer umgekehrten Vorspannung eine Amplituden- und Phasenantwort
des Ausgangs von dem einstellbaren Laserresonator steuern, um ein
elektrisches Feld in dem ersten und dem zweiten Abschnitt des Modulators
zu verändern,
und einen in der epitaktischen Struktur ausgebildeten Koppler, wobei
der Koppler so angeordnet und ausgestaltet ist, daß er einen
Ausgang von dem Modulator empfängt,
Rückreflexionen zu
dem Modulator reduziert und den Ausgang des Modulators mit einem
nachfolgenden optischen Aufbau verbindet.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
FIGUREN
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1 ist
ein Blockdiagramm eines Laseraufbaus, welches verschiedene funktionale
Elemente eines Laseraufbaus veranschaulicht.
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2 ist
eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform eines weitgehend
einstellbaren Laseraufbaus der vorliegenden Erfindung.
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3(a) ist eine Querschnittsansicht des Aufbaus
von 2, die mehrschichtige Strukturen und die Integration
zweier verschiedener Bandlückenmaterialien
durch eine Offsetquantentopf-Technik
veranschaulicht.
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3(b) ist eine Querschnittsansicht des Aufbaus
von 2, die mehrschichtige Strukturen und die Integration
zweier verschiedener Bandlückenmaterialien
durch Stoßfugenwiederanwachsen (butt-joint
regrowth) veranschaulicht.
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3(c) ist eine Querschnittsansicht des Aufbaus
von 2, die eine Ausführungsform für die Integration
mehrerer verschiedener Bandlückenmaterialien
mittels flächenselektiven
Wachstums (SAG) veranschaulicht.
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3(d) ist eine Querschnittsansicht des Aufbaus
von 2, die eine Ausführungsform für die Integration
mehrerer verschiedener Bandlückenmaterialien
mittels Quantentopfmischen veranschaulicht.
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4(a) veranschaulicht eine Ausführungsform
des Modulatorelements von 2 mit einem Einzelabschnittsmodulator,
der dasselbe Bandlückenmaterial
verwendet wie der vordere Spiegel.
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4(b) veranschaulicht eine Tandem-Ausführungsform
des Modulatorelements von 2, die dasselbe
Bandlückenmaterial
verwendet wie der vordere Spiegel, um einen besseren Chirp und eine
bessere Linearitätsleistung
bereitzustellen.
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4(c) veranschaulicht eine Ausführungsform
eines Einzelabschnittsmodulators des Modulatorelements von 2,
die ein Bandlückenmaterial verwendet,
das ausgewählt
wurde, um über
einen bestimmten Wellenlängenbereich
den besten Chirp, die beste Antriebsspannung und das beste Ein-/Aus-Verhältnis bereitzustellen.
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4(d) veranschaulicht eine Tandem-Ausführungsform
des Modulators des Modulatorelements von 2 mit Bandlückenmaterialien,
die ausgewählt
wurden, um die beste Leistung des Chirps, der Antriebsspannung und
des Ein-/Aus-Verhältnisses
für den
zusammengesetzten Modulator über
einen breiteren Wellenlängenbereich,
als er durch einen einzigen Modulatorabschnitt erzielbar ist, bereitzustellen.
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5(a) ist eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform
des Modulatorelements von 2, die eine
EAM-Nachverstärkung
mit einem Einzelabschnittsverstärker
beinhaltet, um auf Kosten einer aufgrund von ASE reduzierten Extinktion
die höchste Ausgangsleistung
bereitzustellen.
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5(b) ist eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform
des Modulatorelements von 2 mit einem
vor dem EAM angeordneten Verstärker, um
eine Verschlechterung des Extinktionsverhältnisses auf Kosten einer aufgrund
von Modulatoreinfügungsverlust
geringeren Ausgangsleistung zu verhindern.
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5(c) ist eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform
des Ausgangskopplerelements von 2, die eine
Kombination aus Vor- und Nachverstärkung verwendet, um mit einer
minimalen Verschlechterung des Extinktionsverhältnisses die höchste Ausgangsleistung
zu erzielen.
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6(a) ist eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform
des Ausgangskopplerelements von 2, wobei
die Dicke des Wellenleiters konisch ausgeführt ist, um zu erlauben, daß die Ausgangsmode
durch einen darunterliegenden Wellenlängenleiter festgelegt wird.
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6(b) ist eine Draufsicht von oben auf eine
Ausführungsform
des Ausgangskopplerelements von 2, die veranschaulicht,
daß die
Breite des Wellenleiters und der Einfallswinkel auf die Facette
verändert
wurden, um eine große
Kopplungseffizienz und eine geringe modale Reflektivität zu fördern.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Unter
Bezugnahme auf 2 stellt ein weitgehend einstellbarer
Laseraufbau 10 mit einer auf einem Substrat ausgebildeten
epitaktischen Schicht eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dar. Für Zwecke dieser Erfindung wird
ein weitgehend einstellbarer Laser als ein Laser definiert, dessen
Ausgangswellenlänge über einen
breiteren Wellenlängenbereich
hinweg eingestellt werden kann, als es durch konventionelle Indexeinstellung,
d.h. Δλ/λ < Δn/n, erzielbar
ist, und dessen wellenlängenselektive
Elemente innerhalb desselben optischen Wellenleiters liegen, d.h.
keinen parallelen Aufbau von DFB-Lasern bilden.
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Ein
Laserelement 12 und ein Modulatorelement 14 sind
in der epitaktischen Struktur ausgebildet. In der epitaktischen
Struktur ist auch ein Ausgangskopplerelement 16 angeordnet,
um ein von dem Modulator 14 empfangenes Ausgangssignal
zu empfangen und anzupassen. Die verschiedenen Elemente werden in üblichen
Verfahrensschritten hergestellt.
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Der
Laser 12 beinhaltet vordere Spiegel 18 und hintere
Spiegel 20, die verteilte Bragg-Reflektoren ("DBR")
sein können.
In dem Laser 12 sind ein Verstärkungsabschnitt 22 sowie
ein Modenauswahlabschnitt 24 angeordnet. Der Modenauswahlabschnitt 24 kann
ein Element zur Auswahl einer lateralen Mode, ein Element zur Auswahl
einer longitudinalen Mode, ein steuerbares Phasenverschiebungselement
und dergleichen sein.
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Der
Modulator 14 kann einen optischen Halbleiterverstärker 26 ("SOA 26"), einen ersten Elektroabsorptionsmodulator
("EAM 28") und einen zweiten
EAM 30 beinhalten.
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Der
Laser 12 ist vorzugsweise weitgehend einstellbar, um eine
Laseremission mit den gewünschten
spektralen Eigenschaften, wie z.B. Linienbreite, SMSR, Wellenlänge, für die Verwendung
in einem optischen WDM-Kommunikationssystem über das gesamte Wellenlängenband
oder zumindest einen großen
Teil davon zu erzeugen. In einer Ausführungsform liegen die interessierenden
Wellenlängenbänder im
Bereich von 1300–1600
nm und haben typischerweise eine Bandbreite, die durch die Verstärkungscharakteristika
faseroptischer Verstärker
bestimmt wird.
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In
einer Ausführungsform
ist der Laser 12 ein SG/SSG-DBR-Laser, der zwei SG/SSG-DBR-Spiegel 18 und 20,
einen Verstärkungsabschnitt 22 und einen
Phasenabschnitt 24 beinhaltet. Jayaraman, V., Chuang, Z.-M.,
Coldren, L. A. "Theory,
design, and performance of extended tuning range semiconductor lasers
with sampled gratings",
IEEE Journal of Quantum Electronics, Band 29, (Nr. 6),
Juni 1993, S. 1824–34.
In dieser Ausführungsform
wird die Bandlücke
des Verstärkungsabschnitts 22 so
gewählt,
daß eine
Verstärkung über das
gesamte interessierende Wellenlängenband
hinweg bereitgestellt werden kann. Die Bandlücke der SG/SSG-DBR-Spiegel 18 und 20 und
des Phasenabschnitts 24 wird so gewählt, daß bei geringsten Verlust- und
Einstellströmen
alle Wellenlängen
in dem gewünschten
Wellenlängenband
abgedeckt werden.
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Andere
Ausführungsformen,
die für
den Laser 12 verwendet werden können, beinhalten, sind jedoch
nicht beschränkt
auf, den GCSR-Laser, bei dem der Ausgang von der Seite des SG/SSG-DBR-Spiegels
genommen wird, was die Integration der anderen Elemente, wie in 1 veranschaulicht,
erlaubt. Oberg, M., Nilsson, S., Streubel, K., Wallin, J., Backbom,
L., Klinga, T. "74
mm wavelength tuning range of an InGaAsP/InP vertical grating assisted
codirectional coupler laser with rear sampled grating reflector", IEEE Photonics
Technology Letters, Band 5, (Nr. 7), Juli 1993, S. 735–7. Eine
weitere Ausführungsform
für den
weitgehend einstellbaren Laser 12 ist ein in Reihe geschalteter,
verstärkungsgekoppelter DFB-Laser.
Hong, J., Kim, H., Shepherd, F., Rogers, C., Baulcomb, B., Clements,
S. "Matrix-grating
strongly gain-coupled (MC-SGC) DFB lasers with 34-nm continuous
wavelength tuning range",
IEEE Photonics Technology Letters, Band 11, (Nr. 5), IEEE; Mai 1999,
S. 515–17.
Diese beiden Ausführungsformen können in
die anderen Elemente von 2 integriert werden.
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Der
Modulator 14 codiert Daten, die von dem weitgehend einstellbaren
Laser 12 erzeugt werden, auf dem optischen Träger. Die
gewünschten
Modulationscharakteristika sind folgende: geeignetes Ein/Aus-Verhältnis, Steuerung
der instantanen Wellenlänge,
wie z.B. Chirp, niedrige Antriebsspannung und hohe Sättigungsleistung.
Für eine
analoge Modulation ist es ebenfalls wünschenswert, sehr lineare Antworten
zu erhalten.
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Der
Modulator 14 kann ein Elektroabsorptionsmodulator sein
und eine Mehrzahl von Elektroabsorptionsmodulatoren beinhalten.
In einer Ausführungsform
weist der Modulator 14 dieselbe Bandlücke auf wie der vordere Spiegelabschnitt 18.
In einer weiteren Ausführungsform
weist der Modulator 14 eine andere Bandlücke auf
als der vordere Spiegelabschnitt 18. In einer weiteren
Ausführungsform
beinhaltet der Modulator eine Mehrzahl von Modulatorabschnitten
mit verschiedenen Bandlücken.
Der Modulator 14 kann nicht strahlende Ladungsträgerfallen
beinhalten, um die Ladungsträgerlebensdauer des
Modulatormaterials zu verringern. Weiterhin kann der Modulator 14 einen
optischen Verstärker beinhalten,
der so ausgestaltet ist, daß er
einen Ausgang von dem Elektroabsorptionsmodulator 14 empfängt. In
einer weiteren Ausführungsform
beinhaltet der Modulator 14 einen optischen Verstärker, der
so ausgestaltet ist, daß er
einen Ausgang erzeugt, der auf den Elektroabsorptionsmodulator trifft.
Ein Elektroabsorptionsmodulator kann zwischen dem ersten und dem
zweiten optischen Verstärker
positioniert sein.
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Der
Ausgangskoppler 16 wird verwendet, um die Kopplungseffizienz
und die Ausrichtungstoleranz gegenüber irgendeinem auf den Aufbau 10 folgenden
optischen Aufbau zu erhöhen,
einschließlich,
jedoch nicht beschränkt
auf eine optische Faser oder einer optischen Faser vorausgehende
Linsen. Der Ausgangskoppler 16 reduziert eine modale Reflektivität an einer
Ausgangsfacette des Ausgangskopplers 16 und modifiziert
eine Ausgangsmodenform des Lasers 12.
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Ein
wichtiger Aspekt bei der Erzielung der Struktur von 2 ist
die Verwendung von Bereichen, die verschiedene Bandlücken aufweisen,
um ihre speziellen Aufgaben zu erfüllen. Eine Art der Spezifizierung
dieser Bandlücke
besteht darin, die Wellenlängenspitze
der von diesen Abschnitten emittierten Photolumineszenz anzugeben.
Der Verstärkungsabschnitt
des Lasers 12 und des SOA 26 hat Bandlücken, die
so ausgewählt
werden, daß sie
in dem Wellenlängenbereich,
in dem der Laser 12 betrieben werden soll, eine Verstärkung bereitstellen. Der
vordere Spiegel 18 und der hintere Spiegel 20 haben
eine Bandlücke,
die so ausgewählt
ist, daß sie bei
minimalem optischem Verlust eine Indexveränderung bereitstellt, die notwendig
ist, um eine Laserwellenlänge
zwischen benachbarten Spitzen eines Abtastgitterspiegels über den
gesamten Wellenlängenbereich
hinweg einzustellen. Die Bandlücke
und die Länge
des Modulators 14 werden so ausgewählt, daß sie die erforderliche Extinktion
der Laserwellenlänge
bei einer umgekehrten Vorspannung, die für eine gegebene Modulationsgeschwindigkeit
leicht zu erzielen ist, liefern.
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Die
monolithische Integration optisch unähnlicher Elemente des Aufbaus 10 wird
durch ein Herstellungsverfahren, welches die optischen Eigenschaften
ausgewählter
Bereiche auf eine gewünschte
elektrooptische Funktion anpaßt
bzw. abstimmt, erzielt. Abgestimmte optische Eigenschaften einschließlich der
Bandlücke
führen,
ausgehend von einer üblichen
epitaktischen Schichtstruktur, zu optisch aktiven und passiven Bereichen
auf demselben Wafer. Weiterhin sind die üblichen Schritte des Herstellungsverfahrens,
die zur Bildung der Elemente der Vorrichtung notwendig sind, mit
den Herstellungsverfahren für
photonische Einrichtungen, wie sie derzeit auf dem Gebiet der Glasfaserindustrie
verwendet werden, kompatibel. Somit ist die Vorrichtung der vorliegenden
Erfindung einfach herzustellen.
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In
einer bestimmten Ausführungsform
beinhalten die Herstellungsverfahren für das selektive Abstimmen der
Bandlücken
von Bereichen auf dem Wafer den Schritt des Implantierens von Störstellen durch
Ionen geringer Energie, beispielsweise weniger als etwa 200 eV,
in einen Teil eines ausgewählten Waferbereichs
in der Nähe
der Waferoberfläche.
Der Wafer wird dann getempert. Dies erlaubt es den in der Nähe der Waferoberfläche implantierten
Störstellen
und Fehlstellen, durch den gesamten ausgewählten Bereich zu diffundieren
und die Bandlücke
des Bereichs auf eine gewünschte
elektrooptische Funktion abzustimmen.
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In
den passiven Wellenleiterbereichen des Phasenverschiebungsabschnitts
und des Spiegelabschnitts des Aufbaus 10 sollte die effektive
Bandlücke
beispielsweise etwas größer (z.B. > 0,1 eV) sein als die
Lichtwellen-Betriebsenergie, die nur geringfügig größer (typischerweise ~ 0,01–0,05 eV)
ist als die effektive Bandlücke
der aktiven Schichten im Verstärkungsabschnitt 22.
Integrierte externe Modulatorelemente 14 können für irgendeine
gewünschte
Funktionalität,
wie z.B. zur Reduzierung des Chirps oder für eine verbesserte Linearität, Abschnitte
mit derselben größeren Bandlücke wie
in den anderen passiven Bereichen oder mit einer Zwischen-Bandlücke, die zwischen
der des aktiven und des passiven Bereichs liegt, aufweisen. Integrierte
externe Verstärkerelemente
können
für irgendeine
Funktionalität,
wie z.B. gesteigerte Sättigungsleistung
oder verbesserter Chirp von Modulator-/Verstärker-Kombinationen, dieselbe
Bandlücke
wie der aktive Verstärkungsabschnitt
oder eine leicht modifizierte Bandlücke aufweisen.
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In
vielen Ausführungsformen
werden die passiven Bereiche durch selektives Entfernen der Schichten
mit der geringsten Bandlücke,
die für
eine Verstärkung
in den aktiven Bereichen verantwortlich sind, in derselben Sequenz
erzeugt, in der andere Verarbeitungsschritte ausgeführt werden,
wie z.B. Gitterbildung in den Spiegelbereichen. In diesen Fällen ist
der Vorgang der Ionenimplantierung nicht notwendig, kann jedoch
verwendet werden, um andere Bereiche, z.B. in integrierten Modulatoren
und/oder Verstärkerelementen,
besser abzustimmen. Auf diese Abfolge folgt ein erneutes Aufwachsen
der oberen Deckschichten, die für
den oberen Teil des optischen Wellenleiters benötigt werden.
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Es
gibt verschiedene Schichtstrukturen, die Fachleuten auf dem Gebiet
gut bekannt sind und die Integration von Bereichen mit verschiedenen
Bandlücken
erlauben.
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3 Die 3(a) bis 3(d) veranschaulichen
mehrere dieser Strukturen. Der einfachste Ansatz besteht darin,
einen gemischten Quantentopf-("MQW 30")Verstärkungsabschnitt
auf der passiven Wellenleiterschicht 32 zu züchten, wie
es in 3(a) veranschaulicht ist.
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Ein
Vorteil der Ausführungsform
von 3(a) ist ihre Einfachheit; des
weiteren können
die Bandlücke
und die Geometrie jedes Abschnitts für die Aufgabe, die der betreffende
Bereich zu erfüllen hat,
etwas optimiert werden.
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In
einer anderen Ausführungsform,
die in 3(b) veranschaulicht ist, wird
der MQW 30 durch Stoßfugenwachsen
gebildet. Diese Ausführungsform erlaubt
eine völlig
unabhängige
Optimierung der verschiedenen Bandlückenbereiche. Ein erneutes
Stoßfugenwachsen
beinhaltet das Wegätzen
der Schichten in einem Bereich der Vorrichtung und das selektive
erneute Aufwachsen von Schichten mit der gewünschten Bandlücke. Wallin,
J., Landgren, G., Strubel, K., Nilsson, S., Oberg, M. "Selective area regrowth
of butt-joint coupled waveguides in multi-section DBR lasers". Journal of Crystal
Growth, Band 124, Nr. 1–4,
Nov. 1992, S. 741–6.
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Ausgefeiltere
Strukturen zum Erzielen von Bereichen mit mehreren Bandlücken sind
in den 3(c) und 3(d) veranschaulicht.
In 3(c) beinhaltet das flächenselektive
Wachstum ("SAG") das Züchten der
gewünschten
Schichtstruktur auf einem Substrat mit einem Muster von dielektrischen
Masken. Aoki, M., Suzuki, M., Sano, H., Taniwatari, T., Tsutsui,
T., Kawano, T. "Quantum
energy control of multiple-quantum-well structures by selective
area MOCVD and its application to photonic integrated devices", Electronics and
Communications in Japan, Teil 2 (Elektronik), Band 77, (Nr. 10),
Okt. 1994, S. 33–44.
Die Anwesenheit der Masken stört
das Wachstum und steigert die Wachstumsrate in der Nähe der Masken.
Die MQW-Bereiche 30 mit verschiedenen Bandlücken können nachfolgend
unter Verwendung von Masken verschiedener Breiten gezüchtet werden,
um Quantentöpfe
verschiedener Dicken zu züchten.
In 3(d) wird ein MQW-Bereich 30 mit
der kleinsten der gewünschten
Bandlücken gezüchtet. Durch
Mischen des Quantentopfs und der Barriere wird die Bandlücke der
Struktur zum blauen Bereich hin verschoben. Hofstetter, D., Maisenholder,
B., Zappe, H. P. "Quantum-well
intermixing for fabrication of lasers and photonic integrated circuits", IEEE Journal of
Selected Topics in Quantum Electronics, Band 4, Nr. 4, IEEE, Juli-Aug.
1998, S. 794–802. Der
Betrag dieser Blauverschiebung wird durch die anfänglichen
Zusammensetzungen von Topf und Barriere und das Ausmaß des Mischens
bestimmt. Durch räumliches
Steuern des Ausmaßes
des Mischens können
verschiedene Bereiche mit verschiedenen Bandlücken erzeugt werden.
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Ein
Materialsystem einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung ist In-GaAsP/InP,
wobei die Angabe der Bandlücke
der speziellen gitterangepaßten
Legierung das gewünschte
Bulk-Material sowie die Legierungen, die erforderlich sind, um das
Quantentopfmaterial zu erhalten, dessen PL-Spitze der genannten
Bandlücke entspricht,
spezifiziert. Die gewünschten
Eigenschaften können
auch unter Verwendung von Legierungen in dem InGaAlAs/InP-System,
die die spezifische Bandlücke
aufweisen, erzielt werden.
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Wenn
für die
Ausführungsformen
verschiedene Bandlücken
ausgewählt
oder spezifiziert werden, so impliziert dies, daß eine oder mehrere der in den 3(a) bis 3(d) veranschaulichten Techniken
in geeigneter Weise verwendet wurden, um die Bandlücken, die
für alle
Elemente des Aufbaus 10 spezifiziert wurden, zu erzeugen.
Diese Techniken und deren Kombinationen sind Fachleuten auf dem
Gebiet bekannt und können
die Beschreibungen aller folgenden Ausführungsformen erzielen. Delprat,
D., Ramdane, A., Silvestre, L., Ougazzaden, A., Delorme, F., Slempkes,
S. "20-Gb/s integrated DBR
laser-EA modulator by selective area growth for 1.55-mu m WDM applications", IEEE Photonics Technology
Letters, Band 9, Nr. 7, IEEE, Juli 1997, S. 898–900; Hansen, P. B., Raybon,
G., Koren, U., Miller, B. I., Young, M. G., Newkirk, M. A., Chien,
M.-D., Tell, B., Burrus, C. A. "Monolithic
semiconductor soliton transmitter", Journal of Lightwave Technology, Band
13, (Nr. 2), Feb. 1995, S. 297–301;
Wallin, J., Landgren, G., Strubel, K., Nilsson, S., Oberg, M. "Selective area regrowth
of butt-joint coupled waveguides in multi-section DBR lasers", Journal of Crystal Growth,
Band 124, Nr. 1–4,
Nov. 1992, S. 741–6;
Aoki, M., Suzuki, M., Sano, H., Taniwatari, T., Tsutsui, T., Kawano,
T. "Quantum energy
control of multiple-quantum-well structures by selective area MOCVD and
its application to photonic integrated devices", Electronics and Communications in
Japan, Teil 2 (Elektronik), Band 77, (Nr. 10), Okt. 1994, S. 33–44; Hofstetter,
D., Maisenholder, B., Zappe, H. P. "Quantum-well intermixing for fabrication
of lasers and photonic integrated circuits", IEEE Journal of Selected Topics in
Quantum Electronics, Band 4, Nr. 4, IEEE, Juli, Aug. 1998, S. 794–802. Fachleuten
auf dem Gebiet ist bekannt, daß es
für bestimmte
dieser Techniken notwendig ist, daß Quantentopfbereiche eine Bandlückeneinstellung
erlauben. Die spezifischen Bandlücken
der Ausführungsformen
beziehen sich auf die PL-Spitze der Abschnitte nach allen Bandlückeneinstellungsanstrengungen,
ganz gleich, ob sie das Bulk-Material oder Quantentöpfe bzw.
Quantenwells betreffen.
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Der
Laser 12, der Modulator 14 und der Ausgangskoppler 16 sind
elektrisch voneinander isoliert, so daß der Betrieb von einem von
ihnen durch keinen benachbarten Abschnitt innerhalb der Elemente
oder durch keines der Elemente von 2 elektrisch
beeinflußt
wird.
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Die 4(a) bis 4(d) veranschaulichen
verschiedene Ausführungsformen
des Modulators 14, wobei Elektroabsorption verwendet wird,
um die Modulation zu erzeugen. In 4(a) verwendet
der EAM-Abschnitt 28 dasselbe Bandlückenmaterial wie der SG/SSG-DBR 18.
Um die Modulationscharakteristika zu optimieren, kann die DC-Vorspannung
für jede
von dem Laser 12 erzeugte Wellenlänge angepaßt werden. Eine getrennte Optimierung
der Bandlücke
kann für
den EAM-Bereich 28 und den SG/SSG-DBR 18 gewünscht sein,
wobei eine der Ausführungsformen
der 3(a) bis 3(d) verwendet wird,
um die gewünschten
Bandlücken
zu erzeugen. Das Ergebnis ist in 4(c) gezeigt.
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Aufgrund
der weitgehenden Einstellbarkeit des Lasers 12 ist es schwierig,
unter Verwendung eines einzigen Modulatorabschnitts für alle oben
aufgelisteten Parameter bei allen Wellenlängen eine optimale Leistung
zu erzielen. Durch ein- oder mehrmaliges Aufspalten des Kontakts,
wie es in 4(b) mit dem ersten EAM-Bereich 28 und
dem zweiten EAM-Bereich 30 gezeigt ist, können auf
jeden der EAM-Abschnitte 28 und 30 mit identischer
Modulation oder einer Modulation mit einer Phasen-/Amplitudenverschiebung
zwischen den EAM-Abschnitten 28 und 30 getrennte
Vorspan nungen angelegt werden. Dieses Tandem-Modulationsschema ist
für die
Steuerung des Chirps und für
das Erzielen einer größeren Linearität vorteilhaft.
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Die
in 4(b) veranschaulichte Ausführungsform
kann durch ebenfalls erfolgendes Anpassen der Bandlücke jedes
der Modulatorabschnitte, wie in 4(d) gezeigt,
weiter ausgedehnt werden. Die Bandlücke jedes der EAM-Abschnitte 28 und 30 wird
so gewählt,
daß seine
Absorption so eingestellt wird, daß er ein geeignetes Ein/Aus-Verhältnis, eine Antriebsspannung
und einen Chirp für
einen Subsatz von Wellenlängen
innerhalb des von dem Laser 12 emittierten Bereichs liefert.
Durch Anlegen einer geeigneten Vorspannung an jeden der EAM-Abschnitte 28 und 30 kann
der zusammengesetzte Modulator 14 diese optimalen Charakteristika über den
gesamten Wellenlängenbereich
des Lasers 12 hinweg erzeugen. Weiterhin kann die Modulation
mit einer oder ohne eine Phasen-/Amplitudenverschiebung in geeigneter
Weise auf einen oder mehrere der EAM-Abschnitte 28 und 30 angelegt
werden, um den Chirp oder die Linearität über das Maß hinaus zu erhöhen, das
durch Modulieren nur eines einzigen EAM-Abschnitts erzielt werden
kann.
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Um
höhere
Sättigungsleistungen
zu erzielen, wird die Ladungsträgerlebensdauer
des den Modulator 14 bildenden Materials reduziert. Zu
diesem Zweck können
geeignete Quantentopfstrukturen mit reduzierter Ladungsträgerlebensdauer
verwendet werden. Czajkowski, I. K., Gibbon, M. A., Thompson, G.
H. B., Greene, P. D., Smith, A. D., Silver, M. Strain-compensated
MQW electroabsorption modulator for increased optical power handling.
Electronics Letters, Band 30, (Nr. 11), 26. Mai 1994, S. 900–1. Es ist
wichtig, daß diese
Quantentopfstrukturen nachfolgend zu allen Bandlücken-Einstellungsschritten erzielt werden.
Alternativ können
Fallen z.B. über
einen Implantationsschritt eingefügt werden, um die Lebensdauer
des Ladungsträgers
durch nicht strahlende Prozesse zu reduzieren. Woodward, T. K., Knox,
W. H., Tell, B., Vinattieri, A., Asom, M. T. "Experimental studies of proton-implanted
GaAs-AlGaAs multiple-quantum-well modulators for low-photocurrent
applications", IEEE
Journal of Quantum Electronics, Band 30, (Nr. 12), Dezember 1994,
S. 2854–65. Aufgrund
des Einfügungsverlusts
in den EAM-Bereichen 28 und 30 kann es vorteilhaft
sein, dem Modulatorelement 14 mittels SOA 2 eine Verstärkung hinzuzufügen; dies
ist jedoch nicht notwendig.
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Die 5(a) bis 5(d) veranschaulichen
verschiedene Ausführungsformen
des Modulators 14, die eine Verstärkung beinhalten. Obwohl in 4(d) nur eine Ausführungsform für den Modulationsteil des
Modulations-/Verstärkungselements
veranschaulicht ist, versteht es sich, daß auch alle Ausführungsformen
der 4(a) bis 4(c) verwendet
werden können.
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5(a) veranschaulicht eine Ausführungsform,
in der der SOA 26 auf den Modulator 14 folgt. Diese
Ausführungsform
ist für
das Erzeugen der höchsten
Ausgangsleistung bei einer bestimmten gegebenen Sättigungsleistung
des SOA 26 vorteilhaft. Ein weiterer Vorteil besteht in
der Fähigkeit,
die Nichtlinearität
in dem SOA 26 dazu zu verwenden, einen positiven Chirp
in dem EAM-Abschnitt 28 auszugleichen.
Woodward, T. K., Knox, W. H., Tell, B., Vinattieri, A., Asom, M.
T. "Experimental
studies of proton-implanted GaAs-AlGaAs multiple-quantum-well modulators
for lowphotocurrent applications",
IEEE Journal of Quantum Electronics, Band 30, (Nr. 12), Dezember 1994,
S. 2854–65;
Watanabe, T., Sakaida, N., Yasaka, H., Koga, M. "Chirp control of an optical si gnal using
phase modulation in a semiconductor optical amplifier", IEEE Photonics
Technology Letters, Band 10, (Nr. 7), IEEE, Juli 1998, S. 1027–9.
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5(b) veranschaulicht eine Ausführungsform,
bei der der SOA 26 dem Modulator 14 vorausgeht.
Diese Ausführungsform
ist vorteilhaft, um das Extinktionsverhältnis des Modulators 14 zu
erhalten und um die Einfügung
unmodulierter ASE in das Netzwerk zu verhindern. Ein Nachteil dieser
Ausführungsform
besteht darin, daß die
erzielbare Ausgangsleistung aufgrund der Sättigung des SOA 26 und
durch den Einfügungsverlust
des EAM 28 reduziert wird. Es ist auch nicht mehr möglich, irgendeinen
positiven Chirp, der in dem EAM-Abschnitt 28 mit dem SOA 26 erzeugt
werden kann, auszugleichen.
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5(c) veranschaulicht eine Ausführungsform,
in der der SOA 28 und der SOA 34 dem EAM-Abschnitt 30 sowohl
vorausgehen als auch folgen. Diese Ausführungsform erlaubt eine Steigerung der
maximalen erzielbaren Ausgangsleistung gegenüber dem lediglich vorausgehenden
SOA 28 der Ausführungsform
von 5(b) mit geringerem Rauschen und
geringerer Verschlechterung des Extinktionsverhältnisses als bei dem lediglich
nachfolgenden SOA 26 von 5(a).
Zusätzlich
benutzt diese Ausführungsform
auch die Nichtlinearität
in dem SOA 26, um einen positiven Chirp im EAM-Abschnitt 28 auszugleichen.
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Des
weiteren kann es vorteilhaft sein, ein Tandem-Verstärkungsschema
zu verwenden, bei dem getrennte Vorspannungen auf einen geteilten Kontaktverstärker angelegt
werden, um die Eigenschaften von Rauschen und Verstärkungssättigung des
zusammengesetzten Verstärkers
unabhängig voneinander
zu steuern. Alle Ausführungsformen
der 5(a), 5(b) und 5(c) können
unter Verwendung eines solchen Tandem-Verstärkungsschemas implementiert
werden.
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Eine
weitere Möglichkeit
zum Steuern der gesättigten
Ausgangsleistung eines SOA besteht darin, seine Breite und/oder
die Bandlücke
des Verstärkungsmaterials
anzupassen, um die Lebensdauer des Ladungsträgers für eine größere optische Leistung zu erhöhen. Jegliche
Anpassung der Breite erfolgt adiabatisch, um einen geringen optischen Übergangsverlust
sicherzustellen.
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6(a) veranschaulicht eine Ausführungsform
des Ausgangskopplers 16 mit einem Ausgangskopplerwellenleiter 36.
In dieser Ausführungsform
ist die Dicke des Ausgangskopplerwellenleiters 34 konisch
ausgebildet, um zu erlauben, daß die
Ausgangsmode von einer darunterliegenden Schicht 38 definiert
wird. Durch Umwandeln der optischen Mode, die in jedem anderen Element
der Ausführungsform
von 2 verwendet wird, der Mode des photonischen Schaltkreises
("PIC"-Mode), in eine größere optische Mode, die eher
eine einer optischen Faser mit einer Linse entsprechende faserangepaßte("FM"-Mode)Mode ist, werden
gleichzeitig die Kopplungseffizienz und die Ausrichtungstoleranz
gesteigert.
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Die
Verfahren zum Transformieren der Modengröße sind Fachleuten auf dem
Gebiet gut bekannt und beinhalten üblicherweise eine adiabatische
Verjüngung
(adiabatic tapering) des Kerns, was die optische PIC-Mode festlegt.
Diese Verjüngung kann
lateral, wie z.B. durch Verjüngung
der Breite des Kerns, oder vertikal, durch Verjüngung der Dicke des Kerns,
erfolgen. Kawano, K., Kohtoku, M., Okamoto, N., Itaya, Y., Naganuma,
M. "Comparison of coupling
characteristics for several spotsize-converter-integrated laser
diodes in the 1.3-mu m-wavelength region", IEEE Photonics Technology, Band 9, (Nr.
4), IEEE, April 1997, S. 428–30.
Diese Verjüngungen
erfolgen vorzugsweise in nicht linearer Weise, um den Modentransformationsverlust
für kürzere Verjüngungslängen zu
reduzieren. J. D. Love "Application
of a low-loss criterion to optical waveguides and devices", IEE Proceedings
J (Optoelectronics), Band 136, S. 225–8, 1989.
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Die
darunterliegende Wellenleiterschicht 38 kann verwendet
werden, um die FM-Mode zu definieren. Dies ist vorteilhaft, weil
die FM-Modenform gegenüber
den Dimensionen des nach unten hin konisch zulaufenden bzw. sich
verjüngenden
PIC-Wellenleiterkerns, die für
seine Definition verwendet werden, sehr empfindlich ist, was es
schwierig macht, die gewünschte
FM-Modenform in reproduzierbarer Weise herzustellen. Durch Einschließen der
darunterliegenden Wellenleiterschicht 38 kann der PIC-Wellenleiterkern
vollständig
entfernt werden, was eine Bestimmung der FM-Mode allein durch die
darunterliegende Wellenleiterschicht 38 ermöglicht.
Weiterhin wird der Brechungsindex der darunterliegenden Wellenleiterschicht 38 vermindert,
so daß das
Vorhandensein der Schicht 38 die PIC-Modenform nicht beeinflußt, und
die FM-Modenform ist gegenüber
den Dimensionen der darunterliegenden Schicht toleranter.
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Der
Ausgangskopplerwellenleiter 36 kann nicht linear verjüngt sein,
er kann in einer Richtung im wesentlichen parallel zu einer optischen
Achse des Lasers 12 verjüngt sein oder er kann in einer
Richtung im wesentlichen senkrecht zu einer optischen Achse des
Lasers 12 verjüngt
sein. Die Verjüngung des
Ausgangskopplerwellenleiters 36 bedeutet, daß ein Abschnittsbereich "X" des Wellenleiters entlang des Wellenleiters 36 variiert.
Der Ausgangskopplerwellenleiter 36 kann entlang einer kristallographischen
Achse der epitaktischen Struktur des Aufbaus 10 orientiert
sein.
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Eine
weitere Verwendung des Ausgangskopplers 16 besteht darin,
die modale Reflektivität
an einer Ausgangsfacette 40 auf weniger als 10–5 zu
reduzieren. Es gibt mehrere Verfahren, um dies zu bewerkstelligen;
diese sind Fachleuten auf dem Gebiet gut bekannt. In einer Ausführungsform
wird dies durch Abscheiden einer dielektrischen AR-Beschichtung 42,
um diese Reflektivität
zu erzielen, erreicht.
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6(b) veranschaulicht eine Ausführungsform,
bei der der Einfallwinkel des Ausgangskopplerwellenleiters 36 an
der Ausgangsfacette 40 so ausgewählt wird, daß er die
modale Reflektivität
auf 10–4 reduziert,
was die Verwendung einer einfacheren Breitband-AR-Beschichtung erlaubt,
um eine Reflektivität
von 10–5 zu
erreichen. Der Ausgangskopplerwellenleiter 36 ist gekrümmt, um
den gewünschten Winkel
zu erreichen. Die Krümmung
wird so gesteuert, daß Moden
höherer
Ordnung nicht signifikant angeregt werden. Die Krümmung des
Wellenleiters 36, um den gewünschten Winkel zu erreichen,
erlaubt eine Orientierung des Wellenleiters 36 entlang
einer kristallographischen Richtung auf dem Rest des Aufbaus 10.
Dies ist, wie Fachleuten auf dem Gebiet gut bekannt ist, aufgrund
der kristallographischen Beschaffenheit vieler Verfahrensschritte,
die zur Herstellung des Aufbaus 10 notwendig sind, vorteilhaft. Zusätzlich kann
aufgrund der großen
Länge des
Aufbaus 10 das Anwinkeln des Wellenleiters 36 entlang der
gesamten Länge
des Aufbaus 10 dazu führen, daß die in
dem Verfahren verwendete Preßform übermäßig breit
ist.
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In
einer Ausführungsform
beinhaltet der Ausgangskoppler 16 wenigstens einen aktiven
Bereich und wenigstens einen passiven Bereich. Eine Grenzfläche zwischen
dem aktiven und dem passiven Bereich kann im wesentlichen senkrecht
oder schräg
zu einer Mittellinie des Ausgangskopplerwellenleiters 36 verlaufen.
Reflexionen an der Grenzfläche
zwischen dem aktiven und dem passiven Bereich können reduziert werden, indem
der Ausgangskopplerwellenleiter 36 sich adiabatisch verjüngt. Die
verjüngten
Abschnitte des Ausgangskopplerwellenleiters 36 können in
dem passiven oder in dem aktiven Bereich liegen. Der Ausgangskopplerwellenleiter 36 erstreckt sich
durch den aktiven und den passiven Bereich und kann abgeschnitten
werden, ehe er eine Ausgangsfacette des Ausgangskopplers 16 erreicht.
Darüber hinaus
kann ein Ende des Ausgangskopplerwellenleiters 36 in einem
schiefen Winkel zur Ausgangsfacette des Ausgangskopplers 36 enden.
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In
einer weiteren Ausführungsform
kann der Ausgangskoppler 16 zwei oder mehr aktive Bereiche und
einen passiven Bereich beinhalten. Die aktiven Bereiche können unabhängig voneinander
steuerbar und durch einen passiven Bereich voneinander getrennt
sein.
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Die
vorstehende Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wurde
zu Zwecken der Veranschaulichung und Beschreibung gegeben. Sie soll
nicht erschöpfend
sein oder die Erfindung auf die genau offenbarten Formen beschränken. Es
versteht sich, daß viele
Modifikationen und Variationen für
Fachleute auf dem Gebiet auf der Hand liegen. Der Schutzumfang der
Erfindung soll durch die folgenden Ansprüche definiert werden.