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BEREICH DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ganz allgemein das Gebiet der optischen
Kommunikationsvorrichtungen und betrifft insbesondere Laser.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Integrierte
Photonenschaltkreise (PIC) stellen eine Plattform integrierter Technologie
zur Verfügung,
die in verstärktem
Maße von
komplexen optischen Schaltungen verwendet wird. Die PIC-Technologie
ermöglicht
es optischen Mehrfachvorrichtungen, sowohl aktiven als auch passiven,
in einem einzigen Substrat integriert zu werden. Zum Beispiel können PIC
integrierte Laser, integrierte Empfänger, Wellenleiter, Detektoren,
optische Halbleiterverstärker
(SOA), Gitter und andere aktive und passive optische Halbleitereinrichtungen
umfassen. Die monolithische Integration von aktiven und passiven
Einrichungen in PIC stellt eine effektive integrierte Technologieplattform
für die
Verwendung in optischen Kommunikationseinrichtungen zur Verfügung.
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Eine
spezielle anpassungsfähige
PIC-Plattformtechnologie ist die integrierte- oder Zwillingswellenleiter
(TG) Struktur. Die Doppelwellenleitung kombiniert aktive und passive
Wellenleiter in einer vertikalen direktionalen Kopplungsgeometrie,
die eine flüchtige
beziehungsweise gedämpfte
Feldkopplung verwendet. Die TG-Struktur benötigt lediglich einen einzigen
epitaktischen Wachstumsschritt, um eine Struktur zu erzeugen, auf
welcher aktive und passive Einrichtungen schichtweise angeordnet
und hergestellt sind. Das bedeutet, daß das beziehungsweise die TG
eine Plattformtechnologie zur Verfügung stellt, mit welcher eine
Vielfachheit von PIC, jede mit unterschiedlichen Auslegungen und
Komponenten, aus dem gleichen Basiswafer hergestellt werden kann.
Integrierte Komponenten sind bestimmt durch eine nach dem Wachstum
durchgeführte
Maskierung, wodurch die Notwendigkeit für ein epitaktisches Nachwachsen
eliminiert ist. Hinzu kommt, daß aktive und
passive Kopmponenten in einem TG-basierenden PIC separat optimiert
werden können,
und zwar mit Nachwachsherstellungsschritten, die verwandt werden,
um die Lokation und den Typ der Einrichtung auf dem PIC festzulegen.
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Die
konventionelle TG-Struktur wird allerdings negativ beeinflußt von dem
Nachteil, daß die Wellenleiterkupplung
von der Vorrichtungslänge streng
abhängig
ist, und zwar aufgrund der Interaktion zwischen optischen Modi.
Für PIC-Einrichtungen, wie
zum Beispiel Laser, führt
die Interaktion zwischen optischen Modi zu der Unmöglichkeit,
den Strom für die
Laserschwelle und die Kupplung an passive Wellenleitern steuern
zu können,
und zwar als eine Konsequenz der Sensitivität bezüglich Variationen von der Einrichtungsstruktur
selbst. Die Sensitivität
von Variationen entsteht aus der Interaktion zwischen den unterschiedlichen
optischen Modi des Voranschreitens in der konventionellen TG-Struktur.
Diese Interaktion führt
zu einer konstruktiven und einer destruktiven Interferenz in der
Laserkavität,
was sich auf den Schwellstrom, die modale Verstärkung, die Kopplungseffizienz
und die Ausgangkopplungsparameter der Vorrichtung auswirkt. Die
konventionelle TG-Struktur leidet an einer unstabilen Sensitivität der Ausführungscharakteristika,
und zwar aufgrund der Länge
der Einrichtung, gerade/ungerade Mode-Interaktion und Variationen
der geschichteten Struktur.
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Die
US Patentanmeldung mit der Seriennummer 09,337,785, eingereicht
am 22. Juni 1999, mit dem Titel „Twin Waveguide Based Design
for Photonic Integrated Circuits" (
US 2002 031 297 A1 ), offenbart
eine modifizierte TG-Struktur, die als asymmetrischer Doppel- beziehungsweise
Zwillingswellenleiter (ATG) bezeichnet wird, welche einige der Ausführungsprobleme
konventioneller TG-Strukturen berücksichtigt. Die ATG-Struktur
reduziert signifikant modale Störungen
durch das Begrenzen unterschiedlicher Modi von Licht dahingehend,
daß sie
in unterschiedlichen Wellenleitern propagieren. Dies wird erreicht
durch Auslegen eines jeden der einzelnen Mode-Wellenleitern, die
in dem Zwillingswellenleiter enthalten sind, derart, daß der Mode
des propagierenden Lichts in jedem der zwei Wellenleiter unterschiedliche
Brechungsindizes aufweist. Die asymmetrischen Wellenleiter können lateral
konisch zulaufen, um Kupplungsverluste bei resonanzerzeugender oder
adiabatischer Kopplung von der optischen Energie zwischen dem ersten
und dem zweiten Wellenleiter zu reduzieren. Die Auslegung des asymmetrischen
Wellenleiters reduziert signifikant die Interaktion zwischen den
optischen Modi und repräsentiert daher
eine große
Verbesserung gegenüber
traditionellen TG-Einrichtungen.
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Obwohl
der ATG eine anpassungsfähige Plattform
verspricht, haben die Anmelder die Notwendigkeit erkannt, die photonischen
Einrichtungen zu liefern, die zwar oftmals angepriesen, aber niemals
mittels der PIC-Technologie realisiert worden sind. Demgemäß offenbaren
in der US Patentanmeldung mit der Seriennummer 09/717,851, angemeldet am
21. November 2000, mit dem Titel „Photonic Integrated Detector
Having a Plurality of Asymmetric Waveguides" (
US 633 0378 B1 ) die Anmelder eine Photodetektoreinrichtung,
die auf einer asymmetrischen Wellenleiterausführung basiert. Ein Ausführungsbeispiel
von dem Photodetektor PIC enthält mehr
als zwei asymmetrische Wellenleiter. Die asymmetrischen Wellenleiterphotodektoren
sprechen äußerst schnell
bei sehr hohen Frequenzen an und sind bei diesen betreibbar.
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Die
Entwicklung der Vorrichtung des asymmetrischen Wellenleiterphotodetektors
verspricht viel für
asymmetrische Wellenleiter-PIC. Allerdings besteht immer noch das
Bedürfnis
der Entwicklung anderer Typen von PIC-Einrichtungen. Insbesondere besteht
die Notwendigkeit für
verbesserte Lasereinrichtungen, wie zum Beispiel elektroabsorptionsmodulierte
Laser (EMLs). EMLs werden oft als Transmitter in optische Fasern
verwendende Kommunikationssysteme eingesetzt. Eine EML-Einrichtung
enthält
typischerweise einen Laser, der an dem Ausgang des Lasers mit einem
Elektroabsorptionsmodulator integriert ist. Dieser Laser kann zum
Beispiel eine verteilte Rückführungs-(DFB)
oder eine verteilte Bragg-Reflektoreinrichtung (DBR) sein, die kontinuierlich
betrieben werden , um die Stabilität des Outputs, der Leistung
und der Wellenlänge
sicher zu stellen. Der Elektroabsorptionsmodulator (EA) ist optisch
mit dem Laserausgang gekoppelt und moduliert das von dem Laser generierte
Signal. Forrest et al. beschreiben integrierte photonische Einrichtungen, die
asymmetrische Wellenleiterstrukturen verwenden (Conference Proceedings,
222 Int. Conf. on InP and Related Materials, VA, Williamsburg; Mai
14-18, 2000; Seiten 13-16).
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Es
ist eine Vielzahl von Schwierigkeiten verbunden mit der Herstellung
eines monolithischen integrierten Hochgeschwindigkeits-EML. Erstens
benötigen
die aktiven Bereiche von dem Laser und von dem Modulator typischerweise
Quantenschächte,
die mit unterschiedlichen Wellenlängen emittieren. Diese Auslegungseinschränkung ist
allgemein erfüllt
mittels des Festlegens des Lasers und des Modulators mit unterschiedlichen
Stärken
und/oder mit unterschiedlichen Materialien. Des weiteren ist eine
effiziente optische Kopplung zwischen dem Laser und dem Modulator
notwendig, und auch, im Fall des DBR-Lasers, zwischen den aktiven
Einrichtungen des Lasers und des Gitters. Schließlich ist eine effektive elektrische
Isolation zwischen den aktiven Einrichtungen von dem Laser und von
dem Modulator notwendig, um eine Kreuzkupplung zwischen den zwei
Einrichtungen zu vermeiden.
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Bestehende
Verfahren zur Herstellung monolithischer EML-Einrichtungen verwenden typischerweise
entweder mehrfache Halbleiternachwachsungsschritte, um separat den
Laser und den EA-Modulator herzustellen, oder einen einheitliche Wachstumsschritt
auf einem speziell präparierten Substrat,
worin die dielektrischen Masken in einander angrenzenden Bereichen
des Wafers unterschiedliche Bandabstände erzeugen. Jedes dieser Verfahren
ist komplex und führt
typischerweise zu schlechten Ausbeuten und somit zu sehr hohen Kosten
für das
fertiggestellte Produkt.
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Dem
zufolge besteht ein Bedarf auf diesem Gebiet für einen verbesserten EML, der
eine effiziente Kopplung und eine effektive Isolation zur Verfügung stellt
und der relativ kostengünstig
hergestellt werden kann.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Kurz
gesagt erfüllt
die vorliegende Erfindung diese und andere Bedürfnisse auf diesem Gebiet.
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Gemäß eines
ersten Aspekts der Erfindung ist ein monolithischer symmetrischer
Doppel- beziehungsweise Zwillingswellenleiter zur Verfügung gestellt,
der auf einer elektroabsorptionsmodulierten Lasereinrichtung basiert.
Die Lasereinrichtung enthält
einen ersten Wellenleiter, der einen Verstärkungsbereich aufweist, wie
zum Beispiel einen Multiquantenschachtbereich, um primär einen
ersten Mode von Licht zu verstärken,
und einen zweiten Wellenleiter mit einem darin ausgebildeten Modulator zum
Modulieren eines zweite Modes von Licht, das in diesem zweiten Wellenleiter
fortschreitet und bezogen auf den ersten Mode von Licht einen unterschiedlichen
effektiven Brechungsindex aufweist. Der erste Wellenleiter ist vertikal
oben auf dem zweiten Wellenleiter positioniert und hat eine darin
ausgebildete lateral verlaufende Konizität, um Licht zwischen dem ersten
Wellenleiter und dem zweiten Wellenleiter zu bewegen. Gemäß dieses
ersten Aspekts der Erfindung wird der erste Model des Lichts in
dem ersten Wellenleiter verstärkt
und in den zweiten Wellenleiter transferiert durch die lateral verlaufende
Konizität.
Am Ende des zweiten Wellenleiters trifft das Licht auf den Modulator,
der dafür
sorgt, daß ein
moduliertes optisches Signal von dieser Einrichtung emittiert wird.
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Gemäß eines
weiteren Aspekts der Erfindung ist eine elektroabsorptionsmodulierte
Lasereinrichtung offenbart, die mehr als zwei vertikal integrierte
asymmetrische Wellenleiter umfasst. Diese Lasereinrichtung enthält einen
ersten Wellenleiter mit einem Verstärkungsbereich, wie zum Beispiel
einen Multiquantenschachtbereich, zum Verstärken primär eines ersten Modes von Licht,
einen zweiten Wellenleiter mit einem darin angeordneten verteilten Bragg-Reflektor
zum Führen
primär
eines Modes von Licht mit einem Brechungsindex, der unterschiedlich zu
demjenigen des ersten Modes von Licht ist, und mit einem darin ausgebildeten
Modulator zum Modulieren eines dritten Modes von Licht, das in dem
dritten Wellenleiter propagiert und einen Brechungsindex aufweist,
der von dem jenigen des zweiten Modes von Licht unterschiedlich
ist. Der erste Wellenleiter ist vertikal auf der Spitze des zweiten
Wellenleiters positioniert, und der zweite Wellenleiter ist vertikal
auf der Spitze des dritten Wellenleiters positioniert. Der erste
Wellenleiter hat in sich eine lateral verlaufende Konizität ausgebildet
zum Transferieren von Licht zwischen dem ersten Wellenleiter und
dem zweiten Wellenleiter, und der zweite Wellenleiter hat in sich
eine lateral verlaufende Konizität
ausgebildet zum Transferieren von Licht von dem zweiten Wellenleiter
in den dritten Wellenleiter. Der erste Mode von Licht wird verstärkt in dem
ersten Wellenleiter und in den zweiten Wellenleiter über die
laterale Konizität
transferiert. Das Licht propagiert in dem zweiten Wellenleiter als
ein Licht mit einem zweiten Mode und wird in den dritten Wellenleiter über die
lateral verlaufende Konizität
transferiert. Der Modulator des dritten Wellenleiters bewirkt, daß das Signal
bei dem Ausgang der Einrichtung moduliert.
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Gemäß eines
weiteren Aspekts der Erfindung ist eine elektroabsorptionsmodulierte
Lasereinrichtung offenbart, die einen verteilten Rückführungslaser
(DFB) anwendet. Die modulierte DFB-Lasereinrichtung enthält einen
ersten Wellenleiter und einen zweiten Wellenleiter. Der erste Wellenleiter
hat einen Verstärkungsbereich
und ein Gitter darin, um einen DFB-Laser auszubilden. Ein von dem DFB-Laser kommendes
Signal wird über
eine laterale Konizität in
den zweiten Wellenleiter transferiert, worin das Signal moduliert
wird. Das in dem ersten Wellenleiter fortschreitende Licht weist
einen unterschiedlichen effektiven Brechungsindex auf als der Mode
von Licht, das in dem zweiten Wellenleier fortschreitet.
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Modulierte
Laser nach der Erfindung stellen sowohl eine effiziente optische
Kopplung zwischen dem Laser und dem Modulator als auch eine effektive elektrische
Isolation zwischen dem Laser und den Modulatoreinrichtungen zur
Verfügung.
Des weiteren können
erfindungsgemäße modulierte
Laser mittels eines Verfahrens hergestellt werden, das lediglich
einen einzigen epitaktischen Wachstumsschritt benötigt. Nach
dem Wachstumsschritt durchgeführte
Herstellungsschritte legen den Ort von dem Laser und von dem Modulator
fest. Dies vereinfacht den Herstellungsprozeß und ermölicht eine hohe Ausbeute, und
zwar mittels der relativ kostengünstigen
Integrationsmethode.
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Weitere
Aspekte der Erfindung sind weiter unten detailliert beschrieben.
Ausführungsformen von
der Erfindung sind angegeben in unabhängigen Ansprüchen 1 und
8. Weitere Ausführungsformen sind
in den entsprechend abhängigen
Ansprüchen 2-7
und 9-20 angegeben.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Andere
Merkmale der Erfindung werden des weiteren erkennbar von der folgenden
detaillierten Beschreibung der derzeitig bevorzugten exemplarischen
Ausführungsbeispiele
von der Erfindung, und zwar im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen,
in denen:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines elektroabsorptionsmodulierten asymmetrischen
Zwillingswellenleiterlasers gemäß eines
Aspekts der Erfindung ist;
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2 eine
perspektivische Ansicht eines Teils eines elektroabsorptionsmodulierten
asymmetrischen Zwillingswellenleiterlasers gemäß eines Aspekts der Erfindung
ist;
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3 eine
Teilansicht eines elektroabsorptionsmodulierten asymmetrischen Zwillingswellenleiterlasers
gemäß der Erfindung
ist;
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4 eine
Teilansicht eines alternativen Ausführungsbeispiels von einem elektroabsorptionsmodulierten
asymmetrischen Zwillingswellenleiterlasers gemäß eines Aspekts der Erfindung
ist;
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5A ein
Flußdiagramm
von einem Herstellungsprozeß eines
elektroabsorptionsmodulierten asymmetrischen Zwillingswellenleiterlasers
gemäß eines
Aspekts der Erfindung ist;
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5B ein
Flußdiagramm
ist von einen Herstellungsprozeß eines
alternativen Ausführungsbeispiels
von einem elektroabsorptionsmodulierten asymmetrischen Zwillingswellenleiterlasers
gemäß eines
Aspekts der Erfindung;
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6 einen
Graph darstellt von der Intensität
den Photoluminiszenzspektren gegenüber den Photoluminiszenzlängen von
dem Laser und dem Modulator von einer Einrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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7A einen
Graphen von der Ausgangsleistung durch einen Modulator gegenüber dem Strom
für eine
elektroabsorptionsmodulierte asymmetrische Zwillingswellenleiterlasereinrichtung
gemäß der Erfindung
darstellt;
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7B ein
Graph von dem Ausgangsleistungauslöschverhältnis gegenüber der an dem Modulator angelegten
Spannung für
einen elektroabsorptionsmodulierte asymmetrischen Zwillingswellenleiterlaser
gemäß der Erfindung
ist;
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8 eine
perspektivische Ansicht von einem Teil von einem elektroabsorptionsmodulierten asymmetrischen
Wellenleiterlasers gemäß der Erfindung
ist;
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9 eine
Teilansicht von einem elektroabsorptionsmodulierten asymmetrischen
Wellenleiters gemäß der Erfindung
ist;
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10 ein
Flußdiagramm
von einem Herstellungsprozeß von
einem elektroabsorptionsmodulierten asymmetrischen Wellenleiterlaser
gemäß eines
Aspekts der Erfindung ist;
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11 eine
perspektivische Ansicht von einem Teil eines elektroabsorptionsmodulierten
asymmetrischen Zwillingswellenleiterlasers gemäß eines Aspekts der Erfindung
ist;
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12A eine Teilansicht von einem elektroabsorptionsmodulierten
asymmetrischen Zwillingswellenleiters gemäß der Erfindung ist; und
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12B eine Teilansicht eines alternativen Ausführungsbeispiels
von einem elektroabsorptionsmodulierten asymmetrischen Zwillingswellenleiterslasers
gemäß eines
Aspekts der Erfindung ist.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Unter
Bezugnahme auf die 1-12B werden
nunmehr Systeme und Methoden mit den oben genannten vorteilhaften
Merkmalen im Zusammenhang mit einem zur Zeit bevorzugten exemplarischen
Ausführungsbeispiel
der Erfindung beschrieben. Es ist für die Fachleute auf diesem
Gebiet erkennbar, daß die
hier mit Bezug auf diese Figuren gegebene Beschreibung lediglich
illustrativer Natur ist und nicht dazu gedacht ist, den Schutzumfang
der Erfindung in irgendeiner Weise zu beschränken. Alle Fragen bezüglich des
Schutzumfangs der Erfindung können
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Ansprüche
gelöst
werden.
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Allgemein
gesprochen ist die vorliegende Anmeldung gerichtet auf asymmetrische
monolithische integrierte Wellenleiterstrukturen. Der Aufbau eines
asymmetrischen Zwillingswellenleiters (ATG) ist offenbart worden
in der anhängigen
US Patentanmeldung mit der Seriennummer 09/337,785, eingereicht
am 22. Juni 1999, mit dem dem Titel „Twin Waveguide Based Design
for Photonic Integrated Circuits" (
US 20022031297 A1 ).
Im Allgemeinen verwendet die ATG-Auslegung zwei Wellenleiter, worin jeder
Wellenleiter dazu ausgelegt ist, primär einen Mode von Licht zu leiten,
wobei jeder Mode einen unterschiedlichen effektiven Brechungsindex
aufweist. Eine laterale Konizität
in einem der Wellenleiter induziert das Koppeln von Licht zwischen
den Wellenleitern. Die laterale Konizität arbeitet so, um den effektiven
Brechungsindex von einem Mode des Lichtes, das in dem ersten Wellenleiter
fortschreitet, in einen zweiten Mode (von Licht) zu ändern, das
primär
in dem zweiten Wellenleiter fortschreitet. Diese Umwandlung vollzieht
sich über
die Länge
der Konizität. Auf
diese Art und Weise kann ein Mode von Licht mit einem ersten Brechungsindex
am Anfang der Konizität
beginnen, in dem zweiten Wellenleiter fortzuschreiten, und umgewandelt
sein in einen zweiten Mode von Licht mit einem niedrigeren effektiven
Brechungsindex bei dem Ende von dem Bereich der Konizität, wodurch
bewirkt wird, daß der
Mode im wesentlichen festgesetzt wird in seiner Fortschreitung im
dem zweiten Wellenleiter.
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Die
vorliegende Anmeldung ist gerichtet auf Laser-PC-Einrichtungen mit einer Vielzahl von
vertikalen, asymmetrischen, integrierten Wellenleitern mit darin
ausgebildeten lateralen Konizitäten.
Gemäß eines
ersten Aspektes der Erfindung ist eine elektroabsorptionsmodulierte
Lasereinrichtung angegeben mit einer asymmetrischen Zwillingswellenleiterausführung. Es
wird Licht entlang der Länge
des ersten Wellenleiters verstärkt
und über
eine laterale Konizität
in einen zweiten Wellenleiter eingekoppelt. Ein Modulator wirkt
so, um das in dem zweiten Wellenleiter fortschreitende Licht zu
modulieren. Auf diese Art und weise wird das in dem ersten asymmetrischen
Wellenleiter generierte und verstärkte Licht mittels eines Modulators
in dem zweiten asymmetrischen Wellenleiter moduliert.
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Die 1 zeigt
eine perspektivische Ansicht eines exemplarischen elektroabsorptionsmodulierten asymmetrischen
Zwillingswellenleiterlasers gemäß eines
Aspektes von der Erfindung. Wie gezeigt, enthält die elektroabsorptionsmodulierte
Lasereinrichtung 110, einen Laserbereich 104 und
einen Modulatorbereich 106. Ein von dem Laserbereich 104 generiertes
Signal wird von dem Modulator 106 moduliert.
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Im
allgemeinen enthält
die Einrichtung 110 einen ersten Wellenleiter 114 und
einen zweiten Wellenleiter 116, die auf einem Subtrat 112 angeordnet sind.
Wie mit Bezug auf die 2 und 3 weiter unten
detailliert erläutert
werden wird, weist der Wellenleiter 114 einen darin angeordneten
Verstärkerbereich
auf, zum Verstärken
von in dem Wellenleiter fortschreitenden Licht. Das in dem Wellenleiter 114 fortschreitende
Licht wird in den Wellenleiter 116 über laterale Konizitäten 122,
die in dem Wellenleiter 114 ausgebildet sind, transferiert.
Der Wellenleiter 116 hat darin ausgebildete Gitterabschnitte 128.
Die Gitterabschnitte 128 arbeiten zusammen mit dem Verstärkungsbereich
in dem Wellenleiter 114, um einen verteilten Bragg-Reflektor-Laser
(DBR) auszubilden. Daher enthält
der Laserbereich 104 den Wellenleiter 114 und
den Abschnitt des Wellenleiters 116 zwischen den Gittern 128.
Das von dem DBR-Laserbereich 104 emittierte Licht tritt
ein in den Modulatorbereich 106 von dem Wellenleiter 116.
Der Modulatorbereich 106 bewirkt, daß das Signal aus dem Laser
moduliert wird.
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Die 2 zeigt
eine perspektivische Ansicht von einem Abschnitt eines exemplarischen
elektroabsorptionsmodulierten asymmetrischen Zwillingswellenleiterlaser
gemäß eines
Aspektes der vorliegenden Erfindung. Wie gezeigt, ist die monolithische, integrierte,
modulierte Zwillingswellenleiterlasereinrichtung 110 auf
den Substrat 112 positioniert und enthält einen ersten Wellenleiter 114 und
einen zweiten Wellenleiter 116. Der Wellenleiter 114 hat
einen Multiquantenschacht-Bereich 118,
der darin ausgebildet ist, um in dem Wellenleiter 114 fortschreitendes Licht
zu verstärken.
In einem Ausführungsbeispiel enthält der Quantenschacht-Bereich 118 fünf Quantenschächte. Der
elektrische Kontaktbereich 120 des Lasers wird verwandt,
um eine Spannung an dem Multiquantenschacht-Bereich 118 anzulegen
und um dadurch ein Laserbetriebs-Signal zu erzeugen. In dem exemplarischen
Ausführungsbeispiel
sind die Materialien und die relativen Dicken von denjenigen Materialien,
die den Wellenleiter 114 umfassen, derart ausgewählt worden,
daß ein
einzelner Mode von Licht primär
in dem Wellenleiter 114 fortschreitet. In einem exem plarischen
Ausführungsbeispiel
weist der einzelne Mode von Licht einen effektiven Brechungsindex
von etwa 3,24 auf.
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Der
Wellenleiter 114 weist darin ausgebildete laterale Konizitäten 122 auf,
um Licht in den Wellenleiter 116 zu transferieren. Die
Breite des Endes der Konizität
des Wellenleiters 116, die hierin bezeichnet wird als WTAPEND, beträgt 1 μm. Die Bereite der Konizität an einem
Punkt, welcher bei dem exemplarischen Ausführungsbeispiel der entfernteste
Punkt der Konizität
ist, wird im folgenden als WTAP bezeichnet
und beträgt
zwischen etwa 1,8 und 2,2 μm.
Die Länge
der Konizität
von ihrem Ende zu dem Punkt, der WTAP entspricht,
die im folgenden als LTAP bezeichnet wird,
beträgt
zwischen 100 und 1250 μm. Die
oben beschriebenen Werte für
WTAPEND, WTAP und LTAP führen
zu einem lateralen Konuswinkel Θ von zwischen
etwa 0,09 und 0,23 Grad. Der Wellenleiter 116 ist unterhalb
des Wellenleiters 114 positioniert und einstückig damit
ausgebildet. Der Wellenleiter 116 ist ausgelegt worden,
um primär
einen Mode von Licht zu leiten, wobei der Mode von Licht einen geringeren
effektiven Brechungsindex aufweist, als der Mode von Licht, das
in dem Wellenleiter 114 fortschreitet. Im einem exemplarischen
Ausführungsbeispiel
ist der effektive Brechungsindex von dem Mode von Licht, das in
dem Wellenleiter 116 fortschreitet, zwischen etwa 3,2 und
3,21 ausgewählt.
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Der
Wellenleiter 116 enthält
einen Multiquantenschacht-Bereich 124,
der in einem Ausführungsbeispiel
zehn Quantenschächte
enthält.
Der elektrische Kontakt 126 wird verwendet, um eine Sperr-Vorspannung
an den Quantenschacht-Bereich 124 zu induzieren, um so
eine Verschiebung der Bandlücken und
der Absorption zu induzieren. Die Sperr-Vorspannung führt zu einer
Modulation des Signals, das von dem Wellenleiter 126 ausgegeben
worden ist.
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Allgemein
ist der Multiquantenschacht-Bereich 124 transparent für die vom
Laser emittierte Wellenlänge,
und zwar aufgrund der Bandlücken-Verstimmung.
Daher ist ein verteilter Bragg-Gitterreflektor '128 in den Wellenleiter 116 eingeätzt. Das
Ergebnis ist ein frequenzstabilisierter verteilter Bragg-Reflektor-Laser 104 (DBR),
dessen optische Ausgangsfrequenz entlang des Wellenleiters 116 geleitet
wird.
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Wie
bereits vorher bemerkt, besteht eine wichtige Überlegung bezüglich der
Auslegung für
die elektroabsorptionsmodulierten Laser darin, eine effektive elektrische
Isolation zwischen dem Laser und dem Modulator zu haben. Die elektrische
Isolation ermöglicht
ein unabhängiges
Vorspannen von zwei Einrichtungen. Die 3 zeigt
eine Abschnittsansicht des asymmetrischen Zwillingswellenleiterlasers von 2.
Wie gezeigt, enthält
der Wellenleiter 114 einen p dotierten Bereich 210,
einen Multiquantenschacht-Bereich 118 und einen n dotierten
Bereich 212. Der Wellenleiter 116 ist positioniert
auf dem oberen Bereich des n+ dotierten Substrats 112 und
enthält
den Quantenschacht-Bereich 124 und den n+ dotierten Bereich 214.
Der n dotierte Bereich 214 ist angrenzend an den n dotierten
Bereich 212 des Wellenleiters 114 angeordnet.
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Ein
Abschnitt der oberen Mantelschicht 214 des Wellenleiters 116,
der unter dem Kontakt 126 positioniert ist, ist unter Verwendung
von einer Akzeptor-Diffusion lokal in einen p-Typ-Bereich 220 konvertiert
worden. Die Diffusion erzeugt einen p-n-Anschluß in dem Bereich unterhalb
des Kontaktes 126. Es wird eine Vorspannung in Durchlaßrichtung
an dem Laser-Bereich von der Einrichtung angelegt mittels Anlegen
einer Spannung über
den Kontakt 120 und dem Substrat 112 oder alternativ über den
Kontakt 120 und einem Seitenkontakt am Schacht 214. Durch
Anlegen einer negativen Spannung zwischen dem Modulatorkontakt 126 und
dem Substrat 112 wird eine Sperr-Vorspannung an den Quantenschacht-Bereich 124 angelegt.
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Bei
dem Anschluß des
Bereichs 220 und dem Mantel 214 wird ein rückwärts vorgespannter p-n-Anschluß ausgebildet,
wodurch eine elektrische Isolation zwischen dem Modulator und dem
Laser zur Verfügung
gestellt wird. Auf diese Art und Weise arbeitet die Zusammenstellung
der Wellenleiter so, um eine elektrische Isolation zwischen dem
Laser und dem Modulator zur Verfügung
zu stellen.
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In
der 4 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel zum zur Verfügung stellen
einer elektrischen Isolation für
den asymmetrischen Zwillingswellenleiterlaser gezeigt. Wie gezeigt,
enthält
der Wellenleiter 114 einen p dotierten Bereich 310,
einen n dotierten Bereich 312 und einen Quantenschacht-Bereich 118. Der
Wellenleiter 116 ist auf dem oberen Bereich des Substrats 112 und
unterhalb des Wellenleiters 114 positioniert. Der Wellenleiter 116 enthält eine
n dotierte Mantelschicht 314, einen Quantenschacht-Bereich 124 und
eine mit n+ hochdotierte Kontaktschicht 316.
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Es
ist eine Vorspannung im Durchlaßrichtung
für den
Laser an dem Laserkontakt 120 und der n+ Schicht 316 angelegt.
Die Sperr-Vorspannung für den
Modulator ist zwischen der n+ Kontaktschicht 216 und dem
Substrat 112 angelegt. Auf diese Art und Weise teilen sich
bei dem Ausführungsbeispiel von 4 der
Laser und der Modulator die Kontaktschicht 316 als einen
gemeinsamen Masseanschluß bzw.
Erdung. Um den Laser effektiver von dem Modulator zu isolieren,
ist in der n+ Schicht 312 ein Ionen-Implantationsbereich 320 ausgebildet,
eine Kontaktschicht 316 und eine n+ Schicht 314.
Der Ionen-Implantationsbereich
erzeugt eine Widerstand von mehreren einhundert kiloOhm zwischen
dem Laser und dem Modulator. Dieser hinzugefügte Widerstand dient dazu,
die Kreuzkoppelung zwischen den zwei Einrichtungen zu minimieren.
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Wie
bereits vorstehend bemerkt, besteht ein großer Vorteil der asymmetrischen
Wellenleitertechnologie darin, daß sie unter Verwendung des
Wachstumschrittes sich selbst die Möglichkeit der Erzeugung von
Einrichtungen verleiht. Ein Wafer zur Verwendung bei der Herstellung
auf asymmetrischen Wellenleitern basierenden modulierten Lasers,
wie er oben in Bezug auf die 1 bis 4 beschrieben worden
ist, kann wie folgt aufgebaut werden. Zuerst wird eine 0,5 μm Dicke InP-Pufferschicht
auf einem (100) p dotierten InP-Substrat 112 aufgebaut.
Als nächstes
wird der MQW (Multiquantenschacht-Bereich) 124 des Modulators
aufgebaut. Der MQW-Bereich 124 enthält zehn InGaAsP-Quantenschächte mit
einer Emissionswellenlänge
von etwa λ =
1,5 μm, die
mittels neun InGaAsP-Barrieren mit einer Bandlücken-Wellenlänge von
etwa λg = 1,2 μm
voneinander getrennt sind. Diese Schichten sind zwischen zwei InGaAsP
(Bandlücken-Wellenlänge λ4 =
1,05 μm)
separate heterostrukturierte Einschluß(SCH)-Schichten zwischengefügt, welche
jeweils etwa 0,05 μm dick
sind. Dem Modulator folgt eine 0,35 μm dicke InP-Schicht, eine 0,05 μm dicke n+
dotierte InGaAsP-Schicht sowie eine andere 0,35 μm InP Schicht. Auf dem oberen
Bereich davon wird der MQW-Bereich 118 des Lasers aufgebaut.
Der Laserwellenleiter MQW-Bereich 118 enthält fünf Quantenschächte mit
einer Emissionswellenlänge
von etwa λ =
1,55 μm,
welche separiert sind mittels vier InGaAsP-Barrieren mit einer Bandlücken-Wellenlänge von
etwa λ4 = 1,2 μm.
Diese Schichten sind zwischen zwei InGaAsP(Bandlücken-Wellenlänge λg =
1,2 μm)-SCH-Schichten
zwischengefügt,
welche etwa 0,15 μm
dick sind. Auf dem oberen Bereich des Lasers wird eine 0,1 μm InP-Schicht
aufgebaut, die von einer 0,02 μm
InGaAsP-Ätzstoppschicht
sowie einer 1 μm
dicken InP-Mantelschicht obendrauf gefolgt werden. Schließlich wird
auf der Mantelschicht eine 0,2 μm
dicke, p+ dotierte InGaAsP-Schicht (Bandlücken-Wellenlänge λ4 =
1,2 μm)
aufgebaut.
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Die 5A ist
ein Flussdiagramm von einem Herstellungsprozess eines elektroabsorptionsmodulierten
asymmetrischen Zwillingswellenleiterlasers, wie er in 3 dargestellt
ist. Der modulierte Laser wird hergestellt mittels einer Abfolge
von Maskierungs- und Ätz-Schritten.
Wie gezeigt, wird bei dem Schritt 410 eine monolithische
Struktur, die die oben beschriebenen Schichten aufweist, mittels
einer Molekularstrahlepitaxie (MBE) oder metallorganischen, chemischen
Aufdampfung (MOCVD), zum Beispiel in einem einzelnen epitaxischen
Schritt auf einem n+ dotierten Substrat 112 aufgebaut.
Bei dem Schritt 412 wird die Kontur des Wellenleiters 114,
der einen lateral konisch zugelaufenden Bereich 122 bzw.
eine laterale Konizität 122 darin
ausgebildet hat, mittels Maskieren festgelegt, und es werden die
umgebenden Schichten auf dem oberen Bereich des Wellenleiters 116 weggeätzt. Bei
dem Schritt 414 wird der Wellenleiter 116 mittels
Maskieren festgelegt, und die umgebenden Bereiche werden auf dem
oberen Bereich des Substrats 112 weggeätzt. Bei dem Schritt 416 wird
in dem Wellenleiter 116 das Gitter 128 ausgebildet,
und zwar mittels eines Interferometrie-Verfahrens oder e-Strahl-Lithographie
ausgebildet. Bei dem Schritt 418 wird in dem Wellenleiter 116 ein
p+ Bereich 220 ausgebildet, und zwar unter Verwendung von
Akzeptor-Verunreinigungs-Diffusionstechniken. Bei dem Schritt 420 werden
die Kontakte 120 bzw. 126 auf dem Wellenleiter 114 bzw.
dem Wellenleiter 116 ausgeformt.
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Die 5B ist
ein Flussdiagramm eines Herstellungsprozesses von einem elektroabsorptionsmodulierten
asymmetrischen Zwillingswellenleiterlaser, wie er in der 4 gezeigt
ist. Wie gezeigt, wird bei Schritt 450 eine monolithische
Struktur, die die oben beschriebenen Schichten aufweist, mittels
MBE oder mittels MOCVD aufgebaut, z.B. in einem einzigen epitaxischen
Schritt auf dem p+ dotierten Substrat 112. Bei dem Schritt 452 wird
die Kontur des Wellenleiters 114, der eine darin ausgebildete
laterale Konizität 122 aufweist,
mittels Maskieren festgelegt und es werden die umgebenden Schichten
auf dem oberen Bereich des Wellenleiters 116 weggeätzt. Bei dem
Schritt 454 ist der Wellenleiter 116 mittels Maskieren
festgelegt und die umgebenden Bereiche auf dem oberen Abschnitt
des Substrats 112 weggeätzt. Bei
dem Schritt 456 wird in dem Wellenleiter 116 ein Gitter 128 mittels
eines Interferometrieverfahrens oder e-Strahl-Lithographie ausgebildet.
Bei dem Schritt 458 wird in dem Wellenleiter 116 der
Bereich 320 der elektrischen Isolation ausgebildet, und
zwar unter Verwendung von Standard-Ionenimplantationstechniken.
Bei dem Schritt 460 werden Kontakte 122 bzw. 126 auf
dem Wellenleiter 114 bzw. Wellenleiter 116 ausgeformt.
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Die 6 zeigt
einen Graph der Intensität der
Fotoluminiszensspektren gegenüber
der Fotoluminiszenswellenlänge
für jeden
der Laser, was mit der Linie 512 dargestellt ist, und dem
Modulator, was mit der Linie 510 dargestellt ist, und zwar
der in 4 dargestellten Einrichtung. Wie gezeigt, ist
eine Verschiebung von 33 nm in der Fotoluminiszenslänge zwischen
dem Laser und dem Modulator. Die aktuelle Laserbetrieb-Wellenlänge beträgt 1540
nm, welche um 52 nm von der Spitze der Modulator-Fotoluminiszens
verstimmt wird.
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Die 7A und 7B sind
Graphen des Ausgangs des elektroabsorptionsmodulierten, asymmetrischen
Zwillingswellenleiterlasers, wie er in der 4 dargestellt
ist. Die 7A stellt eine Graphen der Ausgangsleistung
durch den Modulator gegenüber
dem Laser-Antriebsstrom dar. 7B ist
ein Graph des Ausgangsleistungs-Auslöschungsverhältnisses gegenüber der
an dem Modulator angelegten Spannung.
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Die
Anmelder haben festgestellt, daß das Anordnen
des Kontaktes 126, welcher typischerweise aus Metall hergestellt
worden ist, in geringer Nähe zu
dem Quantenschacht 124 dazu führen kann, daß ein optischer
Verlust des fortschreitenden Signales in dem Quantenschacht 124 auftreten
kann. Dementsprechend besteht daher eine Motivation dahingehend,
die Distanz zwischen dem Modulator-Kontakt 126 und dem
Quantenschacht 124 zu maximieren. Bei den modulierten Lasern
der 1 bis 4 stellen die Mantelschichten
bei dem Anschluß der
Wellenleiter 714 und 716 eine Trennung zwischen
dem Kontakt 126 und dem Quantenschacht 124 sicher. Um
den optimalen Betrieb des Modulators zu erzielen, sollte die Dicke
der Mantelschicht relativ groß sein,
z.B. in dem Bereich von etwa 1 Mikrometer. Ein Reduzieren der Dicke
des Mantels unterhalb 1 Mikrometers führt zu einem raschen Anstieg
des Wellenleiterverlustes in der Modulatorsektion.
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Die
Anmelder haben des weiteren entdeckt, daß die Laserregion 104 der
Vorrichtung 110 am besten arbeitet, wenn die Stärke des
Mantels zwischen dem Wellenleiter 114 und 116 in
etwa 0,5 Mikrometer beträgt.
Wenn der Mantel in etwa 0,5 Mikrometer dick ist, stellt eine relativ
kurze Konizität 121 einen
sehr geringen Einkoppelungsverlust zwischen den Wellenleitern 114 und 116 zur
Verfügung.
Ein Ansteigen der Dicke des Mantels zwischen 0,8 und 1 Mikrometer
benötigt
einen Anstieg der Länge
der Konizität, um
einen geringen Einkoppelungsverlust aufrecht erhalten zu können. Ein
Anstieg der Länge
der Konizität
macht die Konizität
allerdings anfälliger
für Herstellungsänderungen.
Des weiteren können
lange aktive Konizitäten
zu hohen Schwellwert-Strömen führen, und
zwar aufgrund der relativ langen nicht-radiativen Rekombinationen
innerhalb der Konizität, was
durch das Ätzen
durch den Quantenschacht-Bereich verursacht wird.
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Daher
stellt die Optimierung der Arbeitsweise von dem Modulatorbereich 106 und
von dem Laserbereich 104 einander widersprechende Auslegungsbedingungen
dar – der
Modulator arbeitet am besten, wenn die Mantelschicht zwischen dem
Kontakt 126 und dem Quantenschacht 124 groß ist, während der
Laser am besten arbeitet, wenn diese Mantelschicht minimiert ist.
Bei einem Versuch, beide Auslegungsbedingungen zu erfüllen, haben
die Anmelder eine Auslegung eines modulierten Lasers entwickelt,
der mehr als zwei asymmetrische Wellenleiter aufweist. Das Einführen eines
dritten Wellenleiters erlaubt es, daß die Laser- und Modulatorkomponenten
unabhängig
voneinander optimiert werden können.
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Demgemäß ist eine
elektroabsorptionsmodulierte Lasereinrichtung angegeben, die mehr
als zwei asymmetrische Wellenleiter aufweist. Das Licht wird entlang
eines ersten Wellenleiters verstärkt
und dann über
die laterale Konizität
in einen zweiten Wellenleiter eingekoppelt. Der zweite Wellenleiter
enthält einen
verteilten Bragg-Reflektor, um die Stabilität der Leistung und der Wellenlänge in dem
optischen Signal sicherzustellen. Das durch den Reflektor hindurchgehende
Licht wird in einen dritten Wellenleiter über eine zweite laterale Konizität eingekoppelt.
Ein Modulator in dem dritten Wellenleiter arbeitet derart, daß das Lichtsignal
moduliert wird.
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Die 8 zeigt
eine perspektivische Ansicht einer exemplarischen elektroabsorptionsmodulierten Lasereinrichtung 710,
die mehr als zwei asymmetrische Wellenleiter aufweist. Wie gezeigt,
enthält
die Einrichtung 710 den Laserwellenleiter 712,
den passiven Wellenleiter 714 und den Modulatorwellenleiter 716,
die alle auf dem Substrat 718 angeordnet sind. Die Materialien
und die relativen Stärken
von diesen Materialien, die die Wellenleiter 712,714 und 716 aufweisen,
sind derart ausgewählt,
daß ein
unterschiedlicher Mode von Licht, jeder hat einen unterschiedlichen
effektiven Brechungsindex, primär
in jedem der Wellenleiter fortschreitet. Der Wellenleiter 712 hat
laterale Konizitäten 722,
die darin ausgebildet sind, um Licht zwischen dem Wellenleiter 712 und
dem Wellenleiter 714 zu bewegen. In ähnlicher Art und Weise hat
der Wellenleiter 714 eine laterale Konizität 724, die
darin ausgebildet ist, um Licht zwischen dem Wellenleiter 714 und
dem Wellenleiter 716 zu bewegen.
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Der
Wellenleiter 712 enthält
einen Multiquantenschacht-Bereich 730,
zum Verstärken
des in dem Wellenleiter 712 fort schreitenden Lichtes. Der
elektrische Kontaktbereich 732 des Lasers wird dazu verwandt,
um eine Spannung an den Multiquantenschacht-Bereich 730 zum
Zwecke der Verstärkung des
Signals in dem Wellenleiter anzulegen. Bei dem exemplarischen Ausführungsbeispiel
sind die Materialien und relativen Stärken von denjenigen Materialien,
die der Wellenleiter 712 enthält, derart ausgewählt worden,
daß ein
einzelner Mode von Licht primär
im Wellenleiter 712 fortschreitet. In einem exemplarischen
Ausführungsbeispiel
weist der einzelne Mode von Licht einen effektiven Brechungsindex
von etwa 3,26 auf. Die laterale Konizität 722 arbeitet so, um
das verstärkte
Licht in den Wellenleiter 714 zu führen. Bei diesem exemplarischen
Ausführungsbeispiel
ist die Konizität 722 zwischen
100 und 250 Mikrometer.
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Der
Wellenleiter 714 ist unterhalb des Wellenleiters 712 positioniert
und ist mit diesem einstückig
ausgebildet. Der Wellenleiter 714 enthält einen passiven Fortschreitungsbereich 733,
um das von dem Wellenleiter 712 empfangene Licht zu dem
Gitterbereich 734 zu bewegen. Die Gitterbereiche 714 bilden
einen Bragg-Reflektor, der überwiegend
eine Frequenz von Licht zurückreflektiert.
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Die
laterale Konizität 724 arbeitet
so, um das in dem Wellenleiter 714 fortschreitende Licht
in den Wellenleiter 716 zu transferieren. Der Wellenleiter 714 besteht
aus einem optischen hochqualitativen Material mit einem sehr geringen
Verlust bei der Laserbetrieb-Wellenlänge, wie z.B. InGaAsP, das
gitterförmig
mit InP versehen ist. Des weiteren ist die Konizität 724 relativ
lang, beispielsweise in einem Bereich zwischen etwa 250 und 600
Mikrometer. Das hochqualitative und einen geringen optischen Verlust aufweisende
Material und die lange Konizität
stellen eine effiziente Koppelung zwischen den Wellenleitern 714 und 716 zur
Verfügung.
Der Wellenleiter 714 ist so ausgelegt, um primär einen
Mode von Licht zu leiten, wobei der Mode von Licht einen geringeren
effektiven Brechungsindex aufweist, als der Mode von Licht, das
in dem Wellenleiter 712 fortschreitet. In einem exemplarischen
Ausführungsbeispiel
beträgt der
effektive Brechungsindex des Modes von Licht, das in dem Wellenleiter 714 fortschreitet,
zwischen etwa 3,23 und 3,24.
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Der
Wellenleiter 716 ist vertikal unterhalb des Wellenleiters 714 positioniert
und ist mit diesem einstückig
ausgebildet. Der Wellenleiter 716 enthält einen Multiquantenschacht-Bereich 736 und
hat einen darauf ausgebildeten elektrischen Kontakt 740. Der
Kontakt 740 wird verwandt, um eine Sperr-Vorspannung an
dem Quantenschacht-Bereich 736 anzulegen, um einen Bandlückenversatz
sowie eine Absorption des in dem Wellenleiter fortschreitenden Lichtsignals
zu induzieren. Die Sperr-Vorspannung eröffnet die Möglichkeit, das von dem Wellenleiter 716 ausgegebene
Signal zu modulieren. Der Wellenleiter 716 ist so ausgelegt,
um primär
einen Mode von Licht zu leiten, wobei dieser Mode von Licht einen
geringeren effektiven Brechungsindex aufweist, als der Mode von
Licht, das in dem Wellenleiter 714 fortschreitet. In einem
exemplarischen Ausführungsbeispiel
beträgt
der effektive Brechungsindex des Modes von Licht, das in dem Wellenleiter 716 fortschreitet,
etwa 3,2 bis etwa 3,21.
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Die 9 zeigt
eine Teilansicht der modulierten Lasereinrichtung 710.
Wie gezeigt, enthält
in dem exemplarischen Ausführungsbeispiel
der Wellenleiter 712 eine p dotierte Mantelschicht 742,
einen Multiquantenschacht-Bereich 730 und einen n dotierten Bereich 744.
Der Wellenleiter 714 enthält einen n dotierten Bereich 746,
einen passiven Wellenleiterbereich 733 und einen n dotierten
Bereich 748. Der Wellenleiter 716 enthält einen
n dotierten Bereich 750 und einen Multiquantenschacht-Bereich 736.
Der p dotierte Bereich 752 ist in der n (dotierten) Mantelschicht 750 ausgebildet
und arbeitet ähnlich
wie die oben mit Bezug auf 3 beschriebene.
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Die
Fachleute auf diesem Gebiet werden erkennen, daß die Einfügung des Wellenleiters 714 zwischen
dem Wellenleiter 712 und Wellenleiter 716 Laser-
und Modulator-Abschnitte der Vorrichtung zur Verfügung stellen,
die unabhängig
voneinander optimiert werden können.
Mit Bezug auf den Laserabschnitt von der Vorrichtung ist zu sagen,
daß die
jeweilige Stärke
der Mantelschichten 744 und 746 bei dem Anschluß der Wellenleiter 712 und 714 minimiert
werden kann, um eine kürzere
Konizität 722 zur Verfügung zu
stellen. Zum Beispiel beträgt
in einem Ausführungsbeispiel
die Mantel-Stärke
etwa 0,5 Mikrometer, welches es ermöglicht, die Länge der
Konizität 722 auf
etwa zwischen 100 und 120 Mikrometer festzulegen. Die dünne Mantelschicht
und die damit einhergehende kurze Konizität sorgt für eine effiziente Koppelung
zwischen dem Quantenschacht-Bereich 730 und dem Gitter 734.
Hinzukommt, daß der Wellenleiter 740 aus
einem hochqualitativen optischen Material ohne Quantenschächte und
mit sehr geringer optischer Verlustrate hergestellt ist. Diese Charakteristika
reduzieren das Ausmaß des
Verlustes in dem Gitter und in der Laser-Kavität. Desweiteren sorgt die relative
Dünne der
Mantelschichten für ein
relativ flaches Gitter, um das Bragg-Gitter 734 auszubilden.
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Im
Hinblick auf den Modulator-Abschnitt der Einrichtung ist zu sagen,
daß die
Stärke
von den Mantelschichten 748 und 750 bei dem Anschluß der Wellenleiter 714 und 716 maximiert
werden kann, um so den Abstand zwischen dem Kontakt 740 und
dem Quantenschacht-Bereich 736 zu vergrößern. Die vergrößerte Dicke
von dem Mantel minimiert die Einflüsse bei dem Kontakt 740 durch
Signale, die in dem Wellenleiter 716 fortschreiten.
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Ein
Wafer zur Verwendung bei der Herstellung eines auf einem asymmetrischen
Wellenleiter basierenden modulierten Lasers, wie er oben mit Bezug
auf die 8 und 9 beschrieben
worden ist, kann wie folgt aufgebaut werden. Zuerst wird eine 0,5 μm dicke InP-Pufferschicht
auf einem (100) p dotierten InP Substrats 718 aufgebaut.
Als nächstes
wird der Modulator MQWB-Bereich 736 aufgebaut. Der Modulator
MQW-Bereich 736 enthält
zehn InGaAsP-Quantenschächte
mit einer Emissionswellenlänge
von etwa λ =
1,50 μm,
die voneinander separiert sind mittels neun InGaAsP-Barrieren mit
einer Bandlücken-Wellenlänge von
etwa λg = 1,2 μm.
Diese Schichten sind zwischen zwei separaten InGaAsP-(Bandlücken-Wellenlänge λg =
1,05 μm)-Schichten
aus separaten eingeschlossenen Heterostrukturen (SCH) zwischengefügt, wobei
jede dieser Schichten etwa 0,05 μm
dick ist. Dem Modulator-Wellenleiter 716 folgt eine 1 μm dicke InP-Schicht,
die diesen von dem passiven Wellenleiter 714 separiert.
Der passive Wellenleiter 714 wird als nächstes aufgebaut und enthält eine
0,5 μm dicke InGaAsP(Bandlücken-Wellenlänge λg =
1,2 μm)-Schicht.
Diese wird gefolgt von einer 0,22 μm dicken InP-Schicht, einer
0,05 μm
dicken n+ dotierten InGaAsP-Schicht und einer anderen 0,22 μm dicken InP-Schicht.
Der Laser-MQW-Wellenleiter 712 wird darauf aufgebaut. Der
Laser-Wellenleiter 712 enthält fünf InGaAsP-Quantenschächte mit
einer Emissionswellenlänge
von λ =
1,55 μm,
welche separiert sind mittels vier InGaAsP-Barrieren mit einer Bandlücken-Wellenlänge von
etwa λg = 1,2 μm.
Diese Schichten sind zwischen zwei InGaAsP(Bandlücken-Wellenlänge λ4 =
1,2 μm)-SCH-Schichten
zwischengefügt,
welche jeweils etwa 0,17 μm
dick sind. Auf diesen Schichten ist eine 0,1 um InP-Schicht aufgebaut,
die von einer 0,02 μm
dicken InGaAsP-Ätzstoppschicht
sowie ein 1 μm
dicken InP-Abschlußmantelschicht
gefolgt werden. Schließlich
wird eine 0,2 μm
p+ dotierte InGaAsP-Schicht (Bandlücken-Wellenlänge λ4 =
1,2 μm)
auf dieser Mantelschicht aufgebaut.
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Die 10 ist
ein Flussdiagramm für
einen Herstellungsprozess eines elektroabsorptionsmodulierten asymmetrischen
Zwillingswellenleiter-Lasers, wie er in den 8 und 9 dargestellt
ist. Der modulierte Laser wird hergestellt mittels einer Reihe von Maskierungs-
und Ätz schritten.
Wie bei dem Schritt 910 gezeigt, wird eine monolithische
Struktur, die oben beschriebene Schichten aufweist, aufgebaut mittels
MBE oder MOCVD, zum Beispiel in einem einzelnen epitaxischen Schritt
auf einem n+ dotierten Substrat 718. Bei dem Schritt 912 wird
die Kontur des Wellenleiters 712, der eine laterale Konizität 722 darin
ausgebildet aufweist, mittels Maskieren festgelegt und die umgebenden
Schichten werden auf dem oberen Bereich des Wellenleiters 715 weggeätzt. Bei dem
Schritt 914 wird der Wellenleiter 714, der eine darin
ausgebildete laterale Konizität 724 aufweist, mittels
Maskieren festgelegt und die umgebenden Bereiche werden auf dem
oberen Bereich des Wellenleiters 716 geätzt. Bei dem Schritt 916 wird
die Kontur des Wellenleiters 716 mittels Maskieren festgelegt
und die umgebenden Schichten werden oben auf dem Substrat 718 weggeätzt. Bei
dem Schritt 918 wird der Gitter-Reflektor 734 in
dem Wellenleiter 714 mittels einer Interferometriemethode
oder der e-Strahl-Lithographie ausgebildet. Bei dem Schritt 920 wird
in dem Wellenleiter 716 die p+ Region 752 unter
Verwendung von Akzeptor-Verunreinigungs-Diffusionstechniken
ausgebildet. Bei dem Schritt 922 werden die Kontakte 120 bzw. 126 auf dem
Wellenleiter 712 bzw. auf dem Wellenleiter 714 ausgebildet.
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Die
Einrichtungen, wie sie mit Bezug auf den 1 bis 10 beschrieben
worden sind, verwenden ein DBR-Laserdesign. Es ist allerdings zu
bemerken, daß eine
erfindungsgemäße Einrichtung
alternativ auch einen verteilten Rückführungs(DFB)-Laser verwenden
könnte.
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Die 11 zeigt
eine perspektivische Ansicht einer elektroabsorptionsmodulierten
Lasereinrichtung nach der Erfindung mit einem DFB-Laser. Wie gezeigt,
enthält
die Einrichtung gemäß 11 einen
ersten Wellenleiter 1110 und einen zweiten Wellenleiter 1112.
Der Wellenleiter 1110 enthält einen Verstärkungsbereich 1116 und
ein Gitter 1118, um einen DFB-Laser zu bilden. Der Wellenleiter 1112 enthält einen
Verstärkungsbereich 1120 und
eine Modulatorbereich 1122. Ein aus dem DFB-Laser austretendes
Signal wird über
die laterale Konizität 1124 in den
Wellenleiter 1114 transferiert, wo das Signal moduliert
ist. Im Gegensatz zu den Ausführungsbeispielen,
wie sie oben beschrieben worden sind, ist der Laserabschnitt der
Einrichtung gemäß 11 vollständig in
dem oberen Wellenleiter 1110 enthalten. Demzufolge sind
keine Gitter-Abschnitte in dem zweiten Wellenleiter 1112 vorhanden.
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Die
in der 11 gezeigte Einrichtung stimmt
mit den asymmetrischen Auslegungen, wie sie oben angegeben worden
sind, überein.
Demzufolge hat ein in dem Wellenleiter 1110 fortschreitendes
Licht einen unterschiedlichen effektiven Brechungsindex als der
Mode von Licht, das in dem Wellenleiter 1112 fortschreitet.
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Die 12A und 12B zeigen
Teilansichten von zwei alternativen Ausführungsbeispielen der Einrichtung
gemäß 11.
Wie gezeigt, ist in der Einrichtung gemäß 12A eine
Isolation zwischen dem Laserbereich der Einrichtung und dem Modulator-Bereich
der Einrichtung unter Verwendung eines Ionen-Implantat-Bereichs 1210 ausgebildet,
welche auf ähnliche
Art und Weise arbeitet, wie die Ausführungsbeispiele, die oben mit
Bezug auf 4 beschrieben worden sind. Die
Isolation in dem Ausführungsbeispiel
gemäß 12D ist ausgebildet unter Verwendung eines
Diffusionsbereichs 1212, welcher ähnlich arbeitet, wie ähnliche
Ausführungsbeispiele, die
oben mit Bezug auf 3 beschrieben worden sind. Bezüglich beider
Ausführungsbeispiele
ist der Gitterbereich 1118 auf dem Wellenleiter ausgeformt.
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Daher
sind nun verbesserte elektroabsorptionsmodulierte monolithische
asymmetrische Wellenleiterlaser-Einrichtungen offenbart worden.
Gemäß eines
Aspektes der Erfindung ist ein elektroabsorptionsmodulierter asymmetrischer
Zwillingswellen leiter basierender Laser PIC geschaffen. Gemäß eines
anderen Aspektes der Erfindung ist ein elektroabsorptionsmodulierter
Laser PIC mit mehr als zwei asymmetrischen Wellenleitern geschaffen.
Die exemplarischen Ausführungsbeispiele
der verbesserten Lasereinrichtungen stellen effeziente optische
Koppelungen zwischen dem Laser un dem Modulator und effektive Isolation
zwischen diesen Einrichtungen zur Verfügung. Die Einrichtungen können betrieben
werden mit Geschwindigkeiten die mindestens so groß sind wie
zwischen 10 und 40 Ghz. Die Einrichtungen sind relativ einfach und
kostengünstig
herstellbar.
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Während die
Erfindung beschrieben worden ist und gezeigt worden ist, mit Bezug
auf spezielle Ausführungsbeispiele,
ist es doch für
Fachleute auf diesem Gebiet erkennbar, daß Modifikation und Variationen
gemacht werden können,
ohne von den Prinzipien der Erfindung, wie sie oben beschrieben
und in den folgenden Ansprüchen
fortgesetzt ist, abzuweichen. Zum Beispiel kann eine elektroabsorptionsmodulierter,
asymmetrischer Wellenleiter-Laser gemäß der Erfindung Notierungsanordnungen
und Materialien enthalten, die sich von dem beschriebenen unterscheiden.
Desweiteren kann die Erfindung in einer großen Vielfalt von Einrichtungen
angewandt werden. Zum Beispiel kann ein elektroabsorptionsmodulierter
asymmetrischer Wellenleiter-Laser gemäß der Erfindung benutzt werden,
um hochsenitive 40 GHz-Transmitter für optische Kommunikationsverbindungen
herzustellen. Demgemäß sollte
bezüglich des
Umfangs der Erfindung auf die beigefügten Ansprüche Bezug genommen werden.