EP0847539A1 - Optical semiconductor component with deep ridged waveguide - Google Patents

Optical semiconductor component with deep ridged waveguide

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Publication number
EP0847539A1
EP0847539A1 EP97930508A EP97930508A EP0847539A1 EP 0847539 A1 EP0847539 A1 EP 0847539A1 EP 97930508 A EP97930508 A EP 97930508A EP 97930508 A EP97930508 A EP 97930508A EP 0847539 A1 EP0847539 A1 EP 0847539A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
waveguide
ridge
layer
semiconductor component
along
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP97930508A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Kaspar Dütting
Edgar Kühn
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Oclaro North America Inc
Original Assignee
Alcatel SA
Alcatel Alsthom Compagnie Generale dElectricite
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Alcatel SA, Alcatel Alsthom Compagnie Generale dElectricite filed Critical Alcatel SA
Publication of EP0847539A1 publication Critical patent/EP0847539A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G02OPTICS
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    • G02B6/12Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/122Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
    • G02B6/1228Tapered waveguides, e.g. integrated spot-size transformers
    • GPHYSICS
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    • G02B2006/12083Constructional arrangements
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    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
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    • G02B2006/12166Manufacturing methods
    • G02B2006/12195Tapering

Definitions

  • the invention relates to an optically 'it H ⁇ lbleiterb ⁇ uelement according to claim. 1
  • Optical semiconductor components are used in digital optical communication e.g. used as transmitter or receiver components and coupled to optical waveguides of a carrier plate or to optical fibers.
  • optical semiconductor components with a deep ribbed waveguide are used in the transmission of messages for the highest bit repetition frequencies, since they have the highest frequency bandwidth compared to optical semiconductor components with other types of waveguides due to their low electrical capacity.
  • a deep rib waveguide is an optical waveguide which is formed from a mesa-shaped rib resting on a substrate and contains waveguide layers in the rib which have a higher refractive index than the substrate.
  • the rib contains optically active semiconductor layers and thus a zone which contains the transition from p-doped to n-doped semiconductor material.
  • the rib a few ⁇ m wide, is laterally surrounded by electrically non-conductive material with a significantly lower refractive index, e.g. Air or polyimide.
  • a flat rib waveguide is understood to mean an optical waveguide in which at least a part of the existing ones Waveguide layers are arranged below a mesa-shaped rib a few ⁇ m wide.
  • the optically active semiconductor layers are not part of the rib, as a result of which the zone which contains the transition from p-doped to n-doped semiconductor material is not laterally limited to the rib which is a few ⁇ m wide.
  • the mode field of the light wave in the semiconductor component is expanded adiabatically along the direction of light propagation.
  • waveguides are used in optical semiconductor components which have a transition region in which the waveguide or individual layers of the waveguide lie in the lateral direction, that is the direction in the substrate plane perpendicular to the direction of light propagation, or in the vertical direction, that is the direction perpendicular taper or widen to the substrate plane, along a longitudinal direction of the waveguide.
  • a transition area is also called a taper.
  • a vertical taper denotes a transition region in which the layer thickness of a semiconductor layer increases or decreases
  • a lateral taper denotes a transition region in which the width of a waveguide increases or decreases along a longitudinal direction.
  • the semiconductor component described has a higher capacity than semiconductor components with a deeply etched rib waveguide, in particular in the actively operated one! Transition area.
  • higher modes than the basic mode are excited in a rib waveguide, in which the mode field adaptation is carried out mainly by an actively operated lateral taper, so that such a waveguide loses unimodality.
  • the object of the invention is to provide an optical semiconductor component which is suitable for the highest transmission rates and which enables a loss-free coupling to an optical fiber or an optical waveguide.
  • FIGS. 1 to 5 Two exemplary embodiments of an optical semiconductor component according to the invention are described below with reference to FIGS. 1 to 5. Show it:
  • FIG. 2 shows the same section as FIG. 1 and additionally the qualitative course of the mode field of a light wave guided in the waveguide on both sides of a transition area
  • FIG. 3 shows a top view of the semiconductor component of the first exemplary embodiment
  • Figure 4 shows a section through an optical according to the invention
  • Figure 5 is a plan view of the semiconductor device of the second embodiment.
  • An optical semiconductor component according to the invention has a deep ridge waveguide arranged on a substrate.
  • this deep rib waveguide has two waveguide cores which are separated by a separation layer and that in a first transition region of the rib waveguide the layer thickness of the separation layer increases along a longitudinal direction of the rib waveguide, which increases the vertical distance between the two waveguide cores.
  • This first transition region serves to adapt the mode field of a light wave guided in the rib waveguide to the mode field of a light wave in an optical fiber or an optical waveguide located on a carrier plate.
  • An advantage of the invention is that the adaptation of the mode field in the first transition region is independent of a variation in the layer thickness of the first waveguide core along the longitudinal direction of the rib waveguide.
  • the first waveguide core can contain optically active semiconductor layers whose energy band gap is determined by their layer thickness and material composition.
  • the adaptation of the mode field is independent of the energy band gap of the optically active semiconductor layers and the optical semiconductor component can thus be active, i.e. controlled light-amplifying or light-absorbing waveguide areas and passive, i.e. Have light-transmitting waveguide areas.
  • FIG. 1 shows a section through an optical semiconductor component BEI according to the invention in a first exemplary embodiment.
  • the section runs perpendicular to the plane of a substrate SUB along a longitudinal direction L of a deep rib waveguide RIDGE.
  • the deep rib waveguide RIDGE is arranged on the substrate SUB and, applied one above the other, contains a buffer layer BUF, a first waveguide core MQW, a separation layer SEP, a second waveguide core BULK, a cover layer DS and a metal contact layer MK.
  • the first and the second waveguide core MQW, BULK each have a refractive index that is greater than the refractive indices of the cover layer DS, the separation layer SEP, the buffer layer BUF and the substrate SUB. As a result, a light wave is mainly guided in the two waveguide cores MQW, BULK.
  • the first waveguide core MQW is separated from the second waveguide core BULK by the separation layer SEP.
  • the layer thickness of the separation layer SEP increases along the longitudinal direction L of the rib waveguide RIDGE. This increases the vertical distance between the first and the second waveguide core MQW, BULK. This causes the mode field of a light wave guided in the rib waveguide RIDGE to be expanded.
  • the increase in the layer thickness of the separation layer SEP is such that the mode field of the light wave guided in the rib waveguide RIDGE is matched to the mode field of a light wave in an optical fiber or an optical waveguide located on a carrier plate. In the exemplary embodiment, the increase in the layer thickness of the separation layer SEP is so great that the layer thickness approximately triples over a length of 100 ⁇ m.
  • the layer thickness of the separation layer SEP increases continuously along the longitudinal direction L of the rib waveguide RIDGE.
  • the light wave guided in the rib waveguide RIDGE is then scattered and absorbed particularly little in the first transition region UB1.
  • the increase in the layer thickness of the separation layer SEP along the longitudinal direction L of the ridge waveguide RIDGE can be linear, as in the first exemplary embodiment, or, for example, also exponential.
  • the second waveguide core BULK is designed in such a way that its layer thickness also increases in the transition region UB1 along the longitudinal direction L of the rib waveguide RIDGE, specifically along the same direction, along which the layer thickness of the separation layer SEP also increases. This is also shown in the first embodiment.
  • the optical semiconductor component BEI in the first exemplary embodiment has an end face F from which light signals emerge or through which light signals can enter the optical semiconductor component BEI.
  • An optical fiber or an optical waveguide located on a carrier plate can be coupled to this end face F.
  • the separation layer SEP is formed in such a way that its layer thickness increases along the longitudinal direction L of the rib waveguide RIDGE towards the end face F.
  • the first waveguide core MQW contains a semiconductor layer package with a multi-quantum well structure, that is a semiconductor layer package consisting of semiconductor layers with alternating large and small bandgap energy.
  • Band gap energy is to be understood as the energetic difference between the valence band and the conduction band of the material from which the layer consists.
  • These semiconductor layers have the same layer thickness in all areas of the rib waveguide RIDGE. Therefore, the semiconductor device BEI becomes active in all areas of the RIDGE ribbed waveguide, i.e. controlled operated light amplifying or light absorbing.
  • the function of the component described can be, for example, that of a directly modulatable laser or of an optical amplifier.
  • substrate SUB, buffer layer BUF, cover layer DS and separation layer SEP consist of a semiconductor of the III / V connection type, such as InP or GaAs.
  • the two waveguide cores MQW, BULK consist of ternary or quaternary mixed crystals from elements of main groups III and V, such as InGaAsP, InGaAs or InGaAlP.
  • compounds of elements of main groups II and VI, IV and IV or I and VII are also suitable for the semiconductor component, depending on the wavelength at which the semiconductor component is to operate.
  • FIG. 2 in addition to the section from FIG.
  • the course of the mode field of a light wave guided in the ribbed waveguide RIDGE is drawn qualitatively on both sides of the first transition region UBL.
  • the amount of the electric field vector of the light wave is plotted in the longitudinal direction L of the rib waveguide RIDGE and a position coordinate perpendicular to the substrate plane. It is clear from the diagrams shown that the mode field of the light wave is widened by the increase in the layer thickness of the separation layer SEP, since a light wave is mainly conducted in semiconductor layers with a higher refractive index than the surrounding material.
  • the optical semiconductor component BEI according to the invention has, in addition to minimized coupling losses when coupled to an optical fiber or an optical waveguide of a carrier plate, the additional advantage that an adjustment between the semiconductor component and the fiber or carrier plate is simplified, since higher adjustment tolerances are permissible for a low-loss coupling in conventional optical semiconductor components with a deep rib waveguide.
  • the coupling losses increase by only about 1 dB when the misalignment is 2 ⁇ m.
  • no microlenses are required when coupling to an optical fiber and simple, single-mode optical fibers with a flat end can be used.
  • FIG. 3 shows a top view of the semiconductor component BEI in the first exemplary embodiment.
  • the substrate SUB can be seen, on which the deep ridge waveguide RIDGE lies.
  • the RIDGE rib waveguide has the shape of a mesa stripe.
  • a metal contact layer MK is applied over the entire length of the RIDGE rib waveguide.
  • the layer thickness of the separation layer SEP increases along the longitudinal direction L.
  • the rib waveguide RIDGE has a termination in the form of an integrated cylindrical lens LENS on its end face F.
  • the footprint of this Integrated cylindrical lens LENS can be hyperbolic, parabolic or in the form of a circular segment.
  • the cylindrical lens causes the mode field of the light wave to be expanded further.
  • the mode field of the emerging light wave is symmetrical, i. H. that the emerging light wave creates a circular light spot instead of an elliptical one. Coupling losses are minimal in this version with a symmetrical mode field.
  • FIG. 4 shows an optical semiconductor component BE2 according to the invention in section in a second exemplary embodiment. As in FIG. 1, the section runs perpendicular to the plane of a substrate SUB along a longitudinal direction L of a deep rib waveguide RIDGE.
  • the semiconductor component BE2 of the second exemplary embodiment is constructed similarly to that of the first.
  • the deep rib waveguide RIDGE lies on the substrate SUB.
  • This deep rib waveguide RIDGE contains a buffer layer BUF, a first waveguide core MQW, a separation layer SEP, a second waveguide core BULK, a cover layer DS and a metal contact layer MK.
  • the layer thickness of the separation layer SEP and the layer thickness of the second waveguide core BULK increase along the longitudinal direction L of the rib waveguide RIDGE in the direction of an end face F.
  • the first waveguide core MQW contains a semiconductor layer package with a multi-quantum well structure.
  • the semiconductor layers of the multi-quantum well structure do not have the same layer thickness in all regions of the rib waveguide RIDGE.
  • the layer thickness of the individual semiconductor layers decreases along the longitudinal direction L of the ridge waveguide RIDGE.
  • the layer thickness of the individual semiconductor layers decreases in the direction in which the layer thickness of the separation layer SEP increases.
  • the energy gap of the multi-quantum well structure and thus the wavelength at which a multi-quantum well structure is optically active depends essentially on the layer thickness of its individual semiconductor layers.
  • the optical semiconductor component BE2 has an active waveguide region AKT, in which the semiconductor layers have a greater layer thickness, and a passive waveguide region PAS, in which the semiconductor layers have a smaller layer thickness.
  • a M 'etallFeature Mrs MK is applied only in the active waveguide region AKT on the ridge waveguide RIDGE.
  • the second transition region UB2 is advantageously arranged such that it overlaps at least partially with the first transition region UB1. As a result, the overall length of the semiconductor component BE2 is shorter. However, it is advantageous if the second transition region UB2 is arranged in the longitudinal direction L partially in front of or in the front part of the first transition region UBl, since then the active waveguide region AKT, which must be pumped by injecting a current, then does not cover the whole extends first transition area UBl, whereby the power requirement is reduced and the electrical capacity is reduced.
  • the particular advantage of the optical semiconductor component BE2 of the second exemplary embodiment lies in the fact that the adaptation of the mode field of a light wave in the first transition area UBL is independent of a change in the energy band gap of the multi-quantum well structure.
  • the main result of this is that the optical semiconductor component BE2 operates independently of polarization, ie that it processes light signals with different polarization directions in the same way.
  • FIG. 5 shows a plan view of the optical semiconductor component BE2 of the second exemplary embodiment.
  • the substrate SUB is shown with the deep ridge waveguide RIDGE arranged thereon.
  • the layer thickness of the separation layer SEP increases along the longitudinal direction L.
  • the layer thickness of the individual layers of the multi-quantum well structure of the first waveguide core MQW decreases in the longitudinal direction L, as a result of which the rib waveguide RIDGE has an active AKT and a passive PAS waveguide region.
  • the width of the rib waveguide RIDGE increases along the longitudinal direction L towards the end face F. This causes an additional expansion of the mode field of a light wave guided in the RIDGE rib waveguide, in particular in the lateral direction.
  • the third transition area UB3 is arranged such that it is at least largely behind the second transition area UB2 in the longitudinal direction L and partially overlaps with the first transition area UB1.
  • the third transition region UB3, in which the rib waveguide RIDGE widens laterally, is located completely or at least largely in the passive waveguide region PAS, and no modes of higher order can be excited as a result, even with strong lateral broadening.
  • the RIDGE ribbed waveguide is therefore single-mode.
  • the particular advantage of the broadening of the RIDGE ribbed waveguide is that an emerging light wave with a suitable dimensioning of the broadening has a symmetrical mode field, as a result of which coupling losses are minimized.

Abstract

Digital optical telecommunication uses optical semiconductor components having a transition region for the expansion of the mode field of a light wave in order to reduce losses when coupling to an optical fibre or an optical waveguide of a supporting plate. An optical semiconductor component contains a deep ridged waveguide (RIDGE) with a surfacing (DS) disposed on a substrate (SUB). The ridged waveguide (RIDGE) has a first (MQW) and a second (BULK) waveguide centre, these being separated by a separating layer (SEP). The thickness of this separating layer increases in a transition region (UB1) along a longitudinal direction (L) of the ridged waveguide (RIDGE), thus increasing the vertical distance between the two waveguide centres (MQW, BULK).

Description

Optisches Hαlbleiterbαuelement mit tiefem Rippenwellenleiter Optical semiconductor element with deep ribbed waveguide
Die Erfindung betrifft ein optisch'es Hαlbleiterbαuelement gemäß Patentanspruch 1 .The invention relates to an optically 'it Hαlbleiterbαuelement according to claim. 1
Optische Halbleiterbauelemente werden in der digitalen optischen Nachrichtenübertragung z.B. als Sender- oder Empfängerbauelemente eingesetzt und an optische Wellenleiter einer Trägerplatte oder an optische Fasern angekoppelt. Insbesondere werden optische Halbleiterbauelemente mit tiefem Rippenwellenleiter in der Nachrichtenübertragung für höchste Bitfolgefrequenzen eingesetzt, da sie aufgrund ihrer niedrigen elektrischen Kapazität im Vergleich zu optischen Halbleiterbauelementen mit anderen Wellenleitertypen über die höchste Frequenzbandbreite verfügen.Optical semiconductor components are used in digital optical communication e.g. used as transmitter or receiver components and coupled to optical waveguides of a carrier plate or to optical fibers. In particular, optical semiconductor components with a deep ribbed waveguide are used in the transmission of messages for the highest bit repetition frequencies, since they have the highest frequency bandwidth compared to optical semiconductor components with other types of waveguides due to their low electrical capacity.
Ein tiefer Rippenwellenleiter ist ein optischer Wellenleiter, der aus einer einem Substrat aufliegenden, mesaförmigen Rippe gebildet ist und in der Rippe Wellenleiterschichten enthält, die einen höheren Brechungsindex aufweisen als das Substrat. Insbesondere bei aktiv, d. h. gesteuert Licht absorbierend oder verstärkend betriebenen, tiefen Rippenwellenleitern enthält die Rippe optisch aktive Halbleiterschichten und damit eine Zone, welche den Übergang von p- dotiertem zu n-dotiertem Halbleitermaterial enthält. Die einige μm breite Rippe ist seitlich von elektrisch nichtleitendem Material mit deutlich kleinerem Brechungsindex umgeben, wie z.B. Luft oder Polyimid.A deep rib waveguide is an optical waveguide which is formed from a mesa-shaped rib resting on a substrate and contains waveguide layers in the rib which have a higher refractive index than the substrate. Especially when active, H. Controlled light-absorbing or amplifying deep rib waveguides, the rib contains optically active semiconductor layers and thus a zone which contains the transition from p-doped to n-doped semiconductor material. The rib, a few μm wide, is laterally surrounded by electrically non-conductive material with a significantly lower refractive index, e.g. Air or polyimide.
Im Gegensatz dazu wird unter einem flachen Rippenwellenleiter ein optischer Wellenleiter verstanden, bei dem zumindest ein Teil der vorhandenen Wellenleiterschichten unterhalb einer einige μm breiten mesaförmigen Rippe angeordnet ist. Insbesondere bei aktiv betriebenen, flachen Rippenwellenleitern sind die optisch aktiven Halbleiterschichten nicht Teil der Rippe, wodurch die Zone, die den Übergang von p-dotiertem zu n-dortiertem Halbleitermaterial enthält, seitlich nicht auf die einige μm breite Rippe begrenzt ist.In contrast, a flat rib waveguide is understood to mean an optical waveguide in which at least a part of the existing ones Waveguide layers are arranged below a mesa-shaped rib a few μm wide. Particularly in the case of actively operated, flat rib waveguides, the optically active semiconductor layers are not part of the rib, as a result of which the zone which contains the transition from p-doped to n-doped semiconductor material is not laterally limited to the rib which is a few μm wide.
Damit eine in einem optischen Halbleiterbauelement geführte Lichtwelle möglichst verlustfrei in einen optischen Wellenleiter oder in eine optische Faser eingekoppelt wird, ist es notwendig, daß das Modenfeld der Lichtwelle in dem Halbleiterbauelement an das Modenfeld einer Lichtwelle in dem optischen Wellenleiter oder der optischen Faser angepaßt ist. Dazu wird das Modenfeld der im Halbleiterbauelement geführten Lichtwelle entlang der Lichtausbreitungsrichtung adiabatisch aufgeweitet.In order for a light wave guided in an optical semiconductor component to be coupled into an optical waveguide or an optical fiber with as little loss as possible, it is necessary for the mode field of the light wave in the semiconductor component to be matched to the mode field of a light wave in the optical waveguide or the optical fiber. For this purpose, the mode field of the light wave guided in the semiconductor component is expanded adiabatically along the direction of light propagation.
Zur Anpassung des Modenfeldes werden in optischen Halbleiterbauelementen Wellenleiter verwendet, die einen Übergangsbereich aufweisen, in welchem sich der Wellenleiter oder einzelne Schichten des Wellenleiters in lateraler Richtung, das ist die Richtung in Substratebene senkrecht zur Lichtausbreitungsrichtung, oder in vertikaler Richtung, das ist die Richtung senkrecht zur Substratebene, entlang einer Längsrichtung des Wellenleiters verjüngen oder aufweiten. Ein solcher Übergangsbereich wird auch als Taper bezeichnet. Insbesondere bezeichnet ein vertikaler Taper einen Übergangsbereich, in welchem die Schichtdicke einer Halbleiterschicht zu- oder abnimmt und ein lateraler Taper einen Übergangsbereich, in welchem die Breite eines Wellenleiters entlang einer Längsrichtung zu- oder abnimmt.In order to adapt the mode field, waveguides are used in optical semiconductor components which have a transition region in which the waveguide or individual layers of the waveguide lie in the lateral direction, that is the direction in the substrate plane perpendicular to the direction of light propagation, or in the vertical direction, that is the direction perpendicular taper or widen to the substrate plane, along a longitudinal direction of the waveguide. Such a transition area is also called a taper. In particular, a vertical taper denotes a transition region in which the layer thickness of a semiconductor layer increases or decreases and a lateral taper denotes a transition region in which the width of a waveguide increases or decreases along a longitudinal direction.
In dem Artikel "Compact InGaAsP / InP laser diodes with integrated mode expander for efficient coupling to flat-ended singlemode fibre" (T. Brenner et al, Electron. Lett. Vol.31 No.7 1995, S. 1443-1445) ist ein optisches Halbleiterbauelement mit flachem Rippenwellenleiter beschrieben. Es enthält eine optisch aktive Wellenleiterschicht sowie einen auf dieser Wellenleiterschicht angeordneten Rippenwellenleiter. Die Schichtdicke der optisch aktiven Wellenleiterschicht nimmt in einem Übergangsbereich entlang einer Längsrichtung des Rippenwellenleiters in Richtung einer Austrittsfacette des Bauelementes ab und der Rippenwellenleiter weitet sich lateral in Richtung der Austrittsfαcette auf. Der Rippenwellenleiter einschließlich das Übergangsbereiches sind mit Elektroden ausgerüstet und werden durch Anlegen einer Spannung aktiv betrieben.In the article "Compact InGaAsP / InP laser diodes with integrated mode expander for efficient coupling to flat-ended singlemode fiber" (T. Brenner et al, Electron. Lett. Vol.31 No.7 1995, pp. 1443-1445) describes an optical semiconductor component with a flat ribbed waveguide. It contains an optically active waveguide layer and a rib waveguide arranged on this waveguide layer. The layer thickness of the optically active waveguide layer decreases in a transition region along a longitudinal direction of the rib waveguide in the direction of an exit facet of the component, and the rib waveguide widens laterally in the direction the exit facet. The rib waveguide including the transition area are equipped with electrodes and are actively operated by applying a voltage.
Das beschriebene Halbleiterbauelement weist eine höhere Kapazität auf, als Halbleiterbauelemente mit tief geätztem Rippenwellenleiter, insbesondere in dem aktiv betriebener! Übergangsbereich. Zudem werden in einem Rippenwellenleiter, in welchem die Modenfeldanpassung hauptsächlich durch einen aktiv betriebenen lateralen Taper erfolgt, höhere Moden als der Grundmode angeregt, so daß ein solcher Wellenleiter die Einmodigkeit verliert.The semiconductor component described has a higher capacity than semiconductor components with a deeply etched rib waveguide, in particular in the actively operated one! Transition area. In addition, higher modes than the basic mode are excited in a rib waveguide, in which the mode field adaptation is carried out mainly by an actively operated lateral taper, so that such a waveguide loses unimodality.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein optisches Halbleiterbauelement anzugeben, welches für höchste Übertragungsraten geeignet ist und eine möglichst verlustfreie Kopplung an eine optische Faser oder einen optischen Wellenleiter ermöglicht.The object of the invention is to provide an optical semiconductor component which is suitable for the highest transmission rates and which enables a loss-free coupling to an optical fiber or an optical waveguide.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 . Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den abhängigen Patenansprüchen zu entnehmen.The object is achieved by the features of patent claim 1. Advantageous refinements can be found in the dependent patent claims.
Anhand der Figuren 1 bis 5 werden nachfolgend zwei Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen optischen Halbleiterbauelementes beschrieben. Es zeigen:Two exemplary embodiments of an optical semiconductor component according to the invention are described below with reference to FIGS. 1 to 5. Show it:
Figur 1 einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes optisches1 shows a section through an optical according to the invention
Halbleiterbauelement in einem ersten Ausführungsbeispiel entlang einer Längsrichtung eines Wellenleiters senkrecht zu der Substratebene,Semiconductor component in a first exemplary embodiment along a longitudinal direction of a waveguide perpendicular to the substrate plane,
Figur 2 denselben Schnitt wie Figur 1 sowie zusätzlich den qualitativen Verlauf des Modenfeldes einer in dem Wellenleiter geführten Lichtwelle auf beiden Seiten eines Übergangsbereiches,FIG. 2 shows the same section as FIG. 1 and additionally the qualitative course of the mode field of a light wave guided in the waveguide on both sides of a transition area,
Figur 3 eine Draufsicht auf das Halbleiterbauelement des ersten Ausführungsbeispiels, Figur 4 einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes optischesFIG. 3 shows a top view of the semiconductor component of the first exemplary embodiment, Figure 4 shows a section through an optical according to the invention
Halbleiterbauelement in einem zweiten Ausfϋhrungsbeispiel entlang einer Längsrichtung eines Wellenleiters senkrecht zu der Substratebene undSemiconductor component in a second exemplary embodiment along a longitudinal direction of a waveguide perpendicular to the substrate plane and
Figur 5 eine Draufsicht auf das Halbleiterbauelement des zweiten Ausführungsbeispiels.Figure 5 is a plan view of the semiconductor device of the second embodiment.
Ein erfindungsgemäßes optisches Halbleiterbauelement hat auf einem Substrat angeordnet einen tiefen Rippenwellenleiter. Eine Grundidee der Erfindung ist, daß dieser tiefe Rippenwellenleiter zwei Wellenleiterkerne besitzt, die durch eine Separationsschicht getrennt sind und daß in einem ersten Übergangsbereich des Rippenwellenleiters die Schichtdicke der Separationsschicht entlang einer Längsrichtung des Rippenwellenleiters zunimmt, wodurch sich der vertikale Abstand der beiden Wellenleiterkerne vergrößert. Dieser erste Übergangsbereich dient dazu, das Modenfeld einer in dem Rippenwellenleiter geführten Lichtwelle an das Modenfeld einer Lichtwelle in einer optischen Faser oder einem auf einer Trägerplatte befindlichen optischen Wellenleiter anzupassen.An optical semiconductor component according to the invention has a deep ridge waveguide arranged on a substrate. A basic idea of the invention is that this deep rib waveguide has two waveguide cores which are separated by a separation layer and that in a first transition region of the rib waveguide the layer thickness of the separation layer increases along a longitudinal direction of the rib waveguide, which increases the vertical distance between the two waveguide cores. This first transition region serves to adapt the mode field of a light wave guided in the rib waveguide to the mode field of a light wave in an optical fiber or an optical waveguide located on a carrier plate.
Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Anpassung des Modenfeldes in dem ersten Übergangsbereich unabhängig von einer Variation der Schichtdicke des ersten Wellenleiterkernes entlang der Längsrichtung des Rippenwellenleiters ist. Der erste Wellenleiterkern kann optisch aktive Halbleiterschichten enthalten, deren Energiebandlücke durch ihre Schichtdicke und Materialzusammensetzung bestimmt ist. In diesem Fall ist die Anpassung des Modenfeldes unabhängig von der Energiebandlücke der optisch aktiven Halbleiterschichten und das optische Halbleiterbauelement kann somit aktive, d.h. gesteuert lichtverstärkende oder lichtabsorbierende Wellenleiterbereiche und passive, d.h. Licht unverstärkt weiterleitende Wellenleiterbereiche haben.An advantage of the invention is that the adaptation of the mode field in the first transition region is independent of a variation in the layer thickness of the first waveguide core along the longitudinal direction of the rib waveguide. The first waveguide core can contain optically active semiconductor layers whose energy band gap is determined by their layer thickness and material composition. In this case, the adaptation of the mode field is independent of the energy band gap of the optically active semiconductor layers and the optical semiconductor component can thus be active, i.e. controlled light-amplifying or light-absorbing waveguide areas and passive, i.e. Have light-transmitting waveguide areas.
In Figur 1 ist ein Schnitt durch ein erfindungsgemäßes optisches Halbleiterbauelement BEI in einem ersten Ausführungsbeispiel gezeigt. Der Schnitt verläuft senkrecht zu der Ebene eines Substrates SUB entlang einer Längsrichtung L eines tiefen Rippenwellenleiters RIDGE. Der tiefe Rippenwellenleiter RIDGE ist auf dem Substrat SUB angeordnet und enthält übereinander aufgebracht eine Pufferschicht BUF, einen ersten Wellenleiterkern MQW, eine Separationsschicht SEP, einen zweiten Wellenleiterkern BULK, eine Deckschicht DS und eine Metallkontaktschicht MK.FIG. 1 shows a section through an optical semiconductor component BEI according to the invention in a first exemplary embodiment. The section runs perpendicular to the plane of a substrate SUB along a longitudinal direction L of a deep rib waveguide RIDGE. The deep rib waveguide RIDGE is arranged on the substrate SUB and, applied one above the other, contains a buffer layer BUF, a first waveguide core MQW, a separation layer SEP, a second waveguide core BULK, a cover layer DS and a metal contact layer MK.
Der erste und der zweite Wellenleiterkern MQW, BULK weisen jeweils einen Brechungsindex auf, der größer ist, als die Brechungsindices der Deckschicht DS, der Separationsschicht SEP, der Pufferschicht BUF und des Substrates SUB. Dadurch wird eine Lichtwelle hauptsächlich in den beiden Wellenleiterkernen MQW, BULK geführt. Der erste Wellenleiterkern MQW ist durch die Separationsschicht SEP von dem zweiten Wellenleiterkern BULK getrennt.The first and the second waveguide core MQW, BULK each have a refractive index that is greater than the refractive indices of the cover layer DS, the separation layer SEP, the buffer layer BUF and the substrate SUB. As a result, a light wave is mainly guided in the two waveguide cores MQW, BULK. The first waveguide core MQW is separated from the second waveguide core BULK by the separation layer SEP.
In einem ersten Übergangsbereich UB1 nimmt die Schichtdicke der Separationsschicht SEP entlang der Längsrichtung L des Rippenwellenleiters RIDGE zu. Dadurch vergrößert sich der vertikale Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Wellenleiterkern MQW, BULK. Dies bewirkt, daß das Modenfeld einer in dem Rippenwellenleiter RIDGE geführten Lichtwelle aufgeweitet wird. Die Zunahme der Schichtdicke der Separationsschicht SEP ist so bemessen, daß das Modenfeld der in dem Rippenwellenleiter RIDGE geführten Lichtwelle an das Modenfeld einer Lichtwelle in einer optischen Faser oder einem auf einer Trägerplatte befindlichen optischen Wellenleiter angepaßt ist. Im Ausführungsbeispiel ist die Zunahme der Schichtdicke der Separationsschicht SEP so groß, daß sich die Schichtdicke auf einer Länge von 100 μm etwa verdreifacht.In a first transition region UB1, the layer thickness of the separation layer SEP increases along the longitudinal direction L of the rib waveguide RIDGE. This increases the vertical distance between the first and the second waveguide core MQW, BULK. This causes the mode field of a light wave guided in the rib waveguide RIDGE to be expanded. The increase in the layer thickness of the separation layer SEP is such that the mode field of the light wave guided in the rib waveguide RIDGE is matched to the mode field of a light wave in an optical fiber or an optical waveguide located on a carrier plate. In the exemplary embodiment, the increase in the layer thickness of the separation layer SEP is so great that the layer thickness approximately triples over a length of 100 μm.
Von besonderem Vorteil ist es, wenn die Zunahme der Schichtdicke der Separationsschicht SEP entlang der Längsrichtung L des Rippenwellenleiters RIDGE stetig erfolgt. Die in dem Rippenwellenleiter RIDGE geführte Lichtwelle wird dann in dem ersten Übergangsbereich UB1 besonders wenig gestreut und absorbiert. Die Zunahme der Schichtdicke der Separationsschicht SEP entlang der Längsrichtung L des Rippenwellenleiters RIDGE kann wie in dem ersten Ausführungsbeispiel linear erfolgen oder beispielsweise auch exponentiell. Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung, bei der eine besonders starke Aufweitung des Modenfeldes erreicht wird, ist der zweite Wellenleiterkern BULK so gestaltet, daß dessen Schichtdicke in dem Übergangsbereich UB1 entlang der Längsrichtung L des Rippenwellenleiters RIDGE ebenfalls zunimmt, und zwar entlang derselben Richtung, entlang der auch die Schichtdicke der Separationsschicht SEP zunimmt. Dies ist in dem ersten Ausführungsbeispiel ebenfalls gezeigt.It is particularly advantageous if the layer thickness of the separation layer SEP increases continuously along the longitudinal direction L of the rib waveguide RIDGE. The light wave guided in the rib waveguide RIDGE is then scattered and absorbed particularly little in the first transition region UB1. The increase in the layer thickness of the separation layer SEP along the longitudinal direction L of the ridge waveguide RIDGE can be linear, as in the first exemplary embodiment, or, for example, also exponential. In a particularly advantageous embodiment of the invention, in which a particularly strong expansion of the mode field is achieved, the second waveguide core BULK is designed in such a way that its layer thickness also increases in the transition region UB1 along the longitudinal direction L of the rib waveguide RIDGE, specifically along the same direction, along which the layer thickness of the separation layer SEP also increases. This is also shown in the first embodiment.
Das optische Halbleiterbauelement BEI im ersten Ausführungsbeispiel weist eine Stirnseite F auf, aus der Lichtsignale austreten oder durch welche Lichtsignale in das optische Halbleiterbauelement BEI eintreten können. An dieser Stirnseite F ist eine optische Faser oder ein auf einer Trägerplσtte befindlicher optischer Wellenleiter ankoppelbar. Zu diesem Zweck ist die Separationsschicht SEP so ausgebildet, daß deren Schichtdicke entlang der Längsrichtung L des Rippenwellenleiters RIDGE zu der Stirnseite F hin zunimmt.The optical semiconductor component BEI in the first exemplary embodiment has an end face F from which light signals emerge or through which light signals can enter the optical semiconductor component BEI. An optical fiber or an optical waveguide located on a carrier plate can be coupled to this end face F. For this purpose, the separation layer SEP is formed in such a way that its layer thickness increases along the longitudinal direction L of the rib waveguide RIDGE towards the end face F.
Der erste Wellenleiterkern MQW enthält ein Halbleiterschichtpaket mit Multi- Quantumwell-Struktur, das ist ein Halbleiterschichtpaket aus Halbleiterschichten mit abwechselnd einer großen und einer kleinen Bandabstandsenergie. Unter Bandabstandsenergie ist dabei der energetische Unterschied zwischen Valenz- und Leitungsband des Materials, aus dem die Schicht besteht zu verstehen. Diese Halbleiterschichten weisen in allen Bereichen des Rippenwellenleiters RIDGE dieselbe Schichtdicke auf. Daher wird das Halbleiterbauelement BEI in allen Bereichen des Rippenwellenleiter RIDGE aktiv, d.h. gesteuert lichtverstärkend oder lichtabsorbierend betrieben. Die Funktion des beschriebenen Bauelementes kann beispielsweise die eines direktmodulierbaren Lasers oder auch eines optischen Verstärkers sein.The first waveguide core MQW contains a semiconductor layer package with a multi-quantum well structure, that is a semiconductor layer package consisting of semiconductor layers with alternating large and small bandgap energy. Band gap energy is to be understood as the energetic difference between the valence band and the conduction band of the material from which the layer consists. These semiconductor layers have the same layer thickness in all areas of the rib waveguide RIDGE. Therefore, the semiconductor device BEI becomes active in all areas of the RIDGE ribbed waveguide, i.e. controlled operated light amplifying or light absorbing. The function of the component described can be, for example, that of a directly modulatable laser or of an optical amplifier.
Im ersten Ausführungsbeispiel bestehen Substrat SUB, Pufferschicht BUF, Deckschicht DS und Separationsschicht SEP aus einem Halbleiter vom lll/V- Verbindungstyp, wie InP oder GaAs. Die beiden Wellenleiterkerne MQW, BULK bestehen aus ternären oder quaternären Mischkristallen aus Elementen der Hauptgruppen III und V, wie InGaAsP, InGaAs oder InGaAlP. Es eignen sich für das Halbleiterbauelement jedoch auch Verbindungen jeweils aus Elementen der Hauptgruppen II und VI, IV und IV oder I und VII, je nachdem, bei welcher Wellenlänge das Halbleiterbauelement arbeiten soll. In Figur 2 ist zusätzlich zu dem Schnitt aus Figur 1 der Verlauf des Modenfeldes einer in dem Rippenwellenleiter RIDGE geführten Lichtwelle auf beiden Seiten des ersten Übergangsbereiches UBl qualitativ gezeichnet. Dabei ist in der Längsrichtung L des Rippenwellenleiters RIDGE beispielsweise der Betrag des elektrischen Feldvektors der Lichtwelle aufgetragen und senkrecht zur Substratebene eine Ortskoordinate. Aus den gezeigten Diagrammen wird deutlich, daß das Modenfeld der Lichtwelle durch die Zunahme der Schichtdicke der Separationsschicht SEP aufgeweitet wird, da eine Lichtwelle hauptsächlich in Halbleiterschichten mit im Vergleich zu umgebenden Material höherem Brechungsindex geführt wird.In the first exemplary embodiment, substrate SUB, buffer layer BUF, cover layer DS and separation layer SEP consist of a semiconductor of the III / V connection type, such as InP or GaAs. The two waveguide cores MQW, BULK consist of ternary or quaternary mixed crystals from elements of main groups III and V, such as InGaAsP, InGaAs or InGaAlP. However, compounds of elements of main groups II and VI, IV and IV or I and VII are also suitable for the semiconductor component, depending on the wavelength at which the semiconductor component is to operate. In FIG. 2, in addition to the section from FIG. 1, the course of the mode field of a light wave guided in the ribbed waveguide RIDGE is drawn qualitatively on both sides of the first transition region UBL. In this case, for example, the amount of the electric field vector of the light wave is plotted in the longitudinal direction L of the rib waveguide RIDGE and a position coordinate perpendicular to the substrate plane. It is clear from the diagrams shown that the mode field of the light wave is widened by the increase in the layer thickness of the separation layer SEP, since a light wave is mainly conducted in semiconductor layers with a higher refractive index than the surrounding material.
Das erfindungsgemäße optische Halbleiterbauelement BEI weist neben minimierten Kopplungsverlusten bei einer Ankopplung an eine optische Faser oder einen optischen Wellenleiter einer Trägerplatte den zusätzlichen Vorteil auf, daß eine Justierung zwischen Halbleiterbauelement und Faser bzw. Trägerplatte vereinfacht ist, da für eine verlustarme Kopplung höhere Justiertoleranzen zulässig sind als bei herkömmlichen optischen Halbleiterbauelementen mit tiefem Rippenwellenleiter. So erhöhen sich bei dem Halbleiterbauelement BEI des ersten Ausführungsbeispieles beispielsweise bei einer Dejustierung von 2 μm die Kopplungsverluste nur um etwa 1 dB. Desweiteren sind bei der Ankopplung an eine optische Faser keine Mikrolinsen erforderlich und es können einfache, einmodige optische Fasern mit flachem Ende verwendet werden.The optical semiconductor component BEI according to the invention has, in addition to minimized coupling losses when coupled to an optical fiber or an optical waveguide of a carrier plate, the additional advantage that an adjustment between the semiconductor component and the fiber or carrier plate is simplified, since higher adjustment tolerances are permissible for a low-loss coupling in conventional optical semiconductor components with a deep rib waveguide. For example, in the case of the semiconductor component BEI in the first exemplary embodiment, the coupling losses increase by only about 1 dB when the misalignment is 2 μm. Furthermore, no microlenses are required when coupling to an optical fiber and simple, single-mode optical fibers with a flat end can be used.
In Figur 3 ist eine Draufsicht auf das Halbleiterbauelement BEI des ersten Ausführungsbeispiels dargestellt. Es ist das Substrat SUB zu sehen, dem der tiefe Rippenwellenleiter RIDGE aufliegt. Der Rippenwellenleiter RIDGE hat die Form eines Mesastreifens. Auf dem Rippenwellenleiter RIDGE ist in der ganzen Länge eine Metallkontaktschicht MK aufgebracht. In dem ersten Übergangsbereich UBl nimmt die Schichtdicke der Separationsschicht SEP entlang der Längsrichtung L zu.FIG. 3 shows a top view of the semiconductor component BEI in the first exemplary embodiment. The substrate SUB can be seen, on which the deep ridge waveguide RIDGE lies. The RIDGE rib waveguide has the shape of a mesa stripe. A metal contact layer MK is applied over the entire length of the RIDGE rib waveguide. In the first transition region UBL, the layer thickness of the separation layer SEP increases along the longitudinal direction L.
Der Rippenwellenleiter RIDGE weist an seiner Stirnseite F einen Abschluß in Form einer integrierten Zylinderlinse LENS auf. Die Grundfläche dieser integrierten Zylinderlinse LENS kann hyperbolisch, parabolisch oder in Form eines Kreissegmentes ausgebildet sein.The rib waveguide RIDGE has a termination in the form of an integrated cylindrical lens LENS on its end face F. The footprint of this Integrated cylindrical lens LENS can be hyperbolic, parabolic or in the form of a circular segment.
Der besondere Vorteil dieser Ausführung liegt darin, daß durch die Zylinderlinse eine zusätzliche Aυfweitung des Modenfeldes der Lichtwelle bewirkt wird. Mit einer geeigneten Form der Grundfläche der Zylinderlinse läßt sich erreichen, daß das Modenfeld der austretenden Lichtwelle symmetrisch ist, d. h. daß die austretende Lichtwelle einen kreisrunden Lichtfleck erzeugt, anstelle eines elliptischen. Kopplungsverluste sind in dieser Ausführung mit symmetrischem Modenfeld minimal.The particular advantage of this design is that the cylindrical lens causes the mode field of the light wave to be expanded further. With a suitable shape of the base of the cylindrical lens it can be achieved that the mode field of the emerging light wave is symmetrical, i. H. that the emerging light wave creates a circular light spot instead of an elliptical one. Coupling losses are minimal in this version with a symmetrical mode field.
In Figur 4 ist ein erfindungsgemäßes optisches Halbleiterbauelement BE2 in einem zweiten Ausführungsbeispiel im Schnitt gezeigt. Wie in Figur 1 verläuft der Schnitt senkrecht zu der Ebene eines Substrates SUB entlang einer Längsrichtung L eines tiefen Rippenwellenleiters RIDGE.FIG. 4 shows an optical semiconductor component BE2 according to the invention in section in a second exemplary embodiment. As in FIG. 1, the section runs perpendicular to the plane of a substrate SUB along a longitudinal direction L of a deep rib waveguide RIDGE.
Das Halbleiterbauelement BE2 des zweiten Ausführungsbeispiels ist ähnlich aufgebaut wie das des ersten. Dem Substrat SUB liegt der tiefe Rippenwellenleiter RIDGE auf. Dieser tiefe Rippenwellenleiter RIDGE enthält übereinander angeordnet eine Pufferschicht BUF, einen ersten Wellenleiterkern MQW, eine Separationsschicht SEP, einen zweiten Wellenleiterkern BULK, eine Deckschicht DS und eine Metallkontaktschicht MK. In einem ersten Übergangsbereich UBl nimmt die Schichtdicke der Separationsschicht SEP und die Schichtdicke des zweiten Wellenleiterkernes BULK entlang der Längsrichtung L des Rippenwellenleiters RIDGE in Richtung einer Stirnseite F zu.The semiconductor component BE2 of the second exemplary embodiment is constructed similarly to that of the first. The deep rib waveguide RIDGE lies on the substrate SUB. This deep rib waveguide RIDGE contains a buffer layer BUF, a first waveguide core MQW, a separation layer SEP, a second waveguide core BULK, a cover layer DS and a metal contact layer MK. In a first transition region UBL, the layer thickness of the separation layer SEP and the layer thickness of the second waveguide core BULK increase along the longitudinal direction L of the rib waveguide RIDGE in the direction of an end face F.
Auch im zweiten Ausführungsbeispiel enthält der erste Wellenleiterkern MQW ein Halbleiterschichtpaket mit Multi-Quantumwell-Struktur. Im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel weisen die Halbleiterschichten der Multi- Quantumwell-Struktur nicht in allen Bereichen des Rippenwellenleiters RIDGE dieselbe Schichtdicke auf. In einem zweiten Übergangsbereich UB2 nimmt die Schichtdicke der einzelnen Halbleiterschichten entlang der Längsrichtung L des Rippenwellenleiters RIDGE ab. Die Abnahme der Schichtdicke der einzelnen Halbleiterschichten erfolgt in der Richtung, in der die Schichtdicke der Separationsschicht SEP zunimmt. Die Energiebαndlücke der Multi-Quαntumwell-Struktur und damit die Wellenlänge, bei der eine Multi-Quantumwell-Struktur optisch aktiv ist, hängt wesentlich von der Schichtdicke ihrer einzelnen Halbleiterschichten ab. Durch die Abnahme der Schichtdicke der einzelnen Halbleiterschichten in dem zweiten Übergangsbereich UB2 verschiebt sich die Wellenlänge, bei der die Multi-Quantumwell-Struktur optisch aktiv ist, zu kürzen Wellenlängen. Dadurch ist es möglich, einen Teil des Rippenwellenleiters RIDGE passiv, d. h. Licht unverstärkt weiterleitend, zu betreiben. Das optische Halbleiterbauelement BE2 weist einen aktiven Wellenleiterbereich AKT, in dem die Halbleiterschichten eine größere Schichtdicke haben, und einen passiven Wellenleiterbereich PAS, in dem die Halbleiterschichten eine kleinere Schichtdicke haben, auf. Eine M'etallkontaktschicht MK ist nur in dem aktiven Wellenleiterbereich AKT auf dem Rippenwellenleiter RIDGE aufgebracht.In the second exemplary embodiment too, the first waveguide core MQW contains a semiconductor layer package with a multi-quantum well structure. In contrast to the first exemplary embodiment, the semiconductor layers of the multi-quantum well structure do not have the same layer thickness in all regions of the rib waveguide RIDGE. In a second transition region UB2, the layer thickness of the individual semiconductor layers decreases along the longitudinal direction L of the ridge waveguide RIDGE. The layer thickness of the individual semiconductor layers decreases in the direction in which the layer thickness of the separation layer SEP increases. The energy gap of the multi-quantum well structure and thus the wavelength at which a multi-quantum well structure is optically active depends essentially on the layer thickness of its individual semiconductor layers. Due to the decrease in the layer thickness of the individual semiconductor layers in the second transition region UB2, the wavelength at which the multi-quantum well structure is optically active shifts to shorter wavelengths. This makes it possible to operate a part of the RIDGE rib waveguide passively, ie to transmit light unamplified. The optical semiconductor component BE2 has an active waveguide region AKT, in which the semiconductor layers have a greater layer thickness, and a passive waveguide region PAS, in which the semiconductor layers have a smaller layer thickness. A M 'etallkontaktschicht MK is applied only in the active waveguide region AKT on the ridge waveguide RIDGE.
Vorteilhafterweise ist der zweite Übergangsbereich UB2 so angeordnet, daß er zumindest teilweise mit dem ersten Übergangsbereich UBl überlappt. Dadurch wird eine insgesamt kürzere Baulänge des Halbleiterbauelementes BE2 erreicht. Es ist jedoch von Vorteil, wenn der zweite Übergangsbereich UB2 in der Längsrichtung L teilweise vor oder im vorderen Teil des ersten Übergangsbereiches UBl angeordnet ist, da dann der aktive Wellenleiterbereich AKT, der durch Injektion eines Stromes gepumpt werden muß, sich dann nicht über den ganzen ersten Übergangsbereich UBl erstreckt, wodurch der Strombedarf reduziert und die elektrische Kapazität verringert ist.The second transition region UB2 is advantageously arranged such that it overlaps at least partially with the first transition region UB1. As a result, the overall length of the semiconductor component BE2 is shorter. However, it is advantageous if the second transition region UB2 is arranged in the longitudinal direction L partially in front of or in the front part of the first transition region UBl, since then the active waveguide region AKT, which must be pumped by injecting a current, then does not cover the whole extends first transition area UBl, whereby the power requirement is reduced and the electrical capacity is reduced.
Der besondere Vorteil des optischen Halbleiterbauelementes BE2 des zweiten Ausführungsbeispiel liegt darin, daß die Anpassung des Modenfeldes einer Lichtwelle in dem ersten Übergangsbereich UBl unabhängig ist von einer Änderung in der Energiebandlücke der Multi-Quantumwell-Struktur. Dadurch ist vor allem erreicht, daß das optisches Halbleiterbauelement BE2 polarisationsunabhängig arbeitet, d.h. daß es Lichtsignale mit unterschiedlicher Polarisationsrichtung in gleicher Weise verarbeitet. Figur 5 zeigt eine Draufsicht auf das optische Halbleiterbauelement BE2 des zweiten Ausführungsbeispiels. Dargestellt ist das Substrat SUB mit dem darauf angeordneten tiefen Rippenwellenleiter RIDGE.The particular advantage of the optical semiconductor component BE2 of the second exemplary embodiment lies in the fact that the adaptation of the mode field of a light wave in the first transition area UBL is independent of a change in the energy band gap of the multi-quantum well structure. The main result of this is that the optical semiconductor component BE2 operates independently of polarization, ie that it processes light signals with different polarization directions in the same way. FIG. 5 shows a plan view of the optical semiconductor component BE2 of the second exemplary embodiment. The substrate SUB is shown with the deep ridge waveguide RIDGE arranged thereon.
In dem ersten Übergangsbereich UBl nimmt die Schichtdicke der Separationsschicht SEP entlang der Längsrichtung L zu. In dem zweiten Übergangsbereich UB2 nimmt die Schichtdicke der einzelnen Schichten der Multi-Quantumwell-Struktur des ersten Wellenleiterkernes MQW in der Längsrichtung L ab, wodurch der Rippenwellenleiter RIDGE einen aktiven AKT und einen passiven PAS Wellenleiterbereich aufweist. In einem dritten Übergangsbereich nimmt die Breite des Rippenwellenleiters RIDGE entlang der Längsrichtung L zu der Stirnseite F hin zu. Dies bewirkt eine zusätzliche Aufweitung des Modenfeldes einer im Rippenwellenleiter RIDGE geführten Lichtwelle, insbesondere in lateraler Richtung.In the first transition region UBL, the layer thickness of the separation layer SEP increases along the longitudinal direction L. In the second transition region UB2, the layer thickness of the individual layers of the multi-quantum well structure of the first waveguide core MQW decreases in the longitudinal direction L, as a result of which the rib waveguide RIDGE has an active AKT and a passive PAS waveguide region. In a third transition region, the width of the rib waveguide RIDGE increases along the longitudinal direction L towards the end face F. This causes an additional expansion of the mode field of a light wave guided in the RIDGE rib waveguide, in particular in the lateral direction.
Der dritte Übergangsbereich UB3 ist so angeordnet, daß er sich in der Längsrichtung L zumindest größtenteils hinter dem zweiten Übergangsbereich UB2 befindet und mit dem ersten Übergangsbereich UBl teilweise überlappt. Somit befindet sich der dritte Übergangsbereich UB3, in welchem sich der Rippenwellenleiter RIDGE lateral verbreitert, vollständig oder zumindest größtenteils in dem passiven Wellenleiterbereich PAS und es können dadurch auch bei starker lateraler Verbreiterung keine Moden höherer Ordnung angeregt werden. Der Rippenwellenleiter RIDGE ist somit einmodig.The third transition area UB3 is arranged such that it is at least largely behind the second transition area UB2 in the longitudinal direction L and partially overlaps with the first transition area UB1. Thus, the third transition region UB3, in which the rib waveguide RIDGE widens laterally, is located completely or at least largely in the passive waveguide region PAS, and no modes of higher order can be excited as a result, even with strong lateral broadening. The RIDGE ribbed waveguide is therefore single-mode.
Der besondere Vorteil der Verbreiterung des Rippenwellenleiters RIDGE liegt darin, daß eine austretende Lichtwelle bei geeigneter Dimensionierung der Verbreiterung ein symmetrisches Modenfeld hat, wodurch Kopplungsverluste minimiert sind. The particular advantage of the broadening of the RIDGE ribbed waveguide is that an emerging light wave with a suitable dimensioning of the broadening has a symmetrical mode field, as a result of which coupling losses are minimized.

Claims

Patentansprüche claims
1 . Optisches Halbleiterbauelement (BEI ; BE2), das ein Substrat (SUB) und einen auf dem Substrat (SUB) angeordneten tiefen Rippenwellenleiter (RIDGE) mit einer Deckschicht (DS) hat, bei dem1 . Optical semiconductor component (BEI; BE2), which has a substrate (SUB) and a deep rib waveguide (RIDGE) arranged on the substrate (SUB) with a cover layer (DS), in which
• der Rippenwellenleiter (RIDGE) einen ersten (MQW) und einen zweiten (BULK) Wellenleiterkern enthält, deren Brechungsindices jeweils größer sind, als die Brechungsindices der Deckschicht (DS) und des Substrates (SUB),The rib waveguide (RIDGE) contains a first (MQW) and a second (BULK) waveguide core, the refractive indices of which are each larger than the refractive indices of the cover layer (DS) and the substrate (SUB),
• die zwei Wellenleiterkerne (MQW, BULK) zumindest in einem ersten Übergangsbereich (UBl ) durch eine Separationsschicht (SEP) getrennt sind, die einen Brechungsindex hat, der kleiner ist als die Brechungsindices der beiden Wellenleiterkerne (MQW, BULK) und• The two waveguide cores (MQW, BULK) are separated at least in a first transition region (UBl) by a separation layer (SEP) that has a refractive index that is smaller than the refractive indices of the two waveguide cores (MQW, BULK) and
• die Schichtdicke der Separationsschicht (SEP) in dem ersten Übergangsbereich (ÜBT ) entlang einer Längsrichtung L des Rippenwellenleiters (RIDGE) zunimmt und sich der vertikale Abstand zwischen den Wellenleiterkernen (MQW, BULK) entlang dieser Längsrichtung L vergrößert. • The layer thickness of the separation layer (SEP) increases in the first transition region (ÜBT) along a longitudinal direction L of the rib waveguide (RIDGE) and the vertical distance between the waveguide cores (MQW, BULK) increases along this longitudinal direction L.
2. Optisches Hαlbleiterbαuelement (BEI ; BE2) gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß es eine Stirnseite (F) für ein- oder austretende Lichtsignale aufweist und die Schichtdicke der Separationsschicht (SEP) entlang der Längsrichtung L des Rippenwellenleiters zu der Stirnseite (F) hin zunimmt.2. Optical Hαlbleiterbαuelement (BEI; BE2) according to claim 1, characterized in that it has an end face (F) for incoming or outgoing light signals and the layer thickness of the separation layer (SEP) along the longitudinal direction L of the rib waveguide to the end face (F) increases.
3. Optisches Halbleiterbauelement (BEI ; BE2) gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Zunahme der Separationsschicht stetig erfolgt.3. Optical semiconductor component (BEI; BE2) according to claim 1, characterized in that the increase in the separation layer takes place continuously.
4. Optisches Halbleiterbauelement (BEI ; BE2) gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke des zweiten Wellenleiterkernes (BULK) in dem ersten Übergangsbereich (UBl ) entlang derselben Richtung (t) zunimmt wie die Schichtdicke der Separationsschicht (SEP).4. Optical semiconductor component (BEI; BE2) according to claim 1, characterized in that the layer thickness of the second waveguide core (BULK) increases in the first transition region (UBl) along the same direction (t) as the layer thickness of the separation layer (SEP).
5. Optisches Halbleiterbauelement (BEI ; BE2) gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der erste Wellenleiterkern (MQW) ein Halbleiterschichtpaket mit Multi-Quantumwell-Struktur enthält.5. Optical semiconductor component (BEI; BE2) according to claim 1, characterized in that the first waveguide core (MQW) contains a semiconductor layer package with a multi-quantum well structure.
6. Optisches Halbleiterbauelement (BEI ; BE2) gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke einzelner Schichten des Halbleiterschichtpaketes des ersten Wellenleiterkernes (MQW) in einem zweiten Übergangsbereich (UB2) entlang derselben Richtung (L) abnimmt, entlang der die Zunahme der Schichtdicke der Separationsschicht (SEP) erfolgt.6. Optical semiconductor component (BEI; BE2) according to claim 5, characterized in that the thickness of individual layers of the semiconductor layer package of the first waveguide core (MQW) decreases in a second transition region (UB2) along the same direction (L) along which the increase in the layer thickness the separation layer (SEP).
7. Optisches Halbleiterbauelement (BEI ; BE2) gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des Rippenwellenleiters (RIDGE) in einem dritten Übergangsbereich (UB3) entlang derselben Richtung (L) zunimmt, entlang der die Zunahme der Schichtdicke der Separationsschicht (SEP) erfolgt. 7. Optical semiconductor component (BEI; BE2) according to claim 1, characterized in that the width of the rib waveguide (RIDGE) increases in a third transition region (UB3) along the same direction (L) along which the increase in the layer thickness of the separation layer (SEP) he follows.
8. Optisches Hαlbleiterbαuelement (BEI ; BE2) gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Rippenwellenleiter (RIDGE) an der Stirnseite (F) einen Abschluß (LENS) in Form einer integrierten Zylinderlinse aufweist mit hyperbolischer, parabolischer oder kreissegmentförmiger Grundfläche. 8. Optical Hαlbleiterbαuelement (BEI; BE2) according to claim 1, characterized in that the rib waveguide (RIDGE) on the end face (F) has a closure (LENS) in the form of an integrated cylindrical lens with a hyperbolic, parabolic or circular segment-shaped base.
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