WO1999027620A2 - Monolithisch integriertes laserarray - Google Patents

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WO1999027620A2
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lasers
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Martin MÖHRLE
Herbert Venghaus
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HEINRICH-HERTZ-INSTITUT FüR NACHRICHTENTECHNIK BERLIN GMBH
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    • H01S5/4087—Array arrangements, e.g. constituted by discrete laser diodes or laser bar emitting more than one wavelength

Definitions

  • the invention relates to a monolithically integrated laser array for an optical multiplex transmitter chip for generating a series from 2 n values of a variable which is characteristic of the laser emissions and which correspond to 2 n transmission channels with predeterminable distances, the laser array being used to select the transmission-capable value series 2 n + Generated 2 different values, which can be divided into three selection value series, each offset by a transmission channel, with the continuous values 0 to 2 n -1, 1 to 2 n and 2 to 2 n +1, and with one the laser emissions to at least one optical one Chip output summarizing, independent of the variable passive coupling network.
  • Lasers are fed via a coupling network to a chip output to which an optical fiber is coupled for forwarding the transmission signal.
  • Laser determines the characteristic variable in a different value and thus determines the transmission channels. These are all fed to an output channel, which is used accordingly in multiplex mode.
  • the variable for the multiplexing depends on the generator of the transmission signal.
  • Lasers are usually the frequency or, equivalently, the wavelength of the emitted signal. Whose energy content or relative
  • phase positions are also suitable.
  • the distance between the emissions in the variable of all lasers selected depending on the application forms the channel distance. This can be constant or variable and is generally used by international commissions for compatibility of the transmission facilities as a grid. In this context, one speaks, for example, of a wavelength or - more correctly - frequency comb.
  • Adherence to the required channel spacing can be guaranteed to a certain extent with the monolithic integration of a laser array, compliance with the absolute values of the emitted variables is considerably more difficult to achieve.
  • the integration can therefore take place with a good relative, but only less absolute accuracy.
  • the tuning of the entire chip via its temperature enables a certain correction of the absolute position of the lasers with regard to their respective emissions.
  • the tolerances associated with chip production are greater, so that the yield of usable chips per wafer can be increased considerably if an additional laser for two additional channels is integrated at the top and bottom of the comb (2 "extra lasers"
  • the double channel spacing in the comb is thus obtained as a tolerance.
  • three different combs are made available, the absolute position of which differ by one step at the upper or lower end. The comb can then be determined by the selection before the chip assembly that is closest to the required absolute values, for example, thermal fine tuning leads to the desired values.
  • n stands for a natural number from the positive number space. So at least 2 n different numerical values of the variables have to be generated with the laser array. These are in a continuous series and must be at a predetermined distance from each other. The series of numbers also corresponds to a numbering of emitting laser. The integration of the 2 extra lasers (0, 2 n +1) results in 2 n +2 different numerical values, the three combs or series with the numerical values 0 to 2 n -1, 1 to 2 n and 2 to 2 n + 1 can be assigned. One of these series is then to be selected for rough coordination and optically coupled.
  • Thermal cross-interference is a particular problem because lasers are high-performance components that on the one hand represent heat sources, but on the other hand their properties also change with temperature. This problem of temperature sensitivity of semiconductor lasers is countered by either always switching on all the lasers in the array (cf. “Monolithic Integrated Multiwavelength Laser Arrays for WDM Ligthwave Systems” by CE Zah et al., Optoelectronics, 06/94, Vol. 9, No . 2, pp. 153-166) or the operating state of each individual laser is fixed, for example as with the array known from the article cited above, in the form that only the operation of one laser is ever permitted.
  • Another problem is the setting of the lasers. For example, if you want to set the wavelength and optical power of a laser independently of each other, you need a tunable laser. It should be noted that the optical power also changes the power loss and thus the wavelength of the laser ("self-tuning").
  • Electronic tuning in multi-section lasers is generally known and generally leads to very complex tuning characteristics.
  • Thermal tuning is also known. whereby either the temperature of the entire chip is altered or specifically the temperature of the single laser, such as from the article "Multiwavelength gain-coupled MQW DFB laser with fine tunability" by T. Makino et al., OFC '96 Technical Digest, FB 1 , pp. 298-299 "is known, via an integrated heating wire (Ti strip resistor).
  • the technical problem area with which the invention is concerned is therefore to develop a monolithically integrated laser array of the type described in the introduction in such a way that 2 n lasers can be operated simultaneously in the relevant laser characteristic variables and combined on an optical output of the chip.
  • a particularly high output power is to be achieved and a selection can be made among three different laser sequences in order to comply with the required laser emissions.
  • the lasers should be able to be operated independently of one another, ie any type of cross influencing, in particular any thermal cross influencing, should be avoided.
  • the possibility should be given to tune the lasers, in particular with regard to their optical power, with exact adherence to the required values.
  • the laser array should be constructed with simple and therefore inexpensive means for large series production and should have great flexibility with regard to the most varied of applications.
  • the solution according to the invention for the main problem therefore provides for a total of 2 n + 1 lasers (0.1, 2.2, 3, 3,. 2 n -2.2 n -2.2 n -1, 2 n in the laser array - 1, 2 n , 2 n +1) are arranged, of which the two lasers with the values 0 and 2 n in a first individual pair [0.2 n ], the two lasers with the values 1 and 2 n +1 in a second single pair [1, 2 n +1] and the lasers with the rest
  • [2 ⁇ -1, 2 n -1] are summarized, all pairs being able to be arranged adjacent to one another in the laser array in any order, provided that the two individual pairs are in spatial order ... [2 n , 0] .. . [2 n +1, 1] ... or their reflection ... [1, 2 n +1] ... [0, 2 n ] ...
  • a passive star coupler network consisting of 3dB couplers is used in the laser array according to the invention, with which 2 n +1 lasers from three different selection value series are combined on three optical chip output areas.
  • Each series has at least its own optical output. Depending on the choice of series, only this one (or how explained below, only these from the one chip output area) are optically connected to the transmission network. However, all three outputs can also be optically connected, which can then be switched over during operation or used in parallel.
  • a coupler stage can be dispensed with compared to conventional networks, which require n + 1 coupler stages due to the combination of the lasers or upstream coupler stages described, so that only a total of n coupler stages are required. This gives 3dB of optical output power, which corresponds to a doubling of power compared to conventional solutions.
  • each of the three selection value series is combined by a network of 3dB couplers with two assignable outputs on a maximum of 2 n 1 own optical chip outputs assigned only to the respective value series. If necessary, a maximum of 2 n 1 equal optical outputs per series are generated in a chip output area. This is made possible by the fact that both outputs available with every 3dB coupler are also used. Conventional applications with union networks always use only one exit. In this case, in the coupler stages, outputs that are adjacent to one another are also coupled further. If there are 2 n "1 outputs per series, the laser array according to the invention changes from a fixed configuration to an alternatively freely selectable configuration of equivalent outputs. This gives the combiner network a high degree of flexibility. Alternative configurations with fiber switches are taking into account the occurring ones Decoupling ratios can be used, for example, for control purposes or multiple distributions.
  • the arrangement of the lasers in the laser array according to the invention is such that used lasers are always spatially separated from one another by unused lasers.
  • pairs of partner lasers from different series are created, of which only one has to be operated at a time.
  • the emissions from the respective partner lasers are directed to different optical outputs. This opens up the possibility of using the respective partner laser as a heating source for tuning the actually important laser. For this, the two partner lasers must be placed very close to each other. That is why it is according to another
  • the thermal cross-influencing between the lasers mainly depends on their spatial proximity.
  • the number of chip corners corresponds to the number of laser pairs and is in a laser pair is arranged at each chip corner.
  • the operated lasers are at a maximum distance from each other and thermal cross-interference is minimized.
  • This can also apply to electrical cross interference.
  • the main objectives of the invention are the extensive decoupling of the lasers used in order to achieve good constancy of the respective emissions regardless of the transmission mode. It does not matter which property the laser is varied in the selection series. The choice depends only on the respective operating conditions. If, therefore, according to another embodiment of the invention, the variable of the laser characteristic property is the emission wavelength and the predeterminable distances between the value variants are constant, the laser array according to the invention can advantageously be used as an integrated multi-wavelength wave source in a multi-wavelength transmitter for wavelength division multiplexing (WDM) . If the channel spacing is constant, the ridge position can be easily varied. Otherwise, at least the values in the edge areas must be at a constant distance from one another.
  • WDM wavelength division multiplexing
  • the special structure of the laser array in connection with other components of the transmitter chip depends on usage and manufacturing requirements. These components are known in the general state of the art. In particular, it can be particularly useful with regard to the requirements if, according to another embodiment of the laser array according to the invention, the monolithic integration takes place on InP, the emission wavelengths of the lasers designed as DFB lasers are in the 1.3 ⁇ m or 1.55 ⁇ m range and others Components for further processing of the laser emissions are provided on the laser array. These can be, in particular, amplifiers, modulators and optical switches. DFB lasers are easy to set up monolithically and are easy to tune.
  • modulation for example with electro-absorption or Mach-Zehnder interferometer modulators, it is possible to dynamize continuous signals and thus impart an additional characteristic to the transmission signal.
  • Optical amplifiers are useful when the already very powerful output signal is to be distributed over several outputs of the photonic integrated chip.
  • the following embodiment provides a laser structure according to the invention, the use of which is the construction of a monolithically integrated one
  • Laser arrays enable that to be stable in aging, thermally tunable in the wavelength and in which the optical power of the laser can be measured.
  • the lasers are designed as ribbed waveguide lasers, means are provided for controlling the temperature of the laser array and / or for thermal tuning of the individual lasers
  • Coupling network which connects the individual lasers to the chip output, consists of quaternary layers selectively grown on the laser layers, based on rib waveguides open to the top and MMI
  • Couplers as 3dB coupling elements are easy to manufacture and age-stable.
  • the embedding of the optically amplifying material consisting of six or eight (strained layer multi quantum wells - strained quantum well layers) SLMQW, between separate waveguide layers (confinement layers) guarantees the guidance of the light emitted by the laser in the vertical direction and thus the reduction of losses.
  • monitor diode similar in function to a photodiode, but with a lower sensitivity, between the laser and the chip facet, but closely adjacent to the laser, enables on the one hand the suppression of reflections from the chip facet back into the laser and on the other hand the use of the photocurrent as Measure of the optical power of each individual laser.
  • the emission wavelength of each integrated laser can be individually adjusted.
  • the arrangement of a temperature sensor integrated in the middle of the laser chip, a platinum sheet resistor or a purely electrically operated laser diode enables the temperature to be controlled by the integrated lasers when the thermal load on the laser array changes.
  • the desired temperature of the laser array can now be set via the known arrangement of the laser chip on a copper block as a heat sink and Peltier elements connected to it.
  • the temperature of the laser array is in the solution according to the invention more precisely adjustable and thus a more precise thermal stabilization of the integrated laser in its entirety is possible.
  • the independent passive coupling network which connects the individual lasers to the chip output, consists of quaternary layers that have selectively grown on the laser layers and then ribbed waveguides and MMI couplers that are open at the top as 3dB coupling elements. This embodiment has a high coupling efficiency between the integrated lasers and the passive waveguides.
  • FIG. 1 shows a table for a possible arrangement of the 2 n + 1 lasers
  • FIG. 7 shows the basic architecture of a laser array according to the invention for 8 lasers with optimal decoupling
  • FIG. 8 shows a cross section through a laser structure
  • FIG. 9 is a plan view of a laser structure with a heating resistor
  • the aim is to arrange the three described series of 2 n lasers with 2 n different values of the varied property from 2 n + 1 lasers with a total of 2 n + 2 values of the varied property in the array such that never two adjacent lasers are used simultaneously.
  • the lasers are numbered from 0 to 2 n + 1, with each number corresponding to a value of the varied property of the laser.
  • the numbers 2 n + 2 mean different emission wavelengths.
  • 1 shows a table for a possible laser configuration according to the general arrangement specification for the lasers in the laser array according to the invention. This is based on a total number of lasers of 2 n + 1 in the array, which is caused by a double integration of the lasers with the numbers 2 to 2 ⁇ - 1.
  • Lasers 0 and 2 n + 1 are grouped around the theoretical center of the array.
  • Laser 0 is followed by laser 2 n .
  • laser 2 n + 1 is followed by laser 1, followed by lasers twice 2, 3 etc. to 2 n "1 .
  • the series "A” comprises the lasers 1 to 2 ⁇
  • the series "B” the Lasers 0 to 2 n -1
  • the series “C” the lasers 2 to 2 n -1.
  • the decisive factor for their arrangement is the condition that the spatial sequence of the individual pairs formed from these lasers is always correctly observed [2n, 0] [2n + 1, 1].
  • a spatial reversal of the sequence [1, 2n + 1] [0.2n] is equivalent to mirroring and is therefore possible.
  • the laser pairs are shown on the left-hand side, which are numbered depending on their emitted wavelengths. The same numbers mean the same wavelengths.
  • the lasers on the far left are marked with the emission symbol (headlights) and the couplers in the coupling stages and the output stage with the fork-like coupler symbol.
  • Each series of values (A, B and C) is represented consistently from laser to output with the same structure: series A with short bars, series B with continuous bars and series C with the bar sequence short-long. All the markings described can also be found in the other figures.
  • the coupling network for the case of a single optical chip output per series can be constructed as described below.
  • a first coupling stage - starting from one side of the laser arrangement - one laser is optically combined with its neighbor after next. This is done in 3dB couplers, for example 3dB MMI couplers.
  • 3dB couplers for example 3dB MMI couplers.
  • the second to (n -1) th coupling stage one of the outputs of the couplers is combined with one of the next-but-one neighboring coupler.
  • the first coupler stage contains 2 n couplers, the second 2 n "1 coupler, etc. up to the (n-1) th coupler stage, which in the example contains 4 couplers.
  • the nth coupling stage does not only contain 2 couplers as usual, but 3 couplers. A further summary of these couplers is omitted and thus a further coupling stage.
  • the neighbors after next are summarized again.
  • These two couplers contain the light from the "B" and "C” series.
  • the light of the "A" series must also be combined. To do this, the light from the lasers belonging to the "A” series must be tracked and the two couplers in the (n-1) th coupler stage which contain this light, however, not neighbors next are together in another coupler. This is possible because in addition to two inputs, each coupler always has two outputs, both of which are used here. This resulted in three optical outputs, each of which is responsible for the light in a series. By saving a coupling stage, the transmission power can be doubled.
  • the corresponding summary of the laser emissions of the individual series can be found in the illustration.
  • the structure of the coupling network with a coupling of the next but one partner down to the (n-1) -th stage and a summary in the n-th stage depending on the optical performance in the penultimate stage - but here for all three series - is also here implemented.
  • the arrangement shown for the chip layout in FIG. 4 with the lasers 3, 3, 4, 5, 5, 1, 2, 2 and its two coupler stages is only one of several options. Another arrangement with the same properties would be, for example, 1, 5, 2, 2, 3, 3, 4, 4.
  • the laser array in FIG. 6 corresponds in number and assignment to that in FIG. 4. In this layout, however, adjacent lasers are combined as pairs and are so closely spaced in space that they strongly influence one another thermally. As a result, a laser as a heating source can thermally tune the respective partner laser or be used for tuning.
  • the layout in FIG. 7 is derived from the number and assignment of lasers according to FIG.
  • the optical coupling conductors with the individual couplers are arranged in such a way that the 4 laser pairs could each be placed in a chip corner.
  • This maximum spatial distance means that the lasers in each series are optimally decoupled from one another, particularly with regard to electrical and thermal interference.
  • the following two figures relate to the configuration of the individual lasers arranged in the laser array with a heating strip.
  • SL-MQW are arranged as active layer 3 between an n-InP substrate 1 and a p-shaped p-InP layer 8.
  • the SL-MQW layers 3 with a total thickness of 120 nm are located between separate laser waveguide layers (confinement layers) 4
  • the upper waveguide layer 5 has a DFB grating, which the longitudinal single-mode operation of the laser in
  • Laser structure L is made of an insulating SiN x - which is only open on the rib.
  • a metallic contact layer 9 for example made of Ti-Pt Au, is in direct electrical contact with a semiconductor contact layer 13, which covers the p-shaped InP layer 8 (laser rib).
  • the metallic contact layer 9 covers large parts of the laser structure, but is isolated there by the SiN x layer from the layers 8, 5, 2 underneath.
  • the laser structure L is shown in plan view in FIG. In the area of the active laser layer 3, which is provided with the contact layer 9, the heating strip 7 provided with contacts is arranged. Between the laser and the chip facet 10 there is a monitor diode 11, which prevents reflection back into the laser and enables the laser to be monitored for power.
  • the passive waveguide consisting of quaternary layers grown on the laser layers and shown here its rib 12, which is also 2.5 ⁇ m wide for low-loss coupling, are part of the independent passive coupling network and are arranged at the other end of the laser structure L.
  • a laser structure shown in FIG. 9 is 400 ⁇ m long.
  • the width of the p-InP waveguide layer 8 formed as a rib is 2.5 ⁇ m. If a laser array according to this embodiment is implemented with eight DFB rib waveguide lasers which emit in six different wavelengths, its size is 3 ⁇ 3 mm 2 .

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Abstract

Optische Sender für Multiplexbetrieb benötigen Laserarrays, die auf verschiedenen Werten einer lasercharakteristischen Variablen, beispielsweise der Emissionswellenlänge, arbeiten. Bekannte Arrays erlauben zur Vermeidung von Kreuzbeeinflussungen nur den gleichzeitigen oder gestaffelten Betrieb der Laser. Außerdem verbrauchen die zugehörigen Koppelnetzwerke einen hohen Anteil der optischen Ausgangsleistung. Weiterhin ist bekannt, durch Integration zweier Zusatzlaser drei verschiedene Serien von Lasern vorzusehen, von denen dann nur eine für den optischen Chip konfektioniert wird. Das erfindungsgemäße Laserarray weist unter Beibehaltung dieser Auswahlabstimmung für einen beliebigen Laserbetrieb doppelt so viele Laser (0 ... 9) auf als für die Sendekanäle benötigt werden und verteilt diese durch Paarzuordnung auf die drei Serien (A, B, C) in der Form, daß immer zwischen zwei benutzten Lasern ein unbenutzter Laser angeordnet ist. Durch diese räumliche Distanz werden Kreuzbeeinflussungen weitgehend unterdrückt. Außerdem ist das zugehörige Koppelnetzwerk unter Ausnutzung beider Ausgänge von 3dB-Kopplern gegenüber herkömmlichen Netzwerken mit einer Stufe weniger aufgebaut, so daß die erzielte Ausgangsleistung verdoppelt werden konnte.

Description

Bezeichnung
Monolithisch integriertes Laserarray
Beschreibung
Die Erfindung bezieht sich auf ein monolithisch integriertes Laserarray für einen optischen Multiplex-Senderchip zur Erzeugung einer Serie aus 2n Werten einer für die Laseremissionen charakteristischen Variablen, die 2n Sendekanälen mit vorgebbaren Abständen entsprechen, wobei das Laserarray zur Auswahlabstimmung der sendefähigen Werteserie 2n+2 verschiedene Werte erzeugt, die in drei jeweils um einen Sendekanal versetzte Auswahl- Werteserien mit den fortlaufenden Werten 0 bis 2n-1 , 1 bis 2n und 2 bis 2n+1 aufteilbar sind, und mit einem die Laseremissionen auf zumindest einen optischen Chipausgang zusammenfassenden, von der Variablen unabhängigen passiven Koppelnetzwerk.
Die Integration von Laserarrays zur Herstellung von Multiplex-Senderchips führt zu einem Chiplayout, bei dem die Emissionen der im Array angeordneten
Laser über ein Koppelnetzwerk einem Chipausgang zugeführt werden, an den eine optische Faser zur Weiterleitung des Sendesignals angekoppelt ist. Jeder
Laser ermittiert in einem anderen Wert der charakteristischen Variablen und bestimmt so die Sendekanäle. Diese werden alle einem Ausgangskanal zugeführt, der entsprechend im Multiplexbetrieb ausgenutzt wird. Die Variable für das Multiplexing hängt dabei von dem Erzeuger des Sendesignals ab. Bei
Lasern handelt es sich hierbei in der Regel um die Frequenz bzw. äquivalent die Wellenlänge des emittierten Signals. Dessen Energieinhalt oder relative
Phasenlage sind aber ebenfalls geeignet. Der Abstand zwischen den Emissionen in der je nach Anwendungsfall ausgewählten Variablen aller Laser bildet den Kanalabstand. Dieser kann konstant oder auch variabel sein und wird im Allgemeinen von internationalen Kommissionen für die Kompatibilität der Sendeeinrichtungen als Raster festgelegt. Man spricht in diesem Zusammenhang beispielsweise von einem Wellenlängen- oder - richtiger - Frequenzkamm.
Die Einhaltung der geforderten Kanalabstände kann bei der monolithischen Integration eines Laserarrays in gewissem Maß gewährleistet werden, eine Einhaltung der Absolutwerte der emittierten Variablen ist erheblich schwerer zu erreichen. Die Integration kann also mit einer guten relativen, aber nur minderen absoluten Genauigkeit erfolgen. Die Abstimmung des gesamten Chips über seine Temperatur ermöglicht hierbei eine gewisse Korrektur der absoluten Lage der Laser hinsichtlich ihrer jeweiligen Emissionen. Eine Temperaturänderung von beispielsweise mehr als 10° C, die eine Verschiebung des Wellenlängenkammes um maximal +/- 1 nm bewirken könnte, ist allerdings bei gleichzeitig hoher optischer Leistung des Lasers nicht generell realisierbar. Die mit der Chipherstellung verbundenen Toleranzen sind jedoch größer, so daß die Ausbeute an verwertbaren Chips pro Wafer erheblich gesteigert werden kann, wenn man am oberen und unteren Ende des Kammes jeweils einen zusätzlichen Laser für insgesamt zwei weitere Kanäle integriert (2 „Extra-Laser"). Man gewinnt so den zweifachen Kanalabstand im Kamm als Toleranz. Damit werden gleichsam 3 verschiedene Kämme, deren absolute Lage sich um eine Stufe am oberen bzw. unteren Ende unterscheiden, zur Verfügung gestellt. Durch die Auswahl vor der Chipkonfektionierung kann dann derjenige Kamm ermittelt werden, der den geforderten absoluten Werten am nächsten benachbart liegt. Hier führt dann beispielsweise eine thermische Feinabstimmung zu den gewünschten Werten.
Aus der Sicht der Systemanwendungen werden in den meisten Fällen Chips für 2π Sendekanäle verlangt. Dabei steht n für eine natürliche Zahl aus dem positiven Zahlenraum. Es sind also mit dem Laserarray mindestens 2n verschiedene Zahlenwerte der Variablen zu erzeugen. Diese liegen in einer fortlaufenden Serie und müssen einen vorgegebenen Abstand zueinander aufweisen. Die Zahlenserie entspricht dabei auch einer Numerierung der emittierenden Laser. Durch Integration der 2 Extra-Laser (0, 2n+1 ) ergeben sich 2n+2 verschiedene Zahlenwerte, die drei Kämmen bzw. Serien mit den Zahlenwerten 0 bis 2n-1 , 1 bis 2n und 2 bis 2n+1 zuzuordnen sind. Eine dieser Serien ist dann zur Grobabstimmung auszuwählen und optisch zu koppeln.
Vor dem Hintergrund dieser allgemeinen Ausführungen wird der Stand der Technik, von dem die Erfindung ausgeht, beschrieben in dem Aufsatz „Six wavelength laser arrays with integrated amplifier and modulator" von M.G. Young et al., Electronics Letters, 12th October 1995, Vol. 31 , No. 21 , pp. 1835- 1836. Wie aus persönlichen Gesprächen mit dem Koautor T.L. Koch bekannt ist, dienen bei dem hier beschriebenen Laserarray zwei der sechs Laser als Extralaser zur Auswahlabstimmung des zu übertragenden Sendespektrums mit der Wellenlänge als lasercharakteristischer Variable. Die Laseremissionen werden über einen passiven 6x1- Stemkoppler auf der Basis eines „Dragone- Combiners" (vgl. „Efficient NxN Star Couplers Using Fourier Optics" von C. Dragone, Journal of Ligthwave Techn. 3/89, Vol. 7, No. 3, pp. 479-489) wellenlängenunabhängig auf einen einzigen Chipausgang geleitet. Bei einem derartigen Koppelnetzwerk nimmt die intrinsische Dämpfung linear mit der Anzahl der Eingänge zu. Im theoretischen Idealfall entspricht die Dämpfung im Falle von 2n ausgewählten Eingängen der eines entsprechenden Sternkopplernetzwerks, also n * 3dB.
Durch die Integration mehrerer Laser auf einem Chip treten verschiedene Mechanismen der Kreuzbeeinflussung auf. Ein besonderes Problem ist die thermische Kreuzbeeinflussung, weil Laser als Hochleistungsbauelemente einerseits Wärmequellen darstellen, andererseits aber ihre Eigenschaften auch mit der Temperatur ändern. Diesem Problem der Temperaturempfindlichkeit von Halbleiterlasern wird begegnet, indem entweder immer alle Laser des Arrays eingeschaltet sind (vgl. „Monolithic Integrated Multiwavelength Laser Arrays for WDM Ligthwave Systems" von C.E. Zah et al., Optoelectronics, 06/94, Vol. 9, No. 2, pp. 153-166) oder der Betriebszustand jedes einzelnen Lasers fest vorgegeben ist, beispielsweise wie bei dem aus dem oben zitierten Aufsatz bekannten Array in der Form, daß immer nur der Betrieb eines Lasers erlaubt wird. Damit ist die auftretende Verlustwärme immer kalkulierbar. Ein unabhängiger Betrieb der Laser, d.h. ein beliebiges Ein- und Ausschalten der Laser mit variierender aktueller Verlustwärme, ohne daß sich der Zustand und die Eigenschaften der anderen Laser durch Kreuzbeeinflussung, insbesondere thermischer Art, ändert, ist bei den bekannten Laserarrays nicht möglich.
Ein weiteres Problem ist die Einstellung der Laser. Möchte man beispielsweise die Wellenlänge und die optische Leistung eines Lasers unabhängig voneinander einstellen, braucht man einen abstimmbaren Laser. Dabei ist zu berücksichtigen, daß sich mit der optischen Leistung auch die Verlustleistung und damit die Wellenlänge des Lasers ändert („Selbstabstimmung"). Elektronisches Abstimmen in Multisektionslasem ist allgemein bekannt und führt in der Regel zu sehr komplexen Abstimmcharakteristiken. Auch thermisches Abstimmen ist bekannt, wobei entweder die Temperatur des gesamten Chips verändert wird oder gezielt die Temperatur des einzelnen Lasers, z.B. wie aus dem Aufsatz „Multiwavelength gain-coupled MQW DFB laser with fine tunability" von T. Makino et al., OFC'96 Technical Digest, FB 1 , pp. 298-299" bekannt ist, über einen integrierten Heizdraht (Ti- Streifenwiderstand).
Das technische Problemfeld, mit dem sich die Erfindung befaßt, besteht deshalb darin, ein monolithisch integriertes Laserarray der eingangs beschriebenen Art so weiterzubilden, daß 2n Laser in der jeweilig relevanten lasercharakteristischen Variablen gleichzeitig betrieben und auf einen optischen Ausgang des Chips zusammengefaßt werden können. Dabei soll eine besonders hohe Ausgangsleistung erzielt werden und eine Auswahlabstimmung unter drei verschiedenen Laserfolgen zur Einhaltung der geforderten Laseremissionen möglich sein. Die Laser sollen unabhängig voneinander betreibbar sein, d.h. jegliche Art der Kreuzbeeinflussung, insbesondere jede thermische Kreuzbeeinflussung, soll vermieden sein. Weiterhin soll die Möglichkeit einer Abstimmung der Laser, insbesondere hinsichtlich ihrer optischen Leistung, unter exakter Einhaltung der geforderten Werte gegeben sein. Darüber hinaus soll das Laserarray mit einfachen und damit kostengünstigen Mitteln für große Serienproduktionen aufgebaut sein und bezüglich unterschiedlichster Anwendungen eine große Flexibilität aufweisen.
Die erfindungsgemäße Lösung für die Hauptproblematik sieht deshalb vor, daß im Laserarray insgesamt 2n+1 Laser (0,1 ,2,2,3,3, , 2n-2,2n-2,2n-1 ,2n- 1 ,2n,2n+1 ) angeordnet sind, von denen die beiden Laser mit den Werten 0 und 2n in einem ersten Einzelpaar [0,2n], die beiden Laser mit den Werten 1 und 2n+1 in einem zweiten Einzelpaar [1 ,2n+1] und die Laser mit den restlichen
Werten durch jeweilige Verdopplung als Doppelpaare [2,2]; [3,3]; ;[2n-2, 2n-
2]; [2π-1 ,2n-1] zusammengefaßt sind, wobei alle Paare in beliebiger Reihenfolge einander benachbart im Laserarray anordenbar sind unter Einhaltung der Bedingung, daß die beiden Einzelpaare in der räumlichen Abfolge ...[2n,0]...[2n+1 , 1]... oder deren Spiegelung ...[1 , 2n+1]...[0, 2n]... positioniert sind, und daß die Laseremissionen jeder der drei Auswahl- Werteserien (A,B,C) durch ein Netzwerk aus 3dB-Kopplem in n Koppelstufen durch Kopplung jeweils eines Ausganges mit einem dazu übernächsten Ausgang auf zumindest einen, nur der jeweiligen Werteserie zugeordneten optischen Chipausgang zusammengefaßt sind, wobei in der n-ten Koppelstufe die Emissionen zumindest einer der drei Werteserien entsprechend ihrer optischen Leitung in der (n-1 )-ten Koppelstufe unter Ausnutzung beider Ausgänge der entsprechenden Koppler zuammengefaßt sind.
Von wesentlicher Bedeutung für die Erfindung ist, daß bei dem erfindungsgemäßen Laserarray ein passives Sternkoppler-Netzwerk aus 3dB- Kopplem verwendet wird, mit dem 2n+1 Laser aus drei verschiedenen Auswahl-Werteserien auf drei optische Chipausgangsbereiche zusammengefaßt werden. Jede Serie erhält zumindest einen eigenen optischen Ausgang. Je nach Wahl der Serie muß nur dieser eine (oder wie weiter unten ausgeführt, nur diese aus dem einen Chipausgangsbereich) optisch an das Sendenetz angeschlossen werden. Es können aber auch alle drei Ausgänge optisch angeschlossen werden, die dann im Betrieb entsprechend umgeschaltet oder parallel ausgenutzt werden. Durch das Vorsehen von zumindest drei gleichberechtigten Chipausgängen kann gegenüber herkömmlichen Netzwerken, die durch das beschriebene Zusammenfassen der Laser bzw. vorgeordneten Kopplerstufen auf einen einzigen Ausgang n+1 Kopplerstufen benötigen, auf eine Kopplerstufe verzichtet werden, so daß insgesamt nur n Kopplerstufen erforderlich sind. Dadurch gewinnt man 3dB an optischer Ausgangsleistung, was einer Leistungsverdopplung gegenüber konventionellen Lösungen entspricht.
Das Problem der Kreuzbeeinflussung, insbesondere der thermischen Kreuzbeeinflussung, reduziert sich automatisch mit zunehmendem Abstand zwischen gleichzeitig betriebenen Lasern. Durch das Vorsehen von insgesamt 2n+1 Lasern mit einer Zuordnung zu drei unterschiedlichen Serien können diese im erfindungsgemäßen Laserarray so angeordnet werden, daß grundsätzlich niemals zwei nebeneinander liegende Laser gleichzeitig betrieben werden, weil sie immer unterschiedlichen Serien angehören. Diese sind dadurch optisch voneinander entkoppelt. Durch diese Anordnung wird bei gegebenem Laserabstand die Kreuzbeeinflussung, insbesondere die thermische, minimiert. Die Laseranzahl und -anordnung ist damit für die Erfindung ebenfalls von großer Bedeutung. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird bezüglich dieses Punktes und auch bezüglich des Aufbaus des Koppelnetzwerkes auf die Ausführungen im speziellen Beschreibungsteil hingewiesen.
Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Laserarrays kann vorteilhaft vorgesehen sein, daß jede der drei Auswahl-Werteserien durch ein Netzwerk aus 3dB-Kopplern mit zwei belegbaren Ausgängen auf maximal 2n 1 eigene, nur der jeweiligen Werteserie zugeordnete optische Chipausgänge zusammengefaßt ist. Damit können, falls erforderlich, maximal 2n 1 gleichberechtigte optische Ausgänge pro Serie in einem Chipausgangsbereich erzeugt werden. Das wird dadurch ermöglicht, daß beide bei jedem 3dB- Koppler vorhandene Ausgänge auch genutzt werden. Herkömmliche Anwendungen mit Vereinigungsnetzwerken nutzen stets nur einen Ausgang. Dabei werden in den Kopplerstufen auch weiter als benachbart auseinander liegende Ausgänge gekoppelt. Bei Vorhandensein von 2n"1 Ausgängen pro Serie verändert sich das erfindungsgemäße Laserarray von einer festen Konfiguration zu einer alternativ frei wählbaren Konfiguration gleichwertiger Ausgänge. Damit erhält das Combiner-Netzwerk ein hohes Maß an Flexibilität. Alternativ-Konfigurationen mit Faserumschaltern sind unter Berüchsichtigung der auftretenden Auskopplungsverhältnisse beispielsweise zu Kontrollzwecken oder Mehrfachverteilungen verwendbar.
Die Anordnung der Laser im erfindungsgemäßen Laserarray erfolgt so, daß genutzte Laser immer durch ungenutzte Laser räumlich voneinander getrennt sind. Bei dieser Anordnung der Laser entstehen also Paare von Partnerlasern aus unterschiedlichen Serien, von denen nur jeweils einer betrieben werden muß. Die Emissionen der jeweiligen Partnerlaser werden in unterschiedliche optische Ausgänge geleitet. Das eröffnet die Möglichkeit, den jeweiligen Partnerlaser als Heizquelle zum Abstimmen des eigentlich wichtigen Lasers zu verwenden. Dafür müssen die beiden Partnerlaser in sehr dichtem Abstand zueinander plaziert werden. Deshalb ist es gemäß einer anderen
Erfindungsfortführung vorteilhaft, wenn jedes Laserpaar eine konstruktive
Einheit aus zwei eng benachbarten Lasern bildet. Das führt zusätzlich zu einem sehr kompakten Aufbau des Laserarrays. Dieser benötigt dann mit den vorhandenen 2π+1 Lasern nicht mehr Platz als bei einer Integration der nur eigentlich geforderten 2n Laser.
Wie weiter oben bereits ausgeführt, hängt bei monolithisch integrierten Lasern die thermische Kreuzbeeinflussung zwischen den Lasern hauptsächlich von deren räumlicher Nähe ab. Nach einer anderen Gestaltung der Erfindungsidee entspricht die Anzahl der Chipecken der Anzahl der Laserpaare und ist in jeder Chipecke ein Laserpaar angeordnet. So nehmen die betriebenen Laser einen maximalen Abstand voneinander ein, die thermische Kreuzbeeinflussung wird minimiert. Dies kann ebenfalls für die elektrische Kreuzbeeinflussung gelten. Für den Fall n = 2, was 2n = 4 Sendekanälen entspricht, ergibt sich die Möglichkeit, die benutzten Laser thermisch besonders effektiv zu entkopplen. Die erforderlichen 2n+1 = 8 Laser werden in 4 Paaren mit je zwei Lasern aus unterschiedlichen Serien zusammengefaßt, die in den 4 Ecken eines rechteckigen, insbesondere quadratischen Chips angeordnet werden. So ist unabhängig von der Wahl der Serie immer nur ein Laser pro Ecke aktiv und der Abstand zwischen den benutzten Lasern optimal groß. Das Problem der thermischen Kreuzbeeinflussung ist damit durch eine fast völlige Eliminierung bestmöglich gelöst. In der Mitte des Chips befindet sich dabei ein zu den Chipecken ausgerichtetes 8 x 3-Stemkoppelnetzwerk. Eine thermische Abstimmung durch den jeweiligen Partnerlaser ist bei dieser Anordnung ebenso möglich wie durch einen jeweils zugeordneten Heizdraht in konventioneller Weise.
Hauptziele der Erfindung sind neben einer deutlichen Steigerung der Ausgangsleistung die weitgehende Entkopplung der genutzten Laser, um eine gute Konstanz der jeweiligen Emissionen unabhängig vom Sendebetrieb zu erreichen. Dabei spielt es keine Rolle, welche Eigenschaft der Laser in den Auswahlserien variiert wird. Deren Wahl hängt nur von den jeweiligen Einsatzbedingungen ab. Wenn deshalb nach einer anderen Ausgestaltung der Erfindung die Variable der lasercharakteristischen Eigenschaft die Emissionswellenlänge ist und die vorgebbaren Abstände zwischen den Wertevarianten konstant sind, kann das erfindungsgemäße Laserarray vorteilhaft als integrierte Mehrlängenwellenquelle in einem Multi- Wellenlängen-Transmitter für Wellenlängen-Multiplexbetrieb (WDM) eingesetzt werden. Bei einer Konstanz der Kanalabstände ist die Variation der Kammlage ohne weiteres durchführbar. Anderenfalls müssen zumindest die Werte in den Randbereichen einen konstanten Abstand zueinander aufweisen. Von Verwendungs- und Herstellungsanforderungen hängt der spezielle Aufbau des Laserarray im Zusammenhang mit weiteren Komponenten des Senderchips ab. Diese Komponenten sind im allgemeinen Stand der Technik bekannt. Insbesondere kann es besonders nützlich hinsichtlich der Anforderungen sein, wenn nach einer anderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Laserarrays die monolithische Integration auf InP erfolgt, die Emissionswellenlängen der als DFB-Laser ausgebildeten Laser im 1 ,3 μm- oder 1 ,55 μm-Bereich liegen und weitere Bauelemente zur Weiterverarbeitung der Laseremissionen auf dem Laserarray vorgesehen sind. Hierbei kann es sich insbesondere um Verstärker, Modulatoren und optische Schalter handeln. DFB-Laser sind einfach monolithisch aufzubauen und gut abstimmbar. Durch Modulation beispielsweise mit Elektroabsorptions- oder Mach-Zehnder- Interferometer-Modulatoren ist es möglich, Dauersignale zu dynamisieren und damit dem Sendesignal eine zusätzliche Charakteristik aufzuprägen. Optische Verstärker sind dann sinnvoll, wenn das bereits sehr leistungsstarke Ausgangssignal auf mehrere Ausgänge des photonischen integrierten Chips verteilt werden soll.
Mit der folgenden Ausführungsform wird erfindungsgemäß eine Laserstruktur angegeben, deren Verwendung den Aufbau eines monolithisch integrierten
Laserarrays ermöglicht, das alterungsstabil, in der Wellenlänge thermisch abstimmbar und bei dem die optische Leistung der Laser meßbar ist. In dem bereits beschriebenen erfindungsgemäßen Laserarray sind hierbei die Laser als Rippenwellenleiter-Laser ausgebildet, Mittel zur Kontrolle der Temperatur des Laserarrays und/oder zur thermischen Abstimmung der einzelnen Laser vorgesehen, ist zwischen jedem einzelnen Laser und der Chipfacette eine
Monitordiode dicht hinter dem Laser angeordnet und das unabhängige passive
Koppelnetzwerk, das die einzelnen Laser mit dem Chipausgang verbindet, besteht aus selektiv an die Laserschichten angewachsenen quatemären Schichten, basierend auf nach oben offenen Rippenwellenleitern und MMI-
Kopplem als 3dB-Koppelelementen. Die als Rippenwellenleiter-Laser ausgebildeten Laser sind einfach herstellbar und alterungsstabil.
Die Einbettung des optisch verstärkenden Materials, bestehend aus sechs oder acht (strained layer multi quantum wells - verspannten Quantenbrunnen- Schichten) SLMQW, zwischen separaten Wellenleiterschichten (confinement- Schichten) garantiert die Führung des von dem Laser emittierten Lichts in vertikaler Richtung und somit die Verringerung von Verlusten.
Die Anordnung einer Monitordiode, in ihrer Funktion ähnlich einer Photodiode jedoch eine geringere Empfindlichkeit aufweisend, zwischen Laser und Chipfacette, aber dicht benachbart zum Laser, ermöglicht zum einen die Unterdrückung von Reflexionen von der Chipfacette zurück in den Laser und zum anderen die Nutzung des Photostroms als Maß für die optische Leistung jedes einzelnen Lasers.
Mit den als parallel zu den Laserstreifen angeordneten integrierten Platin- Schichtwiderständen ausgebildeten Heizelementen kann die Emissionswellenlänge jedes integrierten Lasers individuell abgestimmt werden.
Die Anordnung eines in der Mitte des Laserchips integrierten Temperatursensors, eines Platin-Schichtwiderstandes oder einer rein elektrisch betriebenen Laserdiode, ermöglicht die Kontrolle der Temperatur bei wechselnder thermischer Belastung des Laserarrays durch die integrierten Laser. Über die bekannte Anordnung des Laserchips auf einem Kupferblock als Wärmesenke und mit dieser verbundenen Peltierelementen kann nunmehr die gewünschte Temperatur des Laserarrays eingestellt werden. Im Vergleich zum allgemein bekannten Stand der Technik, wo beispielsweise mittels eines Thermistors die Temperatur des Kupferblocks bestimmt und dann reguliert wird, ist in der erfindungsgemäßen Lösung die Temperatur des Laserarrays genauer einstellbar und somit eine genauere thermische Stabilisierung der integrierten Laser in ihrer Gesamtheit möglich.
Das unabhängige passive Koppelnetzwerk, das die einzelnen Laser mit dem Chipausgang verbindet, besteht aus selektiv an die Laserschichten angewachsenen quatemären Schichten und darauf nach oben offenen Rippenwellenleitern und MMI-Kopplern als 3dB-Koppelelementen. Diese Ausführungsform weist eine hohe Koppeleffizienz zwischen den integrierten Lasern und den passiven Wellenleitern auf.
Weitere Einzelheiten der Erfindung und ihrer vorteilhaften Ausführungsformen werden im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Figuren näher erläutert.
Dabei zeigt:
Figur 1 eine Tabelle zu einer möglichen Anordnung der 2n+1 Laser,
Figur 2 den Aufbau eines Koppe Inetzwerkes für n = 3 mit einem optischen
Ausgang pro Serie, Figur 3 den Aufbau eines Koppelnetzwerkes für n = 3 mit der maximalen
Anzahl 2n"1 = 4 optischer Ausgänge pro Serie, Figur 4 den Aufbau eines Koppelnetzwerkes für n = 2 mit einem optischen
Ausgang pro Serie, Figur 5 den Aufbau eines Koppelnetzwerkes für n = 2 mit der maximalen Anzahl 2n"1 = 2 optischer Ausgänge pro Serie,
Figur 6 den Aufbau eines Koppelnetzwerkes für n = 2 mit einem optischen
Ausgang pro Serie und konstruktiv vereinigten Laserpaaren, Figur 7 die prinzipielle Architektur eines erfindungsgemäßen Laserarrays für 8 Laser mit optimaler Entkopplung, Fig. 8 einen Querschnitt durch eine Laserstruktur,
Fig. 9 eine Draufsicht auf eine Laserstruktur mit Heizwiderstand,
Monitordiode und integriertem Wellenleiter. Bei der Anordnung der Laser ist es das Ziel, die drei beschriebenen Serien von 2n Lasern mit 2n verschiedenen Werten der variierten Eigenschaft aus 2n+1 Lasern mit insgesamt 2n + 2 Werten der variierten Eigenschaft im Array so anzuordnen, daß niemals zwei nebeneinander liegende Laser gleichzeitig zum Einsatz kommen. Die Laser sind durchnumeriert von 0 bis 2n + 1 , wobei jede Nummer einem Wert der variierten Eigenschaft der Laser entspricht. Beispielsweise können mit den Nummern 2n + 2 verschiedene Emissionswellenlängen gemeint sein. Der Figur 1 ist eine Tabelle für eine mögliche Laser-Konfigurierung nach der allgemeinen AnOrdnungsvorschrift für die Laser im erfindungsgemäßen Laserarray zu entnehmen. Diese basiert auf einer Gesamtzahl der Laser von 2n+1 im Array, die durch eine doppeltelntegration der Laser mit den Nummern 2 bis 2π - 1 hervorgerufen wird.
Diese Laser können nun wie folgt angeordnet sein: Um die gedankliche Mitte des Arrays gruppieren sich die Laser 0 und 2n + 1. Auf den Laser 0 folgt der Laser 2n. Daran schließen sich jeweils doppelt die Laser 2n - 1 , 2n - 2, usw. bis 2n"1 + 1 an. Auf der anderen Seite folgt auf den Laser 2n + 1 der Laser 1 , darauf folgen jeweils doppelt die Laser 2, 3 usw. bis 2n"1 . Wählt man nun die benutzten Laser in den drei Serien so aus, wie in der Tabelle in Figur 1 durch Ankreuzungen dargestellt, ist zu erkennen, daß zum einen die Serien „A" die Laser 1 bis 2π umfaßt, die Serie „B" die Laser 0 bis 2n-1 und die Serie „C" die Laser 2 bis 2n-1. Zum anderen sieht man, daß unabhängig von der Wahl der Serie immer ein unbenutzter Laser zwischen zwei benutzten Lasern plaziert worden ist. Faßt man nun jeweils zwei benachbarte Laser zu Paaren zusammen, in der Tabelle durch Umrandungen und unterschiedliche Grautönungen angedeutet, so erkennt man weiterhin, daß in jedem Paar immer nur ein Laser benutzt ist und manche Paare gleichartige Laser enthalten. Diese Paarbildung kann besonders gut zur thermischen Laserabstimmung genutzt werden. An dieser Stelle sei nochmals darauf hingewiesen, daß es sich bei dieser beschriebenen Konfiguration um eine mögliche von mehreren handelt. Bei anderen Konfigurationen können beispielsweise die Laser 0 und 2n sowie 1 und 2n+1 am Rand des Arrays oder irgendwo in der Mitte zwischen den Doppelpaaren bildenden verdoppelten Lasern plaziert sein. Ausschlaggebend für ihre Anordnung ist die Bedingung, daß die räumliche Abfolge der aus diesen Lasern gebildeten Einzelpaare immer korrekt [2n,0] [2n+1 ,1] eingehalten wird. Dabei ist eine räumliche Umkehr der Abfolge [1 ,2n+1 ] [0,2n] als Spiegelung äquivalent und damit möglich.
Die Figur 2 zeigt den Aufbau eines Koppelnetzwerkes im erfindungsgemäßen Laserarray für den Fall n = 3. Auf der linken Seite sind die Laserpaare dargestellt, die je nach ihrer emttierten Wellenlängen mit Zahlen bezeichnet sind. Dabei bedeuten gleiche Zahlen auch gleiche Wellenlängen. Rechts außen sind die drei möglichen Werteserien mit den Buchstaben A, B und C bezeichnet. Die Laser ganz links sind mit dem Emissionssymbol (Scheinwerfer) und die Koppler in den Koppelstufen und der Ausgangsstufe mit dem gabelartigen Kopplersymbol gekennzeichnet. Jede Wertserie (A, B und C) ist durchgängig vom Laser bis zum Ausgag mit der gleichen Struktur dargestellt: Serie A mit kurzen Balken, Serie B mit durchgehenden Balken und Serie C mit der Balkenfolge kurz-lang. Alle beschriebenen Kennzeichnungen finden sich auch in den übrigen Figuren wieder.
Allgemein läßt sich das Koppelnetzwerk für den Fall eines einzigen optischen Chipausgangs pro Serie wie im Folgenden beschrieben aufbauen. In einer ersten Koppelstufe wird - ausgehend von einer Seite der Laseranordnung - jeweils ein Laser mit seinem übernächsten Nachbarn optisch zusammengefaßt. Dies geschieht in 3dB-Kopplem, beispielsweise 3dB-MMI- Kopplern. In der zweiten bis (n -1 )-ten Koppelstufe wird jeweils einer der Ausgänge der Koppler mit einem des übernächsten Nachbarkopplers zusammengefaßt. Die erste Kopplerstufe enthält 2n Koppler, die zweite 2n"1 Koppler usw. bis zur (n-1 )-ten Koppelstufe, die im Beispiel 4 Koppler enthält. Die n-te Koppelstufe enthält aber nicht wie üblich nur 2 Koppler, sondern 3 Koppler. Eine weitere Zusammenfassung dieser Koppler entfällt und somit eine weitere Koppelstufe. In der n-ten Koppelstufe werden zunächst wieder die übernächsten Nachbarn zusammengefaßt. Diese beiden Koppler enthalten das Licht der Serien „B" und „C". Zusätzlich muß aber noch das Licht der Serie „A" zusammengefaßt werden. Dazu verfolgt man das Licht der zur Serie „A" gehörenden Laser und faßt die beiden Koppler in der (n-1 )-ten Kopplerstufe, die dieses Licht enthalten, jedoch nicht übernächste Nachbarn sind, in einem weiteren Koppler zusammen. Das ist möglich, weil jeder Koppler außer zwei Eingängen immer auch zwei Ausgänge hat, von denen beide an dieser Stelle verwendet werden. Somit sind drei optische Ausgänge entstanden, von denen jeder für das Licht einer Serie verantwortlich ist. Durch die Einsparung einer Koppelstufe kann die Sendeleistung verdoppelt werden.
In Figur 3 ist eine dreistufiges Koppelnetzwerk ebenfalls für n = 3 ohne die Laser dargestellt, bei dem jeder Serie eine maximal mögliche Anzahl 2n 1 optischer Ausgänge, hier also 4, in einem Chipausgangsbereich zugeordnet werden. Die entsprechende Zusammenfassung der Laseremissionen der einzelnen Serien sind der Darstellung zu entnehmen. Der Aufbau des Koppelnetzwerks mit einer Kopplung immer der übernächsten Partner bis in die (n-1 )-te Stufe und einer Zusammenfassung in der n-ten Stufe je nach optischer Leistung in der vorletzten Stufe - hier jedoch für alle drei Serien - ist hier ebenfalls umgesetzt.
Die Figuren 4 und 5 sind analog zu den Figuren 2 und 3 zu verstehen und beziehen sich auf n = 2. Die dargestellte Anordnung für das Chiplayout in Figur 4 mit den Lasern 3,3,4,0,5,1 ,2,2 und ihren zwei Kopplerstufen ist dabei wieder nur eine von mehreren Möglichkeiten. Eine andere Anordnung mit gleichen Eigenschaften wäre beispielsweise 1 ,5,2,2,3,3,0,4. In Figur 5 ist zu der in Figur 4 beschriebenen Anordnung nur das zweistufige Koppelnetzwerk für eine maximal mögliche Anzahl 2n"1 = 2 optischer Ausgänge pro Serie dargestellt. Das Laserarray in Figur 6 entspricht in der Laseranzahl und -Zuordnung dem aus Figur 4. Bei diesem Layout sind jedoch benachbarte Laser als Paare zusammengefaßt und räumlich so dicht nebeneinander aufgebaut, daß sie sich gegenseitig stark thermisch beeinflussen. Dadurch kann ein Laser als Heizquelle den jeweiligen Partnerlaser thermisch abstimmen bzw. zur Abstimmung genutzt werden.
Das Layout in Figur 7 ist aus der Laseranzahl und -Zuordnung gemäß Figur 5 abgeleitet. Hier sind jedoch die optischen Kopplungsleiter mit den einzelnen Kopplern so angeordnet, daß die 4 Laserpaare in je einer Chipecke plaziert werden konnten. Durch diese maximale räumliche Distanz sind die Laser jeder Serie optimal voneinander entkoppelt, insbesondere im Hinblick auf elektrische und thermische Kreuzbeeinflussung.
Die folgenden beiden Figuren betreffen die Ausgestaltung der im Laserarray angeordneten einzelnen Laser mit einem Heizstreifen.
In Figur 8 ist deutlich die Ausbildung der rippenförmigen Laserstruktur L zu erkennen. Zwischen einem n-lnP-Substrat 1 und einer ppenförmig ausgebildeten p-lnP-Schicht 8 sind als aktive Schicht 3 SL-MQW angeordnet.
Die SL-MQW-Schichten 3 mit einer Gesamtdicke von 120 nm befinden sich zwischen separaten Laser-Wellenleiterschichten (confinement layers) 4
(150 nm dick) und 5 (180 nm dick), wobei die obere Wellenleiterschicht 5 ein DFB-Gitter aufweist, was den longitudinal einmodigen Betrieb des Lasers im
1 ,3 μm- oder 1 ,55 μm-Wellenlängenbereich erlaubt. Eine seitliche Begrenzung dieser aktiven rippenförmig ausgebildeten Struktur L ist durch passive
Wellenleiterschichten 2 gegeben. Ein 100 nm dicker und 10 μm breiter
Heizstreifen 7, beispielsweise aus Gold oder Platin, ist auf der oberen Wellenleiterschicht 5 über die gesamte Länge des Lasers angeordnet. Die
Laserstruktur L ist von einer isolierenden, nur auf der Rippe geöffneten SiNx-
Schicht 6 bedeckt. Eine metallische Kontaktschicht 9, beispielsweise ausTi-Pt- Au, steht in direktem elektrischen Kontakt zu einer Halbleiter-Kontaktschicht 13, die die hppenförmig ausgebildete p-lnP-Schicht 8 (Laserrippe) bedeckt. Die metallische Kontaktschicht 9 bedeckt weite Teile der Laserstruktur, ist dort aber durch die SiNx-Schicht von den darunterliegenden Schichten 8, 5, 2 isoliert.
In Figur 9 ist die Laserstruktur L in der Draufsicht dargestellt. Im Bereich der aktiven Laserschicht 3, die mit der Kontaktschicht 9 versehen ist, ist der mit Kontakten versehene Heizstreifen 7 angeordnet. Zwischen Laser und Chipfacette 10 befindet sich eine Monitordiode 11 , die eine Reflexion zurück in den Laser verhindert und eine Leistungskontrolle des Lasers ermöglicht. Der passive Wellenleiter, bestehend aus an die Laserschichten angewachsenen quaternären Schichten und hier dargestellt seine Rippe 12, die zwecks verlustarmer Überkopplung ebenfalls 2,5 μm breit ist, sind Teil des unabhängigen passiven Koppelnetzwerkes und am anderen Ende der Laserstruktur L angeordnet.
Eine in Fig. 9 dargestellte Laserstruktur ist 400 μm lang. Die Breite der als Rippe ausgebildeten p-lnP-Wellenleiterschicht 8 beträgt 2,5 μm. Wird ein Laserarray entsprechend dieser Ausführungsform mit acht DFB- Rippenwellenleiterlasern, die in sechs unterschiedlichen Wellenlängen emittieren, realisiert, so ist seine Größe 3x3 mm2.

Claims

Patentansprüche
1. Monolithisch integriertes Laserarray für einen optischen Multiplex- Senderchip zur Erzeugung einer Serie aus 2n Werten einer für die Laseremissionen charakteristischen Variablen, die 2n Sendekanälen mit vorgebbaren Abständen entsprechen, wobei das Laserarray zur Auswahlabstimmung der sendefähigen Werteserie 2n+2 verschiedene Werte erzeugt, die in drei jeweils um einen Sendekanal versetzte Auswahl- Werteserien mit den fortlaufenden Werten 0 bis 2π-1 , 1 bis 2n und 2 bis 2n+1 aufteilbar sind, und mit einem die Laseremissionen auf zumindest einen optischen Chipausgang zusammenfassenden, von der Variablen unabhängigen passiven Koppelnetzwerk, dadurch gekennze ichnet, daß im Laserarray insgesamt 2n+1 Laser (0,1 ,2,2,3,3, , 2n-2,2n-2,2n-1 ,2n-
1 ,2n,2n+1 ) angeordnet sind, von denen die beiden Laser mit den Werten 0 und 2n in einem ersten Einzelpaar [0,2n], die beiden Laser mit den Werten 1 und 2n+1 in einem zweiten Einzelpaar [1 ,2"+1] und die Laser mit den restlichen Werten durch jeweilige Verdopplung als Doppelpaare [2,2]; [3,3];...;[2n-2,2n-2]; [2n-1 ,2n-1] zusammengefaßt sind, wobei alle Paare in beliebiger Reihenfolge einander benachbart im Laserarray anordenbar sind unter Einhaltung der Bedingung, daß die beiden Einzelpaare in der räumlichen Abfolge ...[2π,0]...[2n+l , 1]... oder deren Spiegelung ...[1 , 2n+1]...[0, 2n]... positioniert sind, und daß die Laseremissionen jeder der drei Auswahl-Werteserien (A, B, C) durch ein Netzwerk aus 3dB-Kopplem in n Koppelstufen durch Kopplung jeweils eines Ausganges mit einem dazu übernächsten Ausgang auf zumindest einen, nur der jeweiligen Werteserie zugeordneten optischen Chipausgang zusammengefaßt sind, wobei in der n-ten Koppelstufe die Emissionen zumindest einer der drei Werteserien entsprechend ihrer optischen Leitung in der (n-1 )-ten Koppelstufe unter Ausnutzung beider Ausgänge der entsprechenden Koppler zuammengefaßt sind.
2. Monolithisch integriertes Laserarray nach Anspruch 1 , dad u rch gekennzei chnet, da ß jede der drei Auswahl-Werteserien (A,B,C) durch ein Netzwerk aus 3dB- Kopplem mit zwei belegbaren Ausgängen auf maximal 2n 1 eigene, nur der jeweiligen Werteserie zugeordnete optische Chipausgänge zusammengefaßt ist.
3. Monolithisch integriertes Laserarray nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß jedes Laserpaar eine konstruktive Einheit aus zwei eng benachbarten Lasern bildet.
4. Monolithisch integriertes Laserarray nach Anspruch 3, dadurch geken nzeichnet, daß die Anzahl der Chipecken der Anzahl der Laserpaare entspricht und in jeder Chipecke ein Laserpaar angeordnet ist.
5. Monolithisch integriertes Laserarray nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadu rch gekennzei chnet, da ß die Variable der lasercharakteristischen Eigenschaft die Emissionswellenlänge ist und die vorgebbaren Kanalabstände konstant sind.
6. Monolithisch integriertes Laserarray nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, da ß die monolthische Integration auf InP erfolgt, die Emissionswellenlängen der als DFB-Laser ausgebildeten Laser im 1 ,3 μm- oder 1 ,55 μm-Bereich liegen und weitere Bauelemente zur Weiterverarbeitung der Laseremissionen auf dem Laserarray vorgesehen sind.
7. Monolithisch integriertes Laserarray nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß - die Laser (L) als Rippenwellenleiter-Laser ausgebildet sind,
- Mittel zur Kontrolle der Temperatur des Laserarrays und/oder zur thermischen Abstimmung der Laserwellenlänge der einzelnen Laser vorgesehen sind, - zwischen jedem einzelnen Laser (L) und der Chipfacette (10) eine Monitordiode (11 ) dicht hinter dem Laser (L) angeordnet ist,
- das unabhängige passive Koppelnetzwerk, das die einzelnen Laser mit dem Chipausgang verbindet, aus selektiv an die Laserschichten angewachsenen quatemären Schichten und darauf nach oben offenen Rippenwellenleitern und MMI-Kopplem als 3 dB-Koppelelementen besteht.
8. Monolithisch integriertes Laserarray nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der als Rippenwellenleiter-Laser ausgebildete Laser (L) als optisch verstärkendes Material in der aktiven Schicht (3) sechs oder acht SLMQW- Schichten aufweist.
9. Monolithisch integriertes Laserarray nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das optisch verstärkende Material in der aktiven Schicht (3) zwischen quatemären separaten (confinement) Laser-Wellenleiterschichten (4, 5) eingebettet ist.
10. Monolithisch integriertes Laserarray nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur thermischen Abstimmung der Laserwellenlänge der einzelnen Laser (L) als Heizelemente mit parallel zu den Laserstreifen angeordneten integrierten Schichtwiderständen (7) ausgebildet sind.
11. Monolithisch integriertes Laserarray nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zur Kontrolle der Temperatur des Laserarrays ein in der Mitte des Laserarrays integrierter Temperatursensor ist.
12. Monolithisch integriertes Laserarray nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, daß der Temperatursensor ein Platin-Schichtwiderstand ist.
13. Monolithisch integriertes Laserarray nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, daß der Temperatursensor eine elektrisch betriebene Laserdiode ist.
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