WO2006045632A1 - Dbr laser element with high order bragg grating and rib waveguide - Google Patents

Dbr laser element with high order bragg grating and rib waveguide Download PDF

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WO2006045632A1
WO2006045632A1 PCT/EP2005/011656 EP2005011656W WO2006045632A1 WO 2006045632 A1 WO2006045632 A1 WO 2006045632A1 EP 2005011656 W EP2005011656 W EP 2005011656W WO 2006045632 A1 WO2006045632 A1 WO 2006045632A1
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bragg grating
photoresist layer
optical element
rib
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PCT/EP2005/011656
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Götz ERBERT
Jörg Fricke
Hans Wenzel
Wilfried John
Reiner GÜTHER
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Forschungsverbund Berlin E.V.
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    • H01S5/22—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure

Definitions

  • the invention relates to an optical element having a planar vertical waveguide structure, on the surface of which a Bragg grating and a ridge waveguide are arranged, and to a method for the production thereof.
  • Bragg gratings are widely used in optoelectronic components such as lasers, laser amplifiers, filters and couplers. Bragg gratings are characterized by a periodic variation of the refractive index between two values H 1 and r? 2 along a spatial direction, whereby wavelength propagating in the Bragg grating wavelengths selectively reflected or coupled.
  • Bragg's grating An important characterizing feature of Bragg's grating is the so-called order m of the grating. This indicates how many half wavelengths form a grating period. Thus, for a 1st order grating, a period equals exactly half a wavelength, for a 2nd order grating a wavelength, etc. Therefore, the size of the grating period is proportional to the grating order.
  • Bragg grids can be produced in different ways.
  • One possibility is the deposition of a sufficient number of pairs of two materials with different refractive indices.
  • the deposition of dielectra can be done for example by CVD (Chemical Vapor Deposition) and is used for example for the production of dielectric mirrors.
  • encryption Bond semiconductors can be deposited, for example, with MBE (Molecular Beam Epitaxy) or MOVPE (Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy), which can be used to produce so-called Vertical Cavity Surface Emitting Laser (VCSEL) surface emitting lasers.
  • MBE Molecular Beam Epitaxy
  • MOVPE Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy
  • a corrugation which has a periodic structure in a spatial direction.
  • the use of holographic lithography, electron beam lithography or phase mask lithography is known.
  • the structuring is realized for example by etching with acids or reactive ions (RIE ⁇ : Reactive Ion Eching). If the surface thus structured is covered with a material having a different refractive index, the effective refractive index of light waves, which propagate parallel to the boundary surfaces of the layer sequence but perpendicular to the periodic structure, likewise changes periodically, and a Braggsches is again obtained grid.
  • the transition regions between the two refractive indices ni and n 2 viewed perpendicular to the surface of the planar vertical waveguide structure, form the so-called grating lines, which are often designed to be straight but also appropriately curved.
  • the boundary surface defining the grid between two media having different refractive indices is higher in a certain region of the grating period, namely farther away from the planar vertical waveguide structure. These areas are called webs or grid bars.
  • the propagation of the light waves parallel to the layers is enforced by depositing a layer sequence of materials with different refractive indices in such a way that a so-called waveguide is formed, in which the refractive index of the central Layers (so-called waveguide core) is larger than the layers bounding these layers (so-called waveguide cladding).
  • This principle of action is utilized, for example, in edge-emitting distributed feedback lasers (DFB lasers, DFB: Distrumped Feedback) or Bragg reflectors (DBR lasers, DBR: distributed Bragg reflector).
  • DFB lasers distributed feedback lasers
  • DBR lasers distributed Bragg reflector
  • a waveguide in the lateral direction in optoelectronic components is typically achieved by a so-called ridge waveguide.
  • the rib waveguide like the Bragg grating mentioned above, must be surrounded by a material having a refractive index which is different from the refractive indices of the materials constituting the rib waveguide.
  • This material may be, for example, a dielectric (eg air), a metal or a compound semiconductor.
  • the layers which form the waveguide cladding can be etched. It is known to carry out the definition of the rib waveguide by means of contact or projection lithography.
  • the structuring can be realized by etching with acids or reactive ions (RIE: Reactive Ion Eching). It is also known to also etch a part of the waveguide core or the optically active layer.
  • RIE reactive ions
  • a disadvantage of the known method according to the prior art is that for generating a Bragg grating with lateral waveguide (Rippen ⁇ waveguide) at predetermined requirements (Reflektiv ⁇ tusch) a variety of process steps is required, which is associated with a considerable cost and Zeit ⁇ effort walk.
  • the requirements for the Bragg grating (with rib waveguide) are determined by its application.
  • a Bragg grating (with a ridge waveguide) as part of a resonator for a semiconductor laser must in particular meet high reflectivity requirements.
  • a Bragg grating with ribbed waveguide arranged on a planar vertical waveguide structure is characterized by:
  • a photoresist layer structure on a substantially planar planar vertical waveguide structure, wherein the photoresist layer structure substantially corresponds to the structure of the Bragg grating and the ridge waveguide and is formed in the region of the Bragg grating substantially linear with a ridge width which is at least 70% of the distance corresponds to two adjacent lines, Etching the planar vertical waveguide structure with a photoresist layer structure arranged thereon and
  • a simultaneous structuring of Bragg grating and rib waveguide on the planar vertical waveguide structure can advantageously be achieved, as a result of which the number of process steps can be reduced.
  • it is provided to form the photoresist layer structure by applying a continuous photoresist layer to the planar vertical waveguide structure, exposing the continuous photoresist layer and developing the photoresist.
  • the structuring is then carried out preferably by means of a dry-chemical etching method, such as reactive ion etching or by means of chemically assisted ion beam etching (CAIBE: Chemical Assisted Ion Beam Etching).
  • CAIBE Chemical Assisted Ion Beam Etching
  • a rib waveguide can be carried out technologically favorable together with a grid of large grating period, the above-mentioned lack of too small grating reflectivity is eliminated.
  • Ausu a duty cycle greater than or equal to 0, 8 is selected.
  • a duty cycle is chosen greater than or equal to 0.9, which is advantageously accompanied by increased freedom in the design of grid and rib waveguide.
  • the extent of the Bragg grating parallel to the surface of the planar vertical waveguide structure and perpendicular to the grating lines is preferably at least 0.01 mm.
  • the necessary etching depth to achieve sufficient lateral waveguiding is typically 1000-2000 nm. This makes it possible to use Bragg gratings with an order m> 4, preferably Bragg gratings of FIG Order and order 7th order for semiconductor lasers in the visible or near infrared range.
  • a particular advantage of the simultaneous structuring, in addition to the saving of process steps, is that successive processing can be avoided, which generally leads to lithographically more complex problems since, according to previous technology, the subsequent production of ribbed fibers is no longer on perfectly planar surfaces.
  • the exposure of the photoresist layer takes place by means of projection lithography.
  • the smallest reproducibly definable spatial structure is approximately 400 nm. Therefore, with an i-line wafer stepper for light waves in the visible and near infrared range, only higher-order Bragg gratings (m> 3) can be produced become.
  • the etching depth typically has to be 1000-2000 nm and the duty factor must be greater than or equal to 0.9, so that a sufficiently high reflectivity of the Bragg grating is obtained.
  • the lithographic step of defining the continuous photoresist pattern has one or more exposures depending on the desired process variability. It is possible to define the rib waveguide and the Bragg grating in different exposure steps. Thus, for example, a mask with different ridge waveguide structures and another mask with Bragg gratings of different lengths and grating periods can be produced beforehand by means of electron beam lithography. The separation of the exposure of Rippenwellenleiter- and lattice structure later makes it very easy to adjust the grating period and the achievable by the variable grating length reflectivity to the respective requirements of the desired device. In addition, optimal exposure parameters for both structures can be selected separately so that, for example, the duty cycle of the grid can be varied. The order of exposure of the grating and ridge-waveguide part can be arbitrarily selected.
  • the photoresist layer structure is structured using the nano-printing method.
  • an adhesion-promoting or planarizing layer is first applied to the planar vertical waveguide structure to be structured.
  • a UV-curable acrylate-based monomer layer of low viscosity is applied in a further step.
  • a stamp into which the inverse structure has previously been incorporated with other high resolution techniques is pressed into the latter layer, whereby curing of the material occurs by simultaneous UV irradiation in the area of the stamp and permanently transfers the structures located in the stamp become.
  • the generated structure can be directly used as etch masking for the planarization layer and the corresponding planar vertical waveguide structure. It is characteristic that here too the structuring of Bragg grating and ribbed waveguide takes place simultaneously.
  • the Bragg grating is preferably arranged next to the rib waveguide or integrated into the rib waveguide.
  • the shape of the lines of the Bragg grating is preferably straight. However, it is also possible that these grid lines have curvatures.
  • the Bragg gratings can be arranged perpendicularly or obliquely with respect to the axis of the rib waveguide.
  • the grating period is preferably constant. Alternatively, however, it is possible to produce a Bragg grating with a variable grating period using some of the known lithographic methods or the nanoprinting method.
  • the optical element according to the invention can be used particularly advantageously for the production of lasers with Bragg gratings such as DFB and DBR lasers.
  • the optical element according to the invention can furthermore advantageously be used for passive waveguides. Further preferred embodiments of the invention will become apparent from the remaining, mentioned in the dependent claims characteristics.
  • FIG. 2 shows an optical element according to the invention as part of a
  • Fig. 3 shows an inventive optical element with a in the
  • Rib waveguide integrated Bragg grating in a schematic, perspective view
  • Fig. 4 shows an inventive optical element with an obliquely ange ⁇ arranged with respect to the longitudinal axis of the rib waveguide Bragg grating in plan view.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of the individual steps of the method according to the invention. It is initially assumed that a substantially planar planar vertical waveguide structure 1.
  • This planar vertical waveguide structure 1 can consist, for example, of n-type GaAs, on which an AIGaAs waveguide structure is epitaxially grown.
  • a photoresist layer 2 having a layer thickness of 650 nm is applied to the planar vertical waveguide structure 1 (FIG. 1 a).
  • the thickness of the photoresist layer 2 depends on its etch resistance. In principle, it should, because of the low focus depth of the projection exposure and in order to avoid too high an aspect ratio of the paint webs to be as thin as possible.
  • the photoresist: 2 is exposed in a wafer stepper which supports exposure wavelengths of 365 nm (i-line) or smaller, exposed in the region of the rib waveguide 6 to be formed and the Bragg grating 5 to be formed.
  • the subsequently developed photoresist structure 3 corresponds to the structure of the rib waveguide to be formed and of the lattice to be formed (FIG. 1b). Subsequently, the Bragg grating 5 and ridge waveguide 6 are patterned in one and the same etching step. ( Figure 1c). Thereafter, the Fotolack ⁇ structure 3 is removed (Fig. 1d), so that Bragg grating 5 and rib waveguide 6 are exposed.
  • Fig. 2 shows the use of an optical element according to the invention in a resonator of a DBR laser.
  • n-GaAs substrate 11 n-waveguide cladding layer 10 [240 nm n- alo . 53 Ga . 47 As], n-waveguide core layer 9 [250 nm n-Alo 5 Ga. 5 As], active zone 8 8nm InGaAs], p-type waveguide core layer 7 [p- Alo. 5 Gao .5 As, with 100nm GaAs contact layer], Bragg grating 5, and ridge waveguide 6) is a typical semiconductor laser structure designed as an edge emitter is.
  • the n-side waveguide cladding layer 10, the n-side waveguide cladding layer 9, the active zone as the quantum well, are applied to a GaAs wafer 11 by means of metalorganic vapor phase epitaxy (MOVPE) 8, the p-type waveguide core layer 7, the (unstructured) p-side waveguide cladding layer, which terminates with an (unstructured) highly doped p-GaAs contact layer.
  • MOVPE metalorganic vapor phase epitaxy
  • the photoresist is then developed.
  • the waveguide cladding layer is then patterned by means of reactive ion etching, the regions of the photoresist structure protecting the underlying waveguide cladding layer in such a way that Bragg gratings 5 and rib waveguides 6 are formed there (by merely removing the surrounding regions).
  • the etch depth is close to the waveguide core layer 7, or the waveguide core layer 7 is partially patterned; however, the active zone 8 of the laser is not etched. It is advantageous to choose a set of parameters for the dry chemical structuring which produces almost vertical etching flanks, although a slight slope may be favorable in order to produce a staggering duty cycle of at least 0.7, which is hardly feasible over a lithographic step. Calculations show that with a duty factor between 0.9 and 1 the coupling coefficient is maximized and the radiation losses are minimized.
  • the structure produced in this way (FIG. 2) can then be processed by conventional methods of semiconductor technology, such as the application of an insulator, the application of the p and n contact to a complete DBR laser.
  • the etch depth for grating 5 and ridge waveguide 6 is chosen so that the effective refractive index jump in the case of a pure ridge waveguide laser is optimal for a single-mode operation.
  • a part of the waveguide core layer can be etched or a part of the waveguide cladding layer can remain unetched.
  • etching process is carried out so that on the one hand the necessary etch depth is achieved and on the other hand it is also ensured that the proportion of the etched area at the bottom of the grid grooves per grating period is ⁇ 30%, in the exemplary embodiment ⁇ 10%.
  • Particularly suitable for this purpose are dry chemical etching processes such as reactive ion beam etching (RIE) or chemically assassiated ion beam etching (CAIBE: chemical assisted ion beam etching).
  • RIE reactive ion beam etching
  • CAIBE chemical assisted ion beam etching
  • a parameter set gas chemistry, pressure, power
  • wet-chemical etching processes for example with acids which have a good anisotropic etching behavior with respect to the crystal planes, or a combination of wet and dry chemical processes, is conceivable.
  • Preferred grating periods ⁇ are in the range of 600 nm and 1500 nm, particularly preferably in the range of 750 nm to 1100 nm.
  • the Bragg grating 5 is formed on the lateral flanks of the rib waveguide 6.
  • the Bragg grating 5 may in principle extend along the entire Rippenwellen ⁇ conductor 6 or be limited to a part. Alternatively, it is possible for the Bragg grating 5 to be arranged next to the rib waveguide 6.
  • the flank angles of the gratings are dependent on the desired etch depth and the adjustable lacquer duty cycle. They are preferably in a range of O 0 - 30 °, more preferably between 4-20 ° with respect to the vertical.
  • FIG. 4 shows an optical element according to the invention with a Bragg grating 5 arranged obliquely with respect to the longitudinal axis of the rib waveguide 6 in plan view.
  • the Bragg grating 5 is arranged laterally of the rib waveguide 6.
  • the grid lines may be arranged at any angle to the propagation direction of the incident wave. In particular, they can run at angles ⁇ with ⁇ ⁇ 90 ° relative to the resonator axis, which can be exploited via multiple Bragg reflections for lateral and longitudinal mode filtering.
  • Preferred intervals are 90-0 °, more preferably 88-70 ° and 20-2 °.

Abstract

An optical element is disclosed having a planar vertical waveguide structure (1) on the surface of which are arranged a Bragg grating (5) and a rib waveguide (6), as well as a process for producing the same. The object of the present invention is to provide an optical element having a Bragg grating (5) and a rib waveguide (6) which can be produced faster and more economically than in the prior art, while continuing to satisfy predetermined optical requirements. For that purpose, a photoresist layer structure (3) which substantially corresponds to the structure of the Bragg grating (5) and rib waveguide (6) is formed on the substantially planar and even vertical waveguide structure (1), the photoresist layer structure (3) extending linearly in the region of the Bragg grating (5) with a width which corresponds to at least 70 % of the distance between two adjacent lines. The planar vertical waveguide structure (1) with the overlying photoresist layer structure (3) is then etched and the photoresist layer structure (3) is removed from the planar vertical waveguide structure (1).

Description

Optisches Element und Verfahren zu dessen Herstellung Optical element and method for its production
Beschreibungdescription
Die Erfindung betrifft ein optisches Element mit einer planaren vertikalen Wellenleiterstruktur, auf deren Oberfläche ein Braggsches Gitter und ein Rippenwellenleiter angeordnet sind sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.The invention relates to an optical element having a planar vertical waveguide structure, on the surface of which a Bragg grating and a ridge waveguide are arranged, and to a method for the production thereof.
Braggsche Gitter finden breite Anwendung in optoelektronischen Bau¬ elementen wie Laser, Laserverstärker, Filter und Koppler. Braggsche Gitter sind gekennzeichnet durch eine periodische Variation der Brechzahl zwischen zwei Werten H1 und r?2 entlang einer Raumrichtung, wodurch sich im Bragg- Gitter ausbreitende Lichtwellen wellen längen-selektiv reflektiert oder gekoppelt werden.Bragg gratings are widely used in optoelectronic components such as lasers, laser amplifiers, filters and couplers. Bragg gratings are characterized by a periodic variation of the refractive index between two values H 1 and r? 2 along a spatial direction, whereby wavelength propagating in the Bragg grating wavelengths selectively reflected or coupled.
Ein wichtiges Charakterisierungsmerkmal Braggscher Gitter ist die so¬ genannte Ordnung m des Gitters. Diese gibt an, wie viel halbe Wellenlängen eine Gitterperiode bilden. So entspricht bei einem Gitter 1. Ordnung eine Periode genau einer halben Wellenlänge, bei einem Gitter 2. Ordnung einer Wellenlänge usw. Daher ist die Größe der Gitterperiode proportional zur Gitterordnung. Die Reflektivität eines Braggschen Gitters nimmt mit der Ordnung des Gitters ab. Daher werden in Halbleiterlasern typischerweise Gitter mit maximal m=4 verwendet [J. Wiedmann et al., Electron. Lett. 37, 831 (2001)].An important characterizing feature of Bragg's grating is the so-called order m of the grating. This indicates how many half wavelengths form a grating period. Thus, for a 1st order grating, a period equals exactly half a wavelength, for a 2nd order grating a wavelength, etc. Therefore, the size of the grating period is proportional to the grating order. The reflectivity of a Bragg grating decreases with the order of the grating. Therefore, grids with a maximum of m = 4 are typically used in semiconductor lasers [J. Wiedmann et al., Electron. Lett. 37, 831 (2001)].
Braggsche Gitter lassen sich auf unterschiedliche Arten herstellen. Eine Möglichkeit ist die Abscheidung einer hinreichenden Anzahl von Paaren zweier Materialen mit unterschiedlichen Brechzahlen. Die Abscheidung von Dielektra kann z.B. durch CVD (Chemical Vapour Deposition) erfolgen und wird beispielsweise zur Herstellung dielektrischer Spiegel verwendet. Ver- bindungshalbleiter können z.B. mit MBE (Molecula r Beam Epitaxie) oder MOVPE (Metall-Organic Vapour Phase Epitaxie) abgeschieden werden, was zur Herstellung von sogenannten oberflächenemittierenden Lasern mit vertikalem Resonator (VCSEL: Vertical Cavity Surface Emitting Laser) genutzt werden kann.Bragg grids can be produced in different ways. One possibility is the deposition of a sufficient number of pairs of two materials with different refractive indices. The deposition of dielectra can be done for example by CVD (Chemical Vapor Deposition) and is used for example for the production of dielectric mirrors. encryption Bond semiconductors can be deposited, for example, with MBE (Molecular Beam Epitaxy) or MOVPE (Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy), which can be used to produce so-called Vertical Cavity Surface Emitting Laser (VCSEL) surface emitting lasers.
Eine weitere Möglichkeit zur Herstellung eines Braggschen Gitters in einem planaren Wellenleiter besteht darin, in der Oberfläche einer Schichtenfolge von Materialien mit unterschiedlichen Brechzahlen mit unterschiedlichen Verfahren eine Korrugation zu definieren, die in einer Raumrichtung eine periodische Struktur aufweist. Zur Definition des Braggschen Gitters ist die Verwendung von holografischer Lithografie, Elektronenstrahl-Lithografie oder Phasenmasken-Lithografie bekannt. Die Strukturierung wird beispielsweise durch Ätzung mit Säuren oder reaktiven Ionen (RIEΞ: Reactive Ion Eching) realisiert. Wird die so strukturierte Oberfläche mit einem Material mit einer anderen Brechzahl bedeckt, so ändert sich die effektive Brechzahl von Licht¬ wellen, welche sich parallel zu den Grenzflächen der Schichtenfolge, aber senkrecht zu der periodischen Struktur ausbreiten, ebenfalls periodisch und man erhält wiederum ein Braggsches Gitter.Another possibility for producing a Bragg grating in a planar waveguide is to define in the surface of a layer sequence of materials with different refractive indices with different methods a corrugation which has a periodic structure in a spatial direction. For the definition of the Bragg grating, the use of holographic lithography, electron beam lithography or phase mask lithography is known. The structuring is realized for example by etching with acids or reactive ions (RIEΞ: Reactive Ion Eching). If the surface thus structured is covered with a material having a different refractive index, the effective refractive index of light waves, which propagate parallel to the boundary surfaces of the layer sequence but perpendicular to the periodic structure, likewise changes periodically, and a Braggsches is again obtained grid.
Die Übergangsbereiche zwischen den beiden Brechzahlen ni und n2 bilden, senkrecht zur Oberfläche der planaren vertikalen Wellenleiterstruktur gesehen, die sogenannten Gitterlinien, die oft gerade, aber auch zweckmäßig gekrümmt gestaltet sind. Im Querschnitt senkrecht zu den Gitterlinien ist die das Gitter definierende Grenzfläche zwischen zwei Medien mit unter¬ schiedlicher Brechzahl in einem bestimmten Bereich der Gitterperiode höher gelegen, nämlich weiter entfernt von der planaren vertikalen Wellen¬ leiterstruktur. Diese Bereiche werden als Stege oder Gitterstege bezeichnet. Die Ausbreitung der Lichtwellen parallel zu den Schichten (vertikale Wellen¬ führung) wird dadurch erzwungen, dass eine Schichtenfolge von Materialien mit unterschiedlichen Brechzahlen so abgeschieden wird, dass ein so¬ genannter Wellenleiter gebildet wird, bei dem die Brechzahl der zentralen Schichten (sogenannter Wellenleiterkern) größer ist als die diese Schichten begrenzenden Schichten (sogenannter Wellenleitermantel). Dieses Wirkungs¬ prinzip wird z.B. in kantenemittierenden Lasern mit verteilter Rückkopplung (DFB-Laser, DFB: Distrubuted Feedback) oder Braggschen Reflektoren (DBR-Laser, DBR: Distributed Bragg Reflektor) ausgenutzt. In einem kanten¬ emittierenden Halbleiterlaser bildet die optisch aktive Halbleiterschicht allein oder in Kombination mit angrenzenden Halbleiterschichten den Wellenleiter. Aus DE 3936694 A1 ist es bekannt, die als Braggsches Gitter dienende Korrugation in einem Halbleiterlaser z.B. in den Wellenleiter zu integrieren. Dies erfordert jedoch eine sogenannte Mehrfachepitaxie, welche technologisch kompliziert zur beherrschen ist.The transition regions between the two refractive indices ni and n 2 , viewed perpendicular to the surface of the planar vertical waveguide structure, form the so-called grating lines, which are often designed to be straight but also appropriately curved. In cross-section perpendicular to the grid lines, the boundary surface defining the grid between two media having different refractive indices is higher in a certain region of the grating period, namely farther away from the planar vertical waveguide structure. These areas are called webs or grid bars. The propagation of the light waves parallel to the layers (vertical waveguide) is enforced by depositing a layer sequence of materials with different refractive indices in such a way that a so-called waveguide is formed, in which the refractive index of the central Layers (so-called waveguide core) is larger than the layers bounding these layers (so-called waveguide cladding). This principle of action is utilized, for example, in edge-emitting distributed feedback lasers (DFB lasers, DFB: Distrubuted Feedback) or Bragg reflectors (DBR lasers, DBR: distributed Bragg reflector). In an edge-emitting semiconductor laser, the optically active semiconductor layer alone or in combination with adjacent semiconductor layers forms the waveguide. It is known from DE 3936694 A1 to integrate the corrugation serving as a Bragg grating in a semiconductor laser, for example, into the waveguide. However, this requires a so-called multiple epitaxy, which is technologically complicated to master.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, eine Korrugation von der Oberfläche her in den Wellenleiter zu ätzen [R.M. Lammert et al., IEEE Photon. Techn. Lett. 9, 149, (1997)]. Dies vermeidet die Notwendigkeit der Mehrfachepitaxie.Another possibility is to etch a corrugation from the surface into the waveguide [R.M. Lammert et al., IEEE Photon. Techn. Lett. 9, 149, (1997)]. This avoids the need for multiple epitaxy.
Im Unterschied zur oben beschriebenen vertikalen Wellenführung wird eine Wellenführung in lateraler Richtung in optoelektronischen Bauelementen typischerweise durch einen sogenannten Rippenwellenleiter erzielt. Der Rippenwellenleiter muss ebenso wie das obengenannte Bragg-Gitter von einem Material mit einer Brechzahl umgeben werden, welche untersch iedlich von den Brechzahlen der Materialien ist, aus denen der Rippenwellenleiter aufgebaut ist. Dieses Material kann z.B. ein Dielektrikum (z.B. Luft), ein Metall oder ein Verbindungshalbleiter sein. Zur Herstellung eines Rippenwellenleiters können z.B. die Schichten, die den Wellenleitermantel bilden, geätzt werden. Dabei ist es bekannt, die Definition des Rippenwellenleiters mittels Kontakt¬ oder Projektionslithografie vorzunehmen. Die Strukturierung kann durch Ätzung mit Säuren oder reaktiven Ionen (RIE: Reactive Ion Eching) realisiert werden. Es ist weiterhin bekannt, auch einen Teil des Wellenleiterkerns oder die optisch aktive Schicht zu ätzen. Nachteilig an den bekannten Verfahren nach dem Stand der Technik ist, dass zur Erzeugung eines Braggschen Gitters mit lateraler Wellenführung (Rippen¬ wellenleiter) bei vorgegebenen Anforderungen (Reflektivϊtät) eine Vielzahl von Prozessschritten benötigt wird, die mit einem erheblichen Kosten- und Zeit¬ aufwand einher gehen. Die Anforderungen an das Braggsche Gitter (mit Rippenwellenleiter) werden durch seine Applikation bestimmt. So muss eine Braggsches Gitter (mit Rippenwellenleiter) als Teil eines Resonators für einen Halbleiterlaser insbesondere hohen Anforderungen an die Reflektivität genügen.In contrast to the vertical waveguide described above, a waveguide in the lateral direction in optoelectronic components is typically achieved by a so-called ridge waveguide. The rib waveguide, like the Bragg grating mentioned above, must be surrounded by a material having a refractive index which is different from the refractive indices of the materials constituting the rib waveguide. This material may be, for example, a dielectric (eg air), a metal or a compound semiconductor. To produce a rib waveguide, for example, the layers which form the waveguide cladding can be etched. It is known to carry out the definition of the rib waveguide by means of contact or projection lithography. The structuring can be realized by etching with acids or reactive ions (RIE: Reactive Ion Eching). It is also known to also etch a part of the waveguide core or the optically active layer. A disadvantage of the known method according to the prior art is that for generating a Bragg grating with lateral waveguide (Rippen¬ waveguide) at predetermined requirements (Reflektivϊtät) a variety of process steps is required, which is associated with a considerable cost and Zeit¬ effort walk. The requirements for the Bragg grating (with rib waveguide) are determined by its application. Thus, a Bragg grating (with a ridge waveguide) as part of a resonator for a semiconductor laser must in particular meet high reflectivity requirements.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein optisches Element (mit Braggschem Gitter mit Rippenwellenleiter) anzugeben, welches bei vorge¬ gebenen optischen Anforderungen kostengünstiger und schneller als nach dem Stand der Technik herstellbar ist. Weiterhin soll ein Verfahren zur Herstellung eines Braggschen Gitters mit Rippenwellenleiter angegeben werden, welches gegenüber den bekannten Verfahren kostengünstiger ist. Weiterhin soll die Reproduzierbarkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber dem Stand der Technik erhöht sein.It is therefore an object of the present invention to provide an optical element (with a Bragg grating with a rib waveguide), which can be produced cost-effectively and faster than the state of the art for given optical requirements. Furthermore, a method for producing a Bragg grating with rib waveguide is to be specified, which is less expensive than the known methods. Furthermore, the reproducibility of the method according to the invention over the prior art should be increased.
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 (Verfahrensanspruch) und des Anspruchs 15 (Sachanspruch) gelöst.These objects are achieved by the features of claim 1 (method claim) and claim 15 (claim).
Erfindungsgemäß wird ein auf einer planaren vertikalen Wellenleiterstruktur angeordnetes Braggsches Gitter mit Rippenwellenleiter durch:According to the invention, a Bragg grating with ribbed waveguide arranged on a planar vertical waveguide structure is characterized by:
- Ausbilden einer Fotolackschichtstruktur auf einer im Wesentlichen ebenen planaren vertikalen Wellenleiterstruktur, wobei die Fotolack¬ schichtstruktur im Wesentlichen der Struktur des Braggschen Gitters und des Rippenwellenleiters entspricht und im Bereich des Braggschen Gitters im Wesentlichen linienförmig mit einer Stegbreite ausgebildet wird, die mindestens 70 % des Abstandes zweier benachbarter Linien entspricht, - Ätzen der planaren vertikalen Wellenleiterstruktur mit darauf ange¬ ordneter Fotolackschichtstruktur undForming a photoresist layer structure on a substantially planar planar vertical waveguide structure, wherein the photoresist layer structure substantially corresponds to the structure of the Bragg grating and the ridge waveguide and is formed in the region of the Bragg grating substantially linear with a ridge width which is at least 70% of the distance corresponds to two adjacent lines, Etching the planar vertical waveguide structure with a photoresist layer structure arranged thereon and
- Ablösen der Fotolackschichtstruktur von der planaren vertikalen Wellenleiterstruktur hergestellt.Detachment of the photoresist layer structure from the planar vertical waveguide structure.
Hierdurch kann vorteilhafterweise eine gleichzeitige Strukturierung von Braggschem Gitter und Rippenwellenleiter auf der planaren vertikalen Wellen¬ leiterstruktur erreicht werden, wodurch die Anzahl der Prozessschritte ver¬ ringert werden kann. So ist es in einer bevorzugten Ausführungsvariante vor¬ gesehen, die Fotolackschichtstruktur durch Aufbringen einer kontinuierlichen Fotolackschicht auf der planaren vertikalen Wellenleiterstruktur, Belichten der kontinuierlichen Fotolackschicht und Entwickeln des Fotolacks auszubilden. Die Strukturierung erfolgt danach vorzugsweise mittels trockenchemischem Ätzverfahren, wie reaktiver lonenätzung oder mittels chemischi assistierter lonenstrahlätzung (CAIBE: Chemical Assisted Ion Beam Etchi ng). Durch diesen Strukturierungsschritt können vorteilhafterweise Braggsches Gitter und Rippenwellenleiter gleichzeitig ausgebildet werden.As a result, a simultaneous structuring of Bragg grating and rib waveguide on the planar vertical waveguide structure can advantageously be achieved, as a result of which the number of process steps can be reduced. Thus, in a preferred embodiment it is provided to form the photoresist layer structure by applying a continuous photoresist layer to the planar vertical waveguide structure, exposing the continuous photoresist layer and developing the photoresist. The structuring is then carried out preferably by means of a dry-chemical etching method, such as reactive ion etching or by means of chemically assisted ion beam etching (CAIBE: Chemical Assisted Ion Beam Etching). By means of this structuring step, Bragg grating and rib waveguide can advantageously be formed simultaneously.
Bisherige Design- und Technologie-Regeln für die Kombination aus Rippen¬ wellenleiter und Bragg-Gitter gingen davon aus, dass zum Rippenwellenleiter ein Gitter niedriger Ordnung m<4 mit einer sehr kleinen Gitterperiode von typischerweise 200 nm kombiniert werden muß, um eine ausreichend hohe Reflektivität durch das Braggsche Gitter zu gewährleisten. Da die räumliche Dimension des Rippenwellenleiters mehr als 1000 nm beträgt, wurde bisher davon ausgegangen, dass eine gleichzeitige Strukturierung von Braggschen Gitter und Rippenwellenleiter wegen der sehr hohen Anforderungen an die Ätzmaske bezüglich Auflösung und Ätzstabilität nicht möglich ist. Schließlich wäre zu erwarten, dass eine gleichzeitige Ausbildung von Gitter und Rippen¬ wellenleiter zu einer zu großen Gitterperiode und damit zu einer zu geringen Reflektivität der Gitterstruktur, beispielsweise zur Verwendung des Gitters in einem Resonator eines Halbleiterlasers, führen würde. Es wurde jedoch gefunden, dass eine ausreichende Reflektivität des Gitters bei gleichzeitiger Strukturierung von Gitter und Rippenwellenleiter dann er¬ reicht werden kann, wenn das Tastverhältnis, nämlich das Verhältnis aus Stegbreite und Gitterperiode, größer oder gleich 0,7 gewählt wird und die Gitterstruktur eine ausreichende Ausdehnung von mindestens 0,001 mm senkrecht zu den Gitterlinien aufweist. Damit kann die Herstellung eines Rippenwellenleiters technologisch günstig zusammen mit einem Gitter großer Gitterperiode erfolgen, wobei der oben erwähnte Mangel der zu kleinen Gitter- Reflektivität beseitigt ist. In einer bevorzugten Ausfüh rungsvariante der Erfindung wird ein Tastverhältnis größer oder gleich 0, 8 gewählt. In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung wird ein Tastver¬ hältnis größer oder gleich 0,9 gewählt, was vorteilhafterweise mit erhöhten Freiheiten beim Design von Gitter und Rippenwellenleiter einher geht.Previous design and technology rules for the combination of Rippen¬ waveguide and Bragg grating assumed that the ridge waveguide, a lattice low order m <4 with a very small grating period of typically 200 nm must be combined to a sufficiently high reflectivity to ensure through the Bragg grid. Since the spatial dimension of the rib waveguide is more than 1000 nm, it has hitherto been assumed that a simultaneous structuring of Bragg grating and rib waveguide is not possible because of the very high demands on the etching mask with regard to resolution and etching stability. Finally, it would be expected that a simultaneous formation of gratings and rib waveguides would lead to an excessively large grating period and thus to a too low reflectivity of the grating structure, for example for the use of the grating in a resonator of a semiconductor laser. However, it has been found that a sufficient reflectivity of the grating with simultaneous structuring of grating and rib waveguide can be achieved if the duty cycle, namely the ratio of web width and grating period, is chosen to be greater than or equal to 0.7 and the grating structure has a sufficient Has an extension of at least 0.001 mm perpendicular to the grid lines. Thus, the production of a rib waveguide can be carried out technologically favorable together with a grid of large grating period, the above-mentioned lack of too small grating reflectivity is eliminated. In a preferred embodiment of the invention Ausfüh a duty cycle greater than or equal to 0, 8 is selected. In a particularly preferred embodiment of the invention, a duty cycle is chosen greater than or equal to 0.9, which is advantageously accompanied by increased freedom in the design of grid and rib waveguide.
Die Ausdehnung des Braggschen Gitters parallel zur Oberfläche der planaren vertikalen Wellenleiterstruktur und senkrecht zu den Gitterlinien beträgt vor¬ zugsweise mindestens 0,01 mm. Bei einem Rippenwellenleiterlaser (RW- Laser, RW: Ridge Waveguide) beträgt die notwendig Ätztiefe zur Erzielung einer hinreichenden lateralen Wellenführung typischerweise 1000 - 2000 nm. Hierdurch wird es möglich, Braggsche Gitter mit einer Ordnung m>4, vorzugs¬ weise Braggsche Gitter der 6. Ordnung und 7. Ordnung für Halbleiterlaser im sichtbaren Bereich oder im nahen Infrarotbereich zu x/erwenden.The extent of the Bragg grating parallel to the surface of the planar vertical waveguide structure and perpendicular to the grating lines is preferably at least 0.01 mm. In the case of a ridge waveguide laser (RW laser, RW: ridge waveguide), the necessary etching depth to achieve sufficient lateral waveguiding is typically 1000-2000 nm. This makes it possible to use Bragg gratings with an order m> 4, preferably Bragg gratings of FIG Order and order 7th order for semiconductor lasers in the visible or near infrared range.
Ein besonderer Vorteil der gleichzeitigen Strukturierung besteht neben der Einsparung von Prozessschritten darin, dass eine aufeinanderfolgende Prozessierung vermieden werden kann, die im Allgemeinen zu lithografisch komplexeren Problemen führt, da nach bisheriger Technologie beispielsweise die der Rippenwellenleiterherstellung nachfolgende Gitterherstellung nicht mehr auf vollkommen planaren Oberflächen erfolgt. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Belichten der Fotolackschicht mittels Projektions¬ lithografie. Beim Einsatz eines i-line-Wafersteppers beträgt die kleinste reproduzierbar definierbare räumliche Struktur zirka 400 nm. Daher können mit einem i-line-Waferstepper für Lichtwellen im sichtbaren und nahen Infrarot-Bereich lediglich Braggsche Gitter höherer Ordnung (m > 3) herge¬ stellt werden. Um eine ausreichende Reflektivität zu erhalten, muss die Ätztiefe typischerweise 1000 - 2000 nm und das Tastverhältnis größer gleich 0.9 betragen, damit eine hinreichend große Reflektivität des Braggschen Gitters erhalten wird.A particular advantage of the simultaneous structuring, in addition to the saving of process steps, is that successive processing can be avoided, which generally leads to lithographically more complex problems since, according to previous technology, the subsequent production of ribbed fibers is no longer on perfectly planar surfaces. In a further preferred embodiment of the method according to the invention, the exposure of the photoresist layer takes place by means of projection lithography. When using an i-line wafer stepper, the smallest reproducibly definable spatial structure is approximately 400 nm. Therefore, with an i-line wafer stepper for light waves in the visible and near infrared range, only higher-order Bragg gratings (m> 3) can be produced become. In order to obtain a sufficient reflectivity, the etching depth typically has to be 1000-2000 nm and the duty factor must be greater than or equal to 0.9, so that a sufficiently high reflectivity of the Bragg grating is obtained.
Der lithografische Schritt zur Definition der kontinuierlichen Fotolackstruktur weist eine oder je nach gewünschter Prozess-Variabilität mehrere Belichtungen auf. Dabei ist es möglich, den Rippenwellenleiter und das Braggsche Gitter in unterschiedlichen Belichtungsschritten zu definieren. So kann beispielsweise vorher eine Maske mit verschiedenen Rippenwellenleiter- strukturen und eine weitere Maske mit Bragg-Gittern verschiedener Längen und Gitterperioden mittels Elektronenstrahlithografie hergestellt werden. Die Trennung der Belichtung von Rippenwellenleiter- und Gitterstruktur erlaubt es später sehr einfach, die Gitterperiode und die durch die variable Gitterlänge erzielbare Reflektivität den jeweiligen Erfordernissen des gewünschten Bauelementes anzupassen. Außerdem lassen sich optimale Belichtungs¬ parameter für beide Strukturen getrennt wählen, so dass beispielsweise das Tastverhältnis des Gitters variiert werden kann. Die Reihenfolge der Belichtung von Gitter und Rippenwellenleiter-Teil kann beliebig gewählt werden.The lithographic step of defining the continuous photoresist pattern has one or more exposures depending on the desired process variability. It is possible to define the rib waveguide and the Bragg grating in different exposure steps. Thus, for example, a mask with different ridge waveguide structures and another mask with Bragg gratings of different lengths and grating periods can be produced beforehand by means of electron beam lithography. The separation of the exposure of Rippenwellenleiter- and lattice structure later makes it very easy to adjust the grating period and the achievable by the variable grating length reflectivity to the respective requirements of the desired device. In addition, optimal exposure parameters for both structures can be selected separately so that, for example, the duty cycle of the grid can be varied. The order of exposure of the grating and ridge-waveguide part can be arbitrarily selected.
In einer weiteren Variante können auch unterschiedliche Lithografieverfahren in verschiedenen Belichtungen kombiniert werden. In einer alternativen, bevorzugten Ausführungsvariante des erfindungs¬ gemäßen Verfahrens wird die Fotolackschichtstruktur unter Verwendung des Nano-Druckverfahrens strukturiert. Bei diesem Verfahren wird zuerst auf die zu strukturierende planare vertikale Wellenleiterstruktur ein Haftvermittlungs¬ bzw. Planarisierungsschicht aufgebracht. Auf diese Schicht wird in einem weiteren Schritt eine durch UV-Licht aushärtbare auf Acrylaten basierende Monomerschicht geringer Viskosität aufgebracht. Ein Stempel, in den vorher mit anderen eine hohe Auflösung ermöglichende Verfahren die inverse Struktur eingearbeitet wurde, wird in letztere Schicht gedrückt, wobei es durch gleichzeitige UV-Bestrahlung im Bereich des Stempels zu einer Aushärtung des Materials kommt und die im Stempel befindlichen Strukturen dauerhaft übertragen werden. Nach Entfernung des Stempels kann die erzeugte Struktur direkt als Ätzmaskierung für die Planarisierungsschicht und die entsprechende planare vertikale Wellenleiterstruktur verwendet werden. Kennzeichnend ist, dass auch hier die Strukturierung von Braggschem Gitter und Rippenwellenleiter gleichzeitig erfolgt.In a further variant, different lithography methods can be combined in different exposures. In an alternative, preferred embodiment variant of the method according to the invention, the photoresist layer structure is structured using the nano-printing method. In this method, an adhesion-promoting or planarizing layer is first applied to the planar vertical waveguide structure to be structured. In this step, a UV-curable acrylate-based monomer layer of low viscosity is applied in a further step. A stamp into which the inverse structure has previously been incorporated with other high resolution techniques is pressed into the latter layer, whereby curing of the material occurs by simultaneous UV irradiation in the area of the stamp and permanently transfers the structures located in the stamp become. After removal of the stamp, the generated structure can be directly used as etch masking for the planarization layer and the corresponding planar vertical waveguide structure. It is characteristic that here too the structuring of Bragg grating and ribbed waveguide takes place simultaneously.
Vorzugsweise wird das Braggsche Gitter neben dem Rippenwellenleiter ange¬ ordnet oder in den Rippenwellenleiter integriert. Die Form der Linien des Braggschen Gitters ist vorzugsweise gerade. Es ist jedoch auch möglich, dass diese Gitterlinien Krümmungen aufweisen. Die Braggschen Gitter können senkrecht oder schräg in bezug auf die Achse des Rippenwellenleiters ange¬ ordnet werden. Die Gitterperiode ist vorzugsweise konstant. Alternativ ist es jedoch möglich, mit einigen der bekannten lithographischen Verfahren, bzw. dem Nanodruckverfahren ein Braggsches Gitter mit veränderlicher Gitter¬ periode herzustellen.The Bragg grating is preferably arranged next to the rib waveguide or integrated into the rib waveguide. The shape of the lines of the Bragg grating is preferably straight. However, it is also possible that these grid lines have curvatures. The Bragg gratings can be arranged perpendicularly or obliquely with respect to the axis of the rib waveguide. The grating period is preferably constant. Alternatively, however, it is possible to produce a Bragg grating with a variable grating period using some of the known lithographic methods or the nanoprinting method.
Das erfindungsgemäße optische Element kann insbesondere vorteilhaft zur Herstellung von Lasern mit Braggschen Gittern wie DFB- und DBR-Lasern verwendet werden. Das erfindungsgemäße optische Element kann weiterhin vorteilhaft für passive Wellenleiter verwendet werden. Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen , in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.The optical element according to the invention can be used particularly advantageously for the production of lasers with Bragg gratings such as DFB and DBR lasers. The optical element according to the invention can furthermore advantageously be used for passive waveguides. Further preferred embodiments of the invention will become apparent from the remaining, mentioned in the dependent claims characteristics.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausfü hrungsbeispielen näher erläutert.The invention will be explained in more detail below with reference to exemplary embodiments.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 eine schematische Darstellung der einzelnen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens,1 is a schematic representation of the individual steps of the method according to the invention,
Fig. 2: ein erfindungsgemäßes optisches Element als Teil eines2 shows an optical element according to the invention as part of a
Resonators eines Halbleiterlasers in schematischer, perspektivischer Darstellung,Resonator of a semiconductor laser in a schematic, perspective view,
Fig. 3 ein erfindungsgemäßes optisches Element mit einem in denFig. 3 shows an inventive optical element with a in the
Rippenwellenleiter integrierten Braggschen Gitter in schematischer, perspektivischer Darstellung undRib waveguide integrated Bragg grating in a schematic, perspective view and
Fig. 4 ein erfindungsgemäßes optisches Element mit einem in Bezug auf die Längsachse des Rippenwellen leiters schräg ange¬ ordneten Braggschen Gitter in Draufsicht.Fig. 4 shows an inventive optical element with an obliquely ange¬ arranged with respect to the longitudinal axis of the rib waveguide Bragg grating in plan view.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung der einzelnen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens. Es wird zunächst von einer im Wesentlichen ebenen planaren vertikalen Wellenleiterstruktur 1 ausgegangen. Diese planare vertikale Wellenleiterstruktur 1 kann zum Beispiel aus n-leitendem GaAs bestehen, auf das epitaktisch eine AIGaAs-Wellenleiterstruktur aufge¬ wachsen wird. Auf die planare vertikale Wellenleiterstruktur 1 wird eine Foto¬ lackschicht 2 mit einer Schichtdicke von 650nm aufgebracht (Fig. 1a). Die Dicke der Fotolackschicht 2 hängt von deren Ätzbeständigkeit ab. Grund¬ sätzlich sollte sie wegen der geringen Fokustiefe der Projektionsbelichtung und um ein zu hohes Aspektverhältnis der Lackstege zu vermeiden möglichst dünn gewählt werden.Fig. 1 shows a schematic representation of the individual steps of the method according to the invention. It is initially assumed that a substantially planar planar vertical waveguide structure 1. This planar vertical waveguide structure 1 can consist, for example, of n-type GaAs, on which an AIGaAs waveguide structure is epitaxially grown. A photoresist layer 2 having a layer thickness of 650 nm is applied to the planar vertical waveguide structure 1 (FIG. 1 a). The thickness of the photoresist layer 2 depends on its etch resistance. In principle, it should, because of the low focus depth of the projection exposure and in order to avoid too high an aspect ratio of the paint webs to be as thin as possible.
In einem nachfolgenden Schritt wird der Fotolack: 2 in einem Waferstepper, der Belichtungswellenlängen von 365nm (i-Linie) oder kleiner unterstützt, im Bereich des auszubildenden Rippenwellenleiters 6 und des auszubildenden Braggschen Gitters 5 belichtet.In a subsequent step, the photoresist: 2 is exposed in a wafer stepper which supports exposure wavelengths of 365 nm (i-line) or smaller, exposed in the region of the rib waveguide 6 to be formed and the Bragg grating 5 to be formed.
Die nachfolgend entwickelte Fotolackstruktur 3 entspricht der Struktur des auszubildenden Rippenwellenleiter sowie des auszubildenden Gitters (Fig. 1b). Nachfolgend werden das Bragg-Gitter 5 und Rippenwellenleiter 6 in ein und demselben Ätzschritt strukturiert. (Fig. 1c). Danach wird die Fotolack¬ struktur 3 entfernt (Fig. 1d), so dass Bragg-Gitter 5 und Rippenwellenleiter 6 frei liegen.The subsequently developed photoresist structure 3 corresponds to the structure of the rib waveguide to be formed and of the lattice to be formed (FIG. 1b). Subsequently, the Bragg grating 5 and ridge waveguide 6 are patterned in one and the same etching step. (Figure 1c). Thereafter, the Fotolack¬ structure 3 is removed (Fig. 1d), so that Bragg grating 5 and rib waveguide 6 are exposed.
Fig. 2 zeigt die Verwendung eines erfindungsgemäßen optischen Elements in einem Resonator eines DBR-Lasers. Bei der verwendeten Struktur (n-GaAs- Substrat 11 , n-Wellenleitermantelschicht 10 [240Onm n-Alo.53Gao.47 As], n- Wellenleiterkernschicht 9 [250nm n- Alo.5Gao.5As], aktive Zone 8 [8nm InGaAs], p-Wellenleiterkernschicht 7 [p- Alo.5Gao.5As, mit 100nm GaAs- Kontaktschicht], Bragg-Gitter 5 und Rippenwellenleiter 6) handelt es sich um eine typische Halbleiter-Laser-Struktur, die als Kantenemitter ausgeführt ist.Fig. 2 shows the use of an optical element according to the invention in a resonator of a DBR laser. In the structure used (n-GaAs substrate 11, n-waveguide cladding layer 10 [240 nm n- alo . 53 Ga . 47 As], n-waveguide core layer 9 [250 nm n-Alo 5 Ga. 5 As], active zone 8 8nm InGaAs], p-type waveguide core layer 7 [p- Alo. 5 Gao .5 As, with 100nm GaAs contact layer], Bragg grating 5, and ridge waveguide 6) is a typical semiconductor laser structure designed as an edge emitter is.
Zur Herstellung der in Fig. 2 dargestellten Struktu r werden auf einen GaAs- Wafer 11 mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie (engl. MOVPE) nach¬ einander die n-seitige Wellenleitermantelschichtt 10, die n-seitige Wellenleiter¬ kernschicht 9, die aktive Zone als Quantum well 8, die p-Wellenleiterkern- schicht 7, die (unstrukturierte) p-seitige Wellenleitermantelschicht, welche mit einer (unstrukturierten) hochdotierten p-GaAs-Kontaktschicht abschließt, auf¬ gewachsen. Damit ist die planare vertikale Wellenleiterstruktur hergestellt. Zur Strukturierung der (unstrukturierten) p-seitigen Wellenleitermantelschicht wird auf die p-GaAs-Kontaktschicht zunächst eine 650 nm Fotolackschicht (entsprechend Fig. 1a) aufgebracht, auf weiche die Strukturen des auszu¬ bildenden Bragg-Gitters 5 und des auszubildenden Rippenwellenleiters 6 mittels Projektionslithographie belichtet werden. Der Fotolack wird danach entwickelt. Die Wellenleitermantelschicht wird dann mittels reaktiven lonen- ätzens strukturiert, wobei die Bereiche der Fotolackstruktur die darunter liegende Wellenleitermantelschicht derart schützen, dass dort Bragg-Gitter 5 und Rippenwellenleiter 6 ausgebildet werden (indem lediglich die um¬ gebenden Bereiche abgetragen werden).2, the n-side waveguide cladding layer 10, the n-side waveguide cladding layer 9, the active zone as the quantum well, are applied to a GaAs wafer 11 by means of metalorganic vapor phase epitaxy (MOVPE) 8, the p-type waveguide core layer 7, the (unstructured) p-side waveguide cladding layer, which terminates with an (unstructured) highly doped p-GaAs contact layer. This produces the planar vertical waveguide structure. For structuring the (unstructured) p-side waveguide cladding layer, a 650 nm photoresist layer (corresponding to FIG. 1 a) is applied to the p-GaAs contact layer, onto which the structures of the Bragg grating 5 to be formed and the rib waveguide 6 to be formed by means of projection lithography be exposed. The photoresist is then developed. The waveguide cladding layer is then patterned by means of reactive ion etching, the regions of the photoresist structure protecting the underlying waveguide cladding layer in such a way that Bragg gratings 5 and rib waveguides 6 are formed there (by merely removing the surrounding regions).
Hierdurch kann mit der Erzeugung des Rippenwellenleiters 6 gleichzeitig das Braggsche Gitter 5 erzeugt werden. Typischerweise geht die Ätztiefe bis dicht an die Wellenleiterkernschicht 7 oder die Wellenleiterkernschicht 7 wird zu einem Teil mϊtstrukturiert; jedoch wird die aktive Zone 8 des Lasers nicht geätzt. Günstig ist es, einen Parametersatz für die trockenchemische Strukturierung zu wählen, der nahezu senkrechte Ätzflanken erzeugt, wobei jedoch eine leichte Neigung günstig sein kann, um ein Tastverhältnis am Fuß der Gitterfuchen von mindestens 0.7 zu erzeugen, das über einen lithographischen Schritt kaum realisierbar ist. Berechnungen zeigen, dass bei einem Tastverhältnis zwischen 0.9 und 1 der Koppelkoeffizient maximiert und die Abstrahlungsverluste minimiert werden.As a result, the generation of the rib waveguide 6 at the same time the Bragg grating 5 are generated. Typically, the etch depth is close to the waveguide core layer 7, or the waveguide core layer 7 is partially patterned; however, the active zone 8 of the laser is not etched. It is advantageous to choose a set of parameters for the dry chemical structuring which produces almost vertical etching flanks, although a slight slope may be favorable in order to produce a staggering duty cycle of at least 0.7, which is hardly feasible over a lithographic step. Calculations show that with a duty factor between 0.9 and 1 the coupling coefficient is maximized and the radiation losses are minimized.
Die auf diese Weise hergestellte Struktur (Fig. 2) kann anschließend mit gängigen Verfahren der Halbleitertechnologie, wie dem Aufbringen eines Isolators, dem Aufbringen des p- und n-Kontaktes zu einem kompletten DBR- Laser prozessiert werden. Die Ätztiefe für Gitter 5 und Rippenwellenleiter 6 wird so gewählt, dass der effektive Brechungsindexsprung für den Fall eines reinen Rippenwellenleiter-Lasers optimal für einen Monomodebetrieb ist. Dabei kann ein Teil der Wellenleiterkernschicht geätzt werden oder auch ein Teil der Wellenleitermantelschicht ungeätzt bleiben. Die Auswahl des Ätzverfahrens erfolgt so, dass zum einen die notwendige Ätztiefe erreicht wird und zum anderen aber auch gewährleistet ist, dass der Anteil des geätzten Bereichs am Fuß der Gitterfurchen pro Gitterperiode < 30% , im Ausführungsbeispiel < 10 % ist. Geeignet hierfür sind insbesondere trockenchemische Ätzverfahren wie die reaktive lonenstrahlätzung (RIE) oder die chemisch assisierte lonenstrahlätzung (CAIBE: chemical assisted ion beam etching). Dabei wird ein Parametersatz (Gaschemie, Druck, Leistung) für die Strukturierung gewählt, mit dem nahezu senkrechte Ätzflanken mit geringer seitlicher Ätzung oder ein V-förmiges Profil mit leicht geneigten Ätz¬ flanken realisierbar sind. Aber auch nasschemische Ätzverfahren z.B. mit Säuren, die ein gutes anisotropes Ätzverhalten bezüglich der Kristallebenen aufweisen, oder eine Kombination aus naß -und trockenchemischen Ver¬ fahren ist denkbar.The structure produced in this way (FIG. 2) can then be processed by conventional methods of semiconductor technology, such as the application of an insulator, the application of the p and n contact to a complete DBR laser. The etch depth for grating 5 and ridge waveguide 6 is chosen so that the effective refractive index jump in the case of a pure ridge waveguide laser is optimal for a single-mode operation. In this case, a part of the waveguide core layer can be etched or a part of the waveguide cladding layer can remain unetched. The selection of the etching process is carried out so that on the one hand the necessary etch depth is achieved and on the other hand it is also ensured that the proportion of the etched area at the bottom of the grid grooves per grating period is <30%, in the exemplary embodiment <10%. Particularly suitable for this purpose are dry chemical etching processes such as reactive ion beam etching (RIE) or chemically assassiated ion beam etching (CAIBE: chemical assisted ion beam etching). In this case, a parameter set (gas chemistry, pressure, power) is selected for structuring, with which almost vertical etching edges with a small lateral etching or a V-shaped profile with slightly inclined etching edges can be realized. However, wet-chemical etching processes, for example with acids which have a good anisotropic etching behavior with respect to the crystal planes, or a combination of wet and dry chemical processes, is conceivable.
Die Gitterordnung m hängt von der minimal erreichbaren Strukturgröße bzw. der minimal herstellbaren Gitterperiode Λmjn (bei einem kommerziell erhältlichen i-line - Stepper das ca. 800nm) und der Wellenlänge des herzustellenden Lasers ab. Bei einem Wellenlängenbereich zwischen 600 und 120Onm ergeben sich aus: m=Λmjn 2*n /λ (n=3.34) Ordnungen zwischen 9 und 5. Bevorzugte Gitterperioden Λ liegen im Bereich von 600 nrn und 1500 nm, besonders bevorzugt im Bereich von 750 nm bis 1100 nm.The lattice order m depends on the minimum achievable structure size or the minimum producible grating period Λ m j n (in a commercially available i-line stepper the approximately 800 nm) and the wavelength of the laser to be produced. For a wavelength range between 600 and 120 nm, the following results are: m = Λ mj n 2 * n / λ (n = 3.34) Orders between 9 and 5. Preferred grating periods Λ are in the range of 600 nm and 1500 nm, particularly preferably in the range of 750 nm to 1100 nm.
Fig. 3 zeigt ein erfindungsgemäßes optisches Element mit einem in den Rippenwellenleiter 6 integriertes Braggsches Gitter 5 in schematischer, perspektivischer Darstellung. Das Braggsche Gitter 5 ist im Ausfü hrungs- beispiel an den seitlichen Flanken des Rippenwellenleiters 6 ausgebildet. Das Braggsche Gitter 5 kann sich grundsätzlich entlang des ganzen Rippenwellen¬ leiters 6 erstrecken oder auch auf einen Teil beschränkt sein. Alternativ ist es möglich, dass das Braggsche Gitter 5 neben dem Rippenwellenleiter 6 ange¬ ordnet ist. Die Flankenwinkel der Gitter sind abhängig von der gewünschten Ätztiefe und dem einstellbaren Lack-Tastverhältnis. Sie liegen vorzugsweise in einem Bereich von O0- 30°, besonders bevorzugt zwischen 4-20° in Bezug auf die Senkrechte.3 shows an optical element according to the invention with a Bragg grating 5 integrated in the rib waveguide 6, in a schematic, perspective view. In the exemplary embodiment, the Bragg grating 5 is formed on the lateral flanks of the rib waveguide 6. The Bragg grating 5 may in principle extend along the entire Rippenwellen¬ conductor 6 or be limited to a part. Alternatively, it is possible for the Bragg grating 5 to be arranged next to the rib waveguide 6. The flank angles of the gratings are dependent on the desired etch depth and the adjustable lacquer duty cycle. They are preferably in a range of O 0 - 30 °, more preferably between 4-20 ° with respect to the vertical.
Fig. 4 zeigt ein erfindungsgemäßes optisches Element mit einem in Bezug auf die Längsachse des Rippenwellenleiters 6 schräg angeordneten Braggschen Gitter 5 in Draufsicht. Dabei ist das Braggsche Gitter 5 seitlich des Rippen¬ wellenleiters 6 angeordnet. Die Gitterlinien können in einem beliebigen Winkel zur Ausbreitungsrichtung der einfallenden Welle angeordnet sein. Ins¬ besondere können sie unter Winkeln α mit α≠90° bezogen auf die Resonatorachse verlaufen, was über Mehrfach-Bragg-Reflexionen für laterale und longitudinale Modenfilterung ausgenutzt werden kann. Bevorzugte Intervalle sind 90-0°, besonders bevorzugt 88-70° und 20-2°. FIG. 4 shows an optical element according to the invention with a Bragg grating 5 arranged obliquely with respect to the longitudinal axis of the rib waveguide 6 in plan view. In this case, the Bragg grating 5 is arranged laterally of the rib waveguide 6. The grid lines may be arranged at any angle to the propagation direction of the incident wave. In particular, they can run at angles α with α ≠ 90 ° relative to the resonator axis, which can be exploited via multiple Bragg reflections for lateral and longitudinal mode filtering. Preferred intervals are 90-0 °, more preferably 88-70 ° and 20-2 °.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
1 planare vertikale Wellenleiterstruktur1 planar vertical waveguide structure
2 kontinuierliche Fotolackschicht2 continuous photoresist layer
3 Fotolackschichtstruktur3 Photoresist layer structure
5 Braggsches Gitter5 Bragg's grid
6 Rippenwellenleiter6 rib waveguide
7 p-Wellenleiterkernschicht7 p waveguide core layer
8 aktive Zone8 active zone
9 n-Wellenleiterkernschicht9 n-waveguide core layer
10 n-Wellenleitermantelschicht10 n waveguide sheath layer
11 GaAs-Wafer α Winkel 11 GaAs wafer α angle

Claims

Patentansprüche claims
Λ . Verfahren zur Herstellung eines Braggschen Gitters (5) und eines Rippenwellenleiters (6) auf einer planaren vertikalen Wellenleiter¬ struktur (1, 7, 9, 10) mit folgenden Verfahrensschritten:Λ. Method for producing a Bragg grating (5) and a rib waveguide (6) on a planar vertical waveguide structure (1, 7, 9, 10) with the following method steps:
- Ausbilden einer Fotolackschichtstruktur (3) auf einer im Wesentlichen ebenen Wellenleiterstruktur (1 , 7, 9, 10), wobei die Fotolackschichtstruktur (3) im Wesentlichen der Struktur des Braggschen Gitters (5) und des Rippenwellenleiters (6) entspricht und im Bereich des Braggschen Gitters (5) im Wesentlichen linienförmig mit einer Stegbreite ausgebildet wird, die mindestens 70 % des Abstandes zweier benachbarter Linien entspricht,Forming a photoresist layer structure (3) on a substantially planar waveguide structure (1, 7, 9, 10), the photoresist layer structure (3) substantially corresponding to the structure of the Bragg grating (5) and the ridge waveguide (6) and in the region of Bragg grating (5) is formed substantially linearly with a web width which corresponds to at least 70% of the distance between two adjacent lines,
- Ätzen der Wellenleiterstruktur (1 , 7, 9, 10) mit darauf angeordneter Fotolackschichtstruktur (3) und- etching the waveguide structure (1, 7, 9, 10) with thereon arranged photoresist layer structure (3) and
- Ablösen der Fotolackschichtstruktur (3) von der Wellenleiterstruktur (1 , 7, 9, 10).Detaching the photoresist layer structure (3) from the waveguide structure (1, 7, 9, 10).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Fotolackschichtstruktur (3) im Bereich des Braggschen Gitters (5) im Wesentlichen linienförmig mit einer Stegbreite ausgebildet wird, die mindestens 80 % des Abstandes zweier benachbarter Linien entspricht.2. The method according to claim 1, characterized in that the photoresist layer structure (3) in the region of the Bragg grating (5) is formed substantially linearly with a ridge width which corresponds to at least 80% of the distance between two adjacent lines.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Fotolackschichtstruktur (3) im Bereich des Braggschen Gitters (5) im Wesentlichen linienförmig mit einer Stegbreite ausgebildet wird, die mindestens 90 % des Abstandes zweier benachbarter Linien entspricht. 3. The method according to claim 1, characterized in that the photoresist layer structure (3) in the region of the Bragg grating (5) is formed substantially linearly with a ridge width which corresponds to at least 90% of the distance between two adjacent lines.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Ausbilden der Fotolackschichtstruktur (3) eine Kontaktschicht auf die Wellenleiterstruktur (1 , 7, 9, 10) aufgebracht wird.4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that prior to forming the photoresist layer structure (3), a contact layer on the waveguide structure (1, 7, 9, 10) is applied.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Kontaktschicht eine hochdotierte p-GaAs-Kontaktschicht verwendet wird.5. The method according to claim 4, characterized in that a highly doped p-GaAs contact layer is used as the contact layer.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fotolackschichtstruktur (3) durch Aufbringen einer kontinuierlichen Fotolackschicht (2) auf die planare vertikale Wellenleiterstruktur (1 , 7, 9, 10), Belichten der kontinuierlichen Fotolackschicht (2), Entwickeln des Fotolacks und Ablösen löslichen Fotolacks strukturiert wird.6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the photoresist layer structure (3) by applying a continuous photoresist layer (2) on the planar vertical waveguide structure (1, 7, 9, 10), exposing the continuous photoresist layer (2) develop the photoresist and peeling soluble photoresist is structured.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Belichten der Fotolackschicht (2) mittels Projektionslithografie erfolgt.7. The method according to claim 6, characterized in that the exposure of the photoresist layer (2) takes place by means of projection lithography.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Belichten der Fotolackschicht (2) durch eine Belichtung erfolgt.8. The method according to claim 6 or 7, characterized in that the exposure of the photoresist layer (2) takes place by exposure.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur des Braggschen Gitters (5) als auch die Struktur des Rippenwellenleiters (6) separat belichtet werden. 9. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the structure of the Bragg grating (5) and the structure of the rib waveguide (6) are exposed separately.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ätzmaske (3) unter Verwendung des Nano-Druckverfahrens strukturiert wird.10. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the etching mask (3) is patterned using the nano-printing method.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fotolackschichtstruktur (3) im Bereich des Braggschen Gitters (5) mit einer sich parallel zur Oberfläche der planaren vertikalen Wellen¬ leiterstruktur und senkrecht zur Längsachse der Linien erstreckenden Ausdehnung von mindestens 0,01 mm ausgebildet wird.11. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the photoresist layer structure (3) in the region of the Bragg grating (5) with a parallel to the surface of the planar vertical Wellen¬ ladder structure and perpendicular to the longitudinal axis of the lines extending extent of at least 0, 01 mm is formed.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die planare vertikale Wellenleiterstruktur (1 , 7, 9, 10) mit darauf angeordneter Fotolackschichtstruktur (3) mittels trockenchemischem Ätzverfahren, mittels reaktiver lonenätzung oder mittels chemisch assistierter lonenstrahlätzung geätzt wird.12. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the planar vertical waveguide structure (1, 7, 9, 10) arranged thereon with the photoresist layer structure (3) by means of dry chemical etching, by means of reactive ion etching or by means of chemically assisted ion beam etching is etched.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Braggsche Gitter (5) neben dem Rippenwellenleiter (6) angeordnet wird.13. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the Bragg grating (5) next to the rib waveguide (6) is arranged.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Braggsche Gitter (5) in den Rippenwellenleiter (6) integriert wird. 14. The method according to any one of claims 1 to 12, characterized in that the Bragg grating (5) in the rib waveguide (6) is integrated.
15. Optisches Element mit einer planaren vertikalen Wellenleiterstruktur (1 , 7, 9, 10), wobei auf der Oberfläche der Wellenleiterstruktur (1 , 7, 9, 10)ein Braggsches Gitter (5) und ein Rippenwellenleiter (6) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege des Braggschen Gitters (5) eine Breite von mindestens 70 % des Abstandes zweier benachbarter Linien aufweisen, wobei die Ausdehnung des Braggschen Gitters (5) parallel zur Oberfläche der Wellenleiterstruktur (1, 7, 9, 10) und senkrecht zur Längsachse der Linien mindestens 0,001 rnm beträgt und die Höhe des Braggschen Gitters (5) über der Oberfläche der Wellenleiterstruktur (1, 7, 9, 10)im Wesentlichen der Höhe des Rippenwellenleiters (6) über der Oberfläche der Wellenleiterstruktur (1 , 7, 9, 10)entspricht.15. An optical element having a planar vertical waveguide structure (1, 7, 9, 10), wherein on the surface of the waveguide structure (1, 7, 9, 10) a Bragg grating (5) and a ridge waveguide (6) are arranged, characterized characterized in that the webs of the Bragg grating (5) have a width of at least 70% of the distance between two adjacent lines, the extension of the Bragg grating (5) being parallel to the surface of the waveguide structure (1, 7, 9, 10) and perpendicular to The longitudinal axis of the lines is at least 0.001 m and the height of the Bragg grating (5) over the surface of the waveguide structure (1, 7, 9, 10) is substantially the height of the ridge waveguide (6) above the surface of the waveguide structure (1, 7, 9 , 10).
16. Optisches Element nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege des Braggschen Gitters (5) eine Breite von mindestens 80 % des Abstandes zweier benachbarter Linien aufweisen.16. An optical element according to claim 15, characterized in that the webs of the Bragg grating (5) have a width of at least 80% of the distance between two adjacent lines.
17. Optisches Element nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege des Braggschen Gitters (5) eine Breite von mindestens 90 % des Abstandes zweier benachbarter Linien aufweisen.17. An optical element according to claim 15, characterized in that the webs of the Bragg grating (5) have a width of at least 90% of the distance between two adjacent lines.
18. Optisches Element nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis aus Ätztiefe und Stegbreite des Braggschen Gitters (5) zwischen 1 und 5 beträgt. 18. An optical element according to any one of claims 15 to 17, characterized in that the ratio of etch depth and land width of the Bragg grating (5) is between 1 and 5.
19. Optisches Element nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausdehnung des Braggschen Gitters (5) parallel zur Oberfläche der Wellenleiterstruktur (1, 7, 9, 10) und senkrecht zur Längsachse der Linien mindestens 0,01 mm beträgt.19. An optical element according to any one of claims 15 to 18, characterized in that the extension of the Bragg grating (5) parallel to the surface of the waveguide structure (1, 7, 9, 10) and perpendicular to the longitudinal axis of the lines is at least 0.01 mm ,
20. Optisches Element nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Braggsche Gitter (5) neben dem Rippenwellenleiter (6) angeordnet ist.20. Optical element according to one of claims 15 to 19, characterized in that the Bragg grating (5) is arranged next to the rib waveguide (6).
21 . Optisches Element nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Braggsche Gitter (5) in den Rippenwellenleiter (6) integriert ist.21. Optical element according to one of claims 15 to 19, characterized in that the Bragg grating (5) is integrated in the rib waveguide (6).
22. Optisches Element nach einem der Ansprüche 15 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe des sowohl Braggschen Gitters (5) als auch des Rippenwellenleiters (6) über der Oberfläche der Wellenleiterstruktur (1 , 7, 9, 10) zwischen 1000 nm - 2000 nm beträgt.22. Optical element according to one of claims 15 to 21, characterized in that the height of both the Bragg grating (5) and the rib waveguide (6) over the surface of the waveguide structure (1, 7, 9, 10) between 1000 nm - 2000 nm.
23. Optisches Element nach einem der Ansprüche 15 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der p-Wellenleiterkernschicht (7) der Wellenleiterstruktur (1, 7, 9, 10) und Braggschem Gitter (5) sowie zwischen der p-Wellen- leiterkernschicht (7) der Wellenleiterstruktur (1, 7, 9 , 10) und Rippenwellenleiter (6) eine Kontaktschicht angeordnet ist.23. An optical element according to any one of claims 15 to 22, characterized in that between the p-waveguide core layer (7) of the waveguide structure (1, 7, 9, 10) and Braggschem grid (5) and between the p-waveguide core layer ( 7) of the waveguide structure (1, 7, 9, 10) and rib waveguide (6) a contact layer is arranged.
24. Optisches Element nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktschicht eine hochdotierte p-GaAs-Kontaktschicht ist. 24. An optical element according to claim 23, characterized in that the contact layer is a highly doped p-GaAs contact layer.
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