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Dokumentenidentifikation DE60212344T2 10.05.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001368870
Titel MITTELS ELEKTROABSORPTION MODULIERTER LASER MIT ASYMMETRISCHEM WELLENLEITER
Anmelder The Trustees of Princeton University, Princeton, N.J., US
Erfinder FORREST, R., Stephen, Princeton, NJ 08540, US;
GOKHALE, R., Milind, Princeton, NJ 08540, US;
STUDENKOV, V., Pavel, Monmouth Junction, NJ 08852, US
Vertreter Patentanwälte Dr. Sturies Eichler Füssel, 42289 Wuppertal
DE-Aktenzeichen 60212344
Vertragsstaaten AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, SE, TR
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 18.01.2002
EP-Aktenzeichen 027134279
WO-Anmeldetag 18.01.2002
PCT-Aktenzeichen PCT/US02/01348
WO-Veröffentlichungsnummer 2002058251
WO-Veröffentlichungsdatum 25.07.2002
EP-Offenlegungsdatum 10.12.2003
EP date of grant 14.06.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 10.05.2007
IPC-Hauptklasse H01S 5/026(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP

Beschreibung[de]
BEREICH DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft ganz allgemein das Gebiet der optischen Kommunikationsvorrichtungen und betrifft insbesondere Laser.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Integrierte Photonenschaltkreise (PIC) stellen eine Plattform integrierter Technologie zur Verfügung, die in verstärktem Maße von komplexen optischen Schaltungen verwendet wird. Die PIC-Technologie ermöglicht es optischen Mehrfachvorrichtungen, sowohl aktiven als auch passiven, in einem einzigen Substrat integriert zu werden. Zum Beispiel können PIC integrierte Laser, integrierte Empfänger, Wellenleiter, Detektoren, optische Halbleiterverstärker (SOA), Gitter und andere aktive und passive optische Halbleitereinrichtungen umfassen. Die monolithische Integration von aktiven und passiven Einrichungen in PIC stellt eine effektive integrierte Technologieplattform für die Verwendung in optischen Kommunikationseinrichtungen zur Verfügung.

Eine spezielle anpassungsfähige PIC-Plattformtechnologie ist die integrierte- oder Zwillingswellenleiter (TG) Struktur. Die Doppelwellenleitung kombiniert aktive und passive Wellenleiter in einer vertikalen direktionalen Kopplungsgeometrie, die eine flüchtige beziehungsweise gedämpfte Feldkopplung verwendet. Die TG-Struktur benötigt lediglich einen einzigen epitaktischen Wachstumsschritt, um eine Struktur zu erzeugen, auf welcher aktive und passive Einrichtungen schichtweise angeordnet und hergestellt sind. Das bedeutet, daß das beziehungsweise die TG eine Plattformtechnologie zur Verfügung stellt, mit welcher eine Vielfachheit von PIC, jede mit unterschiedlichen Auslegungen und Komponenten, aus dem gleichen Basiswafer hergestellt werden kann. Integrierte Komponenten sind bestimmt durch eine nach dem Wachstum durchgeführte Maskierung, wodurch die Notwendigkeit für ein epitaktisches Nachwachsen eliminiert ist. Hinzu kommt, daß aktive und passive Kopmponenten in einem TG-basierenden PIC separat optimiert werden können, und zwar mit Nachwachsherstellungsschritten, die verwandt werden, um die Lokation und den Typ der Einrichtung auf dem PIC festzulegen.

Die konventionelle TG-Struktur wird allerdings negativ beeinflußt von dem Nachteil, daß die Wellenleiterkupplung von der Vorrichtungslänge streng abhängig ist, und zwar aufgrund der Interaktion zwischen optischen Modi. Für PIC-Einrichtungen, wie zum Beispiel Laser, führt die Interaktion zwischen optischen Modi zu der Unmöglichkeit, den Strom für die Laserschwelle und die Kupplung an passive Wellenleitern steuern zu können, und zwar als eine Konsequenz der Sensitivität bezüglich Variationen von der Einrichtungsstruktur selbst. Die Sensitivität von Variationen entsteht aus der Interaktion zwischen den unterschiedlichen optischen Modi des Voranschreitens in der konventionellen TG-Struktur. Diese Interaktion führt zu einer konstruktiven und einer destruktiven Interferenz in der Laserkavität, was sich auf den Schwellstrom, die modale Verstärkung, die Kopplungseffizienz und die Ausgangkopplungsparameter der Vorrichtung auswirkt. Die konventionelle TG-Struktur leidet an einer unstabilen Sensitivität der Ausführungscharakteristika, und zwar aufgrund der Länge der Einrichtung, gerade/ungerade Mode-Interaktion und Variationen der geschichteten Struktur.

Die US Patentanmeldung mit der Seriennummer 09,337,785, eingereicht am 22. Juni 1999, mit dem Titel „Twin Waveguide Based Design for Photonic Integrated Circuits" (US 2002 031 297 A1), offenbart eine modifizierte TG-Struktur, die als asymmetrischer Doppel- beziehungsweise Zwillingswellenleiter (ATG) bezeichnet wird, welche einige der Ausführungsprobleme konventioneller TG-Strukturen berücksichtigt. Die ATG-Struktur reduziert signifikant modale Störungen durch das Begrenzen unterschiedlicher Modi von Licht dahingehend, daß sie in unterschiedlichen Wellenleitern propagieren. Dies wird erreicht durch Auslegen eines jeden der einzelnen Mode-Wellenleitern, die in dem Zwillingswellenleiter enthalten sind, derart, daß der Mode des propagierenden Lichts in jedem der zwei Wellenleiter unterschiedliche Brechungsindizes aufweist. Die asymmetrischen Wellenleiter können lateral konisch zulaufen, um Kupplungsverluste bei resonanzerzeugender oder adiabatischer Kopplung von der optischen Energie zwischen dem ersten und dem zweiten Wellenleiter zu reduzieren. Die Auslegung des asymmetrischen Wellenleiters reduziert signifikant die Interaktion zwischen den optischen Modi und repräsentiert daher eine große Verbesserung gegenüber traditionellen TG-Einrichtungen.

Obwohl der ATG eine anpassungsfähige Plattform verspricht, haben die Anmelder die Notwendigkeit erkannt, die photonischen Einrichtungen zu liefern, die zwar oftmals angepriesen, aber niemals mittels der PIC-Technologie realisiert worden sind. Demgemäß offenbaren in der US Patentanmeldung mit der Seriennummer 09/717,851, angemeldet am 21. November 2000, mit dem Titel „Photonic Integrated Detector Having a Plurality of Asymmetric Waveguides" (US 633 0378 B1) die Anmelder eine Photodetektoreinrichtung, die auf einer asymmetrischen Wellenleiterausführung basiert. Ein Ausführungsbeispiel von dem Photodetektor PIC enthält mehr als zwei asymmetrische Wellenleiter. Die asymmetrischen Wellenleiterphotodektoren sprechen äußerst schnell bei sehr hohen Frequenzen an und sind bei diesen betreibbar.

Die Entwicklung der Vorrichtung des asymmetrischen Wellenleiterphotodetektors verspricht viel für asymmetrische Wellenleiter-PIC. Allerdings besteht immer noch das Bedürfnis der Entwicklung anderer Typen von PIC-Einrichtungen. Insbesondere besteht die Notwendigkeit für verbesserte Lasereinrichtungen, wie zum Beispiel elektroabsorptionsmodulierte Laser (EMLs). EMLs werden oft als Transmitter in optische Fasern verwendende Kommunikationssysteme eingesetzt. Eine EML-Einrichtung enthält typischerweise einen Laser, der an dem Ausgang des Lasers mit einem Elektroabsorptionsmodulator integriert ist. Dieser Laser kann zum Beispiel eine verteilte Rückführungs-(DFB) oder eine verteilte Bragg-Reflektoreinrichtung (DBR) sein, die kontinuierlich betrieben werden , um die Stabilität des Outputs, der Leistung und der Wellenlänge sicher zu stellen. Der Elektroabsorptionsmodulator (EA) ist optisch mit dem Laserausgang gekoppelt und moduliert das von dem Laser generierte Signal. Forrest et al. beschreiben integrierte photonische Einrichtungen, die asymmetrische Wellenleiterstrukturen verwenden (Conference Proceedings, 222 Int. Conf. on InP and Related Materials, VA, Williamsburg; Mai 14-18, 2000; Seiten 13-16).

Es ist eine Vielzahl von Schwierigkeiten verbunden mit der Herstellung eines monolithischen integrierten Hochgeschwindigkeits-EML. Erstens benötigen die aktiven Bereiche von dem Laser und von dem Modulator typischerweise Quantenschächte, die mit unterschiedlichen Wellenlängen emittieren. Diese Auslegungseinschränkung ist allgemein erfüllt mittels des Festlegens des Lasers und des Modulators mit unterschiedlichen Stärken und/oder mit unterschiedlichen Materialien. Des weiteren ist eine effiziente optische Kopplung zwischen dem Laser und dem Modulator notwendig, und auch, im Fall des DBR-Lasers, zwischen den aktiven Einrichtungen des Lasers und des Gitters. Schließlich ist eine effektive elektrische Isolation zwischen den aktiven Einrichtungen von dem Laser und von dem Modulator notwendig, um eine Kreuzkupplung zwischen den zwei Einrichtungen zu vermeiden.

Bestehende Verfahren zur Herstellung monolithischer EML-Einrichtungen verwenden typischerweise entweder mehrfache Halbleiternachwachsungsschritte, um separat den Laser und den EA-Modulator herzustellen, oder einen einheitliche Wachstumsschritt auf einem speziell präparierten Substrat, worin die dielektrischen Masken in einander angrenzenden Bereichen des Wafers unterschiedliche Bandabstände erzeugen. Jedes dieser Verfahren ist komplex und führt typischerweise zu schlechten Ausbeuten und somit zu sehr hohen Kosten für das fertiggestellte Produkt.

Dem zufolge besteht ein Bedarf auf diesem Gebiet für einen verbesserten EML, der eine effiziente Kopplung und eine effektive Isolation zur Verfügung stellt und der relativ kostengünstig hergestellt werden kann.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Kurz gesagt erfüllt die vorliegende Erfindung diese und andere Bedürfnisse auf diesem Gebiet.

Gemäß eines ersten Aspekts der Erfindung ist ein monolithischer symmetrischer Doppel- beziehungsweise Zwillingswellenleiter zur Verfügung gestellt, der auf einer elektroabsorptionsmodulierten Lasereinrichtung basiert. Die Lasereinrichtung enthält einen ersten Wellenleiter, der einen Verstärkungsbereich aufweist, wie zum Beispiel einen Multiquantenschachtbereich, um primär einen ersten Mode von Licht zu verstärken, und einen zweiten Wellenleiter mit einem darin ausgebildeten Modulator zum Modulieren eines zweite Modes von Licht, das in diesem zweiten Wellenleiter fortschreitet und bezogen auf den ersten Mode von Licht einen unterschiedlichen effektiven Brechungsindex aufweist. Der erste Wellenleiter ist vertikal oben auf dem zweiten Wellenleiter positioniert und hat eine darin ausgebildete lateral verlaufende Konizität, um Licht zwischen dem ersten Wellenleiter und dem zweiten Wellenleiter zu bewegen. Gemäß dieses ersten Aspekts der Erfindung wird der erste Model des Lichts in dem ersten Wellenleiter verstärkt und in den zweiten Wellenleiter transferiert durch die lateral verlaufende Konizität. Am Ende des zweiten Wellenleiters trifft das Licht auf den Modulator, der dafür sorgt, daß ein moduliertes optisches Signal von dieser Einrichtung emittiert wird.

Gemäß eines weiteren Aspekts der Erfindung ist eine elektroabsorptionsmodulierte Lasereinrichtung offenbart, die mehr als zwei vertikal integrierte asymmetrische Wellenleiter umfasst. Diese Lasereinrichtung enthält einen ersten Wellenleiter mit einem Verstärkungsbereich, wie zum Beispiel einen Multiquantenschachtbereich, zum Verstärken primär eines ersten Modes von Licht, einen zweiten Wellenleiter mit einem darin angeordneten verteilten Bragg-Reflektor zum Führen primär eines Modes von Licht mit einem Brechungsindex, der unterschiedlich zu demjenigen des ersten Modes von Licht ist, und mit einem darin ausgebildeten Modulator zum Modulieren eines dritten Modes von Licht, das in dem dritten Wellenleiter propagiert und einen Brechungsindex aufweist, der von dem jenigen des zweiten Modes von Licht unterschiedlich ist. Der erste Wellenleiter ist vertikal auf der Spitze des zweiten Wellenleiters positioniert, und der zweite Wellenleiter ist vertikal auf der Spitze des dritten Wellenleiters positioniert. Der erste Wellenleiter hat in sich eine lateral verlaufende Konizität ausgebildet zum Transferieren von Licht zwischen dem ersten Wellenleiter und dem zweiten Wellenleiter, und der zweite Wellenleiter hat in sich eine lateral verlaufende Konizität ausgebildet zum Transferieren von Licht von dem zweiten Wellenleiter in den dritten Wellenleiter. Der erste Mode von Licht wird verstärkt in dem ersten Wellenleiter und in den zweiten Wellenleiter über die laterale Konizität transferiert. Das Licht propagiert in dem zweiten Wellenleiter als ein Licht mit einem zweiten Mode und wird in den dritten Wellenleiter über die lateral verlaufende Konizität transferiert. Der Modulator des dritten Wellenleiters bewirkt, daß das Signal bei dem Ausgang der Einrichtung moduliert.

Gemäß eines weiteren Aspekts der Erfindung ist eine elektroabsorptionsmodulierte Lasereinrichtung offenbart, die einen verteilten Rückführungslaser (DFB) anwendet. Die modulierte DFB-Lasereinrichtung enthält einen ersten Wellenleiter und einen zweiten Wellenleiter. Der erste Wellenleiter hat einen Verstärkungsbereich und ein Gitter darin, um einen DFB-Laser auszubilden. Ein von dem DFB-Laser kommendes Signal wird über eine laterale Konizität in den zweiten Wellenleiter transferiert, worin das Signal moduliert wird. Das in dem ersten Wellenleiter fortschreitende Licht weist einen unterschiedlichen effektiven Brechungsindex auf als der Mode von Licht, das in dem zweiten Wellenleier fortschreitet.

Modulierte Laser nach der Erfindung stellen sowohl eine effiziente optische Kopplung zwischen dem Laser und dem Modulator als auch eine effektive elektrische Isolation zwischen dem Laser und den Modulatoreinrichtungen zur Verfügung. Des weiteren können erfindungsgemäße modulierte Laser mittels eines Verfahrens hergestellt werden, das lediglich einen einzigen epitaktischen Wachstumsschritt benötigt. Nach dem Wachstumsschritt durchgeführte Herstellungsschritte legen den Ort von dem Laser und von dem Modulator fest. Dies vereinfacht den Herstellungsprozeß und ermölicht eine hohe Ausbeute, und zwar mittels der relativ kostengünstigen Integrationsmethode.

Weitere Aspekte der Erfindung sind weiter unten detailliert beschrieben. Ausführungsformen von der Erfindung sind angegeben in unabhängigen Ansprüchen 1 und 8. Weitere Ausführungsformen sind in den entsprechend abhängigen Ansprüchen 2-7 und 9-20 angegeben.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Andere Merkmale der Erfindung werden des weiteren erkennbar von der folgenden detaillierten Beschreibung der derzeitig bevorzugten exemplarischen Ausführungsbeispiele von der Erfindung, und zwar im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen, in denen:

1 eine perspektivische Ansicht eines elektroabsorptionsmodulierten asymmetrischen Zwillingswellenleiterlasers gemäß eines Aspekts der Erfindung ist;

2 eine perspektivische Ansicht eines Teils eines elektroabsorptionsmodulierten asymmetrischen Zwillingswellenleiterlasers gemäß eines Aspekts der Erfindung ist;

3 eine Teilansicht eines elektroabsorptionsmodulierten asymmetrischen Zwillingswellenleiterlasers gemäß der Erfindung ist;

4 eine Teilansicht eines alternativen Ausführungsbeispiels von einem elektroabsorptionsmodulierten asymmetrischen Zwillingswellenleiterlasers gemäß eines Aspekts der Erfindung ist;

5A ein Flußdiagramm von einem Herstellungsprozeß eines elektroabsorptionsmodulierten asymmetrischen Zwillingswellenleiterlasers gemäß eines Aspekts der Erfindung ist;

5B ein Flußdiagramm ist von einen Herstellungsprozeß eines alternativen Ausführungsbeispiels von einem elektroabsorptionsmodulierten asymmetrischen Zwillingswellenleiterlasers gemäß eines Aspekts der Erfindung;

6 einen Graph darstellt von der Intensität den Photoluminiszenzspektren gegenüber den Photoluminiszenzlängen von dem Laser und dem Modulator von einer Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;

7A einen Graphen von der Ausgangsleistung durch einen Modulator gegenüber dem Strom für eine elektroabsorptionsmodulierte asymmetrische Zwillingswellenleiterlasereinrichtung gemäß der Erfindung darstellt;

7B ein Graph von dem Ausgangsleistungauslöschverhältnis gegenüber der an dem Modulator angelegten Spannung für einen elektroabsorptionsmodulierte asymmetrischen Zwillingswellenleiterlaser gemäß der Erfindung ist;

8 eine perspektivische Ansicht von einem Teil von einem elektroabsorptionsmodulierten asymmetrischen Wellenleiterlasers gemäß der Erfindung ist;

9 eine Teilansicht von einem elektroabsorptionsmodulierten asymmetrischen Wellenleiters gemäß der Erfindung ist;

10 ein Flußdiagramm von einem Herstellungsprozeß von einem elektroabsorptionsmodulierten asymmetrischen Wellenleiterlaser gemäß eines Aspekts der Erfindung ist;

11 eine perspektivische Ansicht von einem Teil eines elektroabsorptionsmodulierten asymmetrischen Zwillingswellenleiterlasers gemäß eines Aspekts der Erfindung ist;

12A eine Teilansicht von einem elektroabsorptionsmodulierten asymmetrischen Zwillingswellenleiters gemäß der Erfindung ist; und

12B eine Teilansicht eines alternativen Ausführungsbeispiels von einem elektroabsorptionsmodulierten asymmetrischen Zwillingswellenleiterslasers gemäß eines Aspekts der Erfindung ist.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Unter Bezugnahme auf die 1-12B werden nunmehr Systeme und Methoden mit den oben genannten vorteilhaften Merkmalen im Zusammenhang mit einem zur Zeit bevorzugten exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Es ist für die Fachleute auf diesem Gebiet erkennbar, daß die hier mit Bezug auf diese Figuren gegebene Beschreibung lediglich illustrativer Natur ist und nicht dazu gedacht ist, den Schutzumfang der Erfindung in irgendeiner Weise zu beschränken. Alle Fragen bezüglich des Schutzumfangs der Erfindung können unter Bezugnahme auf die beigefügten Ansprüche gelöst werden.

Allgemein gesprochen ist die vorliegende Anmeldung gerichtet auf asymmetrische monolithische integrierte Wellenleiterstrukturen. Der Aufbau eines asymmetrischen Zwillingswellenleiters (ATG) ist offenbart worden in der anhängigen US Patentanmeldung mit der Seriennummer 09/337,785, eingereicht am 22. Juni 1999, mit dem dem Titel „Twin Waveguide Based Design for Photonic Integrated Circuits" (US 20022031297 A1). Im Allgemeinen verwendet die ATG-Auslegung zwei Wellenleiter, worin jeder Wellenleiter dazu ausgelegt ist, primär einen Mode von Licht zu leiten, wobei jeder Mode einen unterschiedlichen effektiven Brechungsindex aufweist. Eine laterale Konizität in einem der Wellenleiter induziert das Koppeln von Licht zwischen den Wellenleitern. Die laterale Konizität arbeitet so, um den effektiven Brechungsindex von einem Mode des Lichtes, das in dem ersten Wellenleiter fortschreitet, in einen zweiten Mode (von Licht) zu ändern, das primär in dem zweiten Wellenleiter fortschreitet. Diese Umwandlung vollzieht sich über die Länge der Konizität. Auf diese Art und Weise kann ein Mode von Licht mit einem ersten Brechungsindex am Anfang der Konizität beginnen, in dem zweiten Wellenleiter fortzuschreiten, und umgewandelt sein in einen zweiten Mode von Licht mit einem niedrigeren effektiven Brechungsindex bei dem Ende von dem Bereich der Konizität, wodurch bewirkt wird, daß der Mode im wesentlichen festgesetzt wird in seiner Fortschreitung im dem zweiten Wellenleiter.

Die vorliegende Anmeldung ist gerichtet auf Laser-PC-Einrichtungen mit einer Vielzahl von vertikalen, asymmetrischen, integrierten Wellenleitern mit darin ausgebildeten lateralen Konizitäten. Gemäß eines ersten Aspektes der Erfindung ist eine elektroabsorptionsmodulierte Lasereinrichtung angegeben mit einer asymmetrischen Zwillingswellenleiterausführung. Es wird Licht entlang der Länge des ersten Wellenleiters verstärkt und über eine laterale Konizität in einen zweiten Wellenleiter eingekoppelt. Ein Modulator wirkt so, um das in dem zweiten Wellenleiter fortschreitende Licht zu modulieren. Auf diese Art und weise wird das in dem ersten asymmetrischen Wellenleiter generierte und verstärkte Licht mittels eines Modulators in dem zweiten asymmetrischen Wellenleiter moduliert.

Die 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines exemplarischen elektroabsorptionsmodulierten asymmetrischen Zwillingswellenleiterlasers gemäß eines Aspektes von der Erfindung. Wie gezeigt, enthält die elektroabsorptionsmodulierte Lasereinrichtung 110, einen Laserbereich 104 und einen Modulatorbereich 106. Ein von dem Laserbereich 104 generiertes Signal wird von dem Modulator 106 moduliert.

Im allgemeinen enthält die Einrichtung 110 einen ersten Wellenleiter 114 und einen zweiten Wellenleiter 116, die auf einem Subtrat 112 angeordnet sind. Wie mit Bezug auf die 2 und 3 weiter unten detailliert erläutert werden wird, weist der Wellenleiter 114 einen darin angeordneten Verstärkerbereich auf, zum Verstärken von in dem Wellenleiter fortschreitenden Licht. Das in dem Wellenleiter 114 fortschreitende Licht wird in den Wellenleiter 116 über laterale Konizitäten 122, die in dem Wellenleiter 114 ausgebildet sind, transferiert. Der Wellenleiter 116 hat darin ausgebildete Gitterabschnitte 128. Die Gitterabschnitte 128 arbeiten zusammen mit dem Verstärkungsbereich in dem Wellenleiter 114, um einen verteilten Bragg-Reflektor-Laser (DBR) auszubilden. Daher enthält der Laserbereich 104 den Wellenleiter 114 und den Abschnitt des Wellenleiters 116 zwischen den Gittern 128. Das von dem DBR-Laserbereich 104 emittierte Licht tritt ein in den Modulatorbereich 106 von dem Wellenleiter 116. Der Modulatorbereich 106 bewirkt, daß das Signal aus dem Laser moduliert wird.

Die 2 zeigt eine perspektivische Ansicht von einem Abschnitt eines exemplarischen elektroabsorptionsmodulierten asymmetrischen Zwillingswellenleiterlaser gemäß eines Aspektes der vorliegenden Erfindung. Wie gezeigt, ist die monolithische, integrierte, modulierte Zwillingswellenleiterlasereinrichtung 110 auf den Substrat 112 positioniert und enthält einen ersten Wellenleiter 114 und einen zweiten Wellenleiter 116. Der Wellenleiter 114 hat einen Multiquantenschacht-Bereich 118, der darin ausgebildet ist, um in dem Wellenleiter 114 fortschreitendes Licht zu verstärken. In einem Ausführungsbeispiel enthält der Quantenschacht-Bereich 118 fünf Quantenschächte. Der elektrische Kontaktbereich 120 des Lasers wird verwandt, um eine Spannung an dem Multiquantenschacht-Bereich 118 anzulegen und um dadurch ein Laserbetriebs-Signal zu erzeugen. In dem exemplarischen Ausführungsbeispiel sind die Materialien und die relativen Dicken von denjenigen Materialien, die den Wellenleiter 114 umfassen, derart ausgewählt worden, daß ein einzelner Mode von Licht primär in dem Wellenleiter 114 fortschreitet. In einem exemplarischen Ausführungsbeispiel weist der einzelne Mode von Licht einen effektiven Brechungsindex von etwa 3,24 auf.

Der Wellenleiter 114 weist darin ausgebildete laterale Konizitäten 122 auf, um Licht in den Wellenleiter 116 zu transferieren. Die Breite des Endes der Konizität des Wellenleiters 116, die hierin bezeichnet wird als WTAPEND, beträgt 1 &mgr;m. Die Bereite der Konizität an einem Punkt, welcher bei dem exemplarischen Ausführungsbeispiel der entfernteste Punkt der Konizität ist, wird im folgenden als WTAP bezeichnet und beträgt zwischen etwa 1,8 und 2,2 &mgr;m. Die Länge der Konizität von ihrem Ende zu dem Punkt, der WTAP entspricht, die im folgenden als LTAP bezeichnet wird, beträgt zwischen 100 und 1250 &mgr;m. Die oben beschriebenen Werte für WTAPEND, WTAP und LTAP führen zu einem lateralen Konuswinkel &THgr; von zwischen etwa 0,09 und 0,23 Grad. Der Wellenleiter 116 ist unterhalb des Wellenleiters 114 positioniert und einstückig damit ausgebildet. Der Wellenleiter 116 ist ausgelegt worden, um primär einen Mode von Licht zu leiten, wobei der Mode von Licht einen geringeren effektiven Brechungsindex aufweist, als der Mode von Licht, das in dem Wellenleiter 114 fortschreitet. Im einem exemplarischen Ausführungsbeispiel ist der effektive Brechungsindex von dem Mode von Licht, das in dem Wellenleiter 116 fortschreitet, zwischen etwa 3,2 und 3,21 ausgewählt.

Der Wellenleiter 116 enthält einen Multiquantenschacht-Bereich 124, der in einem Ausführungsbeispiel zehn Quantenschächte enthält. Der elektrische Kontakt 126 wird verwendet, um eine Sperr-Vorspannung an den Quantenschacht-Bereich 124 zu induzieren, um so eine Verschiebung der Bandlücken und der Absorption zu induzieren. Die Sperr-Vorspannung führt zu einer Modulation des Signals, das von dem Wellenleiter 126 ausgegeben worden ist.

Allgemein ist der Multiquantenschacht-Bereich 124 transparent für die vom Laser emittierte Wellenlänge, und zwar aufgrund der Bandlücken-Verstimmung. Daher ist ein verteilter Bragg-Gitterreflektor '128 in den Wellenleiter 116 eingeätzt. Das Ergebnis ist ein frequenzstabilisierter verteilter Bragg-Reflektor-Laser 104 (DBR), dessen optische Ausgangsfrequenz entlang des Wellenleiters 116 geleitet wird.

Wie bereits vorher bemerkt, besteht eine wichtige Überlegung bezüglich der Auslegung für die elektroabsorptionsmodulierten Laser darin, eine effektive elektrische Isolation zwischen dem Laser und dem Modulator zu haben. Die elektrische Isolation ermöglicht ein unabhängiges Vorspannen von zwei Einrichtungen. Die 3 zeigt eine Abschnittsansicht des asymmetrischen Zwillingswellenleiterlasers von 2. Wie gezeigt, enthält der Wellenleiter 114 einen p dotierten Bereich 210, einen Multiquantenschacht-Bereich 118 und einen n dotierten Bereich 212. Der Wellenleiter 116 ist positioniert auf dem oberen Bereich des n+ dotierten Substrats 112 und enthält den Quantenschacht-Bereich 124 und den n+ dotierten Bereich 214. Der n dotierte Bereich 214 ist angrenzend an den n dotierten Bereich 212 des Wellenleiters 114 angeordnet.

Ein Abschnitt der oberen Mantelschicht 214 des Wellenleiters 116, der unter dem Kontakt 126 positioniert ist, ist unter Verwendung von einer Akzeptor-Diffusion lokal in einen p-Typ-Bereich 220 konvertiert worden. Die Diffusion erzeugt einen p-n-Anschluß in dem Bereich unterhalb des Kontaktes 126. Es wird eine Vorspannung in Durchlaßrichtung an dem Laser-Bereich von der Einrichtung angelegt mittels Anlegen einer Spannung über den Kontakt 120 und dem Substrat 112 oder alternativ über den Kontakt 120 und einem Seitenkontakt am Schacht 214. Durch Anlegen einer negativen Spannung zwischen dem Modulatorkontakt 126 und dem Substrat 112 wird eine Sperr-Vorspannung an den Quantenschacht-Bereich 124 angelegt.

Bei dem Anschluß des Bereichs 220 und dem Mantel 214 wird ein rückwärts vorgespannter p-n-Anschluß ausgebildet, wodurch eine elektrische Isolation zwischen dem Modulator und dem Laser zur Verfügung gestellt wird. Auf diese Art und Weise arbeitet die Zusammenstellung der Wellenleiter so, um eine elektrische Isolation zwischen dem Laser und dem Modulator zur Verfügung zu stellen.

In der 4 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel zum zur Verfügung stellen einer elektrischen Isolation für den asymmetrischen Zwillingswellenleiterlaser gezeigt. Wie gezeigt, enthält der Wellenleiter 114 einen p dotierten Bereich 310, einen n dotierten Bereich 312 und einen Quantenschacht-Bereich 118. Der Wellenleiter 116 ist auf dem oberen Bereich des Substrats 112 und unterhalb des Wellenleiters 114 positioniert. Der Wellenleiter 116 enthält eine n dotierte Mantelschicht 314, einen Quantenschacht-Bereich 124 und eine mit n+ hochdotierte Kontaktschicht 316.

Es ist eine Vorspannung im Durchlaßrichtung für den Laser an dem Laserkontakt 120 und der n+ Schicht 316 angelegt. Die Sperr-Vorspannung für den Modulator ist zwischen der n+ Kontaktschicht 216 und dem Substrat 112 angelegt. Auf diese Art und Weise teilen sich bei dem Ausführungsbeispiel von 4 der Laser und der Modulator die Kontaktschicht 316 als einen gemeinsamen Masseanschluß bzw. Erdung. Um den Laser effektiver von dem Modulator zu isolieren, ist in der n+ Schicht 312 ein Ionen-Implantationsbereich 320 ausgebildet, eine Kontaktschicht 316 und eine n+ Schicht 314. Der Ionen-Implantationsbereich erzeugt eine Widerstand von mehreren einhundert kiloOhm zwischen dem Laser und dem Modulator. Dieser hinzugefügte Widerstand dient dazu, die Kreuzkoppelung zwischen den zwei Einrichtungen zu minimieren.

Wie bereits vorstehend bemerkt, besteht ein großer Vorteil der asymmetrischen Wellenleitertechnologie darin, daß sie unter Verwendung des Wachstumschrittes sich selbst die Möglichkeit der Erzeugung von Einrichtungen verleiht. Ein Wafer zur Verwendung bei der Herstellung auf asymmetrischen Wellenleitern basierenden modulierten Lasers, wie er oben in Bezug auf die 1 bis 4 beschrieben worden ist, kann wie folgt aufgebaut werden. Zuerst wird eine 0,5 &mgr;m Dicke InP-Pufferschicht auf einem (100) p dotierten InP-Substrat 112 aufgebaut. Als nächstes wird der MQW (Multiquantenschacht-Bereich) 124 des Modulators aufgebaut. Der MQW-Bereich 124 enthält zehn InGaAsP-Quantenschächte mit einer Emissionswellenlänge von etwa &lgr; = 1,5 &mgr;m, die mittels neun InGaAsP-Barrieren mit einer Bandlücken-Wellenlänge von etwa &lgr;g = 1,2 &mgr;m voneinander getrennt sind. Diese Schichten sind zwischen zwei InGaAsP (Bandlücken-Wellenlänge &lgr;4 = 1,05 &mgr;m) separate heterostrukturierte Einschluß(SCH)-Schichten zwischengefügt, welche jeweils etwa 0,05 &mgr;m dick sind. Dem Modulator folgt eine 0,35 &mgr;m dicke InP-Schicht, eine 0,05 &mgr;m dicke n+ dotierte InGaAsP-Schicht sowie eine andere 0,35 &mgr;m InP Schicht. Auf dem oberen Bereich davon wird der MQW-Bereich 118 des Lasers aufgebaut. Der Laserwellenleiter MQW-Bereich 118 enthält fünf Quantenschächte mit einer Emissionswellenlänge von etwa &lgr; = 1,55 &mgr;m, welche separiert sind mittels vier InGaAsP-Barrieren mit einer Bandlücken-Wellenlänge von etwa &lgr;4 = 1,2 &mgr;m. Diese Schichten sind zwischen zwei InGaAsP(Bandlücken-Wellenlänge &lgr;g = 1,2 &mgr;m)-SCH-Schichten zwischengefügt, welche etwa 0,15 &mgr;m dick sind. Auf dem oberen Bereich des Lasers wird eine 0,1 &mgr;m InP-Schicht aufgebaut, die von einer 0,02 &mgr;m InGaAsP-Ätzstoppschicht sowie einer 1 &mgr;m dicken InP-Mantelschicht obendrauf gefolgt werden. Schließlich wird auf der Mantelschicht eine 0,2 &mgr;m dicke, p+ dotierte InGaAsP-Schicht (Bandlücken-Wellenlänge &lgr;4 = 1,2 &mgr;m) aufgebaut.

Die 5A ist ein Flussdiagramm von einem Herstellungsprozess eines elektroabsorptionsmodulierten asymmetrischen Zwillingswellenleiterlasers, wie er in 3dargestellt ist. Der modulierte Laser wird hergestellt mittels einer Abfolge von Maskierungs- und Ätz-Schritten. Wie gezeigt, wird bei dem Schritt 410 eine monolithische Struktur, die die oben beschriebenen Schichten aufweist, mittels einer Molekularstrahlepitaxie (MBE) oder metallorganischen, chemischen Aufdampfung (MOCVD), zum Beispiel in einem einzelnen epitaxischen Schritt auf einem n+ dotierten Substrat 112 aufgebaut. Bei dem Schritt 412 wird die Kontur des Wellenleiters 114, der einen lateral konisch zugelaufenden Bereich 122 bzw. eine laterale Konizität 122 darin ausgebildet hat, mittels Maskieren festgelegt, und es werden die umgebenden Schichten auf dem oberen Bereich des Wellenleiters 116 weggeätzt. Bei dem Schritt 414 wird der Wellenleiter 116 mittels Maskieren festgelegt, und die umgebenden Bereiche werden auf dem oberen Bereich des Substrats 112 weggeätzt. Bei dem Schritt 416 wird in dem Wellenleiter 116 das Gitter 128 ausgebildet, und zwar mittels eines Interferometrie-Verfahrens oder e-Strahl-Lithographie ausgebildet. Bei dem Schritt 418 wird in dem Wellenleiter 116 ein p+ Bereich 220 ausgebildet, und zwar unter Verwendung von Akzeptor-Verunreinigungs-Diffusionstechniken. Bei dem Schritt 420 werden die Kontakte 120 bzw. 126 auf dem Wellenleiter 114 bzw. dem Wellenleiter 116 ausgeformt.

Die 5B ist ein Flussdiagramm eines Herstellungsprozesses von einem elektroabsorptionsmodulierten asymmetrischen Zwillingswellenleiterlaser, wie er in der 4 gezeigt ist. Wie gezeigt, wird bei Schritt 450 eine monolithische Struktur, die die oben beschriebenen Schichten aufweist, mittels MBE oder mittels MOCVD aufgebaut, z.B. in einem einzigen epitaxischen Schritt auf dem p+ dotierten Substrat 112. Bei dem Schritt 452 wird die Kontur des Wellenleiters 114, der eine darin ausgebildete laterale Konizität 122 aufweist, mittels Maskieren festgelegt und es werden die umgebenden Schichten auf dem oberen Bereich des Wellenleiters 116 weggeätzt. Bei dem Schritt 454 ist der Wellenleiter 116 mittels Maskieren festgelegt und die umgebenden Bereiche auf dem oberen Abschnitt des Substrats 112 weggeätzt. Bei dem Schritt 456 wird in dem Wellenleiter 116 ein Gitter 128 mittels eines Interferometrieverfahrens oder e-Strahl-Lithographie ausgebildet. Bei dem Schritt 458 wird in dem Wellenleiter 116 der Bereich 320 der elektrischen Isolation ausgebildet, und zwar unter Verwendung von Standard-Ionenimplantationstechniken. Bei dem Schritt 460 werden Kontakte 122 bzw. 126 auf dem Wellenleiter 114 bzw. Wellenleiter 116 ausgeformt.

Die 6 zeigt einen Graph der Intensität der Fotoluminiszensspektren gegenüber der Fotoluminiszenswellenlänge für jeden der Laser, was mit der Linie 512 dargestellt ist, und dem Modulator, was mit der Linie 510 dargestellt ist, und zwar der in 4 dargestellten Einrichtung. Wie gezeigt, ist eine Verschiebung von 33 nm in der Fotoluminiszenslänge zwischen dem Laser und dem Modulator. Die aktuelle Laserbetrieb-Wellenlänge beträgt 1540 nm, welche um 52 nm von der Spitze der Modulator-Fotoluminiszens verstimmt wird.

Die 7A und 7B sind Graphen des Ausgangs des elektroabsorptionsmodulierten, asymmetrischen Zwillingswellenleiterlasers, wie er in der 4 dargestellt ist. Die 7A stellt eine Graphen der Ausgangsleistung durch den Modulator gegenüber dem Laser-Antriebsstrom dar. 7B ist ein Graph des Ausgangsleistungs-Auslöschungsverhältnisses gegenüber der an dem Modulator angelegten Spannung.

Die Anmelder haben festgestellt, daß das Anordnen des Kontaktes 126, welcher typischerweise aus Metall hergestellt worden ist, in geringer Nähe zu dem Quantenschacht 124 dazu führen kann, daß ein optischer Verlust des fortschreitenden Signales in dem Quantenschacht 124 auftreten kann. Dementsprechend besteht daher eine Motivation dahingehend, die Distanz zwischen dem Modulator-Kontakt 126 und dem Quantenschacht 124 zu maximieren. Bei den modulierten Lasern der 1 bis 4 stellen die Mantelschichten bei dem Anschluß der Wellenleiter 714 und 716 eine Trennung zwischen dem Kontakt 126 und dem Quantenschacht 124 sicher. Um den optimalen Betrieb des Modulators zu erzielen, sollte die Dicke der Mantelschicht relativ groß sein, z.B. in dem Bereich von etwa 1 Mikrometer. Ein Reduzieren der Dicke des Mantels unterhalb 1 Mikrometers führt zu einem raschen Anstieg des Wellenleiterverlustes in der Modulatorsektion.

Die Anmelder haben des weiteren entdeckt, daß die Laserregion 104 der Vorrichtung 110 am besten arbeitet, wenn die Stärke des Mantels zwischen dem Wellenleiter 114 und 116 in etwa 0,5 Mikrometer beträgt. Wenn der Mantel in etwa 0,5 Mikrometer dick ist, stellt eine relativ kurze Konizität 121 einen sehr geringen Einkoppelungsverlust zwischen den Wellenleitern 114 und 116 zur Verfügung. Ein Ansteigen der Dicke des Mantels zwischen 0,8 und 1 Mikrometer benötigt einen Anstieg der Länge der Konizität, um einen geringen Einkoppelungsverlust aufrecht erhalten zu können. Ein Anstieg der Länge der Konizität macht die Konizität allerdings anfälliger für Herstellungsänderungen. Des weiteren können lange aktive Konizitäten zu hohen Schwellwert-Strömen führen, und zwar aufgrund der relativ langen nicht-radiativen Rekombinationen innerhalb der Konizität, was durch das Ätzen durch den Quantenschacht-Bereich verursacht wird.

Daher stellt die Optimierung der Arbeitsweise von dem Modulatorbereich 106 und von dem Laserbereich 104 einander widersprechende Auslegungsbedingungen dar – der Modulator arbeitet am besten, wenn die Mantelschicht zwischen dem Kontakt 126 und dem Quantenschacht 124 groß ist, während der Laser am besten arbeitet, wenn diese Mantelschicht minimiert ist. Bei einem Versuch, beide Auslegungsbedingungen zu erfüllen, haben die Anmelder eine Auslegung eines modulierten Lasers entwickelt, der mehr als zwei asymmetrische Wellenleiter aufweist. Das Einführen eines dritten Wellenleiters erlaubt es, daß die Laser- und Modulatorkomponenten unabhängig voneinander optimiert werden können.

Demgemäß ist eine elektroabsorptionsmodulierte Lasereinrichtung angegeben, die mehr als zwei asymmetrische Wellenleiter aufweist. Das Licht wird entlang eines ersten Wellenleiters verstärkt und dann über die laterale Konizität in einen zweiten Wellenleiter eingekoppelt. Der zweite Wellenleiter enthält einen verteilten Bragg-Reflektor, um die Stabilität der Leistung und der Wellenlänge in dem optischen Signal sicherzustellen. Das durch den Reflektor hindurchgehende Licht wird in einen dritten Wellenleiter über eine zweite laterale Konizität eingekoppelt. Ein Modulator in dem dritten Wellenleiter arbeitet derart, daß das Lichtsignal moduliert wird.

Die 8 zeigt eine perspektivische Ansicht einer exemplarischen elektroabsorptionsmodulierten Lasereinrichtung 710, die mehr als zwei asymmetrische Wellenleiter aufweist. Wie gezeigt, enthält die Einrichtung 710 den Laserwellenleiter 712, den passiven Wellenleiter 714 und den Modulatorwellenleiter 716, die alle auf dem Substrat 718 angeordnet sind. Die Materialien und die relativen Stärken von diesen Materialien, die die Wellenleiter 712,714 und 716 aufweisen, sind derart ausgewählt, daß ein unterschiedlicher Mode von Licht, jeder hat einen unterschiedlichen effektiven Brechungsindex, primär in jedem der Wellenleiter fortschreitet. Der Wellenleiter 712 hat laterale Konizitäten 722, die darin ausgebildet sind, um Licht zwischen dem Wellenleiter 712 und dem Wellenleiter 714 zu bewegen. In ähnlicher Art und Weise hat der Wellenleiter 714 eine laterale Konizität 724, die darin ausgebildet ist, um Licht zwischen dem Wellenleiter 714 und dem Wellenleiter 716 zu bewegen.

Der Wellenleiter 712 enthält einen Multiquantenschacht-Bereich 730, zum Verstärken des in dem Wellenleiter 712 fortschreitenden Lichtes. Der elektrische Kontaktbereich 732 des Lasers wird dazu verwandt, um eine Spannung an den Multiquantenschacht-Bereich 730 zum Zwecke der Verstärkung des Signals in dem Wellenleiter anzulegen. Bei dem exemplarischen Ausführungsbeispiel sind die Materialien und relativen Stärken von denjenigen Materialien, die der Wellenleiter 712 enthält, derart ausgewählt worden, daß ein einzelner Mode von Licht primär im Wellenleiter 712 fortschreitet. In einem exemplarischen Ausführungsbeispiel weist der einzelne Mode von Licht einen effektiven Brechungsindex von etwa 3,26 auf. Die laterale Konizität 722 arbeitet so, um das verstärkte Licht in den Wellenleiter 714 zu führen. Bei diesem exemplarischen Ausführungsbeispiel ist die Konizität 722 zwischen 100 und 250 Mikrometer.

Der Wellenleiter 714 ist unterhalb des Wellenleiters 712 positioniert und ist mit diesem einstückig ausgebildet. Der Wellenleiter 714 enthält einen passiven Fortschreitungsbereich 733, um das von dem Wellenleiter 712 empfangene Licht zu dem Gitterbereich 734 zu bewegen. Die Gitterbereiche 714 bilden einen Bragg-Reflektor, der überwiegend eine Frequenz von Licht zurückreflektiert.

Die laterale Konizität 724 arbeitet so, um das in dem Wellenleiter 714 fortschreitende Licht in den Wellenleiter 716 zu transferieren. Der Wellenleiter 714 besteht aus einem optischen hochqualitativen Material mit einem sehr geringen Verlust bei der Laserbetrieb-Wellenlänge, wie z.B. InGaAsP, das gitterförmig mit InP versehen ist. Des weiteren ist die Konizität 724 relativ lang, beispielsweise in einem Bereich zwischen etwa 250 und 600 Mikrometer. Das hochqualitative und einen geringen optischen Verlust aufweisende Material und die lange Konizität stellen eine effiziente Koppelung zwischen den Wellenleitern 714 und 716 zur Verfügung. Der Wellenleiter 714 ist so ausgelegt, um primär einen Mode von Licht zu leiten, wobei der Mode von Licht einen geringeren effektiven Brechungsindex aufweist, als der Mode von Licht, das in dem Wellenleiter 712 fortschreitet. In einem exemplarischen Ausführungsbeispiel beträgt der effektive Brechungsindex des Modes von Licht, das in dem Wellenleiter 714 fortschreitet, zwischen etwa 3,23 und 3,24.

Der Wellenleiter 716 ist vertikal unterhalb des Wellenleiters 714 positioniert und ist mit diesem einstückig ausgebildet. Der Wellenleiter 716 enthält einen Multiquantenschacht-Bereich 736 und hat einen darauf ausgebildeten elektrischen Kontakt 740. Der Kontakt 740 wird verwandt, um eine Sperr-Vorspannung an dem Quantenschacht-Bereich 736 anzulegen, um einen Bandlückenversatz sowie eine Absorption des in dem Wellenleiter fortschreitenden Lichtsignals zu induzieren. Die Sperr-Vorspannung eröffnet die Möglichkeit, das von dem Wellenleiter 716 ausgegebene Signal zu modulieren. Der Wellenleiter 716 ist so ausgelegt, um primär einen Mode von Licht zu leiten, wobei dieser Mode von Licht einen geringeren effektiven Brechungsindex aufweist, als der Mode von Licht, das in dem Wellenleiter 714 fortschreitet. In einem exemplarischen Ausführungsbeispiel beträgt der effektive Brechungsindex des Modes von Licht, das in dem Wellenleiter 716 fortschreitet, etwa 3,2 bis etwa 3,21.

Die 9 zeigt eine Teilansicht der modulierten Lasereinrichtung 710. Wie gezeigt, enthält in dem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Wellenleiter 712 eine p dotierte Mantelschicht 742, einen Multiquantenschacht-Bereich 730 und einen n dotierten Bereich 744. Der Wellenleiter 714 enthält einen n dotierten Bereich 746, einen passiven Wellenleiterbereich 733 und einen n dotierten Bereich 748. Der Wellenleiter 716 enthält einen n dotierten Bereich 750 und einen Multiquantenschacht-Bereich 736. Der p dotierte Bereich 752 ist in der n (dotierten) Mantelschicht 750 ausgebildet und arbeitet ähnlich wie die oben mit Bezug auf 3 beschriebene.

Die Fachleute auf diesem Gebiet werden erkennen, daß die Einfügung des Wellenleiters 714 zwischen dem Wellenleiter 712 und Wellenleiter 716 Laser- und Modulator-Abschnitte der Vorrichtung zur Verfügung stellen, die unabhängig voneinander optimiert werden können. Mit Bezug auf den Laserabschnitt von der Vorrichtung ist zu sagen, daß die jeweilige Stärke der Mantelschichten 744 und 746 bei dem Anschluß der Wellenleiter 712 und 714 minimiert werden kann, um eine kürzere Konizität 722 zur Verfügung zu stellen. Zum Beispiel beträgt in einem Ausführungsbeispiel die Mantel-Stärke etwa 0,5 Mikrometer, welches es ermöglicht, die Länge der Konizität 722 auf etwa zwischen 100 und 120 Mikrometer festzulegen. Die dünne Mantelschicht und die damit einhergehende kurze Konizität sorgt für eine effiziente Koppelung zwischen dem Quantenschacht-Bereich 730 und dem Gitter 734. Hinzukommt, daß der Wellenleiter 740 aus einem hochqualitativen optischen Material ohne Quantenschächte und mit sehr geringer optischer Verlustrate hergestellt ist. Diese Charakteristika reduzieren das Ausmaß des Verlustes in dem Gitter und in der Laser-Kavität. Desweiteren sorgt die relative Dünne der Mantelschichten für ein relativ flaches Gitter, um das Bragg-Gitter 734 auszubilden.

Im Hinblick auf den Modulator-Abschnitt der Einrichtung ist zu sagen, daß die Stärke von den Mantelschichten 748 und 750 bei dem Anschluß der Wellenleiter 714 und 716 maximiert werden kann, um so den Abstand zwischen dem Kontakt 740 und dem Quantenschacht-Bereich 736 zu vergrößern. Die vergrößerte Dicke von dem Mantel minimiert die Einflüsse bei dem Kontakt 740 durch Signale, die in dem Wellenleiter 716 fortschreiten.

Ein Wafer zur Verwendung bei der Herstellung eines auf einem asymmetrischen Wellenleiter basierenden modulierten Lasers, wie er oben mit Bezug auf die 8 und 9 beschrieben worden ist, kann wie folgt aufgebaut werden. Zuerst wird eine 0,5 &mgr;m dicke InP-Pufferschicht auf einem (100) p dotierten InP Substrats 718 aufgebaut. Als nächstes wird der Modulator MQWB-Bereich 736 aufgebaut. Der Modulator MQW-Bereich 736 enthält zehn InGaAsP-Quantenschächte mit einer Emissionswellenlänge von etwa &lgr; = 1,50 &mgr;m, die voneinander separiert sind mittels neun InGaAsP-Barrieren mit einer Bandlücken-Wellenlänge von etwa &lgr;g = 1,2 &mgr;m. Diese Schichten sind zwischen zwei separaten InGaAsP-(Bandlücken-Wellenlänge &lgr;g = 1,05 &mgr;m)-Schichten aus separaten eingeschlossenen Heterostrukturen (SCH) zwischengefügt, wobei jede dieser Schichten etwa 0,05 &mgr;m dick ist. Dem Modulator-Wellenleiter 716 folgt eine 1 &mgr;m dicke InP-Schicht, die diesen von dem passiven Wellenleiter 714 separiert. Der passive Wellenleiter 714 wird als nächstes aufgebaut und enthält eine 0,5 &mgr;m dicke InGaAsP(Bandlücken-Wellenlänge &lgr;g = 1,2 &mgr;m)-Schicht. Diese wird gefolgt von einer 0,22 &mgr;m dicken InP-Schicht, einer 0,05 &mgr;m dicken n+ dotierten InGaAsP-Schicht und einer anderen 0,22 &mgr;m dicken InP-Schicht. Der Laser-MQW-Wellenleiter 712 wird darauf aufgebaut. Der Laser-Wellenleiter 712 enthält fünf InGaAsP-Quantenschächte mit einer Emissionswellenlänge von &lgr; = 1,55 &mgr;m, welche separiert sind mittels vier InGaAsP-Barrieren mit einer Bandlücken-Wellenlänge von etwa &lgr;g = 1,2 &mgr;m. Diese Schichten sind zwischen zwei InGaAsP(Bandlücken-Wellenlänge &lgr;4 = 1,2 &mgr;m)-SCH-Schichten zwischengefügt, welche jeweils etwa 0,17 &mgr;m dick sind. Auf diesen Schichten ist eine 0,1 um InP-Schicht aufgebaut, die von einer 0,02 &mgr;m dicken InGaAsP-Ätzstoppschicht sowie ein 1 &mgr;m dicken InP-Abschlußmantelschicht gefolgt werden. Schließlich wird eine 0,2 &mgr;m p+ dotierte InGaAsP-Schicht (Bandlücken-Wellenlänge &lgr;4 = 1,2 &mgr;m) auf dieser Mantelschicht aufgebaut.

Die 10 ist ein Flussdiagramm für einen Herstellungsprozess eines elektroabsorptionsmodulierten asymmetrischen Zwillingswellenleiter-Lasers, wie er in den 8 und 9 dargestellt ist. Der modulierte Laser wird hergestellt mittels einer Reihe von Maskierungs- und Ätzschritten. Wie bei dem Schritt 910 gezeigt, wird eine monolithische Struktur, die oben beschriebene Schichten aufweist, aufgebaut mittels MBE oder MOCVD, zum Beispiel in einem einzelnen epitaxischen Schritt auf einem n+ dotierten Substrat 718. Bei dem Schritt 912 wird die Kontur des Wellenleiters 712, der eine laterale Konizität 722 darin ausgebildet aufweist, mittels Maskieren festgelegt und die umgebenden Schichten werden auf dem oberen Bereich des Wellenleiters 715 weggeätzt. Bei dem Schritt 914 wird der Wellenleiter 714, der eine darin ausgebildete laterale Konizität 724 aufweist, mittels Maskieren festgelegt und die umgebenden Bereiche werden auf dem oberen Bereich des Wellenleiters 716 geätzt. Bei dem Schritt 916 wird die Kontur des Wellenleiters 716 mittels Maskieren festgelegt und die umgebenden Schichten werden oben auf dem Substrat 718 weggeätzt. Bei dem Schritt 918 wird der Gitter-Reflektor 734 in dem Wellenleiter 714 mittels einer Interferometriemethode oder der e-Strahl-Lithographie ausgebildet. Bei dem Schritt 920 wird in dem Wellenleiter 716 die p+ Region 752 unter Verwendung von Akzeptor-Verunreinigungs-Diffusionstechniken ausgebildet. Bei dem Schritt 922 werden die Kontakte 120 bzw. 126 auf dem Wellenleiter 712 bzw. auf dem Wellenleiter 714 ausgebildet.

Die Einrichtungen, wie sie mit Bezug auf den 1 bis 10 beschrieben worden sind, verwenden ein DBR-Laserdesign. Es ist allerdings zu bemerken, daß eine erfindungsgemäße Einrichtung alternativ auch einen verteilten Rückführungs(DFB)-Laser verwenden könnte.

Die 11 zeigt eine perspektivische Ansicht einer elektroabsorptionsmodulierten Lasereinrichtung nach der Erfindung mit einem DFB-Laser. Wie gezeigt, enthält die Einrichtung gemäß 11 einen ersten Wellenleiter 1110 und einen zweiten Wellenleiter 1112. Der Wellenleiter 1110 enthält einen Verstärkungsbereich 1116 und ein Gitter 1118, um einen DFB-Laser zu bilden. Der Wellenleiter 1112 enthält einen Verstärkungsbereich 1120 und eine Modulatorbereich 1122. Ein aus dem DFB-Laser austretendes Signal wird über die laterale Konizität 1124 in den Wellenleiter 1114 transferiert, wo das Signal moduliert ist. Im Gegensatz zu den Ausführungsbeispielen, wie sie oben beschrieben worden sind, ist der Laserabschnitt der Einrichtung gemäß 11 vollständig in dem oberen Wellenleiter 1110 enthalten. Demzufolge sind keine Gitter-Abschnitte in dem zweiten Wellenleiter 1112 vorhanden.

Die in der 11 gezeigte Einrichtung stimmt mit den asymmetrischen Auslegungen, wie sie oben angegeben worden sind, überein. Demzufolge hat ein in dem Wellenleiter 1110 fortschreitendes Licht einen unterschiedlichen effektiven Brechungsindex als der Mode von Licht, das in dem Wellenleiter 1112 fortschreitet.

Die 12A und 12B zeigen Teilansichten von zwei alternativen Ausführungsbeispielen der Einrichtung gemäß 11. Wie gezeigt, ist in der Einrichtung gemäß 12A eine Isolation zwischen dem Laserbereich der Einrichtung und dem Modulator-Bereich der Einrichtung unter Verwendung eines Ionen-Implantat-Bereichs 1210 ausgebildet, welche auf ähnliche Art und Weise arbeitet, wie die Ausführungsbeispiele, die oben mit Bezug auf 4 beschrieben worden sind. Die Isolation in dem Ausführungsbeispiel gemäß 12D ist ausgebildet unter Verwendung eines Diffusionsbereichs 1212, welcher ähnlich arbeitet, wie ähnliche Ausführungsbeispiele, die oben mit Bezug auf 3 beschrieben worden sind. Bezüglich beider Ausführungsbeispiele ist der Gitterbereich 1118 auf dem Wellenleiter ausgeformt.

Daher sind nun verbesserte elektroabsorptionsmodulierte monolithische asymmetrische Wellenleiterlaser-Einrichtungen offenbart worden. Gemäß eines Aspektes der Erfindung ist ein elektroabsorptionsmodulierter asymmetrischer Zwillingswellenleiter basierender Laser PIC geschaffen. Gemäß eines anderen Aspektes der Erfindung ist ein elektroabsorptionsmodulierter Laser PIC mit mehr als zwei asymmetrischen Wellenleitern geschaffen. Die exemplarischen Ausführungsbeispiele der verbesserten Lasereinrichtungen stellen effeziente optische Koppelungen zwischen dem Laser un dem Modulator und effektive Isolation zwischen diesen Einrichtungen zur Verfügung. Die Einrichtungen können betrieben werden mit Geschwindigkeiten die mindestens so groß sind wie zwischen 10 und 40 Ghz. Die Einrichtungen sind relativ einfach und kostengünstig herstellbar.

Während die Erfindung beschrieben worden ist und gezeigt worden ist, mit Bezug auf spezielle Ausführungsbeispiele, ist es doch für Fachleute auf diesem Gebiet erkennbar, daß Modifikation und Variationen gemacht werden können, ohne von den Prinzipien der Erfindung, wie sie oben beschrieben und in den folgenden Ansprüchen fortgesetzt ist, abzuweichen. Zum Beispiel kann eine elektroabsorptionsmodulierter, asymmetrischer Wellenleiter-Laser gemäß der Erfindung Notierungsanordnungen und Materialien enthalten, die sich von dem beschriebenen unterscheiden. Desweiteren kann die Erfindung in einer großen Vielfalt von Einrichtungen angewandt werden. Zum Beispiel kann ein elektroabsorptionsmodulierter asymmetrischer Wellenleiter-Laser gemäß der Erfindung benutzt werden, um hochsenitive 40 GHz-Transmitter für optische Kommunikationsverbindungen herzustellen. Demgemäß sollte bezüglich des Umfangs der Erfindung auf die beigefügten Ansprüche Bezug genommen werden.


Anspruch[de]
Eine modulierte Lasereinrichtung (110), folgendes aufweisend:

einen ersten Wellenleiter (114, 1110) mit einem darin ausgebildeten Verstärkungsbereich zum Verstärken von mindestens einem ersten Mode von Licht;

einen zweiten Wellenleiter (116,1112) mit einem darin ausgebildeten Modulator (106, 1122) zum Modulieren eines zweiten Modes von Licht, das primär in diesem zweiten Wellenleiter fortschreitet, wobei dieser zweite Wellenleiter bezüglich zu diesem ersten Wellenleiter vertikal positioniert ist, dieser erste Wellenleiter eine darin ausgebildete laterale Konizität aufweist zum Transferieren dieses ersten Modes von Licht zwischen diesem ersten Wellenleiter und diesem zweiten Wellenleiter, und wobei dieser erste Mode von Licht einen effektiven Brechungsindex aufweist, der unterschiedlich zu demjenigen des zweiten Modes von Licht ist.
Eine modulierte Lasereinrichtung nach Anspruch 1, worin dieser erste Wellenleiter vertikal auf dem oberen Bereich von diesem zweiten Wellenleiter positioniert ist. Eine modulierte Lasereinrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, worin dieser zweite Wellenleiter einen Multiquantenschacht-Bereich (124) aufweist. Eine modulierte Lasereinrichtung nach Anspruch 3, worin eine an dem Multiquantenschacht-Bereich anliegende Rückwärtsspannung bewirkt, daß dieser zweite Mode von Licht moduliert wird. Eine modulierte Lasereinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, worin dieser erste Wellenleiter einen p dotierten Bereich (210), einen n dotierten Bereich (212) und einen Multiquantenschacht (118) aufweist, der zwischen dem p dotierten Bereich und diesem n dotierten Bereich positioniert ist. Eine modulierte Lasereinrichtung nach Anspruch 6, des Weiteren aufweisend ein p+ dotiertes oder ein n+ dotiertes Substrat (112), wobei dieser zweite Wellenleiter einen Multiquantenschacht (124) und einen n dotierten Bereich (214) aufweist, wobei dieser n dotierte Bereich in dem ersten Wellenleiter angrenzend an dem n dotierten Bereich in dem zweiten Wellenleiter positioniert ist. Eine modulierte Lasereinrichtung nach Anspruch 6, worin dieses Substrat n+ dotiert ist und dieser n dotierte Bereich von diesem zweiten Wellenleiter einen dotierten Bereich (220) des p Typs aufweist, der darin ausgebildet ist, um einen p-n-Anschluß für eine elektrische Isolierung dieses Modulators zu bilden. Eine modulierte Lasereinrichtung (710), folgendes aufweisend:

einen ersten Wellenleiter (712) mit einem darin ausgebildeten Verstärkungsbereich zum Verstärken von mindestens einem ersten Modes von Licht;

einen zweiten Wellenleiter (714) zum Leiten primär eines zweiten Modes von Licht, wobei dieser zweite Wellenleiter vertikal bezogen auf diesen ersten Wellenleiter, positioniert ist, wobei dieser erste Wellenleiter eine darin ausgebildete laterale Konizität aufweist zum Transferieren dieses ersten Modes von Licht zwischen diesem ersten Wellenleiter und diesem zweiten Wellenleiter, und worin dieser erste Modes von Licht einen effektiven Brechungsindex aufweist, der unterschiedlich ist zum demjenigen von diesem zweiten Modes von Licht; und

einen dritten Wellenleiter (716) mit einem darin ausgebildeten Modulator zum Modulieren eines drittten Modes von Licht, das primär in diesem dritten Wellenleiter fortschreitet, wobei dieser dritte Wellenleiter bezogen auf den zweiten Wellenleiter vertikal positioniert ist, wobei dieser zweite Wellenleiter eine darin ausgebildete laterale Konizität aufweist zum Transferieren dieses zweiten Modes von Licht zwischen diesem ersten Wellenleiter und diesem dritten Wellenleiter, und worin dieser zweite Modes von Licht einen effektiven Brechungsindex aufweist, der unterschiedlich ist zu demjenigen von dem dritten Modes von Licht.
Lasereinrichtung nach Anspruch 8, worin dieser dritte Modes von Licht einen effektiven Brechungsindex aufweist, der geringer ist als derjenige des zweiten Modes von Licht. Eine modulierte Lasereinrichtung nach Anspruch 8 oder 9, worin dieser erste Wellenleiter auf dem oberen Bereich von diesem zweiten Wellenleiter vertikal positioniert ist und dieser zweite Wellenleiter vertikal auf dem oberen Bereich von diesem dritten Wellenleiter positioniert ist. Eine modulierte Lasereinrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 8 bis 10, worin dieser dritte Wellenleiter einen Multiquantenschacht-Bereich (736) aufweist. Eine modulierte Lasereinrichtung nach Anspruch 11, worin an dem Multiquantenschacht-Bereich eine Rückwärtsspannung anliegt, die bewirkt, daß dieser dritte Modus von Licht moduliert wird. Eine modulierte Lasereinrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 8 bis 12, worin dieser erste Wellenleiter einen p dotierten Bereich (742), einen n dotierten Bereich (744) und einen Multiquantenschacht (730) aufweist, der zwischen dem p dotierten Bereich und diesem n dotierten Bereich positioniert ist. Eine modulierte Lasereinrichtung nach Anspruch 13, des Weiteren aufweisend ein p+ dotiertes oder ein n+ dotiertes Substrat (718), worin dieser dritte Wellenleiter einen Mulitquantenschacht (736) sowie einen n dotierten Bereich (750) aufweist. Eine modulierte Lasereinrichtung nach Anspruch 14, worin dieses Substrat n+ dotiert ist und dieser n dotierte Bereich von diesem dritten Wellenleiter einen dotierten Bereich (752) des p Typs aufweist, der darin ausgebildet ist, um einen p-n-Anschluß für eine elektrische Isolierung dieses Modulators zu bilden. Eine modulierte Lasereinrichtung nach irgendeinem der vorstehenden Ansprüche, worin dieser zweite Modes von Licht einen effektiven Brechungsindex aufweist, der geringer ist als derjenige des ersten Modes von Licht. Eine modulierte Lasereinrichtung nach irgendeinem der vorstehenden Ansprüche, worin dieser verstärkende Bereich einen Multiquantenschacht-Bereich (118, 730) aufweist. Eine modulierte Lasereinrichtung nach irgendeinem der vorstehenden Ansprüche, worin dieser Modulator ein Elektro-Absorptionsmodulator ist. Eine modulierte Lasereinrichtung nach irgendeinem der vorstehenden Ansprüche, worin dieser erste Wellenleiter oder dieser zweite Wellenleiter des Weiteren ein Gitter (128, 711, 1118) aufweist zum predominanten Reflektieren einer Frequenz von Licht. Eine modulierte Lasereinrichtung nach irgendeinem der vorstehenden Ansprüche, worin dieser erste Wellenleiter einen verteilten Rückkoppelungslaser (DFB) aufweist.






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