Monolithisch integrierte BH-Laserstruktur als Verstärkerelement mit integrierter Taperung der aktiven Laserschicht

Beschreibung

Die Neuerung bezieht sich auf eine monolithisch integrierte BH-Laserstruktur in Halbleiterschichtaufbau mit einer n-leitenden Schicht und einer p-leitenden Schicht und einem Heizmittel, wobei zumindest die p-leitende Schicht unter Zwischenlage einer Kontaktschicht und das Heizmittel über Kontaktpads auf der Oberseite der BH-Laserstruktur und die n-leitende Schicht auf der Unterseite der BH-Laserstruktur elektrisch kontaktiert sind, mit einer vergrabenen aktiven Laserdchicht, die unter Bildung eines Laserstreifens von zwei ätzgruben lateral begrenzt ist, und mit einer Frontfacette.

In External-Cavity (EC)- und Fibre-Grating (FG)-Lasern werden monolithisch integrierte Halbleiter-Laserstrukturen als verstärkendes Element (Gain- Element) eingesetzt. In solchen Lasern wird die Frontfacette der Halbleiter- Laserstruktur entspiegelt (AR) und durch ein externes Gitter (EC-Laser) oder durch ein Fasergitter (FG-Laser) ersetzt (vgl. Figur 1 zum Stand der Technik). Die in solchen Lasern eingebaute Koppelstelle (FG-Laser: Faser-Laserchip- Kopplung; EC-Laser: Gitter-Laserchip-Kopplung) führt zu inhärenten Koppelverlusten, die die Funktion des Lasers beeinträchtigen. Speziell für direkt modulierte EC- oder FG-Laser werden aufgrund der im Vergleich zu Laser- Strukturen mit Rippenwellenleiter (Ridge-Waveguide-Laserstrukturen, RW- Laserstrukturen) kleineren Betriebsströme, höheren Modulationsbandbreiten und des symmetrischeren Fernfeldes vorzugsweise vergrabene heterogene

Laserstrukturen (Buried-Heterostructure-Laserstrukturen, BH-Laserstrukturen) als Halbleiter-Verstärkungselement eingesetzt.

Stand der Technik

Die für die vorliegende Neuerung gattungsgemäße BH-Laserstruktur ist aus der DE 102 22 112 A1 bekannt. Hier wird die Struktur als elektrisch angesteuerte modengekoppelte Halbleiter-Pulsquelle ausgebildet. Dazu zeigt die Struktur eine Reihenschaltung aus einem aktiven Bereich mit einer Absorberund einer Verstärkersektion und einem passiven Bereich mit einer Heiz-, einer Phasen- und einer Gittersektion. Die aktive Schicht im aktiven Bereich verläuft mit konstantem Querschnitt und stößt nicht direkt an die Frontfacette an. Diese schließt sich an den passiven Bereich an. Besondere, die Lichtauskopplung verbessernde Maßnahmen wurden nicht ergriffen. Die Heizsektion weist einen Heizstreifen auf, der oberhalb des passiven Lichtwellenleiters angeordnet ist und somit nicht direkt auf die aktive Sektion einwirkt. Die elektrische Ansteuerung erfolgt über ein Kontaktpad, das auf der Oberseite der Laserstruktur angeordnet ist. Um die parasitären Kapazitäten der Laserstruktur möglichst klein zu halten (Voraussetzung für eine Direktmodulation der Laser), ist die aktive Schicht von zwei lateralen ätzgruben begrenzt. Die dadurch gebildete Laserrippe liegt mit ihrer obersten Schicht (Kontaktschicht) oberhalb der restlichen Laserstruktur außerhalb der beiden ätzgruben ab, sodass sie bei der Kontaktierung der Laserstruktur leicht beschädigt werden kann. Das n-leitende Substrat ist - wie bei allen Standard-Lasern üblich - auf der Unterseite der

Laserstruktur großflächig mit einem n-Kantakt kontaktiert. Zusätzlich ist auf der Oberseite der Laserstruktur noch ein n-Kontaktpad vorgesehen, das eine lateral zum Wellenleiter verlaufende n-Elektrode elektrisch kontaktiert. Die Kontaktpads liegen auf unterschiedlichen Höhen und werden über Luftbrücken angeschlossen. Ihre Anordnung und Kontaktierung ist entsprechend aufwändig.

Aus der DE 198 15 567 C2 ist es für eine monolithisch integrierte RW-Laser- struktur bekannt, einen Heizstreifen parallel zur aktiven Schicht auf der Laserrippe anzuordnen. Die Ansteuerung erfolgt über zwei Kontaktpads, die auf der gegenüber liegenden Seite des p-Kontaktpads liegen. Dabei liegen die Kontaktpads wiederum auf unterschiedlichen Höhenniveaus.

Aus der DE 203 20 771 U1 ist eine BH-Laserstruktur mit einem Diffraktionsgitter (DFB-Gitter) mit einem getaperten (sich verjüngenden) optischen Wellenleiter zur Aufweitung des optischen Nahfeldes an der Frontfacette bekannt. Dabei verläuft die Taperung lateral und/oder vertikal und ist in der lateralen Ebene gekrümmt. Durch diese gekrümmte Taperung kann eine Monomodigkeit in der Laserstruktur erzeugt werden. Gleichzeitig wird eine Reduzierung der Einkoppelverluste beispielsweise in eine optische Glasfaser erreicht. Durch die Krümmung in der Taperung kann eine Entspiegelung der auskoppelnden Laserfacette günstigstenfalls entfallen.

Aus der Veröffentlichung „High-Performance All-Active Tapered 1550 nm InGaAsP-BH-FP Lasers von M. Möhrle et al. (14th Indium Phosphide and Related Materials Conference 2002, Stockholm, Sweden, Proc. pp. 27-30) ist es für einen Fabry-Perot-Laser mit einer BH-Laserstruktur bekannt, eine lineare Taperung (Verjüngung) der aktiven Schicht zur Aufweitung des optischen Nahfeldes vorzusehen. Dabei kann die lineare Taperung grundsätzlich sowohl lateral als auch vertikal erfolgen.

Aufgabenstellung

Ausgehend von der durch die DE 102 22 112 A1 bekannten, gattungsgemäßen BH-Laserstruktur vor dem Hintergrund der anderen genannten Druckschriften ist die Aufgabe für die vorliegende Neuerung darin zu sehen, eine solche BH-Laserstruktur in der Ausbildung eines Verstärkungselements anzugeben, die eine optimale Lichtauskopplung an der Frontfacette ermöglicht

und die zudem einfach herstellbar und in ihrer emittierten Wellenlänge gut einstellbar ist. Die neuerungsgemäße Lösung für diese Aufgabe ist dem Hauptanspruch zu entnehmen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Neuerung werden in den Unteransprüchen aufgezeigt, die im Folgenden im Zusammenhang mit der Neuerung näher erläutert werden.

Die neuerungsgemäße BH-Laserstruktur in der Ausbildung als Verstärkungselement ist dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Schicht in Richtung auf die Frontfacette eine integrierte Taperung in zumindest lateraler Richtung aufweist, dass alle auf der Oberseite der BH-Laserstruktur vorgesehenen

Kontaktpads auf derselben Höhe angeordnet sind und dass das Heizmittel als integrierter und parallel zur aktiven Laserschicht verlaufender Heizdraht ausgebildet ist.

Die hier vorgestellte BH-Laserstruktur besitzt einen integrierten optischen

Taper zur Aufweitung des optischen Nahfeldes an der Frontfacette, sodass ein schmaler Fernfeldwinkel erreicht wird. Im Vergleich zu Standard-BH- Laserstrukturen können so erheblich niedrigere Koppelverluste an der Frontfacette erreicht werden (Beispiel: Kopplung in eine Butt-Faser: Reduzierung der optischen Verluste um 6dB). Wie eingangs schon erwähnt tragen niedrige Koppelverluste entscheidend zu einer Verbesserung der Performance von EC- und FG-Lasem bei. Je nach Anpassung des optischen Nahfelds an der Frontfacette an das Koppelelement, beispielsweise ein externes Gitter oder ein Fasergitter, kann eine nur laterale Taperung vorge- sehen sein, die parallel zur aktiven Laserschicht verläuft. Eine weitere

Fokussierung des Nahfeldes ergibt sich, wenn auch eine vertikale Taperung vorgesehen ist, die senkrecht zur aktiven Laserschicht verläuft. Zur Erreichung der Aufweitung des optischen Nahfelds ist eine lineare Taperung ausreichend. Vorteilhaft kann die Taperung aber auch einen gekrümmten Verlauf aufweisen, um aufgrund der entstehenden schrägen Frontfacette zusätzlich eine teilweise Entspiegelung dieser Facette zu erreichen. Die Anforderungen an die in FG- und EC-Lasem zusätzlich aufzubringenden Entspiegelungsschichten lassen

sich dadurch erheblich reduzieren. Dabei verläuft die gekrümmte Taperung bevorzugt in lateraler Richtung.

Die Anordnung aller Kontaktpads auf derselben Höhe bei der neuerungs- gemäßen BH-Laserstruktur stellt eine erhebliche Vereinfachung insbesondere beim Flip-Chip-Aufbau derartiger Laserstrukturen dar, da keinerlei Höhenunterschiede ausgeglichen werden müssen. Eine änderung der Anordnung, Form und Größe der Kontaktpads ist dabei ohne weiteres möglich.

Weiterhin wird bei der neuerungsgemäßen BH-Laserstruktur zur Einstellung der optischen Phase in EC- und FG-Lasern zusätzlich ein elektrisch ansteuerbarer Heizdraht integriert. Optional kann diese Laserstruktur auch mit einem oben liegenden n-Kontakt zur einfacheren Flip-Chip-Montage hergestellt werden.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der neuerungsgemäßen Laserstruktur ist vorgesehen, dass der Laserstreifen gegenüber der Laserstruktur außerhalb der beiden lateralen ätzgruben oberseitig tiefer liegt. Dies kann durch einen entsprechenden Schichtdickenaufbau erreicht werden. Der Vorteil des gegenüber den seitlichen Kontaktpads tiefer gelegten rippenartigen Laserstreifens besteht darin, dass der Laserstreifen bei der Handhabung der monolithisch integrierten BH-Laserstruktur (Laserchip) insbesondere durch Spalten und Flip-Chip-Aufbau nicht beschädigt werden kann.

Weiterhin kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass die n-leitende Schicht auch auf der Oberseite der BH-Struktur mittels zumindest eines Kontaktpads, das auf derselben Seite vom Laserstreifen angeordnet ist wie das Kontaktpad für die p-leitende Schicht, elektrisch kontaktiert ist. Die zusätzliche Anordnung eines n-Kontaktes auf die Oberseite der BH-Laserstruktur ermöglicht einen einfacheren elektrischen Anschluss beispielsweise bei der Integration der BH- Laserstrukturen in Module in Upside-Up- oder Flip-Chip-Konfiguration. Das eine oder die mehreren Kontaktpads sind großflächig ausgebildet und

kontaktieren die n-leitende Schicht beispielsweise über die Seite der BH- Laserstruktur.

Schließlich kann bei der neuerungsgemäßen BH-Laserstruktur noch vorge- sehen sein, dass der Heizdraht und seine Kontaktpads auf der dem Kontakt- pad von zumindest der p-leitenden Schicht gegenüber liegenden Seite des Laserstreifens angeordnet sind, wobei der Heizdraht in der entsprechend ausgenommenen ätzgrube oder in Höhe der Kontaktpads angeordnet ist. Im ersten Fall wird die ätzgrube so ausgeführt, dass auf der dem p-Kontaktpad gegenüber liegenden Seite des Laserstreifens ausreichend Platz für einen integrierten Heizdraht bleibt. Vorteilhaft ist bei dieser Anordnung der unmittelbare Einfluss des Heizdrahtes auf den Laserstreifen. Je nach Anwendung kann die Heizung aber auch auf der Höhe der Kontaktpads angeordnet sein, wodurch die ätzgrube nur geringere Abmaße aufweisen muss, der Heizeinfluss aber nicht so direkt einwirkt.

Ausführungsbeispiel

Ausbildungsformen der Neuerung werden nachfolgend anhand der schematischen Figuren näher erläutert. Dabei zeigt:

Figur 1 eine Seitenansicht eines FG-Lasers aus dem Stand der

Technik, Figur 2 eine Draufsicht auf die BH-Laserstruktur,

Figur 3 einen Querschnitt durch die BH-Laserstruktur gemäß Figur 2 und

Figur 4 eine perspektivische Ansicht der Taperung der BH-

Laserstruktur.

Die Figur 1 zeigt schematisch aus dem Stand der Technik einen FG-Laser FGL in der Seitenansicht. Dieser besteht aus einer BH-Laserstruktur BHL als Verstärkungselement VE und einer externen Faser EF mit einem integrierten Bragg-Gitter BG. Die BH-Laserstruktur BHL besteht aus einer aktiven Laser- schicht ALS, die auf der einen Seite mit einer hochreflektierenden Laserfacette HRF als Resonator und auf der anderen Seite mit einer teilreflektierenden Frontfacette FF zur Lichtauskopplung in die externe Faser EF versehen ist. An der Kopplungsstelle entstehen ohne weitere Maßnahmen große Koppelverluste. Die effektive Laserkavität LK zwischen der hochreflektierenden Laserfacette HRF und dem Bragg-Gitter BG hat eine Länge im Bereich von mehreren mm.

In der Figur 2 ist eine Draufsicht auf die monolithisch integrierte BH- Laserstruktur BHL in Halbleiterschichtaufbau als Verstärkungselement VE nach der Neuerung dargestellt. Zur erkennen ist ein Laserstreifen LS, der von einer linken ätzgrube LAG und einer rechten ätzgrube RAG lateral begrenzt wird. In einer Ausnehmung AN der linken ätzgrube LAG ist parallel zum Laserstreifen LS ein integrierter Heizdraht HD als Heizmittel zur thermischen Feinabstimmung der BH-Laserstruktur BHL angeordnet. Der Heizdraht HD wird durch zwei Heizdrahtpads HDP1 , HDP2 außerhalb der linken ätzgrube LAG elektrisch kontaktiert. Auf derselben Höhe H (vergleiche Figur 3) wie die beiden Heizdrahtpads HDP1 , HDP2 sind auf der gegenüberliegenden Seite des Laserstreifens LS außerhalb der rechten ätzgrube RAG ein p-Kontaktpad PP zur Kontaktierung einer zweiten p-leitenden Schicht PLS2 und zwei n- Kontaktpads NP1 , NP2 zur Kontaktierung einer ersten n-leitenden Schicht NLS1 der BH-Laserstruktur BHL angeordnet. Die großflächige elektrisch leitende Verbindung der n-Kontaktpads NP1 , NP2 mit der ersten n-leitenden Schicht NLS1 erfolgt seitlich (vergleiche Figur 3).

Die Figur 3 zeigt einen Querschnitt durch die Figur 2 an der markierten Stelle X-X in Pfeilrichtung (nicht maßstabsgerecht). Der Halbleiterschichtaufbau der

BH-Laserstruktur BHL ist zu erkennen. Ein Substrat bildet die erste n-leitende Schicht NLS1 , beispielsweise aus InP, und ist mit einem Rückseitenkontakt RSK großflächig n-leitend kontaktiert. Auf der ersten n-leitende Schicht NLS1 befindet sich eine erste p-leitende Schicht PLS1 , beispielsweise ebenfalls aus InP. In diese erste p-leitende Schicht PLS1 ist die aktive Laserschicht ALS eingebettet. Nach einer weiteren n-leitenden Schicht NLS2 folgt eine zweite p- leitende Schicht PLS2, auf der eine Kontaktschicht KS angeordnet ist.

Die aktive Laserschicht ALS wird lateral von der linken ätzgrube LAG und der rechten ätzgrube RAG begrenzt, sodass der Laserstreifen LS als Laserrippe LR ausgebildet ist. Seitlich der beiden ätzgruben LAG, RAG verbleiben entsprechende rippenartige BH-Laserstrukturen BHLR1, BHLR2. Die rechte rippenartige BH-Laserstruktur BHLR2 ist unterbrochen dargestellt (senkrechte Doppellinie), um die seitliche Kontaktierung der n-Kontaktpads NP1 , NP2 mit der ersten n-leitenden Schicht NLS1 aufzuzeigen. Die Laserrippe LR wird von der Kontaktschicht KS abgeschlossen, die elektrische Verbindung mit dem p- Kontaktpad PP hat. In Figur 3 liegt der Schnitt im Bereich der elektrischen Zuleitung, die auf der tiefer liegenden Laserrippe LR angeordnet ist, zum mittig angeordneten p-Kontaktpad PP. Dieses ist zusammen mit den n-Kontaktpads NP1 , NP2 auf der rechten rippenartigen BH-Laserstruktur BHLR2 angeordnet. Die rippenartigen BH-Laserstrukturen BHLR1 , BHLR2 weisen oberhalb der Kontaktschicht KS eine dritte p-leitende Schicht PLS3 auf, wodurch sie höher aufgebaut sind als die Laserrippe LR (H > HR) und diese mechanisch schützen. Die Oberfläche der BH-Laserstruktur BHL ist mit einer Deckschicht DS, beispielsweise aus SiNx, abgedeckt.

In der Figur 4 ist der Laserstreifen LS in perspektivischer Ansicht dargestellt. Die Körperkanten der BH-Laserstruktur BHL sind zur besseren Darstellung nur teilweise angedeutet. Im gewählten Ausführungsbeispiel weist der Laser- streifen LS in der Laserrippe LR eine ungekrümmte, lineare Taperung TP (Verjüngung) in der Horizontalebene in Richtung auf die Frontfacette FF hin

auf (nur aktive Laserschicht ALS mit benachbarter p- und n-leitender Schicht dargestellt). Eine zusätzliche oder alternative lineare Taperung TP des Laserstreifens LS in der Vertikalebene ist ebenfalls möglich. Durch die Taperung TP ergibt sich eine Aufweitung des optischen Nahfelds an der Frontfacette FF für eine verbesserte Lichtauskopplung in beispielsweise die externe Faser FE gemäß Figur 1. Ebenfalls kann eine gekrümmte Taperung TP, bevorzugt in lateraler Richtung, vorgesehen sein, um neben der Aufweitung des optischen Nahfelds eine teilweise Entspiegelung der Frontfacette FF zu erhalten.

Bezugszeichenliste

ALS aktive Laserschicht

AN Ausnehmung LAG

BG Bragg-Gitter

BHL BH-Laserstruktur

DS Deckschicht

EF externe Faser

FF Frontfacette

FGL FG-Laser

H Höhe Kontaktpads

HD Heizdraht

HDP Heizdrahtpad

HR Höhe LR _,

HRF hochreflektierende Laserfacette

KS Kontaktschicht

LAG linke ätzgrube

LK effektive Laserkavität

LR Laserrippe

LS Laserstreifen

NLS n-leitende Schicht

NP n-Kontaktpad

PLS p-leitende Schicht

PP p-Kontaktpad

RAG rechte ätzgrube

RSK Rückseitenkontakt

TP Taperung

VE Verstärkungselement