Die Erfindung betrifft ein optisch ^' es Hαlbleiterbαuelement gemäß Patentanspruch 1 .

Optische Halbleiterbauelemente werden in der digitalen optischen Nachrichtenübertragung z.B. als Sender- oder Empfängerbauelemente eingesetzt und an optische Wellenleiter einer Trägerplatte oder an optische Fasern angekoppelt. Insbesondere werden optische Halbleiterbauelemente mit tiefem Rippenwellenleiter in der Nachrichtenübertragung für höchste Bitfolgefrequenzen eingesetzt, da sie aufgrund ihrer niedrigen elektrischen Kapazität im Vergleich zu optischen Halbleiterbauelementen mit anderen Wellenleitertypen über die höchste Frequenzbandbreite verfügen.

Ein tiefer Rippenwellenleiter ist ein optischer Wellenleiter, der aus einer einem Substrat aufliegenden, mesaförmigen Rippe gebildet ist und in der Rippe Wellenleiterschichten enthält, die einen höheren Brechungsindex aufweisen als das Substrat. Insbesondere bei aktiv, d. h. gesteuert Licht absorbierend oder verstärkend betriebenen, tiefen Rippenwellenleitern enthält die Rippe optisch aktive Halbleiterschichten und damit eine Zone, welche den Übergang von p- dotiertem zu n-dotiertem Halbleitermaterial enthält. Die einige μm breite Rippe ist seitlich von elektrisch nichtleitendem Material mit deutlich kleinerem Brechungsindex umgeben, wie z.B. Luft oder Polyimid.

Im Gegensatz dazu wird unter einem flachen Rippenwellenleiter ein optischer Wellenleiter verstanden, bei dem zumindest ein Teil der vorhandenen

Wellenleiterschichten unterhalb einer einige μm breiten mesaförmigen Rippe angeordnet ist. Insbesondere bei aktiv betriebenen, flachen Rippenwellenleitern sind die optisch aktiven Halbleiterschichten nicht Teil der Rippe, wodurch die Zone, die den Übergang von p-dotiertem zu n-dortiertem Halbleitermaterial enthält, seitlich nicht auf die einige μm breite Rippe begrenzt ist.

Damit eine in einem optischen Halbleiterbauelement geführte Lichtwelle möglichst verlustfrei in einen optischen Wellenleiter oder in eine optische Faser eingekoppelt wird, ist es notwendig, daß das Modenfeld der Lichtwelle in dem Halbleiterbauelement an das Modenfeld einer Lichtwelle in dem optischen Wellenleiter oder der optischen Faser angepaßt ist. Dazu wird das Modenfeld der im Halbleiterbauelement geführten Lichtwelle entlang der Lichtausbreitungsrichtung adiabatisch aufgeweitet.

Zur Anpassung des Modenfeldes werden in optischen Halbleiterbauelementen Wellenleiter verwendet, die einen Übergangsbereich aufweisen, in welchem sich der Wellenleiter oder einzelne Schichten des Wellenleiters in lateraler Richtung, das ist die Richtung in Substratebene senkrecht zur Lichtausbreitungsrichtung, oder in vertikaler Richtung, das ist die Richtung senkrecht zur Substratebene, entlang einer Längsrichtung des Wellenleiters verjüngen oder aufweiten. Ein solcher Übergangsbereich wird auch als Taper bezeichnet. Insbesondere bezeichnet ein vertikaler Taper einen Übergangsbereich, in welchem die Schichtdicke einer Halbleiterschicht zu- oder abnimmt und ein lateraler Taper einen Übergangsbereich, in welchem die Breite eines Wellenleiters entlang einer Längsrichtung zu- oder abnimmt.

In dem Artikel "Compact InGaAsP / InP laser diodes with integrated mode expander for efficient coupling to flat-ended singlemode fibre" (T. Brenner et al, Electron. Lett. Vol.31 No.7 1995, S. 1443-1445) ist ein optisches Halbleiterbauelement mit flachem Rippenwellenleiter beschrieben. Es enthält eine optisch aktive Wellenleiterschicht sowie einen auf dieser Wellenleiterschicht angeordneten Rippenwellenleiter. Die Schichtdicke der optisch aktiven Wellenleiterschicht nimmt in einem Übergangsbereich entlang einer Längsrichtung des Rippenwellenleiters in Richtung einer Austrittsfacette des Bauelementes ab und der Rippenwellenleiter weitet sich lateral in Richtung

der Austrittsfαcette auf. Der Rippenwellenleiter einschließlich das Übergangsbereiches sind mit Elektroden ausgerüstet und werden durch Anlegen einer Spannung aktiv betrieben.

Das beschriebene Halbleiterbauelement weist eine höhere Kapazität auf, als Halbleiterbauelemente mit tief geätztem Rippenwellenleiter, insbesondere in dem aktiv betriebener! Übergangsbereich. Zudem werden in einem Rippenwellenleiter, in welchem die Modenfeldanpassung hauptsächlich durch einen aktiv betriebenen lateralen Taper erfolgt, höhere Moden als der Grundmode angeregt, so daß ein solcher Wellenleiter die Einmodigkeit verliert.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein optisches Halbleiterbauelement anzugeben, welches für höchste Übertragungsraten geeignet ist und eine möglichst verlustfreie Kopplung an eine optische Faser oder einen optischen Wellenleiter ermöglicht.

Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 . Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den abhängigen Patenansprüchen zu entnehmen.

Anhand der Figuren 1 bis 5 werden nachfolgend zwei Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen optischen Halbleiterbauelementes beschrieben. Es zeigen:

Figur 1 einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes optisches

Halbleiterbauelement in einem ersten Ausführungsbeispiel entlang einer Längsrichtung eines Wellenleiters senkrecht zu der Substratebene,

Figur 2 denselben Schnitt wie Figur 1 sowie zusätzlich den qualitativen Verlauf des Modenfeldes einer in dem Wellenleiter geführten Lichtwelle auf beiden Seiten eines Übergangsbereiches,

Figur 3 eine Draufsicht auf das Halbleiterbauelement des ersten Ausführungsbeispiels,

Figur 4 einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes optisches

Halbleiterbauelement in einem zweiten Ausfϋhrungsbeispiel entlang einer Längsrichtung eines Wellenleiters senkrecht zu der Substratebene und

Figur 5 eine Draufsicht auf das Halbleiterbauelement des zweiten Ausführungsbeispiels.

Ein erfindungsgemäßes optisches Halbleiterbauelement hat auf einem Substrat angeordnet einen tiefen Rippenwellenleiter. Eine Grundidee der Erfindung ist, daß dieser tiefe Rippenwellenleiter zwei Wellenleiterkerne besitzt, die durch eine Separationsschicht getrennt sind und daß in einem ersten Übergangsbereich des Rippenwellenleiters die Schichtdicke der Separationsschicht entlang einer Längsrichtung des Rippenwellenleiters zunimmt, wodurch sich der vertikale Abstand der beiden Wellenleiterkerne vergrößert. Dieser erste Übergangsbereich dient dazu, das Modenfeld einer in dem Rippenwellenleiter geführten Lichtwelle an das Modenfeld einer Lichtwelle in einer optischen Faser oder einem auf einer Trägerplatte befindlichen optischen Wellenleiter anzupassen.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Anpassung des Modenfeldes in dem ersten Übergangsbereich unabhängig von einer Variation der Schichtdicke des ersten Wellenleiterkernes entlang der Längsrichtung des Rippenwellenleiters ist. Der erste Wellenleiterkern kann optisch aktive Halbleiterschichten enthalten, deren Energiebandlücke durch ihre Schichtdicke und Materialzusammensetzung bestimmt ist. In diesem Fall ist die Anpassung des Modenfeldes unabhängig von der Energiebandlücke der optisch aktiven Halbleiterschichten und das optische Halbleiterbauelement kann somit aktive, d.h. gesteuert lichtverstärkende oder lichtabsorbierende Wellenleiterbereiche und passive, d.h. Licht unverstärkt weiterleitende Wellenleiterbereiche haben.

In Figur 1 ist ein Schnitt durch ein erfindungsgemäßes optisches Halbleiterbauelement BEI in einem ersten Ausführungsbeispiel gezeigt. Der Schnitt verläuft senkrecht zu der Ebene eines Substrates SUB entlang einer Längsrichtung L eines tiefen Rippenwellenleiters RIDGE.

Der tiefe Rippenwellenleiter RIDGE ist auf dem Substrat SUB angeordnet und enthält übereinander aufgebracht eine Pufferschicht BUF, einen ersten Wellenleiterkern MQW, eine Separationsschicht SEP, einen zweiten Wellenleiterkern BULK, eine Deckschicht DS und eine Metallkontaktschicht MK.

Der erste und der zweite Wellenleiterkern MQW, BULK weisen jeweils einen Brechungsindex auf, der größer ist, als die Brechungsindices der Deckschicht DS, der Separationsschicht SEP, der Pufferschicht BUF und des Substrates SUB. Dadurch wird eine Lichtwelle hauptsächlich in den beiden Wellenleiterkernen MQW, BULK geführt. Der erste Wellenleiterkern MQW ist durch die Separationsschicht SEP von dem zweiten Wellenleiterkern BULK getrennt.

In einem ersten Übergangsbereich UB1 nimmt die Schichtdicke der Separationsschicht SEP entlang der Längsrichtung L des Rippenwellenleiters RIDGE zu. Dadurch vergrößert sich der vertikale Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Wellenleiterkern MQW, BULK. Dies bewirkt, daß das Modenfeld einer in dem Rippenwellenleiter RIDGE geführten Lichtwelle aufgeweitet wird. Die Zunahme der Schichtdicke der Separationsschicht SEP ist so bemessen, daß das Modenfeld der in dem Rippenwellenleiter RIDGE geführten Lichtwelle an das Modenfeld einer Lichtwelle in einer optischen Faser oder einem auf einer Trägerplatte befindlichen optischen Wellenleiter angepaßt ist. Im Ausführungsbeispiel ist die Zunahme der Schichtdicke der Separationsschicht SEP so groß, daß sich die Schichtdicke auf einer Länge von 100 μm etwa verdreifacht.

Von besonderem Vorteil ist es, wenn die Zunahme der Schichtdicke der Separationsschicht SEP entlang der Längsrichtung L des Rippenwellenleiters RIDGE stetig erfolgt. Die in dem Rippenwellenleiter RIDGE geführte Lichtwelle wird dann in dem ersten Übergangsbereich UB1 besonders wenig gestreut und absorbiert. Die Zunahme der Schichtdicke der Separationsschicht SEP entlang der Längsrichtung L des Rippenwellenleiters RIDGE kann wie in dem ersten Ausführungsbeispiel linear erfolgen oder beispielsweise auch exponentiell.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung, bei der eine besonders starke Aufweitung des Modenfeldes erreicht wird, ist der zweite Wellenleiterkern BULK so gestaltet, daß dessen Schichtdicke in dem Übergangsbereich UB1 entlang der Längsrichtung L des Rippenwellenleiters RIDGE ebenfalls zunimmt, und zwar entlang derselben Richtung, entlang der auch die Schichtdicke der Separationsschicht SEP zunimmt. Dies ist in dem ersten Ausführungsbeispiel ebenfalls gezeigt.

Das optische Halbleiterbauelement BEI im ersten Ausführungsbeispiel weist eine Stirnseite F auf, aus der Lichtsignale austreten oder durch welche Lichtsignale in das optische Halbleiterbauelement BEI eintreten können. An dieser Stirnseite F ist eine optische Faser oder ein auf einer Trägerplσtte befindlicher optischer Wellenleiter ankoppelbar. Zu diesem Zweck ist die Separationsschicht SEP so ausgebildet, daß deren Schichtdicke entlang der Längsrichtung L des Rippenwellenleiters RIDGE zu der Stirnseite F hin zunimmt.

Der erste Wellenleiterkern MQW enthält ein Halbleiterschichtpaket mit Multi- Quantumwell-Struktur, das ist ein Halbleiterschichtpaket aus Halbleiterschichten mit abwechselnd einer großen und einer kleinen Bandabstandsenergie. Unter Bandabstandsenergie ist dabei der energetische Unterschied zwischen Valenz- und Leitungsband des Materials, aus dem die Schicht besteht zu verstehen. Diese Halbleiterschichten weisen in allen Bereichen des Rippenwellenleiters RIDGE dieselbe Schichtdicke auf. Daher wird das Halbleiterbauelement BEI in allen Bereichen des Rippenwellenleiter RIDGE aktiv, d.h. gesteuert lichtverstärkend oder lichtabsorbierend betrieben. Die Funktion des beschriebenen Bauelementes kann beispielsweise die eines direktmodulierbaren Lasers oder auch eines optischen Verstärkers sein.

Im ersten Ausführungsbeispiel bestehen Substrat SUB, Pufferschicht BUF, Deckschicht DS und Separationsschicht SEP aus einem Halbleiter vom lll/V- Verbindungstyp, wie InP oder GaAs. Die beiden Wellenleiterkerne MQW, BULK bestehen aus ternären oder quaternären Mischkristallen aus Elementen der Hauptgruppen III und V, wie InGaAsP, InGaAs oder InGaAlP. Es eignen sich für das Halbleiterbauelement jedoch auch Verbindungen jeweils aus Elementen der Hauptgruppen II und VI, IV und IV oder I und VII, je nachdem, bei welcher Wellenlänge das Halbleiterbauelement arbeiten soll.

In Figur 2 ist zusätzlich zu dem Schnitt aus Figur 1 der Verlauf des Modenfeldes einer in dem Rippenwellenleiter RIDGE geführten Lichtwelle auf beiden Seiten des ersten Übergangsbereiches UBl qualitativ gezeichnet. Dabei ist in der Längsrichtung L des Rippenwellenleiters RIDGE beispielsweise der Betrag des elektrischen Feldvektors der Lichtwelle aufgetragen und senkrecht zur Substratebene eine Ortskoordinate. Aus den gezeigten Diagrammen wird deutlich, daß das Modenfeld der Lichtwelle durch die Zunahme der Schichtdicke der Separationsschicht SEP aufgeweitet wird, da eine Lichtwelle hauptsächlich in Halbleiterschichten mit im Vergleich zu umgebenden Material höherem Brechungsindex geführt wird.

Das erfindungsgemäße optische Halbleiterbauelement BEI weist neben minimierten Kopplungsverlusten bei einer Ankopplung an eine optische Faser oder einen optischen Wellenleiter einer Trägerplatte den zusätzlichen Vorteil auf, daß eine Justierung zwischen Halbleiterbauelement und Faser bzw. Trägerplatte vereinfacht ist, da für eine verlustarme Kopplung höhere Justiertoleranzen zulässig sind als bei herkömmlichen optischen Halbleiterbauelementen mit tiefem Rippenwellenleiter. So erhöhen sich bei dem Halbleiterbauelement BEI des ersten Ausführungsbeispieles beispielsweise bei einer Dejustierung von 2 μm die Kopplungsverluste nur um etwa 1 dB. Desweiteren sind bei der Ankopplung an eine optische Faser keine Mikrolinsen erforderlich und es können einfache, einmodige optische Fasern mit flachem Ende verwendet werden.

In Figur 3 ist eine Draufsicht auf das Halbleiterbauelement BEI des ersten Ausführungsbeispiels dargestellt. Es ist das Substrat SUB zu sehen, dem der tiefe Rippenwellenleiter RIDGE aufliegt. Der Rippenwellenleiter RIDGE hat die Form eines Mesastreifens. Auf dem Rippenwellenleiter RIDGE ist in der ganzen Länge eine Metallkontaktschicht MK aufgebracht. In dem ersten Übergangsbereich UBl nimmt die Schichtdicke der Separationsschicht SEP entlang der Längsrichtung L zu.

Der Rippenwellenleiter RIDGE weist an seiner Stirnseite F einen Abschluß in Form einer integrierten Zylinderlinse LENS auf. Die Grundfläche dieser

integrierten Zylinderlinse LENS kann hyperbolisch, parabolisch oder in Form eines Kreissegmentes ausgebildet sein.

Der besondere Vorteil dieser Ausführung liegt darin, daß durch die Zylinderlinse eine zusätzliche Aυfweitung des Modenfeldes der Lichtwelle bewirkt wird. Mit einer geeigneten Form der Grundfläche der Zylinderlinse läßt sich erreichen, daß das Modenfeld der austretenden Lichtwelle symmetrisch ist, d. h. daß die austretende Lichtwelle einen kreisrunden Lichtfleck erzeugt, anstelle eines elliptischen. Kopplungsverluste sind in dieser Ausführung mit symmetrischem Modenfeld minimal.

In Figur 4 ist ein erfindungsgemäßes optisches Halbleiterbauelement BE2 in einem zweiten Ausführungsbeispiel im Schnitt gezeigt. Wie in Figur 1 verläuft der Schnitt senkrecht zu der Ebene eines Substrates SUB entlang einer Längsrichtung L eines tiefen Rippenwellenleiters RIDGE.

Das Halbleiterbauelement BE2 des zweiten Ausführungsbeispiels ist ähnlich aufgebaut wie das des ersten. Dem Substrat SUB liegt der tiefe Rippenwellenleiter RIDGE auf. Dieser tiefe Rippenwellenleiter RIDGE enthält übereinander angeordnet eine Pufferschicht BUF, einen ersten Wellenleiterkern MQW, eine Separationsschicht SEP, einen zweiten Wellenleiterkern BULK, eine Deckschicht DS und eine Metallkontaktschicht MK. In einem ersten Übergangsbereich UBl nimmt die Schichtdicke der Separationsschicht SEP und die Schichtdicke des zweiten Wellenleiterkernes BULK entlang der Längsrichtung L des Rippenwellenleiters RIDGE in Richtung einer Stirnseite F zu.

Auch im zweiten Ausführungsbeispiel enthält der erste Wellenleiterkern MQW ein Halbleiterschichtpaket mit Multi-Quantumwell-Struktur. Im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel weisen die Halbleiterschichten der Multi- Quantumwell-Struktur nicht in allen Bereichen des Rippenwellenleiters RIDGE dieselbe Schichtdicke auf. In einem zweiten Übergangsbereich UB2 nimmt die Schichtdicke der einzelnen Halbleiterschichten entlang der Längsrichtung L des Rippenwellenleiters RIDGE ab. Die Abnahme der Schichtdicke der einzelnen Halbleiterschichten erfolgt in der Richtung, in der die Schichtdicke der Separationsschicht SEP zunimmt.

Die Energiebαndlücke der Multi-Quαntumwell-Struktur und damit die Wellenlänge, bei der eine Multi-Quantumwell-Struktur optisch aktiv ist, hängt wesentlich von der Schichtdicke ihrer einzelnen Halbleiterschichten ab. Durch die Abnahme der Schichtdicke der einzelnen Halbleiterschichten in dem zweiten Übergangsbereich UB2 verschiebt sich die Wellenlänge, bei der die Multi-Quantumwell-Struktur optisch aktiv ist, zu kürzen Wellenlängen. Dadurch ist es möglich, einen Teil des Rippenwellenleiters RIDGE passiv, d. h. Licht unverstärkt weiterleitend, zu betreiben. Das optische Halbleiterbauelement BE2 weist einen aktiven Wellenleiterbereich AKT, in dem die Halbleiterschichten eine größere Schichtdicke haben, und einen passiven Wellenleiterbereich PAS, in dem die Halbleiterschichten eine kleinere Schichtdicke haben, auf. Eine M ^' etallkontaktschicht MK ist nur in dem aktiven Wellenleiterbereich AKT auf dem Rippenwellenleiter RIDGE aufgebracht.

Vorteilhafterweise ist der zweite Übergangsbereich UB2 so angeordnet, daß er zumindest teilweise mit dem ersten Übergangsbereich UBl überlappt. Dadurch wird eine insgesamt kürzere Baulänge des Halbleiterbauelementes BE2 erreicht. Es ist jedoch von Vorteil, wenn der zweite Übergangsbereich UB2 in der Längsrichtung L teilweise vor oder im vorderen Teil des ersten Übergangsbereiches UBl angeordnet ist, da dann der aktive Wellenleiterbereich AKT, der durch Injektion eines Stromes gepumpt werden muß, sich dann nicht über den ganzen ersten Übergangsbereich UBl erstreckt, wodurch der Strombedarf reduziert und die elektrische Kapazität verringert ist.

Der besondere Vorteil des optischen Halbleiterbauelementes BE2 des zweiten Ausführungsbeispiel liegt darin, daß die Anpassung des Modenfeldes einer Lichtwelle in dem ersten Übergangsbereich UBl unabhängig ist von einer Änderung in der Energiebandlücke der Multi-Quantumwell-Struktur. Dadurch ist vor allem erreicht, daß das optisches Halbleiterbauelement BE2 polarisationsunabhängig arbeitet, d.h. daß es Lichtsignale mit unterschiedlicher Polarisationsrichtung in gleicher Weise verarbeitet.

Figur 5 zeigt eine Draufsicht auf das optische Halbleiterbauelement BE2 des zweiten Ausführungsbeispiels. Dargestellt ist das Substrat SUB mit dem darauf angeordneten tiefen Rippenwellenleiter RIDGE.

In dem ersten Übergangsbereich UBl nimmt die Schichtdicke der Separationsschicht SEP entlang der Längsrichtung L zu. In dem zweiten Übergangsbereich UB2 nimmt die Schichtdicke der einzelnen Schichten der Multi-Quantumwell-Struktur des ersten Wellenleiterkernes MQW in der Längsrichtung L ab, wodurch der Rippenwellenleiter RIDGE einen aktiven AKT und einen passiven PAS Wellenleiterbereich aufweist. In einem dritten Übergangsbereich nimmt die Breite des Rippenwellenleiters RIDGE entlang der Längsrichtung L zu der Stirnseite F hin zu. Dies bewirkt eine zusätzliche Aufweitung des Modenfeldes einer im Rippenwellenleiter RIDGE geführten Lichtwelle, insbesondere in lateraler Richtung.

Der dritte Übergangsbereich UB3 ist so angeordnet, daß er sich in der Längsrichtung L zumindest größtenteils hinter dem zweiten Übergangsbereich UB2 befindet und mit dem ersten Übergangsbereich UBl teilweise überlappt. Somit befindet sich der dritte Übergangsbereich UB3, in welchem sich der Rippenwellenleiter RIDGE lateral verbreitert, vollständig oder zumindest größtenteils in dem passiven Wellenleiterbereich PAS und es können dadurch auch bei starker lateraler Verbreiterung keine Moden höherer Ordnung angeregt werden. Der Rippenwellenleiter RIDGE ist somit einmodig.

Der besondere Vorteil der Verbreiterung des Rippenwellenleiters RIDGE liegt darin, daß eine austretende Lichtwelle bei geeigneter Dimensionierung der Verbreiterung ein symmetrisches Modenfeld hat, wodurch Kopplungsverluste minimiert sind.