DE19626113A1 - Optisches Halbleiterbauelement mit tiefem Rippenwellenleiter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Halbleiterbauelement 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, EIectron. 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 Austrittsfacette 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 betriebenen 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 Fig. 1 bis 4 werden nachfolgend zwei Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen optischen Halbleiterbauelementes beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes optisches Halbleiterbauelement in einem ersten Ausführungsbeispiel entlang einer Längsrichtung eines Wellenleiters senkrecht zu der Substratebene,

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

Fig. 3 eine Draufsicht auf das Halbleiterbauelement des ersten Ausführungsbeispiels und

Fig. 4 eine Draufsicht auf ein Halbleiterbauelement in einem zweiten Ausführungsbeispiel.

Ein erfindungsgemäßes optisches Halbleiterbauelement hat auf einem Substrat angeordnet einen tiefen Rippenwellenleiter mit einem ersten Wellenleiterkern. Der erste Wellenleiterkern besitzt eine oder mehrere optisch aktive Halbleiterschichten. Ein erster 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. Eine Grundidee der Erfindung ist, zur Anpassung des Modenfeldes einer in dem Rippenwellenleiter geführten Lichtwelle einen lateralen Taper zu verwenden, das ist eine Schicht, deren Schichtdicke in dem ersten Übergangsbereich entlang einer Längsrichtung des Rippenwellenleiters abnimmt, diesen lateralen Taper jedoch unabhängig von der Schichtdickenstrukturierung der einen oder mehrerem optisch aktiven Halbleiterschichten auszuführen. Dazu enthält der Rippenwellenleiter einen zweiten Wellenleiterkern, dessen Schichtdicke in dem ersten Übergangsbereich zur Anpassung des Modenfeldes entlang der Längsrichtung abnimmt.

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. Da die Energiebandlücke der optisch aktiven Halbleiterschichten durch deren Schichtdicke und Materialzusammensetzung bestimmt ist, ist die Anpassung des Modenfeldes unabhängig von der Energiebandlücke der optisch aktiven Halbleiterschichten. Dadurch kann das optische Halbleiterbauelement aktive, d. h. gesteuert lichtverstärkende oder lichtabsorbierende Wellenleiterbereiche und passive, d. h. Licht unverstärkt weiterleitende Wellenleiterbereiche haben.

In Fig. 1 ist ein Schnitt durch ein erfindungsgemäßes optisches Halbleiterbauelement BE1 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 RlDGE ist auf dem Substrat SUB angeordnet, und enthält übereinander aufgebracht eine Pufferschicht BUF, einen ersten Wellenleiterkern MQW, 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 Pufferschicht BUF und des Substrates SUB. Dadurch wird eine Lichtwelle hauptsächlich in den beiden Wellenleiterkernen MQW, BULK geführt.

Der erste Wellenleiterkern MQW enthält eine oder mehrere optisch aktive Halbleiterschichten. Optisch aktive Halbleiterschichten stellen den Übergang von p-dotiertem zu n-dotiertem Halbleitermaterial dar und zeichnen sich dadurch aus, daß sie mit einer in dem Rippenwellenleiter RIDGE geführten Lichtwelle in Wechselwirkung treten. Dabei werden Elektronenübergänge zwischen Valenz- und Leitungsband der einen oder mehreren optisch aktiven Halbleiterschichten induziert, entweder in Form von Absorption oder induzierter Emission von Licht. Eine Lichtwelle wird dadurch verstärkt oder absorbiert, wobei der Verstärkungs bzw. Abschwächungsfaktor durch Wahl eines Injektionsstromes bzw. einer angelegten Spannung einstellbar ist.

Vorzugsweise handelt es sich bei den einen oder mehreren optisch aktiven Halbleiterschichten um ein Halbleiterschichtpaket mit Multi-Quantumwell-Struktur, das ist ein Halbleiterschichtpaket aus Halbleiterschichten mit abwechselnd einer großen und einer kleinen Bandabstandsenergie. Unter Bandabstandsenergie ist da bei der energetische Unterschied zwischen Valenz- und Leitungsband des Materials, aus dem die Schicht besteht zu verstehen.

In einem ersten Übergangsbereich UB1 nimmt die Schichtdicke des zweiten Wellenleiterkernes BULK entlang der Längsrichtung L des Rippenwellenleiters RIDGE ab. Dies bewirkt, daß das Modenfeld einer in dem Rippenwellenleiter geführten Lichtwelle aufgeweitet wird.

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

In Fig. 2 ist zusätzlich zu dem Schnitt aus Fig. 1 der Verlauf des Modenfeldes einer in dem Rippenwellenleiter RIDGE geführten Lichtwelle auf beiden Seiten des ersten Übergangsbereiches UB1 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 Abnahme der Schichtdicke des zweiten Wellenleiterkernes BULK aufgeweitet wird. Der Grund dafür liegt darin, daß die Lichtwelle in dem sich entlang des ersten Übergangsbereiches UB1 verjüngenden Wellenleiterkern BULK nicht mehr geführt wird und mehr und mehr in das umgebende Halbleitermaterial von Deckschicht DS, Substrat SUB und Bufferschicht PUF ausweicht.

Das optische Halbleiterbauelement BE1 im ersten Ausführungsbeispiel weist eine Stirnseite F auf, aus der Lichtsignale austreten oder durch welche Lichtsignale in das optische Halbleiterbauelement BE1 eintreten können. An dieser Stirnseite F ist eine optische Faser oder ein auf einer Trägerplatte befindlicher optischer Wellenleiter ankoppelbar. Zu diesem Zweck ist der zweite Wellenleiterkern BULK so ausgebildet, daß dessen Schichtdicke entlang der Längsrichtung L des Rippenwellenleiters RIDGE zu der Stirnseite F hin abnimmt.

In einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung nimmt die Schichtdicke der einzelnen Halbleiterschichten der Multi-Quantumwell-Struktur in einem zweiten Übergangsbereich UB2 entlang der Längsrichtung L des Rippenwellenleiters RIDGE ab. Die Abnahme der Schichtdicke der einzelnen Halbleiterschichten erfolgt in derselben Richtung, in der auch die Schichtdicke des zweiten Wellenleiterkernes BULK abnimmt.

Die Energiebandlücke einer Mutli-Quantumwell-Struktur und damit die Wellenlänge, bei der die 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 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 passiv, d. h. Licht unverstärkt weiterleitend, zu betreiben. Das optische Halbleiterbauelement BE1 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 Metallkontaktschicht 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 UB1 überlappt. Dadurch wird eine insgesamt kürzere Baulänge des Halbleiterbauelementes BE1 erreicht. Es ist jedoch von Vorteil, wenn der zweite Übergangsbereich UB2 in der Längsrichtung L teilweise vor oder im vorderen Teil des ersten Übergangsbereiches UB1 angeordnet ist, da der aktive Wellenleiterbereich AKT, der durch Injektion eines Stromes betrieben werden muß, sich dann nicht über den ganzen ersten Übergangsbereich UB1 erstreckt, wodurch der Strombedarf reduziert und die elektrische Kapazität verringert ist.

Der besondere Vorteil eines erfindungsgemäßen optischen Halbleiterbauelementes liegt darin, daß die Anpassung des Modenfeldes einer Lichtwelle in dem ersten Übergangsbereich UB1 des Halbleiterbauelementes unabhängig ist von einer Änderung in der Energiebandlücke der optisch aktiven Halbleiterschichten bzw. der Multi-Quantumwell-Struktur. Dadurch ist vor allem erreichbar, daß ein erfindungsgemäßes optisches Halbleiterbauelement polarisationsunabhängig arbeitet, d. h. daß es Lichtsignale mit unterschiedlicher Polarisationsrichtung in gleicher Weise verarbeitet.

Im ersten Ausführungsbeispiel bestehen Substrat SUB, Pufferschicht BUF und Deckschicht DS aus einem Halbleiter vom III/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 Haupgruppen II und VI, IV und IV oder I und VII, je nachdem, bei welcher Wellenlänge das Halbleiterbauelement arbeiten soll.

Das erfindungsgemäße optische Halbleiterbauelement BE1 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 optische Halbleiterbauelementen mit tiefem Rippenwellenleiter. So erhöhen sich bei dem Halbleiterbauelement BE1 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 Fig. 3 ist eine Draufsicht auf das Halbleiterbauelement BE1 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.

In dem ersten Übergangsbereich UB1 nimmt die Schichtdicke des zweiten Wellenleiterkernes BULK entlang der Längsrichtung L ab. 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 UB1 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.

Fig. 4 zeigt eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes optisches Halbleiterbauelement BE2 in einem zweiten Ausführungsbeispiel. Es weist dieselbe in Fig. 1 dargestellte vertikale Schichtstruktur auf, wie das Halbleiterbauelement BE1 im ersten Ausführungsbeispiel. Dargestellt ist das Substrat SUB mit dem darauf angeordneten tiefen Rippenwellenleiter RIDGE.

In dem ersten Übergangsbereich UB1 nimmt die Schichtdicke des zweiten Wellenleiterkernes BULK entlang der Längsrichtung L ab. 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.

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 LENS eine zusätzliche Aufweitung des Modenfeldes der Lichtwelle bewirkt wird. Mit einer geeigneten Form der Grundfläche der Zylinderlinse LENS 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.

Claims (7)

1. Optisches Halbleiterbauelement (BE1; BE2), das ein Substrat (SUB) und einen auf dem Substrat (SUB) angeordneten tiefen Rippenwellenleiter (RIDGE) mit einer Deckschicht (DS) hat, bei dem

• - der Rippenwellenleiter (RIDGE) einen ersten (MQW) und einen zweiten (BULK) Wellenleiterkern enthält, deren Brechungsindices jeweils größer sind, als die Brechungsindices der Deckschicht (DS) und des Substrates (SUB),
• - der erste Wellenleiterkern (MQW) eine oder mehrere optisch aktive Halbleiterschichten enthält und
• - die Schichtdicke des zweiten Wellenleiterkernes (BULK) in einem ersten Übergangsbereich (UB1) entlang einer Längsrichtung L des Rippenwellenleiters (RIDGE) abnimmt.

2. Optisches Halbleiterbauelement (BE1; BE2) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Stirnseite (F) für ein- oder austretende Lichtsignale aufweist und die Schichtdicke des zweiten Wellenleiterkernes (BULK) entlang der Längsrichtung L des Rippenwellenleiters zu der Stirnseite (F) hin abnimmt.

3. Optisches Halbleiterbauelement (BE1; BE2) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zunahme der Separationsschicht (SEP) stetig erfolgt.

4. Optisches Halbleiterbauelement (BE1; BE2) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den einen oder mehren optisch aktiven Halbleiterschichten des ersten Wellenleiterkernes (MQW) um ein Halbleiterschichtpaket mit Multi-Quantumwell-Struktur handelt.

5. Optisches Halbleiterbauelement (BE1; BE2) gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke einzelner Schichten des Halbleiterschichtpaketes des ersten Wellenleiterkernes (MQW) in einem zweiten Übergangsbereich (UB2) entlang derselben Richtung (L) abnimmt, entlang der die Abnahme der Schichtdicke des zweiten Wellenleiterkernes (BULK) erfolgt.

6. Optisches Halbleiterbauelement (BE1; BE2) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des Rippenwellenleiters (RIDGE) in einem dritten Übergangsbereich (UB3) entlang derselben Richtung (L) zunimmt, entlang der die Abnahme der Schichtdicke des zweiten Wellenleiterkernes (BULK) erfolgt.

7. Optisches Halbleiterbauelement (BE1; BE2) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rippenwellenleiter (RIDGE) an der Stirnseite (F) einen Abschluß (LENS) in Form einer integrierten Zylinderlinse aufweist mit hyperbolischer, parabolischer oder kreissegmentförmiger Grundfläche.