DE60107581T2

DE60107581T2 - Vielfachsegmentierter integrierter laser und herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE60107581T2
Application number: DE60107581T
Authority: DE
Inventors: Moti Margalit; Meir Orenstein
Original assignee: Lambda Crossing Ltd
Current assignee: Lambda Crossing Ltd
Priority date: 2000-09-06
Filing date: 2001-09-06
Publication date: 2005-10-06
Anticipated expiration: 2021-09-07
Also published as: WO2002021650A3; ATE284084T1; CA2421657A1; IL154662A0; US20020037023A1; EP1316129B1; AU2001288026A1; US6885689B2; WO2002021650A2; DE60107581D1; EP1316129A2

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung liegt im Gebiet von integrierten Lasern, die auf Diodenlasern beruhen, und betrifft einen integrierten Multisegment-Laser und ein Verfahren zu seiner Herstellung. Die Erfindung ist besonders für die optische Nachrichtentechnik und verwandte Anwendungen, wie z.B. Abstimmbarkeit, Modulation, Verstärkung, Wellenlängenkonversion, und andere nützlich.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Laserdioden weisen ein riesiges Gebiet von Anwendungen auf, und sie treiben das Gebiet der optischen Nachrichtentechnik voran. Dies ist auf ihre kleine Größe, verhältnismäßig einfache Konstruktion und hohe Zuverlässigkeit zurückzuführen. Um eine höhere Funktionalität von solchen Lichtquellen zu unterstützen, sind viele Konfigurationen, in denen ein "chipintegrierter" Laser aus mehreren funktionellen Segmenten zusammengesetzt ist oder an ihnen angebracht ist, in den letzten Jahren eingeführt worden. Das Folgende sind einige Beispiele für die bekannten Lichtquellen der spezifizierten Art:

(1) ein C³-Laser, wo Laserhohlräume monolithisch kaskadiert sind (US-Patent No. 4,622,671);
(2) ein DBR-Laser, wo das (die) aktive(n) Segmente) zwischen zwei Gittersegmenten eingefügt ist (sind) (Y. Suematsu, S. Arai und K. Kishino, "Dynamic Single Mode Semiconductor Laser with a Distributed Reflector", IEEE J of Lightwave Tech. LT-1, 161 (1983));
(3) ein Leistungsverstärker des Steuersenders (MOPA), wo das Lasersegment an einem Leistungsverstärkersegment angebracht ist (US-Patent No. 5,126,876); und
(4) ein monolithisch integrierter extern modulierter Laser, wo das Lasersegment an einem externen Modulatorsegment angebracht ist (US-Patent No. 5,548,607)

Sämtliche obigen Konfigurationen nach dem Stand der Technik leiden unter entscheidenden Schwierigkeiten bei ihrer Herstellung und bei der Möglichkeit, ihre Funktionalität auszuweiten. Eines der Schlüsselprobleme besteht darin, einen chipintegrierten Laserspiegel zu erzeugen, wobei die funktionell unterschiedlichen Segmente des Lasers voneinander separiert sind. Verschiedene Technologien sind vorgeschlagen worden, um diese Idee zu verwirklichen, wie z.B. chipintegriertes Ätzen oder Spalten oder eine Verwendung von Gittern mit Submikrometerperioden. Jedoch sind aufgrund der technologischen Schwierigkeiten alle vorhandenen Vorrichtungen der spezifizierten Art, wie z.B. abstimmbare integrierte Quellen, MOPA, monolithische modengekoppelte Laser und monolithische extern modulierte Laser, schwierig anzufertigen und sind folglich kostspielig.
Die internationale Anmeldung WO01/27692, veröffentlicht nach dem Prioritätsdatum der Anmeldung, offenbart eine Wellenleiterstruktur, eine Verbesserung eines Mach-Zehnder-Interferometers, umfassend zwei Ring-artige Mikrohohlräume und zwei lineare Steg-Wellenleiter, die mit den Ring-artigen Mikrohohlräumen gekoppelt sind. Der Brechungsindex von einem der linearen Steg-Wellenleiter wird durch ein Heizerelement, das mit einer Elektrode verbunden ist, modifiziert, um die optische Phase zu steuern, die durch die beabstandeten Wellenleiter zwischen den Ring-artigen Wellenleitern mitgeteilt wird. Die Änderung im Brechungsindex induziert die erforderliche Phasenverschiebung, um das Frequenzverhalten des ganzen Verbundresonators und folglich seine Lichtenergiespeicherkapazität zu ändern.
Das japanische Patent JP-A-06227683 offenbart eine Halbleiterstruktur, die konfiguriert ist, um vier Zustände von Resonatorkombinationen zu ermöglichen, die vier lineare Wellenleiter und einen einzigen kreisförmigen Wellenleiter umfassen. Ein Verzweigungsgebiet, das mit einer Elektrode verbunden ist, ist vorgesehen, wo die Wellenleiter körperlich verbunden sind, um die optische Kopplung zu ermöglichen oder nicht.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Demgemäß gibt es im Stand der Technik ein Erfordernis, die Herstellung und den Betrieb von integrierten Lasern zu erleichtern, indem eine neue Multisegment- Laserdiode und ein Verfahren zu ihrer Herstellung bereitgestellt wird, um die Funktionalität des Lasers zu verbessern, indem eine Trennung zwischen den funktionell unterschiedlichen Segmenten des Lasers bereitgestellt wird.
Die vorliegende Erfindung macht sich den Vorteil des Konzepts eines komplexen Hohlraum(-Resonator)s zunutze, der auf zwei Segmenten von Wellenleitern beruht, die durch mindestens zwei integrierte Ringmikrohohlräume miteinander gekoppelt sind. Diese Technik ist von den Erfindern der vorliegenden Anmeldung entwickelt worden und ist in der WO 01/27692 offenbart, die auf den Rechtsnachfolger der vorliegenden Anmeldung übertragen ist. Die Hauptidee der vorliegenden Erfindung beruht darauf, sich eine solche Konfiguration eines komplexen Hohlraums als die Haupttechnologie zur Erzeugung von funktionellen Multisegment-Lasern zunutze zu machen. Entsprechend diesem Konzept sind die Laserspiegel Ringmikrohohlräume, die von einer sehr hohen Qualität sein können, wodurch die Verwirklichung von Spiegeln mit einem gewünschten Reflexionsvermögen ermöglicht wird, während wie gespaltene oder wie geätzte Spiegel der bekannten Techniken auf ungefähr 30% Reflexionsvermögen begrenzt sind. Dies erleichtert die Erzeugung von ultrakurzen Hohlraumlasern. Der Ringspiegel ist Wellenlängen-empfindlich und kann folglich sowohl zum Stabilisieren der Laserfrequenz als auch ihrem Abstimmen verwendet werden, indem die Ringparameter extern geändert werden.
Das einzigartige Merkmal der obigen Konfiguration besteht daraus, dass von einem Ringspiegel reflektiertes Licht in einen von demjenigen der Ausbreitung von einfallendem Licht verschiedenen Kanal (Wellenleiter) eintritt. Daher wird ein zusätzliches Segment im Laserhohlraum erzeugt, das für eine zusätzliche Funktionalität genutzt werden kann (z.B. aktive Modenkopplung, interne EA-Modulation usw.). Die Technologie auf Ringspiegel-Basis erfordert keine Submikrometerauflösung (d.h. etwa 0,2 μm für die DBR-Gitter). Der Ringspiegel ist verhältnismäßig klein (z.B. in der Größenordnung von 5–50 μm im Durchmesser). Der Ringspiegel ist mindestens ein Viertorverzweiger, der weiter verwendet werden kann, um die Funktionalität und Interchipanschlussfähigkeit der Multisegment-Laser zu verbessern. Sämtliche Segmente (lineare und Ring-Wellenleiter) werden so bedeckt und Elektroden werden so abgeschieden, dass jedes der Segmente separat angesteuert werden kann (durch die Injektion eines Stroms oder durch Anlegen eines elektrischen Feldes).
Da optische Wellenleiter auf eine komplexe Weise verwirklicht werden können, ist die allgemeine Größe, die das Verhalten des eingeschlossenen Lichts kennzeichnet, der effektive Brechungsindex des Wellenleiters. In herkömmlichen passiven Vorrichtungen ist der Unterschied zwischen dem effektiven Brechungsindex des Wellenleiters und dem Index des umgebenden Mediums typischerweise kleiner als 1%. In einem Halbleiterdiodenlaser ist der effektive Indexunterschied etwa 10%. Wenn Ringmikroresonatorstrukturen (mit einem kleinen Radius) verwendet werden, muss der effektive Brechungsindex des Ringwellenleiters verhältnismäßig groß sein, d.h. typischerweise im Bereich von 10%–20% (abhängig vom Ringdurchmesser), um einer engen Modeneinschließung und kleinen Verlusten Rechnung zu tragen.
Es versteht sich, dass die hierin verwendeten Begriffe "Ring" oder "ringartig" jegliche ausreichend glatte Struktur einer Closed-Loop- oder Ring-artigen Form bezeichnen, wie z.B. elliptisch, Stadion-artig usw., und nicht notwendigerweise eine kreisförmige Form. Folglich wird gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Multisegment-Laserdiodenstruktur bereitgestellt, umfassend zwei beabstandete lineare Wellenleitersegmente und zwei beabstandete Ring-artige Wellenleitersegmente, die auf einem Substrat getragen werden, wobei jedes der Ring-artigen Wellenleitersegmente mit jedem der linearen Wellenleitersegmente gekoppelt ist, wobei mindestens eines der Wellenleitersegmente ein aktives Lasermaterial umfasst, wobei die Segmentenanordnung einen separaten elektrischen Kontakt mit jedem der Segmente ermöglicht, wodurch ein separater Betrieb von jedem der Segmente durch eine Strominjektion oder Anlegen eines elektrischen Feldes ermöglicht wird.
Die Vorrichtung gemäß der Erfindung ist in Anspruch 1 definiert. Das Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung ist in Anspruch 26 definiert.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist jedes der Wellenleitersegmente aus einem aktiven Lasermaterial hergestellt. In diesem Fall werden die Segmente entweder durch das Trockenätzen einer Halbleiterschichtstruktur, wie typischerweise bei der herkömmlichen Steg-basierten Laserherstellung verwendet, oder durch einen planaren Prozess auf Grundlage von Protonenimplantation innerhalb der Gebiete, die die Segmente umgeben, erzeugt, um einen Gain-Guiding-Laser zu erzeugen.
Die spezielle Schichtstruktur sowie die körperliche Trennung zwischen den Ringartigen und linearen Wellenleitersegmenten ist so konstruiert, dass das erforderliche optische Koppeln zwischen den Segmenten bereitgestellt wird. Jedes der Segmente kann zur Modulation, Abstimmung, Güteschaltung und Modenkopplung verwendet werden.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung enthalten nur die linearen Wellenleitersegmente das laseraktive Material und sind durch herkömmliches Trockenätzen definiert. Anschließend wird ein Tiefätzgraben (unterhalb der aktiven Schicht) zwischen den zwei linearen Steg-Segmenten geätzt. Dann wird der Interlaser-Zwischenraum durch eine dünne Schicht mit niedrigem Index und anschließend durch eine Schicht mit hohem Index bedeckt, in der die Ringmikrohohlräume definiert und anschließend bedeckt werden. Die Ringsegmente können verwendet werden, um den Laser abzustimmen (z.B. durch den thermooptischen Effekt).
Die obigen Hohlräume können mit externen Segmenten entweder horizontal oder vertikal (zur Miniaturisierung) durch einen oder die zwei Ringe gekoppelt werden (z.B. mit einem Leistungsverstärker oder externen Modulator oder mit einem passiven Wellenleiter).
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Multisegment-Laserdiodenstruktur bereitgestellt, wobei das Verfahren umfasst:

(a) Wachsen einer Halbleiterstruktur mit einem p-n-Übergang zwischen zwei Halbleiterschichten und einer aktiven Laserschicht innerhalb des Übergangs;
(b) Mustern der Halbleiterstruktur und Ausführen von Schichtabscheidungsprozessen, um zwei beabstandete lineare metallisierte Steg-Segmente und zwei beabstandete Ring-artige metallisierte Steg-Segmente zu definieren, wobei die Segmentenanordnung eine gewünschte optische Kopplung jedes der Ring-artigen Segmente mit jedem der linearen Segmente bereitstellt, wobei jedes der Steg-Segmente mit einer Metallschicht darauf gebildet wird;
(c) Abscheiden einer Abdeckschicht auf einer Struktur, die in Schritt (b) erhalten wird, wobei Kontaktfenster über jedem der Segmente berücksichtigt werden; und
(d) Ausführen einer weiteren Metallabscheidung, um vier elektrische Kontakte mit der Metallschicht oben auf den vier Segmenten respektive zu bilden.

Das Mustern der Halbleiterstruktur kann ein Mustern der oberen Schicht derselben umfassen, um sowohl die linearen Wellenleitersegmente als auch das Ringwellenleitersegment zu definieren, wobei sämtliche Segmente dadurch ein aktives Lasermaterial enthalten. Alternativ kann das Mustern der Halbleiterstruktur umfassen: Mustern der oberen Schicht derselben, um die beabstandeten linearen Wellenleitersegmente zu definieren, und Mustern (Ätzen) der oberen und aktiven Laserschicht unter der oberen Schicht oder aller drei Schichten der Halbleiterstruktur im Raum zwischen den linearen Wellenleitern, wodurch ein Interlaser-Zwischenraum definiert wird. In diesem Fall sind die zwei Ringwellenleitersegmente in einer Schicht mit hohem Brechungsindex definiert, die in dem Interlaser-Zwischenraum oben auf einer Schicht mit niedrigem Brechungsindex (Pufferschicht) abgeschieden ist.
Gemäß noch einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine integrierte optische Vorrichtung bereitgestellt, umfassend eine Multisegment-Laserdiodenstruktur, die wie oben beschrieben konstruiert ist, und ein zusätzliches Wellenleitersegment, das mit mindestens einem der linearen oder Ring-artigen Wellenleiter optisch gekoppelt ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Um die Erfindung zu verstehen und um einzusehen, wie sie in der Praxis durchgeführt werden kann, wird nun nur anhand von nicht beschränkenden Beispielen eine bevorzugte Ausführungsform mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
Die 1 bis 3 veranschaulichen die Hauptstadien bei der Herstellung einer Laserstruktur gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, wobei 1 eine Struktur nach dem Trockenätzschritt veranschaulicht; 2 veranschaulicht die Struktur von 1 nach der Abscheidung einer Abdeckschicht und Öffnen eines Kontaktfensters; und 3 veranschaulicht die Struktur von 2 nach Abscheidung der Elektrode;
4 veranschaulicht einen Querschnitt der Struktur von 3, aufgenommen entlang der Linie A-A;
die 5A und 5B veranschaulichen eine Draufsicht bzw. Querschnittsansicht einer Laserstruktur gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung;
6 veranschaulicht eine Laserstruktur gemäß noch einer anderen Ausführungsform der Erfindung; und
die 7A und 7B veranschaulichen respektiv zwei weitere Beispiele einer Struktur gemäß der Erfindung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Mit Bezug auf die 1–3 sind dort Hauptarbeitsschritte bei der Herstellung einer Multisegment-Laserdiodenstruktur entsprechend einem Beispiel der Erfindung veranschaulicht, d.h. eines Lasers vom Index-Guide-Typ, der typischerweise einen aktiven Bereich aufweist, der zwischen n- und p-Typ-Halbleiterschichten eingefügt ist, die auf einem Substrat gewachsen sind.
1 stellt eine Struktur 10 dar, die durch solche Hauptprozesse von integrierter Technologie erhalten wird, wie Abscheidung, Metallisierung und Steg-Ätzung. Folglich ist die Struktur 10 aus einer Substratschicht L₀ (d.h. die aus GaAs oder InP hergestellt ist), die eine Laserschichtstruktur L₁ trägt, die durch sequenzielles Abscheiden einer n-Typ-Halbleiterschicht L₂, einer aktiven Laserschicht L₃ und einer p-Typ-Halbleiterschicht L₄ gebildet ist, um einen p-n-Übergangsbereich zwischen den Halbleiterschichten zu definieren. Wenn man das GaAs-Substrat L₀ verwendet, ist die n-Typ-Schicht L₂ mit Si dotiertes AlGaAs, die Schicht L₃ ist undotiertes AlGaAs, das mehrere Quantentöpfe von GaAs oder InGaAs enthält, und die p-Typ-Schicht L₄ ist ein weiteres AlGaAs, dotiert mit Be oder C. Wenn man das InP-Substrat L₀ verwendet, ist die n-Typ-Schicht L₂ mit n-Dotiermittel dotiertes InP/InGaAsP, die Schicht L₃ ist die laseraktive Schicht, die aus mehreren Quantentöpfen von InGaAsP hergestellt ist, und die Schicht L₄ ist eine weitere InP/InGaAsP-Schicht mit p-Dotierung (z.B. C).
Die Schicht L₄ wird geeignet gemustert, um zwei parallele beabstandete lineare Steg-Segmente W₁ und W₂ und zwei beabstandete Ring-artige Steg-Segmente R₁ und R₂ zu bilden. Eine Metallschicht L₅ (das sogenannte p-Metall) (z.B. Ti/Pt/Au) wird dann auf der Oberfläche der gemusterten p-Typ-Halbleiterschicht L₄ abgeschieden und geätzt, um eine Metallbeschichtung oben auf jedem von den Steg-Segmenten zu liefern. Die Metallschicht kann vor Ätzen der Schicht L₄ abgeschieden und geätzt werden, und kann auch als Ätzmasken für das Ätzen der Schicht L₄ dienen.
Die linearen Steg-Segmente W₁ und W₂ dienen als Wellenleiter, und die Ring-Steg-Segmente R₁ und R₂ dienen als Resonatorringleitungshohlräume zwischen den zwei Wellenleitern, wobei sämtliche Wellenleiter ein aktives Lasermaterial enthalten. Die Renatorhohlräume (Ringe) dienen als frequenzselektive Spiegel, wobei die Renatorhohlräume und die Wellenleiterabschnitte zusammen einen Closed-Loop-Verbundresonator erzeugen. Die physikalischen Eigenschaften des Verbundresonators können gesteuert werden, um seine optischen Speichereigenschaften (Brechungsindizes) einzustellen. Im Allgemeinen induziert die Änderung im Brechungsindex die erforderliche Phasenverschiebung, um das Frequenzverhalten des Verbundresonators zu ändern. Eine solche aktive Phasenbeeinflussung kann erzielt werden, indem man jegliche geeigneten thermooptischen, elektrooptischen, piezoelektrischen oder dergleichen Effekte hauptsächlich in den Ringresonatorbereichen aber auch auf den linearen Wellenleiterbereich zwischen den Ringen ausübt.
2 veranschaulicht eine Struktur 12, die durch Anwendung weiterer Abscheidungs- und Ätzprozesse auf die Struktur 10 erhalten wird. Wie dargestellt, wird eine Passivierungs- oder Abdeckschicht L₆ (z.B. Polyimid) oben auf der Struktur 10 abgeschieden und wird dann selektiv geätzt, um Kontaktfenster CW zu öffnen, die folglich zur weiteren Verarbeitung freigelegt werden.
3 veranschaulicht die ganze Laserstruktur 14, die durch Anwendung eines Metallabscheidungsprozesses auf die Struktur 12 erhalten wird, um Elektroden E₁–E₄ über den Steg-Segmenten herzustellen. Folglich stellen die Elektroden E₁ und E₂ und die Elektroden E₃ und E₄ Kontaktflecke für die zwei linearen Segmente (Wellenleiter) W₁ und W₂ bzw. zwei Ringsegmente R₁ und R₂ dar.
Indem man sich nun 4 zuwendet, ist dort eine Querschnittsansicht der Struktur 14 entlang der Linie A-A (3) dargestellt, wobei ein Lichtkopplungsschema (Pfeile 16) in der Struktur 14 dargestellt ist. Licht wird vom Wellenleiter W₁ zum Wellenleiter W₂ durch die Resonatorringe R₁ und R₂ entsprechend der Resonanzbedingung derselben (selektiver Frequenzbereich) gekoppelt. Wie dargestellt, sind die Elektroden so angeordnet, dass jedes der Segmente durch die Injektion eines Stroms oder durch Anlegen eines elektrischen Feldes separat angesteuert werden kann.
Im obigen Beispiel werden die Segmente durch Trockenätzen der Halbleiterschichtstruktur und der Laserstruktur vom Index-Guide-Typ erzeugt. Bezug wird nun auf die 5A oder 5B genommen, die eine Laserstruktur 100 entsprechend einem anderen Beispiel der Erfindung darstellen, d.h. einen Laser vom Gain- Guide-Typ.
5A veranschaulicht eine Draufsicht auf die Struktur 100, und die 5B veranschaulicht einen Querschnitt derselben, aufgenommen entlang der Linie B-B. Die Struktur 100 ist im Allgemeinen ähnlich zum zuvor beschriebenen Beispiel konstruiert, d.h. verwendet die Prinzipien einer integrierten Technologie zum Wachsen der Laserschichtstruktur L₁ (n-Typ-Schicht L₂, aktive Laserschicht L₃ und p-Typ-Schicht L₄) auf der Substratschicht L₀. Dieselben Materialien und relativen Abscheidungen von Schichten, wie in Bezug zur Vorrichtung 10 oben beschrieben, können in der Vorrichtung 100 verwendet werden. Hier werden jedoch die Wellenleitersegmente W₁, W₂, R₁ und R₂ durch einen planaren Prozess auf Grundlage von Protonenimplantation in den Gebieten, die die Segmente umgeben, erzeugt.
Folglich werden Protonen-implantierte Gebiete 18 in der p-Halbleiterschicht L₄ in Räumen zwischen den Steg-Segmenten gebildet, wodurch eine Isolierung zwischen den Steg-Segmenten erzeugt wird. Eine weitere Isolierschicht L₇ (SiO₂ oder Si₃N₄ oder Polyimid) wird dann abgeschieden und gemustert, oder durch eine Maske auf eine Weise abgeschieden, um die geeignete Herstellung von Kontaktflecken (Elektroden) E₁–E₄ zu ermöglichen, so dass jedes der Segmente separat angesteuert werden kann (durch Injektion eines Stroms oder durch Anlegen eines elektrischen Feldes).
6 veranschaulicht eine Laserdiodenstruktur 200, die sich von den oben beschriebenen Beispielen dadurch unterscheidet, dass nur die zwei linearen Wellenleitersegmente das laseraktive Material enthalten. Die Struktur 200, die die Laserschichtstruktur L₁ umfasst, wird auf einer Substratschicht L₀ auf die oben beschriebene Weise gewachsen. Lineare Wellenleiter W₁ und W₂ werden durch herkömmliches Trockenätzen definiert, und ein Tiefätzgraben (unterhalb mindestens Schicht L₃ – der aktiven Schicht) wird dann zwischen den beiden linearen Steg-Segmenten, die einen Interlaser-Zwischenraum S definieren, geätzt. Der Interlaser-Zwischenraum S wird anschließend durch eine dünne Pufferschicht L₈, die aus einem Material mit niedrigem Brechungsindex hergestellt ist (z.B. SiO₂), und eine Schicht L₉ von einem Material mit höherem Index (z.B. Si₃N₄, Si) beschichtet. Die Ringsegmente R₁ und R₂ sind in der Materialschicht mit hohem Index L₉ definiert. Die linearen und Ringsegmente werden durch Abscheiden einer Passivierungsschicht L₆ bedeckt. Die Ringsegmente R₁ und R₂ können verwendet werden, um den Laser, z.B. durch den thermooptischen Effekt, abzustimmen.
Die 7A bzw. 7B stellen Strukturen entsprechend zwei weiteren Beispielen der Erfindung dar, die veranschaulichen, wie die Laserstruktur gemäß der Erfindung mit anderen funktionellen Vorrichtungen gekoppelt werden kann. Im Beispiel von 7A verwendet eine Struktur 300 eine konisch erweiterte Vergrößerungslinse 20 als eine funktionelle Vorrichtung, die mit der Laserstruktur gekoppelt ist. Der Betrieb der konisch erweiterten Vergrößerungslinse ist an sich bekannt und braucht deshalb, abgesehen von der folgenden Anmerkung, nicht speziell beschrieben zu werden. In der Struktur 300 ist aufgrund der Bereitstellung der als Spiegel wirkenden Ringresonatoren R₁ und R₂ die Notwendigkeit für einen DBR-Typ- oder gespaltenen Spiegel zwischen dem Laser und der konisch erweiterten Vergrößerungslinse (der typischerweise in den herkömmlichen Vorrichtungen der spezifizierten Art vorgesehen ist und der sehr schwierig herzustellen ist) beseitigt. In einer Struktur 400 von 7B sind solche funktionellen Vorrichtungen, mit denen die Laserstruktur gemäß der Erfindung leicht gekoppelt werden kann, die konisch erweiterte Vergrößerungslinse 20 und ein zusätzlicher Wellenleiter W₃, der als ein Teil (aktives Element) einer anderen integrierten optischen Vorrichtung dienen oder ein passiver Wellenleiter sein kann, der Licht zu einer anderen Vorrichtungen) lenkt.
In den obigen Beispielen der 7A und 7B sind die linearen Wellenleitersegmente mit externen Segmenten (funktionellen Vorrichtungen) horizontal gekoppelt. Es versteht sich jedoch, dass eine vertikale Verbindung zwischen diesen Segmenten durch einen oder zwei Ringe vorgesehen sein könnte, wodurch eine selbst miniaturisiertere integrierte optische Vorrichtung bereitgestellt wird.
Für Fachleute ist es leicht ersichtlich, dass verschiedene Modifikationen und Änderungen an den bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung, wie hierin durch Beispiele erläutert, angebracht werden können, ohne dass man von ihrem Bereich, der in den und durch die angefügten Ansprüche definiert ist, abweicht.

Claims

Multisegment-Laserdiodenstruktur (14; 100; 200), enthaltend: zwei beabstandete, lineare Wellenleiter-Segmente (W₁, W₂) und zwei beanstandete Ring-artige Wellenleiter-Segmente (R₁, R₂), die auf einem Substrat (L₀) getragen werden, wobei jeder der Ring-artigen Wellenleiter-Segmente mit jedem der linearen Wellenleiter-Segmente optisch gekoppelt ist, und wenigstens einer der Wellenleiter-Segmente ein aktives Lasermaterial umfasst; wobei die Struktur dadurch gekennzeichnet ist, dass sie vier Elektroden (E₁, E₂, E₃, E₄) in elektrischem Kontakt mit jeweils den vier Wellenleiter-Segmenten (W₁, W₂, R₁, R₂) enthält, wobei die Elektroden folglich ein getrenntes Treiben jedes der Wellenleiter-Segmente durch Strominjektion oder Anlegen eines elektrischen Felds an jeweils jeden der Wellenleiter-Segmente ermöglichen.
Struktur gemäß Anspruch 1, bei der jedes der Ring-artigen Wellenleiter-Segmente als ein Wellenlängen-empfindlicher Spiegel arbeitet, wobei das Treiben des Ring-artigen Segments Stabilisieren einer Frequenz der Laserdiode und Abstimmen der Laserdiode durch äußere Änderung eines Parameters des Ring-artigen Segments erlaubt.
Struktur gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der all die Segmente bedeckt sind.
Laserdiodenstruktur gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, bei der jedes der Wellenleiter-Segmente aus einem aktiven Lasermaterial hergestellt ist.
Struktur gemäß Anspruch 4, bei der das aktive Lasermaterial eine Struktur (L₁) aus drei Schichten ist, die auf dem Substrat (L₀) gewachsen ist, wobei die Struktur aus drei Schichten eine aktive Laserschicht (L₃) umfasst, die zwischen einer n-Typ Halbleiterschicht (L₂) und einer p-Typ Halbleiterschicht (L₄) zwischengelegt ist, wobei die Laserdiodenstruktur als ein Laser vom Index-Guide-Typ betriebsfähig ist.
Laserdiodenstruktur gemäß Anspruch 5, bei der das Substrat (L₀) auf GaAs-Basis ist, die n-Typ Schicht (L₂) auf mit Si dotierter AlGaAs-Basis ist, die aktive Laserschicht (L₃) eine undotierte AlGaAs-Schicht ist, die einige Quantentöpfe bzw. Quantumwells von GaAs oder InGaAs enthält, und die p-Typ Schicht (L₄) auf mit Be oder C dotierter AlGaAs-Basis ist.
Laserdiodenstruktur gemäß Anspruch 5, bei der das Substrat (L₀) auf InP-Basis ist, die n-Typ Schicht (L₂) auf mit n-Dotierungsmittel dotierter InP/InGaAsP-Basis ist, die aktive Laserschicht (L₃) aus einigen Quantentöpfen bzw. Quantumwells von InGaAsP hergestellt ist, und die p-Typ Schicht (L₄) eine InP/InGaAsP-Schicht mit p-Dotierung ist.
Struktur gemäß Anspruch 4, bei der das aktive Lasermaterial eine Struktur (L₁) aus drei Schichten ist, die auf dem Substrat (L₀) gewachsen ist, wobei die Struktur aus drei Schichten eine aktive Laserschicht (L₃) umfasst, die zwischen einer n-Typ Halbleiterschicht (L₂) und einer p-Typ Halbleiterschicht (L₄) zwischengelegt ist, wobei Protonen-implantierte Bereiche (18) innerhalb von Räumen zwischen den Wellenleiter-Segmenten bereitgestellt sind, wobei die Struktur als ein Laser vom Gain-Guide-Typ betriebsfähig ist.
Struktur gemäß Anspruch 8, bei der die Protonen-implantierten Bereiche (18) in der p-Halbleiterschicht (L₄) hergestellt sind.
Laserdiodenstruktur gemäß Anspruch 8 oder 9, bei der das Substrat (L₀) auf GaAs-Basis ist, die n-Typ Schicht (L₂) auf mit Si dotierter AlGaAs-Basis ist, die aktive Laserschicht (L₃) eine undotierte AlGaAs-Schicht ist, die einige Quantentöpfe bzw. Quantumwells von GaAs oder InGaAs enthält, und die p-Typ Schicht (L₄) auf mit Be oder C dotierter AlGaAs-Basis ist.
Laserdiodenstruktur gemäß Anspruch 8 oder 9, bei der das Substrat (L₀) auf InP-Basis ist, die n-Typ Schicht (L₂) auf mit n-Dotierungsmittel dotierter InP/InGaAsP-Basis ist, die aktive Laserschicht (L₃) aus einigen Quantentöpfen bzw. Quantumwells von InGaAsP hergestellt ist, und die p-Typ Schicht (L₄) eine InP/InGaAsP-Schicht mit p-Dotierung ist.
Laserdiodenstruktur gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, bei der nur die linearen Wellenleiter-Segmente das aktive Lasermaterial enthalten.
Laserdiodenstruktur gemäß Anspruch 12, bei der das aktive Lasermaterial eine Struktur (L₁) aus drei Schichten ist, die auf dem Substrat (L₀) gewachsen ist, wobei die Struktur aus drei Schichten eine aktive Laserschicht (L₃) umfasst, die zwischen einer n-Typ Halbleiterschicht (L₂) und einer p-Typ Halbleiterschicht (L₄) zwischengelegt ist.
Laserdiodenstruktur gemäß Anspruch 13, die einen Tiefätztrend bzw. -graben enthält, der unter wenigstens der aktiven Schicht (L₃) zwischen zwei linearen Segmenten angeordnet ist, wobei folglich ein Interlaser-Zwischenraum (S) definiert wird.
Laserdiodenstruktur gemäß Anspruch 14, bei der der Interlaser-Zwischenraum von einer dünnen Pufferschicht (L₈), die aus einem Material mit einem relativ niedrigen Brechungsindex hergestellt ist, und einer Schicht (L₉) aus einem Material mit einem relativ höheren Brechungsindex bedeckt ist, wobei die Ring-artigen Segmente in der Schicht mit dem höheren Brechungsindex definiert sind.
Laserdiodenstruktur gemäß Anspruch 15, bei der die Schicht aus Material mit niedrigerem Index SiO₂ ist.
Laserdiodenstruktur gemäß Anspruch 15 oder 16, bei der das Material mit höherem Index Si₃N₄ oder Si ist.
Laserdiodenstruktur gemäß irgendeinem der Ansprüche 12 bis 17, bei der die linearen und Ring-artigen Segmente durch eine Passivierungsschicht (L₆) bedeckt sind.
Laserdiode gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 18, bei der wenigstens eines der Wellenleiter-Segmente als ein Lichtmodulator dient.
Laserdiode gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 18, bei der wenigstens eines der Wellenleiter-Segmente als ein Güteschalter dient.
Multisegment-Laserstruktur vom Index-Guide-Typ, die die Struktur gemäß Anspruch 1 enthält, wobei all die Wellenleiter-Segmente bedeckt sind.
Multisegment-Laserstruktur vom Gain-Guide-Typ, die die Struktur gemäß Anspruch 1 enthält, wobei jedes der Wellenleiter-Segmente von Protonen-implantierten Bereichen umgeben ist.
Integrierte optische Vorrichtung, die die Laserdiodenstruktur, die gemäß Anspruch 1 konstruiert ist, und wenigstens ein zusätzliches Wellenleiter-Segment (W₃) enthält, das mit wenigstens einem der vier Wellenleiter-Segmente der Laserdiodenstruktur optisch gekoppelt ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 23, bei der das zusätzliche Wellenleiter-Segment mit einer zusätzlichen optischen Struktur (20) zum Ausführen einer zusätzlichen Funktion verbunden ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 24, bei der die zusätzliche optische Struktur ein konisch erweiterter Verstärker bzw. eine konisch erweitere Vergrößerungslinse ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 24, bei der der zusätzliche Wellenleiter ein passiver Wellenleiter ist, der Licht zu der zusätzlichen optischen Struktur richtet.
Vorrichtung gemäß Anspruch 23, bei der die Segmente der Laserdiodenstruktur und des zusätzlichen Wellenleiter-Segments in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 23, bei der die Segmente der Laserdiodenstruktur und des zusätzlichen Wellenleiter-Segments in verschiedenen Ebenen angeordnet sind, wobei die Kopplung zwischen dem zusätzlichen Wellenleiter-Segment und dem wenigstens einem Segment der Laserdiodenstruktur durch wenigstens einen zusätzlichen Ring-artigen Wellenleiter ausgeführt wird.
Integrierte optische Vorrichtung, die die Laserdiodenstruktur gemäß Anspruch 1 und wenigstens ein zusätzliches Wellenleiter-Segment enthält, das mit wenigstens einem der vier Wellenleiter-Segmente der Laserdiodenstruktur optisch gekoppelt ist und mit einer zusätzlichen optischen Struktur zum Ausführen einer zusätzlichen Funktion verbunden ist.
Verfahren zur Herstellung einer Multisegment-Laserdiodenstruktur (10), wobei das Verfahren umfasst: (a) Wachsen einer Halbleiterstruktur mit einem p-n-Übergang zwischen zwei Halbleiterschichten und eines aktiven Lasermaterials innerhalb des Übergangs; (b) Mustern der Halbleiterstuktur und Ausführen von Schichtabscheidungsprozessen, um vier Wellenleiter-Segmente (W₁, W₂; R₁, R₂) zu definieren, die zwei beabstandete, metallisierte Steg-Segmente (W₁, W₂) und zwei beabstandete, Ring-artige, metallisierte Steg-Segmente (R₁, R₂) einschließen, wobei die Segmentenanordnung eine gewünschte optische Kopplung jedes der Ring-artigen Segmente (R₁, R₂) mit den linearen Segmenten (W₁, W₂) bereitstellt, wobei jedes der Steg-Segmente (W₁, W₂, R₁, R₂) mit einer Metallschicht darauf gebildet wird; (c) Ausführen einer Abdeckschichtabscheidung auf einer Struktur, die in Schritt (b) erhalten wird, während Erlaubens von Kontaktfenstern über jedem der Segmente (W₁, W₂, R₁, R₂); und (d) Ausführen einer weiteren Metallabscheidung, um vier Elektroden in Kontakt mit der Metallschicht jeweils auf den vier Segmenten (W₁, W₂, R₁, R₂) zu bilden, um dadurch ein getrenntes Treiben jedes der Wellenleiter-Segmente durch Strominjektion oder Anlegen eines elektrischen Felds zu ermöglichen.
Verfahren gemäß Anspruch 30, bei dem das Mustern Trockenätzen der oberen Schicht des Halbleiterstruktur umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 31, bei dem Schritt (b) ebenfalls einen Protonenimplantationsprozess umfasst, der auf selektive Bereiche der oberen Halbleiterschicht angewendet wird, um Protonen-implantierte Bereiche innerhalb von Räumen zwischen jeden zwei lokal benachbarten Steg-Segmenten zu definieren.
Verfahren gemäß Anspruch 30, bei dem das Mustern umfasst: – Ausführen von Trockenätzen der oberen Schicht der Halbleiterstruktur, um die zwei beabstandeten, linearen, metallisierten Steg-Segmente zu definieren; – Ätzen von entweder all den Schichten der Halbleiterstruktur oder der oberen und aktiven Laserschicht innerhalb des Raums zwischen den linearen, metallisierten Steg-Segmenten, wobei dadurch ein Interlaser-Zwischenraum definiert wird; – sequentielles Beschichten des Interlaser-Zwischenraums durch eine Pufferschicht und eine Schicht, die aus einem Material mit einem höheren Brechungsindex als der der Pufferschicht hergestellt ist; und – Definieren der zwei beabstandeten, Ring-artigen, metallisierten Steg-Segmente in der Schicht des Materials mit dem höheren Brechungsindex.