DE69329713T2 - Mit beugungsgitter integrierter mehrfachstreifen vielfachlaser-resonator - Google Patents

Description

Gebiet der Erfindung
• Die Erfindung betrifft allgemein Halbleiterlaser; insbesondere betrifft sie integrierte Mehrwellenlängen-Halbleiterlaser.
Stand der Technik
• Mehrwellenlängen-Halbleiterlaser benötigt man für einige Anwendungen, insbesondere für Telekommunikationssysteme mit Wellenlängenmultiplex (WDM), die Computer- Busse enthalten. Bei solchen Systemen werden mehrere Laser, die jeweils auf einer anderen Frequenz emittieren, durch verschiedene Datensignale getrennt moduliert, und alle so modulierten optischen Träger werden auf eine einzelne Lichtleitfaser aufgeprägt. Am Empfangsende der Faser werden die getrennten Lichtwellenlängen durch ein Spektrometer oder andere wellenlängenempfindliche Mittel getrennt, so dass jeder einzelne optische Kanal aus der Faser herausgeholt und nachgewiesen werden kann. Das Absorptionsspektrum der in Langstrecken-Telekommunikationsnetzen verwendeten Silicafaser schreibt vor, dass die optischen Träger in den 1,3- oder 1,5-um-Bändern liegen, die in InP und verwandten aktiven optoelektronischen Materialien vorhanden sind, während die kürzeren Computerbusse das 0,8-um-Band benutzen können, das in GaAs vorhanden ist.
• Für wirtschaftlichen und einfachen Betrieb sollten die mehreren Laser auf einem einzelnen integrierten Schaltungschip integriert sein, das heißt, einer optoelektronischen integrierten Schaltung (DEIC). Chang-Hasnain hat ein Verfahren zur Herstellung eines Feldes von oberflächenemittierenden Lasern mit Vertikalhohlraum, die auf verschiedenen Wellenlängen emittieren, im US-Patent 5,029,176 beschrieben. Ihr Verfahren erlaubt zwar die Herstellung einer großen Zahl von einzelnen Lasern, gegenwärtige Konstruktionen für Kommunikationsnetze sehen aber keinen Bedarf für mehr als 20 bis 40 getrennte Wellenlängen voraus, die um ungefähr 1 oder 2 nm getrennt sind. Ihre Konstruktion leidet an Zweifeln an ihrer Reproduzierbarkeit, ihrer Inkompatibilität mit der Chipherstellung und der vertikalen Emission des Laserlichtes. Zur leichten Unterbringung würde man lieber eine ebene Geometrie behalten.
• Eine andere Methode verwendet kantenemittierende Laser mit verteilter Antwort (DFB), bei denen getrennte Bragg-Beugungsgitter die Laserwellenlängen bestimmen. Die Perioden der Gitter sind für die getrennten Wellenlängen maßgeschneidert. Der Stand der Technik bei dieser Methode, gegenwärtig ungefähr 20 Laser auf einem einzelnen integrierten Schaltungschip, ist offenbart von Zäh et al. in "1.55 um tensile-strained single quantum well 20-wavelength distributed feedback laser arrays", Electronics Leiters, Band 28, 1992, Seiten 1585-1587. Diese Methode leidet an zwei Nachteilen. Erstens, wenn die integrierte Laserschaltung einen Kanalabstand von ungefähr 1 nm erreichen soll, muss die Schwankung der Perioden der Beugungsgitter und anderer Teile der Struktur auf ungefähr den gleichen Abstand kontrolliert werden. Das Ätzen und die Lithografie werden sehr schwierig, um einer so strengen Größenkontrolle zu genügen. Zweitens, die wirksame Kopplung der mehreren Laseremissionen in eine einzelne Lichtleitfaser bleibt ungelöst. Natürlich könnte man optische Makrolinsen verwenden, um die Ausgangsgrößen auf den kleinen Faserkern zu bündeln, so eine Methode wäre aber weder wirtschaftlich noch stoßfest.
• Verschiedene Gruppen haben vorgeschlagen, ein OEIC-Spektrometer herzustellen, das für eine WDM-Anwendung mit mehreren Detektoren integriert werden könnte. Siehe zum Beispiel Gibbon et al. in "Optical performance of integrated 1.5 um grating wavelength-demultiplexer on InP-based waveguide," Electronics Letters, Band 25, 1989, Seiten 1441-1442, Soole et al. in "Monolithic InP/InGaAsP/InP grating spectrometer for the 1.48-1.56 um wavelength ränge," Applied Physics Letters, Band 58, 1991, Seiten 1949-1951, und Cremer et al. in "Grating spectrograph in InGaAsP/InP for dense wavelength division multiplexing", Applied Physics Letters, Band 59, 1991, Seiten 627- 629. Bei diesen Methoden werden mehrere Wellenleiter auf der Oberfläche eines OEIC gebildet. Einer der Wellenleiter wirkt als ein Eingangswellenleiter, der Licht von außerhalb des Chips empfängt. Das Eingangslicht tritt an dessen innerem Ende aus dem Eingangswellenleiter aus und beleuchtet ein vertikal angeordnetes Beugungsgitter, das in der Chipoberfläche gebildet ist. Das Gitter teilt das Licht spektral auf die anderen Wellenleiter auf, die als Ausgangswellenleiter wirken. Auf den Ausgangswellenleitern oder auf andere Weise damit verbunden werden getrennte Lichtdetektoren hergestellt, um die Spektralbestandteile des Lichtes nachzuweisen. Es ist denkbar, so eine Konstruktion für parallele DFB-Laser auszulegten, die in solchen Wellenleitern gebildet werden, dies würde aber nicht zufriedenstellend sein. Die DFB-Gitter würden immer noch präzise Lithografie benötigen. Außerdem wäre das Beugungsgitter nicht vollständig von den optischen Hohlräumen der DFB-Laser entkoppelt, und die gekoppelten Hohlräume würden eine komplizierte und gedrängte Konstruktion erfordern. Pratt et al. offenbaren eine verwandte makrooptische Konstruktion in Tour channel multiple wavelength laser transmitter module for 1550 nm WDM Systems", Electronics Leiters, Band 28, 1992, Seiten 1066-1067.
• Eine verwandte Konstruktion für ein Mehrwellenlängen-Laserfeld nutzt die Resonanzen des zum Beugungsgitter gehörenden optischen Hohlraumes aus, wie offenbart von Kirkby et al. im US-Patent US 5 115 444 und in der britischen Patentanmeldung 2 225 482 A; von Kirkby in "Multichannel Wavelength-Switched Transmitters and Receivers - New Component Concepts for Broad-Band Networks and Distributed Switching Systems," Journal of Lightwave Technology, Band 8, 1990, Seiten 202-211; von White et al. in "Demonstration of a Two Wavelength Multichannel Grating Cavity Laser," 12th International Conference on Semiconductor lasers, 1990, Seiten 210-211, in "Demonstration of a 1 · 2 multichannel grating cavity laser for wavelength division multiplexing (WDM) applications," Electronics Leiters, Band 26,1990, Seiten 832-834, und in "Crosstalk compensated WDM Signal generation using a multichannel grating cavity laser," European Conference on Optical Communications, 1991, Seiten 689-692; von White in "A Multichannel Grating Cavity Laser for Wavelength division Multiplexing Applications," Journal of Lightwave Technology, Band 9,1991, Seiten 893-898, und von Nyairo et al. in "Multichannel grating cavity (MGC) laser transmitter for wavelength division multiplexing applications," Journal of IEE-J Proceedings, Band 138, Seiten 337- 342. Die Patentanmeldung von Kirkby et al. schlägt zwar eine integrierte Konstruktion vor, die experimentellen Ergebnisse dieser Arbeit betreffen aber ein getrenntes ebenes Beugungsgitter, eine Makrolinse und einen Laserriegel aus aktiven Wellenleitern, die in einem Chip gebildet sind. In dem Laserriegel sind mehrere parallele Stegwellenleiter gebildet, die jeweils getrennt elektrisch gepumpt werden können. Ein Wellenleiter dient als Hauptverstärkerleiter, während der Rest der Wellenleiter als aktive Reflektorleiter dient. Keiner der Wellenleiter ist innerhalb der gesamten Bandbreite des Laserfeldes frequenzselektiv, das heißt, es sind weder Gitter mit verteilter Antwort noch Bragg- Reflexionsgitter über den Wellenleitern gebildet. Lasertätigkeit erzielt man durch gleichzeitiges Ansteuern des Hauptverstärkers und eines ausgewählten Reflektors. Die Kombination aus Hauptverstärker und ausgewähltem Reflektor bestimmt die Laserwellenlänge, da das Beugungsgitter regelt, welche Wellenlänge sich zwischen den beiden fortpflanzt. Die Konstruktion stellt sicher, dass kein einzelner Steg zu selbstständiger Lasertätigkeit fähig ist. Der Vorteil dieser Methode ist, dass die Laserwellenlängen durch die relativen räumlichen Positionen der Wellenleiter und des Beugungsgitters bestimmt werden, eine Anordnung, die viel leichter aufzubauen ist als die Herstellung von DFB-Gittern. Gleichzeitige Mehrwellenlängenemission verursacht jedoch ein Problem, da die Hohlräume für die verschiedenen Wellenlängen, sei es in der makrooptischen Struktur oder der vorgeschlagenen integrierten Struktur, alle den einen aktiven Hauptverstärker umfassen. Trägerverarmung führt wesentliches Übersprechen zwischen den Wellenlängenkanälen ein, da sie im Hauptverstärkerwechselwirken. White et al. im letzten oben zitierten Dokument und Nyairo et al. versuchen, das Übersprechen mit aktiver Rückwärtsregelung oder anderen Methoden zu unterdrücken. So eine Unterdrückung wird wegen ihrer aktiven Natur aber als unbefriedigend angesehen. Farries et al. haben einen Außenhohlraum-Mehrwetlenlängenlaser offenbart in "Tuneable multiwavefength semiconductor laser with single fibre output," Electronics Letters, Band 27,1991, Seiten 1498-1499. Ihre Vorrichtung verwendet einen Riegel, der dem von Kirkby ähnlich ist, für ein Laserfeld ohne Frequenzfestlegung, und stützt sich auf Linsen und ein Makro-Beugungsgitter, um einen Mehrwellenlängenhohlraum zu definieren.
Darstellung der Erfindung
• Die Erfindung lässt sich darstellen als ein integrierter Mehrwellenlängen-Hohlraumlaser wie in Anspruch 1, bei dem eine Vielzahl von aktiven Wellenleitern mit großer Verstärkungsbandbreite, ein passiver Ausgangswellenleiter und ein Beugungsgitter auf einem Substrat gebildet sind. Die geometrische Beziehung der Bestandteile bestimmt die Laserwellenlängen der aktiven Wellenleiter, die unabhängig voneinander aktiviert werden können. Alle Wellenlängen werden in den passiven Ausgangswellenleiter eingekoppelt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• Fig. 1 ist eine Draufsicht auf einen integrierten Mehrwellenlängenlaser der Erfindung.
• Fig. 2 ist eine schematische Skizze der Geometrie eines Rowlandkreis-Spektrometers.
• Fig. 3 ist eine Skizze, teilweise in Draufsicht und teilweise schematisch, des auf den Laser der Erfindung angewandten Rowlandkreises.
• Fig. 4 ist eine Querschnittsansicht der aktiven Streifen entlang einer Schnittlinie 4-4 in Fig. 1.
• Fig. 5 ist eine Querschnittsansicht des passiven Ausgangswellenleiters entlang einer Schnittlinie 5-5 in Fig. 1.
• Fig. 6 ist eine Querschnittsansicht des Gittergrabens entlang einer Schnittlinie 6-6 in Fig. 1.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
• Eine Ausführungsform eines integrierten Mehrwellenlängenlasers 10 ist in Fig. 1 in Draufsicht gezeigt. Auf einem Substrat eines einzelnen integrierten Schaltungschips 10 sind eine Vielzahl von aktiven Wellenleiterstreifen 14, ein passiver Ausgangswellenleiter 16 und ein Beugungsgitter 18 gebildet. Innere Enden 20 der aktiven Streifen 14, ein inneres Ende 22 des Ausgangswellenleiters 16 und das Beugungsgitter 18 sind in einer Rowlandkreis-Bündelungsgeometrie angeordnet, die später detaillierter beschrieben wird. Jeder der aktiven Streifen 14 kann getrennt elektrisch gepumpt werden, um Licht aus seinem inneren Ende 20 auszugeben. Dieses Licht wird vom Beugungsgitter 18 zum Ausgangswellenleiter 16 gebeugt. Innerhalb der und zwischen den aktiven Streifen 14 und dem Ausgangswellenleiter 16 ist ein Laserresonator (optischer Hohlraum) eingerichtet, und die Rowlandkreis-Geometrie zwischen je einem aktiven Streifen 14, dem Gitter 18 und dem Ausgangswellenleiter 16 bestimmt die Resonanzwellenlänge (-frequenz) des stimulierten Lichtes, das von diesem aktiven Streifen 14 emittiert wird. Das resultierende Laserlicht wird durch eine äußere Endfacette 19 des Ausgangswellenleiters 16 aus der Laservorrichtung 10 emittiert. Wenn mehr als einer der aktiven Streifen 14 elektrisch gepumpt werden, werden mehrere Wellenlängen vom äußeren Ende 19 des Ausgangswellenleiters 16 emittiert. Es gibt keine Bragg-Beugungsgitter oder andere frequenzselektive Mittel, die betriebsmäßig mit den getrennten aktiven Streifen 14 verbunden sind, außer der Verstärkungsbandbreite und anderen frequenzbegrenzenden Merkmalen des gesamten Lasers, der sämtliche wählbaren Wellenlängen einschließt.
• Die Rowlandkreis-Geometrie, die in Fig. 2 schematisch gezeigt ist, ist in der Röntgenstrahloptik bekannt. Ein Rowlandkreis 30 hat einen Radius R/2 um einen Mittelpunkt 32. Ein Kreisdurchmesser 34 definiert an einem Ende einen Tangentenpunkt 36 mit einer geraden Tangente 38 und einem kreisförmigen Gitter 18. Das Gitter 18 hat einen Radius R um das andere Ende 42 des Kreisdurchmessers 34 und eine konstante Teilung d, wie auf die gerade Tangente 38 projiziert. Wenn das Beugungsgitter 18 eine große Ausdehnung hat, muss die Teilung d bekanntermaßen entlang dessen Länge variieren, um optische Aberrationen zu vermindern. Bei Röntgenbeugung wird ein Rowlandkreis-Spektrometer gewöhnlich verwendet, um eine Mehrwellenlängenquelle an einem Punkt A spektral zu trennen und auf eine fotografische Platte oder einen anderen Detektor an einem Punkt B oder in dessen Umgebung zu bündeln, bei dem Laser der Erfindung gehört der Punkt B aber zu den aktiven Streifen 14, und der Punkt A zum Ausgangswellenleiter 16. Die Beugungsbedingung ist gegeben durch
• d(sinα + sinβ) = pλ / n
• worin α und β die Winkel zwischen den jeweiligen Linien, die die Punkte A und B mit dem Tangentenpunkt 36 verbinden, und dem Kreisdurchmesser 34 sind, λ die Vakuumwellenlänge des Lichtes ist, n der Brechungsindex des Mediums innerhalb des Rowlandkreises 30 ist und p die Beugungsordnung ist, eine ganze Zahl ungleich Null. Unter der Voraussetzung, dass α fest ist, gibt es für jedes λ ein anderes β.
• Wie in der vorliegenden Erfindung angewandt, wie in Fig. 3 gezeigt, sind die inneren Enden 20 von N parallelen aktiven Streifen 14 unter Winkeln β&sub1; bis βN, die Resonanzwellenlängen λ&sub1; bis λN entsprechen, wie durch Gleichung (1) bestimmt, nahe am Punkt B angeordnet. Der zentrale aktive Streifen 14, der einen Winkel βc hat, ist auf den Tangentenpunkt 36 ausgerichtet. Das innere Ende 22 des Ausgangswellenleiters 16 ist unter dem Winkel α am Punkt A angeordnet. Der Ausgangswellenleiter 16 ist zwar im Allgemeinen parallel zu den aktiven Streifen 14, der Lichtsammelwirkung halber hat er aber einen gebogenen Teil 37, so dass sein inneres Ende 22 auf den Tangentenpunkt 36 ausgerichtet ist, das heißt, einen Winkel α mit der Senkrechten 34 auf die Linientangente 38 des Beugungsgitters 18 zeigt.
• Die Resonanzwellenlängen λ&sub1; bis λN werden durch die Rowlandkreis-Geometrie und nicht durch individualisierte Strukturen der aktiven Streifen 14 bestimmt. Werden einer oder mehrere der aktiven Streifen 14 elektrisch gepumpt, empfängt der Ausgangswellenleiter 16 Licht auf der einen oder mehreren Resonanzwellenlängen, die zu diesen aktiven Streifen 14 gehören. Da es kein elektrisches Pumpen oder andere Verstärkung im Ausgangswellenleiter 16 gibt, wird Übersprechen beseitigt, das mit Trägerverarmung verbunden ist. Der Resonanzhohlraum des Mehrwellenlängenlasers umfasst den Lichtweg zwischen dem ausgewählten aktiven Streifen, dem Beugungsgitter und dem Ausgangswellenleiter sowie den aktiven Streifen und Ausgangswellenleiter insgesamt. Damit Lasertätigkeit stattfindet, muss ein wesentlicher Teil des in den Ausgangswellenleiter einkoppelnden Lichtes zurück in Richtung auf den ausgewählten aktiven Streifen reflektiert werden.
• Wir fahren mit einer Ausführung des Lasers der Erfindung fort. Sie ist konstruiert, ungefähr 1,545 um aus 8 aktiven Streifen zu emittieren. Das Spektrometer ist mit einem Rowland-Radius R von 13 mm, einem Gitterabstand d von 5 um, einer Winkelausdehnung des Gitters von 20º in Bezug auf den Ausgangswellenteiter und einem effektiven Brechungsindex n von 3,244 konstruiert. Die Beugungsordnung p ist die 17. Ordnung. Der Winkelabstand α des Ausgangswellenleiters ist 48º, und die aktiven Streifen sind um β zwischen 60 und 64º beabstandet. Als Folge beträgt der seitliche Abstand der aktiven Streifen ungefähr 50 um. Auf dem Beugungsgitter wird variabler Glanz verwendet, so dass entlang des ganzes Gitters Licht spiegelnd von den Gitterfacetten zwischen dem Mittelpunkt des Streifenfeldes und dem Ausgangsweltenleiter reflektiert wird.
• Die obigen geometrischen Abmessungen erlauben eine Konstruktion, die Lasertätigkeit zwischen zwei aktiven Streifen, die durch das Beugungsgitter direkt verbunden sind, unterdrückt. Die Aktiv-zu-Passiv-Kopplung erfolgt in 17. Ordnung für p bei Wellenlängen λ zwischen 1,530 und 1,558 um gemäß Gleichung (1). Die entsprechende Gleichung für Licht, das zwischen zwei aktiven Streifen i und j gebeugt wird, ist gegeben durch
• d(sinβi + sinβj) = p'λ / n
• Gemäß dieser Gleichung erfolgt die Aktiv-zu-Aktiv-Kopplung in 19. Ordnung in p' für Wellenlängen zwischen 1,479 und 1,529 um und in 18. Ordnung zwischen 1,561 und 1,614 um. Außerdem erfolgt gemäß Gleichung (1) die Aktiv-zu-Passiv-Kopplung für die 18. und 16. Ordnung in p bei Wellenlängen zwischen 1,445-1,471 bzw. 1,626-1,656 um. Dadurch vermeidet das gewünschte Wellenlängenband das Band irgendwelcher unerwünschten Reflexionen. Um diese Trennung auszunutzen, wird die Verstärkungsspitze des aktiven Mediums durch Wahl der Zusammensetzung und Dicken von Schichten, die die Mehrfach-Quantentöpfe aufweisen, innerhalb des gewünschten Bandes konzentriert, so dass die Aktiv-zu-Aktiv-Moden niedrigere Verstärkung als die gewünschten Aktiv-zu-Passiv-Moden haben. Damit in einer Mode Lasertätigkeit stattfindet, muss ihre Verstärkung weniger ihr Verlust pro Umlauf innerhalb des Hohlraumes gleich Null sein. Der oben beschriebene Gitterglanz reduziert das zu einem anderen aktiven Streifen rückgestreute Licht und erhöht somit den Verlust der Aktiv-zu-Aktiv- Moden bis zu dem Punkt, an dem keine Lasertätigkeit auftreten kann. Nur die Aktiv-zu- Passiv-Kopplung und das zugehörige Verstärkungsspektrum sind hoch genug, um Lasertätigkeit zu unterstützen.
• Der integrierte Laserchip 10 kann aufgewachsen werden wie im Querschnitt in Fig. 4 für die Fetdstreifen 14, in Fig. 5 für den passiven Ausgangswellenleiter und in Fig. 6 für das Beugungsgitter 18 gezeigt. Alles Aufwachsen ist epitaxial und wird durch metallorganische chemische Dampfabscheidung bei 76 Torr bei 620ºC durchgeführt. Auf einem (100)-orientierten N&spplus;-toP-Substrat 50 wird eine N-leitende InP-Pufferschicht 52 aufgewachsen, die 10¹&sup8; cm&supmin;² mit Schwefel dotiert ist und eine Dicke von 0,5 um hat. Über der Pufferschicht 52 wird eine InGaAsP-Weltenleiterkernschicht 54 aufgewachsen. Ihre Zusammensetzung ist an InP gitterangepasst und liefert eine 1,3-um-Bandlücke. Sie ist N-leitend auf 10¹&sup7; cm&supmin;³ dotiert und hat eine Dicke von 0,3 um. Über der Kernschicht 54 wird eine nicht gezeigte dünne Ätzstoppschicht aus InP auf eine Dicke von 3,0 nm abgeschieden. Die unteren 15 nm sind N-leitend bei 5 · 10¹&sup7; cm&supmin;³, während die oberen 15 nm undotiert sind. Eine Mehrfach-Quantentopf(MQW)-Schicht 56, die nur in Fig. 4 gezeigt ist, obwohl sie anfänglich in allen Bereichen abgeschieden wird, wird über der Kernschicht 54 aufgewachsen. Sie besteht aus sechs InGaAs-Töpfen mit InGaAsP-Barrieren dazwischen. Die Töpfe sind ungefähr 8 nm dick, während die Barrieren ungefähr 10 nm dick sind, und ihre Zusammensetzung weist eine Bandlücke von 1,3 um auf. Beide Zusammensetzungen sind an InP gitterangepasst. Über der MQW-Schicht 56 wird eine obere P-Kontaktschicht 58 aufgewachsen, bestehend aus ungefähr 0,1 um undotiertem InGaAsP mit einer 1,3-um-Bandlücke, gefolgt von einer 0,1-um-Schicht undotiertes InGaAsP mit einer 1,2-um-Bandlücke, gefolgt von 0,9 um InP, das P-leitend mit Zink dotiert ist und von 10¹&sup7; cm&supmin;³ bis 7 · 10¹&sup7; cm&supmin;³ abgestuft ist, und dann gefolgt von 0,2 um InGaAsP, das P-leitend mit 7 · 10¹&sup8; dotiert ist und eine Bandlücke von 1,3 um aufweist.
• Bis hierhin hat es keine seitliche Definition gegeben. Eine SiO&sub2;-Maske wird abgeschieden und mit Streifenmustern versehen, die den aktiven Streifen 14 entsprechen und sich entlang der [011]-Richtung erstrecken. Die unmaskierten Bereiche werden zuerst durch Ionenfräsen mit Argon trockengeätzt und dann mit H&sub3;PO&sub4; : H&sub2;O&sub2; : H&sub2;O (1 : 1 : 8 im Volumen bei Verwendung von Standard-Reagenskonzentrationen) nassgeätzt. Die Ätzstoppschicht über der Kernschicht 54 definiert den Boden des Nassätzens. Das Nassätzen wird fortgesetzt, bis die Breite des MQW-Bereiches auf ein solches Maß vermindert ist, dass der völlig fertiggestellte Streifen 14 nur Einzelmode-Fortpflanzung entlang der Streifen unterstützt. Nach dem Ätzen wird der Chip zum Neuaufwachsen einer halbisolierenden Schicht 60 aus Fe : InP auf eine Dicke von 1 um in die OMCVD- Kammer zurückgebracht. Die halbisolierende Schicht 60 trennt die Streifen 14, passiviert die Seiten der MQW-Schicht 56 und bildet eine obere Einhüllung in dem ebenen Wellenleiterabschrott, der sich durch das Innere des Rowlandkreises erstreckt.
• Der passive Ausgangswellenleiter 16 von Fig. 5 und das Beugungsgitter 18 von Fig. 6 werden dann gebildet, indem eine SiO&sub2;-Schicht 64 auf der gesamten Fläche des integrierten Schaltungschips 10 abgeschieden wird und diese Schicht mit Öffnungen 65, um den Ausgangswellenleiter 16 zu definieren, und mit einer Öffnung 66 gemustert wird, um das Beugungsgitter 18 zu definieren. Die Form einer hinteren Begrenzung 67 der Gitteröffnung 66 ist nahezu beliebig. Die gesamte Fläche des integrierten Schaltungschips 10 wird dann mit Fotoabdeckmaterial oder anderem ionenstrahlfesten Material bedeckt (in den Figuren nicht gezeigt). Ein Teil dieses Abdeckmaterials wird dann entfernt, um die Öffnung 66 freizulegen, die das Gitter 18 definiert. Durch die Öffnung 66 hindurch wird dann ein Graben 68 geätzt, durch ein chemisch unterstütztes Ionenstrahl-Ätzverfahren, das 1500 V-Xe&spplus;-Ionen und eine reaktive Cl&sub2;-Strömung verwendet, wie offenbart von Scherer et al. in "Fabrication of microlasers and microresonator optical switches," Applied Physics Leiters, Band 55, 2724-2726, 1989. Der dadurch gebildete Graben 68 definiert eine vertikale Wand 70 des Beugungsgitters 18. Ätzgeschwindigkeiten von ungefähr 0,5 um pro Minute werden verwendet, sind aber nicht kritisch. Kippen der Probe unter einem Winkel von ungefähr 10º in Bezug auf den Ionenstrahl liefert eine sehr vertikale 3 um tiefe Gitterwand 70. Winkelverdampfung einer reflektierenden Schicht 74 von 11 nm aus Ti und 300 nm aus Au auf der Gitterwand 70 liefert ein stark reflektierendes Gitter 18. Anschließend wird die Schicht schützendes Abdeckmaterial vom integrierten Chip 10 entfernt. Danach wird eine weitere Abdeckmaterial- Schicht (in den Figuren nicht gezeigt) auf dem integrierten Chip 10 abgeschieden, und eine Fläche des Abdeckmaterials wird entfernt, um die Öffnungen 65 freizulegen, die zu dem Ausgangswellenleiter 16 gehören. Ein Ionenstrahlätzen erzeugt flache Gräben 75 um den passiven Wellenleiter 16 herum, was einen Stegwellenleiterfür Einzelmode- Fortpflanzung ergibt.
• Eine zusätzliche Maske wird verwendet, um tiefe Trenngräben 76 auf jeder Seite des Ausgangswellenleiters 16 zu definieren. Die tiefen Gräben 76 können relativ weit außerhalb der flachen Gräben 75 liegen und werden verwendet, um die Einkopplung von unecht gestreutem Licht in den Ausgangswellenleiter 16 zu verhindern.
• Die SiO&sub2;-Schicht 64 wird gemustert, um eine P-Kontaktmetallisierung 78 abzuscheiden, vorzugsweise Ti(20 nm)/Au (800 nm). Das Substrat wird verdünnt, und über dem Boden des Chips wird eine nicht gezeigte N-Kontaktmetallisierung abgeschieden, vorzugsweise eine Mehrschichtstruktur aus Ni (10 nm)/Ge (35 nm)/Au (50 nm)/Ni (35 nm)/Au (200 nm). Der gemeinsame N-Kontakt würde vorzugsweise durch getrennte Kontakte zu jedem Laserstreifen ersetzt. Wie in Fig. 1 gezeigt, wird der Chip senkrecht zu den aktiven Streifen gespalten. Auf der gespaltenen Fläche am Ende der aktiven Streifen wird eine Metallschicht oder andere stark reflektierende Beschichtung 80 abgeschieden, um den Hohlraumverlust zu vermindern.
• Die Streifenstruktur von Fig. 4 erzeugt ein Feld von Lasern mit vergrabenen Doppelheteroübergängen, die einzeln aktiviert werden, indem eine Vorspannung in Durchlassrichtung quer über die P-Kontaktmetallisierung des ausgewählten Lasers und die N- Kontaktmetallisierung gelegt wird. Es kann mehr als ein Laser gleichzeitig ausgewählt werden. Der Ausgangswellenleiter von Fig. 5 wird nicht elektrisch gepumpt und ist somit passiv. Dementsprechend wird Übersprechen zwischen den Kanälen wesentlich vermindert. Zwischen den aktiven Streifen, dem Beugungsgitter und dem Ausgangswellenleiter wird das Licht mittels eines ebenen Wellenleiter geleitet, der sich durch das ganze Innere des Rowlandkreises erstreckt.
• Es wurden teilweise betriebsfähige Versionen der obigen Ausführungsform hergestellt und getestet. Eine Version hatte keinen passiven Ausgangswellenleiter, und ihr Licht wurde aus dem äußeren Ende eines Streifens oder der beiden zu irgendeinem Zeitpunkt gleichzeitig ausgewählten aktiven Streifen ausgegeben. Die resultierende Struktur ähnelt somit der von Kirkby. Der Ausgangstreifen erhielt einen Vorstrom von konstant 215 mA, und es war ein Einspeisestrom von 70-100 mA in den anderen Streifen nötig, um Lasertätigkeit zu erzielen. Lasertätigkeit ergab sich auf 15 getrennten Wellenlängen von 1507 bis 1535 nm, wobei die Wellenlängenverteilung um nicht mehr als 0,058 nm von Linearität abwicht.
• Die obige Ausführungsform ist zwar eine InP-OEIC, die Erfindung kann aber auch auf andere aktive optische Halbleiter wie zum Beispiel GaAs und auf andere ebene Lichtleiterstrukturen wie zum Beispiel Silicium oder Silica angewandt werden. Die aktiven Vorrichtungen können durch Stumpfverbinden, mittels verschiedener Ausrichtungstechniken wie zum Beispiel erhöhten Lötflecken oder durch Van-der-Waals-Bindung mit anschließendem epitaxialen Abheben von einem Halbleiter-Dünnfilm zu der ebenen Wellenleiterstruktur hinzugefügt werden. Andere Geometrien als der Rowlandkreis sind möglich. Man kann andere Formen von Beugungsgittern verwendet, zum Beispiel Transmissionsgitter. Man kann andere energiedispergierende Mittel verwenden, zum Beispiel ein Gitter mit verteilter Antwort, und der Hohlraum kann mehr als ein dispersives Gitter enthalten.
• Die Erfindung liefert somit einen einfachen Mehrwellenlängenlaser, der nach relativ einfachen Konstruktionsregeln konstruiert und hergestellt werden kann. Die Werte der Laserwellenlängen werden durch den Abstand von Bestandteilen in einem Maßstab festgelegt, der viel größer als diese Wellenlängen ist. Die Herstellung sämtlicher Laser und des Multiplexers auf einem einzelnen Chip senkt die Kosten und liefert ein stoßfestes optisches System. Der beschriebene Fertigungsablauf ist geradezu Standard, und das einzige Neuaufwachsen ist dasjenige der oberen Einhüllschicht, die nicht einmal notwendig ist, wenn andere Trennungs- und Passivierungsmittel verwendet werden. Durchgehend werden die Abscheidung von Schichten mit gleichförmiger Dicke und Zusammensetzung und das sehr vertikale und glatte Ätzen des Beugungsgitters als die kritischen Schritte angesehen, die für die beschriebene Struktur als gut unter Kontrolle angesehen werden.

Claims (10)

1. Mehrwellenlängenlaser mit

einem Substrat,

einer Vielzahl von einzeln aktivierbaren Laserwellenleitern, die auf dem Substrat gebildet sind,

einem einzelnen passiven Ausgangs-Wellenleiter, der auf dem Substrat gebildet ist, und

einem Beugungsgitter, das auf dem Substrat gebildet und die Laserwellenleiter funktional mit dem einzelnen passiven Ausgangs-Wellenleiter verbindet, wobei jeder Laserwellenleiter, das Beugungsgitter und der einzelne passive Ausgangs-Wellenleiter einen optischen Laserresonator bildet, wodurch Laserweltenlängen der Laserwellenleiter durch eine geometrische Beziehung der Laserwellenleiter, des einzelnen passiven Ausgangs-Wellenleiters und des Beugungsgitters festgelegt werden.

2. Mehrwellenlängenlaser nach Anspruch 1, der weiterhin einen ebenen Wellenleiter aufweist, der in einem Gebiet zwischen den Ausgangsenden des Laserwellenleiters, einem Eingangsende des passiven Ausgangs-Wellenleiters und dem Beugungsgitter gebildet ist.

3. Mehrwellenlängenlaser nach Anspruch 2, bei dem das Beugungsgitter eine vertikale Wand aufweist, die in dem ebenen Wellenleiter gebildet ist.

4. Mehrwellenlängenlaser nach Anspruch 3, der weiterhin eine Metallschicht aufweist, die auf der vertikalen Wand gebildet ist.

5. Mehrwellenlängenlaser nach Anspruch 1, bei dem die Laserwellenleiter so angeordnet sind, dass innerhalb einer Verstärkungs-weniger- Verlust-Bandbreite der Laserwellenleiter, die ausreicht, um Lasertätigkeit zu unterstützen, kein Licht durch das Beugungsgitter von einem ersten zu einem zweiten der Laserwellenleiter gebeugt wird.

6. Mehrwellenlängenlaser nach Anspruch 1, bei dem im Gebrauch Licht, das von den Laserwellenleitern emittiert und durch das Beugungsgitter zu dem passiven Ausgangs-Wellenleiter gebeugt wird, in eine vorbestimmte Bandbreite fällt, und kein Licht, das von einem der Laserwellenleiter innerhalb der Bandbreite emittiert wird, durch das Beugungsgitter zu einem anderen der Laserwellenleiter gebeugt wird.

7. Mehrwellenlängenlaser nach Anspruch 1, bei dem die Ausgangsenden der Laserwellenleiter, ein Eingangsende des passiven Ausgangs- Wellenleiters und das Beugungsgitter in einer Rowlandkreis-Geometrie angeordnet sind.

8. Mehrwellenlängenlaser nach Anspruch 7, bei dem eine optische Achse des Eingangsendes des passiven Ausgangs-Wellenleiters auf einen Tangentenpunkt des Beugungsgitters mit einem Rowlandkreis der Rowlandkreis- Geometrie angeordnet ist.

9. Mehrwellenlängenlaser nach Anspruch 1, bei dem sich das Beugungsgitter entlang eines gekrümmtes Weges erstreckt und eine optische Achse eines Eingangsendes des passiven Ausgangs-Wellenleiters auf eine Tangente des gekrümmten Weges ausgerichtet ist.

10. Mehrwellenlängenlaser nach Anspruch 1, bei dem die Laserwellenleiter eine Vielzahl von jeweiligen Wellenlängen innerhalb einer Bandbreite emittieren und die Laserwellenleiter innerhalb der Bandbreite nicht frequenzselektiv sind.