DE60107494T2 - Hochleistungseinzelmodelaser und Herstellungsverfahren - Google Patents

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Description

  • ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
  • Halbleiter-Pumplaser werden weithin in Faserverstärkungskommunikationssystemen, wie beispielsweise in dichten Wellenlängenmultiplex-Systemen (Dense Wavelength Division Multiplexing Systems – DWDMS) verwendet. DWDMS transportieren in der Regel 80 oder mehr Kanäle. Die Anzahl der von einem Kommunikationssystem transportierten Kanäle ist der für den Betrieb des Systems benötigten Pumpleistung direkt proportional. Ein System mit 80 Kanälen kann beispielsweise zwei 980 nm-Pumplaser und vier 1.480 nm-Pumplaser erfordern, die jeweils mit 150 mW betrieben werden. Mit steigender Laserpumpleistung werden weniger Laser benötigt, um alle Kanäle verarbeiten zu können, wodurch wahrscheinlich auch die Kosten und die Komplexität des Systems verringert werden.
  • Die Laserpumpleistung kann durch Verlängern der Halbleiterchips gesteigert werden. Mit zunehmender Chiplänge nimmt das Verstärkungsvolumen zu, wodurch die Leistung steigt. Allerdings kann das Verlängern der Chips zu internen Leistungsverlusten des optischen Wellenleiters des Lasers führen.
  • Die Laserpumpleistung kann auch durch Verbreitern der aktiven Region des Lasers gesteigert werden. Je breiter die aktive Region, desto geringer der Widerstand, wodurch die Leistung steigt. Allerdings kann das Verbreitern der aktiven Region zum Einschluss eines unerwünschten zweiten Transversalmode führen. Solche multilongitudinalen Lasermodespektra können die Leistung von faseroptischen Kommunikationssystemen beeinträchtigen und sind daher für solche Anwendungen unzweckmäßig.
  • Es wurden auch schon Steueroszillator-Leistungsverstärkerstrukturen (Master Oscillator Power Amplifier – MOPA) zur Leistungssteigerung verwendet. MOPAs umfassen einen optischen Steueroszillator, auf den eine Leistungsverstärkungsstufe folgt. Die Verwendung von MOPAs kann unzweckmäßig sein, weil die Herstellung von MOPAs komplex ist und das Einkoppeln von Licht aus einer MOPA-Struktur in eine Einzelmodefaser schwierig ist.
  • Darum besteht Bedarf an einem Halbleiter-Hochleistungseinzelmodelaser, der relativ einfach herzustellen ist und der mit einem Faserverstärkungskommunikationssystem kompatibel ist.
  • In JP-A-02159784 ist ein Halbleiterlaserdesign beschrieben, bei dem der Laser so konfiguriert ist, dass er ein optisches Signal mit einer kleinstmöglichen Spektrallinienbreite ausgibt, wobei ein Verfahren verwendet wird, bei dem die äquivalente Brechungsindexdifferenz in seitlicher Richtung auf größer als 0,01 eingestellt wird.
  • Die vorliegende Erfindung stellt einen Halbleiterlaser nach Anspruch 1 bereit.
  • Die Erfindung stellt einen Halbleiter-Hochleistungslaser mit Einzeltransversalmodebetrieb bereit. In einem Ausführungsbeispiel wird eine optische Leistung erreicht, die höher ist als die Leistung, die von herkömmlichen Pumplasern erzeugt wird, indem das Verstärkungsmedium verbreitert wird, ohne den zweiten Transversalmode zu induzieren. Dies wird durch eine geringfügige Brechungsindexdifferenz zwischen der aktiven Region und den Sperrregionen des Lasers erreicht.
  • BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 zeigt einen Laser mit vergrabenen Heterostruktur.
  • Die 2A–C zeigen transversale elektrische Moden mit dem geringsten Verlust für unterschiedliche Sperrmaterial-Brechungsindizes.
  • 3 zeigt die Licht-Strom-Kurven für einen beispielhaften 2,4 μm- und 10 μm-Wellenleiter.
  • Die 4A–4B zeigen horizontale und vertikale Fernfeldmuster eines beispielhaften 10 μm breiten Wellenleiterlasers.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • 1 zeigt einen Laser mit Heterostruktur 100. Neben der aktiven Region 102 befinden sich Sperrregionen 104, die sich seitlich von gegenüberliegenden Seiten der aktiven Region 102 erstrecken. Die Sperrregionen 104 können aus einer Mehrzahl von Schichten bestehen. Der Brechungsindex des Materials der aktiven Region unterscheidet sich von dem Brechungsindex des Materials der Sperrregionen, was zu einer seitlichen optischen Eingrenzung führt. Der Unterschied bei den Brechungsindizes bewirkt auch die Stromsperrfähigkeit, die dafür genutzt werden kann, das Abfließen des Lasersteuerstromes durch die nicht-aktive Region hindurch zu verhindern. Bei herkömmlichen Lasern mit Heterostruktur beträgt die effektive Brechungsindexdifferenz zwischen der Sperrregion und dem Grundtransversalmode der aktiven Region etwa 0,03. Das bewirkt einen Einzeltransversalmode für einen 1.480 nm-Pumplaser mit einem 2,4 μm breiten Streifen, der die aktive Region darstellt.
  • Wenn der Streifen verbreitert wird, so kann es zu einem unerwünschten zweiten Transversalmode kommen. Wenn der Streifen beispielsweise auf 10 μm verbreitert wird, so ist der transversale elektrische (TE) Mode mit dem geringsten Verlust = TE06. Es ist wünschenswert, eine Laserstruktur mit dem Grundmode TE00 mit dem geringsten Verlust für eine Streifenbreite von etwa 10 μm bereitzustellen. Eine Streifenbreite von 10 μm lässt sich problemlos an optische Fasern mit dieser Breite, die ohne Weiteres erhältlich sind, ankoppeln.
  • Um einen Einzeltransversalmode mit einer Streifenbreite von 10 μm zu erreichen, können die Sperrregionen und die aktive Region aus gleichartigen Materialien bestehen. Beispielsweise kann InGaAsP als das Material sowohl für die Sperrregionen als auch für die aktive Region verwendet werden. "Gleichartige Materialien" im Sinne der vorliegenden Beschreibung meint Materialien, die aus den gleichen Elementen bestehen, jedoch mit einem unterschiedlichen Verhältnis dieser Elemente. Wird ein bestimmtes Material genannt, so schließt das dieses Material in reiner Form wie auch mit eingearbeiteten Störstellen oder Dotanden ein. Die Verwendung gleichartiger Materialien verringert die Brechungsindexdifferenz zwischen der aktiven Region und den Sperrregionen dergestalt, dass sich der TE00-Mode über eine größere Breite verteilen kann als beispielsweise im Vergleich zu einem Heteroübergang, der herkömmliche InP-Sperrregionen und eine aktive Region aus InGaAsP umfasst.
  • Die Verwendung gleichartiger Materialien für die Sperrregionen verhindert vorteilhafterweise auch eine signifikante Gitter-Fehlausrichtung an dem Heteroübergang zwischen der aktiven Region und den Sperrregionen. Eine Gitter-Fehlausrichtung zwischen Materialien, aus denen der Heteroübergang gebildet wird, kann zu Gitterdefekten führen. Diese Defekte können die Strahlungsrekombinationseffizienz verringern, wodurch die erwartete Grenznutzungsdauer der Vorrichtung verkürzt wird. Das heißt, durch die Verwendung gleichartiger Materialien für die aktive Region und die Sperrregionen können die Qualität und die Leistung der Vorrichtung verbessert werden.
  • Um zu bestätigen, dass der TE00-Mode in der Lage ist, sich über eine größere Breite zu verteilen, wenn die Brechungsindexdifferenz verringert wird, wurden Simulationen für unterschiedliche Zusammensetzungen von Sperrregionen durchgeführt. In den 2A–C sind TE-Moden mit dem geringsten Verlust für unterschiedliche Sperrmaterial-Brechungsindizes dargestellt. Die in den 2A–C dargestellten TE-Moden werden durch Sperrmaterialien erzeugt, die Brechungsindizes von 3,160, 3,180 bzw. 3,190 aufweisen. Wie in 2B gezeigt, erzeugt das Sperrmaterial mit einem Brechungsindex von 3,180 einen Grundtransversalmode. Dies stellt eine Brechungsindexdifferenz zwischen der aktiven Region und den Sperrregionen von 0,023 dar. In0,95Ga0,05As0,12P0,88 ist ein Beispiel für ein Material mit diesem Brechungsindex. Die Bandabstandsenergie für das Material ist 1,267 eV mit einer entsprechenden Wellenlänge von 0,979 μm. Die Bandabstandsenergie ist nur 0,083 eV geringer als die Bandabstandsenergie von InP und dürfte somit nicht die Sperreigenschaften der p-n-Übergänge beeinträchtigen.
  • Es wurden Einzelmode-Ratengleichungen verwendet, um Licht-Strom-Eigenschaften (LI) der größeren Streifenbreite zu simulieren, die mit dem InGaAsP-Material mit einem Brechungsindex von 3,180 erhalten wurde. Dann wurde die LI-Kurve eines herkömmlichen Hochleistungs-Pumplasers mit 1.480 nm modelliert. Für eine Wellenleiterbreite von 2,4 μm beträgt der simulierte interne Leistungsverlust 12,5 cm–1, und der Confinement-Faktor ist 5,87 %. Bei einem Reihenwiderstand von 2 Ohm, einer Wärmeausbreitungsimpedanz von 20°C/W und einem temperaturabhängigen Verlust von 0,5 cm–1/°C beträgt der Schwellenstrom 26 mA, die Leistung an der Vorderfläche beträgt bei 600 mA 241 mW, und der Rollover-Strom beträgt 1.200 mA bei einer Chiplänge von 1 mm. Für einen Laser mit dem breiteren Wellenleiter (10 μm) wurde eine Simulation durchgeführt, wobei in interner Verlust von 11,7 cm–1 und ein Confinement-Faktor von 6,18 % verwendet wurde. Weil sich der Reihenwiderstand und die Wärmeausbreitungsimpedanz umgekehrt proportional zur Wellenleiterbreite verhalten, wurde festgestellt, dass der Reihenwiderstand des breiteren Wellenleiters 0,48 Ohm betrug und dass die Wärmeausbreitungsimpedanz der größeren Wellenleiterbreite 4,8°C/W betrug. Der berechnete Schwellenstrom betrug 103 mA, und die Leistung an der Vorderfläche betrug bei 600 mA 266 mW, und bei 1.600 mA betrug die Leistung an der Vorderfläche 729 mW. 3 zeigt die LI-Kurven 302 und 304 für den 2,4 μm breiten Wellenleiter bzw. den 10 μm breiten Wellenleiter.
  • Es wurde auch eine Simulation sowohl für das horizontale (x) Fernfeldmuster als auch das vertikale (y) Fernfeldmuster des 10 μm breiten Wellenleiters durchgeführt. Diese Muster sind in den 4A bzw. 4B dargestellt. Der horizontale Halbwertsbreiten-Fernfeldwinkel (Full-Width-Half-Maximum – FWHM) betrug 7,6 Grad, und der vertikale Winkel betrug 31,5 Grad. Dieses Strahlmuster ist vorteilhafterweise ideal zum Ankoppeln an eine zylindrische Faserlinse und kann einen Ankopplungswirkungsgrad von über 80 % erreichen. Dementsprechend kann eine fasergekoppelte Leistung von über 500 mW bei 1.500 mA realisiert werden. Des Weiteren kann die Wärmeverlustleistung 1,74W bei einem Lasersteuerstrom von 1.500 mA betragen, was es ermöglicht, die Vorrichtung in einem standardmäßigen 14-Pin-Schmetterlingsgehäuse unterzubringen.
  • Die Simulationen stellten eine Grundlage für ein Design des Halbleiter-Pumplasers mit einem Material für die aktive Region und einem Material für die Sperrregionen dar, wobei die Brechungsindexdifferenz zwischen den beiden Materialien bei der Grundfrequenz weniger als ungefähr 0,029 beträgt und wobei der Laser einen Einzeltransversalmode hat. Ein Brechungsindexdifferenzbereich für den Halbleiterlaser ist beispielsweise ungefähr 0,020 bis 0,025. Der Brechungsindex des Materials der aktiven Region ist zweckmäßigerweise größer als der Brechungsindex des Materials der Sperrregionen. Beine einer Ausführungsform der Erfindung ist das Material für die Sperrregionen In0,95Ga0,05As0,12P0,88. Allgemeiner kann das Sperrmaterial beispielsweise In1-xGaXAs1-y umfassen, wobei x weniger als etwa 0,96 und y weniger als etwa 0,90 ist. Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist das Material der aktiven Region GaAs, und das Material der Sperrregionen ist InGaAsP. Die Zusammensetzung von InGaAsP kann so gewählt werden, dass die gewünschte Brechungsindexdifferenz zwischen der aktiven Region und den Sperrregionen erhalten wird.
  • Die aktive Region des Lasers kann breiter als etwa 2,4 μm sein, wobei beispielhafte Spannen von etwa 3,0 μm bis 15 μm und etwa 8,5 μm bis 10,5 μm reichen. Bei einer bestimmten Ausführungsform hat der Laser eine Brechungsindexdifferenz zwischen der aktiven Region und den Sperrregionen von etwa 0,020 bis 0,025 und eine Breite der aktiven Region im Bereich von etwa 8,5 μm bis 10,5 μm.
  • Ausführungsformen der Erfindung stellen eine Leistung an der Vorderfläche von mindestens etwa 500 mW – mit einem veranschaulichenden Bereich von 500 mW bis 900 mW – bereit. Eine bestimmte Ausführungsform der Erfindung stellt einen Laser mit einer aktiven Region mit einer Breite im Bereich von etwa 8 μm bis 11 μm und mit einer Leistung an der Vorderfläche im Bereich von etwa 700 mW bis 800 mW bereit.
  • Die Einzelmode-Transmissionsleistung des Lasers ist größer als etwa 300 mW, mit einem beispielhaften Bereich von etwa 300 mW bis etwa 550 mW.
  • Bei einer Ausführungsform des Lasers umfassen die Sperrregionen einen Schichtaufbau aus wenigstens einem n-InGaAsP/p-InGaAsP-Paar, wobei eine n-InGaAsP-Schicht neben einer p-Elektrode angeordnet ist und eine p-InGaAsP-Schicht neben einer n-Elektrode angeordnet ist. Die Sperrregionen können außerdem mit einer halbisolierenden Schicht ausgebildet werden. Bei einem veranschaulichenden Beispiel ist eine halbisolierende Schicht zwischen einer p-InP-Schicht und einer n-InP-Schicht angeordnet.
  • Mit den oben beschriebenen Brechungsindexdifferenzen lassen sich Confinement-Faktoren von mehr als etwa 6,0 % erreichen, mit einem veranschaulichenden Bereich von etwa 6 % bis 7 %.
  • Ausführungsformen der Erfindung lassen sich auf Laser jeder beliebigen Wellenlänge anwenden, aber die derzeitige Technologie wird wahrscheinlich die Verwendung in Lasern mit Wellenlängen von beispielsweise 1.480 nm und 980 nm nahelegen.
  • Die Sperrfähigkeit nimmt allgemein mit steigender Bandabstandsenergie des Sperrmaterials zu. Gemäß Ausführungsformen der Erfindung kann das Sperrmaterial beispielsweise eine Bandabstandsenergie von mehr als 1,20 eV aufweisen, mit einem veranschaulichenden Bereich von etwa 1,20 eV bis 1,40 eV.
  • Der Halbleiterlaser 100 wird hergestellt, indem zuerst ein Substrat 106 mit einer veranschaulichenden Dicke im Bereich von etwa 50 μm bis 150 μm, mit einer beispielhaften Dicke von 100 μm, bereitgestellt wird. Eine aktive Region 102 und Sperrregionen 104 werden auf das Substrat 106 aufgebracht und haben eine Brechungsindexdifferenz von weniger als etwa 0,029. Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird die gewünschte Brechungsindexdifferenz erreicht, indem die aktive Region und die Sperrregionen aus gleichartigen Materialien hergestellt werden. Die aktive Region 102 kann beispielsweise eine Dicke im Bereich von etwa 0,04 μm bis 0,06 μm haben und ist zwischen den Sperrregionen 104 angeordnet. Die obere Schicht 108 ist auf den Sperrregionen 104 und der aktiven Region 102 angeordnet und kann beispielsweise eine Dicke im Bereich von etwa 2 μm bis 4 μm haben, mit einer veranschaulichenden Dicke von etwa 3 μm. Die Sperrregionen 104 umfassen eine Mehrzahl von Schichten, die Dicken in einem Bereich von etwa 0,5 μm bis 1,5 μm haben können, mit einer beispielhaften Dicke von 1,0 μm. (Nicht gezeigte) Elektroden sind über der oberen Schicht 108 und unter dem Substrat 106 angeordnet und können Dicken im Bereich von etwa 3,5 μm bis 4,5 μm aufweisen.
  • Ausführungsformen der Erfindung haben im Vergleich zu herkömmlichen Lasern einen aktiven Bereich mit einem hohen Wirkungsgrad der Ankopplung an eine optische Faser. Beispielsweise kann der Wirkungsgrad der Ankopplung an eine Einzelmodenfaser größer als etwa 75 % sein.
  • Ausführungsformen der Erfindung eignen sich besonders für Faserverstärker, beispielsweise erbiumdotierte Faserverstärker und Raman-Faserverstärker.
  • Der Laser der vorliegenden Erfindung kann mit jedem herkömmlichen Verfahren hergestellt werden, mit dem sich aktive und Sperrregionen ausbilden lassen, wobei ihre Brechungsindexdifferenz bei der Grundfrequenz weniger als etwa 0,029 beträgt. Im Folgenden wird als Beispiel ein Herstellungsverfahren für einen Mesa-BH-Laser mit verteilter Rückkopplung beschrieben, der zum Bau eines Lasers gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
  • Über herkömmliche Gitter erster Ordnung mit verteilter Rückkopplung, die in ein Substrat eingeätzt werden, lässt man eine doppelte Heterostruktur aufwachsen. Bei dem Substrat kann es sich beispielsweise um InP handeln. Die doppelte Heterostruktur kann man durch eine Vielzahl epitaxialer Techniken aufwachsen lassen, wie beispielsweise Flüssigphasenepitaxie, Hybriddampfphasenepitaxie und metall-organische Dampfphasenepitaxie. Die doppelte Heterostruktur kann mehrschichtig ausgebildet sein. Eine Oxidschicht, wie beispielsweise Siliciumdioxid, wird über der Oberfläche der doppelten Heterostruktur abgelagert. In einer Richtung, die im rechten Winkel zu den Gittern verläuft, werden Streifen fotolithografisch aufstrukturiert. Das Siliciumdioxid oder eine vergleichbare Schicht dient sowohl als Ätzmaske während der Mesa-Ätzung als auch als Aufwachs-Maske während des Aufwachsens der Sperrschichten, was mittels metallorganischer Dampfphasenepitaxie geschieht. Mesas werden chemisch auf die gewünschte Breite, beispielsweise 1,0 bis 3,0 μm, geätzt. Die ausgebildeten Mesas weisen vertikale Wände bis mehrere Mikrometer unter der Oberfläche auf, so dass eine gute Übereinstimmung zwischen der Mesa-Breite und der aktiven Breite entsteht. Nach dem Ätzen lässt man mittels selektiver metallorganischer Dampfphasenepitaxie halbisolierende Sperrschichten um die Mesas herum nachwachsen.
  • Nach dem Nachwachsen der Sperrschichten mittels metallorganischer Dampfphasenepitaxie wird das SiO2 in HF weggeätzt, und die Dicke der doppelten Heterostruktur wird mittels Hybriddampfphasenepitaxie vergrößert. Die Wafer werden unter Verwendung herkömmlicher n- und p-Kontakte weiterverarbeitet. Die Wafer werden gedünnt, und die Laserchips werden gespalten und an Ableitvorrichtungen aus Kupfer oder Keramik angebondet. Auf die Flächen werden mittels Elektronenstrahlaufdampfung Spiegelbeschichtungen mit einem asymmetrischen Hochreflexions-Anteil und einem Antireflexions-Anteil aufgebracht, um den Einzellongitudinalmode zu stabilisieren. Die Antireflexionsbeschichtung besteht aus amorphem Zirkoniumoxid mit 10 % Yttriumoxid, und bei der asymmetrischen Hochreflexionsbeschichtung handelt es sich um mit Silicium überzogenes Yttriumoxid.
  • Zu den im Detail beschriebenen Ausführungsbeispielen fallen dem Fachmann zahlreiche Variationen und Modifikationen ein. Beispielsweise liegen strukturelle Variationen oder Materialmodifikationen, die Brechungsindexdifferenzen im Bereich von 0,020 bis 0,025 μm und einen Einzeltransversalmode mit einer Leistung von mehr als 300 mW bewirken oder ermöglichen, innerhalb des Geltungsbereichs der Erfindung. Dementsprechend ist es beabsichtigt, dass die Erfindung nicht auf die spezifischen veranschaulichenden Ausführungsformen beschränkt ist, sondern innerhalb des Geltungsbereichs der angehängten Ansprüche interpretiert wird.

Claims (10)

  1. Halbleiterlaser (100) mit: einer aktiven Region (102) mit einem ersten Material; Sperrregionen (104) mit einem zweiten Material, die eine oder mehr Schichten umfassen, wobei die Sperrregionen neben der aktiven Region angeordnet sind und sich seitlich von gegenüberliegenden Seiten der aktiven Region erstrecken; dadurch gekennzeichnet, dass die Brechungsindexdifferenz Δn zwischen dem ersten Material und dem zweiten Material bei einer Grundfrequenz des Lasers im Bereich von 0,020 bis 0,025 liegt, dass die Leistung an der Vorderfläche mindestens 500 mW beträgt und dass der Laser einen transversalen Einzelmode hat.
  2. Halbleiterlaser (100) nach Anspruch 1, wobei die aktive Region (102) des Halbleiterlasers (100) breiter als 2,4 μm ist.
  3. Halbleiterlaser (100) nach Anspruch 1, wobei wenigstens das erste Material oder das zweite Material InGaAsP ist und der Brechungsindex des ersten Materials größer ist als der Brechungsindex des zweiten Materials.
  4. Halbleiterlaser (100) nach Anspruch 1, wobei der Laser eine Einzelmode-Transmissionsleistung von mehr als 300 mW hat.
  5. Halbleiterlaser (100) nach Anspruch 1, wobei der Confinement-Faktor des Lasers größer als etwa 6,0 % beträgt.
  6. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterlasers (100) mit folgenden Schritten: Bereitstellen einer aktiven Region (102) mit einem ersten Material; und Bereitstellen von Sperrregionen (104) mit einem zweiten Material, die eine oder mehr Schichten umfassen, wobei die Sperrregionen (104) neben der aktiven Region (102) angeordnet sind und sich seitlich von gegenüberliegenden Seiten der aktiven Region (102) erstrecken; dadurch gekennzeichnet, dass die Brechungsindexdifferenz Δn zwischen dem ersten Material und dem zweiten Material bei einer Grundfrequenz des Lasers im Bereich von 0,020 bis 0,025 liegt, dass die Leistung an der Vorderfläche mindestens 500 mW beträgt und dass der Laser einen transversalen Einzelmode hat.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die aktive Region (102) eine Breite im Bereich von 8 μm bis 11 μm hat und die Leistung an der Vorderfläche im Bereich von 700 mW bis 800 mW liegt.
  8. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Laser eine Einzelmode-Transmissionsleistung im Bereich von 300 mW bis 550 mW hat.
  9. Verfahren nach Anspruch 6, das des Weiteren den Schritt des Bereitstellens eines Schichtaufbaus aus wenigstens einem n-InGaAsP/p-InGaAsP-Paar zur Bildung der Sperrregionen (104) umfasst, und wobei eine n-InGaAsP-Schicht neben einer p-Elektrode angeordnet ist und eine p-InGaAsP-Schicht neben einer n-Elektrode angeordnet ist.
  10. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die aktive Region (102) und die Sperrregionen (104) gleiche Materialien umfassen und das Verhältnis der Elemente im Material der aktiven Region sich vom Verhältnis der Elemente in den Sperrregionen unterscheidet.
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