DE69204432T2 - Optisches Halbleiterbauelement mit einer grösseren Ausgangsfeldfleckverteilung und sein Herstellungsverfahren. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich sowohl auf die Herstellung eines optischen Halbleiterbauteils als auch auf seine Kopplung an ein außerhalb dieses Bauteils liegendes optisches Element. Genauer betrachtet bezieht sie sich darauf, ein bekanntes Problem zu lösen, nämlich gleichzeitig zwei Ergebnisse zu erzielen. Ein erstes Ergebnis besteht darin, eine Lichtsignal wirksam im betrachteten optischen Bauelement zu verarbeiten, wobei das Wort Verarbeitung hier Wirkungen wie Senden, Verstärken, Detektieren oder Modulieren bedeutet. Nachfolgend wird nur beispielshalber und nicht beschränkend sowie zur Vereinfachung des Verständnisses der vorliegenden Erfindung oft darauf hingewiesen, daß das optische Bauelement, in dem das Licht verarbeitet wird, ein Laser ist. Das zu verarbeitende Lichtsignal liegt dann in Form einer in diesem Laser gemäß einem sogenannten "engen" Modus geführten Welle vor, wobei die Abmessungen aufgrund von Überlegungen zur Wirksamkeit und zum internen Betrieb dieses Lasers beschränkt sein können. Das zweite zu erzielende Ergebnis besteht darin, daß das so verarbeitete Lichtsignal an das äußere optische Element geliefert werden soll oder von diesem wirksam in Form einer in einem "erweiterten" Modus geführten Welle empfangen werden soll, deren Abmessungen größer als im engen Modus sind. In einem typischen Fall besitzt ein solcher erweiterter Modus den Vorteil einer einfacheren und wirkungsvolleren Kopplung dieser Welle an eine Lichtleitfaser, die das verarbeitete Licht empfängt oder das zu verarbeitende Lichtsignal liefert.
• Eine erste bekannte Lösung für dieses Problem ist in einem Aufsatz von T.L. Koch, U. Koren, G. Eisenstein, M.G. Young, M. Oron, C.R. Giles und B.I. Miller "Tapered waveguide InGaAs/InGaAsP multiple quantum well lasers" beschrieben, die in der Zeitschrift IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 2, Nº 2, Februar 1990, Seite 88 veröffentlicht wurde.
• Dieser Aufsatz beschreibt einen Halbleiterlasersender, der eine gemäß einem erweiterten Modus geführte Ausgangswelle liefert. Die Herstellung dieses Lasers ist komplex.
• Eine zweite Lösung dieses Problems ist in einem Aufsatz von Y. Shani, C.H. Henry, R.C. Kistler, K.J. Orlowsky und D.A. Ackerman "Efficient coupling of a semiconductor laser to an optical fiber by means of a tapered waveguide on silicon" beschrieben, der in Appl.Phys.Lett. 55, Dezember 1989, Seite 2389 veröffentlicht ist.
• In diesem Aufsatz ist eine Kopplungsvorrichtung beschrieben, die eine von einem Halbleiterlasersender gelieferte Welle im engen Modus empfängt und sie im erweiterten Modus abgibt, der die Kopplung an eine Lichtleitfaser erleichtert.
• Die Einfügung einer solchen Vorrichtung macht die Herstellung eines optischen Kopfes komplizierter, der den Laser an die Lichtleitfaser in einem beschränkten Raum koppeln soll. Außerdem ist die Positionierung der Kopplungsvorrichtung bezüglich des Lasersenders schwierig.
• Eine andere bekannte Lösung dieses Problems ist in der Druckschrift Patent Abstracts of Japan, Vol. 7, Nº 222 (E-201) (1367), 4.10.1983 und JP-A-58 114 476 beschrieben. Diese Druckschrift beschreibt ein optisches Halbleiterbauteil gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
• Ziel der vorliegenden Erfindung ist es insbesondere, eine einfach zu realisierende Lösung dieses Problems vorzuschlagen, die nur wenig Raum erfordert und nur geringe Lichtverluste mit sich bringt. Das optische Bauelement gemäß der Erfindung ist in Anspruch 1 und ein erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren hierfür ist in Anspruch 13 definiert.
• Mit Hilfe der beiliegenden schematischen Zeichnungen wird nun die Erfindung näher erläutert, wobei klargestellt wird, daß die erwähnten und dargestellten Elemente und Maßnahmen die Erfindung nicht einschränken. Wenn ein Element in mehreren Figuren auftaucht, wird es mit demselben Bezugszeichen versehen.
• Figur 1 zeigt einen ersten Laser im Schnitt gemäß einer Querebene I-I in Figur 2.
• Figur 2 zeigt diesen ersten Laser im Teilschnitt entlang einer Längsebene II-II in Figur 1.
• Figur 3 zeigt diesen ersten Laser im Teilschnitt gemäß einer waagrechten Ebene III-III in Figur 1.
• Die Figuren 4, 5, und 6 zeigen Ansichten des ersten Lasers im Schnitt entlang der Querebene I-I in aufeinanderfolgenden Herstellungsphasen.
• Figur 7 zeigt eine zweiten Laser gemäß der Erfindung im Schnitt entlang einer Querebene VII-VII in Figur 8.
• Figur 8 zeigt diesen zweiten erfindungsgemäßen Laser im Teilschnitt entlang einer Längsebene VIII-VIII in Figur 7.
• Figur 9 zeigt diesen zweiten Laser im Teilschnitt entlang einer waagrechten Ebene IX-IX in Figur 7.
• Figur 10 zeigt in Perspektive eine Teil dieses zweiten Lasers.
• Um die Erfindung zu erläutern, werden zuerst anhand des ersten in Figur 1 und 2 gezeigten Lasers die Begriffe definiert, die nachfolgend verwendet werden und bezüglich einer als waagrecht angenommenen Halbleiterplatte 4 definiert sind. Diese Platte definiert eine Längsrichtung X und eine Querrichtung Y. Waagrechte Ebenen erstrecken sich in diesen Richtungen. Querebenen liegen senkrecht zu dieser Längsrichtung. Die Platte hat auch eine vertikale Richtung Z senkrecht zu diesen waagrechten Ebenen. Längen, Breiten und Dicken sowie Querabmessungen von internen Elementen dieser Platte werden entlang der Längs-, Quer- und Vertikalrichtung bzw. in diesen Querebenen gemessen.
• Diese Platte enthält drei aufeinander folgende Abschnitte SA, SB, SC (Figur 2), die sich in Längsrichtung erstrecken und aufeinanderfolgen und mindestens einen Verarbeitungsabschnitt SA und einen Modusübergangsabschnitt SB bilden. In dem beschriebenen Beispiel eines Lasers bildet der Verarbeitungsabschnitt SA insbesondere einen Verstärkungsabschnitt. Der Abschnitt SB beginnt an einem Übergangs-Anfangspunkt PA in der Nähe des Verstärkungsabschnitts und endet in einem Punkt PB, in dem der erweiterte Modus vorliegt und der zugleich in diesein ersten Laser einen Endpunkt des Übergangs entfernt vom Anfangspunkt bildet. Ein dritter Abschnitt dieses Lasers bildet einen Kopplungsabschnitt SC, von dem aus der Laser mit einer Lichtleitfaser gekoppelt werden kann.
• Gemäß bekannten Maßnahmen können die nicht dargestellten Endflächen dieser Platte in Längsrichtung Reflektoren bilden, um einen Lasersender zu erzeugen. Sie könnten auch so bearbeitet sein, daß Lichtreflexionen vermieden werden, so daß sich ein Laserverstärker ergibt, der an eine Eingangslichtleitfaser und eine Ausgangslichtleitfaser gekoppelt ist und hierzu zwei Modus-Übergangssabschnitte und zwei Kopplungsabschnitte zu beiden Seiten des Verstärkungsabschnitts enthalten würde.
• Nun werden ganz allgemein gewisse Maßnahmen beschrieben, die in den als Beispiel gewählten Lasern angewandt werden und hinsichtlich der angegebenen Funktionen aus dem erstgenannten Aufsatz bekannt sind.
• Gemäß diesen bekannten Maßnahmen enthält die Platte 4 eine vertikale Aufeinanderfolge von waagrechten funktionalen Schichten, die mindestens die folgenden Elemente bilden:
• - eine untere Einschließungsschicht 6 eines ersten Leitfähigkeitstyps,
• - eine passive Lichtführungsschicht 2, die sich in Längsrichtung erstreckt und in Querrichtung von einem komplementären Material 32 eingerahmt wird. Um die Lichtwellen zu führen, besitzt dieser Lichtleiter einen erhöhten Brechungsindex, d.h. größer als die Brechungsindices der umgebenden Materialien. Dieser Index, sowie eine normale Breite und eine Dicke dieses Lichtleiters werden so gewählt, daß das Licht gemäß einem einzigen Modus geführt wird, der einen weiten Modus MC bildet;
• - einen aktiven Lichtleiter 1, der sich in Längsrichtung erstreckt und in Querrichtung von einem komplementären Material 32 eingerahmt ist. Dieser Lichtleiter besteht aus einem aktiven Material mit einem erhöhten Brechungsindex, um das Licht zu leiten. Außerdem kann dieser Lichtleiter das Licht durch Wechselwirkung mit Ladungsträgern entgegengesetzter Typen bearbeiten und insbesondere durch Kombination solcher Ladungsträger verstärken. Dieser aktive Lichtleiter besteht aus einer einzigen Halbleiterschicht, könnte aber auch aus einer vertikalen Folge solcher Schichten unterschiedlichen Aufbaus bestehen. Die passiven und aktiven Lichtleiter liegen übereinander. Ihre Breite, ihre Dicke, ihre Brechungsindices und der gegenseitige Abstand sind so gewählt, daß sich eine gegenseitige optische Kopplung zwischen diesen Lichtleitern im Verstärkungsabschnitt SA und im Modus-Übergangsabschnitt SB ergibt und daß die Gesamtheit dieser Lichtleiter das Licht in dem Verstärkungsabschnitt gemäß einem einzigen Modus führt, der die Energie dieses Lichts im aktiven Lichtleiter konzentriert, um seine Verstärkung zu begünstigen. Dieser einzige Modus bildet einen "engen" Modus, dessen Abmessung deutlich kleiner als die des "erweiterten" Modus MC ist. Die Breite und die Dicke des aktiven Lichtleiters 1 im Verstärkungsguerschnitt SA definieren einen Verarbeitungsbereich in Querrichtung. Im Modus-Übergangsabschnitt SB und ausgehend vom Beginn PA dieses Abschnitts nimmt der Querbereich dieses Lichtleiters progressiv ausgehend vom Verarbeitungsbereich ab, so daß das Licht, das in der Nähe dieses Punktes gemäß dem engen Modus ankommt, durch den passiven Lichtleiter gemäß dem erweiterten Modus MC in die Nähe des Punktes PB geführt wird, an dem der erweiterte Modus vorliegt. Der passive Lichtleiter 2 erstreckt sich mit konstanten Kennwerten in die Verstärkungsabschnitte und mindestens bis zum Punkt mit erweitertem Modus. In diesem ersten Laser behält der passive Lichtleiter seine Merkmale über die ganze Länge der Platte 4 bei.
• Die Lichtausbreitung gemäß dem engen Modus erlaubt eine wirksame Verstärkung, die ggf. wenig von der Polarisation im Verstärkungsabschnitt abhängt. Der erweiterte Modus erlaubt die Kopplung an eine Lichtleitfaser.
• Die Platte 4 enthält weiter als entscheidendes Element eine obere Einschließungsschicht 8, die einen zweiten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzt zum ersten aufweist, damit der Durchgang eines elektrischen Speisestroms in direkter Richtung zwischen diesen unteren und oberen Einschließungsschichten zu einer Injektion von Ladungsträgern unterschiedlichen Typs in den aktiven Lichtleiter 1 im Verstärkungsabschnitt SA führt.
• Es versteht, sich, daß das komplementäre Material 32 verschiedene bekannte Schichten enthält, die für den Betrieb des Lasers nützlich sind und nicht dargestellt werden. Es handelt sich insbesondere um die seitlichen optischen und elektrischen Einschließungsschichten, die Kontaktschichten usw. Außerdem besitzt die Platte nicht dargestellte Elektroden, um den elektrischen Speisestrom einspeisen zu können.
• Nun wird etwas genauer auf andere der bekannten Maßnahmen eingegangen.
• Im Verstärkungsabschnitt SA oder zumindest am Anfangspunkt des Übergangs besitzt der passive Lichtleiter 2 eine Breite, die normal" genannt wird und größer oder gleich der Breite des aktiven Lichtleiters 1 ist. Der Lichtleiter besitzt auch eine Dicke, die mindestens der Dicke des aktiven Lichtleiters entspricht, und einen Brechungsindex, der kleiner als der Brechungsindex dieses aktiven Lichtleiters ist. Der mittlere Brechungsindex des passiven Lichtleiters wird genau betrachtet möglichst dem des umgebenden Materials angenähert, damit der enge Modus im wesentlichen durch den aktiven Lichtleiter im Abschnitt SA geführt wird.
• Der Punkt PB mit erweitertem Modus bildet ein Ende des aktiven Lichtleiters 1.
• Der erweiterte Modus MC besitzt Abmessungen in Querund Vertikalrichtung, die mindestens 200% und vorzugsweise 400% der Quer- und Vertikalabmessungen des engen Modus MA betragen. Diese Abmessungen jedes dieser Modi werden bekannterweise als Transversal- und Vertikalabmessungen des Bereichs definierte in dem das elektrische Feld dieses Modus in einem Verhältnis unterhalb 2,718 bezüglich des maximalen elektrischen Felds dieses Modus abgefallen ist.
• Im Laser der erstgenannten Druckschrift ergibt sich die Verringerung der Querabmessungen des aktiven Lichtleiters im Modus-Übergangsabschnitt durch eine Folge von plötzlichen Verringerungen der Dicke dieses Lichtleiters in Längsrichtung. Diese Maßnahme führt zu manchen Nachteilen: Es ergeben sich nämlich Lichtverluste und die Herstellung erfordert eine Folge teurer Atzschritte.
• Diese Nachteile können ganz einfach vollkommen beseitigt werden, indem der aktive Lichtleiter 1 eine konstante Dicke im Abschnitt SB des Modus-Übergangs besitzt, während die Abnahme der Querschnittsfläche ausschließlich dadurch erreicht wird, daß die Breite progressiv vom Übergangs-Anfangspunkt PA bis zum Punkt PB mit erweitertem Modus abnimmt. Diese Nachteile könnten aber auch nur teilweise beseitigt werden, wenn die Querschnittsfläche sowohl hinsichtlich der Breite als auch der Dicke abnimmt.
• Außerdem liegt vorzugsweise eine Trennschicht 10 zwischen dem aktiven und dem passiven Lichtleiter 1, 2. Diese Schicht besitzt einen geringeren Brechungsindex als der mittlere Brechungsindex jedes der beiden Lichtleiter. Ihre Dicke bildet eine Trenndicke, die ausreichend groß gewählt wird, um den aktiven Lichtleiter in Querrichtung zu begrenzen, d.h. seine Breite durch eine Ätzoperation zu definieren, ohne daß die Gefahr besteht, daß diese Ätzoperation den passiven Lichtleiter erreicht, der im Übergangsabschnitt aus nachfolgend erläuterten Gründen breiter gewählt werden muß. Diese Dicke wird aber auch hinreichend gering gewählt, um die zwischen den beiden Lichtleitern erforderliche optische Kopplung aufrechtzuerhalten.
• Der aktive Lichtleiter 1 besitzt im Abschnitt SB des Modusübergangs und in Projektion auf eine waagrechte Ebene die allgemeine Form einer Spitze 28 mit abgeschnittenem Ende, d.h. daß die Breite zunehmend bis zu einer hinreichend kleinen Endbreite abnimmt, bei der der Einfluß dieses aktiven Lichtleiters auf den Lichtfortpflanzungsmodus gegenüber dem des Lichtleiters 2 vernachlässigbar wird. Dieser Einfluß ist in den Figuren 2 und 3 dargestellt, die sehr angenähert Energieverteilungsdiagramme entsprechend dem engen Modus MA, einer Verteilung MB in einem Zwischenbereich und dem erweiterten Modus MC zeigen. Jede dieser Verteilungen ist durch zwei Diagramme dargestellt, die in der Figur 2 bzw. der Figur 3 zu sehen sind. Jedes dieser Diagramme enthält eine Kurve und eine Bezugsachse. Die Bezugsachse bildet eine Linie einer vertikalen Querebene durch die Platte 4, die durch den Punkt dieser Ebene verläuft, in der der Wert des elektrischen Wechselfelds des geführten optischen Modus maximal ist. In jedem der Punkte dieser Linie wird der Wert dieses elektrischen Felds bestimmt, und das Quadrat dieses Werts wird parallel zur Längsrichtung X aufgetragen, um einen Punkt der Kurve dieses Diagramms zu markieren. Diese Diagramme stellen also diese Modi dar und zeigen die Verteilung der elektrischen Felder in diesen Modi.
• Aus diesem Diagrammen geht hervor, daß die Abnahme der Breite des Lichtleiters 1 eine Verringerung der Einschließung des im Lichtleiter 1 geführten optischen Modus sowie einen gleitenden Übergang dieses Modus auf den Lichtleiter 2 hervorruft. Dieser gleitende Übergang ist mit einer Ausweitung aufgrund des geringeren mittleren Brechungsindex des Lichtleiters 2 verknüpft. Die Länge der Abnahmezone muß ausreichend groß sein, damit die Übergangsverluste (von 50 auf 200 Mikrometer im Fall einer Wellenlänge in der Größenordnung von 0,8 bis 1,6 Mikrometer) den gewünschten niedrigen Wert haben.
• Die Tatsache, daß die beiden Lichtleiter übereinanderliegen, läßt das optische Bauelement besonders für eine Herstellung nach den bewährten Techniken des epitaxialen Wachstums geeignet erscheinen. Es wird also möglich, optisch aktive Bauelemente herzustellen, die den Modustransfer von einem aktiven Lichtleiter (Lichtleiter 1) mit starker Führung (Brechungsindexsprung mindestens 10&supmin;¹) zu einem passenden Lichtleiter (Lichtleiter 2) mit schwacher Führung (Brechungsindexsprung höchstens 10-2) durch einen kontinuierlich adiabatischen Übergangsabschnitt auf einem gemeinsamen Substrat einschließen, so daß geringe Verluste entstehen.
• Die Wahl einer seitlichen Einschnürung des Lichtleiters 1 erlaubt die Herstellung des Übergangsabschnitts und des aktiven Lichtleiter in einem einzigen Maskier- und Ätzschritt. Dieser Vorteil fügt sich zu denen der bereits früher vorgeschlagenen Lösungen, bei denen mehrere Maskierschritte (erstgenannte Druckschrift) erforderlich sind oder nur passive Bauelemente hergestellt werden können (zweitgenannte Druckschrift).
• Die vorliegende Erfindung kann daher zahlreiche Anwendungen bei der Herstellung von optoelektronischen aktiven Halbleiterbauelementen für Nachrichtenübertragungssysteme über Monomode-Lichtleitfasern finden. Solche Bauelemente können insbesondere Sender, Verstärker, Modulatoren bilden. Sie werden hier global mit dem Begriff Laser bezeichnet.
• Im ersten Laser besteht der passive Lichtleiter 2 aus einer vertikalen Folge von Schichten mit Brechungsindexerhöhung 12, 14, 16, 18 und Schichten mit Brechungsindexerniedrigung 20, 22, 24. Diese Schichten mit Brechungsindexerhöhung besitzen höhere Brechungsindices als die Schichten mit Brechungsindexerniedrigung, so daß dieser passive Lichtleiter 2 gegenüber dem Licht einen mittleren Brechungsindex zwischen denen der Schichten mit Brechungsindexerhöhung und denen der Schichten mit Brechungsindexerniedrigung bekommt.
• Der zweite Laser, der als Beispiel für die vorliegende Erfindung angegeben wird, gleicht im allgemeinen dem ersten. Er enthält daher Elemente, die die gleichen Funktionen gewährleisten und durch die gleichen Begriffe identifiziert werden. Die obigen Angaben bleiben also gültig, falls nichts gegenteiliges gesagt wird. Wenn ein Element dieses zweiten Lasers die gleiche Funktion wie ein Element des ersten Lasers erfüllt, wird es nachfolgend mit der gleichen Bezugszahl, erhöht um die Zahl 100, versehen.
• Bezüglich des ersten Lasers ist ganz allgemein dieser zweite Laser dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des aktiven Lichtleiters 101 nach vorne nur in einem hinteren Teil TB des Modus-Übergangsabschnitts abnimmt und daß die Breite des passiven Lichtleiters 102 nach vorne in einem vorderen Teil TC dieses Abschnitts abnimmt, um den erweiterten Modus NC an einen zirkularisierten Modus NE noch größerer Abmessungen zu koppeln.
• Genauer betrachtet enthält der Übergangsabschnitt TB, TC zwei aufeinanderfolgende Teile, nämlich einen hinteren und einen vorderen, die einen ersten Übergang TB und einen zweiten Übergang TC bilden. Der erste Übergang TB erstreckt sich vom Anfangspunkt des Übergangs QA zum Punkt QB mit erweitertem Modus, wobei die Breite des aktiven Lichtleiters 101 in diesem ersten Übergang nach vorne abnimmt. Der zweite Übergang erstreckt sich in Längsrichtung nach vorne ausgehend von diesem Punkt QB mit erweitertem Modus bis zu einem Übergangs-Endpunkt QC, wobei die Breite des passiven Lichtleiters 102 nach vorne in diesem zweiten Übergang abnimmt, damit das von diesem passiven Lichtleiter gemäß dem erweiterten Modus in der Nähe dieses Punkts mit erweitertem Modus geführt wird, dann in der Nähe des Übergangs-Endpunkts QC in einen zirkularisierten Modus NE gelangt. Dieser zirkularisierte Modus besitzt bezüglich des erweiterten Modus weiter vergrößerte Abmessungen in waagrechter und in vertikaler Richtung, wobei die vertikale Abmessung größer als die horizontale ist.
• Gemäß einer bevorzugten Maßnahme ist im zweiten Übergang TC die Breite des passiven Lichtleiters 202 erst gleich der normalen Breite des passiven Lichtleiters LN, die im Punkt QB mit erweitertem Modus gemessen wird. Dann nimmt diese Breite zunehmend ab, bis zum Übergangs-Endpunkt QC, wo sie gleich der verringerten Breite des passiven Lichtleiters LR wird. In dem als Beispiel angegebenen Laser bleibt diese Breite dann konstant auf dieser verringerten Breite in einem Kopplungsabschnitt TD, der sich vom Übergangsabschnitt bis zu einem Ende QD des Lasers nach vorne erstreckt. Die Dicke dieses Lichtleiters ist konstant. Der aktive Lichtleiter fehlt ab dem Punkt QB mit erweitertem Modus.
• Die verringerte Breite LR beträgt vorzugsweise 60% und beispielsweise 40% der normalen Breite LN des passiven Lichtleiters 102.
• Der passive Lichtleiter 102 besitzt nur eine Schicht zur Erhöhung des Brechungsindex. Seine Dicke kann geringer als die des aktiven Lichtleiters 101 sein.
• Die Figuren 8 bis 10 zeigen außerdem den Kern 150 einer Monomode-Lichtleitfaser 152, in die der zirkularisierte Modus eingekoppelt wird.
• Der aktive Lichtleiter 101 besitzt beispielsweise im Verarbeitungsabschnitt TA eine Breite von 2000 nm und eine Dicke von 100 nm.
• Seine Endbreite im Punkt NC mit erweitertem Modus beträgt beispielsweise 400 nm, während die Länge des hinteren Übergangs TB 0,1 mm beträgt. Der passive Lichtleiter 102 hat beispielsweise eine verringerte Breite LR von 2000 nm, während die Länge des vorderen Übergangs TC 0,1 mm beträgt.
• Die Figuren 8 und 9 zeigen genauso wie die Figuren 2 bzw. 3 Diagramme zur Verteilung der Lichtenergie in den durch die Lichtleiter 101 und 102 geführten Modi.
• Der enge Modus ist bei NA, ein erster Zwischenübergang bei NB, der erweiterte Modus bei NC, ein zweiter Zwischenübergang bei ND und der zirkularisierte Modus bei NE angedeutet.
• Die Vorteile der in diesem zweiten Laser angewendeten Maßnahmen gehen aus den nachfolgenden Betrachtungen hervor:
• Das zu erreichende Ziel besteht beispielsweise darin, die Winkeldivergenz des von einem Halbleiterlaser ausgesendeten optischen Strahls zu verringern, um die Einspeisung dieses Strahls in einen äußeren Lichtleiter bestehend aus einer Lichtleitfaser zu erleichtern. Die besten Bedingungen der Einspeisung ergeben sich, wenn der im Laser an dessen Ausgang vorliegende geführte Modus identisch dem ist, der im äußeren Lichtleiter geführt werden kann.
• Der Durchmesser des im Halbleiterlaser geführten Modus liegt in der Größenordnung von einem Mikrometer, so daß eine gute Wechselwirkung zwischen Licht und Ladungsträgern gewährleistet ist. Der Durchmesser des von der Lichtleitfaser geführten Modus ist genormt und beträgt 10 Mikrometer, um die Ausbreitungsverluste in der Faser gering zu halten und die Anschlüsse zu erleichtern. Die im zweiten Laser angewendeten Maßnahmen erlauben es, den Lichtausbreitungsmodus adiabatisch vom aktiven Lichtleiter ausgehend aufzuweiten, um einen Modus mit ausreichenden Abmessungen und im wesentlichen zirkularer Form in Höhe des Übergangs-- Endpunkts QC zu erhalten. Unmittelbar vor dem hinteren Übergang TB muß der im Lichtleiter 102 geführte Modus in einer waagrechten Ebene gesehen fast vollkommen in diesem Lichtleiter eingeschlossen sein, um eine möglichst große führende Last für die Lichtführung zu bilden, wobei auf die Dicke dieses Lichtleiters Rücksicht genommen werden muß. Um dieses Ergebnis zu erzielen, d.h. um die Lichtleistung des Modus des Lichtleiters 1 zum Lichtleiter 2 trotz des geringeren Brechungsindex des letzteren übergehen zu lassen, muß die Breite des Lichtleiters 102 deutlich größer als die des Lichtleiters 101 sein. Daraus folgt, daß der Eigenmodus des Lichtleiters 102 notwendigerweise stark abgeflacht ist und seine vertikale Abmessung um einen Faktor 2 geringer als seine horizontale Abmessung ist.
• Im übrigen ist die Ausweitung des Modus in diesem Stadium unzureichend, insbesondere in der vertikalen Ebene, um die am Ausgang des Lasers gewünschte Kopplungsqualität zu gewährleisten. Diese unzureichende Ausweitung beruht auf der Dicke und dem Brechungsindex, die für den Lichtleiter 102 gefordert werden, damit der Übergang des Modus zu diesem Lichtleiter erfolgen kann.
• Daher wird gemäß der vorliegenden Erfindung der Lichtleiter 102 jenseits des rückwärtigen Übergangs verlängert, indem progressiv seine Breite verringert wird, um den geführten Modus zu zirkularisieren und weiter auszudehnen. Seine verringerte Breite muß um einen Faktor 2 kleiner als die Abmessung des geführten Modus sein.
• Die Ausweitung und Zirkularisierung des geführten Modus läßt sich durch die Tatsache erklären, daß durch eine ausreichende Verringerung der Breite des Lichtleiters eine Einschließung des Modus in waagrechter Ebene hervorgerufen wird. Unter diesen Bedingungen wird die Verteilung des Modus in der senkrechten Ebene stark von der Einschließung in der waagrechten Ebene abhängig. Man spricht dann von einer starken gegenseitigen Abhängigkeit der Verteilungen des Modus in der vertikalen und in der waagrechten Ebene und von einer schwachen Einschließung. Diese Situation steht der gegenüber, in der der Lichtleiter ausreichend breit ist, so daß man sagen kann, er ist unendlich breit verglichen mit seiner Dicke. In dieser letzteren Situation sind die waagrechten und senkrechten Verteilungen des Modus unabhängig voneinander, und man spricht von einer starken seitlichen Einschließung.
• Der Übergang muß über eine ausreichende Länge verteilt werden, um wieder die Verluste durch Abstrahlung zu vermeiden.
• Ein ähnliches Ergebnis könnte mit Hilfe eines einzigen Übergangs wie des Übergangs im als Beispiel gewählten ersten Laser erreicht werden. Hierzu müßte aber die Länge dieses Übergangs der Gesamtlänge der beiden oben beschriebenen Übergänge entsprechen. Die Herstellung des Lasers wäre dann wesentlich schwieriger aufgrund der sehr kleinen Winkel, die die Ränder des aktiven Lichtleiters bekommen müßten. Der Betrieb des Lasers wäre dann zufallsbedingt, da man nicht getrennt den Übergang vom Lichtleiter 1 zum Lichtleiter 2 und die Zirkularisierung des Modus optimieren könnte. Dagegen kann durch die Begrenzung der Ausdehnung des Modus im ersten Übergang des zweiten Lasers gemäß der Erfindung eine erhöhte führende Last dem passiven Lichtleiter 102 verliehen werden unter Berücksichtigung der Tatsache, daß die Endbreite des aktiven Lichtleiters 101 an seinem Ende QB hinreichend klein sein muß, um an diesem Punkt dem Lichtleiter eine vernachlässigbare führende Last bezüglich der des passiven Lichtleiters 102 verleihen zu können. Diese Vergrößerung der führenden Last des Lichtleiters 102 verhindert, daß diese Endbreite des aktiven Lichtleiters 101 so gering wird, daß sie nicht mehr einfach und wirksam hergestellt werden kann. Die Herstellungstoleranzen bezüglich der Endabmessungen der Spitze, die vom Lichtleiter 101 gebildet wird, sind also erweitert. Die Empfindlichkeit des Modus auf die Unvollkommenheiten der Ränder des Lichtleiters 101 ist ebenfalls verringert. Dies führt zu einem besser reproduzierbaren Betrieb des Lasers.
• Die vorliegenden Erfindung führt andererseits auch zu einer größeren Positioniertoleranz für die Lichtleitfaser bezüglich des Bauelements (einige Mikrometer) als bei bekannten Lasern. Dadurch kann die Herstellung der optischen Köpfe vereinfacht werden, die als optische Quellen in Nachrichtennetzen mit Lichtleitfasern verwendet werden.
• Manche der obigen Angaben sind auch anwendbar auf die Übertragung der optisch aktiven Bauelemente auf einen anderen Typ von Halbleiterbauelementen (Hybridbauteile auf Siliziumbasis), wo dieselben Probleme auftreten.
• Die Erfindung kann auch bei der Herstellung von nicht schwingenden optischen Halbleiterverstärkern mit eingebetteten Bändern angewendet werden, die nur sehr wenig empfindlich auf die Polarisierung des geführten Modus reagieren. Die geringe Abmessung des geführten Modus im aktiven Lichtleiter begünstigt nämlich eine geringe Empfindlichkeit des Verstärkungsgrads bezüglich der Polarisierung des Modus, während die großen Abmessungen des Modus im passiven Lichtleiter die Verringerung der Reflexwirkung der Endfläche des Bauelements (Spaltseite) begünstigen, wenn die Senkrechte auf dieser Fläche bezüglich der Achse des Lichtleiters nicht genau fluchtet.
• Nun werden ganz allgemein die Verfahrensschritte bei der Herstellung des ersten oben beschriebenen Lasers angegeben:
• - In einem ersten Verfahrensschritt (Figur 4) wird durch epitaxiales Aufwachsen eine vertikale Folge von ursprünglichen Schichten aufgebracht, die die funktionalen Schichten 6, 2, 10, 1, 8 nach der transversalen Begrenzung des aktiven und des passiven Lichtleiters 1 und 2 bilden und die durch die gleichen jeweiligen Bezugszeichen bezeichnet sind.
• Dieses Aufwachsen kann durch die bekannten Techniken des epitaxialen Wachstums (EJM - Molekularstrahlepitaxie, MOCVD - metallorganische Abscheidung aus der Dampfphase usw.) erfolgen. Der Lichtleiter 2 kann aus einer dünnen Schicht bestehen, oder, wie oben beschrieben, aus einer Stapelung von sehr dünnen transparenten Schichten mit Erhöhung des Brechungsindex 12, 14, 16, 18, die durch ein Material mit Absenkung des Brechungsindex identisch dem des Substrats voneinander getrennt sind (gelöste Senken). Die Wahl des Abstands und der Anzahl der Schichten mit Indexerhöhung erlaubt eine präzise Überwachung des mittleren Brechungsindex des Lichtleiters 2.
• - Ein erster Ätzschritt erfolgt auf einer zumindest vorübergehenden Oberseite 30 der Platte, die auf der Seite der oberen Einschließungsschicht 8 liegt. Diese Operation wird bis in die Dicke der Trennschicht 10 fortgesetzt. Ihre Aufgabe ist es, den aktiven Lichtleiter 1 transversal zu begrenzen. Die Trennschicht 10 vereinfacht diese Operation.
• - Eine zweite Ätzoperation greift tiefer bis in die Dicke der ursprünglichen Schicht 2, um den passiven Lichtleiter 2 transversal zu begrenzen. Diese Operation wird durch die Tatsache erleichtert, daß die Breite des Lichtleiters 2 größer als die des Lichtleiters 1 ist (Figur 6). Die Tiefe der Ätzung erlaubt eine Kontrolle des transversalen Brechungsindexsprungs und gewährleistet die Ausbreitung eines einzigen Modus.
• Diese beiden Atzoperationen werden durch bekannte geeignete Maskiertechniken (Figur 5) erreicht.
• - Dann erfolgt eine zweite Aufwachsoperation, um diese Lichtleiter und die Trennschicht 10 und die obere Einschließung 8 in dem komplementären Material 32 einzubetten, wodurch die Platte 4 vollendet wird. Dieses Aufwachsen erfolgt vorzugsweise durch Epitaxie und kann selektiv oder nicht- selektiv sein (Figur 1).
• Der als zweites Beispiel dargestellte Laser kann durch dieselbe Abfolge von Operationen hergestellt werden, wobei jedoch die Formen der verwendeten Masken für die Ätzoperationen verändert sein müssen sowie ggf. auch die Parameter der Operation des epitaxialen Aufwachsens.

Claims (13)

1. Optisches Halbleiter-Bauelement mit erweitertem Ausgangsmodus und mit zwei Lichtleitern, die sich in Längsrichtung des Bauelements von hinten nach vorne erstrecken, um Ausbreitungsmodi eines Lichts zu führen, wobei das Bauteil Abschnitte (SA, SB, SC) aufweist, die sich in Längsrichtung hintereinander von hinten nach vorne erstrecken und die mindestens einen Verarbeitungsabschnitt (SA) und einen Modus-Übergangsabschnitt (SB) bilden, wobei der Übergangsabschnitt in einem Übergangs-Anfangspunkt (PA) in der Nähe des Verarbeitungsabschnitts beginnt und in einem Übergangs-- Endpunkt (PB) entfernt von dem Verarbeitungsabschnitt endet, wobei einer der Lichtleiter ein aktiver Lichtleiter (101) ist, der dieses Licht verarbeiten kann, während der andere ein passiver Lichtleiter (102) ist, der sich unter dem aktiven Lichtleiter zumindest im Modus-Übergangsbereich (TB, TC) erstreckt, wobei die Breite des aktiven Lichtleiters nach vorne hin in einem hinteren Teil (TB) des Modus-Übergangsabschnitts abnimmt, so daß ein enger Modus (NA), der von diesem aktiven Lichtleiter hinter dem Übergangsabschnitt geführt wird, mit einem erweiterten Modus (NC) gekoppelt ist, der im passiven Lichtleiter im Übergangsabschnitt geführt ist und größere Abmessungen als der enge Modus besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des passiven Lichtleiters (102) nach vorne hin in einem vorderen Teil (TC) des Modus-Übergangsabschnitts abnimmt, um den erweiterten Modus mit einem zirkularisierten Modus noch größerer Abmessungen zu koppeln.

2. Bauelement nach Anspruch 1, bestehend aus einer Halbleiterplatte (4), die eine Längsrichtung (X), eine Querrichtung (Y) und eine vertikale Richtung (Z) besitzt, die aufeinander senkrecht stehen, wobei waagrechte Ebenen sich gemäß den Längs- und Querrichtungen erstrecken und Querebenen senkrecht zu dieser Längsrichtung verlaufen, wobei Längen, Breiten, Dicken und Querabmessungen von inneren Elementen dieser Platte gemäß den Längs-, Quer- und Vertikalrichtungen bzw. den Querebenen gemessen werden und wobei die Platte eine vertikale Folge von funktionalen waagrechten Schichten besitzt, die mindestens bilden:

- eine untere Einschließungsschicht (106) eines ersten Leitfähigkeitstyps,

- einen passiven Lichtleiter (102), der sich in Längsrichtung erstreckt und in Querrichtung von einem komplementären Material (132) eingerahmt ist sowie einen erhöhten Brechungsindex besitzt, um Licht zu führen, wobei dieser Brechungsindex, eine normale Breite und eine Dicke des Lichtleiters so gewählt sind, daß das Licht in einem einzigen Modus geführt wird, der einen erweiterten Modus (MC) bildet,

- einen aktiven Lichtleiter (101), der sich in Längsrichtung erstreckt und in Querrichtung von einem komplementären Material (132) eingerahmt ist, wobei dieser Lichtleiter aus einem aktiven Material besteht, das eine erhöhten Brechungsindex besitzt, um das Licht zu leiten, und der außerdem das Licht durch Verstärkung, Modulation oder Lichtdetektion mittels Wechselwirkung mit Ladungsträgern entgegengesetzter Typen verarbeiten kann, wobei der aktive und der passive Lichtleiter übereinander liegen und Breiten, Dicken, Brechungsindices und einen gegenseitigen Abstand besitzen, die so gewählt sind, daß sich eine wechselseitige optische Kopplung zwischen diesen Lichtleitern ergibt und daß die Einheit aus diesen beiden Lichtleitern das Licht in diesem Verarbeitungsabschnitt gemäß einem einzigen Modus führt, der die Energie des Lichts im aktiven Lichtleiter konzentriert und somit dessen Verarbeitung begünstigt, wobei dieser einzige Modus ein enger Modus ist, dessen Abmessungen kleiner als die des erweiterten Modus (MC) sind, wobei die Breite und die Dicke dieses aktiven Lichtleiters (101) in diesem Verarbeitungsabschnitt (SA) Verarbeitungs-Querabmessungen definieren und der aktive Lichtleiter (101) in dem Modus-Übergangsabschnitt (SB) ausgehend vom Übergangs-Anfangspunkt (PA) Querabmessungen besitzt, die nach vorne hin ausgehend von dem Verarbeitungsquerschnitt abnehmen, damit das Licht, das in der Nähe dieses Punktes gemäß dem engen Modus geführt wird, weiter vom passiven Lichtleiter im erweiterten Modus (MC) zu einem Punkt (PB) mit erweitertem Modus geführt wird, der zum Übergangsabschnitt gehört,

- und eine obere Einschließungsschicht (108), die einen zweiten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzt zum ersten besitzt, um die Verschiebung der Ladungsträger entgegengesetzter Typen in der Nähe des aktiven Lichtleiters (101) im Verarbeitungsabschnitt (SA) zu erlauben, wobei die vergrößerten Brechungsindices größer als die Brechungsindices der unteren Einschließungsschicht (106) und der oberen Einschließungsschicht (108) sowie des komplementären Materials sind,

wobei der aktive Lichtleiter (101) eine konstante Dicke in allen Punkten des Modus-Übergangsabschnitts (SB) besitzt, wo dieser Lichtleiter existiert, während seine Breite progressiv ausgehend von dem Übergangsanfangspunkt (PA) bis zum Punkt (PB) des erweiterten Modus abnimmt.

3. Bauelement nach Anspruch 2, in dem der passive Lichtleiter (102) im Übergangsanfangspunkt (PA) eine größere normale Breite als diejenige des aktiven Lichtleiters (101) im Verarbeitungsabschnitt (SA) und einen kleineren Brechungsindex als derjenige des aktiven Lichtleiters (101) in dem Verarbeitungsabschnitt (SA) besitzt.

4. Bauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Trennschicht (110) zwischen den aktiven und den passiven Lichtleiter (101, 102) eingefügt ist, die einen niedrigeren Brechungsindex als der mittlere Brechungsindex jeder dieser beiden Lichtleiter besitzt.

5. Bauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Punkt (PB) mit erweitertem Modus ein Ende des aktiven Lichtleiters (101) bildet.

6. Bauelement nach Anspruch 5, in dem der aktive Lichtleiter (101) im Modus-Übergangsabschnitt (SB) und in Projektion auf eine waagrechte Ebene die allgemeine Form einer Spitze mit abgeschnittenem Ende (28) besitzt.

7. Bauelement nach Anspruch 2, in dem der erweiterte Modus (MC) Quer- und Vertikalabmessungen besitzt, die größer als 200% der Quer- und Vertikalabmessungen des engen Modus (MA) sind, wobei diese Abmessungen jedes der Modi die Querabmessungen und vertikalen Abmessungen des Bereichs sind, in dem das elektrische Feld dieses Modus um einen Faktor kleiner als 2,718 bezüglich des elektrischen Maximalfelds dieses Modus abgefallen ist.

8. Bauelement nach Anspruch 7, in dem der erweiterte Modus (MC) Quer- und Vertikalabmessungen größer als 400% der Querund Vertikalabmessungen des engen Modus (MA) besitzt.

9. Bauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergangsabschnitt (TB, TC) einen ersten Übergang (TB) und einen zweiten Übergang (TC) enthält, wobei sich der erste Übergang (TB) vom Übergangsanfangspunkt (QA) bis zum Punkt (QB) mit erweitertem Modus erstreckt und die Breite des aktiven Lichtleiters nach vorne hin im ersten Übergang abnimmt, während der zweite Übergang sich in Längsrichtung nach vorne ausgehend von dem Punkt (QB) mit erweitertem Modus bis zu einem Übergangsendpunkt (QC) erstreckt und die Breite des passiven Lichtleiters (102) nach vorne zu in diesem zweiten Übergang so abnimmt, daß das Licht, das von diesem passiven Lichtleiter gemäß dem erweiterten Modus (NC) in der Nähe des Punktes mit erweitertem Modus geführt wird, von diesem Lichtleiter gemäß einem zirkularisierten Modus (NE) in die Nähe des Übergangsendpunkts (QC) gebracht wird, wobei dieser zirkularisierte Modus nochmals vergrößerte waagrechte und senkrechte Abmessungen bezüglich des erweiterten Modus besitzt und die senkrechte Abmessung in einem größeren Verhältnis als die waagrechte Abmessung vergrößert ist.

10. Bauelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß im zweiten Übergang (TC) die Breite des passiven Lichtleiters (102) zuerst gleich der normalen Breite des passiven Lichtleiters (LN) im Punkt (QB) mit erweitertem Modus ist und dann progressiv bis zum Übergangsendpunkt (QC) abnimmt, wo diese Breite einer verringerten Breite des passiven Lichtleiters (LR) gleicht, wobei die Dicke des Lichtleiters konstant ist und der aktive Lichtleiter nicht mehr vorliegt.

11. Bauelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die verringerte Breite (LR) des passiven Lichtleiters weniger als 60% der normalen Breite des passiven Lichtleiters (LN) beträgt.

12. Bauelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß es außerdem einen Kopplungsabschnitt (TD) enthält, der sich vom Übergangsendpunkt (QC) nach vorne erstreckt und in dem die Breite des passiven Lichtleiters (102) konstant auf der verringerten Breite (LR) bleibt.

13. Verfahren zur Herstellung eines Bauelements nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Herstellung der Platte (4) folgende Operationen enthält:

- eine erste Operation des epitaxialen Wachstums, um eine vertikale Folge von Ursprungsschichten zu bilden, die die funktionalen Schichten (106, 102, 110, 101, 108) nach der Querbegrenzung der aktiven und passiven Lichtleiter (101, 102) bilden werden,

- eine erste Ätzoperation ausgehend von einer zumindest vorübergehenden Oberseite (30) der Platte, die sich auf der Seite der oberen Einschließungsschicht (108) befindet, wobei die Ätzung bis in die Dicke der Trennschicht (110) reicht, um den aktiven Lichtleiter (101) in Querrichtung zu begrenzen,

- eine zweite Ätzoperation, die tiefer greift, und zwar mindestens bis in die Dicke der ursprünglichen Schicht (102), die dann den passiven Lichtleiter (102) bildet, um diesen Lichtleiter in Querrichtung zu begrenzen,

- und eine zweite Operation des Wachstums, um diese Lichtleiter (101, 102), die Trennschicht (110) und die obere Einschließungsschicht (108) in einem komplementären Material (132) einzubetten, wodurch die Platte (104) vervollständigt wird.