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Dokumentenidentifikation DE10203696A1 24.07.2003
Titel Optoelektronisches Bauelement
Anmelder Infineon Technologies AG, 81669 München, DE
Erfinder Stegmüller, Bernhard, 86163 Augsburg, DE
Vertreter Maikowski & Ninnemann, Pat.-Anw., 10707 Berlin
DE-Anmeldedatum 24.01.2002
DE-Aktenzeichen 10203696
Offenlegungstag 24.07.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 24.07.2003
IPC-Hauptklasse H01S 5/026
IPC-Nebenklasse G02F 1/00   H04B 10/02   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Bauelement mit mindestens zwei über einen Wellenleiter gekoppelten Komponenten (1, 2, 3) in einer monolithisch integrierten Bauweise, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei der Komponenten (1, 2, 3) des Bauelements in Serie zu einer zusammengehörigen PINIP-Struktur gekoppelt sind. Damit wird ein optoelektronisches Bauelement geschaffen, das sich effizient ansteuern lässt.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Bauelement nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Für die elektronische Datenübertragung bei Datenraten von mehreren Gbit/s mittels optoelektronischer Bauelemente ist es erforderlich, die Lichtintensität effizient zu steuern. Die dabei verwendeten Bauelemente weisen in der Regel elektrooptische Modulatoren auf, die nicht Silizium-basiert sein können. Im Bereich von mehr als 10 Gbit/s, sind die zur Steuerung der Modulatoren erforderlichen Spannungshübe von mehr als 0,5 V bei einem Extinktionsverhältnis von mehr als 10 dB mit Silizium-basierten Systemen nicht realisierbar.

Die effiziente Ansteuerung des optoelektronischen Bauelementes stellt somit ein Problem dar. Für eine einzelne Komponente eines Bauelementes allein ist aus Yamada et al. "Electroabsorption modulator with PINIP structure", Electronic letters, 5th February 1998, Vol. 34, No. 3 pp. 304-306 bekannt, zwei Elektroabsorptionsmodulatoren miteinander zu koppeln, so dass aus den beiden PIN-Strukturen, eine PINIP-Struktur entsteht. Damit ist aber noch nicht das Problem gelöst, ein optoelektronische Bauelement mit mehreren Komponenten effizient anzusteuern.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optoelektronisches Bauelement zu schaffen, das sich effizient ansteuern lässt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein elektrooptisches Bauelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Durch die Kopplung mindestens zweier Komponenten des optoelektronischen Bauelements in Serie zu einer zusammengehörigen PINIP-Struktur ist es möglich, die Komponenten und das gesamte Bauelement selbst effizient anzusteuern. Insbesondere ist es möglich, einen hinreichend hohen angelegten Spannungshub für mehrere Komponenten des Bauelements zu verwenden.

Vorteilhaft ist es, wenn eine der Komponenten des optoelektronischen Bauelementes eine Laserdiode, ein elektrooptischer Modulator, insbesondere ein Elektroabsorptionsmodulator oder ein optischer Verstärker ist. Durch eine Serienschaltung dieser Komponenten lassen sich PINIP-Strukturen im Bauelement erzeugen.

Vorteilhaft kann eine Steuereinrichtung (elektrische Treiber) für mindestens eine der Komponenten und/oder das Bauelement im Differential-Modus verwendet werden, da dann ein größerer Spannungshub (etwa der doppelte) als im Single-Ended Modus zur Verfügung steht. Dies gilt dann, wenn die Aussteuerspannung im Single-Endes Modus größer ist als die Diodenspannung im Durchlaßbetrieb des optischen Verstärkers. Im Vergleich zum Single-Ended Modus einer Steuereinrichtung ist der größere Spannungshub der Steuereinrichtung im Differential-Modus z. B. dafür geeignet, einen elektrooptischen Modulator zu betreiben, der mit einem optischen Verstärkter in Serie geschaltet ist.

Vorteilhafterweise weist mindestens eine Verbindungsleitung zwischen Steuereinheit und Bauelement einen Wanderwellenkontakt auf.

Ebenfalls ist es vorteilhaft, wenn ein p-Kontakt einer Komponente, insbesondere eines Elektroabsorptionsmodulators oder eines optischen Verstärkers Teil mindestens einer Verbindungsleitung zwischen Steuereinrichtung und Bauelement ist.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Bauelements ist zwischen einem Massen-Anschluss und einer PINIP-Struktur des Bauelements eine semiisolierende Schicht, insbesondere aus Fe:InP angeordnet.

Vorteilhafterweise sind zwischen mindestens zwei Komponenten Gräben angeordnet, so dass die Komponenten optisch und elektrisch stark entkoppelt werden. Für eine starke elektrische Entkopplung weist mindestens ein Graben vorteilhafterweise eine Ionenimplantation auf. Damit wird die Verwendung des Differential-Modus der Steuereinrichtung ermöglicht.

Für eine einfache Herstellung des Bauelementes ist es vorteilhaft, wenn mindestens eine aktive Schicht des Wellenleiters eine Multi-Quantum-Well-Struktur aufweist, insbesondere mit mindestens zwei unterschiedlichen Quantum-Well-Typen. Damit können insbesondere die elektrooptischen Eigenschaften der unterschiedlichen Quantum-Well-Typen genutzt werden, was bei Bauformen mit nur einem Quantum-Well-Typ nicht möglich.

Vorteilhafterweise weist mindestens eine aktive Schicht eine Quanten-Punktstruktur aufweist.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen optoelektronischen Bauelementes;

Fig. 1a eine schematische Schnittansicht einer Variante der ersten Ausführungsform;

Fig. 2 eine schematische Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen optoelektronischen Bauelementes;

Fig. 2a eine schematische Schnittansicht einer Variante der zweiten Ausführungsform;

Fig. 3 eine schematische Draufsicht auf eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen optoelektronischen Bauelementes;

Fig. 4a-c drei schematische Schnittansichten betreffend die unterschiedliche Varianten lateraler Anordnungen von Schichten bei dem erfindungsgemäßen optoelektronischen Bauelement.

In Fig. 1 ist eine Schnittansicht durch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optoelektronischen Bauelementes dargestellt. Diese erste Ausführungsform weist, von rechts nach Links gesehen, als Komponenten eine Laserdiode 3, einen Elektroabsorptionsmodulator 1 (EAM) und einen optischen Verstärker (semiconductor optical amplifier SOA) 2 auf. Alle drei Komponenten 1, 2, 3 sind monolithisch mit einem Halbleitermaterial integriert.

Im folgenden wird zunächst die horizontale Abfolge der Komponenten 1, 2, 3 dargestellt, anschließend die vertikale Schichtenfolge.

In der Fig. 1 ist rechts der Bereich der Laserdiode 3 dargestellt. Die Laserdiode 3 ist hier in an sich bekannter Weise als DFB-Laser mit einem Bragg-Gitter 8 ausgebildet. Das Bragg-Gitter 8 ist dabei nur im Bereich der Laserdiode 3 angeordnet. Das Bragg-Gitter 8 muss sich dabei nicht über die gesamte Länge der Laserdiode 3 erstrecken. In einer alternativen Ausführungsform kann auch eine DBR-Laserstruktur verwendet werden.

An die Laserdiode 3 schließt sich der Elektroabsorptionsmodulator 1 an, wobei zwischen dem Bereich der Laserdiode 3 und dem Elektroabsorptionsmodulator 1 ein erster Graben 5 in das Halbleitermaterial eingebracht ist. Mit dem Elektroabsorptionsmodulator 1 ist es möglich, durch eine Änderung des elektrischen Feldes die Bandstruktur des Halbleiters zu beeinflussen, so dass die Intensität des durch den Elektroabsorptionsmodulator 1 transmittierten Laserlichts gesteuert werden kann. Durch diese Modulation sind sehr hochfrequente Datenübertragungen möglich. Grundsätzlich sind auch andere Bauweisen von elektrooptischen Modulatoren möglich.

An den Elektroabsorptionsmodulator 1 schließt sich ein Bereich für einen optischen Verstärker 2 in an sich bekannter Bauart an. Zwischen dem Elektroabsorptionsmodulator 1 und dem optischen Verstärker 2 ist ein zweiter Graben 6 angeordnet.

In vertikaler Erstreckung des Bauelements ist zuunterst eine semi-isolierende (z. B. aus Fe:InP) Schicht 33 als Substrat angeordnet. Unterhalb des elektrooptischen Bauelements ist ein Masse-Anschluss 40 vorgesehen.

Auf den n-dotierten Schichten 32 ist eine Multi-Quantum-Well- Struktur (MQW-Struktur) als Modulatorschicht 31 aufgewachsen, die für den Elektroabsorptionsmodulator 1 vorgesehen ist. Die Dicke A der Modulatorschicht 30 beträgt zwischen ca. 0 und 500 nm. MQW-Strukturen nutzen den Quantum Confined Stark Effect in III-V Halbleitersystemen (z. B. InGaAlAs/GaAs oder In-GaAsP/InP) aus.

Eine MQW-Struktur ist auch als aktive Schicht 30 für die Laserdiode 1 darüber angeordnet. Die aktive Schicht 30 weist eine Dicke B von 0 bis 500 nm auf.

Das Verhältnis der Schichtdicken ausgedrückt in B/(A + B) ist größer als 0 und maximal 1.

Oberhalb der aktiven Schicht 30 sind p-dotierte Schichten 34 angeordnet.

In der dargestellten Ausführungsform weisen die Schichten, insbesondere die Modulatorschicht 30 und die aktive Schicht 31 über die gesamte Länge des Bauelementes die gleiche Dicke auf, da eine solche Struktur einfach herstellbar ist. Die aktive Schicht ist im übrigen für alle Komponenten 1, 2, 3 eine gemeinsame Schicht.

Grundsätzlich ist es auch möglich, dass die Schichtdicken über die Länge des Bauelementes nicht konstant sind.

Auch können für die aktive Schicht Quantenpunkt-Strukturen verwendet werden.

Für die Serienschaltung der Komponenten 1, 2, 3, hier eine Serienschaltung des optischen Verstärkers 2 mit dem Elektroabsorptionsmodulator 1, ist ein negativer Kontakt 10 am Elektroabsorptionsmodulator und am optischen Verstärker 2 ein positiver Kontakt 20 angeordnet.

Durch die nebeneinander angeordneten, in Serie geschalteten Komponenten 1, 2, die für sich jeweils eine PIN-Struktur aufweisen ist es bei der vorliegenden Ausführungsform möglich, eine elektrische PINIP-Struktur im Bauelement zu realisieren. Der optische Verstärker 2 wird damit in Vorwärtsrichtung, der Elektroabsorptionsmodulator 1 wird in Rückwärtsrichtung betrieben.

Mit einer solchen Struktur ist es möglich, den Elektroabsorptionsmodulator 1 mit einem Differential-Modus einer hier nicht dargestellten Steuereinheit (Treiber) zu betreiben. Dabei wird hier der optische Verstärker 2 so hoch positiv vorgespannt, dass für die optische Verstärkung genügend Strom vorhanden ist, wobei der Spannungshub der Steuereinrichtung ausreicht, um den Elektroabsorptionsmodulator 1 ebenfalls zu betreiben. Insbesondere in Verbindung mit MQW-Strukturen, die mehr als einen Quantum-Well-Typ aufweisen, eignet sich der Differential-Modus, da neben der elektronischen Ansteuerung des Elektroabsorptionsmodulators 1 eine optische Verstärkung erreichbar ist.

Die erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bauelements weist aufgrund der Gräben 5, 6 eine starke optische und eine starke elektrische Entkopplung der Komponenten 1, 2, 3 auf. Die elektrischen Kontakte sind hier im Bereich des Materials eines Dotierungstyps (hier vorteilhafterweise der p- Dotierung) isoliert.

In Fig. 1a wird eine Variante der ersten Ausführungsform beschrieben, in der der zweite Graben 6 tief bis in die ndotierte Schicht 32 gezogen ist. Damit werden der Elektroabsorptionsmodulator und der optische Verstärker im optischen Wellenleiter voneinander getrennt. Zur Verdeutlichung des funktionellen Prinzips ist eine Triodenschaltung 60 schematisch dargestellt.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wurde eine Serienschaltung eines optischen Verstärkers 2 und eines Elektroabsorptionsmodulator 1 beschrieben. Grundsätzlich ist es möglich auch andere Kombinationen der Komponenten in Serie zu schalten. In Fig. 2 wird grundsätzlich der gleiche Aufbau eines optoelektronischen Bauelements beschrieben, so dass auf die obigen Ausführungen Bezug genommen wird.

Die zweite Ausführungsform, die in Fig. 2 dargestellt ist, ähnelt der ersten Ausführungsform, da auch hier Gräben 5, 6 zwischen den Komponenten 1, 2, 3 angeordnet sind. Die elektrische Isolation wird aber hier mittels einer Ionenimplantation 7 erreicht, was eine schwache optische, aber eine starke elektrische Entkopplung zur Folge hat. Wie bei der Beschreibung zu Fig. 1, liegt eine Isolation der Kontakte auf einem Material gleicher Dotierung vor.

In Fig. 2a ist eine Variante der zweiten Ausführungsform dargestellt, bei der die Gräben S. 6 mit Ionenimplantation versehen sind. Der zweite Graben ist dabei analog zur der Variante gemäß Fig. 1a bis in die n-dotierte Schicht gezogen. Die Beschreibung zur Fig. 1a ist analog heranzuziehen.

In Fig. 3 wird im wesentlichen die erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen optoelektronischen Bauelementes in einer Draufsicht dargestellt. Entlang des Wellenleiters 50 sind von rechts nach links die Laserdiode 3, der Elektroabsorptionsmodulator 1 und der optische Verstärker 2 angeordnet.

Der positive Kontakt 20 ist Teil einer Verbindungsleitung zwischen dem optischen Verstärker 2 und der hier nicht dargestellten Steuereinrichtung. Der negative Kontakt 10 ist Teil einer Verbindungsleitung zwischen dem Elektroabsorptionsmodulator 1 und der Steuereinrichtung. Die Steuereinrichtung arbeitet im Differential-Modus.

Die beiden Komponenten 1, 2 sind, wie oben dargestellt, in Serie geschaltet. Anders als in der ersten Ausführungsform sind weist die Verbindungsleitung zur Steuereinrichtung Wanderwellenkontakte 10, 20 auf.

Der Elektroabsorptionsmodulator 1 ist über einen Anschluss 53, der optische Verstärker 2 ist über einen weiteren Anschluss 54 mit dem hier nicht dargestellten HF-Abschlusswiderstand verbunden.

Ferner ist ein positiver Kontakt 52 für die Laserdiode 3 vorgesehen. Auch sind mehrere Massekontakte 55 an der vorgesehen.

Alle genannten Kontakte und Anschlüsse sind an der Oberseite des optoelektronischen Bauelementes angeordnet.

In der Fig. 4a ist eine Schnittansicht quer zum Wellenleiter 50 dargestellt, wobei in der Ansicht der Fig. 4a die Schnittansicht durch den optischen Verstärker 2 geht. Seitlich neben dem Wellenleiter 50 und unterhalb der Massekontakte 55 ist eine dielektrische Beschichtung 56, z. B. aus BCB (bisbenzocyclobuten) angeordnet. Unterhalb der dielektrischen Beschichtung 56 ist eine elektrische Isolationsschicht 57 (dielektrisch z. B. SiN, SiOx, Al2O3) angeordnet, die den Schichtenstapel jeweils seitlich umgibt. Der Schichtenstapel ist auf der semi-isolierenden Schicht 33 angeordnet. Unterhalb dieser ist der Masse-Anschluss 40 angeordnet.

In Fig. 4b ist eine alternative Ausgestaltung des optoelektronischen Bauelementes dargestellt, bei dem ebenfalls seitlich zum Wellenleiter 50 dielektrische Beschichtungen 56 analog zu der Ausgestaltung gemäß Fig. 4a vorgesehen sind. Allerdings reichen diese dielektrischen Beschichtungen 56 tiefer, nämlich bis zur semi-isoliernden Schicht 33. Auch liegen die Massekontakte oben auf der dielektrischen Beschichtung 56 auf.

Anhand dieser Ausführungsform sollen einige Abmessungen dargestellt werden, die sinngemäß auch auf die anderen Varianten übertragbar sind.

Die Breite W des Wellenleiters 50 ist kleiner als 2 µm, die Breite B des mittleren Schichtenstapels des Bauelements ist gleich groß oder größer als die Breite W, aber kleiner als 20 µm. Die Breite D mit den dielektrischen Beschichtungen ist größer als die Breite B, aber kleiner als 200 µm. Die seitlich angeordnete Schichtstruktur weist eine Breite K von weniger als 80 µm auf.

Die Variante gemäß Fig. 4c ist analog zu der Variante gemäß Fig. 4b aufgebaut, nur reichen die dielektrischen Schichten 56 nicht bis zur semi-isolierenden Schicht 33.

Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, die von dem erfindungsgemäßen optoelektronischen Bauelement auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch machen. Bezugszeichenliste 1 Elektroabsorptionsmodulator

2 optischer Verstärker

3 Laserdiode

5 erster Graben

6 zweiter Graben

7 Ionenimplantation

8 Bragg-Gitter

10 Kontakt Elektroabsorptionsmodulator (negativ)

20 Kontakt optischer Verstärker (positiv)

30 aktive Schicht (Laserdiode)

31 Modulatorschicht

32 n-dotierte Schichten

33 Substrat (semi-isolierend)

34 p-dotierte Schichten

40 Masse-Anschluss

50 Wellenleiter

52 Kontakt für Laserdiode

53 Anschluss des Elektroabsorptionsmodulator zum HF-Abschlusswiderstand

54 Anschluss des optischen Verstärkers zum HF-Abschlusswiderstand

55 Massekontakt

56 dielektrische Beschichtung

57 elektrische Isolationsschicht

60 Triodenstruktur (schematisch)

A Dicke aktive Schicht Laserdiode (MQW-Struktur)

B Dicke Modulatorschicht


Anspruch[de]
  1. 1. Optoelektronisches Bauelement mit mindestens zwei über einen optischen Wellenleiter gekoppelten Komponenten in einer monolithisch integrierten Bauweise, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei der Komponenten (1, 2, 3) des Bauelements in Serie zu einer zusammengehörigen PINIP- Struktur gekoppelt sind.
  2. 2. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Komponenten (1, 2, 3) eine Laserdiode (3), elektrooptischer Modulator, insbesondere ein Elektroabsorptionsmodulator (1) oder ein optischer Verstärker (2) ist.
  3. 3. Optoelektronische Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinrichtung für mindestens eine Komponenten und/oder das Bauelement einen Differential-Modus zum Betreiben von Komponenten (1, 2, 3) des Bauelementes aufweist.
  4. 4. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Verbindungsleitung zwischen Steuereinheit und Bauelement einen Wanderwellenkontakt aufweist.
  5. 5. Optoelektronisches Bauelement nach 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein p-Kontakt einer Komponente (1, 2, 3), insbesondere eines Elektroabsorptionsmodulators (1) oder eines optischen Verstärkers (2) Teil mindestens einer Verbindungsleitung zwischen Steuereinrichtung und Bauelement ist.
  6. 6. Optoelektronisches Bauelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem Massen-Anschluss (40) und der PIN- Struktur des Bauelements eine semi-isolierende Schicht (33), insbesondere aus Fe:InP angeordnet ist.
  7. 7. Optoelektronisches Bauelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen mindestens zwei Komponenten Gräben (5, 6) angeordnet sind.
  8. 8. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Graben (5, 6) eine Ionenimplantation aufweist.
  9. 9. Optoelektronisches Bauelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine aktive Schicht des Wellenleiters eine Multi-Quantum-Well-Struktur aufweist, insbesondere mit mindestens zwei Quantum-Well-Typen.
  10. 10. Optoelektronisches Bauelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine aktive Schicht eine Quanten- Punktstruktur aufweist.






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