DE60005942T2 - Laser mit vertikalem Resonator und Verfahren zur Einstellung der Wellenlänge - Google Patents

Laser mit vertikalem Resonator und Verfahren zur Einstellung der Wellenlänge Download PDF

Info

Publication number
DE60005942T2
DE60005942T2 DE60005942T DE60005942T DE60005942T2 DE 60005942 T2 DE60005942 T2 DE 60005942T2 DE 60005942 T DE60005942 T DE 60005942T DE 60005942 T DE60005942 T DE 60005942T DE 60005942 T2 DE60005942 T2 DE 60005942T2
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
vcsel
array
wavelength
laser
semiconductor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
DE60005942T
Other languages
English (en)
Other versions
DE60005942D1 (de
Inventor
Vijaysekhar Jayaraman
Jonathan Geske
Frank Peters
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Gore Enterprise Holdings Inc
Original Assignee
Gore Enterprise Holdings Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Gore Enterprise Holdings Inc filed Critical Gore Enterprise Holdings Inc
Publication of DE60005942D1 publication Critical patent/DE60005942D1/de
Application granted granted Critical
Publication of DE60005942T2 publication Critical patent/DE60005942T2/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/40Arrangement of two or more semiconductor lasers, not provided for in groups H01S5/02 - H01S5/30
    • H01S5/42Arrays of surface emitting lasers
    • H01S5/423Arrays of surface emitting lasers having a vertical cavity
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/02Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/0206Substrates, e.g. growth, shape, material, removal or bonding
    • H01S5/0217Removal of the substrate
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/04Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping, e.g. by electron beams
    • H01S5/041Optical pumping
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/10Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
    • H01S5/18358Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL] containing spacer layers to adjust the phase of the light wave in the cavity
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/10Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
    • H01S5/18361Structure of the reflectors, e.g. hybrid mirrors
    • H01S5/1838Reflector bonded by wafer fusion or by an intermediate compound
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/40Arrangement of two or more semiconductor lasers, not provided for in groups H01S5/02 - H01S5/30
    • H01S5/4025Array arrangements, e.g. constituted by discrete laser diodes or laser bar
    • H01S5/4087Array arrangements, e.g. constituted by discrete laser diodes or laser bar emitting more than one wavelength
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/40Arrangement of two or more semiconductor lasers, not provided for in groups H01S5/02 - H01S5/30
    • H01S5/42Arrays of surface emitting lasers
    • H01S5/423Arrays of surface emitting lasers having a vertical cavity
    • H01S5/426Vertically stacked cavities

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG 1. Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wellenlängeneinstellung in einem Oberflächenemissions-Laser mit vertikalem Hohlraum. Sie betrifft außerdem einen Oberflächenemissions-Laser mit vertikalem Hohlraum und ein Array aus derartigen Lasern.
  • 2. Beschreibung des einschlägigen Standes der Technik
  • Ein Oberflächenemissions-Laser mit vertikalem Resonator (VCSEL) ist ein Halbleiterlaser mit einer Halbleiterschicht aus optisch aktivem Material wie zum Beispiel Galliumarsenid oder Indiumphosphid. Das optisch aktive Material ist eingefaßt zwischen Spiegeln, die aus hochreflektierenden Schichten metallischen Werkstoffs, dielektrischen Werkstoffs oder epitaktisch gewachsenem Halbleitermaterial gebildet sind. Üblicherweise ist einer der Spiegel teilweise reflektierend, so daß er einen Teil des kohärenten Lichts durchläßt, der sich in einem Resonatorhohlraum ausbaut, der zwischen den die aktive Schicht einfassenden Spiegeln gebildet ist.
  • Laser erzeugende Strukturen erfordern eine optische Eingrenzung in einem Resonatorhohlraum und eine Trägereingrenzung in der aktiven Zone, um eine effiziente Umwandlung von Pumpelektronen in stimulierte Photonen durch Besetzungsumkehr zu erreichen. Die stehende Welle von reflektierter optischer Energie innerhalb des Resonatorhohlraums hat einen charakteristischen Querschnitt, wodurch ein optischer Mode entsteht. Ein erstrebenswerter optischer Mode ist der Grund-Einzel-Transversalmodus, bei spielsweise der HE11-Modus eines zylindrischen Wellenleiters. Ein Einzelmodensignal von einem VCSEL läßt sich bequem in eine optische Faser einkoppeln, besitzt geringe Divergenz und ist im Betrieb von sich aus monofrequent.
  • Um den Schwellenwert für den Laserbetrieb zu erreichen, muß die Gesamtverstärkung eines VCSEL gleich dem Gesamtverlust des VCSEL sein. Aufgrund der kompakten Beschaffenheit von VCSELs aber ist die Menge der Verstärkungsmedien begrenzt. Für effiziente VCSELs muß zumindest einer der beiden erforderlichen Spiegel ein Reflexionsvermögen von mehr als etwa 99,5% aufweisen. Diese Anforderung zu erfüllen, ist bei langwelligen VCSELs schwieriger als bei kurzwelligen VCSELs, weil diese hochreflektierenden Spiegel nur schwierig durch den gleichen Schritt des epitaktischen Wachstums gebildet werden können wie die langwellige aktive Zone. Da epitaktisch gewachsene Spiegel häufig kein ausreichend hohes Reflexionsvermögen zeigen, werden einige VCSELs durch Wafer-Fusing des oberen und des unteren Spiegels an der aktiven Zone gebildet.
  • Diese Wafer-Fusion ist ein Verfahren, mit dem Werkstoffe verschiedener Gitterkonstante atomar miteinander verbunden werden durch Aufbringen von Druck und Wärme, um eine echte physikalische Bindung zu erzeugen. Damit dient das Wafer-Fusing einer oder beider Spiegel an die aktive Zone zur Steigerung des Reflexionsvermögens, welches der eine Spiegel oder beide Spiegel aufweisen, um die geringe Menge an Verstärkung zu kompensieren, demzufolge der Laserbetriebschwellenwert erreicht und gehalten werden kann.
  • Ein langwelliger VCSEL läßt sich optisch koppeln und optisch pumpen mit bzw. durch einen elektrisch gepumpten VCSEL kürzerer Wellenlänge. Das US-Patent 5 513 204 von Jayaraman mit dem Titel „LONG WAVELENGTH, VERTICAL CAVITY SURFACE EMITTING LASER WITH VERTICALLY INTEGRATED OPTICAL PUMP" beschreibt ein Beispiel für einen kurzwelligen VCSEL, der optisch einen langwelligen VCSEL pumpt.
  • Es sind unterschiedliche Vorschläge gemacht worden, wie Wellenlängenmultiplex-Arrays (WDM-Arrays) von Oberflächenemissions-Lasern mit vertikalem Hohlraum (VCSELs) monolithisch auf einem einzelnen Substrat auszubilden wären. Eine Methode bildet Temperaturgradienten an dem Wafer während des epitaktischen Wachstums, um die Wachstumsgeschwindigkeit und die Laserbetrieb-Wellenlänge über den Wafer hinweg zu ändern. Bei einer anderen Vorgehensweise werden zunächst durch Wachstum der untere Spiegel und die aktive Zone des VCSEL gebildet. Die aktive Zone wird dann in unterschiedlichen Mengen in verschiedenen Bereichen geätzt, woraufhin der obere Spiegel nachwachsen gelassen wird, um das VCSEL-Array mit abgestuften Wellenlängen zu vervollständigen. Eine weitere Methode nutzt den Vorteil der Abhängigkeit der Wellenlänge von der Größe, um ein Array aus unterschiedlich bemessenen Bauelementen mit unterschiedlichen Wellenlängen zu erzeugen. Ein noch weiteres Verfahren macht Gebrauch von einer sich verjüngenden Oxidationsschicht, um Wellenlängen in unterschiedlichen Beträgen an unterschiedlichen Stellen der Verjüngung zu verschieben.
  • All diese Schemata wurden angewendet auf kurzwellige VCSELs (beispielsweise 850 nm oder 980 nm). Allerdings sind Arbeiten an WDM-Arrays von langwelligen VCSELs (1300 oder 1550 nm) langsamer fortgeschritten.
  • 1 veranschaulicht die Fertigung eines Double-Fused-WDM-Arrays. Eine 1550-nm-Aktivzone 10 wurde durch Wafer-Fusing an einen ersten GaAs/AlGaAs-Spiegel 12 angeformt. Eine abgestufte Oberfläche 14 ist (beispielsweise durch Ätzen) in der Oberseite der aktiven Zone 10 ausgebildet. Ein zweiter GaAs/AlGaAs-Spiegel 16 ist anschließend auf die aktive Zone 10 geschmolzen. Das Vorhandensein der abgestuften Oberfläche 14 verkompliziert die Wafer-Fusion, die üblicherweise planare Flächen erfordert, um zu hoher Ausbeute zu gelangen.
  • Die Physik der Wafer-Fusion für eine abgestufte Oberfläche wird nicht gut verstanden, wahrscheinlich jedoch beinhaltet sie den Massetransport, der die bei der Fusion geschmolzene Oberfläche einebnet. Dies führt zu einer Ungewißheit bezüglich der letztlichen Wellenlänge des durch Fusion bearbeiteten Bauelements. Es erschwert außerdem die Schaffung großer Wellenlängenstufen für Systeme mit breitem Kanalabstand, da diese tiefe Ätzungen erfordern, die möglicherweise nicht vollständig planarisieren, was zu einer schwachen Bindung führt.
  • OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung ist in den Ansprüchen 1, 2, 7 und 9 angegeben. Verschiedene Ausführungsformen sind durch die abhängigen Ansprüche definiert.
  • Ein Halbleiterbauelement enthält ein Wellenlängen-Multiplex-(WDM-)Array von langwelligen Lasern mit vertikalem Hohlraum. Jeder Laser mit vertikalem Hohlraum beinhaltet mindestens eine durch Wafer-Fusion gebildete Schnittstelle und eine vergrabene Halbleiter-Vertiefung benachbart zu der Schnittstelle. Bei einer beispielhaften Ausführungsform ist der langwellige Laser mit vertikalem Hohlraum ein Oberflächenemissions-Laser mit vertikalem Hohlraum (VCSEL), der eine durch Wafer-Fusion gebildete Schnittstelle und eine an dieser angeordnete vergrabene Halbleitervertiefung aufweist. Die vergrabene Halbleitervertiefung überlappt im wesentlichen ein Transversalmoden-Profil des VCSEL.
  • Ein erster Abschnitt des VCSEL ist auf einem ersten Wafer vorgesehen. Ein zweiter Abschnitt des VCSEL ist auf einem zweiten Wafer vorgesehen. Mindestens eine Ausnehmung ist in den ersten oder den zweiten Abschnitt hineingeätzt. Der erste und der zweite Wafer sind derart miteinander verbunden, daß die vergrabene Halbleiterausnehmung an einer Stelle gebildet ist, die im wesentlichen ein Transversalmoden-Profil des VCSELs im Betrieb überlappt.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit der begleitenden Zeichnung, die beispielhaft die Merkmale der Erfindung veranschaulichen.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • In der Zeichnung zeigen:
  • 1 ein herkömmliches Array von Lasern mit vertikalem Hohlraum;
  • 2 einen Abschnitt eines Halbleiterbauelements, hergestellt nach den Prinzipien der Erfindung;
  • 3 ein Prozeßablaufdiagramm zum Beschreiben der Fertigung eines Halbleiterbauelements nach den Prinzipien der Erfindung;
  • 4 bis 6 eine spezielle Ausführungsform des Verfahrens zur Verwendung bei der Herstellung eines Halbleiterbauelements gemäß den Prinzipien der Erfindung;
  • 7 eine Darstellung der Beziehung zwischen Ausgangsleistung und Vorstrom in einer speziellen Ausführungsform eines Halbleiterbauelements gemäß der Erfindung; und
  • 8 ein Kantenemissions-WDM-Laserarray mit optischem Pumpbetrieb.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • In der folgenden Beschreibung sind Begriffe wie „oben" oder „oberer" relative Begriffe, die sich auf Zonen des Halbleiterbauelements beziehen, die von dem Substrat abgelegen sind, die Begriffe „unten" und „unterer" bedeuten in Richtung auf das Substrat.
  • Der Betriff „Halbleiterausnehmung" oder „Halbleiterhohlraum" bedeutet hier eine Zone eines Halbleitermaterials, in der ein Abschnitt des Halbleitermaterials beseitigt wurde. Die Zone kann mit einem zusätzlichen Werkstoff gefüllt werden.
  • Ein Abschnitt eines Halbleiterbauelements ist in 2 dargestellt. Eine 1550-nm-Aktivzone 22 ist an einen ersten GaAs/AlGaAs-Spiegel 24 angeschmolzen worden. Die aktive Zone enthält mehrere Supergitterschichten. Eine Reihe von Vertiefungen ist (zum Beispiel durch Ätzen) in der Oberseite der aktiven Zone gebildet. Die Vertiefungen haben unterschiedliche Tiefen. Ein zweiter GaAs/AlGaAs-Spiegel 26 ist durch Wafer-Fusion an der aktiven Zone 22 angebracht, wodurch die Vertiefungen eingeschlossen werden und einer Reihe von vergrabenen Halbleiterhohlräumen gebildet wird, die verschiedene Tiefen besitzen und der durch Wafer-Fusion gebildeten Schnittstelle 28 benachbart sind, die durch die aktive Zone 22 und den GaAs/AlGaAs-Spiegel 26 definiert wird.
  • In dem in 2 gezeigten Abschnitt des Halbleiterbauelements enthält der durch doppelte Fusion gebildet WDM-Array von langwelligen VCSELs drei benachbarte VCSELs, jeder mit einer zentralen vertikalen Achse 30, 31 und 32. Jeder VCSEL, dessen Lage in 2 durch die zentralen vertikalen Achsen definiert wird, enthält einen Abschnitt des zweiten Spiegels 26 und einen Abschnitt des ersten Spiegels 24, die die aktive Zone 22 sandwichartig zwischen sich einfassen.
  • Die dünnen Präzisions-Halbleiterhohlräume unterschiedlicher Tiefe, die sich zwischen der durch Wafer-Fusion gebildeten Schnittstelle 28 und der Aktivzone 22 befinden, sind in die Supergitter-Schichten der Aktivzone vor der Erzeugung der Schnittstelle 28 eingeätzt worden. Die Tiefe jeder vergrabenen Halbleiterausnehmung, gemessen von der durch Wafer-Fusion gebildeten Schnittstelle aus, legt die Laserbetrieb-Wellenlänge des betreffenden VCSEL fest.
  • Jeder Halbleiterhohlraum erstreckt sich radial von den zentralen vertikalen Achsen 30, 31 und 32 der einzelnen VCSELs etwas an dem optischen Modenfeld des VCSEL vorbei radial nach außen. Da sich der Halbleiterhohlraum von der zentralen vertikalen Achse aus nur geringfügig an dem optischen Modenfeld vorbei radial nach außen erstreckt, ist der Großteil der Oberseite der aktiven- Zone 22, die für den Fusionsvorgang zur Verfügung steht, planar, was zu einer hohen Ausbeute bei der Wafer-Fusion und zu einer vorhersagbaren Ausgangswellenlänge führt. Gemäß den Prinzipien der Erfindung erfolgen sämtliche erforderlichen Fusionen in den durch Wafer-Fusion gebildeten langwelligen VCSEL-Arrays auf einer namentlich planaren Oberfläche.
  • Ein Array von VCSELs gemäß der Erfindung läßt sich direkt elektrisch pumpen, allerdings kann diese An von Injektionsschema verkompliziert werden durch das Vorhandensein des isolierenden Luftspalts, der durch den vergrabenen Halbleiterhohlraum gebildet wird. Eine integrierte optische Pumpe arbeitet allerdings gut in Verbindung mit dem im Inneren des Bauelements befindlichen Luftspalt. Die Energie für das optische Pumpen läuft im wesentlichen ungestört durch den isolierenden Luftspalt. Daher wird bevorzugt, das Halbleiterbauelement optisch zu pumpen.
  • 3 ist ein Verfahrensablaufdiagramm zum Erläutern der Fertigung eines Halbleiterbauelements gemäß der Erfindung. Nach 3 ist das Halbleiterbauelement hergestellt durch Wachsen-Lassen eines kurzwelligen Pumplasers auf einem zugehörigen GaAs-Substrat (Schritt 34). Der Pump-Laser enthält am Boden einen p-Spiegel, auf diesem eine Aktivzone und auf letzterer wiederum einen n-Spiegel. Oben auf dem n-Spiegel wird im Schritt 36 eine Distanzschicht wachsen gelassen. Ein erster nicht abgestufter und undotierter verteilter Bragg-Reflektor (DBR) von 1300 nm wird im Schritt 38 oben auf der Distanzschicht wachsen gelassen. An den ersten 1300-nm-DBR wird im Schritt 40 eine aktive Zone auf InP-Basis sowie ein dazugehöriges InP-Substrat angeschmolzen. Das zugehörige InP-Substrat wird im Schritt 42 durch chemisches Ätzen entfernt. Schichten der InP-Aktivzone werden an der Stelle jedes langwelligen Hohlraums selektiv entfernt, um die Wellenlänge des fertigen langwelligen Hohlraums zu verschieben (Schritt 44). Im Schritt 46 wird an der InP-Aktivzone der zweite nicht-abgestufte und undotierte 1300-nm-DBR befestigt. Durch chemisches Ätzen wird im Schritt 48 das zu dem Pumplaser gehörige GaAs-Substrat entfernt.
  • 4 bis 6 zeigen eine spezifische Ausführungsform des Verfahrens zur Verwendung bei der Fertigung eines Halbleiterbauelements gemäß der Erfindung. Bei dieser spezifischen Ausführungsform enthält das Halbleiterbauelement ein Array aus langwelligen VCSELs und ein Array aus vertikal integrierten kurzwelligen VCSEL-Pumpen. Jeder kurzwellige VCSEL ist elektrisch gepumpt, um kurzwelliges Laserlicht abzugeben, welches den langwelligen VCSEL anregt, damit er langwelliges Laserlicht abgibt.
  • Ein erstes Stadium bei der Herstellung des Halbleiterbauelements ist in 4 gezeigt. Nach 4 wird ein kurzwelliger Pumplaser 54 im Verein mit einem Spiegel des langwelligen Hohlraums wachsen gelassen. Auf einem GaAs-Substrat 58 wird ein 850-nm-p-Spiegel 56 wachsen gelassen. Auf dem p-Spiegel 56 wird eine 850-nm-Aktivzone 60 wachen gelassen, und auf dieser wiederum wird ein 850-nm-n-Spiegel 62 wachsen gelassen, auf dessen Oberseite wiederum eine Distanzschicht 64 wachsen gelassen wird. Auf dieser Distanzschicht 64 wird ein erster nicht-abgestufter und undotierter verteilter 1300-nm-Bragg-Reflektor (DBR) 66 wachsen gelassen, auf dessen Oberseite eine 1300-nm-Aktivzone 68 auf InP-Basis angeschmolzen wird. Ein zu der 1300-nm-Aktivzone 68 auf InP-Basis gehöriges (nicht gezeigtes) InP-Substrat wird anschließend durch chemisches Ätzen entfernt. Die obere freiliegende Fläche der 1300-nm-Aktivzone 68 auf InP-Basis enthält abwechselnde Supergitterschichten aus InP und InGaAsP mit exakten Dicken.
  • Nach 5 wird über die Oberseite des Bauelements an solchen Stellen, die dem langwelligen Hohlraum jedes VCSELs in dem Array entsprechen, etwas von den abwechselnden Supergitterschichten aus InP und InGaAsP selektiv aus der Aktivzone 68 entfernt, um die Emissionswellenlänge des langwelligen Hohlraums in dem fertigen Halbleiterbauelement zu verschieben. Die Schichten werden in einem Ausmaß entfernt, das sich ausgehend von einer zentralen vertikalen Achse 70, 71 und 72 jedes langwelligen VCSELs in dem Array entfernt, welches sich radial nach außen soweit erstreckt, daß es das optische Modenfeld des langwelligen VCSEL umfaßt, allerdings den größten Teil der Oberseite der aktiven Zone 68 in ebenem Zustand beläßt, um in einem anschließenden Wafer-Fusions-Schritt die Fusion vornehmen zu können.
  • Bezugnehmend auf 6, wird die aktive Zone 68 auf InP-Basis umgedreht auf einen zweiten undotierten und nicht abgestuften 1300-nm-Spiegel 74 auf einem GaAs-Substrat 76 mit Hilfe eines zweiten Wafer-Fusionsschrittes aufgebracht. Letzterer Schritt befestigt die aktive Zone 68 auf InP-Basis an dem zweiten nicht abgestuften und undotierten 1300-nm-DBR 74, wodurch eine Reihe von Halbleiterhohlräumen 78 geschaffen wird, definiert zwischen den in die aktive Zone 68 auf InP-Basis eingeätzten Vertiefungen und der Schmelzoberfläche des zweiten 1300-nm-DBR 74.
  • Das GaAs-Substrat 58 (4 und 5), das zu dem Pumplaser 54 gehört, wird dann durch chemisches Ätzen beseitigt, wodurch eine Struktur stehenbleibt, auf der sich oben der Pumplaser 54 befindet, der nach unten in die 1300-nm-Laser 82 hineinstrahlt, wie in 6 gezeigt ist.
  • Gemäß 6 werden die variierenden Pegel der Hohlraum-Tiefen während der selektiven Beseitigung einer unterschiedlichen Anzahl von Supergitterschichten erreicht. Auf diese Weise besitzen einander benachbarte 1300-nm-Laser Halbleitervertiefungen variierender Tiefe.
  • Die 1300-nm-Laser 82 können durch die 850-nm-Pumplaser 54 hindurch abstrahlen, oder nach unten durch das GaAs-Substrat 76. Die Halbleitervertiefung wird auf der hochreflektierenden Seite jedes VCSEL-Hohlraums eingebracht, wo sie einen minimalen Einfluß auf die Emissions-Ausgangsleistung hat. Der Pumplaser 54 emittiert 850 nm, die drei langwelligen VCSELs 82 emittieren bei dieser speziellen Ausführungsform in der Nähe von 1300 nm, es sind allerdings andere Wellenlängenkombinationen möglich. Die Pumpwellenlänge kann im Bereich von 700 nm bis 1050 nm liegen. Die Emissionswellenlänge kann in dem Bereich von 1250 nm bis 1650 nm liegen. Das vollständige Halbleiterbauelement ist in 6 gezeigt.
  • Tabelle 1 zeigt ein Beispiel für die Ätztiefen, die für ein vierkanaliges Vier-VCSEL-System mit einem Abstand von 5 nm erforderlich sind:
  • Tabelle 1
    Figure 00090001
  • Die Ätztiefen in den vier in diesem Beispiel verwendeten VCSELs sind: 0,531 Angström (Å), 693 Å und 828 Å (1 nm = 10 Å). Dies wird als Grob-WDM (CWDM; coarse WDM) bezeichnet. Die Ätztiefentoleranz läßt sich dadurch abmildern, daß man die Halbleiter ausnehmungen in der Nähe eines Knotens der optischen stehenden Welle anordnet, wie dies aus Tabelle 1 hervorgeht.
  • Wenn die angestrebte Wellenlängengenauigkeit 10% des Kanalabstands ausmacht oder 0,5 nm für ein System mit einem Abstand von 5 nm, so ist die schlechteste Ätztoleranz (für die Ätzung von 828 Å) ± 10 Å. Dies ist etwas schlechter als eine auf 1% beschränkte Steuerung der Supergitterschichten, die durch Wachstum gebildet werden, um die Aktivzone herzustellen, was sich routinemäßig mit modernen epitaktischen Wachstumsmethoden erreichen läßt.
  • VCSELs ermöglichen eine „Wellenlängentrimmung" durch Justieren des Vorstroms ohne nennenswerte Änderung der Ausgangsleistung. Diese Trimmung kann erreicht werden, indem der Vorstrom in der Nähe des Umkehrpunkts angesiedelt wird, wie in 7 gezeigt ist. Die durch Ändern des Vorsprungs bewirkte Wellenlängenverschiebung dient zum Trimmen der Ausgangs-Laserwellenlänge.
  • Fehler bei der Ätztiefe können Ursache sein für Fehler bei der Laserbetrieb-Wellenlänge. Eine Erhöhung des Vorstroms von 19 mA auf 27 mA, was einer Leistungsschwankung von lediglich ± 10% gemäß 7 entspricht, führt zu einer 1 nm betragenden Verschiebung der Ausgangswellenlänge. Deshalb lassen sich mehrere 10 nm Fehler in der Ausgangswellenlänge, verursacht durch Fehler in der Ätztiefe, dadurch kompensieren, daß man den Vorstrom um einige mA erhöht. Kantenstrahler besitzen dieses Merkmal nicht.
  • Die durch Ändern des Vorstroms erfolgte Wellenlängenverschiebung läßt sich auch dazu nutzen, ein „extrem dichtes WDM"-System (EDWDM) mit einem Kanalabstand von 0,1 nm zu schaffen. Nach 7 kann das WDM-Array bei elf unterschiedlichen Vorströmen in einem Bereich von 19 mA bis 27 mA arbeiten, was eine Gesamtstreuung von 1 nm und einen Kanalabstand von 0,1 nm ergibt. Diese Art von System erfordert im Inneren des optischen Hohlraums keine Halbleiterausnehmung und läßt sich aus einem gleichmäßigen Array aus VCSELs herstellen.
  • Das mit Hilfe der geätzten Halbleiterausnehmungen an der Wafer-Fusions-Schnittstelle erzeugte, optisch gepumpte WDM-Array gemäß der Erfindung benötigt kein Pumpen durch einen vertikal integrierten kurzwelligen VCSEL. Alternativ kann ein einzelner Kantenemitter, der mit seiner Kante in einen der Spiegel des Arrays einkoppelt, sämtliche langwelligen VCSELs innerhalb des Arrays pumpen. Das Kantenpumpverfahren läßt sich unabhängig vom Typ des WDM-Arrays einsetzen. Dann können die einzelnen Laser extern moduliert werden. 8 zeigt schematisch einen Kantenemissionslaser 86, der optisch ein WDM-Array 88 pumpt.
  • Während mehrere spezielle Formen der Erfindung hier dargestellt und beschrieben wurden, ist ersichtlich, daß verschiedene Modifikationen möglich sind, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, der durch die Ansprüche definiert wird.

Claims (14)

  1. Verfahren zur Wellenlängen-Einstellung in einem Oberflächenemissions-Laser mit vertikalem Hohlraum, im folgenden VCSEL-Laser, umfassend folgende Schritte: Bereitstellen eines ersten planaren Abschnitts (26) des VCSELs auf einem ersten Wafer; Bereitstellen eines zweiten planaren Abschnitts (22, 24) des VCSELs auf einem zweiten Wafer; Ätzen von mindestens einer Vertiefung in entweder dem ersten oder dem zweiten Abschnitt; und Bonden des ersten und des zweiten Wafers derart, daß in einer Stelle, die beim Betrieb ein Transversalmodenprofil des VCSEL im wesentlichen überlappt, ein vergrabener Halbleiterhohlraum gebildet wird.
  2. Oberflächenemissions-Laser mit vertikalem Resonator, im folgenden VCSEL, umfassend: einen ersten planaren Abschnitt (26) und einen zweiten planaren Abschnitt (22, 24); einen Halbleiterhohlraum, der sich benachbart zu der am Wafer angeschmolzenen Grenzfläche befindet, und der ein Transversalmodenprofil des VCSEL im wesentlichen überlappt.
  3. VCSEL nach Anspruch 2, der eine Emissionswellenlänge im Bereich von etwa 1250 nm bis etwa 1650 nm besitzt.
  4. VCSEL nach Anspruch 2, der eine Emissionswellenlänge im Bereich von etwa 700 nm bis etwa 1100 nm besitzt.
  5. VCSEL nach Anspruch 2, der von einer optischen Pumpe gepumpt wird.
  6. VCSEL nach Anspruch 5, bei dem die optische Pumpe ein Kantenemissions-Laser ist.
  7. VCSEL-Array, bei dem jeder VCSEL gemäß Anspruch 5 definiert ist.
  8. VCSEL nach Anspruch 2, weiterhin umfassend: einen optischen Resonator, wobei ein Teil des Halbleiterhohlraums einen Knoten einer stehenden Welle im Inneren des optischen Resonators kreuzt.
  9. VCSEL-Array, bei dem jeder VCSEL nach Anspruch 2 definiert ist.
  10. Array nach Anspruch 9, bei dem die Halbleiterhohlräume unterschiedliche Tiefe haben, wodurch jeder VCSEL bei einer anderen Wellenlänge emittieren kann.
  11. Array nach Anspruch 10, bei dem die VCSELs unterschiedlich vorgespannt sind.
  12. Array nach Anspruch 9, wobei ein einzelner Kantenemissions-Laser sämtliche VCSELs pumpt.
  13. Array nach Anspruch 9, bei dem das Arrray monolithisch auf einem einzigen Substrat integriert ist.
  14. Array nach Anspruch 9, bei dem die VCSELs zur Bildung eines Wellenlängenmultiplex-WDM-Arrays kombiniert sind.
DE60005942T 1999-04-27 2000-04-25 Laser mit vertikalem Resonator und Verfahren zur Einstellung der Wellenlänge Expired - Fee Related DE60005942T2 (de)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US300252 1999-04-27
US09/300,252 US6341137B1 (en) 1999-04-27 1999-04-27 Wavelength division multiplexed array of long-wavelength vertical cavity lasers
PCT/US2000/011042 WO2000069037A2 (en) 1999-04-27 2000-04-25 Wavelength division multiplexed array of long-wavelength vertical cavity lasers

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE60005942D1 DE60005942D1 (de) 2003-11-20
DE60005942T2 true DE60005942T2 (de) 2004-08-19

Family

ID=23158319

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE60005942T Expired - Fee Related DE60005942T2 (de) 1999-04-27 2000-04-25 Laser mit vertikalem Resonator und Verfahren zur Einstellung der Wellenlänge

Country Status (7)

Country Link
US (1) US6341137B1 (de)
EP (1) EP1173908B1 (de)
JP (1) JP2002544674A (de)
AU (1) AU6888200A (de)
CA (1) CA2370969A1 (de)
DE (1) DE60005942T2 (de)
WO (1) WO2000069037A2 (de)

Families Citing this family (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7167495B2 (en) * 1998-12-21 2007-01-23 Finisar Corporation Use of GaAs extended barrier layers between active regions containing nitrogen and AlGaAs confining layers
US7058112B2 (en) 2001-12-27 2006-06-06 Finisar Corporation Indium free vertical cavity surface emitting laser
US7408964B2 (en) 2001-12-20 2008-08-05 Finisar Corporation Vertical cavity surface emitting laser including indium and nitrogen in the active region
US7095770B2 (en) 2001-12-20 2006-08-22 Finisar Corporation Vertical cavity surface emitting laser including indium, antimony and nitrogen in the active region
US7286585B2 (en) * 1998-12-21 2007-10-23 Finisar Corporation Low temperature grown layers with migration enhanced epitaxy adjacent to an InGaAsN(Sb) based active region
US6975660B2 (en) 2001-12-27 2005-12-13 Finisar Corporation Vertical cavity surface emitting laser including indium and antimony in the active region
US6922426B2 (en) 2001-12-20 2005-07-26 Finisar Corporation Vertical cavity surface emitting laser including indium in the active region
US7257143B2 (en) * 1998-12-21 2007-08-14 Finisar Corporation Multicomponent barrier layers in quantum well active regions to enhance confinement and speed
US7435660B2 (en) 1998-12-21 2008-10-14 Finisar Corporation Migration enhanced epitaxy fabrication of active regions having quantum wells
US20030219917A1 (en) * 1998-12-21 2003-11-27 Johnson Ralph H. System and method using migration enhanced epitaxy for flattening active layers and the mechanical stabilization of quantum wells associated with vertical cavity surface emitting lasers
US6542531B2 (en) * 2001-03-15 2003-04-01 Ecole Polytechnique Federale De Lausanne Vertical cavity surface emitting laser and a method of fabrication thereof
US7295586B2 (en) * 2002-02-21 2007-11-13 Finisar Corporation Carbon doped GaAsSb suitable for use in tunnel junctions of long-wavelength VCSELs
US6822995B2 (en) * 2002-02-21 2004-11-23 Finisar Corporation GaAs/AI(Ga)As distributed bragg reflector on InP
US6806110B2 (en) * 2002-05-16 2004-10-19 Agilent Technologies, Inc. Monolithic multi-wavelength vertical-cavity surface emitting laser array and method of manufacture therefor
CN101432936B (zh) * 2004-10-01 2011-02-02 菲尼萨公司 具有多顶侧接触的垂直腔面发射激光器
US7860137B2 (en) * 2004-10-01 2010-12-28 Finisar Corporation Vertical cavity surface emitting laser with undoped top mirror
US7826511B1 (en) * 2005-03-25 2010-11-02 Hrl Laboratories, Llc Optically pumped laser with an integrated optical pump
JP5074800B2 (ja) * 2007-03-29 2012-11-14 古河電気工業株式会社 面発光レーザ素子および面発光レーザ素子の製造方法
US7623560B2 (en) * 2007-09-27 2009-11-24 Ostendo Technologies, Inc. Quantum photonic imagers and methods of fabrication thereof
US8687201B2 (en) 2012-08-31 2014-04-01 Lightlab Imaging, Inc. Optical coherence tomography control systems and methods
JP6450743B2 (ja) * 2013-03-15 2019-01-09 プレビウム リサーチ インコーポレイテッド 可変レーザアレイシステム
US9882352B2 (en) 2014-06-20 2018-01-30 Sony Corporation Light emitting element
US10868407B2 (en) * 2015-06-04 2020-12-15 Hewlett Packard Enterprise Development Lp Monolithic WDM VCSELS with spatially varying gain peak and fabry perot wavelength
EP3593163B1 (de) 2017-04-12 2024-01-17 Sense Photonics, Inc. Integrierte detektoren einschliessende und ultrakleine oberflächenemittierende laseremitter mit vertikalem resonator einschliessende vorrichtungen

Family Cites Families (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5416616A (en) 1990-04-06 1995-05-16 University Of Southern California Incoherent/coherent readout of double angularly multiplexed volume holographic optical elements
US5029176A (en) 1990-05-11 1991-07-02 Bell Communications Research, Inc. Monolithic multiple-wavelength laser array
US5291502A (en) 1992-09-04 1994-03-01 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford, Jr. University Electrostatically tunable optical device and optical interconnect for processors
US5422898A (en) 1993-10-29 1995-06-06 International Business Machines Corporation Tapered Fabry-Perot multi-wavelength optical source
US5546209A (en) 1994-03-11 1996-08-13 University Of Southern California One-to-many simultaneous and reconfigurable optical two-dimensional plane interconnections using multiple wavelength, vertical cavity, surface-emitting lasers and wavelength-dependent detector planes
US5491710A (en) 1994-05-05 1996-02-13 Cornell Research Foundation, Inc. Strain-compensated multiple quantum well laser structures
US5436759A (en) 1994-06-14 1995-07-25 The Regents Of The University Of California Cross-talk free, low-noise optical amplifier
US5532856A (en) 1994-06-30 1996-07-02 Nec Research Institute, Inc. Planar optical mesh-connected tree interconnect network
US5650612A (en) 1995-01-11 1997-07-22 The Boeing Company Optical sensor using swept wavelength light source
US5513204A (en) 1995-04-12 1996-04-30 Optical Concepts, Inc. Long wavelength, vertical cavity surface emitting laser with vertically integrated optical pump
US5684308A (en) 1996-02-15 1997-11-04 Sandia Corporation CMOS-compatible InP/InGaAs digital photoreceiver
US5780867A (en) 1996-03-07 1998-07-14 Sandia Corporation Broadband light-emitting diode
US5768002A (en) 1996-05-06 1998-06-16 Puzey; Kenneth A. Light modulation system including a superconductive plate assembly for use in a data transmission scheme and method
US6074892A (en) 1996-05-07 2000-06-13 Ciena Corporation Semiconductor hetero-interface photodetector
US5912751A (en) 1996-05-28 1999-06-15 Lucent Technologies Inc. Fiber optic network using space and wavelength multiplexed data channel arrays
US5754578A (en) 1996-06-24 1998-05-19 W. L. Gore & Associates, Inc. 1250-1650 nm vertical cavity surface emitting laser pumped by a 700-1050 nm vertical cavity surface emitting laser
US5760419A (en) 1996-07-31 1998-06-02 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Monolithic wavelength meter and photodetector using a wavelength dependent reflector
US5835517A (en) 1996-10-04 1998-11-10 W. L. Gore & Associates, Inc. WDM multiplexer-demultiplexer using Fabry-Perot filter array
US5914976A (en) 1997-01-08 1999-06-22 W. L. Gore & Associates, Inc. VCSEL-based multi-wavelength transmitter and receiver modules for serial and parallel optical links
WO1998048492A1 (en) 1997-04-23 1998-10-29 Honeywell Inc. Electronic devices formed from pre-patterned structures that are bonded

Also Published As

Publication number Publication date
WO2000069037A3 (en) 2001-03-15
DE60005942D1 (de) 2003-11-20
WO2000069037A2 (en) 2000-11-16
CA2370969A1 (en) 2000-11-16
AU6888200A (en) 2000-11-21
EP1173908A2 (de) 2002-01-23
EP1173908B1 (de) 2003-10-15
JP2002544674A (ja) 2002-12-24
US6341137B1 (en) 2002-01-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE60005942T2 (de) Laser mit vertikalem Resonator und Verfahren zur Einstellung der Wellenlänge
DE69909214T2 (de) Halbleitervorrichtung mit ausgerichteten Oxidöffnungen und Kontaktierung einer Zwischenschicht
EP0829121B1 (de) Dfb-laserdiodenstruktur mit komplexer optischer gitterkopplung
DE60204007T2 (de) Oberflächenemittierender laser mit vertikalem resonator
EP2190082B1 (de) Oberflächenemittierende Halbleiterlaserdiode und Verfahren zur Herstellung derselben
DE3936694C2 (de) Halbleiterbauteil, insbesondere DFB-Halbleiterlaser
DE3306085A1 (de) Halbleiterlaser
DE60107679T2 (de) Oberflächenemittierender Laser mit vertikalem Resonator auf Indiumphosphid-Basis
DE112018004477T5 (de) Elektro-optische einheit mit lateralen aktiven bereichen
DE2643503C3 (de) Verfahren zur Herstellung eines Injektionslasers
EP1615306A2 (de) Optisch gepumpte oberflächenemittierende Halbleiterlaservorrichtung und Verfahren zu deren Herstellung
DE10043896B4 (de) Laservorrichtung
DE3220214A1 (de) Lichtemittierende vorrichtung
DE112018005257T5 (de) VCSEL mit elliptischer Apertur mit reduziertem RIN
WO2009143813A1 (de) Kantenemittierender halbleiterlaser mit phasenstruktur
DE69838308T2 (de) Langwelliger VCSEL
DE3736497A1 (de) Halbleiterlaser und verfahren zu seiner herstellung
DE60206633T2 (de) Herstellungsverfahren eines vcsel mit dielektrischem spiegel und selbsteinrichtender verstärkungsführung
DE60222724T2 (de) Halbleiterlaserelement
DE60204168T2 (de) Phasenverschobene oberflächenemittierende dfb laserstrukturen mit verstärkenden oder absorbierenden gittern
DE112019006198T5 (de) Laterales Maßschneidern einer Strominjektion für Laserdioden
DE69931097T2 (de) Oberflächenemittierender Halbleiterlaser mit vertikalem Resonator
DE10122063B4 (de) Oberflächenemittierende Halbleiterlaservorrichtung
DE10223540B4 (de) Optisch gepumpte Halbleiterlaservorrichtung
DE3714512C2 (de)

Legal Events

Date Code Title Description
8364 No opposition during term of opposition
8339 Ceased/non-payment of the annual fee