DE3146795A1 - "superlumineszente, lichtemittierende diode (sld) mit wirksamer ankopplung an optische wellenleiter" - Google Patents
"superlumineszente, lichtemittierende diode (sld) mit wirksamer ankopplung an optische wellenleiter"Info
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Description
Superlumineszente, lichtemittierende Diode (SLD)
mit wirksamer Ankopplung an optische Wellenleiter
Die Erfindung bezieht sich auf Übertragungssysteme mit
optischen Wellenleitern, insbesondere auf ssuperlumineszente
lichtemittierende Dioden (SLD's), die Licht an einen optischen Wellenleiter oder eine optische Faser
mit maximalem Wirkungsgrad abgeben können.
Obgleich Halbleiterlaser großen Erfolg als optische Quellen bei Faserwellenleitersystemen erreicht haben,
gibt es noch viele Probleme, die bezüglich dieser Bauelemente zu lösen sind. So haben insbesondere viele dieser
Laser keine Lebensdauer, die die der anderen Komponenten in Faserwellenleitersystemen erreichen, und
ihre Herstellungsausbeute ist noch nicht so hoch, wie
dieses wünschenswert wäre. Nach einigen Theorien über das Fehlen einer adäquaten Laser-Lebensdauer wird angenommen,
daß die Gegenwart optischer Spitzen innerhalb
"'-."._ ■ 3H6795
des Laserresonators tatsächlich zu der raschen Verschlechterung
des Bauelementes beitragen können. Andererseits erzeugen lichtemittierende Dioden (LED's) inkohärente
Strahlung und haben daher keine stehenden Wellen optischer Energie innerhalb ihrer aktiven Zone. Sie können
deshalb aus diesem Grund eine viel größere Lebensdauer als ihre Laser-Verwandten haben. Die derzeit hergestellten
LED's gestatten jedoch nicht ein Einkoppeln von optischer Leistung in eine Faser in für Systemanwendungen
ausreichenden Beträgen. Man hat deshalb die Verwendung von superlumineszenten lichtemittierenden Dioden
vorgeschlagen. SLDs sind gegenüber gewöhnlichen lichtemittierenden Dioden (LEDs) dahingehend überlegen, daß
sie größere Modulationsbandbreite und kleinere Spektralbreite haben. Bei diesem Typ einer lichtemittierenden
Diode wird die aktive Zone auf ein Niveau angeregt derart, daß eine Verstärkung bei den innerhalb der aktiven
Zone erzeugten Lichtstrahlenbündel auftritt, wobei aber das Bauelement bewußt ohne optischen Resonator
aufgebaut ist, um Laserschwingungen zu verhindern.
Ein Typ der SLD ist in dem Artikel "A Stripe-Geometry Double-Heterostructure Amplified-Spontaneous-Emission
(Superluminescent) Diode" von T. P. Lee et al., IEEE
3U6795
Journal of Quantum Electronics, Band QE-9/ Nr. 8, August 1973, Seiten 820 bis 828, beschrieben. Bei dieser
SLD ist ein Stromeingrenzungsgebiet mit streifenförmiger
Geometrie durch den Kontakt auf einem Doppelheterostrukturbauelement
vorgesehen, wobei der Kontakt absichtlich kürzer als die Gesamtlänge des Halbleiterchip
gemacht ist, um sicherzustellen, daß die Strahlung in der unangeregten Zone nicht vom Kontakt bedeckt ist.
Auf diese Weise wird Laser-Betrieb vermieden. Dort wird auch vorgeschlagen, die "geometrische" numerische Apertur
der aktiven Zone im wesentlichen gleich der numerischen Apertur der Faser, in die das Licht einzukoppeln
ist, zu machen.
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Entdeckung, daß maximaler Wirkungsgrad beim Ankoppeln einer SLD an
eine optische Faser oder einen anderen Wellenleiter erreicht werden kann durch seitliche Eingrenzung der
optischen Energie innerhalb der aktiven Zone der lichtemittierenden
Diode, um einen Wellenleiter innerhalb der aktiven Zone zu bilden, dessen effektive seitliche numerische
Apertur NA (anstelle der "geometrischen" numerischen Apertur) im wesentlichen gleich der numeri-
■■;.;.::. -; ; : ■; 3H6795
sehen Apertur NA- des von der SLD anzuregenden optischen
Wellenleiters gemacht wird. Zusätzlich wird die SLD so aufgebaut, daß sie eine angeregte Wellenleiterzone
einer Länge L, einer Breite D und eines effektiven Brechungsindex η besitzt derart, daß die "geometrische"
numerische Apertur nD/2L viel kleiner als die numerische Apertur des SLD-Wellenleiters ist. D. h., es gelten
NA = NA,.
g f
und nD/2L < NA .
Als Folge hiervon wird die Ladungsträger-Besetzungsinversion innerhalb der aktiven Zone am wirksamsten zur Verstärkung
von Lichtstrahlen benutzt, die sämtlich vom Kern der Faser oder eines äußeren Wellenleiters eingefangen
werden.
Bei einer nachstehend noch im einzelnen beschriebenen Ausführungsform
wird der Wellenleiter innerhalb der SLD erreicht durch Belasten der aktiven Schicht mit einer
Rippe. Der effektive Brechungsindex der aktiven Schicht unterhalb des Rippengebiets ist größer als der effektive
Brechungsindex in der aktiven Schicht außerhalb des rippenbelasteten Gebiets, wodurch ein seitlicher Wellenleiter
innerhalb der aktiven Schicht erzeugt wird. Bei
·. : - ·: :. 3H6795
dieser rippenbelasteten Ausführungsform wird eine
quarternäre aktive Schicht unter Verwendung der Elemente Indium, Gallium, Arsen und Phosphor epitaktisch auf
einem Indiumphosphrdsubstrat aufwachsen gelassen, wobei dann eine Rippe aus Indiumphosphid auf die quarternäre
Schicht aufgebracht wird. Bei anderen Ausführungsformen kann die quarternäre aktive Schicht vom Indiumphosphidsubstrat
durch eine zweite quarternäre Schicht unterschiedlicher Zusammensetzung isoliert sein; und
alle Ausführungsformen können durch Zwischenschalten
einer dritten quarternären Schicht zwischen die aktive Schicht und die Indiumphosphid-Rippe fein-abgestimmt
werden, um die optimale numerische Apertur zu erreichen.
Nachstehend ist die Erfindung anhand der Zeichnung im einzelnen beschrieben; es zeigen:
Fig. 1 eine Schrägansicht einer entsprechend der vorliegenden
Lehre aufgebauten SLD im Hinblick auf eine Anpassung an einen üblichen optischen Multimoden-Faserwellenleiter,
Fig. 2 eine Seitenansicht einer SLD und einer angeschlossenen Multimodenfaser und
; \ ■ : 3U6795
Pig. 3 ein Diagramm zur Darstellung der Abhängigkeit des Wirkungsgrades (ausgedrückt durch die in die
Faser eingekoppelte optische Energie bezogen auf die der Diode zugeführte elektrische Energie) von
der seitlichen numerischen Apertur des Wellenleiters innerhalb der aktiven Zonenschicht der
Diode.
Die superlumineszente lichtemittierende Diode (SLD) nimmt
eine Zwischenstellung zwischen einer lichtemittierenden Diode ohne Verstärkung und einem Injektionslaser ein.
Sie strahlt inkohärentes Licht ab, hat aber hohe Helligkeit, ein verschmälertes Spektral- und Strahlungsmuster
und eine große Modulationsbandbreite. Die Erfindung beruht auf einer Untersuchung wie maximaler Wirkungsgrad
beim Ankoppeln einer SLD an einen optischen Faserwellenleiter erreicht werden kann. Zum Erreichen eines maximalen
Wirkungsgrades, ausgedrückt durch die in den Wellenleiter eingekoppelte optische Energie bezogen auf
die in die SLD eingekoppelte elektrische Energie, wird eine seitliche Eingrenzung der optischen Energie innerhalb
der SLD bewerkstelligt durch einen SLD-Aufbau mit einem Wellenleiter in der übergangsebene der aktiven
Zonenschicht. Die durchgeführte Untersuchung simulierte
das Betriebsverhalten einer Streifengeometrie-SLD anhand
eines Computermodells. Dieses Programm verfolgte Lichtstrahlen von Quellen, die gleichmäßig über den
Streifenwellenleiter verteilt waren und Energiebeiträge ergaben, die sich an diskreten Stellen innerhalb der
Struktur akkumulierten, die Photonendichte und die Ausgangsleistung
an beiden Enden des Streifens zu berechnen. Die Verknüpfung zwischen Photonendichte, die die Verstärkung
sättigt, und der die Photonendichte bestimmenden Verstärkung macht das Problem nichtlinear. Stationäre
Lösungen wurden durch aufeinanderfolgende Iterationen erhalten.
Die Ergebnisse dieser Untersuchung lassen sich am besten
anhand des Diagramms nach Fig. 3 erläutern. Beide dort dargestellten Kurven setzen eine Streifenwellenleiterstruktur
in der SLD voraus, die den Reflexionskoeffizienten
Null an jedem Ende der aktiven Zone hat. Für beide Fälle gilt auch eine numerische Apertur von 0,2
für den optischen Faserwellenleiter. Wie allgemein bekannt, ist dieses die typische numerische Apertur von
optischen Multimodenfasern, wie diese derzeit nach DampfniederSchlagsmethoden hergestellt werden. Für beide
Kurven sind auf der Ordinate des Diagrammes der Wirkungs-
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grad, ausgedrückt durch die dem optischen Faserwellenleiter zugeführte optische Energie, geteilt durch die der
SLD zugeführte elektrische Energie, und auf der Abszisse die effektive seitliche numerische Apertur des
Wellenleiters innerhalb der aktiven Zone des Bauelementes aufgetragen. Für beide Kurven hat die Wellenleiterzone
eine Breite D und eine Länge L sowie einen effektiven
Brechungsindex η und wird mit einer Stromdichte von
2
5000 Ampere/cm angeregt. Wie in Fig. 3 angegeben, hat das durch Kurve 301 repräsentierte Bauelement eine sehr große Wirkungsgrad-Spitze an einer Stelle, wo die numerische Apertur des Wellenleiters in der SLD der numerischen Apertur der optischen Faser gleicht. Dieses steht im Gegensatz zu dem durch Kurve 302 repräsentierten Bauelement, wo der Wirkungsgrad bei dieser numerischen Apertur von 0,2 einfach etwas größer ist als der Wirkungsgrad bei größeren numerischen Aperturen.
5000 Ampere/cm angeregt. Wie in Fig. 3 angegeben, hat das durch Kurve 301 repräsentierte Bauelement eine sehr große Wirkungsgrad-Spitze an einer Stelle, wo die numerische Apertur des Wellenleiters in der SLD der numerischen Apertur der optischen Faser gleicht. Dieses steht im Gegensatz zu dem durch Kurve 302 repräsentierten Bauelement, wo der Wirkungsgrad bei dieser numerischen Apertur von 0,2 einfach etwas größer ist als der Wirkungsgrad bei größeren numerischen Aperturen.
Der Unterschied zwischen den beiden durch die Kurven und 302 repräsentierten Bauelementen kann anhand des
Parameters der "geometrischen" numerischen Apertur nD/2L bestimmt werden. Hierin bedeuten η den effektiven Brechungsindex
des Wellenleiters, D und L die Breite bzw. Länge des Wellenleiters. Für die Kurve 302 ist dieser
Parameter nD/2L gleich. 0,28 oder annähernd gleich der
numerischen Apertur der optischen Faser. Bei der Kurve 301 , wo das Bauelement eine kritische Spitze im Wirkungsgrad
erreicht hat, ist dieser Parameter nD/2L gleich 0,035, d. h., er ist viel kleiner als die numerische
Apertur des optischen Wellenleiters. Im Effekt repräsentiert die Kurve 301 einen dünnen, stark verlängerten
Streifenwellenleiter in der aktiven Zone, wo der Parameter nD/2L viel kleiner als die numerische
Apertur des optischen Wellenleiters ist. In diesem Fall ist es den optischen Strahlen innerhalb des Wellenleiters
ermöglicht, die Elektronenbesetzungsinversion aufzubrauchen, um hauptsächlich Strahlen zu erzeugen,
die durch den Kern der optischen Faser insbesondere dann definitiv eingefangen werden, wenn bei diesem Wellenleiter
dafür gesorgt wird, eine numerische Apertur zu haben, die im wesentlichen gleich der numerischen
Apertur des optischen Wellenleiters ist. Der Wirkungsgrad entsprechend Kurve 301 fällt von der Spitze für
numerische Aperturen ab, die kleiner als das Optimum sind, da dieser Fall eine geringere Führung der optischen
Strahlen darstellt und viele dieser Strahlen in die unangeregte Schicht außerhalb der angeregten Zone
abwandern und verlorengehen. Der Wirkungsgrad fällt für
numerische Aperturen ab, die größer als die numerische
Apertur des optischen Wellenleiters sind, weil für diese Fälle die Strahlen noch enger begrenzt sind derart, daß
viel von der Elektronenbesetzungsinversion beim Erzeugen von Strahlen aufgebraucht wird, die im Kern der optischen
Faser nie eingefangen werden können.
Zusammengefaßt hat die der Erfindung zugrundeliegende
Untersuchung folgende Kriterien für den Erhalt eines maximalen Kopplungswirkungsgrades zwischen einer SLD und
einem optischen Wellenleiter ergeben.
1) Die numerische Apertur, die durch seitliche Eingrenzung
in der aktiven Zone einer kantenemittierenden Streifen-SLD erreicht wird, sollte annähernd gleich der numerischen
Apertur des optischen Wellenleiters gemacht werden und
2) die aktive Zone sollte mit einem effektiven Brechungsindex η, einer Breite D und einer Länge L so aufgebaut
werden, daß die Größe nD/2L viel kleiner als die numerische Apertur des optischen Wellenleiters ist.
In allen Fällen ist es jedoch notwendig, eine Gesamtverstärkung in der SLD vorzusehen und die Breite der akti-
ven Zone in der SLD kleiner als die Breite des Kernes
des optischen Wellenleiters zu machen.
Eine praktische Ausführungsform einer SLD in Verbindung mit einer üblichen optischen Multimodenfaser einer numerischen
Apertur von 0,2 ist in Fig. 1 als SLD 150 dargestellt.
Hierbei ist eine 2 Mikrometer dicke Indiumphosphidschicht 101 auf ein Indiumphosphid-Substrat
epitaktisch aufgewachsen, gefolgt von einer ebenfalls epitaktisch auf der Schicht 101 aufgewachsenen 0,6 Mikrometer
dicken aktiven InGaAsP-Schicht 102. Die Elemente der Schicht 102 sind so gewählt, daß ein Energiebandabstand
entsprechend einer Wellenlänge von 1,3 Mikrometer erreicht wird. Die Schicht 101 ist η-leitend dotiert
aufgewachsen. Eine 1 Mikrometer dicke p-leitende Indiumphosphidschicht
103 ist auf der Schicht 102 epitaktisch niedergeschlagen. Schließlich ist eine stark p-leitende
Deckschicht 104 auf der Schicht 103 epitaktisch niedergeschlagen, um guten elektrischen Kontakt mit den darunterliegenden
Schicht zu erreichen. Sodann wird nach üblichen Ätzmethoden eine Rippenstruktur einer Länge L
von 500 Mikrometer am einen Ende des Bauelementes erzeugt, wodurch etwa 500 Mikrometer an ursprünglich ungeschnittenen
Schichten 103 und 104 am hinteren Ende
des Bauelementes übrig bleiben, um als Absorber dienen zu können. Die ganze Oberseite des Bauelementes, außer
der Oberseite der Rippe, wird dann mit einer Siliciumnitridschicht
106 überzogen. Die Oberseite der Rippe wird mit einem legierten Gold/Zink-Kontakt 105 bedeckt.
Die ganze Unterseite des Bauelementes, d. h., des Substrates 100, wird mit einem Gold/Zinn-Kontakt 107
beschichtet.
Eine seitliche Eingrenzung in der aktiven Zone der Schicht 102 wird als Folge des Umstandes erzeugt, daß
die Rippe über der aktiven Zone zur Folge hat, daß dieser Teil der aktiven Schicht 102 einen höheren effektiven
Brechungsindex als jene Teile der aktiven Schicht 102 annehmen wird, die von der Rippe nicht bedeckt sind. Die
numerische Apertur dieses Wellenleiters NA ist gleich
f 2 2^
V(N1 - N_) , wobei N der effektive Brechungsindex der aktiven Zone in der Schicht 102 unterhalb der Rippe ist und N„ der effektive Brechungsindex in den von der Rippe nichtbedeckten Zonen der Schicht 102 ist. Diese effektiven Brechungsindices N1 und N» können nach Methoden errechnet werden, wie diese angegeben sind von H. Kogelnik et al. in dem Artikel "Scaling Rules for Thin-Film Optical Waveguides", Applied Optics, Vol. 13, (1974), Seiten 1857 bis 1862.
V(N1 - N_) , wobei N der effektive Brechungsindex der aktiven Zone in der Schicht 102 unterhalb der Rippe ist und N„ der effektive Brechungsindex in den von der Rippe nichtbedeckten Zonen der Schicht 102 ist. Diese effektiven Brechungsindices N1 und N» können nach Methoden errechnet werden, wie diese angegeben sind von H. Kogelnik et al. in dem Artikel "Scaling Rules for Thin-Film Optical Waveguides", Applied Optics, Vol. 13, (1974), Seiten 1857 bis 1862.
3U6795
Für die Anordnung nach Fig. 1 bei einer 0,6 Mikrometer dicken aktiven Zone errechnet sich die numerische
Apertur zu 0,26 für den TE-Mode und zu 0,44 für den TM-Mode.
Eine weitere Anordnung, die, wie gefunden wurde, dicht bei der numerischen Apertur einer Multimoden-Faser
liegende numerische Aperturen liefert, ist eine solche, bei der die Schicht 101 als eine quarternäre
Schicht mit einem einer Wellenlänge von 1,1 Mikrometer äquivalenten Energiebandabstand epitaktisch aufgewachsen
ist. In diesem letzteren Fall ist die numerische Apertur für den TE-Mode gleich 0,26 und für den TM-Mode
gleich 0,36. In beiden Fällen können die numerischen Aperturen etwas verringert werden, um eine noch engere
Anpassung an den optischen Wellenleiter zu erreichen. Dieses geschieht durch epitaktisches Aufwachsen einer
quarternären Schicht eines Brechungsindex kleiner als der der Schicht 102 zwischen den Schichten 102 und 103,
um dadurch im Effekt eine Feinabstimmung der effektiven Brechungsindices in allen Zonen zu bewirken.
Das so aufgebaute Bauelement mit seitlicher Eingrenzung derart, daß eine numerische Apertur annähernd gleich
der des optischen Faserwellenleiters erzeugt wird, kann dann, wie in Fig. 2 dargestellt ist, montiert werden,
3H6795
um seine Ausgangsstrahlung direkt in den Kern einer optischen
Faser einzuführen. Vor der Montage wird die SLD vorteilhaft mit einem Antireflexbelag 201 beschichtet,
der die gesamte lichtemittierende Kante (Stirnfläche) der SLD 150 bedeckt. Wenn das Reflexionsvermögen an der
Ausgangsfläche ausreichend klein ist, kann ein zusätzlicher Vorteil in der Ausgangs leistung gewonnen werden
durch Ersatz des Absorbers am anderen Ende der SLD durch einen Spiegel mit endlichem Reflexionsvermögen.
Weiterhin kann ersichtlich der Kopplungswirkungsgrad noch stärker verbessert werden, wenn eine parallel zur
Übergangsebene orientierte Zylinderlinse zwischen die SLD und die optische Faser eingeschoben wird, um die
von der aktiven Zone der SLD emittierten optischen Strahlen wirksamer einzufangen. Diese Anpassung verbessert
den Wirkungsgrad, da die "transversale" numerische Apertur, d. h., jene senkrecht zur übergangsebene,
dieser aktiven Zone üblicherweise sehr groß ist im Vergleich zur numerischen Apertur der optischen Faser.
Weiterhin kann auch die numerische Apertur der SLD an die numerische Apertur eines optischen Systems angepaßt
werden, in das die SLD Licht einkoppelt. Demgemäß kann auch eine übliche sphärische Linse zwischen der
• . -:.; -. 3Ί46795
SLD und dem optischen Faserwellenleiter vorgesehen werden, um sowohl die Breite als auch die numerische Apertur
des optischen Wellenleiters in eine effektive numerische Apertur und Breite, wie diese von der SLD gesehen
verden, zu transformieren. Diese Transformation wird der üblichen durch die Linse vorgegebenen optischen Verknüpfung
folgen, wodurch das Produkt von Breite und numerischer Apertur bei der Transformation konstant bleibt.
Weitere Methoden sind dem einschlägigen Fachmann bekannt, nach denen die erforderliche seitliche Eingrenzung
in dem SLD-Wellenleiter realisiert werden kann.
■Λ.
Leerseite
Claims (5)
- .■■ ■ ; 3UR735BLUMBACH · WEBER· BERGEN · KRAMER ZWIRNER - HOFFMANNPATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN IPatentcqnsult Radeckestraße 43 8000 München 60 Telefon (089) 883603/883604 Telex 05-212313 Telegramme Palenlconsult Patentconsult Sonnenbergor Straße 43 6200 Wiosboden Telefon (06121) 562943/561998 Telex 04-186737 Tolucjriimmo PalcntciinsullWestern Electric Company, IncorporatedNew York, N. Y., USA Kaminow 34Patentansprüche/T/ Kantenemittierende, superlumineszente, lichtemittierende Diode (SLD), die eine aktive Schicht mit einer angeregten Zone einer Länge L aufweist und für eine Ankopplung an ein optisches Wellenleiterausgangs- *.system eines Kerndurchmessers größer als die Breite |der lichtemittierenden Zone der Diode sowie einer numerischen Apertur NA f anpaßbar ist, dadurch gekennzeichnet , daß die Brechungsindices in der aktiven Schicht benachbart zu der angeregten Zone in der SLD gewählt sind für den Erhalt einer seitlichen Licht-Eingrenzung in der aktiven Schicht der Diode auf eine Wellenleiterzone einer Breite D und einer seitlichen numerischen Apertur NA , wobei letztere im wesentlichen gleich der numerischen Apertur NA des optischen Wellen-MUndien: R. Kramer Dipl.-Ing. · W. Weser Dipl.-Phys. Dr. rer. nat. . E. Hoffmann Dipl.-Ing. vWiesbaden: P. G. Blumbach Dipl.-Ing. · P. Bergen Prof. Dr. jur. Dlpl.-lng., Pat.-Ass., Pat.-Anw.bis 1979 · G. Zwirner Dipl.-Ing. Dipl.-W.-Ing. *3U6795und
leiterausgangssystems ist/ der Parameter nD/2L viel kleiner als die numerische Apertur NA ist, mit η gleich dem effektiven Brechungsindex in der lichtemittierenden Zone der SLD. - 2. Anordnung nach Anspruch 1, wobei die SLD weiterhin dadurch gekennzeichnet ist, daß die seitliche Licht-Eingrenzung erreicht wird durch eine Rippenstruktur, die nur über der lichtemittierenden Zone der SLD vorhanden ist.
- 3. Anordnung nach Anspruch 2 , '. dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Schicht der SLD chemisch aus Elementen der Gruppe Indium, Gallium, Arsen und Phosphor zusammengesetzt ist.
- 4. Anordnung nach Anspruch 3,dadurch gekennzeichnet , daß die Rippenstruktur, eine auf der aktiven Schicht epitaktisch gewachsene Indiumphosphidschicht aufweist.
- 5. Anordnung nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet ,- daß3H6795die SLD einen Antireflexbelag auf ihrer lichternittierenden Kante besitzt.
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