DE3802841A1 - Verfahren zur charakterisierung optischer eigenschaften von halbleiter-lasern und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents
Verfahren zur charakterisierung optischer eigenschaften von halbleiter-lasern und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrensInfo
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Description
Sendemodule zur optischen Nachrichtenübertragung
enthalten Halbleiter-Laser (HL-Laser) als aktive
Elemente. Bisher wird bei der Herstellung von HL-Lasern
wie folgt vorgegangen:
Auf einem Laserwafer befinden sich mehrere Hundert
einzelne HL-Laser oder Laserchips. Bei den Laserchips
handelt es sich dabei um Bauelemente, die neben dem
aktiven Element auch eine Monitordiode enthalten. Der
Laserwafer wird gespalten und in die einzelnen HL-Laser
oder Laserchips zerlegt. Dabei wird jeder einzelne
HL-Laser oder jedes Laserchip zunächst grob getestet.
Die brauchbaren Bauelemente werden daraufhin einzeln auf
sogenannte Submounts aufgelötet, gebondet und
anschließend Stück für Stück optisch charakterisiert.
Nur solche Bauelemente, die ganz bestimmten
Anforderungen entsprechen, sind für den Einbau in
Lasermodule vorgesehen. Nach dem Einbau eines solchen
Bauelementes in ein Lasermodul wird die gesamte
Anordnung erneut getestet und auf bestimmte
Spezifikationen hin geprüft. Erfüllt das komplette
Lasermodul die Spezifikationen nicht, so ist eine
Nacharbeitung nur noch eingeschränkt möglich. Die
Charakterisierung der optischen Eigenschaften der
einzelnen Bauelemente sowie der Eigenschaften der
Lasermodule ist zeitaufwendig und kostspielig.
Aus einem von T.L.Paoli veröffentlichten Aufsatz
"Emission Properties of Stripe-Geometrie Lasers",
erschienen in den Applied Physic Letters 24, Seite 187
(1974) ist bekannt, daß die Intensität des optischen
Rauschens bei Halbleiter-Lasern im Bereich des
Schwellstromes stark zunimmt.
Aus dem Artikel von P.A. Andrekson et al "Wideband
Electrical Noise Measurements for In-Situ Optical
Characterization of Laser Diodes" erschienen in den
Proceedings of the 11th European Conference on Optical
Communication, Venice, October 1985, Seiten 733 bis 736
ist weiterhin bekannt, daß das an den Eingangsklemmen
eines HL-Lasers gewonnene elektrische Rauschspektrum
(TEN = Terminal electrical Noise) zur Charakterisierung
einer Reihe von optischen Eigenschaften des HL-Lasers
herangezogen werden kann. Beispielsweise kann aus dem
Rauschspektrum geschlossen werden, ob der Laser im
Single-Mode- oder im Multi-Mode-Betrieb arbeitet.
Das bisher angewandte Verfahren zur Charakterisierung
von Halbleiter-Lasern hat den Nachteil, sehr
zeitaufwendig und kostenspielig zu sein.
Aufgabe der
Erfindung ist es daher, ein kostengünstiges, weitgehend
automatisierbares Verfahren zur Charakterisierung von
HL-Lasern anzugeben. Gelöst wird diese Aufgabe durch ein
Verfahren mit der Merkmalskombination des
Hauptanspruches.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß zur
Charakterisierung der optischen Eigenschaften eines
HL-Lasers keine optischen Messungen, sondern rein
elektrische Messungen erforderlich sind. Aus den rein
elektrischen Messungen lassen sich sehr genaue
Rückschlüsse auf das optische Verhalten des jeweiligen
Lasers ziehen. Ein zusätzlicher Vorteil des Verfahrens
ist darin zu sehen, daß es auch beim Zusammenbau von
Sendemodulen verwendet werden kann. Dabei werden die
optischen Eigenschaften der Sendemodule mit Hilfe des
elektrischen Raumspektrums optimiert. Auf diese Weise
kann beispielsweise die bei der Einkopplung von
Laserlicht in eine Lichtleitfaser auftretende störende
Rückstreuung von Licht in den Laser minimiert werden.
Das Verfahren und ein Ausführungbeispiel zur
Durchführung des Verfahrens werden in der folgenden
Beschreibung und anhand der Fig. 1 bis 3 näher
erläutert. Es zeigen
Fig. 1 den Verlauf der Rauschleistung über der
Frequenz mit dem auf den Schwellstrom
normierten Laserstrom als Parameter,
Fig. 2 den Verlauf der Rauschleistung in Abhängigkeit
vom normierten Laserstrom mit der Frequenz als
Parameter,
Fig. 3 einen Meßaufbau zur Messung des elektrischen
Rauschspektrums an einem Halbleiter-Laser.
In Fig. 1 ist die an den Klemmen eines HL-Laser
gemessene elektrische Rauschleistung über der Frequenz
aufgetragen. Die Figur zeigt drei Kurven, die mit 1, 2
und 3 bezeichnet sind. Parameter an diesen Kurven ist
der auf den Schwellstrom normierte Laserstrom. Kurve 1
gilt für den Fall, daß der Laserstrom kleiner als der
Schwellenstrom ist. Man erkennt, daß beim Betrieb
unterhalb des Schwellenstromes die Rauschleistung kein
ausgeprägtes Maximum aufweist und oberhalb einer
gewissen Grenze monoton mit wachsender Frequenz abfällt.
Mit 2 ist eine Kurve bezeichnet, für die der Laserstrom
gleich dem Schwellenstrom ist. Im Gegensatz zu Kurve 1
zeigt die Kurve 2 ein schwaches Maximum. Für Ströme
größer als der Schwellenstrom (Kurve 3) wird aus dem
schwachen Maximum ein sehr ausgeprägtes Maximum. Der
Unterschied der Rauschspektren, abhängig davon, ob der
Laserchip stimuliert oder nur spontan emittiert, ist
augenfällig. Damit läßt sich z. B. sehr präzise die
Laserschwelle bzw. der Laserschwellstrom bestimmen.
Fig. 2 zeigt eine andere Art der Darstellung.
Aufgetragen ist die Rauschleistung über dem normierten
Laserstrom mit der Frequenz als Parameter. Kurve 4 gilt
für eine Frequenz von 10 MHz, Kurve 5 für eine Frequenz
von 100 MHz. Beide Kurven zeigen an den Stellen, an
denen der Laserstrom gleich dem Schwellstrom ist, ein
ausgeprägtes Maximum. Damit kann der Schwellstrom genau
bestimmt werden.
Fig. 3 zeigt ein Schaltbild mit den für die Aufnahme der
Rauschspektren nach Fig. 1 und 2 notwendigen Elementen.
Mit 6 ist der HL-Laser bezeichnet, mit 7 ein
Spektrumanalysator, mit 8 eine
Gleichspannungsstromquelle und mit 9 ein hochfrequentes
Bias "T". Bei der Stromquelle 8 handelt es sich
zweckmäßigerweise um eine sehr rauscharme Stromquelle.
Die Stromquelle speist den Laser 6, welcher z. B. auf
einer temperaturstabilisierten Wärmesenke sitzt. Über
das hochfrequente Bias "T" wird das Rauschspektrum des
den Laser steuernden Stromes abgegriffen. Im
Spektrumanalysator 7 wird dieses Spektrum analysiert. Je
nach Art der Auftragung gelangt man dann zu Kurven nach
Fig. 1 oder Fig. 2. Bei dem in Fig. 3 mit 6 bezeichenten
Laser kann es sich dabei durchaus um ein auf einem Wafer
befindliches Bauelement handeln. Da nur elektrische und
keine optischen Größen gemessen werden, wird somit
direkt auf dem Wafers entschieden, welche Bauelemente
(HL-Laser oder HL-Laser mit Monitordiode) weiter
verwendbar sind oder nicht. Selbstverständlich kann die
Messung eines Rauschspektrums auch an jedem beliebigen
HL-Laser vorgenommen werden.
Aus den Rauschspektren lassen sich dann beispielsweise
Rückschlüsse auf die folgenden, einen Laser
charakterisierenden Größen ziehen:
- - Schwellstrom
- - Quantenausbeute
- - Rückwirkungsempfindlichkeit
- - Modenspektrum
- - Alterungsverhalten
- - Linienbreite.
Claims (12)
1. Auf der Auswertung von elektrischen Rauschspektren
beruhendes Verfahren zur Charakterisierung optischer
Eigenschaften von Halbleiter-Lasern, dadurch
gekennzeichnet, daß die Rauschspektren
(TEN = Terminal Electrical Noise) am elektrischen
Eingang der noch auf einem Wafer befindlichen
Halbleiter-Laser gemessen werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß zur Messung der elektrischen Rauschspektren ein
Spektrumanalysator verwendet wird.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Rauschspektren bei fester
Frequenz und variablem Laserstrom gemessen werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß der Laserstrom von Werten weit unterhalb des
Schwellstromes bis zu Werten oberhalb des Schwellstromes
variiert wird.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Rauschspektren bei festem
Laserstrom und variabler Frequenz aufgenommen werden.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1
bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß aus den
Rauschspektren auf das Vorliegen eines
Single-Mode-Lasers geschlossen wird.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1
bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß aus den elektrischen
Rauschspektren auf eine oder mehrere der den Laser
charakterisierenden Größen Schwellstrom,
Quantenausbeute, Modenspektrum, Relaxationsfrequenzen
und Linienbreite geschlossen wird.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1
bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß aus den
Rauschspektren auf das Alterungsverhalten des Lasers
geschlossen wird.
9. Auf der Auswertung von elektrischen Rauschspektren
beruhendes Verfahren zur Charakterisierung optischer
Eigenschaften von Halbleiter-Lasern, dadurch
gekennzeichnet, daß die Rauschspektren an den
Eingangsklemmen von Halbleiterlaser-Modulen gemessen
werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß die Module anhand des Rauschspektrums in ihren
optischen Eigenschaften optimiert werden.
11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach
den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein
auf einem Wafer befindlicher Halbleiter-Laser mit einer
Stromquelle verbunden wird und die Rauscheigenschaften
des von der Stromquelle zum Laser fließenden Stromes
mittels eines Spektrumanalysators untersucht werden.
12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den
Ansprüchen 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein in
einem Halbleiterlaser-Modul befindlicher
Halbleiter-Laser mit einer Stromquelle verbunden wird,
und die Rauscheigenschaften des von der Stromquelle zum
Laser fließenden Stromes mittels eines
Spektrumsanalysator untersucht werden.
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