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 verfahrens

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    • 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
    • H01S5/0014Measuring characteristics or properties thereof
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R29/00Arrangements for measuring or indicating electric quantities not covered by groups G01R19/00 - G01R27/00
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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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