DE4030756A1

DE4030756A1 - Passive integrated directional optical coupler - has strip waveguides applied to semiconductor substrate in close proximity over coupling range

Info

Publication number: DE4030756A1
Application number: DE19904030756
Authority: DE
Inventors: Gustav Dr Mueller; Lothar Dipl Ing Stoll
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1990-09-28
Filing date: 1990-09-28
Publication date: 1992-04-02

Abstract

The passive integrated directional optical coupler uses two strip waveguides (WL1, WL2) of defined width (b) applied to a semiconductor substrate. A narrow spacing between the waveguides (WL1, WL2) over a coupling range (K) allows waves propagated along one waveguide (WL1, WL2) to be transferred to the other waveguide (WL2, WL1). The width (b) of one strip waveguide (WL1, WL2) is defined by a rib provided by a thickened section of a deposited semiconductor substrate is made of InP with the waveguide layer of InGaAsP. USE/ADVANTAGE - E.g. for bidirectional wavelength division multiplex systems. Unaffected by wave made.

Description

Die Erfindung betrifft einen passiven integriert optischen Richtkoppler nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a passive integrated optical Directional coupler according to the preamble of claim 1.

Richtkoppler der genannten Art sind allgemein bekannt. Durch geeignete Bemessung oder Gestaltung der Streifenwellenleiter können die Wellenlängen selektiv sein, d. h. der Grad der Kopplung im Koppelabschnitt hängt von der Wellenlänge ab. Im allgemeinen funktionieren solche Richtkoppler aber nicht polarisationsunabhängig, d. h. TE-polarisierte optische Wellen koppeln im Koppelabschnitt anders als TM-polarisierte Wellen über.Directional couplers of the type mentioned are generally known. By suitable dimensioning or design of the strip waveguide the wavelengths can be selective, i. H. the degree of Coupling in the coupling section depends on the wavelength. In general, such directional couplers do not work polarization independent, d. H. TE polarized optical waves couple in the coupling section differently than TM-polarized waves about.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Richtkoppler der genann ten Art anzugeben, der polarisationsunempfindlich ist und überdies wellenselektiv sein kann.The object of the invention is to provide a directional coupler to specify the type which is insensitive to polarization and can also be wave-selective.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.This task is carried out in the characterizing part of the Features specified claim 1 solved.

Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsge mäßen Richtkopplers gehen aus den Unteransprüchen hervor. Insbesondere hat der erfindungsgemäße Richtkoppler den Vor teil, daß er sich zur Integration mit der in der älteren deutschen Patentanmeldung P 40 14 234.5 (GR 90 P 1231 DE) beschriebenen Laserdiode eignet. Zusammen mit dieser Diode kann dieser Richtkoppler einen integriert optischen Duplex- Baustein für den Einsatz in bidirektionalen WDM-Systemen, beispielsweise für die Wellenlänqen 1,3µm und 1,5µm bilden. Particularly advantageous embodiments of the fiction Directional couplers emerge from the subclaims. In particular, the directional coupler according to the invention has the front in part that he seeks to integrate with that in the older German patent application P 40 14 234.5 (GR 90 P 1231 DE) described laser diode is suitable. Together with this diode can this directional coupler be an integrated optical duplex Module for use in bidirectional WDM systems, for example for the wavelengths 1.3µm and 1.5µm.

Die Erfindung wird anhand der Figuren in der nachfolgenden Beschreibung beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:The invention is illustrated by the figures in the following Description explained in more detail by way of example. Show it:

Fig. 1 eine Draufsicht auf ein beispielhaftes erfindungs gemäßes Richtkoppler, und Fig. 1 is a plan view of an exemplary directional coupler according to the Invention, and

Fig. 2a bis 2d jeweils einen beispielsweise längs der Schnittlinie II-II in Fig. 1 geführten Querschnitt durch einen passiven Streifenwellenleiter des erfin dungsgemäßen Interferometers, wobei verschiedene mög liche Streifenwellenleiterstrukturen für einen solchen passiven Streifenwellenleiter dargestellt sind. FIGS. 2a to 2d each have a, for example, along the section line II-II in FIG. 1 out cross-section through a passive strip waveguide of OF INVENTION to the invention the interferometer, and various find the risk of strip waveguide structures are shown for such a passive strip waveguide.

Bei dem Interferometer nach Fig. 1 sind die auf dem Substrat S integrierten Streifenwellenleiter WL1 und WL2 definierter Breite b im Phasenschieberabschnitt Ph in so großem Abstand d1 voneinander angeordnet, daß in diesem Phasenschieberabschnitt Ph eine in der wellenleitenden Schicht eines Streifenwellen leiters WL1 oder WL2 geführte optische Welle nicht in die wellenleitende Schicht des anderen Streifenwellenleiters WL2 bzw. WL1 überkoppelt.In the interferometer according to FIG. 1, the strip waveguides WL 1 and WL 2 of a defined width b, which are integrated on the substrate S, are arranged in the phase shifter section Ph at such a distance d 1 from one another that in this phase shifter section Ph one in the waveguiding layer of a strip waveguide WL 1 or WL 2 guided optical wave is not coupled into the waveguiding layer of the other strip waveguide WL 2 or WL 1 .

Die Streifenwellenleiter WL1 und WL2 können verschiedenen Aufbau haben:
Bei den Ausführungsformen nach Fig. 2a und 2b ist die Rippe R der Breite b durch einen dickeren Bereich der wellen leitenden Schicht wS aus dem n-dotierten oder undotierten Halbleitermaterial definiert, wobei die wellenleitende Schicht wS auf dem Substrat S aufgebracht ist und auf der vom Sub strat S abgekehrten Oberseite O an Luft oder ein anderes einheitliches Material, beispielsweise das Material des Substrats S, grenzt.The strip waveguides WL 1 and WL 2 can have different structures:
In the embodiments according to FIGS. 2a and 2b, the rib R of the width b is defined by a thicker area of the wave-guiding layer wS made of the n-doped or undoped semiconductor material, the wave-guiding layer wS being applied to the substrate S and on which Sub strat S facing top O in air or another uniform material, such as the material of the substrate S, borders.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 2b ist die Rippe durch die streifenförmige wellenleitende Schicht wS der Breite b definiert, d. h., die Dicke der wellenleitenden Schicht wS außerhalb dieses Streifens der Breite b ist Null. Diese streifenförmige wellenleitende Schicht wS ist vom einheit lichen Material des Substrats umgeben. Es kann aber auch so eingerichtet sein, daß beispielsweise die streifenförmige wellenleitende Schicht wS auf der Oberfläche des Substrats S ausgebildet und von einer Deckschicht aus einem einheitlichen Material abgedeckt ist oder frei bleibt. In diesem Fall grenzt an diese streifenförmige wellenleitende Schicht wS und das Substrat S Luft oder das andere einheitliche Material.In the embodiment according to FIG. 2b, the rib is defined by the strip-shaped waveguiding layer wS of width b, ie the thickness of the waveguiding layer wS outside this strip of width b is zero. This strip-shaped wave-guiding layer wS is surrounded by the uniform material of the substrate. However, it can also be set up in such a way that, for example, the strip-shaped wave-guiding layer wS is formed on the surface of the substrate S and is covered by a cover layer made of a uniform material or remains free. In this case, air or the other uniform material borders on this strip-shaped waveguiding layer wS and the substrate S.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 2d ist die Rippe R der Breite b durch eine einen dickeren Bereich einer auf oder über der wellenleitenden Schicht wS angeordneten weiteren Schicht aS aus einem einheitlichen Material definiert, wobei die weitere Schicht aS auf einer von der wellenleitenden Schicht wS abgekehrten Oberseite OW an Luft oder ein anderes einheit liches Material qrenzt.In the embodiment according to FIG. 2d, the rib R of width b is defined by a thicker area of a further layer aS made of a uniform material on or above the wave-guiding layer wS, the further layer aS being on a side facing away from the wave-guiding layer wS Upper side OW in air or another uniform material.

Zur Herstellung der Streifenwellenleiter nach den Fig. 2a bis 2c wird die Rippe R der wellenleitenden Schicht wS durch dünner Ätzen dieser wellenleitenden Schicht wS außerhalb des Bereichs der Pippe R erzeugt.For the production of the strip waveguides of FIGS. 2a to 2c, the rib R of the waveguiding layer wS produced by etching this thin waveguiding layer wS outside the range of Pippe R.

Im Falle der Fig. 2b wird nach dem Erzeugen der Rippe R eine Deckschicht DS auf die wellenleitende Schicht wS aufge bracht, beispielsweise durch Epitaxie. Diese Deckschicht DS kann beispielsweise aus dem gleichen Material wie das Sub strat S bestehen.In the case of FIG. 2b, a cover layer DS is applied to the waveguiding layer wS after the production of the rib R, for example by epitaxy. This cover layer DS can for example consist of the same material as the sub strate S.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 2c kann so vorgegangen wer den, daß die flächige wellenleitende Schicht wS bis auf einen Streifen der Breite b abgeätzt wird. Es kann auch so vorgegan gen werden, daß von vorneherein nur eine streifenförmige wel lenleitende Schicht der Breite b erzeugt und damit die wellen leitende Schicht außerhalb dieses Streifens von vorneherein weggelassen wird. Die hergestellte streifenförmige wellenlei tende Schicht wS wird mit einer Deckschicht abgedeckt, die beispielsweise aus dem Material des Substrats S bestehen und epitaktisch hergestellt werden kann. In der Fig. 3c ist angenommen, daß Deckschicht und Substrat S aus dem glei chen Material bestehen, wobei die Grenze zwischen Deckschicht und Substrat fortgelassen ist. Die Deckschicht kann auch fort gelassen sein, so daß die streifenförmige wellenleitende Schicht wS dann oberhalb des Substrats S an Luft grenzt.In the embodiment according to FIG. 2c, the procedure can be followed such that the flat wave-guiding layer wS is etched down to a strip of width b. It can also be preceded that from the outset only a strip-shaped wel lenleitende layer of width b is generated and thus the wave-conducting layer outside of this strip is omitted from the outset. The strip-shaped waveguide layer wS produced is covered with a cover layer which, for example, consist of the material of the substrate S and can be produced epitaxially. In Fig. 3c it is assumed that the cover layer and the substrate S consist of the same material, the boundary between the cover layer and the substrate being omitted. The cover layer can also be omitted, so that the strip-shaped wave-guiding layer wS then borders on air above the substrate S.

Die Ausführungsform nach Fig. 2d wird beispielsweise so her gestellt, daß die Abstandsschicht AS außerhalb des Bereichs der Rippe R dünner geätzt wird, wobei diese Schicht AS die weitere Schicht aS bildet.The embodiment according to FIG. 2d is made, for example, in such a way that the spacer layer AS is etched thinner outside the area of the rib R, this layer AS forming the further layer aS.

Insbesondere die Ausführungsformen nach den Fig. 2a und 2d eignen sich für die Realisierung des obengenannten Duplexers.The embodiments according to FIGS. 2a and 2d are particularly suitable for the implementation of the duplexer mentioned above.

Claims

1. Passively integrated optical directional coupler consisting of two strip waveguides (WL 11 WL 2 ) defined by an undoped or n-doped layer (wS) of the substrate (S) defined on a substrate (S) made of semiconductor material (W), defined width (b), which in a coupling section (K) run at such a small distance (d) from one another that in this coupling section (K) an optical wave guided in the waveguiding layer (wS) of a strip waveguide (WL 1 ) or (WL 2 ) into the waveguiding Layer (wS) of the other strip waveguide (WL 2 or WL 1 ) can couple, the width (b) of a strip waveguide (WL 1 , WL 2 ) being determined by a rib (R), characterized in that the rib (R ) is defined by a thicker area of a layer (wS, aS) made of semiconductor material, to which a uniform material adjoins on each side.

2. directional coupler according to claim 1, characterized, that the layer having the thicker area waves the conductive layer (wS) itself.

3. directional coupler according to claim 2, characterized, that the thickness of the waveguiding layer (wS) outside of the area defining the rib (R) is ZERO.

4. directional coupler according to claim 1, characterized, that the layer having the thicker area is a more applied on the wave-guiding layer (wS) Layer (aS).

5. directional coupler according to claim 4, characterized, that the wave-guiding layer (wS) and another layer (aS) from the same material but different Are refractive index.

6. Directional coupler according to claim 2 or 3 and 6, characterized in that the wave-guiding layer (wS) on the side facing away from the surface ( 0 ) of the substrate (S) borders on air or another uniform material.

7. directional coupler according to claim 6, characterized, that the other uniform material is the material of the Substrate (S).

8. Directional coupler according to claim 4 or 5 and 6, characterized in that the further layer (aS) on the side facing away from the surface ( 0 ) of the substrate (S) borders on air or another material.

9. directional coupler according to one of the preceding claims, characterized, that the substrate made of InP and the waveguiding layer (wS) consists of InGaAsP.