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Die Erfindung bezieht sich auf ein
elektrooptisches Bauelement mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Unter dem Begriff „Millimeterwellen" werden nachfolgend
elektromagnetische Wellen verstanden, deren Wellenlänge (Freiraumwellenlänge) im
Millimeter-Bereich liegt; entsprechend werden unter dem Begriff „Submillimeterwellen" elektromagnetische Wellen
verstanden, deren Wellenlänge
kleiner als ein Millimeter ist. Unter dem Begriff „Millimeterantenne" und „Submillimeter-Antenne" werden nachfolgend Antennen
verstanden, die elektromagnetische Millimeterwellen bzw. Submillimeterwellen
abstrahlen und/oder empfangen können.
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Ein derartiges Bauelement ist aus
der Druckschrift „Monolithically
integrated Yagi-Uda antenna for photonic emitter operating at 120
GHz" (A. Hirata, T.
Furuta und T. Nagatsuma; Electronics Letters, 30. August 2001, Vol.
37, Nr. 18) bekannt. Bei diesem vorbekannten Bauelement handelt
es sich um eine Anordnung bestehend aus einer Fotodiode und einer Yagi-Uda-Antenne,
die an die Fotodiode angeschlossen ist. Mit der Fotodiode, die als
UTC (UTC: uni-travellingcarrier-photodiode) ausgebildet ist, werden
mit einer Signalfrequenz von 120 GHz modulierte optische Signale
empfangen und in elektrische Signale umgewandelt. Die elektrischen
Signale weisen damit eine elektrische Frequenz von ebenfalls 120
GHz auf und werden von der an die UTC-Fotodiode angeschlossenen Yagi-Uda-Antenne
abgestrahlt. Mit anderen Worten handelt es sich bei dem vorbekannten Bauelement
um einen elektrooptischen Wandler, der optische Signale mit hoher
Modulationsfrequenz in elektromagnetische Millimeterwellen umwandelt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
elektrooptisches Bauelement anzugeben, das zum Generieren von Millimeterwellen
oder Submillimeterwellen besonders gut geeignet ist.
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Diese Aufgabe wird bei einem elektrooptischen
Bauelement der eingangs angebenen Art erfindungsgemäß durch
das kennzeichnende Merkmal des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen elektrooptischen
Bauelements ist darin zu sehen, dass dieses einen besonders hohen
Wirkungsgrad bei der Umwandlung von optischen Signalen in elektromagnetische
Millimeter- bzw. Submillimeterwellen aufweist, weil zum Detektierten
der optischen Signale ein Elektroabsorptionsmodulator eingesetzt wird.
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Ein weiterer wesentlicher Vorteil
des erfindungsgemäßen elektrooptischen
Bauelements besteht darin, dass dieses eine doppelte Funktionalität aufweist,
da nämlich
der Elektroabsorptionsmodulator auch in umgekehrter Richtung betrieben
werden kann und somit zum Generieren modulierter optischer Signale
herangezogen werden kann. Konkret können mit dem erfindungsgemäßen elektrooptischen
Bauelement nämlich
optische Lichtsignale mit einer Modulationsfrequenz beaufschlagt
werden, die von der an den Elektroabsorptionsmodulator angeschlossenen
Millimeter- oder Submillimeterantenne empfangen worden sind.
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Für
die bereits erwähnte „umgekehrte" Richtung beim Betrieb
des elektrooptischen Bauelements – das heißt also zum Generieren modulierter
optischer Lichtsignale – ist
eine optische Signalquelle wie zum Beispiel ein Laser notwendig.
Es wird daher im Rahmen einer Weiterbildung des elektrooptischen Bauelements
als vorteilhaft angesehen, wenn das elektrooptische Bauelement ein
optisch aktives Element aufweist bzw. enthält. In einem solchen Fall kann
nämlich
auf einen Anschluss einer separaten Lichtquelle, insbesondere eines
Lasers, an das elektrooptische Bauelement verzichtet werden, da
das Bauelement dann eine solche Lichtquelle bereits selbst enthält.
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Besonders einfach und damit kostengünstig lässt sich
ein elektrooptisches Bauelement mit einem Elektroabsorptionsmodulator
und einem optisch aktiven Element herstellen, wenn das optisch aktive
Element und der Elektroabsorptionsmodulator in demselben Halbleitersubstrat
integriert werden. Bei einer Integration der beiden Komponenten
in demselben Halbleitersubstrat können nämlich Herstellungsschritte
eingespart werden.
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Zum Erzeugen von modulierten optischen Lichtsignalen
wird es als vorteilhaft angesehen, wenn das optisch aktive Element
ein Laser, insbesondere ein DFB (DFB: distributed feedback laser)-
oder ein DBR(DBR: distributed bragg reflector) – Laser, oder ein optischer
Verstärker,
insbesondere ein SOA (SOA: semiconductor optical amplifier), ist.
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Besonders kompakt und damit platzsparend lässt sich
das elektrooptische Bauelement ausbilden, wenn die Millimeter- oder Submillimeterantenne
auf dem Halbleitersubstrat angeordnet ist.
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Anstelle einer Integration der Millimeter-
oder Submillimeterantenne auf dem Halbleitersubstrat kann alternativ
vorgesehen sein, dass die Millimeter- oder Submillimeterantenne
auf einem Schaltungsträger
angeordnet ist und das Halbleitersubstrat auf dem Schaltungsträger befestigt
ist.
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Zur gezielten Optimierung des Elektroabsorptionsmodulators
und des optisch aktiven Elements wird es als vorteilhaft angesehen,
wenn das Halbleitersubstrat zumindest zwei unterschiedliche aktive
Schichten aufweist, von denen eine aktive Schicht für das optisch
aktive Element und die weitere aktive Schicht für den Elektroabsorptionsmodulator
optimiert ist. Die Schichtenreihenfolge ist dabei unwesentlich,
so dass die für
das optisch aktive Element optimierte aktive Schicht über der
für den
Elektroabsorptionsmodulator optimierten weiteren Schicht oder umgekehrt
darunter angeordnet sein kann.
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Zur Optimierung von Elektroabsorptionsmodulatoren
und von optisch aktiven Elementen sind QD (QD: quantum dot)-, MQD
(MQD: multiple quantum dot)-, QW (QW: quantum well)- und/oder MQW (MQW:
multiple quantum well)-Schichten geeignet, so dass es als vorteilhaft
angesehen wird, wenn mindestens eine der zwei aktiven Schichten
eine QD-, eine MQD-, eine QW- oder eine MQW-Schicht ist.
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Zum Empfangen und zum Generieren
von Millimeter- oder Submillimeterwellen sind insbesondere Schlitzantennen
sehr geeignet, so dass es als vorteilhaft angesehen wird, wenn in
dem elektrooptischen Bauelement eine Schlitzantenne als Antenne eingesetzt
wird.
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Vorteilhaft ist die Schlitzantenne
eine von einem koplanaren elektrischen Wellenleiter gespeiste CPW-fed-Antenne.
Die Abkürzung
CPW steht dabei für „coplanar-waveguide-fed".
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Bei der Millimeter- oder Submillimeterantenne
kann es sich beispielsweise auch um eine Yagi-Uda-Antenne oder um
eine „log-period"-Antenne handeln.
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Im Übrigen wird es als vorteilhaft
angesehen, wenn die elektromagnetischen Millimeter- bzw. Submillimeterwellen
im Antennenbereich gebündelt
werden; es wird daher als vorteilhaft angesehen, wenn der Millimeter-
oder Submillimeterantenne eine Linse, insbesondere eine Siliziumlinse,
zum „Vorabbündeln" der elektromagnetischen
Wellen zu- bzw. vorgeordnet ist. Vorteilhaft ist die Linse hemisphärisch gewölbt, um
eine besonders effiziente Bündelung
der Millimeter- bzw. Submillimeterwellen zu einreichen.
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Im Übrigen wird es als vorteilhaft
angesehen, wenn das Halbleitersubstrat zu dem III/V Materialsystem
gehört;
insbesondere kann das Halbleitersubstrat beispielsweise ein Indiumphosphid
oder ein Galliumarsenid-Material sein.
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Der Erfindung liegt darüber hinaus
die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Erzeugen von Millimeter-
und/oder Submillimeterwellen anzugeben, das sich besonders einfach
und effizient durchführen lässt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem
Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch
15 erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens
sind in den Unteransprüchen
angegeben.
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Bezüglich der Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens
und bezüglich
der Vorteile der vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird auf die obigen Ausführungen
im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen elektrooptischen Bauelement
verwiesen, da sich die Vorteile im wesentlichen entsprechen.
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Zur Erläuterung der Erfindung zeigen
die 1 bis 4 ein Ausführungsbeispiel
für ein
erfindungsgemäßes elektrooptisches
Bauelement.
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In der 1 ist
ein Halbleitersubstrat 1 dargestellt, das Teil eines elektrooptischen
Bauelements 2 ist. Das Halbleitersubstrat 1 kann
beispielsweise n-dotiert sein.
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In dem Halbleitersubstrat 1 sind
ein DFB-Laser 5, ein Elektroabsorptionsmodulator 10 und
ein optischer Verstärker 15 integriert.
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Die Schichtenfolge des Halbleitersubstrats 1 ist
wie folgt beschaffen: Auf dem Halbleitersubstrat 1 befindet
sich eine aktive Schicht 20, die speziell für den Laser 5 optimiert
ist. Bei der aktiven Schicht 20 kann es sich beispielsweise
um eine QW-, eine MQW-, eine QD- oder eine MQD-Schicht handeln.
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Auf der aktiven Schicht 20 befindet
sich eine weitere aktive Schicht 25, die speziell für den Elektroabsorptionsmodulator 10 optimiert
ist. Die Reihenfolge der beiden aktiven Schichten 20 und 25 ist
im Übrigen
beliebig; so kann die aktive Schicht 20 für den Laser 5 auch über der
weiteren aktiven Schicht 25 statt unter dieser angeordnet
sein.
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Auf der weiteren Schicht 25 befindet
sich eine p-dotierte Deckschicht 30, die mit elektrischen Kontakten 35, 40 und 45 zum
Kontaktieren des Lasers 5, des Elektroabsorptionsmodulators 10 und
des Verstärkers 15 versehen
ist.
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Die Deckschicht 30 ist durch
Gräben 50 und 55 segmentiert,
wodurch die Bereiche für
den Laser 5, den Elektroabsorptionsmodulator 10 und
den Verstärker 15 untereinander
abgegrenzt werden.
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Der DFB-Laser 5 weist eine
Gitterstruktur 60 auf, die in der weiteren aktiven Schicht 25 ausgebildet
ist.
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Die 2 zeigt
das Halbleitersubstrat 1 gemäß der 1 in der Draufsicht. Man erkennt die
Gitterstruktur 60 des Lasers 5 sowie die Kontakte 35, 40 und 45,
mit denen jeweils die p-dotierte Deckschicht 30 kontaktiert
ist. Darüber
hinaus lassen sich Kontaktbereiche 70, 75 und 80 erkennen,
in denen die p-dotierte Deckschicht 30, sowie die beiden
aktiven Schichten 20 und 25 entfernt – beispielsweise
weggeätzt – sind.
In diesen Kontaktbereichen 70, 75 und 80 ist
das ansonsten von den Schichten 20, 25 und 30 abgedeckte,
n-dotierte Halbleitersubstrat 1 von der
Vorderseite bzw. Oberseite 85 des Halbleitersubstrats kontaktierbar.
Die Vorderseite 85 und die Rückseite 90 des Halbleitersubstrats
sind in der 1 mit ihren
Bezugszeichen gekennzeichnet.
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In der 2 ist
darüber
hinaus ein optischer Wellenleiter 95, beispielsweise ein
Glaswellenleiter, dargestellt, der an das Halbleitersubstrat 1 an
der dem Verstärker 15 zugewandten
Außenseite 100 des Halbleitersubstrats
angeschlossen ist.
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Mit diesem Wellenleiter 95 lassen
sich optische Signale in das Halbleitersubstrat 1 einkoppeln, die
von dem Elektroabsorptionsmodulator 10 in elektrische Signale
umgewandelt werden. In anderer Richtung lassen sich optische Signale
von dem Halbleitersubstrat 1 in den Wellenleiter 95 einkoppeln,
die von dem Laser 5 generiert und von dem Elektroabsorptionsmodulator 10 in
Abhängigkeit
von an dem Elektroabsorptionsmodulator 10 anliegenden elektrischen
Signalen moduliert werden.
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Das in dem Halbleitersubstrat 1 generierte und
in den Lichtwellenleiter 95 eingespeiste Licht ist in der 2 mit einem Pfeil mit dem
Bezugszeichnen Popt,aus symbolisiert; das
in das Halbleitersubstrat 1 eingespeiste Licht ist durch
einen Pfeil mit dem Bezugszeichen Popt,ein gekennzeichnet.
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Der Laser 5 hat vorzugsweise
eine Länge
L1 zwischen 50 μm
und 500 μm.
Der Elektroabsorptionsmodulator 10 ist vorzugsweise 50 μm bis 300 μm lang; die
Länge L3
des Elektroabsorptionsmodulators 10 ist in der 2 mit dem Bezugszeichen
L2 gekennzeichnet. Die Länge
L3 des Verstärkers 15 beträgt vorzugsweise
50 μm bis
350 μm.
Die Breite b des Lasers 5, des Elektroabsorptionsmodulators 10 und
des Verstärkers 15 beträgt vorzugsweise
1 μm bis
3 μm. Die
Gesamtbreite B des Halbleitersubstrats 1 sollte vorzugsweise
zwischen 200 μm
und 500 μm liegen.
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Die Wellenlänge λ1 des in das Halbleitersubstrat 1 eingestrahlten
Lichts Popt,ein kann identisch mit der Wellenlänge λ2 des von
dem Laser 5 erzeugten Lichts Popt,aus sein;
stattdessen sind auch unterschiedliche Wellenlängen λ1 und λ2 möglich.
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In der 3 erkennt
man einen Leitungsträger 200,
beispielsweise eine Leiterplatte, auf der zwei koplanare elektrische
Leiter 205 und 210 einen elektrischen Koplanarleiter 215 bilden,
also einen für
Millimeter- bzw. Submillimeterwellen geeigneten elektrischen Wellenleiter.
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Die beiden Leiter 205 und 210 haben
eine Wellenleiterbreite w von ca. 10 μm bis 50 μm und einen Abstand A zwischen
20 μm bis
80 μm.
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Die beiden Leiter 205 und 210 sind
mit ihrem einem Leitungsende jeweils an eine Antenne 220 angeschlossen,
die aus Metallpads 225 und 230 gebildet ist. Die
Metallpads 225 und 230 weisen eine Breite q von
ca. 100 μm
und eine Gesamtlänge
r (einschließlich
Abstand A) von 500 μm
bis 2 mm auf.
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Die beiden Leiter 205 und 210 sind
mit ihrem anderen Leitungsende an den Kontakt 40 und den Kontaktbereich 75 des
Elektroabsorptionsmodulators 10 angeschlossen, wie weiter
unten im Zusammenhang mit der 4 erläutert wird.
Der elektrische Koplanarleiter 215 verbindet somit die
Antenne 220 und den Elektroabsorptionsmodulator 10 miteinander
und ist hierfür
speziell derart dimensioniert und ausgebildet, das er für die Übertragung
von elektrischen Millimeter- und/oder
Submillimeterwellen speziell geeignet und insbesondere hinsichtlich
seines Wellenwiderstandes angepasst ist.
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In der 3 sind
darüber
hinaus Anschlussleitungen 235, 240, 245 und 250 erkennbar,
die zum Kontaktieren des Lasers 5 und des Verstärkers 15 dienen.
Wie die elektrischen Anschlussleitungen 235, 240, 245 (Breite
s = 10 μm – 50 μm) und 250 konkret
verbunden sind, ist im Zusammenhang mit der 4 erläutert.
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In der 3 ist
außerdem
das Halbleitersubstrat 1 gemäß der 2 „gedreht" gezeigt – also in einer „Durchsicht" von unten auf die
Rückseite 90 des Halbleitersubstrats.
Diese Darstellung soll andeuten, dass das Halbleitersubstrat 1 kopfüber auf
den Leitungsträger 200 aufgesetzt
und dann aufgelötet
wird. Der Übersichtlichkeit
halber sind in dieser Darstellung nur die Kontakte und die Kontaktbereiche
gezeigt.
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Die 4 zeigt
den Leitungsträger 200 und das
Halbleitersubstrat 1 nach dessen Montage; der Leitungsträger 200 und
das Halbleitersubstrat 1 bilden damit das elektrooptische
Bauelement 2.
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Man erkennt in der 4, das der Kontaktbereich 70 zum Kontaktieren
des „n-Kontaktes" des Lasers 5 an
die Anschlussleitung 240 angeschlossen ist. Der „p-Kontakt" des Lasers 5 wird über den
Kontakt 35 und damit über
die Anschlussleitung 235 elektrisch angesteuert.
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Der optische Verstärker 15 ist
mit seinem p-Kontakt 45 an die Anschlussleitung 245 angeschlossen;
die Anschlussleitung 250 ist mit dem Kontaktbereich 80 zum
Kontaktierten des n-Kontakts
des optischen Verstärkers 15 verbunden.
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Der p-Kontakt 40 des Elektroabsorptionsmodulators 10 ist
an den Leiter 210 des elektrischen Koplanarleiters 215 angeschlossen;
der Leiter 205 des elektrischen Koplanarleiters 215 ist
mit dem Kontaktbereich 75 zum Kontaktieren des n-Kontakts
des Elektroabsorptionsmodulators 10 verbunden.
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Das elektrische Bauelement 2 gemäß den 1 bis 4 kann bidirektional betrieben werden:
Zum einen lassen sich mit dem elektrooptischen Bauelement 2 optische
Lichtsignale Pelektr.,ein elektrische Wellen
Pelektr., aus im Millimeter- und/oder Submillimeterbereich
umwandeln. Zum anderen kann – also
in entgegengesetzter Richtung – aus
elektrischen Wellen Pelektr.,ein im Millimeter-
und/oder Submillimeterbereich ein entsprechendes optisches Ausgangssignal
Popt,aus erzeugt werden. Dies soll nun kurz
erläutert
werden: Ein optisches Eingangs-Lichtsignal Popt,ein,
wird vom Elektroabsorptionsmodulator 10 absorbiert, wodurch Elektron-Loch-Paare erzeugt
werden, die an den Anschlüssen 75 und 40 des
Elektroabsorptionsmodulators 10 eine elektrische Spannung
hervorrufen. Bei einem mit einer Frequenz von beispielsweise 100 GHz
modulierten Lichtsignal Popt,ein bildet
sich somit eine elektrische Wechselspannung an den Anschlüssen 40 und 75 des
Elektroabsorptionsmodulators 10, die ebenfalls bei 100
GHz liegt und über
den elektrischen Koplanarleiter 215 zur Antenne 220 übertragen
und von dieser als Millimeter- oder, im Falle höherer Datenraten und damit
höherer
Frequenzen, als Submillimeterwellen Pelektr.,aus abgestrahlt
werden.
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In umgekehrter Richtung funktioniert
das elektrooptische Bauelement wie folgt: Eine elektrische Millimeterwelle
oder Submillimeterwelle Pelektr.,ein wird
von der Antenne 220 empfangen, woraufhin ein entsprechendes
elektrisches Signal bzw. eine entsprechende elektrische Welle über den
elektrischen Koplanarleiter 215 zum Elektroabsorptionsmodulator 10 gelangt;
dieses elektrische Signal steuert den Elektroabsorptionsmodulator 10 derart
an, dass dieser sein Absorptionsverhalten entsprechend dem elektrischen
Signal moduliert. Dies führt
dann dazu, dass das vom Laser 5 generierte Licht moduliert
wird und modulierte optische Signale Poptaus erzeugt werden, die
von dem Halbleitersubstrat 1 in den optischen Wellenleiter 95 eingekoppelt
werden.
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- 1
- Halbleitersubstrat
- 2
- elektrooptisches
Bauelement
- 5
- DFB-Laser
- 10
- Elektroabsorptionsmodulator
- 15
- optischer
Verstärker
- 20
- aktive
Schicht
- 25
- weitere
aktive Schicht
- 30
- p-dotiere
Deckschicht
- 35,40,45
- elektrische
Kontakte
- 50,55
- Gräben
- 60
- Gitterstruktur
- 70,75,80
- Kontaktbereiche
- 85
- Vorderseite
- 90
- Rückseite
- 95
- optischer
Wellenleiter
- 100
- optische
Anschlussseite
- 200
- Leitungsträger
- 205,210
- Leiter
- 220
- Antenne
- 225,230
- Metallpads
- 235,240,245,250
- Anschlussleitung