DE19637396A1 - Koppelanordnung zum Aneinanderkoppeln von Wellenleitern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Koppelanordnung zum Aneinander­ koppeln zumindest zweier Wellenleiter nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Koppelanordnungen zum Aneinanderkoppeln optischer Wellenlei­ ter haben eine Vielfalt von Anwendungen bei der Realisierung von Bauelementen und zur Bereitstellung von Verbindungen zwischen optischen Bauelementen in der integrierten Optik.

Die meisten Koppelanordnungen zum Aneinanderkoppeln opti­ scher Wellenleiter benutzen Stoßkopplung (siehe z. B. [1]). Dabei stößt das Ende eines Wellenleiters mit einer be­ stimmten lateralen oder transversalen Struktur an einen an­ deren Wellenleiter mit einer anderen lateralen oder trans­ versalen Struktur. Das naheliegenste Herstellverfahren be­ nutzt Ätzen zum Entfernen des Kerns eines Wellenleiters und epitaktisches Anwachsen des zweiten Wellenleiters mit MOVPE oder MOMBE. Der Vorteil dieses Verfahrens ist die unabhängi­ ge Wahl der Materialzusammensetzungen und Abmessungen der beiden Wellenleiter. Allerdings besteht die Schwierigkeit des epitaktischen Kristallwachstums an der Stoßstelle, da dies die Nutzung der Randzonen des epitaktisch gewachsenen Materials erfordert.

Wenn nur ein geringer Unterschied der Materialzusammenset­ zung der beiden Wellenleiter erforderlich ist, wie z. B. für die Integration eines Lasers und Modulators, so bietet sich maskenabhängige selektive Epitaxie als relativ einfaches Herstellverfahren an. Dabei müssen Kompromisse bei der La­ serfunktion oder Modulatorfunktion in Kauf genommen werden (siehe [3]) wie:

• 1. Maskenabhängige selektive Epitaxie erlaubt nur geringe Va­ riation der Wellenlänge der Photolumineszenz (PL) zwischen 1,57 und 1,46 µm und ist verkoppelt mit einer Variation der Schichtdicke.
• 2. Durch den Wellenleiterabschnitt im Bereich des Bandkanten­ übergangs von etwa 50 bis 70 µm Länge, entsprechend der Gas-Diffusionslänge bei der MOVPE, entstehen zusätzliche Absorptionsverluste (0,5 B bei 50 µm Länge und 1,55 µm Wel­ lenlänge).
• 3. Wenn das modulierende elektrische Feld sich in diesen Be­ reich mit veränderlicher PL-Wellenlänge und Schichtdicke erstreckt, kann das durchlaufende Licht spektral verbrei­ tert werden (Chirp).

Am einfachsten ist es, dasselbe Schichtpaket für verschiede­ ne optische Bauelemente zu verwenden. (siehe [4], [5], [6]) Bei diesem Verfahren sind die Abstriche bei den Bauelementeigen­ schaften besonders groß, da eine Optimierung nur noch in be­ schränktem Maße z. B. durch den Einsatz von mechanisch ver­ spannten Quantentöpfen- und barrieren oder teilweises Umord­ nen (disordering) von Quantentöpfen erfolgen kann.

In anderen Arbeiten werden vertikal (siehe [7], [8] oder late­ ral (siehe [9], [10], [11]) strukturierte Wellenleiterenden für Wellenleiterkoppler verwendet. Dabei wird der Kern oder eine Mantelschicht des Wellenleiters so verjüngt, daß das opti­ sche Feld in andere Bereiche dieses Wellenleiters überge­ führt wird.

Koppelanordnungen zum Aneinanderkoppeln optischer Wellenlei - ter haben eine Vielfalt von Anwendungen bei der Realisierung von Bauelementen und zur Bereitstellung von Verbindungen zwischen optischen Bauelementen in der integrierten Optik.

Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Koppelanordnung zum Aneinanderkoppeln opti­ scher Wellenleiter bereitzustellen, die kompatibel mit planaren Wellenleitern, insbesondere Rippenwellenleitern ist.

Die erfindungsgemäße Koppelanordnung verbindet vertikal übereinander liegende Wellenleiter. Die Wellenleiter haben jeweils mindestens eine Kernschicht. Zumindest einer der Wellenleiter ist als Steg- oder Rippenwellenleiter ausgebil­ det. Die Wellenleiter sind räumlich getrennt durch eine Man­ telschicht mit einem niedrigeren Brechungsindex als die Kernschichten. Die Mantelschicht bewirkt eine optische Kopp­ lung der beiden Wellenleiter, so daß die Leistung des opti­ schen Grundmodes der Koppelstruktur in beiden Wellenleitern geführt wird. Wird zumindest ein Teil der Kernschicht oder einer Mantelschicht eines Wellenleiters entfernt oder hinzu­ gefügt, so wird die optische Leistung in einen der beiden Wellenleiter gedrängt. Bei genügend schwacher Änderung des Aufbaus der Kopplelanordnung entlang der Achse der Wellen­ ausbreitung erfolgt die räumliche Verschiebung der optischen Leistung im Koppler adiabatisch, d. h. ohne Verluste durch optische Abstrahlung.

Die erfindungsgemäße Koppelanordnung stellt vorteilhafter­ weise einen Übergang von Phasenfehlanpassung zu Phasenanpas­ sung zwischen den beiden Wellenleitern her. Durch die Quer­ schnittsverjüngung innerhalb des Überlappungsbereichs der beiden Wellenleiter wird der Übergang von Phasenfehlanpas­ sung zu Phasenanpassung zwischen den beiden Wellenleitern bewirkt. Bei Phasenanpassung sind insbesondere die Phasenge­ schwindigkeiten der in den beiden Wellenleitern jeweils ge­ führten optischen Wellen gleich groß.

Die erfindungsgemäße Koppelanordnung ist auf allen Substra­ ten, beispielsweise Substraten aus SiO₂, Si₃N₄, Al₂O₃, SiGe mit Eignung für optische Bauelemente einsetzbar. Am Beispiel von Halbleiterbauelementen mit laseraktivem Material wie z. B. GaN, GaAs, InP oder komplexere Mischkristalle seien ei­ nige aktuelle Anwendungen für solche Koppelanordnungen ge­ nannt:

• - Hochleistungs-Laserdiode mit Fensterstruktur zur Vermei­ dung von "hot spots" an der Lichtaustrittsfläche
• - DBR-Laser ohne Stoßkopplung zwischen Verstärker- und Spiegelbereich zur Unterdrückung von Störreflexen an der Übergangsstelle
• - Laserdiode oder Verstärker mit Taper zur kostengünstigen Ankopplung an einen Glasfaserwellenleiter oder Planar lightwave circuit (PLC) z. B. eines bidirektionalen Moduls
• - DFB-Laserdiode mit externem Modulator z. B. für Wellenlän­ genmultiplex- oder Weitverkehrssystem
• - Modulator mit optischem Verstärker, z. B. für kostengün­ stigen Zugang zu Fiber-to-the-loop (FTTL) System, z. B.

mit der Architektur des RITE-Netzes (siehe [1], [2])) von Lucent Technologies.

Um solche optischen Bauelemente zu einem Produkt zu machen, sind Koppelanordnungen erforderlich, deren Herstellungsver­ fahren weitgehend kompatibel zu bereits eingeführten Prozes­ sen ist. Die erfindungsgemäße Koppelanordnung leistet dies vorteilhafterweise. Sie kann überdies vorteilhafterweise un­ mittelbar mit einem Rippen- bzw. Stegwellenleiter kombiniert werden, der in der Laserdiodenproduktion verwendbar ist.

Bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfin­ dung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden in der nachfolgen­ den Beschreibung an Hand der Figuren beispielhaft näher er­ läutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen zur Achse der Wellenausbreitung senkrechten Querschnitt durch den Überlappungsbereich eines er­ sten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Koppelanordnung,

Fig. 2 eine Draufsicht auf das erste Ausführungsbeispiel, wobei der Querschnitt nach Fig. 1 längs der Schnittlinie III-III in dieser Fig. 2 genommen ist,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch das erste Ausführungsbei­ spiel entlang der Achse der Wellenausbreitung,

Fig. 4a-4f Querschnitte durch das Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 bis 3 längs der Schnittlinien I-I bis V-V und IIV-IIV in Fig. 2,

Fig. 5 eine Draufsicht auf eine Hochleistungs-Laserdiode, bei der eine erfindungsgemäße Koppelanordnung ange­ wendet ist,

Fig. 6 einen Längsschnitt durch die Laserdiode nach Fig. 5 entlang der Achse der Wellenausbreitung,

Fig. 7 eine Draufsicht auf eine DBR-Laserdiode, bei der eine erfindungsgemäße Koppelanordnung angewendet ist,

Fig. 8 einen Längsschnitt durch die DBR-Laserdiode nach Fig. 7 entlang der Achse der Wellenausbreitung,

Fig. 9 eine Draufsicht auf eine DFB-Lasediode, an die ein optischer Modulator über erfindungsgemäße Kop­ pelanordnungen gekoppelt ist,

Fig. 10 einen Längsschnitt durch die DFB-Laserdiode und den Modulator nach Fig. 9 entlang der Achse der Wel­ lenausbreitung,

Fig. 11 eine Draufsicht auf einen bidirektionalen Baustein mit Laserdiode und Photodioden, bei dem eine erfin­ dungsgemäße Koppelanordnung angewendet ist,

Fig. 12 einen zur Achse der Wellenausbreitung senkrechten Querschnitt durch den Überlappungsbereich eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Kop­ pelanordnung für polarisationsunabhängige Funktion im Überlappungsbereich, wo eine optische Welle in beiden Wellenleiterkernen geführt wird,

Fig. 13 einen zur Achse der Wellenausbreitung senkrechten Querschnitt durch den Überlappungsbereich eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Kop­ pelanordnung bei welchem ein Wellenleiter eine Kernschicht und der andere Wellenleiter zwei Kern­ schichten aufweist, und

Fig. 14 einen zur Achse der Wellenausbreitung senkrechten Querschnitt durch den Überlappungsbereich eines dem ersten Ausführungsbeispiel ähnlichen Ausführungs­ beispiels der erfindungsgemäßen Koppelanordnung, bei welchem in der Rippe des Rippenwellenleiters der andere Wellenleiter ausgebildet ist.

Die Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich.

Bei sämtlichen in den Figuren dargestellten Ausführungsbei­ spielen ist die generell mit 1 bezeichnete erfindungsgemäße Koppelanordnung zum Aneinanderkoppeln zumindest zweier Wel­ lenleiter ggf. zusammen mit anderen Einrichtungen wie Laser­ dioden, Modulatoren, Photodioden usw. auf der Oberfläche 20 eines Substrats 2 integriert.

Die beiden Wellenleiter der Koppelanordnung 1 sind mit 3 und 4 bezeichnet und weisen jeweils eine Kernschicht zum Führen einer optischen Welle auf, wobei die Kernschicht des Wellen­ leiters 3 mit 30 und die Kernschicht des Wellenleiters 4 mit 40 bezeichnet ist.

Die Kernschichten 30 und 40 sind parallel zur Oberfläche 20 des Substrats 2 angeordnet, wobei die Kernschicht 30 des Wellenleiters 3 in einem größeren vertikalen Abstand von der Oberfläche 20 als die Kernschicht 40 des Wellenleiters 4 an­ geordnet ist. Dadurch sind die Kernschichten 30 und 40 in einem zu diesen Schichten 30 und 40 vertikalen Abstand d34 voneinander angeordnet.

Der Abstand d34 zwischen den beiden Kernschichten 30 und 40 ist so groß zu wählen, daß eine in einem der Wellenleiter 3 oder 4 geführte optische Welle beim Eintritt in den unten genannten Überlappungsbereich 6 nicht wesentlich in den an­ deren Wellenleiter 4 bzw. 3 übergreift. Der Abstand d34 sollte mindestens gleich der halben Wellenlänge λ einer in einer Kernschicht 30 und/oder 40 geführten optischen Welle sein.

Die beiden Kernschichten 30 und 40 überlappen einander in einem Überlappungsbereich 6 und sind im Überlappungsbereich 6 durch eine Mantelschicht 7 mit relativ zu den Kernschich­ ten 30 und 40 kleinerer Brechzahl voneinander getrennt, durch die eine in der Kernschicht eines Wellenleiters, bei­ spielsweise der Kernschicht 30 des Wellenleiters 3 geführte optische Welle in die Kernschicht 40 des anderen Wellenlei­ ters 4 überkoppelbar ist.

Zumindest einer der beiden Wellenleiter 3 und/oder 4 ist ein Rippenwellenleiter, bei dem auf zumindest einer Flachseite seiner Kernschicht 30 und/oder 40 eine Rippe 8 ausgebildet ist, die entlang einer zu dieser Kernschicht 30 und/oder 40 und damit zur Oberfläche 20 des Substrats 2 parallelen Längsachse 80 verläuft.

Die Längsachse 80 definiert die Richtung einer Achse 31 und/oder 41 der Ausbreitung einer in der Kernschicht 30 und/oder 40 des Rippenwellenleiters 3 und/oder 4 geführten optischen Welle.

Im Überlappungsbereich 6 weist der Rippenwellenleiter 3 oder 4 und/oder der andere Wellenleiter 4 bzw. 3, der auch ein Rippenwellenleiter sein kann, in einer bestimmten Richtung r der Längsachse 80 und damit der Achse 81 der Wellenausbrei­ tung eine Querschnittsverjüngung 9 auf, die vorteilhafter­ weise bewirkt, daß innerhalb des Überlappungsbereichs 6 ein Übergang von Phasenfehlanpassung zu Phasenanpassung zwischen den beiden Wellenleitern 3 und 4 stattfindet. Bei Phasen­ fehlanpassung sind insbesondere die Phasengeschwindigkeiten der in den beiden Wellenleitern 3 und 4 jeweils laufenden Wellen gleich groß, wodurch die Überkopplung von optischer Leistung zwischen den Wellenleitern 3 und 4 vorteilhafter­ weise besonders effizient ist.

Es werden nun die in den Figuren dargestellten Ausführungs­ beispiele näher beschrieben.

Beim ersten Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 bis 3 liegt die zur Achse 31 bzw. 41 der Wellenausbreitung senk­ rechte Schnittlinie III-III des in Fig. 1 dargestellten Querschnitts durch den Überlappungsbereich 6 im Bereich, wo die optische Welle oder das optische Feld im Wellenleiter 3 und Wellenleiter 4 geführt wird.

Nach Fig. 1 besteht Wellenleiter 3 aus den Mantelschichten 32 und 7 und der zwischen diesen Mantelschichten 32 und 7 angeordneten Kernschicht 30 und ist als Rippen- oder Steg­ wellenleiter ausgebildet. Seine Rippe 8 ist auf der von der Oberfläche 20 des Substrats 2 abgekehrten Flachseite 301 der Kernschicht 30 angeordnet und ragt von der die Kernschicht 30 auf dieser Flachseite 301 bedeckenden Mantelschicht 32 nach oben, die wie die Mantelschicht 7 eine relativ zu die­ ser Kernschicht 30 kleinere Brechzahl aufweist.

Der Wellenleiter 4 besteht aus den Mantelschichten 7 und 42 und der zwischen diesen Mantelschichten 7 und 42 angeordne­ ten Kernschicht 40, hat also die Mantelschicht 7 mit dem Wellenleiter 3 gemeinsam, und ist als ein vergrabener Rip­ penwellenleiter ausgebildet. Seine Rippe 8 ist auf der von der Oberfläche 20 des Substrats 2 abgekehrten Flachseite 401 der Kernschicht 40 als Teil dieser Kernschicht 40 ausgebil­ det und ragt nach oben in die Mantelschicht 7. Die Mantel­ schicht 42, die wie die die Kernschichten 30 und 40 vonein­ ander trennende Mantelschicht 7 eine relativ zu dieser Kern­ schicht 40 kleinere Brechzahl aufweist, ist beispielsweise auf der Oberfläche 20 des Substrats 2 aufgebracht.

Bei diesem Beispiel enthält die Kernschicht 30 des Wellen­ leiters 3 zumindest einen Mischkristall aus InGaAsP, wobei der mittlere Brechungsindex der Kernschicht 30 bei einer Wel­ lenlänge λ von 1,55 µm gleich 3,46 ist und die Kernschicht 3 beispielsweise eine Dicke d3 von 0,175 µm aufweist.

Die Kernschicht 40 des Wellenleiters 4 weist eine Dicke d4 von 0,1 µm außerhalb der Rippe 8 und von 0,125 µm im Bereich der Rippe 8 auf, enthält einen Mischkristall aus InGaAsP mit einer Bandkantenwellenlänge von 1,46 µm und weist einen mittleren optischen Brechungsindex bei der Wellenlänge λ von 1,55 µm von 3,46 auf. Die Rippe 8 des Wellenleiters 4 hat eine Breite W = 4 µm.

Die Mantelschicht 32 des Wellenleiters 3 besteht aus p-dotiertem InP mit einer Dicke d32 von 75 nm außerhalb der Rippe 8 dieses Wellenleiters 3 und von 2 µm im Bereich die­ ser Rippe, die Teil dieser Mantelschicht 32 ist. Die beiden Wellenleitern 3 und 4 gemeinsame Mantelschicht 7 besteht aus n-dotiertem InP und weist eine Dicke d34 von 1,3 µm auf und die die Mantelschicht 42 des Wellenleiters 4 besteht aus n-dotiertem InP.

Die Rippe 8 des Wellenleiters 3 weist eine Deckschicht 81 aus dem p-dotierten ternären Mischkristall InGaAs auf und ist nicht für die Funktion der Koppeleinrichtung erforder­ lich, sondern soll bei Bedarf z. B. die Injektion optischer Träger für Laserbetrieb ermöglichen. In diesem Fall kann die Kernschicht 30 des Wellenleiters 3 eine Multi-Quantum-Well-Schicht (MQW-Schicht) enthalten.

Die beispielhafte Koppeleinrichtung 1 nach Fig. 1 ist für eine Betriebswellenlänge von 1,55 µm ausgelegt. Da der Wel­ lenleiter 3 ist ein Rippenwellenleiter ist, kann er wie eine MCRW-Laserdiode ausgebildet sein, d. h. eine Doppelhetero­ struktur mit p bzw. n-dotierten Mantelschichten aufweisen, als Kernschicht 30 eine verspannte MQW-Schicht aufweisen, ein in Fig. 2 durch Gitterlinien 820 angedeutetes Distribu­ ted-Feedback-Gitter (DFB-Gitter) 82 aufweisen, und mit die­ lektrischen Deckschichten und Kontakten zur Strominjektion versehen sein. Zusätzlich zur MCRW Laserdiode ist jedoch durch das Einfügen der anderen Kernschicht 4 ein weiterer Wellenleiter 4 integriert. Durch die Verschmälerung der Breite W der Rippe 8 des Wellenleiters 3 von etwa 2 µm wie bei der MCRW Laserdiode auf etwa 1 µm gemäß wird Licht in vertikaler Richtung, hier nach unten, auskoppelt. Das DFB-Gitter 82 ist für die Funktion der Koppelanordnung 1 nicht erforderlich, sondern soll bei Bedarf die Frequenzselektion z. B. in einer Laserdiode ermöglichen.

Die Schnittlinien I-I bis VII-VII in Fig. 3 kennzeichnen verschiedene Bereiche, wobei im wesentlichen nur die zwi­ schen den Schnittlinien II-II, III-III und IV-IV liegenden Bereiche für die Überkopplung vom Wellenleiter 3 in den Wel­ lenleiter 4 erforderlich sind.

Der Bereich zwischen den Schnittlinien I-I und II-II ist der ungestörte Rippenwellenleiter 3, d. h. in diesem Bereich ist unter dem Wellenleiter 3 kein weiterer Wellenleiter vorhan­ den. Die Bereiche zwischen den Schnittlinien V-V, VI-VI und VII-VII liegen am Ende der Koppeleinrichtung, wenn die Rippe 8 des Wellenleiters 3 entfernt ist, wenn die Kernschicht 40 freigelegt ist bzw. wenn nur der untere vergrabene Rippen­ wellenleiter 4 vorhanden ist. Die Bereiche zwischen den Schnittlinien V-V, VI-VI und VII-VII beschreiben deshalb den Übergang vom gestörten zum ungestörten Rippenwellenleiter 4, der im Bereich rechts der Schnittlinie VII-VII liegt. Der un­ gestörte Rippenwellenleiter 4 ist ein Rippenwellenleiter oh­ ne darüber liegendem Wellenleiter.

Die in den Fig. 4a bis 4f dargestellten und jeweils längs der Schnittlinien I-I bis V-V und VII-VII genommenen Quer­ schnitte durch das Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 bis 3 zeigen optische Intensitätsverteilungen 91 bis 96 in diesen Querschnitten, wobei nur ein Querschnitt durch die Schnittlinie VI-VI in Fig. 3 nicht gezeigt ist.

Bei den Fig. 4a bis 4f ist angenommen, daß die Breite W der Rippe 8 des Rippenwellenleiters 3 in den Bereichen zwi­ schen den Schnittlinien I-I und III-III gleich W = 2,25 µm, im Bereich zwischen den Schnittlinien III-III und IV-IV gleich W = 1,25 µm und im Bereich zwischen den Schnittlinien IV-IV und V-V gleich W = 0,75 µm beträgt. Gezeigt sind für den optischen Grundmodus der Koppeleinrichtung 1 die Linien 901 konstanter Intensität in Schritten von 1 dB.

Es ist zu erkennen, daß in der Richtung r das optische Feld vom Wellenleiter 3 in den Wellenleiter 4 übergeführt wird.

Anhand der Fig. 4a bis 4f sei das wichtige konstruktive Merkmale erläutert, daß der ungestörte Wellenleiter 4 im Be­ reich zwischen I-I und II-II und der ungestörte Wellenleiter 4 im Bereich rechts von VII-VII einen gewissen Unterschied der optischen effektiven Brechungsindizes aufweisen muß, d. h. in der Koppelzone im Bereich zwischen III-III und IV-IV im Überlappungsbereich 6 muß ein asymmetrischer optischer Koppler vorliegen. Der Wellenleiter 4 im Bereich zwischen I-I und II-II hat einen effektiven optischen Brechungsindex n_eff = 3,2. Auch durch Einfügen der Kernschicht 40 des Wellen­ leiters 4 im Überlappungsbereich 6 ändert sich daran wenig. Der Wellenleiter 4 rechts von VII-VII hat einen effektiven optischen Brechungsindex n_eff = 3,19. Auch durch Einfügen der Kernschicht 30 des oberen Wellenleiters 3 im Überlappungsbe­ reich 6 ändert sich daran wenig. Wird die Breite W der Rippe 8 des oberen Wellenleiters 3 verringert, so verringert sich der effektive Brechungsindex dieses Wellenleiters 3. Wird dieser effektive Index ungefähr gleich dem oder kleiner als der effektive Brechungsindex des unteren Wellenleiter 4, so wird die optische Leistung in den unteren Wellenleiter 4 übergekoppelt. Erfolgt diese Verringerung der Breite W der Rippe 8 des Wellenleiters 3 über eine genügend lange Strec­ ke, so ist dieser Leistungsübergang adiabatisch, d. h. im Idealfall ohne Abstrahlverluste. Bei der beschriebenen Di­ mensionierung der Koppeleinrichtung 1 ist eine Strecke L < 125 µm erforderlich, um die Abstrahlverluste gering zu halten.

Eine Koppeleinrichtung 1 mit Eignung für eine Laserdiode mit Rippenwellenleiter erfordert einen Unterschied zwischen den effektiven Brechungsindizes bzw. Brechzahlen der ungestörten Wellenleiter 3, 4 von etwa 0.01 oder größer. Bestimmte Werte für den effektiven Brechungsindex einzuhalten ist eine ge­ wohnte Forderung für den Hersteller von DFB-Lasern, da eine Bandbreite für den effektiven Brechungsindex von ±0.001 er­ forderlich ist, um die Emissionswellenlänge im Bereich von ±1.6 nm (Abstand zweier Wellenlängenmultiplexkanäle) zu hal­ ten.

Der Aufbau und die Designregeln des vertikalen Koppler sind nun ausführlich beschrieben.

Es werden nun Strukturvarianten und Anwendungen der erfin­ dungsgemäßen Koppeleinrichtung 1 beschrieben.

Die in den Fig. 5 und 6 dargestellte Hochleistungs-Laser­ diode 50 weist eine Entspiegelungsschicht 51 und eine erfindungsgemäße Koppeleinrichtung 1 auf der Lichtaustritts­ seite und Verspiegelungsschichten 52 auf der Rückseite auf und auf einem Substrat 2 aus n-dotiertem GaAs ausgebildet Die Kernschicht 30 des Wellenleiters 3 ist eine laseraktive MQW-Schicht aus AlGaAs/GaAs, die zur Ausformung der Doppel­ heterostruktur von p-dotiertem AlGaAs und n-dotiertem AlGaAs vom Typ 1 umgeben ist. In die untere n-dotierte Schicht aus AlGaAs vom Typ 1 ist als untere Kernschichtschicht 40 eine weitere n-dotierte Schicht aus AlGaAs vom Typ 2 eingebettet, die einen niedrigeren Al-Gehalt als die umgebende Schicht aus AlGaAs aufweist. Die umgebende Schicht aus AlGaAs bildet zwischen den Kernschichten 30 und 40 die Mantelschicht 7 und zwischen der Kernschicht 40 und der Oberfläche 20 des Substrats 2 die Mantelschicht 42. Der Überlappungsbereich 6 der Kernschichten 30 und 40 erstreckt sich über die ganze Länge der Laserdiode in Richtung der Achse 31 bzw. 41 der Wellenausbreitung. Mit 53 ist ein Anschlußkontakt bezeich­ net.

Auf der Lichtaustrittsseite ist erfindungsgemäß mit Hilfe der erfindungsgemäßen Koppeleinrichtung 1 eine Fensterstruk­ tur angebracht, die das optische Feld in den unteren Wellen­ leiter 4 drängt. Die optische Leistungsdichte am Ende der optisch verstärkenden oberen Kernschicht 30 wird dadurch stark reduziert und eine übermäßige Erwärmung durch Absorp­ tion am Ende der oberen Kernschicht 30 vermieden. Wie in der Literaur hinreichend beschrieben ist, sind für die Vollen­ dung des Hochleistungslasers natürlich noch dielektrische Isolationsschichten und Kontakte erforderlich und Verspiege­ lungsschichten auf der Leiter der Laserdiode sinnvoll, die der Lichtaustrittsseite gegenüberliegt.

Bei der in den Fig. 7 und 8 dargestellten Distribu­ ted-Bragg-Reflector-Laserdiode (DBR-Lasrdiode) 60 ist auf beiden Abstrahlseiten der Diode 60 je eine erfindungsgemäße Kop­ pelanordnung 1 vorgesehen. Die Gitterlinien 601 symbolisie­ ren ein verteiltes Gitter 61, ähnlich wie in Fig. 2. Die beiden Reflektoren 63 und 64 sind über die Koppeleinrichtun­ gen 1 an die elektrisch gepumpte laseraktive Kernschicht 30 angeschlossen. Die Kernschicht 40 des unteren Wellenleiters 40 ist wie bim Beispiel nach den Fig. 1 bis 3 als dünne Schicht ausgeführt, um planare Strukturierungstechniken ein­ setzen zu können. Diese Kernschicht 40 trägt das Bragg-Git­ ter 61.

Die DBR-Diode 60 ist auf der Oberfläche 20 eines Substrats 2 aus n-dotiertem InP ausgebildet, ihre Kernschicht 40 besteht aus InGaAsP, ihre Kernschicht 30 ist eine MQW-Schicht und ihre Mantelschicht 7 und Mantelschicht 32 mit Rippe 8 be­ stehen aus InP, wobei die Mantelschicht und Rippe 8 p-dotiert sind.

Bei der in den Fig. 9 und 10 dargestellten Hintereinan­ derschaltung zweier optischer Bauelemente mit jeweils einem Rippenwellenleiter 3, speziell einer DFB-Laserdiode und ei­ nes Modulators, und unter Verwendung der erfindungsgemäßen Koppelanordnungen 1 ist die Diode mit 70 und der Modulator mit 90 bezeichnet. Die Gitterlinien 701 im Bereich der Rippe 8 des Rippenwellenleiters 3 der Diode 70 symbolisieren ein DFB-Gitter 71 ähnlich wie in Fig. 2. Der Rippenwellenleiter 3 mit Rippe 8 des Modulators 90 ist ähnlich aufgebaut wie der Rippenwellenleiter 3 der Diode 70, enthält jedoch eine andere Kernschicht 30, z. B. eine MQW-Schicht zur Realisie­ rung eines Elektroabsorptionsmodulators.

Während bei der Diode 70 die im Wellenleiter 3 geführte op­ tische Welle nach unten in den Wellenleiter 4 überkoppelt, wird beim Modulator 90 die im Wellenleiter 4 zugeführte op­ tische Welle nach oben in den Wellenleiter 3 gekoppelt.

Die Bauelemente 70 und 90 sind auf einem gemeinsamen n-dotierten InP Substrat 2 angeordnet. Die Kernschicht 40 des untere Wellenleiters 4 besteht aus InGaAsP und ist wie in Fig. 1 als dünne Schicht ausgeführt, um planare Strukturie­ rungstechniken einsetzen zu können. Die Kernschichten 30 sind MQW-Schichten. Die Mantelschicht 7 und Mantelschichten 32 mit Rippe 8 bestehen aus p-dotiertem InP. Die Kernschich­ ten 30 und 40 und die p-dotierten Teile sind als elektrisch isolierte Inseln realisiert. Diese Form der elektrischen Isolation wird vorteilhafterweise durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Koppelanordnungen 1 ermöglicht. Für die Vollendung des Modulators 90 sind noch dielektrische Isola­ tionsschichten und Kontakte erforderlich, die in Literaur hinreichend beschrieben sind.

Durch die Verwendung erfindungsgemäßer Koppelanordnungen 1 können vorteilhafterweise auch kompliziertere optische Schaltungen mit mehreren Bauelementen realisiert werden. Die optischen Verbindungen sind in einer gemeinsam unter den Bauelementen liegenden Ebene angeordnet, die deshalb in Ana­ logie zur Sprachregelung im Gerätebau als optische Rückwand bezeichnet werden kann.

Der in Fig. 11 dargestellte bidirektionale Baustein besteht aus einer Laserdiode 110 für beispielsweise 1,5 µm Wellen­ länge, einem Gitterkoppler 120 für 1,5 µm Wellenlänge und Photodioden 130. Der Gitterkoppler 120 ist durch eine nicht näher dargestellte erfindungsgemäße Koppelanordnung an die Laserdiode 110 gekoppelt und im unteren Wellenleiter 4 die­ ser Koppelanordnung angeordnet. Auch die Photodioden 130 sind durch erfindungsgemäße Koppelanordnungen an den Gitter­ koppler 120 gekoppelt. Das eingehende Licht hat z. B. 1,3 µm Wellenlänge, das von der Diode 110 ausgesandte Licht hat 1,5 µm Wellenlänge.

Der Baustein nach Fig. 11 ist eine optische Schaltung mit optischer Rückwand, die auch einen planaren Koppler und ge­ krümmte Wellenleiter enthält. In Abb. 11 wird die opti­ sche Rückwand nicht nur zur Verbindung von Bauelementen be­ nutzt, sondern es sind auch andere Bauelemente in die Rück­ wand mit einbezogen.

Die in Fig. 12 im Querschnitt dargestellte Koppelanordnung 1 ist für polarisationsunabhängige Funktion Überlappungsbe­ reich 6, genaugenommen im Bereich, wo das optische Feld im oberen Wellenleiter 3 und unteren Wellenleiter 4 geführt wird, ausgelegt. Der obere Wellenleiter 3 ist ein Rippenwel­ lenleiter wie in Fig. 1. Der untere Wellenleiter 4 ist ein vergrabener Rippenwellenleiter bei dem im Gegensatz zu Fig. 1 die Kernschicht 40 des unteren Wellenleiters 4 dicker und mit einem Mischkristall aus InGaAsP mit niedrigerem Brechungsindex ausgeführt. Die Dicke d4 der Kernschicht 40 beträgt beispielsweise d4 = 0,6 µm im Bereich der Rippe 8 und 0,5 µm außerhalb. Die Bandkantenwellenlänge des Misch­ kristalls aus InGaAsP beträgt beispielsweise 1,05 µm. Die beiden Wellenleitern 3 und gemeinsame Mantelschicht 7 aus n-dotiertem InP ist etwas dünner als in Fig. 1 und weist beispielsweise eine Dicke d34 von 1,1 µm auf. Die Intensi­ tätsverteilung ist ebenfalls gezeigt und mit 200 bezeichnet.

Bei der Koppelanordnung 1 nach Fig. 12 ist der untere Wel­ lenleiter 4 ein polarisationsunabhängiger Wellenleiter. Da seine Kernschicht 40 dicker und sein Brechungsindex niedri­ ger ist, sind bei gleichem Füllfaktor die Wellenleitereigen­ schaften Index und Absorption weniger abhängig von der Pola­ risation des optischen Feldes. Es können dann Filter, Lei­ stungsteiler usw. in der unteren Wellenleiterebene reali­ siert werden. Hat das optische Feld im unteren Wellenleiter 4 einen größeren Felddurchmesser in vertikaler Richtung oder ist die -3 dB-Linie konstanter Intensität weniger ellip­ tisch als im oberen Wellenleiter, d. h. mehr kreisförmig, so wird durch Überkoppeln in den unteren Wellenleiter 4 die An­ kopplung an einen Lichtleitfaser verbessert, d. h. es ist ein Modentransformator oder Taper realisiert. Werden Kontakte auf dem unteren Wellenleiter 4 realisiert, so läßt sich dort z. B. ein Phasenmodulator für ein Mach-Zehnder-Interferometer realisieren.

Bei der in Fig. 13 im Querschnitt dargestellten Kop­ pelanordnung 1 ist der Querschnitt im Bereich genommen, wo das optische Feld im oberen Wellenleiter 3 und unteren Wel­ lenleiter 4 geführt wird. Der obere Wellenleiter 3 ist ein Buried-Heterostructure-Wellenleiter (BH-Wellenleiter), der untere Wellenleiter 4 enthält zwei Kernschichten 40 und 41, von denen eine, beispielsweise die Kernschicht 40 eine Rippe 8 aufweist so daß der Wellenleiter 4 ein vergrabener Rippen­ wellenleiter ist. Die Breite W der Rippe 8 der Kernschicht 40 beträgt beispielsweise W = 2,6 µm. Die Kernschicht 30 des oberen Wellenleiters 3 enthält einen Mischkristall aus In- GaAsP. Die Dicke d3 dieser Kernschicht 30 beträgt z. B. 0,4 µm, der mittlere Brechungsindex dieser Kernschicht 3 bei 1,55 µm Wellenlänge beträgt beispielsweise 3,52. Die Kern­ schichten 40 und 41 des unteren Wellenleiters 4 enthalten einen Mischkristall aus InGaAsP. Die Dicke d41 der Kern­ schicht 41 beträgt beispielsweise 0,55 µm, die Dicke d4 der Kernschicht 40 im Bereich der Rippe 8 beispielsweise 0,6 µm und beispielsweise 0,5 µm außerhalb. Der Mischkristall aus InGaAsP weist beispielsweise eine Bandkantenwellenlänge von 1,05 µm auf. Der mittlere optische Brechungsindex der Kern­ schichten 41 und 40 ist bei 1,55 µm Wellenlänge gleich 3,25. Die obere Mantelschicht 32 besteht aus p-dotiertem InP und weist eine Dicke d32 von beispielsweise 2 µm auf, die beiden Wellenleitern 3 und 4 gemeinsame Mantelschicht 7 und die Mantelschicht 414 zwischen den Kernschichten 41 und 40 des unteren Wellenleiters 4 bestehen aus n-dotiertem InP. Die Dicke d414 der Mantelschicht 414 ist wie die Dicke d34 der Mantelschicht 7 beispielsweise gleich 1,1 µm und unter der Kernschicht 40 liegende Mantelschichten besteht ebenfalls aus n-dotiertem InP.

Die Koppelanordnung 1 nach Fig. 13 ist für eine Betriebs­ wellenlänge von 1,5 µm ausgelegt ist. Da der obere Wellen­ leiter 4 ist ein BH-Wellenleiter ist, kann er wie eine BH-Laserdiode ausgebildet sein, d. h. eine Doppelheterostruktur mit p bzw. n-dotierten Mantelschichten 32 mund 7 aufweisen, als Kernschicht 3 eine InGaAsP Schicht der Bandkantenwellen­ länge 1,5 µm aufweisen, und mit dielektrischen Deckschichten und Kontakten zur Strominjektion versehen sein. Zusätzlich zur BH-Laserdiode ist jedoch durch das Einfügen einer zwei­ er weiterer Kernschichten 41 und 40 ein unterer Wellenleiter 4 integriert. Durch die Verschmälerung der Breite b der Kernschicht 3 des oberen Wellenleiters 4 von etwa 1 µm auf etwa < 0,3 µm wird Licht nach unten in Richtung zum Wellenlei­ ter 4 auskoppelt.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 14 unterscheidet sich vom Beispiel nach den Fig. 1 bis 3 im Wesentlichen nur da­ durch, daß der Wellenleiter 4 ein Rippenwellenleiter mit ei­ ner Rippe 8 ist, die von der Mantelschicht 7 ragt, und daß der Wellenleiter 3 mit seiner Kernschicht 3 in der Rippe 8 des Wellenleiters 4 ausgebildet ist.

Literaturstellen:

[1] N. J. Frigo, P. O. Iannone, P. D. Magill, T. E. Darcie, M. M. Downs, B. N. Desai, U. Koren, T. L. Koch, C. Dragone, H. M. Presby, and G. E. Bodeep (ATdT): "WDM PON with cost shared components", IEEE Photonics Technol. Lett. Vol. PTL-6 (1994) p. 1365.

[2] U. Koren, B. I. Miller, M. G. Young, M. Chien, G. Raybon, T. Brenner, R. Ben-Michael, K. Dreyer and R. J. Capik (Lucent Technologies): "Polarisation insensitive semiconductor optical amplifier with integrated electroabsorption modulators", Electron. Lett. Vol. 32 (1996) p. 111-112.

[3] M. Aoki, M. Suzuki, H. Sano, S. Sasaki, T. Kawano, H. Kodera (Hitachi): "Monolithic integration of DFB lasers and electroabsorption modulators using in-plane quantum energy control of MQW structures", Int. J. of High Speed Electronics and Systems, vol. 5 (1994) no. 1 pp. 67-90.

[4] D. Wake: "A 1550-nm millimeter-wave photodetector with a bandwidth-efficiency product of 2.4 Thz", J. Lightwave Tech­ nol., vol. 10 (1992) no. 7, pp. 908-912.

[5] A. Ramdane, A. Ougazzaden, F. Devaux, F. Delorme, M. Schneider, J. Landreau (CNET): "Very simple approach for high performance DFB laser-electroabsorption modulator mono­ lithic integration", Electronics Letters vol. 30 (1994) no. 23, pp. 1980-1981.

[6] A. Ramdane, P. Kauz, E. V. K. Roa, A. Hamoudi, A. Ou­ gazzaden, D. Robein, A. Gloukhain, M. Carre: "Monolithic in­ tegration of InGaAsP-InP strained-layer distributed feedback laser and external modulator by selective quantum-well in­ terdiffusion", IEEE Photonics Technology Letters vol. 7 (1995) no. 9, pp. 1016-1018.

[7] G. Müller, B. Stegmüller, H. Westermeier, G. Wenger: "Tapered InP/InGaAsP waveguide structure for efficient fi­ ber-chip coupling", Electron. Lett. vol. 27 (1991) no. 20, pp. 1836-1837.

[8] G. Wenger, G. Müller, B. Sauer, D. Seeberger, M. Hons­ berg.: "Highly efficient multi-chip coupling with large alignement tolerances by integrated InGaAsP/InP spot-size transformers", ECOC′92, Berlin, pp. 927-930.

[9] R. N. Thurston, E. Kapon, A. Shahar (Bellcore): "Two­ dimensional control of mode size in optical channel wavegui­ des by lateral channel tapering", Optics Letters vol. 16 (1991) no. 5, pp. 306-308.

[10] J. G. Bauer, M. Schier, G. Ebbinghaus, N. Emeis: "High responsivity tapered waveguide PIN photodiode", Proc. 19th Europ. Conf. Opt. Commun. (ECOC′93) vol. 2, Montreux, Sept. 12-16, 1993, paper Tu 28 (p. 277).

[11] R. E. Smith, C. T. Sullivan, G. A. Vawter, G. R. Hadley, J. R. Wendt, M. B. Snipes, J. F. Klem: "Reduced coupling loss using a tapered-rib adiabatic-following fiber coupler", IEEE Photon. Technol. Lett. vol. 8 (1996) no. 8, pp. 1052-1054.

Claims (11)

1. Koppelanordnung zum Aneinanderkoppeln zumindest zweier optischen Wellenleiter (3, 4), deren jeder je zumindest eine Kernschicht (30, 40) zum Führen einer optischen Welle einer bestimmten Wellenlänge (λ) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Kernschichten (30, 40) beider Wellenleiter (3, 4)
• - im wesentlichen parallel zueinander in einem zu den Schichten (30, 40) vertikalen Abstand (d34) voneinander angeordnet sind, der mindestens gleich der halben Wel­ lenlänge (λ) einer in einer Kernschicht (30, 40) geführ­ ten Welle ist,
• - in einem Überlappungsbereich (6) einander überlappen,
• - im Überlappungsbereich (6) durch eine Mantelschicht (7) mit relativ zu den Kernschichten (30, 40) kleinerer Brechzahl voneinander getrennt sind und
• - durch die Mantelschicht (7) eine in der Kernschicht (30, 40) eines Wellenleiters (3, 4) in den Überlappungs­ bereich (6) geführte optische Welle in die Kernschicht (40, 30) des anderen Wellenleiters (4, 3) überkoppelbar ist,
• - zumindest einer der beiden Wellenleiter (3, 4) ein Rippen­ wellenleiter ist, bei dem
• - auf zumindest einer Flachseite (301, 401) der Kern­ schicht (30, 40) dieses Wellenleiters (3, 4) eine Rippe (8) ausgebildet ist,
• - die entlang einer zu dieser Kernschicht (30, 40) pa­ rallelen und die Richtung einer Achse (31, 41) der Aus­ breitung einer in dieser Kernschicht (30, 40) geführten optischen Welle festlegenden Längsachse (80) verläuft,

und

• - im Überlappungsbereich (6) der Rippenwellenleiter (30, 40) und/oder andere Wellenleiter (40, 30) in einer bestimmten Richtung (r) der Längsachse (80) der Rippe (8) eine Quer­ schnittsverjüngung (9) aufweist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Rippe (8) eines Rippenwellenleiters (3, 4) im Überlappungsbereich (6) in der bestimmten Richtung (r) eine Querschnittsverjüngung (9) aufweist und im Überlappungsbe­ reich (6) endet.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß in der Rippe (8) des Rippenwellenleiters (4, 3) der andere Wellenleiter (3, 4) ausgebildet ist.

4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß ein Wellenleiter (3, 4) einen Halbleiterlaser (50, 60, 70) aufweist.

5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß ein Wellenleiter (3, 4) einen optischen Modulator (90) aufweist.

6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß ein Wellenleiter (3, 4) einen Modentransformator aufweist.

7. Anordnung nach einem der Vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß ein Wellenleiter (3, 4) ein Braggitter (61) aufweist.

8. Anordnung nach nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wellenleiter (3, 4) einen gekrümmten Verlauf aufweist.

9. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß ein Wellenleiter (3, 4) ein optisches Filter aufweist.

10. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß ein Wellenleiter (3, 4) einen optischen Leistungsteiler aufweist.