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Optische integrierte Schaltung mit einem Wellen-
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leiter mit Mehrfach-Heteroübergang und Verfahren zu deren Herstellung
Die Erfindung betrifft eie optische integrierte Schaltung mit einem Wellenleiter
mit Mehrfach-Heteroübergang bzw.
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-aufbau und ein Verfahren zu deren Herstellung; bei der optischen,
integrierten Schaltung sind verschiedene Funktionsschaltungen auf einem Wafer oder
Plättchen aufgebracht, indem Dünnschichtelemente über Hichtungskoppler an einen
Wellenleiter gekoppelt sind.
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Im folgenden wird zuerst die Beziehung zwischen bekannten
aktiven
und passiven, optischen Elementen und einem Wellenleiter beschrieben. Hierzu wird
die Beziehung zwischen einem Halbleiterlaser und einem Wellenleiter erläutert.
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In einem herkömmlichen Halbleiterlaser ist ein Reflektor an jedem
Ende eines Lasermediums angebracht, so daß der Halbleiterlaser als Resonator arbeiten
kann. Es ist jedoch sehr schwierig gewesen, einen Wellenleiter an dem Resonator
anzubringen, da ein Teil des Laserlichts über den Reflektor abgeleitet wird.
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Es ist auch vorgeschlagen wrden, einen Richtungskoppler zu verwenden,
um einen Wellenleiter an einen Halbleiterlaser in Form eines Ringresonators anzukoppeln.
Die Anbringung des Wellenleiters ist jedoch nach wie vor schwierig da ein Teil des
Laserlichts abgeleitet wird. Darüber hinaus können sie nicht in Form einer integrierten
Schaltung hergestellt werden. Es ist daher auch vorgeschlagen worden, einen Verteilerreflektor
zu verwenden, welcher an einem Teil eines Dünnschicht-Halbleiterlasers angebracht
ist und mit einem Wellenleiter eine Einheit bildet.
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Jedoch ist der Übertragungsverluat bzw. die -dämpfung in dem Wellenleiter
bei der Wellenlänge des Laserlichts sehr groß, da der Dünnschichtwellenleiter dieselbe
Zusammensetzung wie das Halbleiterlasermedium hat. Ferner ist es auch nachteilig,
daß das Ausgangslicht divergiert, da die Dicke des Dünnschichtlasermediums sehr
dünn ausgebildet ist, um den Schwellenwertstrom bei der Schwingung zu vermindern.
Um ihn bzw. es mit anderen optischen Elementen integriert aufzubauen, sind ferner
einzeln
hergestellte optische Elemente erforderlich. Darüber hinaus
wird der Kopplungsverlust geschaffen, wenn die optischen Elemente aneinander gekoppelt
werden, und die Lebensdauer ist kurz, da die Kristalle über dem Verteilerreflektor
aufgewachsen werden, nachdem dieser fertiggestellt ist.
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Die Erfindung soll daher eine optische integrierte Schaltung mit einem
Wellenleiter mit Mehrfach-Heteroübergang oder -aufbau schaffen, in welcher Dünnschichtelemente,
wie ein Halbleiterlaser, über einen Richtungskoppler an einen Wellenleiter gekoppelt
sind, welcher einen minimalen Ubertragungsverlust bzw.
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eine minimale -dämpfung aufweist. Ferner soll gemäß der Erfindung
eine optische, integrierte Schaltung mit einem Mehrfach-Hetereoaufbau geschaffen
werden, in welcher Mesa-Dünnschichtelemente zusammen mit einem Wellenleiter mit
Mehrfach-Hetereoübergang bzw. -aufbau als Einheit ausgebildet und an diesen über
einen Richtungskoppler angekoppelt sind, so daß Laser-Oszillatoren, -Modulatoren,
-Verstärker, -Detektoren oder -Demodulatoren, -Raummodulatoren uä. gleichzeitig
durch Aufwachsen von Kristallen hergestellt und ausgebildet werden können.
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Darüber hinaus soll eine optische, integrierte Schaltung mit einem
Wellenleiter mit Mehrfach-Heteroübergang oder -aufbau geschaffen werden, wobei Eingangs-
und Ausgangsschaltungen mit einer Schwingungs- bzw. Modeumwandlung, wie Dünnschichtlinsen,
welche nicht unmittelbar mit der Lebensdauer von Dünnsichtelementen in Beziehung
zu setzen sind, in Form einer integrierten
Schaltung hergestellt
werden, so daß die optische1 integrierte Schaltung im Vergleich zu den bekannten
optischen, integrierten Schaltungen kompakter und leistungsstärker bei minimalem
Verlust hergestellt werden kann.
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Gemäß der Erfindung ist dies bei einer optischen, integrierten Schaltung
mit einem WeLlenleiter mit Mehrfach-Heteroübergang oder -aufbau erreicht, bei welchem
ein Hesa-Dünnschicht-Oszillator aus aktiven und/oder passiven optischen Elementen
mit einem Wellenleiter als Einheit ausgebildet ist, in welchem der Übertragungsverlust
bzw. die -dämpfung bei der Wellenlänge des zu übertragecden Laserlichts kleiner
ist, und an diesen über einen Richtungskoppler angekoppelt ist.
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Gemäß der Erfindung ist sorbit eine optische1 integrierte Schaltung
mit einem Wellenleiter mit Mehrfach-Heteroübergang geschaffen, bei welcher ein Dünnschichtelement,
wie, ein Halbleiterlaser, über einen Hichtungskoppler mit einem geringen Ubertragungsverlust
bzw. kleiner -dämpfung an einen Wellenleiter angekoppelt ist.
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Nachstehend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen
unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnurgen im einzelnen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 bis 3 schematische Darstellungen zur Erläuterung bekannter lialbleiterlaser,
bei welchen Wellenleiter verwendet
sind; Fig.4 eine perspektivische
Darstellung einer ersten Ausführungsform der Erfindung; Fig.5 eine Darstellung,
in welcher die Beziehung zwischen den Brechungsindizes der Schichten der in Fig.4
dargestellten Einrichtung wiedergegeben sind; Fig.6 eine schematische Darstellung
der in Fig.4 dargestellten Einrichtung; Fig.7 und 8 Darstellungen zur Erläuterung
der Arbeitsweise der in Fig.4 dargestellten Einrichtung; Fig.9(a) und (b) Darstellungen
zur Erläuterung der Beziehung zwischen den Übertragungs- bzw. Fortpflanzungskon
stanten und den Wellenformen; Fig. 10 die einzelnen Schritte zur herstellung der
in Fig.4 dargestellten Einrichtung; und Fig. 11 bis 22 schematische Darstellungen
der zweiten bis zehnten Ausführungsform der Erfindung.
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in Fig.1 ist schematisch eine Atrsfiihrungsform von bekannten Laserausgangsschaltungen
dargesteLlt. Ein Koppler 4 eines WelLenleiters
3 aus dielektrischem
Material ist unter einem Halbleiterlaser 1 mit reflektierenden Enden 2 angeordnet,
so daß ein Teil des in dem Laser 1 erzeugten Laserlichts an den Wellenleiter 3 übertragen
werden kann. Jedoch ist die Anbringung des teilweise gekrümmt ausgebildeten Wellenleiters
schwierig.
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Bei einer weiteren1 in Fig.2 dargestellten, bekannten Anordnung wird
ein Teil des Laserstrahls, welcher durch einen Halbleiterlaser la in Form eines
Ringresonators erzeugt wird, über einen Richtungskoppler 3a abgeleitet; jedoch die
Anbringung des verlustarmen Wellenleiters ist auch hier schwierig, da eine höher
entwickelte Fertigungstechnik erforderlich ist.
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Bei einer weiteren bekannten, in Fig.3 dargestellten Anordnung ist
ein Verteilerreflektor 3b an einem Teil eines Dünnschicht-Halbleiterlasers 1 angebracht;
der Verlust bei der Wellenlänge des Laserlichts ist jedoch groß, da der Wellenleiter
eine Dünnschicht mit derselben Zusammensetzung wie der des Lasers aufweist. Ferner
ist der Dünnschichtlaser sehr dünn ausgebildet, um den Schwingungs-Schwellenwertstrom
zu verringern, was zu dem Nachteil führt, daß das Licht am Ausgang divergiert. Weiterhin
ist nachteilig, daß um ihn mit anderen optischen Elementen aufzubauen, einzeln hergestellte
optische Elemente erforderlich sind. Obendrein ist es nachteilig, daß ein Kopplungsverlust
zwischen den Lichtelementen geschaffen wird. Auch muß der Kristall über dem Verteilerreflektor
3b aufgewachsen werden, nachdem dieser hergestellt worden ist, so daß sich Schwierigkeiten
aufgrund
der kurzen Lebens- bzw. Betriebsdauer ergeben.
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In Fig.4 ist die erste Ausführungcform gemäß der Erfindung dargestellt,
welche einen Oszillator 10 und einen Wellenleiter 20 aufweist. Der Oszillator 10
besteht aus einer GaAs-Schicht 11 einer Al Ga As-Schicht 12, einer aktiven Schicht
13 aus z 1-z Al Ga xAs, einer ersten Elektrode 14 und reflektierenden, x spiegelnden
Enden 16 und 16a mit transparenten Isolierschichten 15 und 15a zwischen den spiegelnden
Enden 16 und 16a und den Schichten 11 bis 13. Der Wellenleiter 20 weist eine Al
Ga As-Schicht 21, welche eine Kopplungsschicht für eine z Kopplung zwischen dem
Oszillator 10 und dem Wellenleiter 20 ist, eine Al Ga As-Schicht 22, welche ein
Ausgangswellenleiter ist, y l-y eine Al Ga As-Schicht 23, eine GaAs-Schicht 24 und
eine Elekz 1-z trode 25 auf. Die Indizes x, y und z haben die folgende Beziehung
zueinander: x < y zu z. Die Brechungsindizes der Schichten sind in Fig.5 dargestellt,
wobei mit den Buchstaben p und n die Halbleiterarten bezeichnet sind.
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Als nächstes wird die Arbeitsweise der Anordnung anhand von Fig.6,
welche eine schematische Darstellung der in Fig.4 dargestellten Einrichtung zeigt,
und anhand von Fig.7 beschrieben, in welcher dargestellt ist, wie ein Teil des Laserlichts
von dem Oszillator 10 in den Wellenleiter 20 abgeleitet wird.
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Die Kopplungslänge 1 hängt hierbei von der Dicke 2a, 2b und c 2c und
den Brechungsindizes n1 bis n3 der aktiven Schicht 13, der Ausgangswellenleiterschicht
22 und der Kopplungsschicht 21
ab. Mit den Buchstaben ß 1 bis ß
sind die Ausbreitungskonstan-3 ten bezeichnet.
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Die Laserwelle A1 mit der Kopplungslänge lc, welche an einem Ende
des Oszillators 10 erzeugt wird, breitet sich in der durch den ausgezogenen Pfeil
angegebenen Richtung aus und geht allmählich in die Laserwelle A2 über. Ein Teil
der Laserwelle breitet sich in den Wellenleiter 20 als Laserwelle A aus, wel-3 che
über diesen als Ausgang übertragen wird. In dem Oszillator 10 wird die Laserwelle
durch die reflektierende Spiegelfläche 16a in die durch gestrichelte Linien dargestellte
Laserwellenform A la reflektiert. Die Laserwelle A la geht dann in die Laserwelle
A2a über, von welcher sich ein Teil in den Wellenleiter 20 ausbreitet. Die Laserwelle
A3a wird an der reflektierenden Spiegelfläche 16 reflektiert, um wieder die durch
die ausgezogene Linie wiedergegebene Laserwelle A1 zu bilden. In diesem Fall wird
die Laserwelle in dem Wellenleiter 20 die austretende Ausgangswelle.
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Die Schwingungsart bzw. der Mode der Laserwelle am Ausgnng, wenn die
Kopplungslänge lc/2 ist, ist in Fig.8 dargestellt.
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Wenn die Konstanten ßl = ß2 und ßl 6 ß2 sind, sind die Laserwellen
als die Überlagerung von zwei Wellen dargestellt, wie aus Fig.9(a) und 9(b) zu ersehen
ist.
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Wie vorstehend beschrieben, kann der Dünnschicht-Oszillator aus einem
Lasermedium bzw. -medien und die aus dünnen Schichten
bestehende
Dünnschicht-Ausgangsschaltung, welche bei der Laserwellenlänge verlustarm ist, in
Form eines mehrschichtigen Aufbaus hergestellt werden.
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Als nächstes wird das Herstellungsverfahren der in Fig.4 dargestellten
Einrichtung beschrieben. In der in Fig.4 dargestellten Einrichtung können die Enden
16 des Oszillators 10, an welchen die reflektierenden Spiegelfächen ausgebildet
sind nicht gespalten oder durch Polieren fertigbearbeitet werden. Ein Beispiel für
ein Herstellungsverfahren gemäß der Erfindung, bei welchem diese Schwierigkeit überwunden
ist, wird nunmehr anhand von Fig. 10 beschrieben.
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Auf dem in Fig. 1O<i) dargestellten Wafer oder Plättchen aus der
GaAs-Schicht 11, der AlzGa1-zAs-Schicht 12, der AlxGa1-xAs-Schicht 1), der Al Ga
As-Schicht 21, der Al Ga As-Schicht z 1z y l-y 22, der Al Ga As-Schicht 23 und der
GaAs-Schicht 24 wird eine z 1-z Maske 26 angeordnet, wie in Fig. 1O(ii) dargestellt
ist. Die Maske 26 besteht aus einem GaAs-Kristall, dessen beide Enden 27 und 27a
gespalten sind, um Spiegelflächen zu bilden. Die Maske 26 wird so auf der Schicht
11 angeordnet, daß ihre Kristailflächen miteinander übereinstimmen können. Danach
wird das Plättchen einem Umkehrspatter-Prozeß (reverse spattering) ausgesetzt, so
daß die durch gestrichelte Linien umgebenen Teile entfernt werden können. Auf diese
Weise ist dann der Mesa-Oszillator 10 geschaffen, wie in Fig. 1O(iii) dargestellt
ist.
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Die Endflächen des Oszillators 10 werden fertig behandelt, um
Spiegelflächen
wie die Endflächen 27 und 27a der Maske 26 zu schaffen. Danach werden, wie in Fig.lO(iv)
dargestellt ist, die Elektroden 14 und 25, die transparenten Isolierschichten 15
und 15a an den Endflächen des Oszillators 10 und dann die reflektierenden Spiegelflächen
16 und 16a auf den transparenten Isolierflächen 15 und 15a angebracht. Auf diese
Weise kann eine optische, integrierte Schaltung mit einem Wellenleiter mit Mehrfach-Heteroübergang
bzw. -aufbau erhalten werden. Bei Versuchen hat sich herausgestellt, daß die Spiegelflächen
durch das vorbeschriebene Verfahren an der 110-ELene der Al Ga Asx Schicht erhalten
werden können, und die auf diese Weise erhaltenen Spiegelflächen ermöglichen dann
die Laserwirkung.
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Weitere Ausführungsformen der Erfindung sind in den Fig. 11 bis 13
dargestellt. Bei der in Fig.11 dargestellten Einrichtung ist der Oszillator 10 nicht
mis den reflektierenden Spiegelflächen an seinen Enden vorgesehen, sondern es sind
Verteilerreflektoren 28 und 28a auf der oberen Fläche der Ausgangs schaltung 20
angebracht. Bei der in Fig. 12 dargestellten Einrichtung ist statt des Verteilerreflektore
28 eine reflektierende Spiegelfläche 27 an der Ausgangsschaltung 20 angebracht,
wobei eine transparente Isolierschicht 26 dazwischen angeordnet ist. Bei der in
Fig. 13 dargestellten Einrichtung ist die reflektierende Spiegelfläche 27 als Einheit
mit dem Oszillator 10 ausgebildet.
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In diesen Ausführungsformen ist die Breite der WelZenleiterschicht
aus Al Ga As der Ausgangsschaltung so dargestellt, y l-y daß sie gleich der Breite
des Wafers oder Plättchens ist;
selbstverständlich kann diese Breite
jedoch beliebig gewählt werden.
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Bei der fünften in Fig. 14 dargestellten Ausführungsform ist eine
Ausgangsschaltung 30 der in Fig.4 dargestellten Einrichtung zugeordnet. Der Oszillator
10 und der Wellenleiter 20 sind als eine Einhakt ausgebildet, und danach ist eine
Dünnschicht-Ausgangsschaltung 30 für eine Schwingungsart- bzw.
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Modeumwandlung auf dem Wellenleiter 20 ausgebildet und an diesem richtungsgekoppelt
aufgebracht. Das Laserlicht von dem Oszillator 10 wird über den Wellenleiter 20
an die Ausgangsschaltung 30 übertragen, von welcher das Laserlicht über eine optische
Faserübertragungsleitung 70 zu einem Bestimmungsort übertragen wird.
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Bei der sechsten in Fig.15 dargestellten Ausführungsform sind ein
Verstärker 40 und der Oszillator 10 in integrierter Form aufgebracht, indem das
in Fig.lO(i) dargestellte Plättchen einem Umkehrspatterprozeß ausgesetzt wird, um
gleichzeitig den Oszillator 10 und den Verstärker 40 auszubilden. Infolgedessen
haben die aktiven Laserschichten des Oszillätors 10 und des Verstärkers 40 dieselbe
Zusammensetzung, so daß hierdurch ein sehr guter Verstärker 40 geschaffen werden
kann.
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Die siebte in Fig. 16 dargestellte Ausführungsform weist einen Modulator
50 auf, welcher zusammen mit dem Oszillator 10 und dem Verstärker 40 auf dem Wellenleiter
20 ausgebildet ist. In
Fig. 17 ist die in Fig.16 wiedergegebene
Einrichtung im einzelnen dargestellt. Sie weist eine obere Elektrode 80 auf, welche
auch als Wärmesenke dient; ferner sind untere Elektroden 81, 84 und 85 an der unteren
Fläche des Wellenleiters 20 für den Oszillator i0, den Verstärker 40 bzw. den Modulator
50 angebracht oder ausgebildet. Durch Diffussion von Störstellen sind in der Nähe
der unteren Elektroden 81, 84 und 85 Zonen 81+, 84a und 85a mit niedrigem Widerstand
ausgebildet.
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Bei der achten in Fig. 18 dargestellten Ausführungsform ist ein Detektor
oder ein Demodulator 16 zusammen mit dem Wellenleiter .'0 ausgebildet. Im Unterschied
zu den vorbeschriebenen Ausführungsformen sind nur die passiven optischen Elemente
auf dem Wellenleiter 20 ausgebildet; diese Einrichtung kann zur Gleichrichtung oder
Demodulation oder zur Überwachung verwendet werden.
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Bei der neunten in Fig. 19 dargestellten Ausführungsform wid der Verstärker
40 zuerst zusammen mit dem Wellenleiter 20 ausgebildet, und dann werden eine Eingangsschaltung
30a und eine Ausgangsschaltung 30 aufgebracht und ausgebildet.
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Bei der zehnten in Fig.20 dargestellten Ausführungsform ist ein- Filter
70 in der in Fig.18 dargestellten Einrichtung vorgesehen. Wenn Laserlicht mit Frequenzen
fl und 2 über den Wellenleiter 20 übertragen wird, sperrt das Filter 70 das Laserlicht
mit der Frequenz f2, so daß das Laserlicht der Frequenz
f1 von
dem Detektor 60 gefühlt werden kann.
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In Fig. 21 ist gemäß der Erfindung eine Rechenschaltung dargestellt,
bei welcher die Fourier'scheRaumtransformation benutzt ist. Das Laserlicht von dem
Oszillator 10 wird über eine Dünnschichtlinse 9i an einen Raummodulator 92 übertragen
und wird mit dem Signal g moduliert. Das modulierte Laserlicht wird dann über eine
Dünnschictitlinse 93 an einen Raummodulator 94 übertragen und mit dem Signal h moduliert.
Auf diese Weise wird dann das modulierte Signal über eine Dünnschichtlinse 95 an
eine Detektoranordnung 96 übertragen, so daß (g x h)-Ausgänge erhalten werden können.
Gemäß der Erfindung können diese Schaltungen als ein integrierter Schaltungsaufbau
ausgebildet werden.
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Bei der in Fig.22 dargestellten Einrichtung ist eine Anzahl von N
Oszillatoren 10A, lOB .... lON parallel zueinander ausgebildet, so daß deren Ausgänge
über eine Dünnschichtlinse 97 addiert werden können, um den hohen Ausgang zu schaffen.
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Bei den vorbeschriebenen Ausführung formen sind GaAs-Halbleiterlaser
verwendet worden. Es können jedoch auch andere Diodenlaser mit Heteroübergang bzw.
-aufbau verwendet werden, wie InGaAs-, AlGaAsSb-, InGaAsP-Laser usw.
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Paten tansprüche
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