DE3227682C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Fotodemultiplexer mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1.

Aus Appl. Phys. Letters, Bd. 40 (1982), S. 120 bis 122, ist ein Fotodemultiplexer bekannt, der ein Fotodioden-Array besitzt. Die einzelnen Fotodioden haben keine frequenzselektiven Eigen­ schaften. Die Frequenzselektivität dieses Demultiplexers wird dadurch erzielt, daß der dem Array vorangeschaltete optische Weg eine Anzahl frequenzselektiver Lichtablenker besitzt, die frequenzselektiv Strahlung den einzelnen Fotodioden des Arrays zuführen.

Aus der US-PS 42 97 720 ist eine Fotodiode bekannt, die für zwei verschiedene Wellenlängenbereiche selektive Empfindlich­ keit hat. Der Wellenlängenunterschied der Empfindlichkeit be­ ruht darauf, daß die Diode aus zwei verschiedenen Halbleiter­ materialien zusammengesetzt ist, die voneinander verschieden großen Bandabstand haben. Dioden solcher Art absorbieren die in die pn-Übergangszone einfallende Strahlung schon beim ersten Durchgang.

Eine Fotodiode, deren Wirkungsgrad ihrer Fotoabsorption auf einem Resonanzeffekt beruht, ist aus der DE-OS 31 09 653 be­ kannt. Es handelt sich bei dieser Diode darum, auch in einem Wellenlängenbereich, z. B. bei 0,9 µm, in dem der Absorptions­ koeffizient α des betreffenden Halbleitermaterials, z. B. Silizium, bereits verringerte Größe hat, dennoch eine so starke Absorption für einfallende, zu detektierende Lichtstrahlung zu haben, daß der Detektierungsbereich auf einen pn-Übergang konzentriert ist. Die Lehre dieser Druckschrift dient dazu, einen Resonanzabsorber kleiner Audehnung (siehe dort Seite 3, letzter Absatz) zu schaffen. Die wesentliche Zielrichtung, zu der die in dieser Druckschrift beschriebene Lehre gegeben ist, ist verbesserte Energieumwandlung (siehe dort Seite 4, Absatz 1) zu haben. Eine solche Diode besitzt eine Frequenzselektivität entsprechend der Ausgestaltung des Resonators. Zum Beispiel sind für den Resonator dort Interferenzschicht-Kombinationen zur zumindest einseitigen Begrenzung des Absorbers vorgesehen.

Eine auch nach Angabe als Fotodiode zu verwendende Laserdiode ist aus der DE-OS 28 28 195 bekannt. Wie dies für eine jede Laserdiode selbstverständlich ist, hat eine solche als Strahlungserzeuger aufgebaute Halbleiterdioden einen Resonator. Wesentlich für eine solche Laserdiode ist, daß der Absorptions­ koeffizient der für diese Diode in Frage kommenden Strahlung einen hohen Wert besitzt, wie dies für Halbleitermaterial für Quantenenergien oberhalb des Energieabstandes des verbotenen Bandes der Fall ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Demultiplexer- Einrichtung anzugeben, die ohne zusätzliche Demultiplex-Ein­ richtungen (Entgegenhaltung 1) in einem integrierten Aufbau für verschiedene Wellenlängen (λ 1, λ 2, λ 3) Fotoselektivität auf­ weist, so daß selektiv voneinander getrennte elektrische Signale gewonnen werden können.

Diese Aufgabe wird mit einem Fotodemultiplexer gelöst, der die Merkmale des Patentanspruches 1 hat. Weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Der vorliegenden Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, einen Fotomultiplexer mit einem solchen Halbleitermaterial aufzu­ bauen, das für die Strahlung des vorgegebenen Wellenlängenbe­ reiches eine solche geringe Absorption (Absorptionskoeffizient α) aufweist, wie dies für einen Wellenlängenbereich der Fall ist, der einer Absorption nahe der Bandkante des Halbleiter­ materials entspricht. Bei der Erfindung ist diese materialbe­ dingte geringe Absorption jedoch durch Resonatorwirkung in einem engen Wellenlängenband erhöht, wie dies prinzipiell be­ kannt ist.

Die Wirkungsweise von Halbleiter-Fotodioden, die Lichtsignale in elektrische Signale umwandeln, beruht darauf, daß einge­ strahltes Licht in der Raumladungszone des pn-Übergangs der Diode absorbiert wird und Elektron-Lochpaare erzeugt werden. Die absorbierte Lichtintensität hängt dabei wesentlich vom Absorptionskoeffizienten α ab, der angibt, wieviel Intensität bei Durchlaufen einer Strecke absorbiert wird (dI = -α · I · dl). Optische Resonatoren, die optimierbar sind, können durch Resonanz die Absorption bei kleinem α in einem bestimmten, engen Wellenlängenbereich erhöhen.

In der optischen Nachrichtentechnik geht das Bestreben dahin, eine Glasfaser mit mehreren Trägern unterschiedlicher Wellen­ längen im Multiplexbetrieb zu verwenden. Zum Trennen der ver­ schiedenen Träger benötigt man eine Demultiplexeinrichtung für den Frequenzbereich des Lichtes, die in der bisherigen Technik meist der eigentlichen Empfangseinrichtung (Fotodioden) vor­ geschaltet wird und nur in wenigen Fällen mit dieser integriert werden kann.

Bei der Erfindung sind vor, zwischen und hinter den Dioden Reflektoren angebracht. Es sind mehrere Fotodioden linear hintereinander auf einem Substrat mit Elektronik und/oder anderen elektro-optischen Elementen, z. B. einem Laser inte­ griert.

Die Fig. 1a und 2b geben mögliche Anordnungen der Dioden und der Reflektoren wieder. Sie enthalten beispielsweise drei Dioden, tatsächlich können mehr oder weniger Dioden hintereinander angeordnet werden. Die Absorption in den Dioden soll vorzugsweise bei den Wellenlängen λ ₁, g ₂ und λ ₃ stattfinden. Rechtecke be­ zeichnen Spiegel, egal auf welchem physikalischen Prinzip sie beruhen. Die Län­ gen l ₁, l ₂, l ₃ bezeichnen die Länge der Fotodioden , denen noch jedes geeignete Prinzip zugrunde liegen kann (z. B. Dioden mit Längs- oder Quereinstrahlung, Avalanchedioden etc.).

Die Wirkungsweise der Demultiplexeinrichtung soll am Beispiel der mittleren Diode mit der Absorptionswellenlänge λ ₂ erläutert werden. Die Gesamtheit der Dioden und Reflektoren, die vor oder hinter dem absorbierenden Weg l ₂ liegen, bilden die verlustbehafteten effektiven Reflektoren R _{2 V} und R _{2 N} . Sowohl die einzelnen Reflektoren R ₁₁, R ₁₂, R ₂₁ usw. oder R ₁, R ₂ usw. als auch die effektiven Reflek­ toren R _{2 V} und R _{2 N} besitzen wellenlängenabhängige Reflektionsfaktoren. Liegt das eingestrahlte Licht in einem Wellenlängenbereich mit kleinem α, tritt in der Diode mit l ₂ nur nennenswerte Absorption auf, wenn erstens die Resonanzbedingung erfüllt ist und zweitens R _{2 V} und R _{2 N} passende Werte annehmen, so daß die Güte des optischen Resonators genügend groß ist. Beides muß für g ₂ zutreffen. Auf der anderen Seite darf für die Dioden mit l ₁ und l ₃ für λ ₂ entweder die Resonanzbedingung nicht erfüllt sein bzw. müssen die wellenlängenabhängigen Reflektionsfaktoren so beschaffen sein, daß die effektiven Resonatoren für diese Dioden um λ ₂ sehr schlecht wirken. Dann wird wegen des kleinen α in diesen Dioden kaum Lichtintensität absorbiert. Sollten jedoch trotzdem zwei Dioden Licht derselben Wellenlänge absorbieren, kann eine elektronische Schaltung die Auswertung unter­ stützen. Wird z. B. λ ₁ nur in der 1. Diode absorbiert und λ ₂ in der 1. und 2. kann eine logische Schaltung entscheiden ob nur λ ₁ oder nur λ ₂ oder g ₁ und λ ₂ einge­ strahlt wurde. Zusammenfassend kann man sagen, für die beschriebene Demultiplex­ einrichtung sind sowohl die wellenlängenabhängigen Reflektoren wichtig als auch der physikalische Vorgang, daß die Absorption auf der Wirkungsweise von Resonatoren beruht.

Die Bandbreite der verwendeten Spiegel entscheidet darüber, wie die Reflektoren angeordnet werden können oder müssen. Man unterscheidet 3 Fälle:

1. Schmalbandige Reflektoren (Fig. 2)

Sind die Reflektionsfaktoren der Reflektoren sehr schmalbandig wie in Fig. 2, können die einzelnen Resonatoren so gewählt werden, daß sie unabhängig voneinander sind. In einem Wellenlängenbereich um λ ₂ haben z. B. nur R ₂₁ und R ₂₂ hohe Reflek­ tionsfaktoren, während jene der anderen Reflektoren nur kleine, kaum störende Werte annehmen. Die Verläufe der Reflektionsfaktoren von R ₂₁ und R ₂₂ über der Wellenlänge müssen in diesem Bereich nicht absolut gleich sein; beide Reflektionsfaktoren müssen jedoch in einem genügend großen Wellenlängenbereich gleichseitig groß genug sein, damit Resonanz von der geforderten hohen Güte auftritt, deshalb die Bezeichnung R ₂₁ ≈ R ₂₂.

Die geometrische Reihenfolge der Resonatoren für die verschiedenen Wellenlängen λ ₁, λ ₂, λ ₃ in der linearen Anordnung kann unabhängig von der Größe der ein­ zelnen Wellenlänge willkürlich wählen. Da jedoch α mit zunehmender Wellenlänge λ fällt, ist es günstig, wenn man die Detektion größerer Wellenlängen in der geo­ metrischen Reihenfolge weiter hinten ansiedelt. Bei der Durchstrahlung der vor­ deren Dioden mit einer bestimmten Wellenlänge λ ist nämlich ein kleineres α für dieses g wünschenswert. Dies gilt auch für die folgenden Fälle.

2. Breitbandige Reflektoren, so angeordnet, daß durchstrahlte Resonatoren möglichst kleine Reflektionsfaktoren aufweisen

Haben die einzelnen Reflektoren relativ breite Reflektionsfaktoren kann man durch geeignete Anordnung der Reflektoren (gemäß ihres Reflektionsfaktor­ verlaufs über der Wellenlänge) erreichen, daß ein weiter hinten liegender Resonator möglichst wenig von den vorderen Spiegeln beeinflußt wird. Eine Anordnung nach Fig. 3 empfiehlt sich deshalb, weil sich die Reflektionsfak­ toren z. B. durch willkürliches Aufeinanderfolgen von R ₁ und R ₂ in Fig. 1b ver­ stärken. Ist R ₁ bei λ ₂ noch nicht weit genug abgefallen, kann R _{2 V} so groß werden, daß kein Licht in den 2. Resonator gelangt. Hier ist also die Reihenfolge der Spiegel und der zu absorbierenden Wellenlängen festgelegt. Die Wellenlängen können steigen (Fig. 3) oder fallen.

3. Breitbandige Filter, Durchstrahlen eines vorhergehenden wirksamen Resonators

Bei sehr breitbandigen Spiegeln in einer Anordnung nach Fig. 1a kann man durch geeignete Wahl des Zwischenraums dl erreichen, daß z. B. im 2. Resonator λ ₂ absorbiert wird, obwohl die Reflektionsfaktoren von R ₁₁ und R ₁₂ groß sind. In diesen Fällen absorbiert aber meist auch der Resonator l ₁ bei λ ₂, so daß dieser 3. Fall meist durch eine elektronische Auswertung unterstützt werden muß.

Diese Anordnungen 1 a und 1 b sowie die drei Fälle können natürlich in einer linearen Anordnung von Dioden auch gemischt auftreten.

Die seitliche Lichtführung in den linear angeordneten Dioden oder in den Spiegeln kann eine Wellenleiterstruktur übernehmen, die ein- oder mehrmodig ist. Auch ein gekrümmter oder abgewinkelter Wellenleiter wird hier als lineare Anordnung ange­ sprochen. Modenkonversion kann durch geeignete Gestaltung der Spiegel verhindert werden. Stoßen zwei Wellenleiter aufeinander, kann Modenkonversion z. B. weitgehend verhindert werden, wenn die Beziehung des Brechungsindices n ₁ ² - n ₂ ² in beiden Wellen­ leitern den gleichen Wert annimmt (Fig. 5).

Auf dem gleichen Wellenleiter, auf dem die Fotodioden angeordnet sind, können auch ein oder mehrere Laser angeordnet sein, dessen (deren) Reflektoren ebenso Wellenlängenabhängigkeiten aufweisen, so daß entweder das zu empfangene Licht die Laser ungehindert durchstrahlt oder das zu sendende Licht die Demultiplex­ einrichtung. Dies gilt für den Fall, daß die technischen Forderungen des An­ wenders verschiedene Wellenlängen für Foto- und Laserdioden auf einem Substrat zulassen. Selbstverständlich können auch Laser und Demultiplexeinrichtungen in paralleler Anordnung integriert werden.

Auf ein Substrat können auch mehrere dieser linearen Demultiplexeinrichtungen nebeneinander integriert werden, wobei eine vorausgehende Trennung von jeweils mehreren Trägern durch herkömmliche Demultiplexer vorgenommen werden kann, die entweder nicht integrierbar sind (z. B. Faserweichen) oder aber auch auf dasselbe Substrat integriert werden können (z. B. geodätische Linsen, Stufen­ reflektor etc.).

Als Reflektoren kann man einen sog. Gitterreflektoren verwenden, die meist sehr schmalbandig sind. Diese erhält man durch Strukturieren der Grenzfläche zwischen Kerngebiet und Außenraum eines Wellenleiters. Fig. 6 zeigt z. B. den Ausschnitt eines Gitterspiegels mit rechteckigem Granting. Das Grating kann je­ doch jede andere räumlich periodische Struktur annehmen (z. B. Sinus). Die Strukturierung kann z. B. hergestellt werden durch Verfahren, welche Fotolitho­ graphie oder auch Elektronenstrahllithographie verwenden.

Eine weitere Spiegelart sind dielektrische Spiegel, die aus mehreren Schichten unterschiedlicher Brechungsindices bestehen. Die Länge dieser Schichten und die Höhe der Brechungsindexsprünge entscheiden neben der Anzahl der Schichten über Breite (Wellenlängenbereich) und Höhe des Reflektionsfaktors. Eine Herstellungs­ möglichkeit von dielektrischen Spiegeln in integrierten Schaltungen ist z. B. das Verfahren der Ionenimplantation.

Für das Abstimmen der Demultiplexeinrichtung auf die gewünschten Wellenlängen können alle Effekte genutzt werden, die über mechanische oder thermische Effekte die Länge der Dioden in ausreichendem Maß verändern. Unterstützung durch elektro­ nische Schaltungen und/oder Testsignalen ist möglich. Nach Fig. 7 bringt man z. B. unter den Substrat ein oder mehrere hintereinander liegende Regelelemente an, die beispielsweise aus Piezoelementen oder magnetostriktiven Elementen be­ stehen. Diese rufen durch Anlegen von elektrischen Spannungen mechanische Spannun­ gen an der gesamten oder an Teilen der Demultiplexeinrichtung hervor, so daß über eine Stauchung oder Streckung und/oder Krümmung der Dioden Resonanz für gewün­ schte Frequenzen erreicht wird. Mit Hilfe von eingestrahlten Testsignalen oder einer Folge von Testsignalen kann eine Regelung der Abstimmung erreicht werden. Eine mögliche Anwendung einer Demultiplexeinrichtung aus integrierten Fotodioden ist z. B. der Wellenlängenbereich von 1,0 bis 1,1 µm für Si. Eine Demultiplexeinrich­ tung aus Si hätte auch den Vorteil, daßsie auf Si-Substrat mit Elektronik und anderen elektro-optischen Einrichtungen integriert werden könnte. Dies könnte z. B. dadurch geschehen, daß die Dioden mit Spiegeln als letzter Schritt einer integrierten Schaltungen hergestellt werden, in dem geeignet dotierte Si-Schichten auf eine üblich hergestellte Schaltung (1100°C Diffusion) mit "kalter" Epitaxie (600°C Atomstrahlepitaxie) aufgebracht werden.

Die Integration der Demultiplexeinrichtung auf Si Basis ist hier nur als Beispiel angeführt. Sie kann auch mit anderen Halbleitermaterialien erfolgen, insbesondere mit solchen, die für den Bau von Lasern geeignet sind.

Claims (9)

1. In einem vorgegebenen Wellenlängenbereich wellenlängenselek­ tiver Halbleiter-Fotodemultiplexer
mit mehreren in einem Halbleiterkörper in integrierter Bau­ weise aufeinanderfolgend angeordneten Fotodiodenfunktionen und
mit im Halbleiterkörper zwischen diese Fotodiodenfunktionen eingefügter, optisch wirksamer Schicht,
gekennzeichnet dadurch,

• - daß die einzelnen Fotodiodenfunktionen optische Resonatoren (λ 1, λ 2, λ 3) sind,
• - daß der vorgegebene Wellenlängenbereich (g 1 bis λ 3) auf das Halbleitermaterial derart abgestimmt bemessen ist, daß für Strahlung dieses Wellenlängenbereiches (λ 1 bis λ 3) das Halbleitermaterial eine so geringe Absorption (α) be­ sitzt, daß durch an sich bekannte Resonatorwirkung im Ergeb­ nis eine Absorptionserhöhung zu erreichen ist und
• - daß die optisch wirksamen Schichten Reflektoren (R ₁, R ₂, R ₃, R ₄) mit frequenzselektiver Wirkung für den jeweiligen der Resonatoren (λ 1, λ 2, λ 3) sind.

2. Fotodemultiplexer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die seitliche Lichtführung in und zwischen den Foto­ diodenfunktionen zumindest teilweise eine Wellenleiter­ struktur vorgesehen ist, die einen oder mehrere Lichtmoden führt.

3. Fotodemultiplexer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektoren (R ₁, R ₂, R ₃, R ₄) Gitterreflektoren sind.

4. Fotodemultiplexer nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektoren (R ₁, R ₂, R ₃, R ₄) dielektrische Spiegel sind.

5. Fotodemultiplexer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einige der Reflektoren (R ₁, R ₂, R ₃, R ₄) schmal­ bandig sind.

6. Fotodemultiplexer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einige der Reflektoren breitbandig sind und deren Wellenlängenbereiche mit hohem Reflexionsfaktor sich überlappen und die wellenlängenselektive Wirkung durch die räumliche An­ ordnung dieser Reflektoren (R ₁, R ₂, R ₃, R ₄) bewirkt ist.

7. Fotodemultiplexer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstimmung der einzelnen Fotodioden durch mechanische Spannung und/oder thermische Effekt bewirkt wird.

8. Fotodemultiplexer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere lineare Anordnungen neben und/oder übereinander auf dem gleichen Substrat integriert sind.

9. Fotodemultiplexer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat Silizium ist.