DE4103071A1

DE4103071A1 - Lichtgesteuerter halbleiterlichtkoppler und -modulator

Info

Publication number: DE4103071A1
Application number: DE4103071A
Authority: DE
Inventors: Etsuji Omura
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1990-02-01
Filing date: 1991-02-01
Publication date: 1991-08-08
Also published as: US5105240A; JPH03228032A

Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleitereinrichtung zum Modulieren und Ändern der Position eines Signallichtstrahles in Abhängigkeit von der Intensität von Steuerlicht, das quer zur Ausbreitungsrichtung des Signallichtstrahles in die Halbleitereinrichtung einfällt.

Eine Halbleitereinrichtung entsprechend dem Stand der Technik, die in Abhängigkeit vom elektrischen Signal die Position von Signallicht ändert und moduliert, ist in Fig. 5 in perspektivischer schemati scher Ansicht gezeigt. Die Einrichtung der Fig. 5 weist zwei einan der gegenüberliegende, im allgemeinen plane, voneinander entfernte Lichtführungsschichten 1 und 2 auf. Die Lichtführungsschichten be stehen aus Galliumarsenid (GaAs) oder Aluminiumgalliumarsenid (Al_xGa_1-xAs), worin x etwa 0,1 ist. Die Führungsschichten 1 und 2 schließen eine Abstandsschicht 3 aus Al_xGa_1-xAs vom p-Typ ein und stehen in Kontakt mit dieser. Die Dreischichtstruktur ist wiederum zwischen ersten und zweiten Mantelschichten 10 und 20 aus Al_xGa_1-xAs laminiert, wobei x etwa 0,3 ist. Diese fünf laminierten Schichten befinden sich auf einem Galliumarsenidsubstrat 101. Es sind Span nungsquellen 11 und 21 gebildet, um variable Sperrspannungen zwi schen der Abstandsschicht 3 und der zweiten Mantelschicht 20 bzw. zwischen der Abstandsschicht 3 und der ersten Mantelschicht 10 anzu legen. Die Brechungsindizes der Lichtführungsschichten 1 und 2 sind größer als der Brechungsindex der Abstandsschicht 3 und der ersten und zweiten Mantelschichten 10 und 20, um Licht in den Lichtfüh rungsschichten 1 und 2 einzuschließen. Üblicherweise ist die Ein richtung symmetrisch aufgebaut, d. h. die Zusammensetzungen der Lichtführungsschichten 1 und 2 bzw. der Mantelschichten 10 und 20 stimmen überein.

Die Einrichtung der Fig. 5 wird durch herkömmliche Verfahren ge schaffen. Die erste Mantelschicht 10 aus Al_xGa_1-xAs vom n-Typ wird mit einer Dicke von etwa 2 Mikrometern auf dem GaAs-Substrat 101 durch ein herkömmliches Verfahren wie LPE (Liquid Phase Epitaxy, Flüssigphasenepitaxie), MOVCD (Metal Organic Chemical Vapour Deposi tion, metall-organische chemische Dampfabscheidung) oder MBE (Molecular Beam Epitaxy, Molekularstrahlepitaxie) aufgebracht. Die anderen Schichten werden durch ähnliche Verfahren gebildet. Die er ste Lichtführungsschicht 1 aus GaAs oder Al_xGa_1-xAs wächst auf eine Dicke von etwa 0,2 Mikrometer, die p-Abstandsschicht aus Al_xGa_1-xAs auf 0,2 bis 1,0 Mikrometer. Die zweite Führungsschicht 2 und die zweite Mantelschicht 20 werden so gebildet, daß sie zur ersten Lichtführungsschicht 1 bzw. der ersten Mantelschicht 10 symmetrisch bezüglich Dicke und Zusammensetzung sind.

Nachdem die Schichten gewachsen sind, werden elektrische Kontakte zum Substrat 101, der zweiten Mantelschicht 20 und der Abstands schicht 3 hergestellt, um Sperrspannungen von den Spannungsquellen 11 und 21 anzulegen. Elektroden können für das Substrat und die zweite Mantelschicht durch herkömmliche Verfahren gebildet werden. Um einen elektrischen Kontakt mit der Abstandsschicht herzustellen, muß jedoch eine Öffnung durch die zweite Mantelschicht 20 und die Führungsschicht 2 geätzt werden, um die Abstandsschicht 3 freizule gen. Die Steuerung der Ätztiefe, um sicherzustellen, daß die Ab standsschicht 3 mit einer Dicke von nur 0,2 bis 1,0 Mikrometern auch freigelegt wird, ohne diese Schicht vollständig zu durchdringen, führt zu schwierigen Bearbeitungsproblemen. Zusätzliche Schwierig keiten treten bei der Metallisierung von ausschließlich der Ab standsschicht 3 als Teil der Kontaktbildung auf, wobei gleichzeitig ein Kurzschließen der Abstandsschicht 3 mit der Lichtleitungsschicht 2 vermieden werden muß.

Beim Betrieb schaltet die Einrichtung der Fig. 5 in Abhängigkeit von der Stärke der elektrischen Vorspannungssignale von den Spannungs quellen 11 und 21 selektiv einen Signallichtstrahl von der Führungs schicht 1 zur Führungsschicht 2 oder umgekehrt um. In Fig. 5 ist ein in der Lichtführungsschicht 1 einlaufender Eingangs-Signallicht strahl durch den Pfeil A angegeben. Der Ausgangs-Signallichtstrahl vom entgegengesetzten Ende der Einrichtung ist in Fig. 5 durch den Pfeil B angegeben. Wie in der Figur schematisch dargestellt ist, kann der Ausgangs-Signallichtstrahl B aus der Führungsschicht 2 aus treten. Es ist bekannt, daß die Lichtführungsschichten 1 und 2 durch das elektromagnetische Feld des Signallichtstrahles optisch gekop pelt sind. Der Umfang der optischen Kopplung zwischen den Führungs schichten 1 und 2 hängt von mehreren Parametern ab, wie beispiels weise der Wellenlänge des Signallichtstrahles, dem Material, in dem sich der Signallichtstrahl ausbreitet und der Länge des Pfades ent lang dem der Signallichtstrahl läuft. Weist der Pfad eine vorbe stimmte Länge, die sogenannte kritische Länge auf, so wird der Si gnallichtstrahl, der in die Führungsschicht 1 eintritt, vollständig zur Führungsschicht 2 übertragen. Wird die Länge der Einrichtung so gewählt, daß sie mit der kritischen Länge übereinstimmt, so tritt ein Signallichtstrahl, der in die Führungsschicht 1 eingekoppelt wird, aus der Führungsschicht 2 am entgegengesetzten Ende der Ein richtung aus. Eine typische Einrichtung des in Fig. 5 gezeigten Ty pes weist eine Länge zwischen den Lichteingangs- und -ausgangsflä chen von 0,5 bis 1,0 Millimetern auf. Die Breite der Lichteintritts fläche beträgt typischerweise 2 Mikrometer, die Höhe der Einrichtung typischerweise 5 Mikrometer.

Werden zwischen den Lichtführungsschichten 1 und 2 bezüglich der Ab standsschicht Sperrspannungen angelegt, so ändern sich die Bre chungsindizes der Abstandsschicht 3 und der Lichtführungsschichten 1 und 2. Die Sperrspannungen ändern die Breite der Verarmungsschich ten, die von den pn-Übergängen erzeugt werden, und führen zu elek tro-optischen Effekten, die die Brechungsindizes ändern, wodurch die kritische Länge der Struktur verändert wird. Durch Schalten der an die Einrichtung angelegten Sperrspannung kann somit das Vorhanden sein oder Nicht-Vorhandensein eines Signallichtstrahles, der von der Lichtführungsschicht 2 ausgegeben und von einem an die Lichtfüh rungsschicht 1 angelegten Signallichtstrahl abgeleitet wird, gesteu ert werden. Durch geeignetes Modulieren der Vorspannungen kann der Signallichtstrahl, der aus der Lichtführungsschicht 1 oder der Lichtführungsschicht 2 austritt und von einem an die Lichtführungs schicht 1 angelegten Signallichtstrahl abgeleitet wird, moduliert werden.

Zusätzlich zu den Schwierigkeiten der Herstellung der Einrichtung von Fig. 5 ist diese Einrichtung zu anderen durch Licht gesteuerten Halbleitereinrichtungen inkompatibel. Da die Einrichtung der Fig. 5 für ihre Funktion das Anlegen einer Sperrspannung benötigt, sind elektrische Leitungen und Verbindungen für den Betrieb der Einrich tung von Fig. 5 erforderlich, die ansonsten beispielsweise in einem optischen Rechner nicht notwendig sind. Für das Vorspannen der Ein richtung sind Spannungen von bis zu zehn Volt erforderlich, ein Spannungspegel der für viele Anwendungen ungünstig hoch ist, insbe sondere für einen lichtgesteuerten Computer.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen lichtgesteuerten Halbleiter lichtkoppler und -modulator zu schaffen, der mit anderen lichtge steuerten Halbleitereinrichtungen kompatibel ist. Ferner soll ein Halbleiterlichtkoppler und -modulator geschaffen werden, der für den Betrieb kein elektrisches Signal benötigt. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, einen Halbleiterlichtkoppler und -modulator zu bil den, der auf einfache Weise hergestellt werden kann, hinsichtlich des Schaltens der Position und der Modulierung eines Signallichtes effektiv ist und der eine relativ breite Lichtführungsschicht zum Übertragen von Licht aufweist.

Ein erfindungsgemäßer lichtgesteuerter Halbleiterlichtkoppler zum Ändern der Position und zum Modulieren eines Signallichtstrahles in Abhängigkeit von der Intensität eines Steuerlichtes weist eine Mehr fach-Quantenwellstruktur mit alternierenden Quantenwell- und Quan tensperrschichten, wobei jede Schicht eine Dicke und eine Dicken richtung parallel zur Dicke besitzt und die Mehrfach-Quantenwell struktur einen Brechungsindex hat, der in Abhängigkeit von der In tensität von einfallendem und im wesentlichen monochromatischen Steuerlicht variiert, und erste und zweite Halbleiter-Lichtführungs schichten auf, die mit der Mehrfach-Quantenwellstruktur in Kontakt stehen und diese von zwei Seiten einschließen, zum Übertragen von einem in Abhängigkeit von der Intensität des Steuerlichtes, das in die Mehrfach-Quantenwellstruktur einfällt, variabel zwischen den er sten und zweiten Lichtführungsschichten gekoppelten Signallicht strahl. Die Lichtführungsschichten weisen dabei einen höheren Bre chungsindex als die Mehrfach-Quantenwellstruktur auf. Der erfin dungsgemäße lichtgesteuerte Halbleiterlichtkoppler weist ferner er ste und zweite Halbleiter-Mantelschichten auf, die mit der ersten bzw. zweiten Lichtführungsschicht in Kontakt stehen und einschlie ßen, so daß eine Struktur gebildet wird, die die erste Mantel schicht, die erste Lichtführungsschicht, die Mehrfach-Quantenwell struktur, die zweite Lichtführungsschicht und die zweite Mantel schicht aufeinanderfolgend aufweist, wobei die ersten und zweiten Mantelschichten den Signallichtstrahl einschließen, der quer zum Steuerlicht in den ersten und zweiten Lichtführungsschichten läuft.

Ein weiterer lichtgesteuerter Halbleiterlichtkoppler zum Ändern der Position und zum Modulieren eines Signallichtes in Abhängigkeit von der Intensität eines Steuerlichtes in Übereinstimmung mit der Erfin dung weist eine Mehrfach-Quantenwellstruktur mit alternierenden Halbleiterquantenwell- und -quantensperrschichten auf. Jede Schicht besitzt dabei eine Dicke und eines Dickenrichtung parallel zur Dicke. Die Mehrfach-Quantenwellstruktur weist einen Brechungsindex auf, der in Abhängigkeit von der Intensität eines einfallenden, im wesentlichen monochromatischen Steuerlichtes variiert. Der Halblei terlichtkoppler weist ferner erste und zweite Halbleiter-Lichtfüh rungsschichten auf, die mit der Mehrfach-Quantenwellstruktur in Kon takt stehen und diese einschließen, zum Übertragen eines Signal lichtstrahles, der in Abhängigkeit von der Intensität des in die Mehrfach-Quantenwellstruktur einfallenden Steuerlichtes variabel zwischen den ersten und zweiten Lichtführungsschichten gekoppelt ist, wobei die Lichtführungsschichten einen höheren Brechungsindex als die Mehrfach-Quantenwellstruktur aufweisen. Ferner weist der Halbleiterlichtkoppler erste und zweite Halbleitermantelschichten auf, die mit der ersten und zweiten Lichtführungsschicht und der Mehrfach-Quantenwellstruktur in Kontakt stehen und diese einschlie ßen, wobei die ersten und zweiten Mantelschichten den quer zum Steu erlicht in der ersten und zweiten Lichtführungsschicht laufenden Si gnallichtstrahl einschließen. Der Halbleiterlichtkoppler weist wei terhin eine Quelle von im wesentlichen monochromatischem Steuerlicht zum Ausleuchten der Mehrfach-Quantenwellstruktur mit dem Steuerlicht quer zur Ausbreitungsrichtung des Signallichtes in der ersten und zweiten Lichtführungsschicht und im wesentlichen parallel zur Dic kenrichtung der Mehrfach-Quantenwellstrukturschichten auf.

Ein weiterer lichtgesteuerter Halbleiterlichtkoppler in Übereinstim mung mit der Erfindung weist eine Mehrfach-Quantenwellstruktur mit alternierenden Halbleiterquantenwell- und -quantensperrschichten auf. Jede Schicht besitzt dabei eine Dicke und eines Dickenrichtung parallel zur Dicke. Die Mehrfach-Quantenwellstruktur weist einen Brechungsindex auf, der in Abhängigkeit von der Intensität eines einfallenden, im wesentlichen monochromatischen Steuerlichtes vari iert. Ferner weist der Halbleiterlichtkoppler erste und zweite Halb leitermantelschichten auf, die mit der Mehrfach-Quantenwellstruktur in Kontakt stehen und diese einschließen, wobei die zweite Mantel schicht erste und zweite voneinander entfernte Rippen besitzt, die sich im allgemeinen parallel zur Dickenrichtung der Mehrfach-Quan tenwellstruktur erstrecken, die jeweils erste und zweite Lichtfüh rungsbereiche in der Mehrfach-Quantenwellstruktur gegeüber der er sten bzw. zweiten Rippe bilden, zum Übertragen eines Signallicht strahles, der variabel zwischen den ersten und zweiten Lichtfüh rungsbereichen in Abhängigkeit von der Intensität des in die Mehr fach-Quantenwellstruktur zwischen der ersten und zweiten Rippe und quer zur Ausbreitungsrichtung des Signallichtstrahles durch die er sten und zweiten Lichtführungsbereiche einfallenden Steuerlichtes gekoppelt ist, wobei die ersten und zweiten Mantelschichten den Si gnallichtstrahl einschließen.

Ein lichtgesteuerter Halbleiterlichtkoppler in Übereinstimmung mit der Erfindung weist eine Mehrfach-Quantenwellstruktur mit alternie renden Halbleiterquantenwell- und -quantensperrschichten auf. Jede Schicht besitzt dabei eine Dicke und eines Dickenrichtung parallel zur Dicke. Die Mehrfach-Quantenwellstruktur weist einen Brechungsin dex auf, der in Abhängigkeit von der Intensität eines einfallenden, im wesentlichen monochromatischen Steuerlichtes variiert. Eine Halb leitermantelschicht steht in Kontakt mit der Mehrfach-Quantenwell struktur und schließt einen Signallichtstrahl in der Mehrfach-Quan tenwellstruktur ein. Der Halbleiterlichtkoppler weist ferner einen Streifen aus einem zweiten Material auf, der eine andere Zusammen setzung wie die Halbleiterschichten der Mehrfach-Quantenwellstruktur und zwei einander im allgemeinen gegenüberliegende erste und zweite Seiten, die im allgemeinen in Dickenrichtung der Schichten der Mehr fach-Quantenwellstruktur verlaufen, besitzt und auf der Mehrfach- Quantenwellstruktur gegenüber der ersten Mantelschicht gebildet ist. Dieser Streifen erzeugt jeweils gegenüber den ersten und zweiten Seiten durch mechanische Spannung, die vom Streifen auf die Mehr fach-Quantenwellstruktur ausgeübt wird, erste und zweite Lichtfüh rungsbereiche in der Mehrfach-Quantenwellstruktur. Die ersten und zweiten Lichtführungsbereiche zum Übertragen eines Signallichtstrah les sind in Abhängigkeit von der Intensität des Steuerlichtes, das zwischen den ersten und zweiten Lichtführungsbereichen und quer zur Ausbreitungsrichtung des Signallichtes durch die ersten und zweiten Lichtführungsbereiche auf die Mehrfach-Quantenwellstruktur fällt, variabel gekoppelt, wobei die erste Mantelschicht den Signallicht strahl einschließt.

Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:

Fig. 1(a) eine schematische Perspektive eines Kopplers und Modulators mit Steuerlicht, das parallel zu den Schichten eines Mehrfach-Quantenwellstruktur einfällt, in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 1(b) einen Querschnitt der in Fig. 1(a) gezeigten Einrichtung mit Steuerlicht, das senkrecht zu den Schichten einer Mehrfach-Quantenwellstruktur entsprechend der Ausführungsform der Erfindung einfällt;

Fig. 2(a) einen Querschnitt einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2(b) einen Querschnitt einer Ausführung der Erfindung mit einem Feld von Lichtführungsschichten;

Fig. 2(c) einen Querschnitt einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit einem Feld von Lichtführungsschichten;

Fig. 2(d) einen Querschnitt einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit einem Feld von Lichtführungsschichten;

Fig. 2(e) einen Querschnitt einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit einem Feld von Lichtführungsschichten;

Fig. 3(a) einen Querschnitt einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit zwei Lichtführungsbereichen, die ent sprechenden Rippen einer Mantelschicht gegenüberliegen;

Fig. 3(b) einen Querschnitt einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit einem Feld von Lichtführungsbereichen, die entsprechenden Rippen eines Mantelschicht gegen überliegen;

Fig. 3(c) einen Querschnitt einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit einem Feld von Lichtführungsbereichen;

Fig. 4(a) einen Querschnitt einer Ausführungsform der Erfindung mit zwei spannungsinduzierten Lichtführungsbereichen;

Fig. 4(b) einen Querschnitt einer Ausführungsform der Erfindung mit einem Feld von spannungsinduzierten Lichtführungs bereichen;

Fig. 4(c) einen Querschnitt einer Ausführungsform der Erfindung mit einem Feld von spannungsinduzierten Lichtführungs bereichen; und

Fig. 5 eine schematische Perspektive eines elektrisch betriebenen Lichtkopplers und -modulators entsprechend dem Stand der Technik.

In Fig. 1(a) und den anderen Figuren werden die im Zusammenhang mit Fig. 5 beschriebenen Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen und nicht nochmals beschrieben. (In manchen Figuren weisen manche wiederholte Elemente Suffixe und andere Notationen auf, um eine Ver wechslung der wiederholten Elemente zu vermeiden. Die hinzugefügten Notationen geben jedoch keinerlei Änderung der Funktion oder des Aufbaus der jeweiligen Elemente an.) Im Gegensatz zur Einrichtung des Standes der Technik, die eine homogene Abstandsschicht 3 auf weist, besitzt die Einrichtung der Fig. 1(a) eine Mehrfach-Quanten wellstruktur 103, die von den ersten und zweiten Lichtführungs schichten 1 und 2 eingeschlossen wird und mit diesen in Kontakt steht. Die Lichtführungsschicht 1 befindet sich zwischen und in Kon takt mit der Mantelschicht 10 und der Mehrfach-Quantenwellstruktur 103, die Lichtführungsschicht 2 sich zwischen und in Kontakt mit der Mantelschicht 20 und der Mehrfach-Quantenwellstruktur 103. Somit liegen bei der Einrichtung der Fig. 1(a) die erste Mantelschicht 10, die erste Lichtführungsschicht 1, die Mehrfach-Quantenwellstruktur 103, die zweite Lichtführungsschicht 2 und die zweite Mantelschicht 20 aufeinander. Wie bekannt ist, weist eine Mehrfach-Quantenwell struktur abwechselnd Quantenwell- und Quantensperrschichten auf. Die Quantensperrschichten besitzen dabei eine größere Energiebandlücke als die Quantenwellschichten und jede der Schichten weist eine Dicke in der Größenordnung von 20 Nanometern (nm) oder weniger auf, um die Quantenerscheinungen auszulösen, die einer Mehrfach-Quantenwell struktur zugeordnet sind. Wie in Fig. 1(a) dargestellt ist, liegen die Dickenrichtung der Quantenwell- und der Quantensperrschichten in derselben Richtung wie die Dickenrichtung der anderen Schichten, d. h. im allgemeinen senkrecht zum Substrat 101. Im allgemeinen stim men die Außendimensionen der Ausführung der Erfindung von Fig. 1(a) ungefähr mit denjenigen der in Fig. 5 gezeigten Einrichtung des Standes der Technik überein.

Die Einrichtung der Fig. 1(a) wird im wesentlichen durch dieselben Prozesse hergestellt, die beim Bilden der verschiedenen Schichten der in Fig. 5 dargestellten Einrichtung verwendet werden. Der ein zige Unterschied besteht in der Abscheidung der sehr dünnen Schich ten, die die Mehrfach-Quantenwellstruktur 103 bilden. Diese werden bevorzugterweise durch MOCVD oder MBE geschaffen. Bevorzugterweise weist das Substrat 101 eine freigelegte (100) Oberfläche auf, auf der die Schichten 10 und 1, die Mehrfach-Quantenwellstruktur 103 und die Schichten 2 und 20 aufeinanderfolgend gebildet werden. Wie bei der Einrichtung des Standes der Technik beträgt der Aluminiumanteil der Al_xGa_1-xAs-Mantelschichten 10 und 20 vom n-Typ bevorzugterweise etwa 0,3. Die Lichtführungsschichten 1 und 2 können aus GaAs oder Al_xGa_1-xAs bestehen, solange x kleiner als 0,3 ist, so daß die Bre chungsindizes der Mantelschichten kleiner als diejenigen der Licht führungsschichten 1 und 2 sind, um das Licht in den Lichtführungs schichten einzuschließen.

Ein Signallichtstrahl, der in Fig. 1(a) durch den Pfeil A angegeben wird, fällt an einem Ende der Einrichtung in die Lichtführungs schicht 1 ein. Dieser Signallichtstrahl kann Information tragen oder innerhalb der Einrichtung moduliert werden, damit er Information trägt. Der Signallichtstrahl breitet sich innerhalb der Lichtfüh rungsschichten 1 und 2 von einem Ende der Einrichtung zum anderen aus. Um die Grundmode eines Signallichtstrahles durch die Lichtfüh rungsschichten 1 und 2 zu führen, werden die Dicken dieser Schichten in Abhängigkeit von der Wellenlänge des Signallichtes im Bereich von 100 bis 400 nm gewählt. Eine typische Dicke der Mehrfach-Quanten wellstruktur beträgt 100 bis 1000 nm, wobei auch dickere Mehrfach- Quantenwellstrukturen verwendet werden können. Obwohl die Dotie rungskonzentration der jeweiligen Schichten in der Struktur nicht auf einen bestimmten Wert oder Bereich beschränkt ist, beträgt diese bevorzugterweise höchstens 5 × 10¹⁷ cm^-3, um eine Absorption freier Träger des Signallichtstrahles zu vermeiden.

Beim Betrieb fällt ein Signallichtstrahl A in die Lichtführungs schicht 1 ein und tritt als Ausgangs-Signallichtstrahl B aus. Diese sind in Fig. 1(a) als Pfeile dargestellt. Durch die optische Kopp lung zwischen den Lichtführungsschichten 1 und 2 wird wie bei der Einrichtung des Standes der Technik das Licht allmählich zur Licht führungsschicht 2 übertragen, wenn es in der Lichtführungsschicht 1 durch die Einrichtung läuft. Bei der kritischen Einrichtungslänge, d. h. der kritischen Länge des Lichtausbreitungspfades, tritt eine vollständige Übertragung des Signallichtes von einer Lichtführungs schicht zur anderen auf. Die kritische Länge hängt neben anderen Pa rametern vom effektiven Brechungsindex des Materiales ab, das mit den Lichtführungsschichten 1 und 2 in Kontakt steht und von einge schlossen wird.

Wenn ein Steuerlicht geeigneter Wellenlänge, d. h. im wesentlichen monochromatisches Licht einer bestimmten Wellenlänge in die Mehr fach-Quantenwellstruktur einfällt, so ist bekannt, daß sich der ef fektive Brechungsindex der Mehrfach-Quantenwellstruktur in Abhängig keit von der Intensität des einfallenden Steuerlichts ändert. Dieser nicht-lineare optische Effekt führt zu einem effektiven Brechungsin dex n₁ der Mehrfach-Quantenwellstruktur, der gleich dem Basisbre chungsindex n₀ der Mehrfach-Quantenwellstruktur plus dem Produkt ei nes Koeffizienten α des nicht-linearen optischen Effektes mit einem Wert von etwa 10⁷/cm²W mit der Intensität des einfallenden Lichtes ist. Diese Variation des Brechungsindex ist in "Electronic Letters", Vol. 21, Seite 26, 1985 beschrieben. Diese Brechungsindexänderungen in Abhängigkeit von der Intensität eines einfallenden Steuerlichtes wird in massiven Halbleitermaterialien nicht beobachtet.

Um die gewünschten Änderungen des Brechungsindex zu erzeugen, wird die Energie des Steuerlichtes kleiner als die Bandlücke des Halblei termateriales gewählt, das in den Mehrfach-Quantenwellstrukturen verwendet wird. Bestehen die Quantenwellschichten aus GaAs, das eine Bandlücke von etwa 1,42 Elektronenvolt aufweist, was einer Wellen länge von ungefähr 850 nm entspricht, so liegt die geeignete Wellen länge des Steuerlichtes bei etwa 900 nm. In Fig. 1(a) ist eine Aus führungsform einer Steuerlichtquelle 105 schematisch dargestellt. Diese Lichtquelle weist einen Halbleiterlaser 106 auf, könnte jedoch eine andere Art von Laser oder eine andere monochromatische Licht quelle mit Filtern, um aus einer nicht monochromatischen Lichtquelle ein im wesentlichen monochromatisches Steuerlicht zu erzeugen, ent halten.

Das in Fig. 1(a) durch drei Pfeile angegebene Steuerlicht 300 fällt quer zur Dickenrichtung der Schichten dieser Struktur und quer zur Ausbreitungsrichtung des Signallichtstrahles in den Lichtführungs schichten auf die Mehrfach-Quantenwellstruktur. In Abhängigkeit von der Intensität des Steuerlichtes ändert sich der Brechungsindex der Mehrfach-Quantenwellstruktur, so daß der Kopplungsgrad zwischen den Lichtführungsschichten 1 und 2 variiert. Durch diese Änderung kann der Eingangs-Signallichtstrahl A von der Lichtführungsschicht 1 zur Lichtführungsschicht 2 übertragen oder es kann dies verhindert wer den und/oder es kann der Signallichtstrahl B, der aus einer der Lichtführungsschichten der Einrichtung austritt, in Abhängigkeit von den Intensitätsänderungen des Steuerlichtes 300 moduliert werden. Obwohl dies in dieser Figur nicht dargestellt ist, kann der Signal lichtstrahl mittels Lichtleitern in den Koppler und Modulator einge geben oder von diesem abgenommen werden. Ferner können die Steuer lichtquelle und die Lichtleiter in einer einzelnen Einheit gekapselt sein.

Bevorzugterweise ist der Koppler und Modulator so hergestellt, daß er eine Länge zwischen den Enden der Einrichtung aufweist, an denen der Signallichtstrahl ein- bzw. austritt, die gleich einem ganzzah ligen Vielfachen der kritischen Länge ist, so daß eine starke Kopp lung zwischen den Lichtführungsschichten 1 und 2 besteht, wenn in die Struktur kein Steuerlicht 300 einfällt. Ist das Steuerlicht 300 beispielsweise vorhanden, so vermindert es die Stärke des Signal lichtstrahles, der von der Führungsschicht 2 auf der Basis eines Eingangs-Signallichtstrahles in die Lichtführungsschicht austritt, oder löscht diesen ganz aus. Somit wird eine Positionsumschaltung des Signallichtstrahles und/oder dessen Modulation in Abhängigkeit von der Intensität des einfallenden Steuerlichtes erreicht.

Da der Lichtkoppler und -modulator vollständig vom Steuerlicht 300 betrieben wird, ist er ohne weiteres mit anderen lichtgetriebenen Komponenten kompatibel, die kein modulierendes elektrisches Signal benötigen. Wird als Steuerlichtquelle ein Halbleiterlaser verwendet, so kann das Umschalten und Modulieren des Signallichtstrahles mit einer Spannungsamplitude von 2 Volt, dem zum Treiben des Lasers an gelegten Signal, erreicht werden. Dies stellt eine signifikante Ver besserung gegenüber dem Signal von 10 Volt dar, das zum Treiben der Einrichtung des Standes der Technik aus Fig. 5 benötigt wird. Ferner besteht keine Notwendigkeit, elektrische Kontakte zu eingebetteten Schichten herzustellen oder Verdrahtungen zum elektrischen Anschlie ßen des Kopplers und Modulators zu bilden.

Die Anordnung des Steuerlichtes 300 relativ zum Koppler und Modula tor ist nicht auf die in Fig. 1(a) gezeigte beschränkt. In Fig. 1(b) befindet sich die Lichtquelle 105 gegenüber der Mantelschicht 20. Bei dieser Anordnung fällt das Steuerlicht 300 parallel zur Dicken richtung der Mehrfach-Quantenwellstruktur und quer zur Ausbreitungs richtung des Signallichtstrahles auf die Quantenwellstruktur 103. Da die Bandlücken der Mantelschicht 20 und der Lichtführungsschicht 2 größer als die effektive Bandlücke der Mehrfach-Quantenwellstruktur 03 sind, ist die Dämpfung des Steuerlichtes 300 durch diese Schich ten nicht signifikant. Beleuchtet das Steuerlicht 300 die Mehrfach- Quantenwellstruktur wie in Fig. 1(b) parallel zur Dickenrichtung der Schichten dieser Struktur, so ergibt sich eine größere Fläche zur Beleuchtung wie wenn die relativ dünne Mehrfach-Quantenwellstruktur mit dem Steuerlicht quer zur Dickenrichtung beleuchtet wird, wie dies in Fig. 1(a) der Fall ist. Daher wird bei der Anordnung von Fig. 1(b) im Vergleich mit der Anordnung von Fig. 1(a) eine verbes serte Gleichmäßigkeit der Beleuchtung der Mehrfach-Quantenwellstruk tur durch das Steuerlicht 300 erreicht.

Die Einrichtung der Fig. 2(a) unterscheidet sich von der von Fig. 1(a) in der Anordnung der Lichtführungsschichten 1a und 2a bezüglich zur Mehrfach-Quantenwellstruktur 103. Während sich bei der Einrich tung von Fig. 1(a) die Lichtführungsschichten 1 und 2 zwischen den Mantelschichten 10 und 20 und der Mehrfach-Quantenwellstruktur be finden, schließen bei der Einrichtung von Fig. 2(a) die Mantel schichten 10 und 20 die Mehrfach-Quantenwellstruktur 103a direkt ein und stehen direkt mit dieser in Kontakt. Die Mehrfach-Quantenwell struktur 103a ist dabei ein Teil einer Mehrfach-Quantenwellstruktur 103, die bei der Herstellung der Einrichtung gebildet wurde. Ferner stehen die Lichtführungsschichten 1a und 2a mit der Mehrfach-Quan tenwellstruktur 103 in Kontakt und schließen diese ein, während sie selbst von den Mantelschichten eingeschlossen werden und in Kontakt stehen. Ferner sind Mantelschichten 110 und 120 in Kontakt mit den Lichtführungsschichten 1a bzw. 2a zwischen und in Kontakt mit den Mantelschichten 10 und 20 gebildet. Bevorzugterweise besitzen die Mantelschichten 10, 20, 110 und 120 alle dieselbe Zusammensetzung. Die Ausführung des Kopplers und Modulators von Fig. 2(a) ist somit eine horizontale Anordnung der Lichtführungsschichten 1a und 2a, die die Mehrfach-Quantenwellstruktur 103a einschließen sowie der Mantel schichten 110 und 120, die die Führungsschichten einschließen. Es werden somit aufeinanderfolgend eine Mantelschicht, eine Lichtfüh rungsschicht, die Mehrfach-Quantenwellschicht, eine Lichtführungs schicht und eine Mantelschicht angeordnet. Demgegenüber ist die Ein richtung der Fig. 1(a) eine vertikale Anordnung, bei der die Licht führungsschichten 1 und 2 die Mehrfach-Quantenwellstruktur 103 ein schließen und wiederum selbst von den Mantelschichten 10 und 20 in vertikaler Anordnung eingeschlossen werden. Bei der vertikalen An ordnung der Fig. 1(a) und 1(b) fällt das Steuerlicht 300 entweder direkt auf die Mehrfach-Quantenwellstruktur oder läuft durch eine Lichtführungsschicht, um die Mehrfach-Quantenwellstruktur zu errei chen. Bei der horizontalen Anordnung der Fig. 2(a) fällt das Steu erlicht jedoch nicht direkt auf die Mehrfach-Quantenwellstruktur 103a und muß niemals durch eine Lichtführungsschicht laufen, um die Mehrfach-Quantenwellstruktur zu erreichen.

Wie bei der in Fig. 1(b) gezeigten Einrichtung fällt das Steuerlicht 300 bei der Einrichtung der Fig. 2(a) auf den relativ großen Bereich einer Schicht der Mehrfach-Quantenwellstruktur 103, d. h. verläuft parallel zur Dickenrichtung der Schichten der Mehrfach-Quantenwell struktur. Der auf die Führungsschicht 1a einfallende Signallicht strahl wird bei fehlendem Steuerlicht 300 in die Lichtführungs schicht 2a eingekoppelt, aus der es den Koppler und Modulator ver läßt. Die Kopplung zwischen den zwei Führungsschichten wird von der Intensität des Steuerlichtes 300 gesteuert, das auf die Mehrfach- Quantenwellstruktur 103a zwischen den zwei Lichtführungsschichten 1a und 2a einfällt, um die Position des entlang der Lichtführungs schichten quer zum Steuerlicht 300 laufenden Signallichtes umzu schalten und/oder zu modulieren. Die Mantelschichten 10, 20, 110 und 120 schließen das Signallicht ein und erlauben, daß der Abstand zwi schen den Lichtführungsschichten 1a und 2a im Vergleich zur Einrich tung der Fig. 1(a) beispielsweise auf 5 Mikrometer vergrößert werden kann. Bei der Einrichtung der Fig. 1(a) werden die Lichtführungs schichten nur durch etwa 1 Mikrometer voneinander getrennt, der Dicke der Mehrfach-Quantenwellstruktur 103. In der Fig. 2(a) sind die Lichtführungsschichten 1a und 2a durch die Breite und nicht die Dicke der Mehrfach-Quantenwellstruktur voneinander getrennt.

In Fig. 2(b) ist ein horizontales Feld von Kopplern und Modulatoren gezeigt, die als eine Einheit die Ausführung der Struktur von Fig. 2(a) verwenden. Beim horizontalen Feld der Fig. 2(b) sind mehrere, d. h. 1 bis n der Einrichtungen der Fig. 2(a) auf einem einzelnen Substrat 101 integriert, die gemeinsame Mantelschichten 10 und 20 aufweisen. Die in Fig. 2(b) am weitesten links liegende Einheit weist dieselben Elemente wie die Einrichtung der Fig. 2(a) auf, die jedoch mit dem Index 1 versehen sind, um die erste Einheit anzuge ben. Die rechts davon liegende nächste Einheit weist bei der Nume rierung ihrer Elemente den Index 2 auf. Dies setzt sich bis zur n- ten Einheit ganz auf der rechten Seite der Fig. 2(b) fort. Die Ein heiten sind somit durch die Mantelschichten 120 ₁-120 _n-1 voneinander getrennt. Somit ist jede Lichtkoppler- und -modulatoreinheit in ih rer Operation unabhängig. Das Feld gestattet jedoch die gleichzei tige Verarbeitung einer großen Zahl von Signallichtstrahlen mit je weiligem Steuerlicht, das durch die Lichtquellen 106a₁ . . . 106a_n er zeugt wird.

Das Feld der Fig. 2(b) kann sogar noch komplexer gestaltet werden, indem Koppler- und Modulatoreinheiten auf beiden Seiten, d. h. den einander gegenüberliegenden Oberflächen des gemeinsamen Substrates 101 angeordnet werden. Eine Ausführung eines solchen Feldes ist in Fig. 2(c) im Querschnitt gezeigt. Die in Fig. 2(c) dargestellte Aus führung weist eine Mehrzahl von Lichtkoppler- und -modulatoreinhei ten auf, die jeweils die Struktur der Ausführung von Fig. 2(a) be sitzen. Die Bezugszeichen der in Fig. 2(c) gezeigten Elemente der Einheiten auf der Bodenseite des Substrates 101 weisen einen Apostroph (′) auf, um sie von den Elementen der Oberseite des Sub strates zu unterscheiden. Ähnlich wie beim einfacheren, in Fig. 2(b) dargestellten Feld arbeitet auch hier jede der Einheiten in Fig. 2(c) bezüglich der Positionskopplung und Modulation in Abhängigkeit von der Einwirkung durch die getrennten Steuerlichtquellen 106 ₁ . . . 106 _n, 106 ₁′ . . . 106 _n′ der Signallichtstrahlen, die jeweils den individuellen Einheiten zugeführt werden, unabhängig.

Eine weitere Ausführung eines Feldes mit Einheiten, die ähnlich der Einrichtung von Fig. 2(a) sind, ist in Fig. 2(d) im Querschnitt dar gestellt. Das Feld der Fig. 2(d) unterscheidet sich vom Feld der Fig. 2(b) in einem wichtigen Punkt. Beim Feld der Fig. 2(d) sind eine Mehrzahl von alternierenden Lichtführungsschichten und Quante wellstrukturen zwischen den zwei Mantelschichten 10 und 20 einge schlossen. (Die Lichtführungsschichten sind in Fig. 2(d) mit 1a, 1a₁ . . . 1a_n bezeichnet; dies stellt einen kleinen Unterschied zur Be zeichnung der Lichtführungsschichten der Fig. 2(a)-2(c) dar, um eine Verwechslung zu vermeiden.) Da im horizontal abwechselnden Feld der Lichtführungsschichten und Quantenwellstrukturen keine Mantelschich ten dazwischen liegen, kann das Feld der Fig. 2(d) im wesentlichen in derselben Weise arbeiten, die für den Koppler und Modulator der Fig. 2(a) beschrieben worden ist, darüber hinaus jedoch eine zusätz liche Flexibilität aufweist. Im Gegensatz zum Feld der Fig. 2(b), bei dem ein Signallichtstrahl nur in die benachbarte Lichtführungs schicht auf der gegenüberliegenden Seite der benachbarten Mehrfach- Quantenwellstrukturabschnitt 103a₁ eingekoppelt werden kann, kann beim Feld der Fig. 2(d) ein Eingangs-Signallichtstrahl von einer Lichtführungsschicht (beispielsweise 1a) über eine dazwischen lie gende Lichtführungsschicht (beispielsweise 1a₁) in eine dritte (beispielsweise 1a₂) oder sogar eine weiter entfernte Lichtführungs schicht gekoppelt werden. Beträgt die Länge der Einrichtung mehrere ganzzahlige Vielfache der kritischen Länge, so kann ein Signallicht strahl über mehrere dazwischen liegende Mehrfach-Quantenwellstruktu ren, d. h. über mehr als eine Lichtführungsschicht gekoppelt werden, bevor er die Einrichtung verläßt. Die dazwischen befindlichen Man telschichten im Feld der Fig. 2(b) verhindern diese umfangreiche Po sitionsverschiebung des Signallichtstrahles. Ferner ermöglicht das Feld der Fig. 2(d) die gleichzeitige Umschaltung der Position und/oder Modulation von mehreren Signallichtstrahlen, wenn verschie dene Steuerlichtstrahlen 300 an die jeweiligen Mehrfach-Quantenwell strukturen angelegt werden, um eine Kopplung oder Modulation der je weiligen Signallichtstrahlen in benachbarten Paaren von Lichtfüh rungsschichten zu bewirken. In Abhängigkeit von der Positionierung und/oder Betreibung der jeweiligen Steuerlichtquellen 106, 106 ₁ . . . 106 _n und der Länge des Feldes relativ zur kritischen Länge, können mit anderen Worten Signallichtstrahlen selektiv zwischen Paa ren benachbarter Lichtführungsschichten und sogar weiter entfernt liegenden Lichtführungsschichten gekoppelt und/oder bezüglich diesen moduliert werden.

Wie in der Ausführungsform der Fig. 2(e) dargestellt ist, können Felder der in Fig. 2(d) gezeigten Art auf den beiden einander gegen überliegenden Oberflächen eines gemeinsamen Substrates 101 gebildet sein, wie dies auch in Fig. 2(c) der Fall ist. Für jedes benachbarte Paar von Lichtführungsschichten sind getrennte Steuerlichtquellen 106 . . . 106 _n und 106′ . . . 106 _n′ gebildet, um in Übereinstimmung mit der gewünschten Kopplung und Modulation zwischen benachbarten und weiter voneinander entfernten Paaren von Lichtführungsschichten diese zu betreiben. Die Felder der Fig. 2(b)-2(d) erlauben eine schnelle, lichtgesteuerte zweidimensionale Positionsumschaltung und/oder Modu lation mehrerer Signallichtstrahlen.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 3(a) im Quer schnitt dargestellt. Dieser Koppler und Modulator ist hinsichtlich Struktur und Herstellung einfacher als die oben beschriebenen Aus führungen. Bei der Ausführung der Fig. 3(a) schließen die Mantel schichten 10 und 20b die Mehrfach-Quantenwellstruktur 103 ein und stehen in Kontakt mit dieser. Es sind keine separaten Lichtführungs schichten vorhanden. Stattdessen weist die Mantelschicht 20b zwei Rippen 401 und 402 auf, die sich von der Mehrfach-Quantenwellstruk tur weg erstrecken. Obwohl die Rippen 401 und 402 im Querschnitt der Fig. 3(a) rechteckig dargestellt sind, ergibt sich hieraus keine Be schränkung bezüglich der Querschnittsform der Rippen. Durch das Vor handensein der Rippen variiert die Verteilung des Produktes aus Bre chungsindex und Dicke der Mantelschicht 20b lateral, d. h. entlang der Richtung quer zur Dickenrichtung der Schichten der Mehrfach- Quantenwellstruktur 103. Dieses Produkt weist bei den zwei Rippen einen größeren Wert auf, wodurch die optischen Eigenschaften der Mehrfach-Quantenwellstruktur 103 gegenüber diesen Rippen geändert werden. Somit werden gegenüber den jeweiligen Rippen Lichtführungs bereiche 1b und 2b innerhalb der Quantenwellstruktur gebildet. Mit anderen Worten werden in der Mehrfach-Quantenwellstruktur gegenüber den Rippen 401 bzw. 402 Lichtführungsbereiche 1b und 2b geschaffen, wobei ein Abschnitt 103b der Mehrfach-Quantenwellstruktur dazwischen liegt. Diese Lichtführungsbereiche wirken in derselben Weise wie die Lichtführungsschichten der oben beschriebenen Ausführungsformen, er fordern jedoch keine getrennte Herstellung. Das Steuerlicht 300 fällt zwischen den Rippen 401 und 402 auf den Koppler und Modulator, d. h. auf den Bereich 103b der Mehrfach-Quantenwellstruktur zwischen den zwei Lichtführungsbereichen ein.

Die in Fig. 3(a) dargestellte Ausführung der Erfindung weist den Vorteil einer einfachen Herstellung auf. Diese Einrichtung wird durch aufeinanderfolgendes Abscheiden der ersten Mantelschicht 10, der Mehrfach-Quantenwellstruktur 103 und der zweiten Mantelschicht 20b durch einen herkömmlichen Prozeß geschaffen. Anschließend werden in der zweiten Mantelschicht 20b unter Verwendung herkömmlicher Pho tolithographieverfahren die Rippen durch Maskieren und Ätzen gebil det.

Koppler-/Modulatorfelder mit Einheiten, die einen Aufbau wie in Fig. 3(a) dargestellt aufweisen, können analog zu den Feldern der Fig. 2(d) und 2(e) gebildet werden. Ein derartiges lineares Feld, bei dem die Ausführungen der Einrichtung von Fig. 3(a) nebeneinander kombi niert sind, ist in Fig. 3(b) dargestellt. (In den Fig. 3(b) und 3(c) sind die Lichtführungsbereiche mit 1b₁ . . . 1b_n und 1b₁′ . . . 1b_n′ bzw. 2b₁ . . . 2b_n und 2b₁′ . . . 2b_n′ statt 1b, 2b wie in Fig. 3(a) bezeichnet, um Verwechslungen zu vermeiden.) In Fig. 3(c) ist eine Anordnung von zwei Feldern der Fig. 3(b) auf den beiden Oberflächen eines einzelnen Substrates 101 gezeigt. Da die Felder der Fig. 3(b) und 3(c) ähnlich denen der Fig. 2(d) und 2(e) arbeiten, ist eine detaillierte Beschreibung ihrer Betriebsmodi nicht erforderlich. Ähnlich wie das Feld der Fig. 2(d) kann das Feld der Fig. 3(b) so betrieben werden, als ob es isolierte Paare benachbarter Lichtführungsbereiche enthielte, zwischen denen Licht gekoppelt und/oder moduliert werden kann. Da bei den Ausführungen der Fig. 3(b) und 3(c) die Mehrfach-Quantenwellstruktur 103 zwischen benachbarten Lichtführungsschichten kontinuierlich ist, ist ferner ein Schalten und Modulieren der Signallichtstrahlen zwischen Lichtführungsbereichen, die weiter als benachbarte Paare von Lichtführungsbereichen voneinander entfernt sind, in Abhängigkeit von der Länge des Feldes in Ausbreitungsrichtung des Signallichtstrahles relativ zur kritischen Lenge der einzelnen Einrichtung möglich.

In Fig. 4(a) ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung im Quer schnitt dargestellt. Die Struktur der Fig. 4(a) weist aufeinander folgend eine auf einem Substrat 101 gebildete erste Mantelschicht 10 und eine Mehrfach-Quantenwellstruktur 103 auf. Statt der Bildung ei ner zweiten Mantelschicht derselben Zusammensetzung wie die erste Mantelschicht 10 wird jedoch ein relativ dicker Streifen 500 eines anderen Materiales wie beispielsweise Siliziumnitrid auf der frei liegenden Oberfläche der Mehrfach-Quantenwellstruktur 103 gegenüber der ersten Mantelschicht 10 geschaffen. Der Streifen 500 weist quer zur Mehrfach-Quantenwellstruktur 103, d. h. in Fig. 4(a) im allgemei nen parallel zur Dickenrichtung der Schichten der Mehrfach-Quanten wellstruktur verlaufende Seitenflächen 501 und 502 auf. Obwohl der Streifen 500 in Fig. 4(a) einen rechteckigen Querschnitt aufweist, kann der Streifen 500 auch andere Querschnittsformen besitzen und ist somit nicht auf einen rechteckigen beschränkt.

Da das im Streifen 500 benutzte Material eine andere Zusammensetzung wie die Mehrfach-Quantenwellstruktur aufweist, besitzt es auch an dere Eigenschaften, einschließlich einem anderen Wärmeausdehnungsko effizienten. Besteht der Streifen 500 aus Siliziumnitrid, so wird dieser durch Abscheiden einer Schicht aus Siliziumnitrid auf der ge samten Oberfläche der Mehrfach-Quantenwellstruktur 103 beispiels weise in einem herkömmlichen Abscheidungsprozeß bei etwa 700°C ge schaffen. Anschließend wird durch herkömmliche Photolithographie- und Ätzverfahren der Streifen 500 gebildet. Der Unterschied zwischen Abscheidungs- und Betriebstemperatur, d. h. Raumtemperatur für die Ausführung sowie der Wärmeausdehnungskoeffizienten der Mehrfach- Quantenwellstruktur und des Streifens 500 führt zu mechanischen Spannungen der Mehrfach-Quantenwellstruktur bei normaler Betrieb stemperatur. An den Stellen, bei denen die Seitenflächen 501 und 502 des Streifens auf die Mehrfach-Quantenwellstruktur treffen, werden diese mechanischen Spannungen konzentriert und ändern lokal den ef fektiven Brechungsindex der Mehrfach-Quantenwellstruktur. Der geän derte Brechungsindex führt zu Lichtführungsbereichen 1c und 2c in der Mehrfach-Quantenwellstruktur gegenüber den Seitenflächen 501 und 502 des Streifens 500. Diese Lichtführungsbereiche 1c und 2c sind durch den Abschnitt 103c der Mehrfach-Quantenwellstruktur zwischen den bereichen gekoppelt. Das Steuerlicht 300 fällt auf den Abschnitt 103c der Mehrfach-Quantenwellstruktur, nachdem es durch den Streifen 500 gelaufen ist. Damit muß das Material des Streifens 500 so ge wählt werden, daß das Steuerlicht 300 vom Streifen 500 nicht reflek tiert oder ungünstig abgeschwächt wird, bevor es den Abschnitt 103c der Mehrfach-Quantenwellstruktur erreicht.

Ähnlich wie die Ausführung der Fig. 3(a) kann die der Fig. 4(a) re lativ einfach hergestellt werden. Der Herstellungsprozeß schließt ein Wachsen der Mantelschicht 10 und der Mehrfach-Quantenwellstruk tur 103 sowie ein Abscheiden der Schicht ein, aus der der Streifen 500 durch Maskieren und Ätzen gebildet wird. Im Gegensatz zur Ein richtung der Fig. 2(a) besteht bei der Herstellung der Einrichtung von Fig. 4(a) keine Notwendigkeit, die Mehrfach-Quantenwellstruktur zu definieren, so daß Lichtführungsschichten benachbart zu dieser gebildet werden können, oder andere komplizierte Herstellungs schritte auszuführen.

Es können mehrere Einheiten der Ausführung von Fig. 4(a) kombiniert werden, um Felder von Kopplern und Modulatoren auf einem gemeinsamen Substrat zu bilden, die ähnlich den in den Fig. 4(b) und 4(c) ge zeigten sind. Die Felder der Fig. 4(b) und 4(c) sind jeweils analog zu den Feldern der Fig. 2(d) und 3(b) bzw. 2(e) und 3(c), so daß keine detaillierte Beschreibung der Struktur oder Betriebsweise not wendig ist. (In den Fig. 4(b) und 4(c) sind die Lichtführungsberei che mit 1c₁ . . . 1c_n und 1c₁′ . . . 1c_n′ bzw. 2c₁ . . . 2c_n und 2c₁′ . . . 2c_n′ statt 1c, 2c wie in Fig. 4(a) bezeichnet, um Verwechslungen zu vermeiden.) Wie bei den Feldern der Fig. 2(d) und 2(e) können benachbarte Paare von Lichtführungsbereichen zum Koppeln und Modulieren von Licht verwendet werden. Ferner kann ein Signallicht zwischen zwei voneinander entfernten, d. h. nicht benachbarten Paaren von Lichtführungsbereichen gekoppelt werden, falls die Länge der Struktur ein geeignetes ganzzahliges Vielfaches der kritischen Länge ist.

Bei den oben beschriebenen speziellen Ausführungsformen werden GaAs und Al_xGa_1-xAs als Halbleitermaterialien der verschiedenen Schichten und Bereiche verwendet. Andere Halbleitermaterialien wie Indiumphos phid (InP), Indiumgalliumarsenid (InGaAs) und sogar Silizium (Si) oder Germanium (Ge), letztere insbesondere in Strained-Superlattice Strukturen, können für Ausführungen der Erfindung benutzt werden. Da der neuartige Koppler und Modulator nicht von einem Spannungssignal oder einer Vorwärts- und Rückwärtsspannung bestimmter Übergänge ab hängt, können Halbleitermaterialien verschiedener (einschließlich intrinsischer und semiisolierender) Leitfähigkeitstypen für die ver schiedenen Schichten bei Ausführungen der Erfindung verwendet wer den. Damit können Herstellungsbeschränkungen oder -ziele hinsicht lich der Eigenschaften anderer zugehöriger oder mit diesen verbun denen Einrichtungen erfüllt werden. Darüber hinaus kann die oben be schriebene Mehrfach-Quantenwellstruktur so einfach wie eine einzelne Quantenwellstruktur zwischen zwei Quantensperrschichten sein. Es ist jedoch eine größere Zahl alternierender Quantenwell- und Quanten sperrschichten wünschenswert, um den nicht-linearen optischen Ef fekt, d. h. die Änderung des Brechungsindex der Mehrfach-Quantenwell struktur in Abhängigkeit von der Intensität des einfallenden und im wesentlichen monochromatischen Steuerlichtes zu vergrößern.

Claims

1. Lichtgesteuerter Halbleiterlichtkoppler zum Ändern der Position und zum Modulieren eines Signallichtstrahles (A) in Abhängigkeit von der Intensität eines Steuerlichtes (300), aufweisend
eine Mehrfach-Quantenwellstruktur (103) mit alternierenden Quan tenwell- und Quantensperrschichten, wobei jede Schicht eine Dicke und eine Dickenrichtung parallel zur Dicke besitzt und die Mehr fach-Quantenwellstruktur (103) einen Brechungsindex hat, der in Abhängigkeit von der Intensität von einfallendem und im wesentli chen monochromatischem Steuerlicht (300) variiert,
erste und zweite Halbleiter-Lichtführungsschichten (1, 2), die in Kontakt mit der Mehrfach-Quantenwellstruktur (103) stehen und
diese von zwei Seiten einschließen, zum Übertragen von einem Si gnallichtstrahl, der in Abhängigkeit von der Intensität des Steu erlichtes (300), das in die Mehrfach-Quantenwellstruktur (103) einfällt, variabel zwischen den ersten und zweiten Lichtführungs schichten (1, 2) gekoppelt ist, wobei die Lichtführungsschichten (1, 2) einen höheren Brechungsindex als die Mehrfach-Quantenwell struktur (103) besitzen, und
erste und zweite Halbleitermantelschichten (10, 20), die mit der ersten bzw. zweiten Lichtführungsschicht (1, 2) in Kontakt stehen und diese einschließen, so daß eine Struktur gebildet wird, die die erste Mantelschicht (10), die erste Lichtführungsschicht (1),
die Mehrfach-Quantenwellstruktur (103), die zweite Lichtführungs schicht (2) und die zweite Mantelschicht (20) aufeinanderfolgend aufweist, wobei die ersten und zweiten Mantelschichten (10, 20) den Signallichtstrahl einschließen, der quer zum Steuerlicht (300) in den ersten und zweiten Lichtführungsschichten (1, 2) läuft.

2. Lichtgesteuerter Halbleiterlichtkoppler nach Anspruch 1, ge kennzeichnet durch eine Quelle (105) von im wesentlichen monochromatischem Steuer licht zum Beleuchten der Mehrfach-Quantenwellstruktur (103) mit Steuerlicht (300) quer zur Ausbreitungsrichtung des Signallicht strahles in den ersten und zweiten Lichtführungsschichten (1, 2).

3. Lichtgesteuerter Halbleiterlichtkoppler nach Anspruch 2, da durch gekennzeichnet, daß die Quelle (105) des Steuerlichtes (300) ein Halbleiterlaser (106) ist.

4. Lichtgesteuerter Halbleiterlichtkoppler nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle (105) des Steuerlichtes (300) so angeordnet ist, daß die Mehrfach-Quantenwellstruktur (103) im wesentlichen senkrecht zur Dickenrichtung der Schichten der Mehrfach-Quantenwellstruktur beleuchtet wird.

5. Lichtgesteuerter Halbleiterlichtkoppler nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle (105) des Steuerlichtes (300) so angeordnet ist, daß die Mehrfach-Quantenwellstruktur (103) im wesentlichen parallel zur Dickenrichtung der Schichten der Mehrfach-Quantenwellstruktur beleuchtet wird.

6. Lichtgesteuerter Halbleiterlichtkoppler nach einem der Ansprü che 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Lichtführungsschichten (1, 2) und die Quan tenwell- und Quantensperrschichten aus der Gruppe ausgewählt wer den, die aus GaAs und AlGaAs besteht und daß die ersten und zwei ten Mantelschichten (10, 20) aus AlGaAs sind.

7. Lichtgesteuerter Halbleiterlichtkoppler zum Ändern der Position und zum Modulieren eines Signallichtstrahles (A) in Abhängigkeit von der Intensität eines Steuerlichtes (300), aufweisend
eine Mehrfach-Quantenwellstruktur (103a) mit alternierenden Quan tenwell- und Quantensperrschichten, wobei jede Schicht eine Dicke und eine Dickenrichtung parallel zur Dicke besitzt und die Mehr fach-Quantenwellstruktur (103a) einen Brechungsindex hat, der in Abhängigkeit von der Intensität von einfallendem und im wesentli chen monochromatischem Steuerlicht (300) variiert,
erste und zweite Halbleiter-Lichtführungsschichten (1a, 2a), die in Kontakt mit der Mehrfach-Quantenwellstruktur (103a) stehen und diese von zwei Seiten einschließen, zum Übertragen von Signal licht, das in Abhängigkeit von der Intensität des Steuerlichtes (300), das in die Mehrfach-Quantenwellstruktur (103a) einfällt, variabel zwischen den ersten und zweiten Lichtführungsschichten (1a, 2a) gekoppelt ist, wobei die Lichtführungsschichten (1a, 2a) einen höheren Brechungsindex als die Mehrfach-Quantenwellstruktur (103a) besitzen, und
erste und zweite Halbleitermantelschichten (10, 20), die mit der ersten bzw. zweiten Lichtführungsschicht (1a, 2a) und der Mehr fach-Quantenwellstruktur (103a) in Kontakt stehen und diese ein schließen, so daß eine Struktur gebildet wird, wobei die ersten und zweiten Mantelschichten (10, 20) den Signallichtstrahl ein schließen, der quer zum Steuerlicht (300) in den ersten und zwei ten Lichtführungsschichten (1a, 2a) läuft, und
eine Quelle (106) von im wesentlichen monochromatischem Steuer licht (300) zum Beleuchten der Mehrfach-Quantenwellstruktur (103a) mit dem Steuerlicht (300) quer zur Ausbreitungsrichtung des Si gnallichtstrahles in den ersten und zweiten Lichtführungsschichten (1a, 2a) und im wesentlichen parallel zur Dickenrichtung der Schichten der Mehrfach-Quantenwellstruktur.

8. Lichtgesteuerter Halbleiterlichtkoppler nach Anspruch 7, da durch gekennzeichnet, daß die Quelle des Steuerlichtes (300) ein Halbleiterlaser (106) ist.

9. Lichtgesteuerter Halbleiterlichtkoppler nach Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet durch dritte und vierte Mantelschichten (110, 120), die zwischen den ersten und zweiten Mantelschichten (10, 20) ange ordnet sind und die erste bzw. zweite Führungsschicht (1a, 2a) einschließen bzw. in Kontakt mit diesen stehen.

10. Lichtgesteuerter Halbleiterlichtkoppler nach einem der Ansprü che 7 bis 9, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von Einheiten, die zwischen den ersten und zweiten Mantelschichten (10, 20) angeordnet sind, wobei jede Einheit eine erste Lichtführungsschicht (1a₁ . . . 1a_n), eine Mehrfach-Quan tenwellstruktur (103a₁ . . . 103a_n) und eine zweite Lichtführungs schicht (2a₁ . . . 2a₂) aufweist, die aufeinanderfolgend zwischen den ersten und zweiten Mantelschichten (10, 20) angeordnet sind, und eine Mehrzahl von Quellen (106 ₁ . . . 106 _n) von im wesentlichen mono chromatischem Steuerlicht (300 ₁ . . . 300 _n) aufweist, die gegenüber den jeweiligen Mehrfach-Quantenwellstrukturen (103a₁ . . . 103a_n) ge bildet sind, zum Beleuchten dieser Mehrfach-Quantenwellstrukturen (103a₁ . . . 103a_n) quer zur Ausbreitungsrichtung der Signallicht strahlen durch die jeweiligen Lichtführungsschichten (1a_1, 2a₁ . . . 1a_n, 2a_n), um die Lichtkopplung zwischen Paaren (1a₁, 2a₁ . . . 1a_n, 2a_n) benachbarter Lichtführungsschichten, die von den jeweiligen Mehrfach-Quantenwellstrukturen (103a₁ . . . 103a_n) getrennt sind, in Abhängigkeit von der Intensität des auf die jeweiligen Mehrfach-Quantenwellstruktur (103a₁ . . . 103a_n), die zwischen den be nachbarten Lichtführungsschichten angeordnet ist, fallenden Steu erlichtes (300 ₁ . . . 300 _n) zu steuern.

11. Lichtgesteuerter Halbleiterlichtkoppler nach einem der Ansprü che 7 bis 9, gekennzeichnet durch
eine Mehrzahl von Mehrfach-Quantenwellstrukturen (103a₁ . . . 103a_n) und Lichtführungsschichten (1a, 1a₁ . . . 1a_n), die abwechselnd zwi schen den ersten und zweiten Mantelschichten (10, 20) angeordnet sind, und
eine Mehrzahl von Quellen (106 ₁ . . . 106 _n) von im wesentlichen mono chromatischem Steuerlicht (300 ₁ . . . 300 _n), die gegenüber den jewei ligen Mehrfach-Quantenwellstrukturen (103a₁ . . . 103a_n) gebildet sind, zum Beleuchten der jeweiligen Mehrfach-Quantenwellstrukturen (103a₁ . . . 103a_n) quer zur Ausbreitungsrichtung der Signallicht strahlen durch die jeweiligen Lichtführungsschichten (1a, 1a₁ . . . 1a_n), um die Lichtkopplung zwischen benachbarten Lichtfüh rungsschichten (1a, 1a₁ . . . 1a_n), die von den jeweiligen Mehrfach- Quantenwellstrukturen (103a₁ . . . 103a_n) getrennt sind, in Abhängig keit von der Intensität des auf die jeweiligen Mehrfach-Quanten wellstruktur (103a₁ . . . 103a_n), die zwischen den benachbarten Licht führungsschichten (1a, 1a₁ . . . 1a_n) angeordnet ist, fallenden Steu erlichtes (300 ₁ . . . 300 _n) zu steuern.

12. Lichtgesteuerter Halbleiterlichtkoppler nach einem der Ansprü che 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Lichtführungsschichten (1a, 1a₁ . . . 1a_n, 2a₁ . . . 2a_n) und die Quantenwell- und Quantensperrschichten aus der Gruppe ausgewählt werden, die aus GaAs und AlGaAs besteht und daß die ersten und zweiten Mantelschichten (10, 20) aus AlGaAs sind.

13. Lichtgesteuerter Halbleiterlichtkoppler zum Ändern der Posi tion und zum Modulieren eines Signallichtstrahles (A) in Abhängig keit von der Intensität eines Steuerlichtes (300), aufweisend
eine Mehrfach-Quantenwellstruktur (103) mit alternierenden Quan tenwell- und Quantensperrschichten, wobei jede Schicht eine Dicke und eine Dickenrichtung parallel zur Dicke besitzt und die Mehr fach-Quantenwellstruktur (103) einen Brechungsindex hat, der in Abhängigkeit von der Intensität von einfallendem und im wesentli chen monochromatischem Steuerlicht (300) variiert,
erste und zweite Halbleitermantelschichten (10, 20b), die mit der Mehrfach-Quantenwellstruktur (103) in Kontakt stehen und diese einschließen,
wobei die zweite Mantelschicht (20b) erste und zweite voneinander entfernte Rippen (401, 402) aufweist, die sich im allgemeinen par allel zur Dickenrichtung der Schichten der Mehrfach-Quantenwell struktur erstrecken und jeweils erste und zweite Lichtführungsbe reiche (1b, 2b) in der Mehrfach-Quantenwellstruktur (103) gegen über der ersten bzw. zweiten Rippe (401, 402) bilden, zum Übertra gen eines Signallichtstrahles, der in Abhängigkeit von der Inten sität des Steuerlichtes (300), das zwischen den ersten und zweiten Rippen (401, 402) und quer zur Ausbreitungsrichtung des Signal lichtstrahles durch die ersten und zweiten Lichtführungsbereiche (1b, 2b) auf die Mehrfach-Quantenwellstruktur (103) fällt, varia bel zwischen den ersten und zweiten Lichtführungsbereichen (1b, 2b) gekoppelt ist,
wobei die ersten und zweiten Mantelschichten (10, 20b) den Signal lichtstrahl einschließen.

14. Lichtgesteuerter Halbleiterlichtkoppler nach Anspruch 13, ge kennzeichnet durch eine Quelle (106) von im wesentlichen monochromatischem Steuer licht zum Beleuchten der Mehrfach-Quantenwellstruktur (103) mit Steuerlicht (300) quer zur Ausbreitungsrichtung des Signallicht strahles in den ersten und zweiten Lichtführungsbereichen (1b, 2b).

15. Lichtgesteuerter Halbleiterlichtkoppler nach Anspruch 14, da durch gekennzeichnet, daß die Quelle des Steuerlichtes (300) ein Halbleiterlaser (106) ist.

16. Lichtgesteuerter Halbleiterlichtkoppler nach einem der Ansprü che 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Mantelschicht (20b) eine Mehrzahl von Rippen (401 ₁ . . . 401 _n, 402 ₁ . . . 402 _n; 401 ₁′ . . . 401 _n′, 402 ₁′ . . . 402 _n′) aufweist zum Bilden einer Mehrzahl von Lichtführungsbereichen in der Mehr fach-Quantenwellstruktur (103) gegenüber den jeweiligen Rippen, um Signallichtstrahlen zu übertragen, die variabel zwischen benach barten Lichtführungsbereichen in Abhängigkeit von der Intensität von im wesentlichen monochromatischen Steuerlichtstrahlen (300 ₁ . . . 300 _n), die jeweils auf die Mehrfach-Quantenwellstruktur zwischen den jeweiligen benachbarten Lichtführungsbereichen ein fallen, gekoppelt sind.

17. Lichtgesteuerter Halbleiterlichtkoppler nach Anspruch 16, ge kennzeichnet durch eine Mehrzahl von Quellen von im wesentlichen monochromatischem Steuerlicht, die gegenüber den jeweiligen Bereichen der Mehrfach- Quantenwellstruktur zwischen einem Paar benachbarter Lichtfüh rungsbereiche gebildet sind, zum Beleuchten dieser jeweiligen Ab schnitte quer zur Ausbreitungsrichtung der Signallichtstrahlen durch die jeweiligen Lichtführungsschichten.

18. Lichtgesteuerter Halbleiterlichtkoppler nach einem der Ansprü che 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Quantenwell- und Quantensperrschichten aus der Gruppe ausgewählt werden, die aus GaAs und AlGaAs besteht und daß die ersten und zweiten Mantel schichten (10, 20b) aus AlGaAs sind.

19. Lichtgesteuerter Halbleiterlichtkoppler zum Ändern der Posi tion und zum Modulieren eines Signallichtstrahles (A) in Abhängig keit von der Intensität eines Steuerlichtes (300), aufweisend eine Mehrfach-Quantenwellstruktur (103) mit alternierenden Quan tenwell- und Quantensperrschichten, wobei jede Schicht eine Dicke und eine Dickenrichtung parallel zur Dicke besitzt und die Mehr fach-Quantenwellstruktur (103) einen Brechungsindex hat, der in Abhängigkeit von der Intensität von einfallendem und im wesentli chen monochromatischem Steuerlicht (300) variiert,
eine Halbleitermantelschicht (10), die mit der Mehrfach-Quanten wellstruktur (103) in Kontakt steht und einen Signallichtstrahl in die Mehrfach-Quantenwellstruktur (103) einschließt, und
einen Streifen (500) eines zweiten Materiales mit einer anderen Zusammensetzung wie die Halbleiterschichten der Mehrfach-Quanten wellstruktur und im wesentlichen einander gegenüberliegenden er sten und zweiten Seiten (501, 502), die im allgemeinen in Dicken richtung der Schichten der Mehrfach-Quantenwellstruktur ausgerich tet sind, wobei der Streifen (500) auf der Mehrfach-Quantenwell struktur (103) gegenüber der ersten Mantelschicht (10) gebildet ist und durch Ausüben einer mechanischen Spannung auf die Mehr fach-Quantenwellstruktur (103) erste und zweite Lichtführungsbe reiche (1c, 2c) in der Mehrfach-Quantenwellstruktur bildet, die jeweils den ersten und zweiten Seiten (501, 502) gegenüberliegen, wobei
die ersten und zweiten Lichtführungsbereiche (1c, 2c) einen Si gnallichtstrahl übertragen, der in Abhängigkeit von der Intensität des Steuerlichtes (300), das zwischen den ersten und zweiten Lichtführungsbereichen (1c, 2c) quer zur Ausbreitungsrichtung des Signallichtstrahles durch die ersten und zweiten Lichtführungsbe reiche (1c, 2c) auf die Mehrfach-Quantenwellstruktur (103) fällt, variabel zwischen den ersten und zweiten Lichtführungsbereichen (1c, 2c) gekoppelt ist,
wobei die erste (10) den Signallichtstrahl einschließt.

20. Lichtgesteuerter Halbleiterlichtkoppler nach Anspruch 19, ge kennzeichnet durch eine Quelle von im wesentlichen monochromatischem Steuerlicht zum Beleuchten der Mehrfach-Quantenwellstruktur (103) mit Steuerlicht (300) quer zur Ausbreitungsrichtung des Signallichtstrahles in den ersten und zweiten Lichtführungsbereichen (1c, 2c).

21. Lichtgesteuerter Halbleiterlichtkoppler nach Anspruch 20, da durch gekennzeichnet, daß die Quelle des Steuerlichtes (300) ein Halbleiterlaser ist.

22. Lichtgesteuerter Halbleiterlichtkoppler nach einem der Ansprü che 19 bis 21, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von Streifen (500 ₁ . . . 500 _n) des zweiten Materiales, die auf der Mehrfach-Quantenwellschicht (103) gegenüber der Man telschicht (10) gebildet sind, wobei jeder Streifen (500 ₁ . . . 500 _n) jeweilige erste und zweite Seiten aufweist, die im allgemeinen zur Dickenrichtung der Schichten der Mehrfach-Quantenwellstruktur aus gerichtet sind, wobei jeder Streifen (500 ₁ . . . 500 _n) durch Ausüben einer mechanischen Spannung einen Lichtführungsbereich in der Mehrfach-Quantenwellstruktur (103) gegenüber den jeweiligen ersten und zweiten Seiten eines jeden Streifens erzeugt, wobei ferner die Lichtführungsbereiche Signallichtstrahlen übertragen, die variabel zwischen benachbarten Lichtführungsbereichen in Abhängigkeit von der Intensität von im wesentlichen monochromatischem Steuerlicht (300 ₁ . . . 300 _n), das auf die Mehrfach-Quantenwellstruktur (103) zwi schen den benachbarten Lichtführungsbereichen einfällt, gekoppelt sind.

23. Lichtgesteuerter Halbleiterlichtkoppler nach Anspruch 22, ge kennzeichnet durch eine Mehrzahl von im wesentlichen monochromatischen Quellen (106 ₁ . . . 106 _n) von Steuerlicht, wobei jede Quelle zum Beleuchten jeweiliger Bereiche der Mehrfach-Quantenwellstruktur (103) zwi schen einem Paar benachbarter Lichtführungsbereiche quer zur Aus breitungsrichtung der Signallichtstrahlen durch die jeweiligen Lichtführungsbereiche gebildet ist.

24. Lichtgesteuerter Halbleiterlichtkoppler nach einem der Ansprü che 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Quantenwell- und Quantensperrschichten aus der Gruppe ausgewählt werden, die aus GaAs und AlGaAs besteht, die Mantelschicht (10) aus AlGaAs und das zweite Material Siliziumnitrid ist.