DE4225085A1 - Optischer Wellenleiterkoppler - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Wellen­ leiterkoppler für integrierte optoelektronische Bauelemente.

Für optoelektronische Nachrichtensysteme werden optische Wellenleiterkoppler benötigt, die das in einen Eingangs­ wellenleiter eingestrahlte Licht in einem genau de­ finierten Verhältnis auf zwei Ausgangswellenleiter auf­ teilen. Dieses Verhältnis soll unabhängig von Prozeß­ toleranzen bei der Herstellung möglichst genau eingehalten werden können. Der Wellenleiterkoppler soll in der optischen Nachrichten- und Informationstechnik eingesetzt werden können. Üblicherweise werden solche Wellenleiter­ koppler im Materialsystem InP/InGAsP hergestellt. Ein möglicher Einsatz eines solchen Kopplers ist z. B. bei optischen Heterodynempfängern gegeben. Dafür müssen so­ genannte 3-dB-Koppler hergestellt werden, die das ein­ fallende Licht im Verhältnis 1 : 1 auf die beiden Aus­ gangswellenleiter aufteilen. Das Verhältnis darf aufgrund der unvermeidlichen Prozeßtoleranzen höchstens zwischen 2 : 3 und 3 : 2 schwanken. Das ist eine technisch nur schwer zu erfüllende Bedingung.

Im Aufbau bestehen derartige Wellenleiterkoppler aus zwei dicht benachbarten Wellenleitern, die miteinander wechsel­ wirken. Im Materialsystem InP/InGaAsP ist bei einem der­ artigen Koppler z. B. auf einer Wellenleiterschicht aus InGaAsP eine Struktur aus zwei dicht benachbarten Wellen­ leiterstegen ausgebildet, indem auf der InGaAsP-Schicht zwei InP-Stege geätzt sind. Das Licht wird unterhalb dieser Stege in der Wellenleiterschicht geführt. Die durch die Stege in der Wellenleiterschicht gebildeten Wellen­ leiter beeinflussen sich gegenseitig, wenn sie dicht be­ nachbart sind. Das Licht, das in einen der beiden Wellen­ leiter eingekoppelt wird, ist nach einer sogenannten Koppellänge vollständig in den zweiten Wellenleiter ein­ gekoppelt worden. Hat der Wellenleiterkoppler eine Länge, die kein ganzzahliges Vielfaches dieser Koppellänge ist, so wird ein entsprechend geringerer Anteil des Lichts über­ gekoppelt. Für das Koppelverhältnis 1 : 1 wird ein Wellen­ leiterkoppler mit der Länge eines ungeraden Vielfaches der halben Koppellänge benötigt. Hier machen sich die Toleranzen bei der Herstellung am stärksten bemerkbar.

Das Licht kann zwei verschiedene Polarisationszustände einnehmen. Diese werden mit TE- bzw. TM-Polarisation be­ zeichnet. Will man 3-dB-Koppler für TE- und für TM- polarisiertes Licht aus einer Schichtstruktur aufbauen, so kann sich die zusätzliche Schwierigkeit ergeben, daß für eine optimale Prozeßtoleranz der beiden unter schied­ lichen Koppler eine unterschiedlich dicke InGaAsP-Schicht erforderlich sein kann. Deswegen ist es dann nicht mehr möglich, die Prozeßtoleranzen für die Kopplung beider Polarisationsrichtungen des Lichtes gleichzeitig zu optimieren, wenn der Wellenleiterkoppler aus einer Schichtstruktur hergestellt werden soll, die in einem einzigen Epitaxieverfahren abgeschieden worden ist.

Die beschriebenen Schwierigkeiten wurden bisher z. B. da­ durch umgangen, daß die Kopplerstrukturen elektrisch ab­ stimmbar ausgeführt wurden (s. z. B. H. Takeuchi, K. Kasaya, Y. Kondo, H. Yasaka, K. Oe und Y. Imamura: "Monolithic integrated coherent receiver on InP substrate" in IEEE Photonics Technol. Lett. 1, 398-400 (1989) und T.L. Koch, F.S. Choa, U. Koren, R.P. Gnall, F. Hernandez- Gil, C.A.Burrus, M.G.Young, M. Oron und B.I.Miller: "Balanced Operation of a GaInAs/GaInAsP multiple-quantum­ well integrated heterodyne receiver" in IEEE Photonics Technol. Lett. 2, 577-580 (1990)). Der Aufbau des Halb­ leiterelementes wird dadurch komplizierter, da mindestens zwei zusätzliche elektrische Kontakte herausgeführt werden müssen. Außerdem erfordert das Bauelement eine zusätzliche Ansteuerung mit dem Abstimmstrom für den Koppler. In der Veröffentlichung von R.J. Deri, T. Sanada, N. Yasuoka, M. Makiuchi, A. Kuramata, H. Hamaguchi, O. Wada und S. Yamakoshi: "Low-loss monolithic integration of balanced twin-photodetectors with a 3 dB waveguide coupler for coherent lightwave receivers" in IEEE Photonics Technol. Lett. 2, 581-584 (1990) ist ein Koppler angegeben, bei dem statt der Abstimmung eine sehr schwache Wellenführung re­ alisiert ist. Das erfordert ein sehr großflächiges Halb­ leiterbauelement und erschwert die monolithische Inte­ gration von Fotodioden mit dem Koppler. Der in der ge­ nannten Veröffentlichung beschriebene 3-dB-Koppler hat eine Länge von 12 mm. Außerdem erfordert die Integration mit Fotodioden bei diesem Koppler getrennte Prozeßschritte für die Vorder- und die Rückseite des Bauelementes, da der Koppler auf der einen Seite und die Fotodioden auf der anderen Seite des Bauelementes strukturiert werden müssen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen optischen Wellenleiterkoppler für Halbleiterbauelemente anzugeben, bei dem eine 3-dB-Kopplung für unterschiedliche Moden unter Einhaltung geringer Toleranzen auf einfache Weise realisiert werden kann.

Diese Aufgabe wird mit dem Wellenleiterkoppler mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Weitere Ausge­ staltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Es folgt eine Beschreibung des Wellenleiterkopplers anhand der Fig. 1 bis 3.

Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Koppler in per­ spektivischer Aufsicht.

Fig. 2 zeigt einen mit einer Fotodiode monolithisch integrierten erfindungsgemäßen Koppler im Längs­ schnitt.

Fig. 3 zeigt eine alternative erfindungsgemäße Anordnung in Aufsicht.

Bei dem erfindungsgemäßen Wellenleiterkoppler wird eine Schichtstruktur verwendet, die die Herstellung von kompakten Strukturen ohne elektrische Abstimmung sowie die Integration mit Fotodioden auf einer Seite des Bau­ elementes ermöglicht. Im Koppelbereich wird dabei eine schwache Wellenführung verwendet, während unter Verwendung derselben Schichtstruktur im Bereich der Zuleitungen, d. h. außerhalb des Koppelbereiches, Wellenleiter mit einer starken Führung zum Einsatz kommen. Bei der monolithischen Integration mit Fotodioden können die Wellenleiter auf der Ausgangsseite des Kopplers entfallen, da die laterale Aus­ dehnung des erfindungsgemäßen Kopplers so groß ist, daß die Fotodioden direkt an seinen Ausgang integriert werden können. Dadurch haben die erfindungsgemäßen Koppler eine typische Länge unter 3 mm, daher trotz der schwachen Wellenführung im Koppelbereich einen relativ kompakten Aufbau. Die Koppler für TE- und TM-polarisiertes Licht können getrennt voneinander optimiert werden.

In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel des Kopplers in perspektivischer Aufsicht gezeigt. Auf einem Substrat 1 befindet sich eine Schichtstruktur 10, die auch wegge­ lassen sein kann und im einfachsten Fall nur eine Puffer­ schicht umfaßt. Darauf befindet sich eine Wellenleiter­ schicht 2, die der Ausbreitung des Lichtes dient. Die laterale Führung des Lichtes wird durch auf dieser Wellen­ leiterschicht 2 angeordnete Stege bewirkt. Der Koppler ist durch parallel zueinander im Abstand angeordnete Koppel­ stege 4 gebildet. Das Licht wird in bzw. aus diesem Koppler mittels Zuführungsstegen 3 geführt. Wesentlich bei der Er­ findung ist, daß das Material der Zuführungsstege 3 einen höheren Brechungsindex hat als das Material der Koppel­ stege 4. Damit wird erreicht, daß außerhalb des Koppelbe­ reiches durch die Zuführungsstege 3 eine relativ starke laterale Wellenführung bewirkt ist, so daß eine stärkere Krümmung der Wellenleiter möglich ist. Der geringere Brechungsindex der Koppelstege 4 bewirkt eine schwache Wellenführung und damit eine stärkere Kopplung bei ge­ ringerer Abhängigkeit der Koppelstärke von durch Schwank­ ungen im Herstellungsprozeß verursachte Abweichungen von den vorgesehenen Abmessungen. Da die Koppelstege 4 nur eine sehr schwache Wellenführung bewirken, können die Koppel­ stege 4 relativ breit und in einem relativ großen Abstand zueinander angeordnet sein. Für die Breite der Koppelstege und deren Abstand ist 5 µm eine typische Abmessung. Durch diese größeren Abmessungen gegenüber herkömmlichen Kopplern sind die erlaubten Toleranzen in der Fotolithographie bei der Herstellung erheblich größer. Außerdem können z. B. am Ende des Kopplers zwei Fotodioden integriert werden, ohne daß die Wellenleiter zunächst über gekrümmte Bereiche auseinandergeführt sein müssen. Dadurch ergibt sich ein kompakterer Aufbau des gesamten Bauelementes.

Im Materialsystem InP/InGaAsP ist das Substrat 1 InP, ebenso die Pufferschicht 10 und die Zuführungsstege 3. Als Wellenleiterschicht 2 kommt InGaAsP in Frage. Die Koppelstege 4 können z. B. Si₃N₄ sein. Dieses Material bewirkt aufgrund des gegenüber InP geringeren relativen optischen Brechungsindexes (ungefähr 2) eine schwächere Wellenführung als die Zuführungsstege 3 aus InP mit einem relativen Brechungsindex von etwa 3,17 bei einer Licht­ wellenlänge von 1,55 µm. Für die Zuführungsstege 3 ist InP vorteilhaft, weil sich wegen der von InP-Stegen bewirkten stärkeren lateralen Wellenführung damit gekrümmte Wellen­ leiter besser herstellen lassen. Stark gekrümmte Wellen­ leiter werden zur Zuführung des Lichtes benötigt.

Der erfindungsgemäße Wellenleiterkoppler hat den Vorteil leichter Herstellbarkeit. Es können die erforderlichen InP-Schichten und die InGaAsP-Schicht in einem einzigen Epitaxieprozeß hergestellt werden. Nach der Epitaxie wird die obere InP-Schicht, die für die Herstellung der Zu­ führungsstege 3 vorgesehen ist, im Bereich dieser Zu­ führungswellenleiter mittels Ätzens zu Stegen strukturiert. Im Koppelbereich wird das InP dieser Schicht vollständig weggeätzt. Falls zur Herstellung von Kopplern für TE- und für TM-polarisiertes Licht auf demselben Bau­ element unterschiedliche Dicken der Wellenleiterschicht aus IncaAsP erforderlich sind, wird diese Halbleiter­ schicht entsprechend für den Koppler, der die dickere Schicht benötigt, abgeschieden. Anschließend wird durch Ätzen im Koppelbereich die optimale Schichtdicke für den anderen Koppler hergestellt. Nachdem die Wellenleiter­ schicht so für jeden Koppler optimiert ist, werden die Koppelstege 4 hergestellt.

Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt durch die in einem Epitaxieprozeß hergestellte komplette Kombination von Zu­ führungswellenleiter, Koppler und Fotodiode. Die Funktion der Kopplung zwischen der Wellenleiterstruktur und der Schichtstruktur der Fotodiode ist bereits in N. Emeis, M. Schier, L. Hoffmann, H. Heinecke und B. Baur: "High speed waveguide-integrated photodiodes grown by metal organic molecular beam epitaxy" in Electronics Letters 28, 344-345 (1992) beschrieben worden. In Fig. 2 sind das Substrat 1 mit der darauf befindlichen Pufferschicht 10, die Wellen­ leiterschicht 2, ein Zuführungssteg 3, ein Koppelsteg 4 und die aus einer Zwischenschicht 5, einer Absorptions­ schicht 6 und einer Deckschicht 7 bestehende Schicht­ struktur der Fotodiode dargestellt. In die Deckschicht 7 ist bis in die Absorptionsschicht 6 hinein Dotierstoff zur Herstellung des pn-Überganges eindiffundiert. Dieser um­ dotierte Bereich 8 ist z. B. p-leitend, während die Ab­ sorptionsschicht 6 n-leitend ist. Im InP/InGaAsP-Material­ system sind das Substrat 1, die Pufferschicht 10, der Zu­ führungssteg 3, die Zwischenschicht 5 und die Deckschicht 7 InP. Die Wellenleiterschicht 2 ist InGaAsP. Die Ab­ sorptionsschicht 6 ist InGaAs.

Durch die Verwendung von Koppelstegen mit geringerem Brechungsindex sind außer den Anforderungen an die Toleranzen bei der Fotolithographie auch die Genauig­ keitsanforderungen an die Dicke und die Zusammensetzung der Wellenleiterschicht geringer geworden. Typische Schichtdicken sind 1 µm für die InP-Pufferschicht 10, 0,73 µm für die InGaAsP-Wellenleiterschicht 2 (Bandab­ stand entsprechend 1,05 µm Fotolumineszenz-Wellenlänge), 0,2 µm für die InP-Zwischenschicht 5 bzw. die InP- Zuführungsstege 3, 0,6 µm für die InGaAs-Absorptions­ schicht 6 und 0,5 µm für die InP-Deckschicht 7. Um die Verluste an der Stoßstelle zwischen den Zuführungswellen­ leitern unter den Zuführungsstegen 3 und den Koppel­ wellenleitern unter den Koppelstegen 4 zu vermindern, sollte das letzte Stück (ungefähr 100 µm lang) der Zu­ führungsstege 3 einen Taper aufweisen, wie er z. B. in Fig. 3 in Aufsicht dargestellt ist. Die Taper 9 weiten die Zuführungswellenleiter 3 auf die Breite der breiteren Koppelstege 4 auf. Die Taper 9 sind Bestandteil der Zu­ führungsstege 3 und daher aus demselben Material wie diese.

Der erfindungsgemäße Wellenleiterkoppler ist in anderen Halbleitersystemen als dem hier beispielhaft beschriebenen InP/InGaAsP-Materialsystem ausführbar. Auch kann anstelle des Si₃N₄ für die Koppelstege 4 ein anderes Material (z. B. Al₂O₃ mit Brechungsindex 1,7 bei Wellenlänge 1,55 µm oder spezielle Gläser wie z. B. LaSF9 der Fa. Schott mit Brechungsindex 1,8 bei Wellenlänge 1,55 µm) mit deutlich niedrigerem Brechungsindex als das Material der Zuführungsstege 3 eingesetzt werden.

Claims (8)

1. Optischer Wellenleiterkoppler,
bei dem eine Wellenführung durch Stege (3, 4) bewirkt ist,
bei dem zwei dieser Stege als Koppelstege (4) parallel und in einem für eine vorgesehene Kopplung ausreichend ge­ ringen Abstand zueinander ausgerichtet sind,
bei dem zu den Enden dieser Koppelstege (4) daran an­ schließende Zuführungsstege (3) geführt sind und
bei dem die Koppelstege (4) aus einem Material mit einem im Vergleich zu dem Material der Zuführungsstege (3) geringeren Brechungsindex ausgebildet sind.

2. Wellenleiterkoppler nach Anspruch 1, bei dem die Stege (3, 4) auf einer Wellenleiterschicht (2) angeordnet sind.

3. Wellenleiterkoppler nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Material der Zuführungsstege (3) III-V-Halb­ leitermaterial ist.

4. Wellenleiterkoppler nach Anspruch 3, bei dem das III-V-Halbleitermaterial InP ist.

5. Wellenleiterkoppler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das Material der Koppelstege (4) Si₃N₄ ist.

6. Wellenleiterkoppler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem an dem den Zuführungsstegen (3) entgegengesetzten Ende der Koppelstege (4) eine Fotodiode als Schichtfolge aus Halbleitermaterial vorhanden ist.

7. Wellenleiterkoppler nach Anspruch 6, bei dem die Stege (3, 4) auf einer Wellenleiterschicht (2) angeordnet sind,
bei dem die Schichtfolge der Fotodiode auf dieser Wellen­ leiterschicht (2) angeordnet ist und
bei der diese Schichtfolge eine Zwischenschicht (5), eine für Lichtabsorption vorgesehene Absorptionsschicht (6) und eine Deckschicht (7), die in dieser Reihenfolge in zu­ nehmendem Abstand von der Wellenleiterschicht (2) über­ einander aufgebracht sind, umfaßt.

8. Wellenleiterkoppler nach Anspruch 7,
bei dem die Wellenleiterschicht (2) InGaAsP ist,
bei dem die Zuführungsstege (3), die Zwischenschicht (5) und die Deckschicht (7) InP sind und
bei dem die Absorptionsschicht (6) InGaAs ist.