DE4240707C1 - Frequenzdemultiplexer - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen räumlichen Frequenz­ demultiplexer, bei dem Strahlung frequenzabhängig aus einem Wellenleiter in verschiedene Richtungen senkrecht zu dem Wellenleiter ausgekoppelt wird.

Bei Systemen der optoelektronischen Nachrichtentechnik ist es erforderlich, Bauteile einsetzen zu können, die verschiedene Frequenzen eines ankommenden Signales getrennt voneinander erfassen können. Dabei ist es vorteilhaft, wenn aus einem Wellenleiter, der Signale mit unterschiedlichen Trägerfre­ quenzen führt, diese unterschiedlichen Trägerfrequenzen in eigens dafür bestimmte Detektoren, die an unterschiedlichen Stellen positioniert sind, ausgekoppelt werden können. Es er­ hält dann jeder Detektor nur die von ihm zu erfassende Fre­ quenz mit ggf. dem darauf aufmodulierten Signal. Es ist be­ kannt, Strahlung aus einer Wellenleiterschicht durch Beugung an einem parallel dazu angeordneten Gitter auszukoppeln.

In der EP-A-0 442 002 A1 ist ein strahlungserzeugendes Halblei­ terbauelement beschrieben, bei dem die erzeugte Strahlung von der Oberfläche mittels Anregung von Oberflächenplasmonpolari­ tonen abgestrahlt wird. Oberflächenplasmonpolaritonen sind transversal elektrische (TE) oder transversal magnetische (TM) Oberflächenmoden, die sich an der Grenzfläche zweier verschiedener Medien ausbreiten können. Bei geeigneter peri­ odischer Strukturierung der Grenzfläche können diese Moden mit elektromagnetischen Wellen angeregt werden. Unter Anwen­ dung dieses Emissionsmechanismus lassen sich die Eigenschaf­ ten von lichtemittierenden Dioden, insbesondere Laserdioden, grundlegend und entscheidend verbessern. Insbesondere kann die Abstrahlung der erzeugten Strahlung extrem gebündelt in eine bestimmte Richtung erfolgen. Damit ist prinzipiell die Möglichkeit gegeben, von der Oberfläche des Bauelementes in eine bestimmte Richtung scharf gebündelt abzustrahlen. Die Anregung der Oberflächenmoden geschieht an der Oberfläche ei­ nes dünnen Metallfilmes, mit dem eine räumliche periodische Strukturierung der Oberfläche des Halbleitermateriales über­ zogen ist. Die Oberfläche kann gitterartig oder wellenartig geriffelt sein. Die Strukturierung kann auch in zwei unabhän­ gigen Richtungen periodisch sein. Die Richtung, in die abge­ strahlt wird, wird maßgeblich beeinflußt von der Abstimmung der Periodenlänge dieser Strukturierung auf die in der strah­ lungserzeugenden Schicht angeregten Wellenlänge. Bei einer Veränderung dieser Wellenlänge ändert sich die Richtung, in der von den Oberflächenmoden Strahlung ausgesendet wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen einfach her­ stellbaren Frequenzdemultiplexer anzugeben, bei dem eine scharf begrenzte räumliche Aufspaltung verschiedener Träger­ frequenzen möglich ist.

Diese Aufgabe wird mit dem Frequenzdemultiplexer mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Bei dem erfindungsgemäßen Frequenzdemultiplexer wird von der eingangs erwähnten Tatsache Gebrauch gemacht, daß mittels An­ regung von Oberflächenmoden eine scharf gebündelte Abstrah­ lung in von der Frequenz abhängige Richtungen erfolgen kann. Bei dem erfindungsgemäßen Aufbau wird eine derartige für die Anregung von Polarisonen geeignete Struktur transversal zu einer Wellenleiterschicht angeordnet und durch geeignete An­ passung der Periodenlänge dieser Strukturierung dafür ge­ sorgt, daß die im interessierenden Frequenzbereich liegenden Trägerfrequenzen über die Anregung von Oberflächenplasmonpo­ laritonen in verschiedene aus der wellenleiterebene heraus­ weisende Richtungen ausgekoppelt werden. Auf die ausgesandte Strahlung werden dabei die auf den Trägerfrequenzen vorhan­ denen Modulationen übertragen. Jeder Strahlungsrichtung Strahlungsrichtung wird ein eigener Detektor zugeordnet, so daß für die auf verschiedenen Trägern aufmodulierten Signale jeweils ein separater Detektor an einer anderen Position zur Verfügung steht. Dabei braucht nur ein Teil der Strahlungs­ energie ausgekoppelt zu werden, während der Rest der Strah­ lung den Frequenzdemultiplexer ungehindert passiert und an einem Ausgang verläßt. In einer besonderen Ausführungsform kann die Wellenleiterschicht auch als aktive Schicht konzi­ piert sein, so daß mittels eines angelegten Stromes optische Verstärkung durch induzierte Emission erreicht werden kann. Damit werden die Verluste durch das Auskoppeln von Energie kompensiert.

Es folgt eine Beschreibung der erfindungsgemäßen Anordnung anhand der Fig. 1 bis 4.

Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Frequenzdemultiplexer als passives Bauelement in einem Längsschnitt.

Fig. 2 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel als aktives Bauelement.

Fig. 3 und 4 eigen zwei verschiedene Ausführungsformen in Aufsicht.

Bei der Anordnung von Fig. 1 befindet sich eine Wellenleiterschicht 3 zwischen zwei Begrenzungsschichten 2, 4 auf einem Substrat 1. Der Weg der Strahlung ist durch die waagerechten Pfeile bezeichnet. Der Brechungsindex der Wellenleiterschicht 3 ist größer als der Brechungsindex der benachbarten Begren­ zungsschichten 2, 4. Dadurch wird die Wellenführung bewirkt. Für die Ausbildung der Oberflächenstruktur ist eine geson­ derte Deckschicht 5 aufgebracht. Wenn die Strukturierung un­ mittelbar in der Oberfläche der oberen Begrenzungsschicht 4 ausgebildet ist, ist die Deckschicht 5 überflüssig und kann weggelassen sein. Die räumliche periodische Strukturierung besitzt eine Höhe h und eine Periodenlänge Lg wie eingezeich­ net. Der Mindestabstand der Oberfläche des Halbleitermateria­ les von der Wellenleiterschicht 3 ist der eingezeichnete Ab­ stand a. Die Strukturierung ist mit einem dünnen (typisch 0,01 µm bis 0,1 µm) Metallfilm 7 überzogen, der vorteilhaft aus Gold, Silber oder Aluminium besteht. Zur Anregung von Oberflächenmoden höherer Ordnung kann der Metallfilm 7 mit einer Schicht aus Dielektrikum 6 bedeckt sein. Die Seitenflächen des Bauelementes sind durch Aufbringen dielektrischer Entspiegelungsschichten 8, die mindestens die für Lichteintritt und Lichtaustritt vorgesehe­ nen Ränder der Wellenleiterschicht 3 bedecken, entspiegelt. Dadurch werden die Einkopplungsverluste von Strahlung in die Wellenleiterschicht 3 gering gehalten und ein Anschwingen des Resonators verhindert. Andernfalls würde sich bei ver­ spiegelten Endflächen eine Laserresonanz in der Wellenleiterschicht 3 ausbilden. Die Entspiegelungsschichten 8 sind aber nicht zwingend erforderlich und können weggelassen sein.

Einfallendes Licht wird in der Wellenleiterstruktur (Wellenleiterschicht 3 mit Begrenzungsschichten 2, 4) so ge­ führt, daß die Anregung von Oberflächenmoden über die gitter­ förmige Struktur der Oberfläche stattfinden kann. Die Emissi­ on der Strahlung durch Anregung der Oberflächenmoden erfolgt in verschiedene Winkel, die von der eingestrahlten Wellen­ länge abhängen und in der Fig. 1 durch die nach oben von dem Bauelement wegweisenden Pfeile dargestellt sind. Auf diese Weise können verschiedene Trägerfrequenzen räumlich getrennt gleichzeitig detektiert werden. Zu diesem Zweck sind entspre­ chend der räumlichen Aufteilung der den verschiedenen Träger­ frequenzen entsprechenden Wellenlängen der nach oben abge­ strahlten Strahlung verschiedene Detektoren D1, D2, D3, D4, D5 über dem Bauelement angeordnet. Die Zahl der Detektoren ist selbstverständlich beliebig und nicht wie in diesem Bei­ spiel auf fünf beschränkt. Statt dieser Detektoren können Glasfasern, ggf. mit einer Einkoppeloptik versehen, dort an­ geordnet sein. Auf diese Weise können verschiedene Frequenzen auf verschiedene Kanäle verteilt werden. Diese Glasfasern können auch zu Detektoren führen, so daß die Detektoren an beliebigen Stellen angeordnet sein können und die jeweils zu detektierende Strahlung über die Glasfasern dorthin geführt wird. Statt der Glasfasern kann ein weiteres Halbleitebaue­ lement mit mehreren integrierten Wellenleitern und Einkoppel­ flächen dort angeordnet sein. Die Oberflächenemission kann auch ohne Anregung von Oberflächenmoden nur mittels Beugung erfolgen. Besonders vorteilhaft ist aber die über Anregung von Oberflächenmoden erzeugte extrem stark gerichtete Strah­ lung. Die Periodenlänge Lg ist an die typischen in der Wellenleiterschicht 3 geführten Frequenzen derart angepaßt, daß durch diese eingekoppelten Frequenzen geeignete Oberflächen­ moden angeregt werden, so daß die davon emittierte Strahlung in den Raumwinkelbereich ausgesendet wird, in dem zweckmäßig die verschiedenen Detektoren D1 bis D5 oder Glasfasern ange­ ordnet sind. Das in Fig. 1 dargestellte Bauelement arbeitet passiv (ohne optische Verstärkung). Die Wellenlänge des ein­ gekoppelten Lichtes muß dann größer sein als die Wellenlänge, die dem Energiebandabstand des Halbleitermateriales der Wellenleiterschicht 3 entspricht. Dann findet in dieser Wellen­ leiterschicht keine unerwünschte Absorption der Strahlung statt. Es ist daher möglich, daß die eingekoppelte Strahlung das Bauelement im wesentlichen ungehindert passiert und an der gegenüberliegenden Entspiegelungsschicht 8 austritt. Es werden ggf. nur die für die Detektion vorgesehenen Frequenzen über Anregung von Oberflächenmoden ausgekoppelt. Auf diese Weise können mehrere Frequenzkanäle in einem optoelektroni­ schen Übertragungssystem parallel (gleichzeitig) verarbeitet werden, ohne daß der optische Übertragungsweg unterbrochen werden muß.

Der erfindungsgemäße Frequenzdemultiplexer kann auch als ak­ tives Bauelement aufgebaut sein, in dem optische Verstärkung erfolgt. Das Bauelement ist dann ähnlich einer Laserdiode aufgebaut; im Gegensatz zur Laserdiode sind die Endflächen durch geeignete Entspiegelungsschichten 8 so entspiegelt, daß eine Resonanz verhindert wird. Die eingestrahlten Wellenlän­ gen müssen im Bereich des Spektrums der Verstärkung liegen, damit im Fall einer Ladungsträgerinversion in der Wellenlei­ terschicht 3 optische Verstärkung durch induzierte Emission stattfinden kann. Die Wellenlänge des in die Wellenleiter­ schicht 3 eingestrahlten Lichtes muß außerdem größer sein als die Wellenlänge, die dem Energiebandabstand der Begrenzungs­ schichten 2, 4 entspricht. Für Strahlung derartiger Wellen­ länge wird transversale Wellenführung durch diese Begren­ zungsschichten 2, 4 bewirkt. Der Energiebandabstand läßt sich durch eine geeignete Zusammensetzung des Halbleitermateriales dieser Begrenzungsschichten 2, 4 an die Wellenlänge der vorgesehenen Strahlung anpassen. Wie im Fall des in Fig. 1 dargestellten passiven Frequenzdemultiplexers werden bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 die in die Wellenleiterschicht 3 eingestrahlten optischen Frequenzkanäle über Anregung von Oberflächenmoden und deren Emission räumlich selektiert ausgekoppelt. Für den aktiven Betrieb sind wie bei einer Laserdiode die an die Wellenleiterschicht 3 angrenzenden Halbleitermaterialien für elektrische Leitung einander ent­ gegengesetzten Leitungstyps dotiert.

Für das Anlegen der für die Erzeugung der Inversionsbedingungen erforderlichen Ströme sind Kontakte 9, 10 vorhanden, die mit den dotierten Begrenzungsschichten 2, 4 elektrisch lei­ tend verbunden sind. In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 ist ein Kontakt 9 auf der Oberseite und ein Kontakt 10 auf der nicht überwachsenen Unterseite des Substrates 1 aufge­ bracht. Wenn der Metallfilm 7 gleichzeitig den Kontakt für den elektrischen Anschluß bildet, kann ein gesonderter Kon­ takt 9 entfallen. Diese Ausführungsform ist z. B. dann vor­ teilhaft, wenn die Strukturierung die Oberfläche auf ihrer gesamten Länge bedeckt und ebenso der Metallfilm 7 auf der gesamten Länge des Bauelementes vorhanden ist. Das Substrat 1 und die untere Begrenzungsschicht 2 sind z. B. n-leitend do­ tiert. Die obere Begrenzungsschicht 4 und die Deckschicht 5 sind dann p-leitend dotiert. Bei einem semiisolierenden Substrat 1 sind beide Kontakte auf der Oberseite aufgebracht, wobei durch entsprechend dotierte laterale Bereiche eine elektrisch leitende Verbindung des n-Kontaktes mit der unte­ ren Begrenzungsschicht 2 hergestellt sein muß. Um eine Al­ ternative zu der Ausführungsform von Fig. 1 darzustellen, ist in Fig. 2 das Dielektrikum 6 auf dem Metallfilm 7 weggelas­ sen. Die räumlich periodische Strukturierung der Oberfläche hat nicht wie in Fig. 1 Gitterstruktur mit rechteckigem Längsschnitt sondern eine Gitterstruktur mit gezacktem Längs­ schnitt. Statt dessen kann das Gitter auch in einer gewellten Oberfläche bestehen oder zweidimensional ausgebildet sein. Die periodische Strukturierung der Oberfläche kann auch zwei­ dimensional periodisch sein. Es können z. B. zwei senkrecht zueinander angeordnete Scharen von parallel zueinander ange­ ordneten Stegen oder Gräben mit jeweils gleichen Abständen zu den benachbarten Stegen bzw. Gräben vorhanden sein. Zwangs­ läufig ergibt sich dann eine Periodizität in jeder Richtung in der Schichtebene, allerdings mit abhängig von der Richtung unterschiedlichen Periodenlängen. Als Länge (Lg) einer Peri­ ode im Sinn des Anspruchs 1 ist jeweils eine minimale Periode gemeint, wie sie sich jeweils senkrecht zu der betreffenden Schar von Gräben bzw. Stegen ergibt, d. h. bei einer Gitter­ struktur oder Kreuzgitterstruktur der Oberfläche diejenige(n) Länge(n), die man als Gitterkonstante(n) angeben würde. Es kommen grundsätzlich die verschiedenen in der zitierten EP-A- 0 442 002 beschriebenen Ausführungsformen in Frage. Durch den aktiven Betrieb des Frequenzdemultiplexers können die Auskoppelverluste kompensiert und zusätzlich eine Verstärkung der durchlaufenden Strahlung erreicht werden.

Der Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung ist dadurch erweitert, daß die Anordnung der Abstrahlrichtungen durch An­ ordnung der Gitterstruktur verschieden ausgerichtet werden kann. Wenn als Strukturierung ein Gitter verwendet wird, kann dieses wie in Fig. 1 und 2 dargestellt durch in der Schicht­ ebene quer zur Ausbreitungsrichtung der Strahlung in der Wellenleiterschicht 3 verlaufende Stege aus Halbleitermaterial gebildet sein. Diese Gitterstege können aber auch in der Schichtebene relativ zu der Richtung, in der die Strahlung in der Wellenleiterschicht 3 geführt wird, gedreht sein. In den Fig. 3 und 4 sind derartige Gitter in Aufsicht dargestellt.

Erkennbar ist jeweils der Weg der ein- und ausgekoppelten Strahlung, die durch die Pfeile dargestellt ist. Die Wellen­ leiterschicht 3 ist z. B. durch eine der Begrenzungsschichten auch lateral begrenzt, wie das in Fig. 3 und 4 durch die je­ weils verdeckte Konturen darstellenden gestrichelten Linien angedeutet ist. Auf der gitterartigen Strukturierung der Oberfläche befindet sich der Metallfilm 7. In Fig. 3 verläuft das Gitter schräg, in Fig. 4 ist die Gitterperiode senkrecht zu der Strahlungsrichtung angeordnet. An den Seitenflächen sind die Entspiegelungsschichten 8 eingezeichnet. Die zweite Ausführungsform (Fig. 4) ist wieder als aktives Bauelement mit einem die gesamte Oberfläche mit Ausnahme des Metallfilmes 7 bedeckenden oberen Kontakt 9 gezeichnet. Die gitterartige Strukturierung der Oberfläche kann auch hier auf der gesamten Länge (in Richtung der Lichtausbreitung in der Wellenleiterschicht) des Bauelementes vorhanden sein.

Wird das Oberflächengitter mit seiner Richtung der minimalen Gitterperiode längs der Ausbreitungsrichtung des Lichtes im Bauelement ausgerichtet (Fig. 1 und 2), so erfolgt die Emis­ sion von Oberflächenmoden immer in der Zeichenebene der Fig. 1 und 2, d. h. in der Ebene, die durch die Ausbreitungsrich­ tung des Lichtes und die Senkrechte auf die Schichtebenen festgelegt ist. Wenn die Ausrichtung der Gitterstruktur wie in den Fig. 3 und 4 innerhalb der Schichtebene um einen Win­ kel gedreht ist, so findet die Emission in jene Ebene statt, die durch die Senkrechte auf die Schichtebenen und die Rich­ tung kürzester Gitterperiode in der Schichtebene festgelegt ist. In Fig. 3 erfolgt die Abstrahlung demnach immer in die Ebene, die durch die Senkrechte auf die Schichtebene, d. h. die Zeichenebene, und durch die in der Schichtebene, d. h. Zeichenebene, auf den die Gitterstruktur darstellenden Strecken senkrecht stehende Richtung festgelegt ist. Entspre­ chend erfolgt die Abstrahlung in Fig. 4 in die Ebene, auf der die Ausbreitungsrichtung des eingekoppelten Lichtes (Richtung der Pfeile) senkrecht steht.

Die räumliche Trennung der zu verschiedenen Trägerfrequenzen gehörenden Emissionen erfolgt jeweils durch unterschiedliche Strahlungsrichtungen in diesen bezeichneten Ebenen. Die räum­ liche Auffächerung der ausgesandten Strahlung, die in den Längsschnitten der Fig. 1 und 2 jeweils in der der Zeichen­ ebene entsprechenden Ebene erfolgt, findet z. B. bei dem Aus­ führungsbeispiel der Fig. 4 in derjenigen Ebene statt, die man erhält, wenn man die vorher bezeichnete Ebene der Fig. 1 und 2 um eine senkrechte auf die Schichtebenen um einen rech­ ten Winkel dreht. Die Detektoren sind daher bei dem Ausfüh­ rungsbeispiel der Fig. 4 längs einer Linie anzuordnen, die senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Lichtes in der Wellen­ leiterschicht 3 verläuft. Somit kann also mit dem erfindungs­ gemäßen Bauelement Lichtemission in Richtungen erfolgen, die eine zu der ursprünglichen Ausbreitungsrichtung laterale Kom­ ponente enthalten. Auf diese Art und Weise kann eine optische Weiche realisiert werden, die Licht von der ursprünglichen Ausbreitungsrichtung weg in verschiedene andere Richtungen steuert.

Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Frequenzdemulti­ plexers ist der einfache Schichtaufbau, der nur an der Ober­ fläche strukturiert werden muß. Es lassen sich auf einfache Weise aktive und passive Bauelemente realisieren. Die Ab­ strahlung durch Anregung von Oberflächenmoden erfolgt extrem gebündelt und damit je nach Frequenz der anregenden Strahlung räumlich scharf voneinander getrennt. Diese Eigenschaft macht die erfindungsgemäße Anordnung für das Trennen und De­ tektieren von Signalen auf verschiedenen Frequenzkanälen be­ sonders geeignet.

Claims (7)

1. Frequenzdemultiplexer aus Halbleitermaterial, bei dem eine Wellenleiterschicht (3) zwischen Begrenzungs­ schichten (2, 4) angeordnet ist,
bei dem auf einer zu den Schichtebenen parallelen äußeren Oberfläche des Halbleitermaterials eine räumliche periodische Strukturierung vorhanden ist,
bei dem zumindest in einem Bereich dieser Strukturierung ein Metallfilm (7) aufgebracht ist,
bei dem die Höhe (h) dieser Strukturierung und die Länge (Lg) jeweils einer Periode dieser Strukturierung, die Dicke des Metallfilms (7) und der Abstand (a) dieses Metallfilms (7) von der Wellenleiterschicht (3) so bemessen sind, daß durch in dieser Wellenleiterschicht (3) geführte Strahlung an der der Wellenleiterschicht (3) abgewandten Oberfläche des Me­ tallfilms (7) Oberflächenmoden angeregt werden, und
bei dem oberhalb des Metallfilms (7) in verschiedenen Rich­ tungen, in die von diesen Oberflächenmoden Strahlung ausge­ sendet wird, Einrichtungen für die Aufnahme dieser Strahlung angeordnet sind.

2. Frequenzdemultiplexer nach Anspruch 1, bei dem die Wellenleiterschicht (3) ein für Strahlungserzeu­ gung geeignetes Halbleitermaterial ist,
bei dem die Halbleitermaterialien auf verschiedenen Seiten der Wellenleiterschicht (3) für elektrische Leitung einander entgegengesetzten Leitungstyps dotiert sind und
bei dem Kontakte (9, 10) vorhanden sind, die jeweils mit die­ sen dotierten Halbleitermaterialien elektrisch leitend ver­ bunden sind.

3. Frequenzdemultiplexer nach Anspruch 1 oder 2, bei dem für Lichteintritt und Lichtaustritt vorgesehene Rän­ der der Wellenleiterschicht (3) mit Entspiegelungsschichten (8) versehen sind.

4. Frequenzdemultiplexer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Strukturierung eine minimale Periode in einer zu den Schichtebenen parallelen Richtung aufweist, die von der Richtung, in der die Strahlung in der Wellenleiterschicht (3) geführt wird, verschieden ist.

5. Frequenzdemultiplexer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Strukturierung in jeder zu den Schichtebenen pa­ rallelen Richtung periodisch ist.

6. Frequenzdemultiplexer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Einrichtungen für die Aufnahme der Strahlung De­ tektoren (D1, D2, D3, D4, D5) sind.

7. Frequenzdemultiplexer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Einrichtungen für die Aufnahme der Strahlung Glasfasern sind.