DE60015855T2

DE60015855T2 - Verfahren zum Betrieb einer optischen Halbleiter-Vorrichtung

Info

Publication number: DE60015855T2
Application number: DE60015855T
Authority: DE
Inventors: Yoshiaki Nakano; Byong-Jin Ma
Original assignee: University of Tokyo NUC
Current assignee: University of Tokyo NUC
Priority date: 1999-06-08
Filing date: 2000-06-07
Publication date: 2005-03-31
Anticipated expiration: 2020-06-08
Also published as: DE60015855D1; CA2310957C; EP1059554A3; CA2310957A1; US6374029B1; EP1059554A2; JP2000347230A; EP1059554B1; JP3038383B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer optischen Vorrichtung, die vorzugsweise als eine Quelle bei einem optischen Kommunikationssystem mit Wellenlängenmultiplex (WDM) verwendet werden kann.
In Übereinstimmung mit den jüngsten abrupten Fortschritten innerhalb der digitalen Kommunikation besteht ein hoher Bedarf an der Entwicklung eines optischen WDM-Kommunikationssystems. Dieses optische WDM-Kommunikationssystem erfordert einen optischen Wellenfrequenzwandler, um eine begrenzte Anzahl an Kanälen auf effiziente Weise durch Kanalwechsel zu nutzen. Bei Wellenlängenwandlern des Standes der Technik, sind Wellenlängenwandler des XGM-Typs unter Einsatz von Kreuzmodulation und Wellenlängenwandler des XPM-Typs unter Einsatz von Kreuzphasenmodulation bekannt.
Bei den optischen Wellenlängenwandlern des XGM-Typs werden ein bezüglich der Intensiät moduliertes optisches Eingangssignal mit einer Wellenlänge λ₁ und ein optisches Signal mit einer Wellenlänge λ₂ und einer konstanten Amplitude einem optischen Halbleiterverstärker zugeführt, und es wird ein optisches Ausgangssignal umgekehrter Polarität mit einer Wellenlänge λ₂ erzeugt, indem die Differenz der Verstärkung für eine optische Leistung, die auf den optischen Halbleiterverstärker auftritt, genutzt wird.
Beim Wellenlängenwandler XPM-Typs wird das Prinzip des Mach-Zehnder-Interferometers genutzt. Diese Art von Vorrichtung wird die Eingangsseite eines Wellenleiters, welche ein optisches Eingangssignal mit einer Wellenlänge λ₂ aufweist, in zwei Wellenleiter aufgeteilt, wobei ein optischer Halbleiterverstärker in einem der Wellenleiter angeordnet ist, und diese beiden Wellenleiter sind so eingestellt, dass sie für Licht mit einer zu modulierenden Wellenlänge von λ₂ phasengleich sind. Wenn ein optisches Eingangssignal mit einer Wellenlänge λ₁ und ein optisches Signal mit einer Wellenlänge λ₂ und einer konstanten Amplitude hindurchtreten, wird eine Phasendifferenz von π/2 zwischen den beiden Wellenleitern aufgrund der Funktion des Eingangssignals erzeugt. Durch Verwenden dieser Phasendifferenz wird ein umgekehrter optischer Ausgang mit einer Wellenlänge λ₂ erzeugt.
Da der bekannte Wellenlängenwandler des XGM-Typs die saturierte Verstärkung des optischen Verstärkers nutzt, ist die Extinktionsrate dieses optischen Wellenlängenwandlers gering.
Zusätzlich, weist er den inhärenten Nachteil auf, dass nur das invertierte optische Ausgangssignal erzeugt wird und kein nicht-invertiertes Ausgangssignal erzeugt werden kann.
Bei dem optischen Wellenlängenwandler des XPM-Typs ist, obgleich es möglich ist, ein ausreichend großes Extinktionsverhältnis zu erzielen, da er ein periodisches Ansprechverhalten zeigt, eine extrem strenge Toleranz in Bezug auf die Länge der Vorrichtung erforderlich. Deshalb ist bei der Herstellung der Durchsatz der bekannten optischen Wellenlängenwandler des XPM-Typs wesentlich verringert.
Darüber hinaus ist der vorstehend erwähnte, bekannte optische Wellenlängenwandler relativ groß. D.h., die typische Größe des bekannten optischen Wandlers ist nicht geringer als einige mm bis 10 mm, und somit ist es in der Praxis schwierig, sie als einzelnen Chip zu integrieren.
Die JP 07 312460 A und das entsprechende "Patent Abstract of Japan" beschreiben ein optisches Halbleiter-Verstärkerelement mit einer Wellenleiterstruktur. Das optische Halbleiter-Verstärkerelement ist mit einem Antireflexionsfilm auf den Enden versehen.
Es ist deshalb wünschenswert, ein neues Verfahren zum Betreiben einer optischen Vorrichtung anzugeben, das die vorstehend erwähnten Nachteile behebt oder zumindest verringert und/oder ein großes Extinktionsverhältnis aufweisen kann.
Es ist auch wünschenswert, ein Verfahren zum Betreiben einer optischen Vorrichtung anzugeben, welches ein nicht-invertiertes Ausgangssignal erzeugen und digital arbeiten kann.
Es ist weiter wünschenswert, ein Verfahren zum Betreiben einer optischen Vorrichtung als Wellenlängenwandler oder Wellenformgeber anzugeben.
Die Erfindung ist durch die beigefügten unabhängigen Ansprüche definiert, auf die nun Bezug genommen werden soll. Weitere bevorzugte Merkmale können den angefügten Unteransprüchen entnommen werden.
Zum besseren Verständnis der Erfindung werden nun einige ihrer Ausführungsformen beispielhaft mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
1 eine schematische perspektivische Ansicht, welche die Konstruktion eines Beispiels der optischen Vorrichtung zeigt, die gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrieben wird;
die 2A, 2B Schnittansichten der optischen Vorrichtung von 1 entlang einer Ebene senkrecht zur Richtung des Lichtwellenvordringens und einer Ebene parallel zur Richtung der Lichtwellenausbreitung;
die 3A, 3B Graphen, welche die Relation zwischen der Lage und einem x-Brechungsindex veranschaulichen;
die 4A, 4B Graphen, welche die Relationen zwischen der Ausgangsleistung und der Verstärkung bzw. der Eingangsleistung veranschaulichen;
5 eine schematische Ansicht eines Wellenlängenwandlers, der gemäß einer Ausführungsform der Erfindung betrieben wird; und
6 eine schematische Ansicht eines Wellenformgebers, der gemäß einer Ausführungsform der Erfindung betrieben wird.
Die 1, 2A und 2B zeigen eine optische Vorrichtung, die gemäß der vorliegenden Erfindung betrieben wird. 1 ist eine perspektivische allgemeine Konstruktionsansicht der optischen Vorrichtung. 2 ist eine schematische Schnittansicht entlang einer Ebene senkrecht zur Richtung der Lichtwellenausbreitung, und 2B ist eine schematische Schnittansicht entlang einer Ebene parallel zur Richtung der Lichtwellenausbreitung. Wie in 1 gezeigt, ist die Richtung der Lichtwellenausbreitung als z-Richtung dargestellt, die Richtung des Stapels der Halbleiterschichten und der Trägerinjektion als y-Richtung und die Richtung senkrecht zu den Richtungen der Lichtwellenausbreitung und der Trägerinjektion als x-Richtung.
Die optische Vorrichtung umfasst ein Halbleitersubstrat 1 eines ersten Leitertyps aus n-InP und eine Wellenleiterstruktur, die auf dem Halbleitersubstrat ausgebildet ist. Das Substrat 1 weist eine Dicke von 100 μm und eine Dotierungskonzentration von 2 × 10¹⁸ Atome/cm³ auf. Das Substrat 1 enthält (bspw.) Schwefel als n-Dotierung. Eine erste Mantelschicht 2 ist auf dem Substrat 1 ausgebildet, wobei die erste Mantelschicht eine Dicke von 0,4 μm aufweist und aus n-InP mit einer Dotierungskonzentration von 5 × 10¹⁷ Atome/cm³ ausgebildet ist. Auf der ersten Mantelschicht 2 ist eine aktive Schicht 3 aus i-InGaAsP (1,55 μm) mit einer Dicke von 0,2 μm ausgebildet. Eine Ätz-Stoppschicht 4 aus InGaAsP (1,25 μm) ist auf der aktiven Schicht mit einer Dicke von 0,02 μm ausgebildet. Auf der Ätz-Stoppschicht 4 ist eine zweite Mantelschicht 5 eines zweiten Leitertyps vorhanden. Diese zweite Mantelschicht 5 weist eine Dicke von 0,4 μm und eine Dotierungskonzentration von 5 × 10¹⁷ Atome/cm³ auf. Die P-Dotierung kann aus Zn sein. Auf der zweiten Mantelschicht 5 ist eine Deckschicht 6 ausgebildet, welche eine Dicke von 0,1 μm und eine Dotierungskonzentration von 2 × 10¹⁹ Atome/cm³ aufweist, auf welcher eine zweite Elektrode 7 aus Ti-Au ausgebildet ist. Schließlich ist eine erste Elektrode 8 aus Ti–Au auf der gegenüberliegenden Oberfläche des Substrats 1 ausgebildet.
Nun wird kurz ein Verfahren zur Herstellung der vorstehend angegebenen optischen Vorrichtung beschrieben. Nach Ausbilden der zweiten Mantelschicht 5 wird diese selektiv durch Photolitographie entfernt, während die Schicht 4 als Ätzstopper verwendet wird, wobei die Abschnitte entsprechend den Stegteilen eines optischen Halbleiterverstärkers stehengelassen werden, wodurch eine stegartige Wellenleiterstruktur ausgebildet wird. Dann werden eine Deckschicht 6 und eine zweite Elektrodenschicht 7 ausgebildet. Durch einen Strukturierungsprozess wird die zweite Elektrode 7 auf dem Leistenabschnitt des optischen Halbleiterverstärkers ausgebildet. Dann wird die erste Elektrode 8 auf der rückwärtigen Oberfäche des Halbleitersubstrats 1 auf gleiche Weise ausgebildet. Schließlich, wie in 2B gezeigt, werden jeweils Antireflexionsbeschichtungen auf einer Lichteintritts-Endoberfläche 9 und einer Lichtaustritts-Endoberfläche 10 des optischen Halbleiterverstärkers ausgebildet. Eine eingangsseitige optische Faser (nicht gezeigt) ist dafür angeordnet, der Lichteinfalls-Endoberfläche 9 gegenüber zu stehen, so dass das Signallicht durch die otpische Eingangsfaser auf die Wellenleiterstruktur auftrifft. Eine ausgangsseitge optische Faser (nicht gezeigt) ist so angeordnet, dass sie der Lichtaustritts-Endoberfläche 10 gegenübersteht, so dass eine optische verstärkte Lichtwelle durch die optische Ausgangsfaser emittiert wird.
Zwischen der ersten Elektrode 8 und der zweiten Elektrode 7 ist eine Gleichspannungs-Vorspannungsquelle 11 angeschlossen. Aus der Gleichspannungs-Vorspannungsquelle 11 werden kontinuierlich Träger in den zentralen Abschnitt 3a der aktiven Schicht 3 mit konstanter Geschwindigkeit injiziert. Elektronen werden in den zentralen Abschnitt 3a der aktiven Schicht 3 durch die erste Elektrode 8, das Halbleitersubstrat 1 des n-Typs und die erste Mantelschicht 2 des n-Typs injiziert. Löcher werden in die aktive Schicht 3 durch die zweite Elektrode 7, die Deckschicht 6, die zweite Mantelschicht 5 und die Ätz-Stoppschicht 4 injiziert. Die so injizierten Träger werden innerhalb des zentralen Abschnitts 3a der aktiven Schicht 3 gespeichert. Deshalb wird, wie in 2A gezeigt, ein Trägerinjektionsbereich 3a, in welchen Träger injiziert und dort gespeichert werden, am Zentrum der aktiven Schicht 3 ausgebildet, und Nicht-Trägerinjektionsbereiche 3B und 3C, in welche Träger im Wesentlichen nicht injiziert werden, werden auf beiden Seiten des Trägerinjektionsbereichs, in Ausbreitungsrichtung des optischen Eingangssignals gesehen, injiziert.
Nun werden die Brechungsindexeigenschaften der Wellenleiterstruktur erläutert. Das intrinsische InGaAsP, das die aktive Schicht 3 bildet, weist einen Brechungsindex von etwa 3,50 auf, und das InP, welches die ersten und zweiten Mantelschichten 2 und 4 bildet, weist einen Brechungsindex von etwa 3,20 auf. Deshalb ist der Brechungsindex der aktiven Schicht 3 größer als derjeninge der ersten und zweiten Mantelschichten, die der aktiven Schicht, in y-Richtung gesehen, benachbart sind, so dass die Lichtwelle, die sich entlang der Wellenleiterstruktur ausbreitet, in y-Richtung begrenzt und entlang dem Wellenleiter geführt wird.
Als nächstes werden der optische Begrenzungseffekt sowie der Strahlungseffekt für das optische Eingangssignal in x-Richtung beschrieben. Wie in 2B gezeigt, breitet sich, wenn das optische Eingangssignal an die Eintritts-Endoberfläche 9 angelegt wird, diese Lichtwelle entlang der z-Richtung in der Wellenleiterstruktur aus, welche aus der ersten Mantelschicht 2, der aktiven Schicht 3 und der zweiten Mantelschicht 4 zusammengesetzt ist. Während der Ausbreitung durch die Wellenleiterstruktur wird die Lichtwelle optisch durch Träger verstärkt, die im Trägerinjektionsbereich 3a der aktiven Schicht 3 gespeichert sind. Wenn das Leistungsniveau des optischen Eingangssignals niedrig ist, ist die Zahl an Trägern, die durch die Verstärkungsfunktion verbraucht werden, gering, und die Menge an Trägern, die im Trägerinjektionsbereich 3a der aktiven Schicht 3 verbleiben, ist relativ "erhöht", und deshalb ist der Brechungsindex des Wellenleiters in Bezug auf die sich ausbreitende Welle relativ erniedrigt. Im Gegensatz dazu wird, wenn das Leistungsniveau eines optischen Eingangssignals hoch ist, eine große Menge an Trägern durch die optische Verstärkungsfunktion verbraucht, weswegen die Menge an Trägern, die in der aktiven Schicht verbleiben, wesentlich erniedrigt wird. Deshalb wird der Brechungsindex der aktiven Schicht abrupt erhöht. Als Ergebnis davon ist der Brechungsindex des Wellenleiters in Bezug auf die sich ausbreitende Lichtwelle relativ erhöht. Dieser Zustand wird mit Bezug auf die 3A und 3B erläutert. Die 3A und 3B sind Graphen, welche schematisch die Verhältnisse zwischen den Brechungsindex und der Lage in x-Richtung in einer Ebene senkrecht zur z-Richtung, welche die Ausbreitungsrichtung des Signallichts ist, veranschaulichen. 3A zeigt das Verhältnis zwischen dem Brechungsindex und der Lage in x-Richtung, wenn Signallicht mit einem niedrigen Leistungsniveau sich entlang dem Wellenleiter ausbreitet, und 3B zeigt das Verhältnis, wenn ein Signallicht mit einem hohen Leistungsniveau sich ausbreitet. Der Brechungsindex des intrinsischen InGaAsP, welches die aktive Schicht 3 bildet, in einem Zustand, in dem keine Träger zur Injektion getrieben werden, d.h., mit einem Brechungsindex der Nicht-Trägerinjektionsbereiche 3b und 3c, beträgt etwa 3,26. Wenn jedoch Träger zur Injektion getrieben werden, nimmt der Brechungsindex des Trägerinjektionsbereichs 3a ab, bspw. auf 3,258. Deshalb wird der Brechungsindex des Trägerinjektionsbereichs, wie durch den Stegwellenleiter begrenzt, niedriger als derjenige der umgebenden Nicht-Trägerinjektionsbereiche 3b und 3c, wodurch das Brechungsindexprofil von 3A erhalten wird. Wenn ein optisches Signal mit einem hohen Leistungsniveau zugeführt wird, wird eine ziemlich große Menge an Trägern durch die optische Verstärkungsfunktion konsumiert, wodurch bewirkt wird, dass die Menge an Trägern, die im Trägerinjektionsbereich 3a der aktiven Schicht 3 gespeichert ist, abnimmt, während die Menge an Trägern in den Nicht-Trägerinjektionsbereichen 3a und 3c im Wesentlichen konstant gehalten wird. Als Ergebnis davon wird der Brechungsindex des Trägerinjektionsbereichs 3a auf etwa 3,262 erhöht und wird höher als derjenige der umgebenden Nicht-Trägerinjektionsbereiche, wie in 3B gezeigt.
Wie vorstehend beschrieben, ist der Brechungsindex des Ausbreitungsweges der Lichtwelle, wenn ein optisches Eingangssignal mit einem niedrigen Leistungsniveau zugeführt wird, niedriger als derjenige der benachbarten Seitenbereiche 3b und 3c. Aufgrund einer solchen Differenz des Brechungsindex wird die Lichtwelle des Eingangssignals durch die Nicht-Trägerinjektionsbereiche, welche einen höheren Brechungsindex aufweisen, absorbiert und wird durch die umgebenden Bereiche nach außen emittiert. Dies führt zu einer optischen Vorrichtung, die im Anti-Führungsmodus arbeitet, und aus der Ausgangs oberfläche wird vernachlässigbar schwaches Licht emittiert. Wenn jedoch im Gegenzug ein optisches Eingangssignal mit einem hohen Leistungsniveau zugeführt wird, wird der Brechungsindex des Ausbreitungsweges höher als derjenige der Nicht-Trägerinjektionsbereiche 3b und 3c. Diese Differenz des Brechungsindex erzeugt den optischen Begrenzungseffekt, wobei ein vollständiger Wellenleiter gebildet wird, der sich von der Eintrittsoberfläche 9 zur Austrittsoberfläche 10 erstreckt. Somit tritt der optische Begrenzungseffekt sowohl in x- als auch in y-Richtung auf, und die verstärkte Lichtwelle wird sowohl in x- als auch in y-Richtung beschränkt und tritt durch den Wellenleiter und wird von der Austrittsoberfläche 10 emittiert.
Die 4A und 4B sind Graphen, die schematisch das Verhältnis zwischen der Eingangsleistung und der Ausgangsleistung verdeutlichen, sowie auch das Verhältnis zwischen der Eingangsleistung und der Verstärkung (P_out/P_in), wenn sich das optische Signal in der vorstehend erwähnten optischen Vorrichtung ausbreitet. In 4A repräsentiert die horizontale Achse die Eingangsleistung des optischen Signals, und die vertikale Achse respräsentiert die Ausgangsleistung. Die optische Vorrichtung, die gemäß der vorliegenden Erfindung zu betreiben ist, weist sowohl eine optische Verstärkungsfunktion als auch eine Indexführungsfunktion auf. Wenn die Eingangsleistung des optischen Eingangssignals niedrig ist, wirkt die Indexführungsfunktion nicht, und nahezu die gesamte optische Leistung des optischen Eingangssignals wird seitlich abgestrahlt und wird nicht von der Austrittsoberfläche emittiert. Somit wirkt diese optische Vorrichtung im Anti-Führungsmodus. Darüber hinaus ändert sich die Ausgangsleistung kaum trotz der Zunahme der Eingangsleistung, wenn der Brechungsindex des Trägerinjektionsbereichs niedriger ist als derjenige der umgebenden Bereiche. Umgekehrt tritt, wenn die Eingangsleitungs erhöht wird und der Brechungsindex des Trägerinjektionsbereiches denjenigen der Nicht-Trägerinjektionsbereiche übersteigt, der Indexführungseffekt plötzlich auf, und das optische Eingangssignal beginnt, sich im Trägerinjektionsbereich auszubreiten. Durch diese Ausbreitung des Signallichts wird die optische Verstärkungsfunktion plötzlich erhöht, die Ausgangssleistung nimmt relativ zur Eingangsleistung stark zu. Somit kann, wie in 4A gezeigt, eine nichtlineare Eingangs-/Ausgangscharakteristik mit einem Schwellenwert aufgrund des Multiplikationseffekts des Indexführungseffekts und des optischen Verstärkungseffekts erhalten werden. Als Vergleich ist das Verhältnis zwischen der Eingangsleistung und der Ausgangsleistung in einem herkömmlichen optischen Halbleiterverstärker (des Standes der Technik) in strichlierten Linien gezeigt. Bei optischen Halbleiterverstärkern des Standes der Technik wird der Brechungsindex des Trägerinjektionsbereiches bei der Herstellungstufe so eingestellt, dass er sowohl in x- als auch in y-Richtung höher ist als derjenige der umgebenden Bereiche, und somit nimmt die Ausgangsleistung linear mit der Eingangsleistung zu.
In 4B repräsentiert die horizontale Achse die Eingangsleistung und die vertikale Achse die Verstärkung (P_out/P_in). Die durchgezogene Linie gibt die Charakteristik der optischen Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung an, und die strichlierte Linie zeigt eine allgemeine Charakteristik eines herkömmlichen optischen Halbleiterverstärkers. Bei der optischen Vorrichtung, die erfindungsgemäß zu betreiben ist, tritt kaum optische Verstärkung auf, wenn das Leistungsniveau des optischen Eingangssignals niedrig ist. Wenn jedoch die Eingangsleistung weiter zunimmt und der Brechungsindex des Trägerinjektionsbereichs sich demjenigen der Nicht-Trägerinjektionsbereiche annähert, treten sowohl die Führungsfunktion als auch die optische Verstärkungsfunktion signifikant auf, und der optische Verstärkungseffekt nimmt abrupt zu. Nach dem Überschreiten der Trägerinjektionsgrenze der Gleichstromquelle wird die Verstärkung graduell reduziert. Im Gegensatz dazu wird die Verstärkung trotz der Zunahme der Eingangsleistung konstant gehalten, da die Verstärkung des optischen Halbleiterverstärkers des Standes der Technik ungeachtet der Eingangsleistung konstant eingestellt ist, und wird graduell reduziert, nachdem die Trägerinjektionsgrenze überschritten wurde. Wie aus den Verstärkungseigenschaften von 4B ersichtlich ist, weist die optische Vorrichtung, die gemäß der vorliegenden Erfindung zu betreiben ist, eine spezifische Verstärkungscharakteristik auf, die von derjenigen der bekannten optischen Halbleiterverstärker verschieden ist. Wie vorstehend beschrieben wurde, weist die optische Vorrichtung, die gemäß der vorliegenden Erfindung zu betreiben ist, eine Schwellwertcharakteristik auf, die vom bekannten optischen Halbleiterverstärker nicht erreicht werden kann. Unter Einsatz dieser speziellen Schwellenwertcharakteristik können verschiedene optische Vorrichtungen realisiert werden.
Im folgenden wird eine optische Vorrichtung, die gemäß der Erfindung als Wellenlängenwandler betrieben wird, erläutert. Wie in 5 gezeigt, fallen ein optisches Eingangssignal mit einer Wellenlänge λ₁ und eine Lichtwelle mit einer Wellenlänge λ₂ und einer konstanten Amplitude auf eine optische Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. Das Leistungsniveau der Lichtwelle mit der Wellenlänge λ₂ und konstanter Amplitude ist auf einen Wert eingestellt, der etwas niedriger ist als der in den 4A und 4B gezeigte Schwellenwert. Wenn das Leistungsniveau des optischen Signals mit der Wellenlänge λ₁ hoch ist, trifft ein kombiniertes optisches Signal hohen Niveaus auf die optische Vorrichtung auf, und somit werden beide Lichtwellen mit Wellenlängen von λ₁ und λ₂ optisch verstärkt und werden als Signal mit hohem Niveau emittiert. Wenn im Gegensatz dazu das Leistungsniveau des optischen Signals mit der Wellenlänge λ₁ niedrig ist, arbeitet die optische Vorrichtung im Anti-Führungsmodus und beide Lichtwellen mit λ₁ und λ₂ werden nicht verstäkrt, wodurch beide Lichtwellen als Signal auf niedrigem Niveau emittiert werden. Als Ergebnis davon kann ein verstärktes optisches Signal mit der Wellenlänge λ₂, das gemäß dem optischen Eingangssignal moduliert ist, von der Austrittsendoberfläche emittiert werden.
6 zeigt eine optische Vorrichtung, die erfindungsgemäß betrieben wird und als Wellenformgeber eingesetzt wird. Ein optisches Eingangssignal mit einer Wellenlänge λ₁ und eine Lichtwelle derselben Wellenlänge und mit konstanter Amplitude werden der erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung zugeführt. Das Leistungsniveau der Lichtwelle mit konstanter Amplitude ist auf einen Wert eingestellt, der geringfügig niedriger ist als der in den 4A und 4B gezeigte Schwellenwert. Wenn sich das optische Eingangssignal auf hohem Niveau befindet, arbeitet die Vorrichtung im Führungsmodus und emittert ein optisch verstärktes Lichtsignal hohen Niveaus. Wenn das optische Eingangssignal sich auf niedrigem Niveau befindet, wird ein Signal auf niedrigem Niveau ausgegeben, da das Leistungsniveau der Eingangslichtwelle niedriger ist als der Schwellenwert. Als Ergebnis davon kann eine optische Vorrichtung, die erfindungsgemäß betrieben wird, als Wellenformgeber arbeiten. Dieser Wellenformgeber kann geeignet eingesetzt werden, um ein schwaches Eingangssignal optisch zu verstärken und ein Ausgangssignal mit hohem S/N-Verhältnis zu erzeugen. D.h., dass, wenn nur ein schwaches optisches Signal der optischen Vorrichtung zugeführt wird, dieses nicht verstärkt werden kann. Wenn jedoch sowohl das schwache optische Signal als auch eine Lichtwelle mit einer relativ hohen konstanten Amplitude der optischen Vorrichtung zugeführt werden, kann die optische Leistung der Eingangslichtwelle bis auf den Schwellenwert erhöht werden, und somit kann ein optisches Ausgangssignal mit signifikant verstäkter Amplitude und hohem S/N-Verhältnis erhalten werden, indem die Schwellenwertcharakteristik der optischen Vorrichtung genutzt wird. Zusätzlich kann die optische Vorrichtung, die in 6 gezeigt ist, als Wellenformgeber arbeiten, indem nur das optische Eingangssignallicht zugeführt wird. Auch in diesem Fall kann ein optisches Ausgangssignal mit einem hohen S/N-Verhältnis wiedererzeugt werden, da Rauschkomponenten mit niedrigem Leistungsniveau sowie auch die Wellenverzerrung entfernt werden können.
Die Anwendung der vorliegenden Erfindung ist nicht auf die vorstehend erwähnten Vorrichtungen beschränkt, und verschiedene Veränderungen und Modifikationen können vom Fachmann ins Auge gefasst werden. Bspw. sind die Materialsysteme, die die Wellenleiterstruktur bilden, nicht auf InGaAs/InP-Systeme beschränkt, sondern es können Halbleitersysteme, bspw. ein GaAIAs/GaAs-System, ein InGaAIAs/10-System und ein InGaAs/GaAs-System eingesetzt werden.
Als aktive Schicht kann auch eine Quantenschachtstruktur eingesetzt werden. In diesem Fall wird bspw. eine erste optische Begrenzungsschicht aus InGaAsP (1,55 μm) mit einer Dicke von 200 nm auf der ersten Mantelschicht ausgebildet. Auf dieser optischen Begrenzungsschicht wird eine Quantenschachtstruktur, die aus fünf Sätzen einer Quantenschachschicht aus wechselweise InGaAsP (1,75 μm) mit einer Dicke von 10 nm und einer Grenzschicht aus InGaAsP (1,25 μm) mit einer Dicke von 10 μm zusammengesetzt ist, ausgebildet wird. Auf dieser Quantenschachtstruktur wird eine zweite optische Begrenzungsschicht aus InGaAsP (1,25 μm) mit einer Dicke von 200 nm ausgebildet. Diese Quantenschachtstruktur kann als aktive Schicht eingesetzt werden.
Zusammenfassend wird ein Verfahren zum Betreiben einer optischen Vorrichtung angegeben, wobei die Vorrichtung ein großes Extinktionsverhältnis aufweist und für digitalen Betrieb geeignet ist und erste und zweite Elektroden (7, 8) umfasst, die auf beiden Seiten einer Wellenleiterstruktur ausgebildet sind, so dass ein Trägerinjektionsbereich (3a) und ein Nicht-Trägerinjektionsbreich (3b) zueinander benachbart in der Wellenleiterstruktur ausgebildet sind. Wenn Massenträger im Trägerinjektionsbereich gespeichert sind, wird dessen Brechungsindex verringert, so dass er niedriger ist als derjenige der Nicht-Trägerinjektionsbereiche. In diesem Zustand ist, wenn eine Lichtwelle mit niedriger optischer Leistung durch den Trägerinjektionsbereich tritt, da die Menge an hierdurch verbrauchten Trägern gering ist, der Brechungsindex dieses Bereiches noch niedriger als derjenige der Nicht-Trägerinjektionsbereiche, und die Eingangslichtwelle wird seitwärts durch den Nicht-Trägerinjektionsbereich emittiert. Wenn im Gegensatz dazu eine Lichtwelle mit hoher optischer Leistung durch den Trägerinjektionsbereich tritt, wird, da der Trägerverbrauch groß ist, der Berechungsindex dieses Bereiches (3a) höher als derjenige der Nicht-Trägerinjektionsbereiche (3b) und das Eingangslicht breitet sich durch einen Wellenleiter aus, der optisch induziert ist, um sich von der Einfallsoberfläche zur Austrittsoberfläche zu erstrecken.

Claims

Verfahren zum Betrieb einer optischen Vorrichtung, wobei die Vorrichtung eine Wellenleiterstruktur aufweist, die durch eine Anzahl an Halbleiterschichten (2–6) gebildet ist, welche auf einer ersten Hauptoberfläche eines Halbleitersubstrats (1) ausgebildet sind, und die eine Eintrittsoberfläche (9) und eine Austrittsoberfläche (10), die einander gegenüberliegen, aufweist, wobei die Eintritts- und die Austrittsoberflächen (9, 10) senkrecht zu den Halbleiterschichten sind, wobei die Halbleiterschichten aus Halbleitermaterialien zusammengesetzt sind, deren Brechungsindizes gemäß der Menge an Trägern variieren, welche in sie injiziert und in ihnen gespeichert sind, und die eine erste Elektrode (8), die auf der zweiten Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats ausgebildet ist, und eine zweite Elektrode (7), die auf der Oberseite der Wellenleiterstruktur ausgebildet ist, aufweist, so dass die zweite Elektrode der ersten Elektrode gegenüber liegt, wobei die ersten und zweiten Elektroden so ausgebildet sind, dass ein Trägerinjektionsbereich (3a) in welchen Träger durch die ersten und zweiten Elektroden injiziert werden, und Nicht-Trägerinjektionsbereiche (3b, 3c), in die Träger nicht wesentlich injiziert werden, in der Wellenleiterstruktur ausgebildet sind, so dass der Trägerinjektionsbereich seitlich zwischen die Nicht-Trägerinjektionsbereiche geschichtet ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Anlegen einer Gleichspannung über den ersten und zweiten Elektroden (8 und 7), um Träger in die Wellenleiterstruktur zu injizieren und die Wellenleiterstruktur in den Trägerinjektions-Betriebszustand zu bringen, in dem der Brechungsindex des Trägerinjektionsbereichs (3a) niedriger ist als derjenige der Nicht-Trägerinjektionsbereiche (3b, 3c); Betreiben der optischen Vorrichtung in einem Führungsmodus durch Einfallenlassen einer Eingangslichtwelle eines ersten Leistungsniveaus, das höher als ein Schwellenwert liegt, auf die Eintrittsoberfläche (9), um den Brechungsindex des Trägerinjektionsbereichs (3a) zu verändern, so dass er höher ist als derjenige der Nicht-Trägerinjektionsbereiche (3b, 3c), so dass der Trägerinjektionsbereich (3a) einen optischen Kanalwellenleiter bildet, welcher die verstärkte Eingangslichtwelle von der Eintrittsoberfläche (9) zur Austrittsoberfläche (10) führt; und Betreiben der optischen Vorrichtung in einem Anti-Führungsmodus durch Einfallenlassen einer Eingangslichtwelle eines zweiten Leistungsniveaus, das niedriger ist als der Schwellenwert, auf die Eintrittsoberfläche (9), um den Brechungsindex des Trägerinjektionsbereichs (3a) niedriger als denjenigen der Nicht-Trägerinjetionsbereiche (3b, 3c) zu halten, so dass die Eingangslichtwelle seitlich durch die Nicht-Trägerinjektionsbereiche emittiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die optische Vorrichtung als Wellenformgeber betrieben wird, indem ein optisches Eingangssignal, das ein höheres Niveau aufweist, welches höher ist als der Schwellenwert, sowie ein niedrigeres Niveau, welches niedriger ist als der Schwellenwert, auf die Eintrittsoberfläche (9) einfallen gelassen wird und ein optisches Ausgangssignal, das eine verstärkte und modulierte Amplitude gemäß dem optischen Eingangssignal aufweist, aus der Austrittsoberfläche gewonnen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die optische Vorrichtung als ein Wellenlängenwandler betrieben wird, indem ein optisches Eingangssignal mit einer Wellenlänge λ₁ und eine Lichtwelle mit einer Wellenlänge λ₂, die von λ₁ verschieden ist, und einer konstanten Amplitude, die geringfügig niedriger ist als der Schwellenwert, auf die Eintrittsoberfläche (9) einfallen gelassen wird und ein versträktes optisches Signal mit einer Wellenlänge λ₂ und einer Amplitude, die gemäß dem optischen Eingangssignal der Wellenlänge λ₁ moduliert ist, aus der Austrittsoberfläche (10) gewonnen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die optische Vorrichtung als Wellenformgeber betrieben wird, indem ein optisches Eingangssignal mit einer Wellenlänge λ₁ und eine Lichtwelle derselben Wellenlänge λ₁ und einer konstanten Amplitude, die geringfügig niedriger ist als der Schwellenwert, auf die Eintrittsoberfläche (9) einfallen gelassen wird und ein versärktes optisches Signal mit einer Wellenlänge λ₁ und einer Amplitude, die gemäß dem optischen Eingangssignal der Wellenlänge λ₁ variiert ist, aus der Austrittsoberfläche (10) gewonnen wird.