DE60109045T2

DE60109045T2 - Integrierte optische Weglenkungs- und Wellenlängenkonversionsmatrix

Info

Publication number: DE60109045T2
Application number: DE60109045T
Authority: DE
Inventors: Vincent Richard PENTY; Siyuan Stoke Bishop YU; Ian White
Original assignee: University of Bristol
Current assignee: University of Bristol
Priority date: 2000-09-01
Filing date: 2001-09-03
Publication date: 2006-02-09
Anticipated expiration: 2021-09-04
Also published as: US20050002597A1; DE60109045D1; AU2001284253A1; WO2002019755A2; ATE289739T1; WO2002019755A3; EP1314333B1; GB0021512D0; EP1314333A2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft integrierte optische Router und Wellenlängenwandler.
Hintergrund der Erfindung:
Die Fähigkeit, Daten, welche einen optischen Träger modulieren, auf einen anderen optischen Träger mit einer unterschiedlichen Wellenlänge durch eine optische Vorrichtung (Wellenlängenwandlung) zu übertragen, ist bei dem Wellenlängenmultiplex (WDM) wesentlich. Durch das Auf tauchen sowohl in Bezug auf die Wellenlänge geschaltete als auch in Bezug auf Pakete geschaltete, hoch dynamische optische Netzwerke ist es wünschenswert, wirksame Schaltgeräte zur Verfügung zu haben, die sowohl schnelle optische Datenpakete auf unterschiedliche Raumrichtungen umleiten können, und die Wellenlänge der Datenpakete umwandeln können. Infolge des großen Umfangs und der hohen Komplexität dieser Netzwerke ist es wünschenswert, diese beiden Funktionen in einem Router/Wellenlängenwandlerbauteil zu vereinigen, und eine monolithische Photonenvorrichtung zur Verfügung zu stellen, die eine große Anzahl derartiger Router/Wellenlängenwandlerbauteile vereinigt.
Eine Vorgehensweise zur Umwandlung von Wellenlängen nach dem Stand der Technik wird in der Veröffentlichung „Analysis of tunable wavelength converters based on cross-gain modulation in semiconductor optical amplifiers operating in the counter propagating mode" beschrieben, von Tzanakaki und O'Mahony, IEE Proceedings: Optoelectronics, 2000, Vol. 147, Nr. 1, Seiten 49–55. Bei diesem Schema wird ein optischer Halbleiterverstärker (SOA) verwendet. Die optischen Daten, die von einem Lichtstrahl transportiert werden, sättigen den SOA, was dazu führt, dass die Intensität eines anderen Dauerstrich-Lichtstrahls (CW-Lichtstrahls) mit einer unterschiedlichen Wellenlänge, der ebenfalls durch den SOA hindurchgeht, sich entsprechend ändert, wodurch die Daten auf den anderen Lichtstrahl übertragen werden.
Eine weitere Vorgehensweise nach dem Stand der Technik zur Wellenlängenumwandlung ist beschrieben in „Analysis and fabrication of an all-optical wavelength converter based on directionally-cuopled semiconductor optical amplifiers", Ma, Saitoh, Nakano, IEICE Transactions on Electronics, 2000, Vol. v E83-C, Nr. 2, Seiten 248–254. Bei diesem Schema ist der SOA so abgeändert, dass er zwei in Querrichtung gekoppelte Wellenleiter aufweist, die in der selben Ebene auf einem Halbleitersubstrat hergestellt sind. Man kann eine bessere Leistung erwarten als bei der SOA-Vorrichtung mit einem einzigen Wellenleiter.
Eine weitere Vorgehensweise nach dem Stand der Technik zur Wellenlängenumwandlung ist beschrieben in „40-Gb/s all-optical wavelength conversion, regeneration, and demultiplexing in an SOA-based all-active Mach-Zehnder interferometer", Wolfson, Kloch, Fjelde, Janz, Dagens, Renaud, IEEE Photonics Technology Letters, 2000, Vol. 12, Nr. 3, Seiten 332–334. Bei einer Interferometeranordnung ändern Daten, die von einem Lichtstrahl transportiert werden, die Phase eines anderen CW-Lichtstrahls, der durch den SOA hindurchgeht, durch Kreuzphasenmodulation in dem SOA. Das Interferometer wandelt die Phasenänderung in eine Intensitätsänderung um.
Früher überlegte Vorgehensweisen zum optischen Routing sind beschrieben im Paper WdD. 04 von F. Dorgeuille et al., in ECOC'98, Madrid, 1998, wobei regelmäßige SOA-Anordnungen als optische Gates verwendet werden.
Die US 5581643 beschreibt einen Optikwellenleiter-Koppelpunktschalter, der einen vollen Sendebetrieb und einen nicht sperrenden Betrieb durchführen kann. Diese Vorrichtung weist eine Matrix aus mehreren Eingangswellenleitern und mehreren Ausgangswellenleitern auf. Eine reflektierende Oberfläche, die jedem Schnittpunkt zugeordnet ist, kann selektiv aktiviert werden, um ein optisches Signal auf der Eingangsleitung der zugehörigen Ausgangsleitung zuzuführen.
Zusammenfassung der Erfindung:
Spezielle Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können zur Verfügung stellen:

1. Ein Optikbauteil, das durch ein externes Signal gesteuert wird. Wenn das Steuersignal vorhanden ist, ermöglicht es das Bauteil, dass ein erster Eingangslichtstrahl das Bauteil über eine erste, ausgewählte Richtung verlässt. Wenn das Steuersignal nicht vorhanden ist, lässt das Bauteil den selben Lichtstrahl das Bauteil über eine zweite, ausgewählte Richtung verlassen. Das Bauteil kann als optischer Router bekannt sein, als optischer Raumschalter, oder als optischer Koppelpunktschalter.
2. Ein Bauteil, welches, während es ermöglicht, dass sich der erste Eingangslichtstrahl zur einer der ausgewählten Richtungen ausbreitet, Daten, die von dem ersten Eingangslichtstrahl transportiert werden, auf einen zweiten Lichtstrahl zu übertragen, dessen Wellenlänge sich von jener des ersten Eingangslichtstrahls unterscheidet. Dieser Datenübertragungsvorgang ist als Wellenlängenumwandlung bekannt. Ein Bauteil, in welchem eine Wellenlängenumwandlung stattfindet, ist als Wellenlängenwandler bekannt.
3. Ein Bauteil, welches, während es ermöglicht, dass sich ein erster Eingangslichtstrahl zu einer der ausgewählten Richtungen ausbreitet, Daten, die von einem zweiten Eingangslichtstrahl transportiert werden, auf den ersten Lichtstrahl überträgt, dessen Wellenlänge sich von jener des zweiten Eingangslichtstrahls unterscheidet.
4. Ein Bauteil, welches, bei Vorhandensein eines ersten Lichtstrahls, es Daten ermöglicht, die von einem zweiten Lichtstrahl transportiert werden, dessen Wellenlänge sich von jener des ersten Lichtstrahls unterscheidet, auf einen dritten Lichtstrahl übertragen zu werden, und es dem dritten Lichtstrahl ermöglicht, das Bauteil über eine ausgewählte Richtung zu verlassen. Der dritte Lichtstrahl weist eine Wellenlänge auf, die sich von jener sowohl des ersten als auch des zweiten Lichtstrahls unterscheidet.
5. Ein Optikbauelement, das aus mehreren derartigen Bauteilen besteht, die integriert auf einem einzigen Substrat vorhanden sind.

Andere Ziele und Vorteile der Erfindung werden aus der nachstehenden, detaillierten Beschreibung deutlicher werden. Die detaillierte Beschreibung und die speziellen Ausführungsformen sind nur zum Zwecke der Erläuterung vorgesehen. Fachleuten auf diesem Gebiet werden verschiedene Hinzufügungen und Modifikationen innerhalb des Umfangs der Erfindung auffallen.
Eine Ausführungsform eines ersten Aspektes der vorliegenden Erfindung stellt eine erste Halbleiterschicht zur Verfügung, welche aufweist: eine geeignete Kristallzusammensetzung, die auf einem Halbleitersubstrat angeordnet ist, eine zweite Halbleiterschicht, die eine Kristallzusammensetzung aufweist, die von jener der ersten Halbleiterschicht verschieden ist, und auf der ersten Halbleiterschicht angeordnet ist, so dass ein erster, unterer, optischer Slab-Wellenleiter mit der ersten Halbleiterschicht als dessen Kern gebildet wird, eine dritte Halbleiterschicht, die eine Kristallzusammensetzung aufweist, die von jener der zweiten Halbleiterschicht verschieden ist, und auf der zweiten Halbleiterschicht angeordnet ist, eine vierte Halbleiterschicht, die eine Kristallzusammensetzung aufweist, die von jener der dritten Halbleiterschicht verschieden ist, und die auf der dritten Halbleiterschicht angeordnet ist, um einen zweiten, oberen, optischen Slab-Wellenleiter mit der dritten Halbleiterschicht als dessen Kern auszubilden. Einer Anordnung, die als ein vertikaler Optokoppler bekannt ist, wird daher durch das Vorhandensein des ersten und des zweiten optischen Slab-Wellenleiters auf dem selben Halbleitersubstrat ausgebildet.
Bei einer Ausführungsform eines zweiten Aspekts der vorliegenden Erfindung werden erste und zweite Gruppen paralleler optischer Steghohlleiter auf dem Halbleitersubstrat ausgebildet. Die beiden Gruppen von Steghohlleitern schneiden sich gegenseitig.
Bei einer Ausführungsform eines dritten Aspekts der vorliegenden Erfindung sind mehrere Ablenkoberflächen normal zur Halbleiterschichtebene an jenem Schnittpunkt zwischen der ersten Gruppe optischer Steghohlleiter und der zweiten Gruppe optischer Steghohlleiter vorhanden. Die Tiefe und Orientierung dieser Oberflächen sind so gewählt, dass jede dieser Oberflächen den Hauptanteil der optischen Leistung, oder diese insgesamt, ablenkt, die sich in dem oberen optischen Slab-Wellenleiter (der dritten Halbleiterschicht) ausbreitet, in einen ersten Steghohlleiter in dem selben, zweiten optischen Slab-Wellenleiter in einem zweiten Steghohlleiter.
Bei einer Ausführungsform eines vierten Aspekts der Erfindung werden Eingangslichtstrahlen in den unteren optischen Slab-Wellenleiter (oder die erste Halbleiterschicht) in einem oder mehreren Steghohlleitern eingeführt.
Bei einer Ausführungsform eines fünften Aspekts der vorliegenden Erfindung werden die optischen Eigenschaften, einschließlich Brechungsindex und optische Absorption oder Verstärkung eines oder beider Slab-Wellenleiter durch externe Signale beeinflusst, die auf die vertikale Optokoppleranordnung einwirken. Daher wird die optische Kopplung zwischen dem oberen und den unteren Slab-Wellenleitern durch das externe Signal gesteuert. Auch die Intensität von Lichtstrahlen kann durch die Steuersignale geändert werden, infolge von Änderungen der Absorption oder der Verstärkung. Dies führt dazu, wenn ein externes Steuersignal eine starke optische Kopplung ermöglicht, dass die Eingangslichtstrahlen, die sich in dem unteren optischen Slab-Wellenleiter eines ersten Steghohlleiters ausbreiten, in den oberen Slab-Wellenleiter eingekoppelt werden. Die Eingangslichtstrahlen, die in den oberen Wellenleiter eingekoppelt werden, können durch die reflektierenden Oberflächen in einen zweiten Steghohlleiter abgelenkt werden, und in den unteren Slab-Wellenleiter in dem zweiten Steghohlleiter eingekoppelt werden. Die Eingangslichtstrahlen werden daher zu einer ausgewählten Richtung geleitet. Wo und wenn ein externes Steuersignal nur eine schwache optische Kopplung ermöglicht, bleiben die Eingangslichtstrahlen, die sich in dem unteren optischen Slab-Wellenleiter eines ersten Steghohlleiters ausbreiten, im Wesentlichen in dem unteren Slab-Wellenleiter, und breiten sich in ihrer Ursprungsrichtung aus.
Bei einer Ausführungsform eines sechsten Aspekts der vorliegenden Erfindung werden bei einer vorgegebenen Signalamplitude des externen Steuersignals die optischen Eigenschaften, einschließlich des Brechungsindex und der optischen Absorption oder der Verstärkung eines oder beider Slab-Wellenleiter durch die Intensität des Lichts in einem oder beiden Slab-Wellenleitern geändert. Daher wird die optische Kopplung zwischen den unteren und den oberen Slab-Wellenleitern in einem Steghohlleiter durch die Lichtintensität in dem Steghohlleiter geändert. Auch die Stärke des Lichts wird durch die Änderungen des optischen Verlustes oder der Verstärkung der Steghohlleiter geändert.
Dies führt dazu, dass dann, wenn mehr als ein Lichtstrahl in dem selben Steghohlleiter vorhanden ist, die Daten, welche einen der Lichtstrahlen modulieren, der in die ausgewählte Richtung geleitet wird, auf andere Strahlen übertragen werden können, die unterschiedliche Wellenlängen aufweisen, und in dem Steghohlleiter vorhanden sind oder erzeugt werden.
Hierdurch wird der Vorgang einer Wellenlängenumwandlung implementiert.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Darstellung eines Halbleitersubstrats mit einer vertikalen Optokopplerschichtstruktur.
2 ist eine Aufsicht auf eine optische Router/Wellenlängenwandlermatrix, die auf dem Substrat von 1 vorgesehen ist.
3(a)–(g) zeigen einen bevorzugten Vorgang zur Herstellung einer optischen Router/Wellenlängenwandlermatrix, welche mehrere optische Router/Wellenlängenwandlerbauteile integriert.
4(a) und (b) zeigen ein optisches Router/Wellenlängenwandlerbauteil, welches einen Eingangslichtstrahl zu zwei unterschiedlichen Ausgangsports führt.
5 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform, bei welcher freie Ladungsträger in die Kernschicht des oberen Slab-Wellenleiters injiziert und dort festgehalten werden, mit Hilfe eines elektrischen Stroms und einer p-i-n-Doppelheteroübergangsstruktur.
6 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform, bei welcher ein elektrisches Feld über die obere Wellenleiterkernschicht angelegt werden kann, durch Ausdehnung eines p-i-n-Übergangs.
7 zeigt eine erste Wellenlängenwandlerbetriebsart gemäß der vorliegenden Erfindung, bei welcher Daten transportierende und CW-Lichtstrahlen den selben Weg durch die Vorrichtung zurücklegen, jedoch in entgegengesetzten Richtungen (Ausbreitung im Gegensinn).
8 zeigt eine zweite Wellenlängenwandlerbetriebsart gemäß der vorliegenden Erfindung, bei welcher Daten transportierende und CW-Lichtstrahlen den selben Weg durch die Vorrichtung in der selben Richtung zurücklegen (gemeinsame Ausbreitung).
9 zeigt eine dritte Wellenlängenwandlerbetriebsart gemäß der vorliegenden Erfindung, bei welcher ein Daten transportierender Lichtstrahl in das Bauteil von einem Port hineingelangt, der sich von jenem Teil unterscheidet, durch welches der CW-Lichtstrahl in das Bauteil hineingelangt.
10 zeigt eine vierte Wellenlängenwandlerbetriebsart, bei welcher ein Daten transportierender Lichtstrahl in das Bauteil von einem anderen Port aus hineingelangt, der sich von jenem für den CW-Lichtstrahl unterscheidet.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Die bevorzugten Ausführungsformen und deren Betriebsarten, die nachstehend beschrieben werden, sind als Beispiele zu verstehen, und sollen die Betriebsgrundlagen und die Hauptvorteile der vorliegenden Erfindung demonstrieren. Andere Ausführungsformen, Vorteile und Betriebsarten der vorliegenden Erfindung können aus der im vorliegenden Patent erfolgenden Beschreibung abgeleitet werden, und können für Fachleute offensichtlich sein.
1 zeigt eine Halbleiterwafer-Schichtstruktur, die dazu verwendet werden kann, eine optische Router/Wellenlängenwandlervorrichtung herzustellen. Aufeinanderfolgende Halbleiterschichten (102)–(105) sind auf einem Halbleitersubstrat (101) angeordnet. Die Schichtstruktur ist so gewählt, dass eine optimierte optische Kopplung bei einem ausgewählten Zustand eines Steuersignals erzielt wird, und das Design ändert sich in Abhängigkeit von den eingesetzten Steuer- und Wellenlängenwandlermechanismen. Die Schichten sind getrennt zur Erläuterung der Funktionalität in Bezug auf optische Führung. Jede Schicht kann durch eine Gruppe von Schichten gebildet sein, die für andere elektronische und optische Zwecke erforderlich sein können. So können beispielsweise die Slab-Wellenleiterkernschichten (102) und (104) mehrere Quantentopfstrukturen aufweisen.
Als nächstes wird eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Ein Halbleiterwafer wird, wie in 5 gezeigt, hergestellt. Eine n-Typ InP-Pufferschicht (501) wird zuerst auf einem InP-Substrat des Typs n+ angeordnet. Eine InGaAsP-Schicht (502) des n-Typs mit geeigneter Bandlückenenergie, eine andere InP-Schicht (503), eine andere, undotierte InGaAsP-Schicht (504), und eine dritte InP-Schicht, die p-dotiert ist, werden aufeinanderfolgend auf der Pufferschicht (501) abgelagert. Weitere Schichten können für Kontaktzwecke erforderlich sein. Die Schicht (502) dient als die Kernschicht eines optisch passiven, unteren Slab-Wellenleiters (102), und weist eine Bandlückenenergie auf, die größer ist als die Photonenenergie eines Eingangslichtstrahls. Die undotierte InGaAsP-Schicht (504) dient als optisch aktive, obere Slab-Wellenleiterkernschicht (104). Die Halbleiterschichten sind so dotiert, dass eine p-i-n-Doppelheteroübergangsstruktur um die obere Slab-Wellenleiterkernschicht herum ausgebildet wird.
Ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung der bevorzugten Ausführungsform wird nachstehend beschrieben. Entsprechende Darstellungen sind vorhanden in den 3(a), (b), (c), (d), (e), (f) und (g).
Zwei Gruppen von Steghohlleitern (202) und (203) sollen wie in 2 ausgebildet werden. Beide Gruppen bestehen aus vertikalen Kopplerabschnitten und passiven Wellenleiterabschnitten, bei denen die obere Slab-Wellenleiterschicht entfernt ist. Die vertikalen Koppler sind miteinander an dem Schnittpunkt zwischen zwei Steghohlleitern verbunden, wo eine vertikal ablenkende Oberfläche beide Steghohlleiter optisch verbindet.
Zur Ausbildung der Steghohlleiterstrukturen wird ein erstes Maskenmaterial (305) auf dem Wafer (201) abgelagert. Dieses erste Maskenmaterial wird durch einen Photolithographievorgang mit einem Muster versehen, woran sich ein Trockenätzvorgang anschließt. Das gemusterte, erste Maskenmaterial ist in 3(a) gezeigt.
Dann wird ein zweites Maskenmaterial (306) auf dem Wafer (201) abgelagert, und durch einen zweiten Photolithographievorgang mit einem Muster versehen. Die zweite Maske ist zu dem ersten Maskenmaterial ausgerichtet, wie in 3(b) gezeigt. Dann wird das erste Maskenmaterial erneut geätzt, unter Verwendung des zweiten Maskenmaterials als Ätzmaske. Auf diese Weise wird eine selbstausrichtende Maske aus zwei Schichten auf dem Wafer hergestellt, wie in 3(c) gezeigt ist.
Die Steghohlleiter werden durch einen zweistufigen Ätzvorgang ausgebildet.
In dem ersten Ätzschritt wird das Halbleiterwafermaterial (201) auf eine geeignete Tiefe von den Bereichen aus geätzt, die nicht durch eines der Maskenmaterialien abgedeckt sind, wie in 3(d) gezeigt ist. Dann wird das zweite Maskenmaterial (306) durch einen selektiven Ätzvorgang entfernt, der weder das erste Maskenmaterial noch das Wafermaterial ätzt. Die sich ergebende Struktur ist in 3(e) gezeigt.
Die Lichtablenkoberfläche (206) und der vertikale Kopplerabschnitt (205) werden durch einen zweiten Ätzschritt ausgebildet. In diesem zweiten Schritt wird der Halbleiter auf eine Tiefe geätzt, die zwischen den beiden Slab-Wellenleiterkernschichten (102) und (104) liegt, was zu der in 3(f) gezeigten Struktur führt. Der Ätzvorgang soll eine Lichtablenkoberfläche (206) erzeugen, die glatt ist und vertikal zur Substratebene verläuft. Dann wird das erste Maskenmaterial (305) von dem Wafer entfernt.
Wie in 3(g) gezeigt, werden dann die Steghohlleiter in einem geeigneten Isoliermaterial (308) vergraben, das auf dem Wafer angeordnet wird, und dazu dient, die Isolierung zwischen den Steghohlleitern und der Umgebung zu verbessern. Ein dritter Photolithographieschritt wird dazu eingesetzt, dieses Isoliermaterial mit einem Muster zu versehen, so dass die oberen Oberflächen des vertikalen Kopplerabschnitts (205) freigelegt werden, durch Entfernen des Isoliermaterials aus diesem Bereich. Ein ohmscher Kontakt (309)/(506) wird dann durch Ablagern geeigneter Metallschichten auf der freigelegten Halbleiteroberfläche des p-Typs ausgebildet. Ein zweiter ohmscher Kontakt (310)/(507) wird auf der entgegengesetzten Seite (des Typs n+) des Substrats ausgebildet.
Eine integrierte Vorrichtung, wie in 3(g) gezeigt, wird durch Spalten des bearbeiteten Wafers (201) in Vorrichtungen erzeugt, welche eine ausgewählte Anzahl an Bauteilen enthalten, mit vier Gruppen optischer Ports (301), (302), (303) und (304).
Nachstehend erfolgt eine Beschreibung der Betriebsgrundlage der ersten bevorzugten Ausführungsform. Zugehörige Darstellungen sind in den 4, 5, 7, 8, 9 und 10 vorhanden.
Wie in 4(b) gezeigt, ist die Halbleiterschichtstruktur so ausgebildet, dass dann, wenn keine elektrische Spannung zwischen den beiden ohmschen Kontakten angelegt ist, die optische Kopplung zwischen der unteren Slab-Wellenleiterkernschicht (102) und der oberen Slab-Wellenleiterkernschicht (104) schwach ist. Ein Eingangslichtstrahl (401), der in den unteren Slab-Wellenleiter über den Port (301) hineingelangt, breitet sich daher innerhalb der Grenzen des unteren Slab-Wellenleiters aus, und verlässt das Router/Wellenwandlerbauteil über den Port (303). Der Steghohlleiter des Ports (303) führt entweder zum nächsten Bauteil in einer Matrix aus integrierten Vorrichtungen, oder zum Rand der integrierten Vorrichtung, an welchem der Lichtstrahl die Vorrichtung verlässt.
Wie in 4(a) gezeigt, fließt dann, wenn eine positive Spannung an den ohmschen Kontakt (506) der p-Seite angelegt ist, ein elektrischer Strom von dem ohmschen Kontakt (506) der p-Seite zu dem ohmschen Kontakt (507) der n-Seite. Die positive Spannung verursacht einen Fluss von Löchern (508) von der InP-Schicht (505) des p-Typs, und einen zweiten Fluss von Elektronen (509) von der InP-Schicht (503) des n-Typs in die undotierte InGaAsP-Schicht (504). Die Elektronen und Löcher werden in der undotierten InGaAsP-Schicht (504) festgehalten, infolge der niedrigeren Bandlückenenergie der undotierten InGaAsP-Schicht (504) im Vergleich zu jener der umgebenden Schichten (503) und (506). Die undotierte InGaAsP-Schicht (504) ändert ihren Zustand von einer hohen optischen Absorption zu einer optischen Verstärkung, infolge des Vorhandenseins einer Elektronen- und Loch-Population. Auch der Brechungsindex der undotierten InGaAsP-Schicht (504) ändert sich, infolge des Vorhandenseins der Elektronen- und Loch-Population.
Die Halbleiterschichtparameter sind so gewählt, dass bei einer bestimmten Ladungsträgerpopulation die optische Kopplung zwischen der unteren Slab-Wellenleiterkernschicht (502)/(102) und der oberen Slab-Wellenleiterkernschicht (504)/(104) stark in dem vertikalen Kopplerabschnitt wird, infolge des geänderten Brechungsindex in der oberen Slab-Kernschicht (504). Diese starke optische Kopplung rührt von der Brechungsindexänderung in der oberen Slab- Wellenleiterkernschicht (504) her, welche dazu führt, dass die Ausbreitungskonstanten beider Slab-Wellenleiter sehr ähnlich oder gleich werden. Eine signifikante Übertragung optischer Leistung tritt zwischen diesen Schichten auf. Die Länge des vertikalen Kopplerabschnitts (205) ist so gewählt, dass eine maximale optische Leistungsübertragung über den zwei Teilen des vertikalen Kopplerabschnitts (205a) und (205b) auf beiden Seiten der Ablenkoberfläche (206) auftritt.
Dies führt dazu, dass unter dem Einfluss der positiven Spannung, die zwischen dem ohmschen Kontakt (506) an der p-Seite und dem ohmschen Kontakt (507) an der n-Seite anliegt, der in 4(a) dargestellte Routingvorgang in dem Router/Wellenlängenwandlerbauteil auftritt. Ein Lichtstrahl (401), der in den Port (301) hineingelangt, wird hauptsächlich von dem unteren Slab-Wellenleiter (102) in den oberen Slab-Wellenleiter (104) in dem ersten Abschnitt des vertikalen Kopplers eingekoppelt, durch die vertikale Oberfläche (206) in den zweiten Abschnitt des vertikalen Kopplers (205) abgelenkt, und zum Port (302) geführt, durch Einkoppeln von dem oberen Slab-Wellenleiter (104) in den unteren Slab-Wellenleiter (102). Infolge der optischen Verstärkung, die in dem oberen Slab-Wellenleiterkern (504)/(104) vorhanden ist, kann dann, wenn die Wellenlänge des Lichtstrahls innerhalb der Bandbreite der optischen Verstärkung liegt, auch die Intensität des Strahls verstärkt werden, während er geleitet wird.
Der Steghohleiter des Ports (302) führt entweder zum nächsten Bauteil in einer Matrix integrierter Vorrichtungen, oder zum Rand der integrierten Vorrichtungen, an welchem der Lichtstrahl die Vorrichtung verlässt.
Eine erste Wellenlängenwandlerbetriebsart (gegensinnige Ausbreitung) bei der ersten speziellen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in 7 dargestellt.
Ein erster Lichtstrahl (701), dessen Intensität durch ein Datensignal moduliert wird, gelangt in das Router/Wellenlängenwandlerbauteil über den Port (301) hinein. Das Bauteil, welches die erste bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, wird mit einer positiven Spannung zwischen dem p-seitigen und dem n-seitigen ohmschen Kontakt (506) bzw. (507) versorgt. Die sich ergebende Ladungsträgerpopulation, die in die obere Slab-Wellenleiterkernschicht (504) injiziert wird, verursacht eine Änderung des Brechungsindex und eine optische Verstärkung. Wie voranstehend beschrieben, leitet das Bauteil den ersten Lichtstrahl (701) zum Port (302), wo er als Ausgangsstrahl (702) austritt.
Ein zweiter Lichtstrahl, der eine andere Wellenlänge als der erste Lichtstrahl aufweist, und eine konstante Intensität, gelangt in das Bauteil über den Port (302) hinein. Gemäß den selben Grundlagen, die voranstehend beschrieben wurden, legt der zweite Lichtstrahl exakt den selben Weg zurück wie der erste Lichtstrahl, jedoch in entgegengesetzter Richtung, und verlässt das Bauteil über den Port (301) als Ausgangsstrahl (704).
Wenn die Wellenlängen beider Lichtstrahlen innerhalb der Bandbreite der optischen Verstärkung der oberen Slab-Wellenleiterschicht (504)/(104) liegen, ändert sich, wenn sich beide Lichtstrahlen in der oberen Slab-Wellenleiterkernschicht (504)/(104) ausbreiten, die Ladungsträgerdichte in der Schicht (504), infolge des Verbrauchs von Ladungsträgern durch stimulierte Emission, die bei dem optischen Verstärkungsvorgang auftritt. Da die Intensität des ersten Lichtstrahls durch die Daten moduliert wird, wird auch die Ladungsträgerdichte durch das Datensignal moduliert.
Diese Änderung der Ladungsträgerdichte führt zu einer sich ändernden optischen Verstärkung und einem sich ändernden Brechungsindex in der Schicht (504). Daher kann die Intensität des Ausgangsstrahls (704) durch zwei Mechanismen geändert werden.
Der erste Mechanismus, durch welchen die Intensität des Ausgangsstrahls (704) durch die Daten moduliert wird, die auf dem ersten Eingangslichtstrahl (701) transportiert werden, wird als Kreuzverstärkungsmodulation bezeichnet. Wenn die Intensität des ersten Lichtstrahls (701) hoch ist, werden mehr Ladungsträger durch stimulierte Emission verbraucht. Die verringerte Ladungsträgerpopulation führt zu einer verringerten Verstärkung des zweiten Eingangslichtstrahls. Daher weist der Ausgangslichtstrahl (704) eine niedrigere Intensität auf. Im Gegensatz werden, wenn die Intensität des ersten Eingangslichtstrahls (701) niedrig ist, weniger Ladungsträger durch stimulierte Emission verbraucht. Die höhere Ladungsträgerpopulation entspricht einer höheren optischen Verstärkung und einer größeren Verstärkung des zweiten Eingangslichtstrahls. Daher weist der Ausgangslichtstrahl (704) eine entsprechend höhere Intensität auf. Die Datenmodulation des ersten Eingangslichtstrahls (701) wird daher auf den zweiten Ausgangsstrahl (704) mit umgekehrter Polung übertragen.
Der zweite Mechanismus, durch welchen die Intensität des Ausgangsstrahls (704) durch die auf dem ersten Eingangslichtstrahl (701) transportierten Daten moduliert wird, ist die Brechungsindexänderung, die durch die Änderung der Ladungsträgerpopulation hervorgerufen wird. Wie voranstehend geschildert, hängt die Stärke der optischen Kopplung zwischen den oberen und unteren Slab-Wellenleiterschichten in dem vertikalen Koppler von den Ausbreitungskonstanten der beiden Slab-Wellenleiter ab, nämlich ob diese gleich sind oder sehr nahe beieinander liegen. Bei der ersten bevorzugten Ausführungsform wird dieser Zustand bei einem bestimmten Pegel der Dichte der injizierten Ladungsträger erreicht, der durch eine geeignete positive Vorspannung eingestellt wird, so dass der zweite Eingangsstrahl (702) zum Port (301) geleitet wird, und als Ausgangsstrahl (704) austritt. Wenn die Ladungsträgerpopulation verringert ist, infolge der hohen Intensität des ersten Eingangstrahls (701), wird der Zustand der starken Kopplung entfernt, und wird die Intensität des Ausgangsstrahls (704) verringert.
Aus der voranstehenden Beschreibung wird deutlich, dass die beiden Mechanismen beide vorhanden sind, und bei der ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung nicht voneinander trennbar sind. Die beiden Mechanismen stellen eine konstruktive Überlagerung dar. Dies führt dazu, dass bei der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Wellenlängenwandlerleistung erwartet wird, im Vergleich zum Stand der Technik, bei welchem nur einer der Mechanismen (entweder Kreuzverstärkungsmodulation oder Brechungsindexänderung/Kreuzphasenmodulation) eingesetzt wird.
Eine zweite Wellenlängenwandlerbetriebsart (gleichsinnige Ausbreitung) bei der ersten speziellen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in 8 dargestellt.
Ein erster Lichtstrahl (801), dessen Intensität durch ein Datensignal moduliert wird, gelangt in das Router/Wellenlängenwandlerbauteil über den Port (301) hinein. Das Bauteil, welches die erste bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, wird mit einer positiven Spannung versorgt, zwischen dem p-seitigen und n-seitigen ohmschen Kontakt (506) bzw. (507). Die sich ergebende Ladungsträgerpopulation, die in die obere Slab-Wellenleiterkernschicht (504) injiziert wird, verursacht eine Veränderung des Brechungsindex und eine optische Verstärkung. Wie voranstehend beschrieben, leitet das Bauteil den ersten Lichtstrahl (801) zum Port (302), an welchem er als Ausgangsstrahl (803) austritt.
Ein zweiter Lichtstrahl (802), der eine andere Wellenlänge aufweist als der erste Lichtstrahl, und eine konstante Intensität, gelangt ebenfalls in das Bauteil über den Port (301) hinein. Gemäß den selben Grundlagen wie voranstehend beschrieben, bewegt sich der zweite Lichtstrahl exakt entlang dem selben Weg wie der erste Lichtstrahl, und verlässt das Bauteil über den Port (302) als Ausgangsstrahl (804).
Eine Wellenlängenwandlung tritt auf der gesamten Länge des vertikalen Kopplerabschnitts auf, infolge der selben Grundlagen und Mechanismen, die bei der ersten Wellenlängenwandlerbetriebsart vorhanden sind.
Eine dritte Wellenlängenwandlerbetriebsart bei der ersten speziellen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in 9 dargestellt.
Ein erster Lichtstrahl (901), dessen Intensität konstant ist, gelangt in das Router/Wellenlängenwandlerbauteil über den Port (301). An das Bauteil, welches die erste bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, wird eine positive Spannung angelegt, zwischen dem p-seitigen und dem n-seitigen ohmschen Kontakt (506) bzw. (507). Die sich ergebende Ladungsträgerpopulation, die in die obere Slab-Wellenleiterkernschicht (504) injiziert wird, verursacht eine Änderung des Brechungsindex und eine optische Verstärkung. Wie voranstehend beschrieben, leitet das Bauteil den ersten Lichtstrahl (901) zum Port (302), an welchem er als Ausgangsstrahl (903) austritt.
Ein zweiter Lichtstrahl (902), dessen Wellenlänge sich von jener des ersten Lichtstrahls unterscheidet, und dessen Intensität durch ein Datensignal moduliert wird, gelangt in das Bauteil über den Port (303) hinein. Nach den gleichen Grundlagen wie jenen, die voranstehend beschrieben wurden, breitet sich der zweite Lichtstrahl in der unteren Slab-Wellenleiterschicht (102)/(502) zu dem Port (301) aus, und wird hauptsächlich in den oberen Slab-Wellenleiter in der ersten Hälfte des vertikalen Kopplerabschnitts (205a) eingekoppelt, entsprechend den selben Grundlagen und Mechanismen, die bei der ersten Wellenlängenwandlerbetriebsart vorhanden sind.
Eine vierte Wellenlängenwandlerbetriebsart bei der ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in 10 dargestellt.
Ein erster Lichtstrahl (1001), dessen Intensität konstant ist, gelangt in das Router/Wellenlängenwandlerbauteil über den Port (301) hinein. An das Bauteil, welches die erste bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, wird eine positive Spannung zwischen dem p-seitigen und dem n-seitigen ohmschen Kontakt (506) bzw. (507) angelegt. Die sich ergebende Ladungsträgerpopulation, die in die obere Slab-Wellenleiterkernschicht (504) injiziert wird, verursacht eine Änderung des Brechungsindex und der optischen Verstärkung. Wie voranstehend beschrieben, leitet das Bauteil den ersten Lichtstrahl (1001) an den Port (302) weiter, wo er als Ausgangsstrahl (1003) austritt.
Ein zweiter Lichtstrahl (1002), der eine andere Wellenlänge aufweist als der erste Lichtstrahl, und dessen Intensität durch ein Datensignal moduliert wird, gelangt in das Bauteil über den Port (304) hinein. Auf Grund der selben Grundlagen, die voranstehend geschildert wurden, breitet sich der zweite Lichtstrahl in der unteren Slab-Wellenleiterschicht (102)/(502) zum Port (302) aus, und wird hauptsächlich in die untere Slab-Wellenleiterschicht (101)/(504) eingekoppelt, in der zweiten Hälfte des vertikalen Kopplerabschnitts (205b).
Eine Wellenlängenwandlung tritt in der zweiten Hälfte des vertikalen Kopplerabschnitts (205b) infolge der selben Grundlagen und Mechanismen auf, die bei der ersten Wellenlängenwandlerbetriebsart vorhanden sind.
Eine fünfte Wellenlängenwandlerbetriebsart bei der ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst einen Vorgang, der als Vierwellenmischung bezeichnet wird. Ein erster Lichtstrahl, der eine Intensität aufweist, die durch ein Datensignal moduliert wird, steht in Wechselwirkung mit einem zweiten Lichtstrahl, der eine konstante Intensität aufweist, und eine andere Wellenlänge als der erste Lichtstrahl. Dies führt dazu, dass ein dritter Lichtstrahl in dem Bauteil erzeugt wird. Dieser dritte Lichtstrahl weist eine Wellenlänge auf, die sich sowohl von jener des ersten als auch des zweiten Lichtstrahls unterscheidet. Die Intensität des dritten Lichtstrahls wird durch das Datensignal moduliert, das von dem ersten Lichtstrahl transportiert wird.
Unter Verwendung einer durch Injizieren von Strom hervorgerufene Verstärkung und eines Brechungsindex als Steuermechanismen zum Umleiten weist die erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung den Vorteil auf, dass sie bereitstellt:

1. Eine hohe Schaltgeschwindigkeit im Nanosekundenbereich.
2. Eine verbesserte Wellenlängenwandlung durch eine Kombination aus Kreuzverstärkungsmodulation und Brechungsindexmodulation (Kopplungsmodulation).
3. Wellenlängenwandlung mit Hilfe einer Vierwellenmischung.
4. Optische Verstärkung für umgeleitete Daten, mit Wellenlängenwandlung.
5. Die Möglichkeit einer großmaßstäblichen Integration infolge der Verwendung passiver Wellenleiter als Verbindungen zwischen Router/Wellenlängenwandlerbauteilen.
6. Die Möglichkeit einer großmaßstäblichen Integration ebenfalls infolge einer nicht aufgeteilten Architektur. Bei der vorliegenden Erfindung kann mit dem Eingangslichtstrahl eine Router/Wellenlängenwandlung insgesamt an einem ausgewählten Bauteil durchgeführt werden, ohne eine Aufteilung auf zahlreiche Teile. Ein besseres Signal/Rauschverhältnis kann bei einer derartigen Architektur erzielt werden.

Eine zweite bevorzugte Ausführungsform wird nachstehend beschrieben.
Ein Halbleiterwafer wird gemäß 6 hergestellt. Eine InP-Pufferschicht (601) des n-Typs wird zuerst auf einem InP-Substrat (600) des Typs n+ hergestellt. Eine InGaAsP-Schicht (602) des n-Typs mit geeigneter Bandlückenenergie, eine weitere InP-Schicht (603), eine nicht dotierte InGaAsP-Schicht (604), und eine dritte InP-Schicht, die p-dotiert ist, werden aufeinanderfolgend auf der Pufferschicht (601) abgelagert. Es können weitere Schichten für Kontaktzwecke erforderlich sein. Die Schicht (602) dient als die Kernschicht des optisch passiven unteren Slab-Wellenleiters (102), und weist eine Bandlückenenergie auf, die größer ist als die Photonenenergie des Eingangslichtstrahls. Die Schicht (604) dient als die optisch aktive, obere Slab-Wellenleiterkernschicht (104). Die Halbleiterschichten sind so dotiert, dass eine p-i-n-Doppelheteroübergangsstruktur um die obere Slab-Wellenleiterkernschicht herum ausgebildet wird.
Die zweite bevorzugte Ausführungsform kann mit dem selben bevorzugten Verfahren hergestellt werden, das in Bezug auf die erste bevorzugte Ausführungsform erläutert wurde.
Entsprechende Darstellungen sind in 3(a), (b), (c), (d), (e), (f) und (g) vorhanden.
Nachstehend erfolgt eine Beschreibung der grundlegenden Betriebsweise der zweiten bevorzugten Ausführungsform. Zugehörige Darstellungen sind in den 4, 6, 7 und 8 dargestellt.
Die Halbleiterschichtparameter sind so gewählt, dass dann, wenn kein elektrisches Feld vorhanden ist, die optische Kopplung zwischen der unteren Slab-Wellenleiterkernschicht (602)/(102) und der oberen Slab-Wellenleiterkernschicht (604)/(104) in dem vertikalen Koppler stark ist. Diese starke optische Kopplung entsteht infolge der Tatsache, dass die Ausbreitungskonstanten beider Slab-Wellenleiter sehr ähnlich oder gleich sind. Eine signifikante Übertragung der optischen Leistung tritt zwischen diesen Schichten auf. Die Länge des vertikalen Kopplerabschnitts (205) ist so gewählt, dass eine maximale Übertragung der optischen Leistung bei den beiden Teilen des vertikalen Kopplerabschnitts (205a) und (205b) auf beiden Seiten der ablenkenden Oberfläche (206) auftritt. Die obere Slab-Wellenleiterkernschicht (604) weist ebenfalls eine geringe Absorption auf, bei Abwesenheit des elektrischen Feldes, da ihre Bandlückenenergie größer ist als die Photonenenergie des externen Lichtstrahls.
Dies führt dazu, dass ohne den Einfluss der Spannung, die zwischen dem ohmschen Kontankt (606) an der p-Seite und dem ohmschen Kontakt (607) an der n-Seite angelegt wird, der Umleitungsvorgang, der in 4(a) dargestellt ist, auftritt, bei dem Router/Wellenlängenwandlerbauteil. Ein Lichtstrahl (401), der in einen Port (301) hineingelangt, wird hauptsächlich von dem unteren Slab-Wellenleiter (102) in den oberen Slab-Wellenleiter (104) in dem ersten Abschnitt des vertikalen Kopplers (205a) eingekoppelt, wird durch die vertikale Oberfläche (206) in den zweiten Abschnitt des vertikalen Kopplers (205b) abgelenkt, und zum Port (302) geleitet, durch Kopplung von dem oberen Slab-Wellenleiter (104) an den unteren Slab-Wellenleiter (102). Der Steghohlleiter des Ports (302) führt entweder zum nächsten Bauteil in einer Matrix integrierter Vorrichtungen, oder zum Rand der integrierten Vorrichtung, an welchem der Lichtstrahl die Vorrichtung verlässt.
Wie in den 4(b) und 6 gezeigt ist, ist die Halbleiterschichtzufuhr so ausgebildet, dass dann, wenn eine negative elektrische Spannung zwischen dem p-seitigen und dem n+-seitigen ohmschen Kontakt angelegt wird, ein elektrisches Feld über die obere Slab-Wellenleiterschicht (604) angelegt wird. Dieses elektrische Feld verschiebt die Bandlücke der Schicht (604) so, dass sie eine hohe optische Absorption und einen höheren Brechungsindex aufweist, bei der Lichtsignalwellenlänge, so dass die optische Kopplung zwischen der unteren Slab-Wellenleiterkernschicht (102) und der oberen Slab-Wellenleiterkernschicht (104) schwach ist. Ein Eingangslichtstrahl (401), der in den unteren Slab-Wellenleiter über den Port (301) hineingelangt, wird sich daher hauptsächlich in dem unteren Slab-Wellenleiter ausbreiten, und das Router/Wellenlängenwandlerbauteil über den Port (303) verlassen. Der Steghohlleiter des Ports (303) führt entweder zum nächsten Bauteil in einer Matrix integrierter Vorrichtung, oder zum Rand der integrierten Vorrichtung, an welchem der Lichtstrahl die Vorrichtung verlässt.
Eine erste Wellenlängenwandlerbetriebsart (Ausbreitung gegensinnig) bei der zweiten speziellen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in 7 dargestellt.
Ein erster Lichtstrahl (701), dessen Intensität konstant ist, gelangt in das Router/Wellenlängenwandlerbauteil über den Port (301) hinein. An das Bauteil, welches die zweite bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, wird eine negative Spannung angelegt, zwischen dem p-seitigen und dem n-seitigen ohmschen Kontakt (606) bzw. (607). Wie voranstehend beschrieben, leitet das Bauteil den ersten Lichtstrahl (701) zum Port (303).
Ein zweiter Lichtstrahl (703), dessen Wellenlänge sich von jenem des ersten Lichtstrahls unterscheidet, und dessen Intensität durch ein Datensignal moduliert wird, tritt in das Bauteil über den Port (302) ein. Gemäß den selben Grundlagen, die voranstehend geschildert wurden, verbleibt der zweite Lichtstrahl hauptsächlich in dem unteren Slab-Wellenleiter, und verlässt das Bauteil über den Port (304).
Wenn die Intensität des zweiten Lichtstrahls ausreichend hoch ist, so beginnt der Teil von dessen Energie, die durch den oberen Wellenleiterkern (604) absorbiert wird, durch optische Restkopplung, damit, die absorbierende Schicht (604) zu sättigen. Dies führt dazu, dass die effektive Bandlücke der Schicht (604) vergrößert wird, so dass deren Brechungsindex zunimmt, was zu einer erhöhten optischen Kopplung zwischen den beiden Wellenleiterschichten führt. Hierdurch wiederum wird die optische Leistung des zweiten Lichtstrahls erhöht, der in die Schicht (604) eingekoppelt wird, und absorbiert wird. Daher wird ein positiver Rückkopplungszyklus eingerichtet, bis die Erhöhung der optischen Kopplung in die Schicht (604) und die Verringerung der Absorption in der Schicht (604) ein Gleichgewicht erreichen. Zu diesem Zeitpunkt ermöglichen die stärkere optische Kopplung und die verringerte Absorption in der Schicht (604), dass der erste Lichtstrahl zum Port (302) geleitet wird, und als Ausgangsstrahl (702) austritt. Da diese Ausgabe nur vorhanden ist, wenn der Strahl (703) eine hohe Intensität aufweist, werden die Daten, die von dem Eingangsstrahl (703) transportiert werden, erfolgreich auf den Ausgangsstrahl (702) übertragen.
Eine zweite Wellenlängenwandlerbetriebsart (Ausbreitung in gleicher Richtung) der zweiten, speziellen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in 8 dargestellt.
Ein erster Lichtstrahl (801), dessen Intensität konstant ist, gelangt in das Router/Wellenlängenwandlerbauteil über den Port (301) hinein. An das Bauteil, welches die zweite, bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, wird eine negative Spannung angelegt, zwischen dem p-seitigen und dem n-seitigen ohmschen Kontakt (606) bzw. (607). Wie voranstehend beschrieben, leitet das Bauteil den ersten Lichtstrahl (801) an den Port (303) weiter.
Ein zweiter Lichtstrahl (802), dessen Wellenlänge sich von jener des ersten Lichtstrahls unterscheidet, und bei dem eine Intensitätsmodulation durch ein Datensignal durchgeführt wird, tritt ebenfalls in das Bauteil über einen Port (301) ein. Unter den gleichen Prinzipien wie voranstehend geschildert, bleibt der zweite Lichtstrahl hauptsächlich in dem unteren Slab-Wellenleiter, und verlässt das Bauteil über den Port (303).
Wenn jedoch die Intensität des zweiten Lichtstrahls (802) ausreichend groß ist, beginnt jener Teil von dessen Energie, der durch den oberen Wellenleiterkern (604) infolge restlicher optischer Kopplung absorbiert wird, damit, die absorbierende Schicht (604) zu sättigen. Dies führt dazu, dass die effektive Bandlücke der Schicht (604) verbreitert wird, so dass deren Brechungsindex abnimmt, was zu einer zunehmenden optischen Kopplung zwischen den beiden Wellenleiterschichten führt. Dies wiederum erhöht die optische Leistung des zweiten Lichtstrahls (802), der in die Schicht (604) eingekoppelt und absorbiert wird. Ein positiver Rückkopplungszyklus wird daher eingerichtet, bis die erhöhte optische Kopplung in die Schicht (604) hinein, und die verringerte Absorption in der Schicht (604) einen Gleichgewichtszustand erreichen. Zu diesem Zeitpunkt ermöglicht die stärkere optische Kopplung und die verringerte Absorption in der Schicht (604), dass der erste Lichtstrahl (801) zum Port (302) geleitet wird, und als Ausgangsstrahl (803) austritt. Da diese Ausgabe nur dann erfolgt, wenn der Strahl (802) eine hohe Intensität aufweist, werden die Daten, die von dem Eingangsstrahl (802) transportiert werden, erfolgreich auf den Ausgangsstrahl (803) übertragen.
Unter Verwendung einer durch ein elektrisches Feld hervorgerufenen Bandlückenänderung als Steuermechanismus zum Umleiten weist die zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Vorteile auf, dass sie bereitstellt:

1. Eine äußerst hohe Schaltgeschwindigkeit im Sub-Nanosekundenbereich.
2. Eine verbesserte Wellenlängenwandlung durch eine positive Rückkopplung der Absorption und der Modulation des Brechungsindex (der Kopplung).
3. Möglichkeit der großmaßstäblichen Integration infolge des Einsatzes passiver Wellenleiter als Verbindung zwischen Router/Wellenlängenwandlerbauteilen.
4. Möglichkeit der großmaßstäblichen Integration auch infolge des Einsatzes einer nicht-aufteilenden Architektur.

Es wird darauf hingewiesen, dass eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Optikbauteil zur Verfügung stellt, welches optisch aktive, vertikale Koppler dazu einsetzt, zu ermöglichen, dass optische Signale umgeleitet werden und gleichzeitig eine Wellenlängenwandlung erfahren.
Ein Optikbauteil, welches mehrere derartige Bauteile aufweisen kann, die optisch verbunden und auf einem einzelnen Substrat integriert sind, und die sich so auf den Substrat erstrecken können, dass eine Matrix der optischen Bauteile ausgebildet wird.
Eine Optikvorrichtung kann mehrere derartiger Bauteile aufweisen, die so miteinander verbunden sind, dass andere optische Wellenleiter vorgesehen sind, die nicht einen Teil des selben Substrats oder des selben Wafers bilden.
Das Bauteil weist zwei oder mehr Slab-Wellenleiterschichten auf, die in Vertikalrichtung gestapelt angeordnet sind, und die optisch miteinander gekoppelt sind. Eine oder mehrere der Schichten sind optisch aktiv, so dass sie externe Lichtsignale verstärken oder absorbieren können, die umgeleitet und/oder in der Wellenlänge umgewandelt werden sollen. Zwei Steghohlleiter werden bei dem voranstehend geschilderten Slab-Wellenleiterschichten vorgesehen, und schneiden sich gegenseitig.
Eine ablenkende Oberfläche an dem Schnittpunkt lenkt Licht von einem Steghohlleiter in den anderen Steghohlleiter ab.
Ein derartiges Optikbauteil kann zwei optisch gekoppelte Slab-Wellenleiter aufweisen. Eine Licht verstärkende, obere Wellenleiterkernschicht und eine geringe Absorption aufweisende, optisch passive, untere Slab-Wellenleiterkernschicht können vorgesehen sein.
Ein derartiges Optikbauteil kann eine Halbleitermassenschicht als die Lichtverstärkungsschicht einsetzen, und kann das Injizieren von elektrischem Strom zum Steuern der optischen Verstärkung einsetzen.
Alternativ kann ein derartiges Optikbauteil eine Struktur mit einem einzelnen Quantentopf oder mit mehreren Quantentöpfen als Lichtverstärkungsschicht einsetzen, und kann das Injizieren von elektrischem Strom zum Steuern der optischen Verstärkung verwenden.
Ein derartiges Optikbauteil kann eine Licht absorbierende obere Wellenleiterkernschicht aufweisen, und kann eine untere Slab-Wellenleiterkernschicht mit niedriger Absorption aufweisen, die optisch passiv ist.
Eine Halbleitermassenschicht kann als die untere Slab-Wellenleiterkernschicht eingesetzt werden.
Eine Struktur mit mehreren Quantentöpfen kann die untere Slab-Wellenleiterkernschicht zur Verfügung stellen.
Ein derartiges Optikbauteil kann zwei Steghohlleiter aufweisen, die normal zueinander angeordnet sind, oder auch nicht.
Die ablenkende Oberfläche kann eben oder zylindrisch ausgebildet sein.
Eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein Selbstausrichtungsverfahren zur Herstellung einer derartigen Optikvorrichtung zur Verfügung stellen, wobei vorgesehen sind:
Ablagerung und ein erster Mustererzeugungsschritt eines ersten Maskenmaterials auf dem Wafer;
Ablagerung und Musterbildung eines zweiten Maskenmaterials, das ordnungsgemäß zu dem ersten Maskenmaterial ausgerichtet ist, auf dem Wafer;
einen zweiten Mustererzeugungsschritt für das erste Maskenmaterial unter Verwendung des zweiten Maskenmaterials als Maske;
einen ersten Ätzschritt des Bauteil-Wafermaterials;
Entfernen des zweiten Maskenmaterials;
einen zweiten Ätzschritt des Bauteil-Wafermaterials.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt ein Verfahren zur Wellenlängenwandlung zur Verfügung, bei einem derartigen Optikbauteil und/oder einer integrierten Vorrichtung, bei denen ein Daten transportierendes Lichtsignal und ein CW-Lichtsignal in das Bauteil bzw. die integrierte Vorrichtung über den selben Port hineingelangen. Eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt ein Verfahren zur Wellenlängenwandlung bei einem derartigen Optikbauteil und/oder einer derartigen integrierten Vorrichtung zur Verfügung, bei denen ein Lichtsignal, das Daten transportiert, in das Bauteil bzw. die integrierte Vorrichtung über einen ersten Port hineingelangt, und das Bauteil bzw. die integrierte Vorrichtung über einen zweiten Port verlässt, während ein CW-Lichtsignal in das selbe Bauteil bzw. die selbe integrierte Vorrichtung über einen zweiten Port hineingelangt, und dieses Bauteil bzw. diese integrierte Vorrichtung über den ersten Port verlässt.
Ein weiteres Verfahren zur Wellenlängenwandlung kann bei einem derartigen Optikbauteil und/oder einer derartigen integrierten Vorrichtung zur Verfügung gestellt werden, bei denen ein Lichtsignal, das Daten transportiert, und ein CW-Lichtsignal in das Bauteil bzw. die integrierte Vorrichtung über jeweils getrennte Ports hineingelangen.
Ein weiteres Verfahren zur Wellenlängenwandlung kann bei einem derartigen Optikbauteil und/oder einer derartigen integrierten Vorrichtung vorgesehen werden, bei denen ein Lichtstrahl, der Daten transportiert, und ein CW-Lichtstrahl, in dem Optikbauteil und/oder der integrierten Vorrichtung so zusammenwirken, dass Lichtstrahlen mit einer anderen Frequenz erzeugt werden, deren Intensität durch die Daten moduliert wird, die von dem ersten Lichtstrahl transportiert werden.
Die Beispiele für die Erfindung wurden unter Verwendung von Steghohlleiterstrukturen beschrieben. Allerdings wird leicht deutlich, dass jede Wellenleiterstruktur zum Einsatz bei Ausführungsformen der Erfindung geeignet ist.

Claims

Halbleiter-Optikbauelement, das auf einem Substrat (500) vorgesehen ist, und aufweist: einen ersten Wellenleiter, der sich in einer ersten Richtung erstreckt; einen zweiten Wellenleiter, der sich in einer zweiten, von der ersten Richtung verschiedenen Richtung erstreckt, so dass der erste und der zweite Wellenleiter eine Kreuzungsstelle bilden, wobei der erste und der zweite Wellenleiter eine untere Wellenleiterschicht (502) und eine obere Wellenleiterschicht (504) aufweisen; einen ersten, vertikalen Optokopplerabschnitt (205a), der sich zum Teil entlang dem ersten Wellenleiter erstreckt; einen zweiten, vertikalen Optokopplerabschnitt (205b), der sich teilweise entlang dem zweiten Wellenleiter erstreckt, und der eine Kreuzungsstelle mit dem ersten, vertikalen Optokopplerabschnitt bildet; und eine reflektierende Oberfläche (206) an der Kreuzungsstelle zum Reflektieren optischer Signale zwischen dem ersten und dem zweiten vertikalen Optokopplerabschnitt (205a, 205b), und gekennzeichnet durch eine erste, leitende Verbindung (506) auf dem ersten und dem zweiten vertikalen Kopplerabschnitt; eine zweite, leitende Verbindung (507) an einer Seite des Substrats entgegengesetzt zu den Kopplerabschnitten, wobei die obere Wellenleiterschicht (504) optisch aktiv ist, und der erste und der zweite, vertikale Optokopplerabschnitt (205a, 205b) so betrieben werden können, dass sie optisch mit dem ersten bzw. zweiten Wellenleiter gekoppelt sind, nach Anlegen eines vorbestimmten Steuersignals an die Kopplerabschnitte, so dass das Bauelement so betreibbar ist, dass es ein optisches Signal zwischen dem ersten und dem zweiten Wellenleiter umleitet.
Bauelement nach Anspruch 1, bei welchem der erste und der zweite vertikale Optokopplerabschnitt Lichtverstärkungsanordnungen sind, welche steuerbare optische Verstärkungspegel aufweisen.
Bauelement nach Anspruch 2, bei welchem der erste und der zweite, vertikale Optokopplerabschnitt durch eine Halbleitergrundschicht zur Verfügung gestellt werden, die einen optischen Verstärkungspegel aufweist, der durch Injektion elektrischen Stroms gesteuert wird.
Bauelement nach Anspruch 2, bei welchem der erste und der zweite, vertikale Optokopplerabschnitt durch Quantentopfanordnungen zur Verfügung gestellt werden, welche optische Verstärkungspegel aufweisen, die durch Injektion eines elektrischen Stroms gesteuert werden.
Bauelement nach Anspruch 1, bei welchem der erste und der zweite, vertikale Optokopplerabschnitt Absorptionsanordnungen sind, welche steuerbare Absorptionspegel aufweisen.
Bauelement nach Anspruch 5, bei welchem die Absorptionspegel des ersten und des zweiten, vertikalen Optokopplerabschnitts durch eine elektrische Spannung gesteuert werden.
Bauelement nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei welchem der erste und der zweite Wellenleiter im Wesentlichen normal zueinander angeordnet sind.
Bauelement nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei welchem die reflektierende Oberfläche an der Kreuzungsstelle im Wesentlichen eben ist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei welchem die reflektierende Oberfläche an der Kreuzungsstelle im Wesentlichen zylinderförmig ist.
Optisches Bauteil, das mehrere Bauelemente nach einem der voranstehenden Patentansprüche aufweist.
Verfahren zum Modulieren eines optischen Signals unter Verwendung eines Halbleiter-Optikbauelements, das auf einem Substrat (500) vorgesehen ist, einen ersten Wellenleiter aufweist, der sich in einer ersten Richtung erstreckt, einen zweiten Wellenleiter, der sich in einer zweiten, von der ersten Richtung verschiedenen Richtung erstreckt, so dass der erste und der zweite Wellenleiter eine Kreuzungsstelle bilden, wobei der erste und der zweite Wellenleiter eine untere Wellenleiterschicht (502) und eine obere Wellenleiterschicht (504) aufweisen, einen ersten, vertikalen Optokopplerabschnitt (205a), der sich zum Teil entlang dem ersten Wellenleiter erstreckt, und einen zweiten, vertikalen Optokopplerabschnitt (205b), der sich teilweise entlang dem zweiten Wellenleiter erstreckt, und eine Kreuzungsstelle mit dem ersten, vertikalen Optokopplerabschnitt bildet, eine reflektierende Oberfläche (206) an der Kreuzungsstelle zum Reflektieren optischer Signale zwischen dem ersten und dem zweiten, vertikalen Optokopplerabschnitt (205a, 205b), und gekennzeichnet durch eine erste, leitende Verbindung (506) auf dem ersten und dem zweiten, vertikalen Kopplerabschnitt, eine zweite, leitende Verbindung (507) an einer Seite des Substrats entgegengesetzt zu den Kopplerabschnitten, wobei die obere Wellenleiterschicht (504) optisch aktiv ist, und der erste und der zweite vertikale Optokopplerabschnitt (205a, 205b) so betreibbar sind, dass sie optisch mit dem ersten bzw. zweiten Wellenleiter nach Anlegen eines vorbestimmten Steuersignals an die Kopplerabschnitte gekoppelt sind, so dass das Bauelement so betreibbar ist, dass es ein optisches Signal zwischen dem ersten und dem zweiten Wellenleiter umleitet, wobei das Verfahren umfasst: Anlegen eines vorbestimmten Steuersignals an die vertikalen Optokopplerabschnitte des Optikbauelements; Eingabe eines ersten, optischen Signals (701, 801, 901, 1001) in den ersten Wellenleiter, wobei das erste optische Signal durch ein Datensignal moduliert wird; und Eingabe eines zweiten optischen Signals (702, 802, 902, 1002) in entweder den ersten oder den zweiten Wellenleiter, wobei das zweite optische Signal unmoduliert ist; und das zweite optische Signal durch das von dem ersten optischen Signal transportierte Datensignal moduliert wird, und von dem anderen unter dem ersten und zweiten Wellenleiter ausgegeben wird.
Verfahren zum Modulieren eines optischen Signals unter Verwendung eines Halbleiter-Optikbauelements, das auf einem Substrat (500) vorgesehen ist, einen ersten Wellenleiter aufweist, der sich in einer ersten Richtung erstreckt, einen zweiten Wellenleiter, der sich in einer zweiten, von der ersten Richtung verschiedenen Richtung erstreckt, so dass der erste und der zweite Wellenleiter eine Kreuzungsstelle bilden, wobei der erste und der zweite Wellenleiter eine untere Wellenleiterschicht (502) und eine obere Wellenleiterschicht (504) aufweisen, einen ersten, vertikalen Optokopplerabschnitt (205a), der sich zum Teil entlang dem ersten Wellenleiter erstreckt, und einen zweiten, vertikalen Optokopplerabschnitt (205b), der sich teilweise entlang dem zweiten Wellenleiter erstreckt, und eine Kreuzungsstelle mit dem ersten, vertikalen Optokopplerabschnitt bildet, eine reflektierende Oberfläche (206) an der Kreuzungsstelle zum Reflektieren optischer Signale zwischen dem ersten und dem zweiten, vertikalen Optokopplerabschnitt (205a, 205b), und gekennzeichnet durch eine erste, leitende Verbindung (506) auf dem ersten und dem zweiten, vertikalen Kopplerabschnitt, eine zweite, leitende Verbindung (507) an einer Seite des Substrats entgegengesetzt zu den Kopplerabschnitten, wobei die obere Wellenleiterschicht (504) optisch aktiv ist, und der erste und der zweite vertikale Optokopplerabschnitt (205a, 205b) so betreibbar sind, dass sie optisch mit dem ersten bzw. zweiten Wellenleiter nach Anlegen eines vorbestimmten Steuersignals an die Kopplerabschnitte gekoppelt sind, so dass das Bauelement so betreibbar ist, dass es ein optisches Signal zwischen dem ersten und dem zweiten Wellenleiter umleitet, wobei das Verfahren umfasst: Anlegen eines vorbestimmten Steuersignals an die vertikalen Optokopplerabschnitte des Optikbauelements; Eingabe eines ersten, optischen Signals in den ersten Wellenleiter; Eingabe eines zweiten, optischen Signals entweder in den ersten oder den zweiten Wellenleiter; und Ausgeben eines dritten optischen Signals von dem Optikbauelement, wobei das dritte optische Signal durch jegliche Daten moduliert wird, die durch entweder das erste oder zweite optische Signal, oder durch sowohl das erste als auch zweite optische Signal, befördert werden.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, bei welchem das vorbestimmte Steuersignal eine Injektion eines elektrischen Stroms in dem ersten und dem zweiten, vertikalen Optokopplerabschnitt hervorruft.
Verfahren zur Herstellung eines Halbleiter-Optikbauelements, welches umfasst: Ausbildung einer ersten Slab-Wellenleiteranordnung auf einem Substrat (500); Ausbildung einer zweiten Slab-Wellenleiteranordnung auf der ersten Slab-Wellenleiteranordnung; wobei das Substrat, und die erste sowie die zweite Wellenleiteranordnung eine Waferanordnung (201) bilden; und gekennzeichnet durch Ablagerung eines ersten Maskenmaterials (305) auf der Waferanordnung; Versehen des ersten Maskenmaterials mit einem Muster, damit eine gemusterte Anordnung mit einer ersten Maske und einem freiliegenden Wafer verbleibt; Ablagern eines zweiten Maskenmaterials (306) auf der gemusterten Anordnung aus der ersten Maske und dem freiliegenden Wafer; Versehen des zweiten Maskenmaterials (306) mit einem Muster, damit eine gemusterte Anordnung aus der zweiten Maske, der freiliegenden ersten Maske, und dem freiliegenden Wafer verbleibt; Ätzen von Bereichen des ersten Maskenmaterials, die nicht durch das zweite Maskenmaterial abgedeckt sind; Ätzen der freiliegenden Waferanordnung bis auf eine erste, vorbestimmte Tiefe; Entfernen der zweiten Maskenschicht; Ätzen der Waferanordnung (201), die nicht durch die erste Maskenschicht abgedeckt ist, bis auf eine zweite, vorbestimmte Tiefe; und Entfernen des zweiten Maskenmaterials (306); wobei das zweite Maskenmaterial dazu dient, einen ersten und einen zweiten Wellenleiter festzulegen, die sich in einer ersten bzw. zweiten Richtung erstrecken, so dass der erste und der zweite Wellenleiter eine Kreuzungsstelle bilden, wobei der erste und der zweite Wellenleiter eine untere Wellenleiterschicht (502) und eine obere Wellenleiterschicht (504) aufweisen, wobei die obere Wellenleiterschicht (504) aus einem optisch aktiven Material besteht, und die erste Maskenschicht (305) dazu dient, einen ersten und einen zweiten, vertikalen Optokopplerabschnitt festzulegen, die sich teilweise entlang dem ersten bzw. zweiten Wellenleiter erstrecken, wobei der zweite Ätzschritt die vertikalen Optokopplerabschnitte (205) und eine reflektierende Oberfläche (206) an der Kreuzungsstelle zwischen dem ersten und dem zweiten Optokopplerabschnitt (205a, 205b) festlegt, Ablagern von Metallschichten auf dem ersten und dem zweiten, vertikalen Kopplerabschnitt zur Ausbildung einer ersten, leitenden Verbindung (506), und Ablagern von Metallschichten auf einer Seite des Substrats entgegengesetzt zu den Kopplerabschnitten zur Ausbildung einer zweiten, leitenden Verbindung (506), wobei die vertikalen Optokopplerabschnitte so betreibbar sind, dass sie optisch mit dem ersten bzw. zweiten Wellenleiter gekoppelt sind, beim Anlegen eines vorbestimmten Steuersignals an die Kopplerabschnitte (205).