DE68914000T2 - Optischer Leistungsbegrenzer. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf optische Leistungsbegrenzer. Sie findet besondere Anwendung in der optischen Kommunikation.
• Eine Einrichtung, die ein beträchtliches Nutzungspotential in optischen Kommunikationssystemen besitzt, ist ein optischer Begrenzer. Vor dem Fotodetektor in einem optischen Empfänger angeordnet kann er Probleme erleichtern, die bei herkömmlichen Empfängern hinsichtlich der dynamischen Bereichsbegrenzungen angetroffen werden.
• Es sind verschiedene Formen optischer Begrenzer vorgeschlagen und vorgeführt worden, von denen eine Anzahl von der nicht-linearen Optik Gebrauch machen. Wenn der Begrenzer in einem optischen Wellenleiter gebildet ist, gibt es mehrere zusätzliche Vorteile, worunter sich in erster Linie die Fähigkeit befindet, Strahlungen auf kleine Abmessungen zu begrenzen, d.h., hohe Leistungsdichten und damit den Einsatz auf relativ bescheidene Leistungen im Vergleich zu Massenbegrenzern (Nichtwellenleiter) zu begrenzen.
• Falls der Wellenleiter aus einem Halbleitermaterial hergestellt ist, gibt es weiter die Möglichkeit der Vereinigung des Begrenzers mit dem Fotodetektor und mit anderen optischen Komponenten, die ebenfalls als Halbleiter hergestellt sind.
• (Ein Lichtwellenleiter umfaßt einen Kernbereich aus einem ersten Material, und einen äußeren Beschichtungsbereich aus einem zweiten Material. Der Brechungsindex des Kernmaterials ist größer als der des Beschichtungsmaterials, mit der Wirkung, daß die vom Wellenleiter übertragene Lichtstrahlung so geführt wird, daß sie sich mindestens im wesentlichen entlang des Kernbereiches fortpflanzt. Weder der Kernbereich, noch der Beschichtungsbereich weisen notwendigerweise nur einen einzigen gleichförmigen Brechungsindex auf. In epitaktisch aufgewachsenen Halbleiterwellenleitern hat der Kern im allgemeinen einen rechteckigen Querschnitt, wobei die Beschichtung durch die Charakteristik der Schichten der betroffenen Halbleiterstruktur geschaffen wird).
• Es sind optische Wellenleiterbegrenzer bekannt, die auf dem nicht-linearen optischen Verhalten basieren, das von der Stärke des Eingangssignals abhängige Anderungen des Brechungsindexes zur Folge hat. Sie basieren auf der Charakteristik bestimmter Materialien, die mit der Lichtstärke den Brechungsindex erhöhen. Sie können daher so aufgebaut werden, daß der Unterschied des Brechungsindexes des Kerns und des Beschichtungsmaterials abnimmt, wenn die Eingangssignalstärke zunimmt. Da der Unterschied abnimmt, nehinen die Wellenleitereigenschaften der Struktur so lange ab, bis, wenn der Brechungsindexunterschied ganz verschwindet, die Lichtstrahlung nicht länger zusammengehalten wird, nicht einmal im wesentlichem im Kernbereich. Wird die Ausgabe der Struktur dem Kernbereich entnommen, zeigt diese eine leistungsbegrenzte Charakteristik.
• Optische Wellenleiterbegrenzer sind von Seaton et al. (Optical Engineering, Band 24, Nr. 4, Seiten 593 - 599, 1985) überprüft worden. Weil sich aber bis heute die meisten dieser Begrenzer auf das nichtlineare optische Verhalten gestützt haben, bei dem der Brechnungsindex mit der Lichtstärke zunimmt, haben sie sich auf die Nichtlinearität des Beschichtungsmaterials des Wellenleiters, statt des Kernmaterials, gestützt. D.h., daß bei zunehmender Lichtstärke der Brechungsindex (ns) des Beschichtungsmaterials zunimmt, also der Brechungsindexunterschied (nc-ns) zwischen Kern und Beschichtung reduziert wird und dementsprechend die Kompatibilität der wellenleitenden Charakteristik verringert wird.
• Obwohl eine solche Einrichtung als optischer Begrenzer arbeiten kann, spricht sie für den Bereich der optischen Kommunikation erst bei relativ hohen Werten der Eingangssignalstärke an. Dies rührt daher, weil der größte Teil der Lichtstrahlung vom Kernmaterial, nicht vom Beschichtungsmaterial, transportiert wird, während es doch das Ansprechverhalten des Beschichtungsmaterials ist, das die Begrenzungswirkung hervorrufen muß.
• Es sind einige Analysen in Bezug auf Wellenleiterstrukturen veröffentlicht worden, bei denen das nichtlineare Verhalten im Kern auftritt (beispielsweise Boardman and Egan, IEEE Journal of Quantum Electronics, Band QE-22, Nr. 2, Seiten 319 - 324, 1986). Weil sich aber auch diese auf Materialien stützen, deren Brechungsindex mit der Lichtstärke zunimmt, entspricht die betrachtete Situation derjenigen einer selbst-fokusierenden Nichtlinearität, d.h., einer Situation, bei der der Brechungsindex des Kernmaterials mit zunehmender Lichtstärke ansteigt, statt des entgegengesetzten Falles einer defokusierenden Nichtlinearität. Es gibt daher keinen naheliegenden Weg, mit einer solcher Struktur einen optischen Begrenzer zu bilden.
• Es gibt eine Veröffentlichung Ogusu (Optical and Quantum Electronics, Band 19, Nr. 2, Seiten 65 - 72, 1987), die einen Wellenleiter mit einer defokusierenden nichtlinearen Charakteristik behandelt. Ogusu stellt fest, daß der Wellenleiter als ein optischer Leistungsbegrenzer benutzt werden kann. Die Lichtstärken, bei denen Ogusu's Struktur die Leistung begrenzen würde, dürften aber weit höher sein als jene, die für optische Kommunikationssysteme infrage kommen. Falls die offenbarte Wellenleiterstruktur so konzipiert sein sollte, daß sie bei niedrigeren Lichtstärken begrenzt, wären die den Brechungsindexunterschieden zwischen Kern und Beschichtungsmaterialien auferlegten Toleranzen so fein sind, daß sie die Einrichtung davon ausschließen, jemals in einer praktischen Ausführungsform realisiert zu werden. Weiter enthält der Wellenleiter keine Halbleitermaterialien und stützt sich auf optische Eigenschaften, die bei praktischen Halbleiterstrukturen nicht verfügbar sind. Der Wellenleiter kann daher nicht einmal potentiell mit einem Fotodetektor oder einer anderen optischen Komponente vereinigt werden.
• Bei der Entstehung der vorliegenden Erfindung ist die Erkenntnis gereift, daß es möglich ist, die Eigenschaften von Halbleitermaterialien so auszunutzen, daß eine praktische Einrichtung mit einer optischen Leistungsbegrenzungswirkung erzeugt wird, die zur Verwendung bei Leistungen geeignet ist, die für optische Kommunikationssysteme relevant sind.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine optische Leistungsbegrenzerstruktur zur Verwendung bei der Begrenzung der Leistung eines optischen Signals mit einer Welleniänge λ geschaffen, die einen Wellenleiter aufweist, der einen Kernbereich 3 mit Brechnungsindex nc, der auf einer ersten Seite durch einen ersten Umhüllungsbereich 2 aus einem Material mit Brechnungsindex ns begrenzt ist, und der auf einer zweiten, entgegengesetzten Seite durch einen zweiten Umhüllungsbereich aus einem Material mit Brechhungsindex na begrenzt ist, wobei nc reziprok von der Stärke des optischen Signals bei der Wellenlänge λ abhängt, während ns und na im wesentlichen konstant bleiben, derart, daß bei einer vorgewählten Schwellenstärke des optischen Signals nc sind ns genügend annähert, um eine signifikante Ausbreitung des optischen Signals in dem ersten Umhüllungsbereich zu ermöglichen, wobei der Wellenleiter aus einem direktem Bandabstandshalbleitermaterial besteht, bei dem die dem Bandabstand äquivalente Wellenlänge λs des ersten Umhüllungsbereichmaterials kleiner als die dem Bandabstand äquivalente Wellenlänge λc des Kernbereichmaterials ist, wobei diese Materialien so gewählt werden, daß für Wellenlängen λ, die ausreichend größer als λc und λs sind, der Brechungsindex nc von der Signalstärke abhängt, während ns im wesentlichen unabhängig von der Signalstärke ist.
• Wenn λ so gewählt wird, daß es leicht oberhalb λc liegt, ist es möglich, die in Halbleitermaterialien auftretende größte optische Nichtlinearität auszunutzen, nämlich die mit der Resonanzabsorption und der Berbrechung in der Nähe der Energiebandkante in Zusammenhang stehende. Bei Photonenenergien des Eingangssignals knapp unterhalb der Bandkante des Kernmaterials ist es möglich, Zugang zu einer recht starken Nichtlinearität des Brechungsindexes zu erhalten, wohingegen das Material der Beschichtungsschichten so gewählt werden kann, daß es sich linear verhält (solange, wie die Photonenenergie zu weit unter der entsprechenden Bandkante liegt). Entsprechend bleiben ns und na konstant.
• Halbleitermaterialien, die allgemein im Bereich der optischen Kommunikation verwendet werden, beispielsweise jene, die auf den Elementen Ga, In, As, Al und P beruhen, zeigen die geforderte defokusierende Nichtlinearität genau unter der Bandkante. Eine allgemeine Formel die benutzt werden kann, um das Ausmaß vorherzusagen, bis zu dem sich der Brechungsindex eines Halbleitermaterials mit der Lichtstärke ändert, wird in der Veröffentlichung Physical Review Letters, Band 47, Nr. 3, Seiten 197 - 200, vom 10. Juli 1981, von D.A.B. Miller et al angegeben.
• Wählt man die Bandkante als denjenigen Energiepegel, bei dem die Absorption signifikant wird, d.h., bei dem die Absorption den Wert 10&sup4; cm&supmin;¹ erreicht, sollte λ um einen solchen Betrag größer als λc sein, so daß die Absorption zwar groß genug ist, die Trägerkonzentration zu ändern, aber nicht groß genug, um die durch eine Begrenzerstruktur übertragene Lichtmenge zu deutlich zu verringern. Im allgemeinen sollte λ um einen Wert im Bereich von 10 - 40 nm einschließlich größer als λc sein. Dadurch wird der signifikanteste Bereich der optischen Nichtlinearität wirksam erfaßt.
• Allerdings sollte λ um einen Betrag größer als λs sein, der groß genug ist, um erhebliche Änderungen der Trägerkonzentration und somit des Brechungsindexes ns des Beschichtungsmaterials zu vermeiden, das die erste Seite des Kernbereichs umgrenzt. Wiederum ermöglicht es die oben zitierte Veröffentlichung von D.A.B. Miller et al., das Ausmaß zu berechnen, bis zu dem Änderungen des Brechungsindexes bei besonderen Materialien auftreten. Im allgemeinen sollte aber λ deutlich um mindestens 40 nm größer als λs sein. Vorzugsweise sollte λ um mindestens 60 nm größer als λs sein, und noch besser sollte λ um mindestenst 80 nm größer sein.
• Durch Wahl einer assymmetrischen Anordnung, bei der ns größer als na ist, wird die optische Begrenzungswirkung gesteigert, weil ein "Abklingen" des optischen Signals in das Beschichtungsmaterial umso mehr übersteigert wird, je größer der Grad an Asymmertrie ist. Dementsprechend kann die optische Begrenzungswirkung bei niedrigeren Eingangssignalstärken erzielt werden.
• Vorzugsweise ist ns um einen Betrag in Höhe von etwa 1 oder mehr größer als als na. Noch besser ist es, wenn das die zweite Seite des Kernbereiches begrenzende Beschichtungsmaterial Luft ist, da dies eine Halbleiterstruktur liefert, die relativ leicht durch epitaktische Aufwachstechniken, wie etwa metallorganisch-chemische Dampfphasenepitaxie (MOVPE) relativ leicht herzustellen ist.
• Die Konstruktion des Wellenleiters ist vorzugsweise so beschaffen, daß sie bei der Betriebswellenlänge zu einem Transversaleinmodenbetrieb führt, da dies zum Einkoppeln von Licht in den Wellenleiter und aus dem Wellenleiter heraus zweckmäßig ist. Wenn also der Wellenleiter ein Substrat mit einer Beschichtungsbereichsschicht und einer Kernbereichsschicht auf dem Substrat aufweist, wobei die entgegengesetzte Seite der Kernbereichsschicht der Luft ausgesetzt ist, wird als grobe Anleitung die Dicke "d" der Kernbereichsschicht so gewählt, daß sie der durch die nachfolgende Beziehung angegebenen Größenordnung entspricht:
• wobei:
• no der Brechungsindex des Kernmaterials bei fehlendem Eingangssignal ist.
• Bei einem asymmetrischen Wellenleiter wird die Dicke "d" genauer entsprechend der nachfolgenden Beziehung gewählt:
• Eine weitere Zwangsbedingung für die Brechungsindizes no und ns besteht darin, daß sie genügend nahe beieinanderliegen, damit sich nc dem Wert ns bei einer Eingangssignalstärke annähert, die unter den Umständen angemessen ist, unter denen die optische Leistungsbegrenzerstruktur angewandt wird. Um einen optischen Leistungsbegrenzer aus einer optischen Leistungsbegrenzerstruktur gemäß einer Ausführungsform der Erfindung herzustellen, wird es im allgemeinen notwendig sein, ein Mittel zum Wählen eines Ausgangssignals einzusetzen. Dieses kann beispielsweise ein Kombination von Einrichtungen zum Erfassen des vom Kernbereich des Wellenleiters ausgesandten Signals, sowie Einrichtungen zum wirksamen Ausscheiden von Strahlung umfassen, die sich in dem Beschichtungsbereich "ausgebreitet" hat.
• Nachfolgend werden spezielle Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, nur beispielshalber, unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
• Der Gegenstand der Figuren wird nachfolgend kurz bezeichnet.
• Fig. 1 zeigt schematisch einen Querschnitt einer optischen Leistungsbegrenzerstruktur gemaß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
• Fig. 2 zeigt in graphischer Form die Verteilung des optischen Eingangssignals in der Struktur der Fig. 1 (über 90º gedreht), die für verschiedene Werte der Eingangssignalstärke aufgezeichnet ist;
• Figuren 3 und 4 zeigen schematische Querschnitte der optischen Leistungsbegrenzerstrukturen gemäß der zweiten und der weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
• Fig. 5 zeigt eine Anordnung zum wirksamen Ausscheiden von Strahlung, die sich in dem Beschichtungsbereich einer optischen Leistungsbegrenzerstruktur gemäß Fig. 1 "ausgebreitet" hat;
• Fig. 5a zeigt einen Querschnitt durch einen Teil einer solchen Anordnung;
• Fig. 5b zeigt eine Draufsicht auf eine solche Anordnung;
• Fig. 6 zeigt schematisch einen optischen Leistungsbegrenzer, der eine optische Leistungsbegrenzerstruktur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verkörpert;
• Fig. 7 zeigt schematisch einen Querschnitt durch einen nichtlinearen Rippenwellenleiter;
• Fig. 8 zeigt eine Mehrschichtunterteilung des Rippenwellenleiters der Fig. 7;
• Figuren 9 und 10 sind Diagramme zur Darstellung der Ergebnisse von Berechnungen des Einschließungsfaktors relativ zur Eingangsleistung, bei einer Rippen-Wellenleitereinrichtung gemäß der Erfindung; und
• Fig. 11 ist ein schematischer Querschnitt durch eine Mehrquantentopf- Wellenleitereinrichtung gemäß der Erfindung.
• Bezugnehmend auf Fig. 4 weist eine optische Leistungsbegrenzerstruktur ein Halbleitersubstrat 1 mit einer Beschichtungsbereichsschicht 2 und einer Kernbereichsschicht 3 darüber auf. Die obere Oberfläche der Kernbereichsschicht 3 liegt zur Luft hin frei. (Ausdrücke wie "oberen", die eine spezifische Ausrichtung implizieren, werden nur zur Vereinfachung der Beschreibung benutzt und sollen nicht im Sinne des Hinweises auf eine Zwangsbedingung verstanden werden).
• Die Kern- und Beschichtungsbereichsschichten 3, 2 sind beide Mehrquantentopfschichten (MQW). Dies ist kein wesentliches Merkmal der Kernund Beschichtungsbereichsschichten 3, 2, da sich herausgestellt hat, daß bei Betriebswellenlängen in der Nähe der effektiven Bandkanten MQW- Material und massive Proben grob das gleiche nichtlineare Brechungsindexverhalten zeigen. Tatsächlich besteht ein wichtiges Merkmal der vorliegenden Erfindung darin, daß der nichtlineare Brechungsindex eine zwingende Funktion der Betriebswellenlänge in der Nähe der Bandkante ist, und daß es möglich ist, große Nichtlinearitäten in jedem gegebenen Halbleiter zu erhalten, vorausgesetzt, daß eine verlustarme Übertragung genügend nahe am Energiebandabstand erzielt werden kann. Es gibt jedoch ein Kompromiß zwischen der Dämpfung und dem nichtlinearen Brechungsindex, wobei die vorliegende Struktur wie jede andere den Wirkungen dieses Kompromisses ausgesetzt ist. Der Vorteil der Verwendung von MQW-Schichten besteht in der dann verfügbaren Kontrolle über den Brechungsindex (bei fehlendem Eingangssignal).
• Zu den MQW-Schichten gehört das ternäre Material Ga In As, die durch Sperrschichten aus Al In As getrennt sind, wobei die Zusammensetzungen dieser Legierungen so gewählt werden, daß sie sich dem InP- Gitter anpassen, das das Material des Substrates 1 bildet. Der Brechungsindex no der Kernbereichsschicht 3 bei fehlendem Eingangssignal, und ns der Beschichtungsschicht 2, sind durch die Dicke der Ga In As- Schichten (Töpfe) und durch die Al In As-Schichten (Sperrschichten) der MQW-Schichten bestimmt. In jedem Falle sind die Sperrschichten 30 Å tief. In der Kernbereichsschicht 3 liefern Töpfe von einer Tiefe von 120 Å einen Brecbnungsindex no von 3.43 bei einem Bandabstand von etwa 0,8 eV (equivalente Wellenlänge 1.55 um). In der Beschichtungsbereichsschicht 2 liefern Töpfe von 60 Å einen Brechungsindex ns von etwa 3.38 bei einem Bandabstand von 0,87 eV (equivalente Wellenlänge 1.43 um). Die Kernbereichsschicht 3 ist 1 um dick, was einen Transversaleinmodenbetrieb bei Betriebswellenlängen liefert, die Photonenenergien genau unter 0.8 eV equivalent sind. Die Beschichtungsschicht 2 ist mindestens 10 um dick. Die Beschichtungsschichtdicke kann auf eine akzeptablere Dicke reduziert werden, wenn sie einen niedrigeren Brechungsindex besitzt (die untere Beschichtung sollte im Vergleich zur Ausdehnung des in sie hineinreichenden geführten Wellentyps dick sein. Wenn dies nicht der Fall ist, und wenn sie von einer Schicht mit einem niederigeren Brechungsindex umgrenzt ist, wie im Falle von Ga In As P und damit zusammenhängenden Verbindungen aus InP, verhält sich die kleine Indexabstufung zwischen dem Kern und der Beschichtung nur wie eine Störung in einem dicken Wellenleiter, der aus dem Kern und der Beschichtung gebildet wird, so daß es mit zunehmender Lichtstärke nur eine geringe Änderung gibt. Falls kein Substrat mit einem geeigneten Brechungsindex gefunden werden kann, muß eine Dicke ( epitaktische Beschichtungsschicht, beispielweise aus einer Halbleiterlegierung, aufgewachsen werden).
• Im Betrieb wird ein aus einer kontinuierlichen Welle (cw) bestehendes optisches Eingangssignal in die Kernbereichsschicht 3 eingegeben, mit einer Photonenenergie von etwa 30 meV unter 0.8 eV. Dies beeinflußt den wirksamen Brechungsindex der Kernbereichsschicht 3. Der wirksame Brechungsindex nc der Kernbereichsschicht 3 kann als (no-n&sub2;I) dargestellt werden, wobei n&sub2; die Änderung des Brechungsindexes der Kernbereichsschicht 3 je Stärkeeinheit (W cm&supmin;²) I des Eingangssignales ist. Bei dicht an der Energiebandkante der Kernbereichsschicht 3 liegenden Wellenlängen liegt n&sub2; in der Größenordnung von 10&supmin;&sup5;je Stärkeeinheit. Ohne Berücksichtigung der Assymetrie der Struktur in Bezug auf ns und na beginnt die beschriebene Struktur eine Leistungsbegrenzungscharakteristik zu zeigen, wenn das Eingangssignal eine Lichtstärke von 5x10³ W/cm² besitzt. D.h., daß die Gleichung:
• no- n&sub2; I = ns (E3)
• bei dieser Stärkengrößenordnung gilt. Die wellenführende Wirkung der Struktur würde somit verlorengehen, so daß sich das Eingangssignal in die Beschichtungsbereichsschicht 2 ausbreitet.
• Berücksichtigt man jedoch die Assymetrie, wird die leistungsbegrenzende Charakteristik bei einer niedrigeren Eingangssignalstärke wirksam. In diesem besonderen Falle findet die aktuelle Beziehung:
• Anwendung. Dies ergibt eine leistungsbegrenzende Charakterstik bei Eingangssignalstärken von etwa 3.5x10³ W/cm², oder darunter.
• Die oben angegebene Gleichung (E4) betrifft speziell die weiter oben unter Bezugnahme auf Figur 1 beschriebene Struktur. Der Wert des Faktors 5 im Ausdruck λ/5d wird durch den Assymetriegrad der Struktur bestimmt, d.h., durch die Beziehung zwischen no, na und ns. In der Praxis zeigt sich, daß wenn die Assymetrie zunimmt, der Faktor 5 durch einen Wert ersetzt wird, der sich dem Faktor 4 annähert oder diesem entspricht. Falls die Assymetrie abnimmt, wird der Faktor 5 durch einen größeren Wert ersetzt, der bis zur ungünstigsten Fallgrenze ansteigt, bei der der Ausdruck λ/5d durch null ersetzt wird. In diesem Falle findet die Gleichung (E3) Anwendung, wobei der Wellenleiter bezüglich der Brechungsindizes na und ns symetrisch ist.
• Bei einer optischen Punktgröße von etwa 1um² liegt der entsprechende kritische Leistungspegel bei etwa 0.035 mW also einem Pegel, der die geeignete Größe besitzt, um Sättigungseffekte in optischen Empfängern des Kommunikationsbereiches zu vermeiden.
• Obwohl bei der oben besprochenen Anordnung ein cw-Signal verwendet wird, ist dies keine Bedingung. Es ist jedoch wichtig, daß Temperaturfluktuationen nicht die Anderungen des Brechungsindexes unwirksam machen, auf die sich eine optische Begrenzerstruktur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stützt. Dementsprechend sollte entweder eine hohe Wiederholungsrate des Eingangssignals, oder eine gute Wärmeabsenkung eingesetzt werden. Temperaturfluktuationen, die sich über Perioden in der Größenordnung von Millisekunden und möglicherweise Mikrosekunden erstrecken, können sehr wohl in unerwünschter Weise über die elektronischen Wirkungen dominieren, auf die sich der Betrieb stützt.
• Eine, nichtliniare Wellenleiter betreffende theoretische Analyse des Betriebs der oben unter Bezugnahme auf Figur 1 beschriebenen Struktur; kann dazu dienen, transversale Strahlungsdichteverteilungen in der Struktur für verschiedene Werte des Parameter n&sub2;Is im Diagramm dazustellen, wobei Is der Strahlungsdichtewert in der Kern-/Beschichtungsgrenzschicht ist. Bezugnehmend auf Figur 2 ist ersichtlich, daß bei ansteigendem Parameter n&sub2;Is der Anteil des in der Beschichtung 5 laufenden optischen Eingangssignals zunimmt, und daß es beim Wert n&sub2;Is = 0.036 eine dramatische Ausbreitung der Strahlungsdichte in die Beschichtung stattfindet. Infolgedessen tritt bei einer Lichtstärke in der Kern-/Beschichtungsgrenzfläche 6 von 3.6 x 10³ W/cm² eine starke Leistungsbegrenzungscharakteristik auf (es sei bemerkt, daß die hier angewandte theoretische Analyse die Dämpfung des Eingangssignals in der Struktur vernachlässigt. Es ist dennoch vorteilhaft, daß der Kernbereich, mindestens der Struktur, nur eine schwache Dämpfung hervorruft, so daß die Signalausgabe der Struktur genügend groß für eine Strukturlänge ist, die physikalisch bequem zu handhaben ist. Weiter würde eine signifikante Dämpfung eine Ungleichmäßigkeit der defokusierenden Nichtliniarität entlang der Länge der Struktur hervorrufen, was unzweckmäßig sein kann).
• Bei einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Umschließung des Signals im Wellenleiter in seitlicher Richtung ebenso wie in Querrichtung herbeigeführt werden. Beispielsweise kann unter Bezugnahme auf Figur 3 eine Rippe 4 auf der Oberseite (Kernbereich) der Schicht 3 angebracht werden, um das Licht seitlich abzugrenzen. Die Breite und Höhe der Rippe 4 muß so gewählt werden, daß sie die Einmodenausbreitung sowohl in seitlicher Richtung, als auch in Querrichtung bewirkt. Wiederum müssen die Brechungsindizes so gewählt werden, daß sie einen Fortfall der Wellenleitungswirkung bei einem kritischen Wert der Lichtintensität ermöglicht. Ein Fortfall der Wellenleitung in dieser Struktur kann so arrangiert werden, daß er in seitlicher Richtung auftritt, ehe er in der Querrichtung auftritt.
• Es ist eine Analyse für einen Rippenwellenleiter durchgeführt worden, dessen Querschnitt in Figur 7 dargestellt ist. Die spezifisch modellierte Struktur entspricht der Verwendung von InGaAs/InAlAs-MQW-Material mit zwei unterschiedlichen Topf-/Sperrschichtdicken der nichtlinearen Kernschicht und der unteren Beschichtung. Die Quantenumschließungseigenschaften des MQW-Materials werden aber beim Betrieb der Einrichtung nicht genutzt; und die Analyse ist genügend allgemein, um auf Rippenwellenleiter angewandt zu werden, die aus anderen Materialien hergestellt sind, vorausgesetzt, daß der Brechungsindex in der Kernschicht mit zunehmender Strahlungsdichte abnimmt, und daß die Indices in den Beschichtungsschichten von der Strahlungsdichte unabhängig sind. Es wird unterstellt, daß die obere Beschichtung aus Luft besteht, während die Betriebswellenlänge mit 1.55um angesetzt wird.
• Das Analyseverfahren ist mit einer Mehrschichtunterteilung der Struktur in Richtung entlang der Epi-Schichten verknüpft, wie in Figur 8 dargestellt. Derzeit werden die erzielten Resultate etwas durch die Anzahl der vorgenommenen Teilungen beeinflußt; und die optimale Anzahl in Bezug auf die Genauigkeit hinsichtlich der Grenze im Falle, daß sich das optische Feld über eine erhebliche Distanz ausbreitet, ist noch nicht endgültig bestimmt worden.
• Bei seiner vorgeschlagenen Anwendung als optischer Leistungsbegrenzer arbeitet die Einrichtung unter Verlust optischer Umschließung entlang der Ebene der Epischichten (x-Richtung). Licht, daß auf ein Ende der Rippenstruktur geleitet wird, wird dann nicht in üblicher Weise zum anderen Ende geführt, sondern kann sich frei in der Platte ausbreiten. Eine abgeänderte Version der Einrichtung könnte absorbierendes Material in der Platte verwenden, um diese optische Leistung zu beseitigen; oder stattdessen könnte eine zweite Rippe verwendet werden, um die Leistung aufzufangen und sie andersowohin zu kanalisieren (im letzten Falle beginnt die Einrichtung einem nichtlinearen Richtkoppler zu ähneln).
• Die Berechnungen haben sich auf das Verhalten der optischen Umschließung in x-Richtung konzentriert. Figur 9 zeigt Ergebnisse, die für eine Rippe von einer Breite von w=3um, einer Gesamthöhe t=1.3um, sowie für eine Rippe mit der Dicke d = 1um berechnet worden sind, wobei diese Werte so gewählt sind, daß sie einem Einmodenwellenleiter an der Grenze des ersten Wellentyps höherer Ordhung, bei geringen optischen Strahlungsdichten, entsprechen.
• Die jeweils mit I,II und III markierten Kurven entsprechen jeweils der Durchführung von 1,3 und 45 Teilungen der Struktur; wie Figur 8 zeigt. In Figur 9 ist der Umschließungsfaktor über einer normalisierten Leistung abgetragen, was die Stärke der optischen Nichtlinearität als Parameter einschließt. Um die Ergebnisse in Form wirklicher Leistung auszudrücken, ist es erforderlich, einen Wert für den optischen Nichtlinearitätskoeffizienten anzunehmen. Dies ist in Figur 10 geschehen, bei der angenommen worden ist, daß der Brechungsindex bei jedem W/cm² Strahlungsdichte um 10&supmin;&sup5; abnimmt. In Figur 10 entsprechen 2 Kurven der Breite w von 3um (für die die Höhe t die Größe 1.3um) hat sowie 5um (für die der Wert von t die Größe 1.1um besitzt, um eine Einmodenoperation zu bewirken). Bei jedem der Fälle besitzt die Plattendicke d den Wert 1um. Die Berechnungen werden abgebrochen, ehe die Empfindlichkeit im Vergleich zur benutzten Anzahl von Unterteilungen zu kritisch wird. Aus den Ergebnissen ist klar, daß ein substantieller Verlust der optischen Umschließung bei Startleistungen in der Größenordnung von einigen 10uW erreicht wird.
• Es ist wichtig festzustellen, daß die Rippenstruktur gemäß Figur 3 nur eine der möglichen Verkörperungen einer zweidimensionalen Struktur ist. Bezugnehmend auf Figur 4 bestehen andere mögliche Ausführungsformen aus dem Wellenleiter (a) mit hochgestelltem Streifen (Steg), dem tragenden Wellenleiter (b) mit eingebettem Streffen (vergraben), und dem streifentragenden Wellenleiter (c). Alle diese Typen können so ausgebildet werden, daß sie eine defokusierende Nichtliniearität im Kernbereich aufweisen, und daß man von ihnen eine begrenzende Wirkung erwarten kann, die in ähnlicher Weise verläuft wie die, für den Rippenwellenleiter der Figur 3 beschrieben.
• Mit der Erstellung eines wirksamen optischen Leistungsbegrenzers unter Benutzung der in Bezug auf die Figuren 1, 3 und 4 beschriebenen Struktur kann es nicht mehr genügen, lediglich die Streuausbreitung im Substrat zu ermöglichen, da ein beträchtlicher Anteil davon immer noch einen Detektor erreichen, kann der zum Erfassen eines vom Kernbereich gelieferten optischen Ausgangssignals positioniert ist. Es dürfte dann nötig sein, einige Mittel zur Beseitigung der von der Schicht 2 des Beschichtungsbereiches kommenden Leistung zu beseitigen oder sie mindestens am Erreichen des Detektors zu hindern. Ein solches Mittel besitzt in der Einbringung von Verunreinigungen in das Material der Schicht 2 des Beschichtungsbereiches, um das eintretende Licht zu absorbieren und damit zu bewirken, daß es den Detektor nicht erreichen kann.
• Bezugnehmend auf Figur 5a besteht bei einer Struktur; die eine seitliche Umschließung zeigt wie in Figur 3, eine weitere, alternative Maßnahme darin, eine parallel führende Schicht 13 mit einem Brechungsindex nahe bei oder größer als no einzubeziehen, um zu erreichen, daß das sich in dem Beschichtungsbereich 2 ausbreitende Licht dann in der genannten zweiten führenden Schicht 13 aufgefangen wird. Bezugnehemend auf Figur 5b können die zweite führende Schicht 13 und die Kernbereichsschicht 3 so angeordnet werden, daß sie sich zur Seite hin trennen, derart, daß das in der zweiten leitenden Schicht 13 befindliche Licht vom Detektor weggeleitet wird (nicht dargestell). Diese zweite führende Schicht 13 weist eine zweite, zugeordnete Deckschicht 12 auf.
• Bei einer Begrenzerstruktur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können zusätzlich zu den oben unter Bezugnahme auf die Figuren beschriebenen Schichten, Sonderschichten eingebaut werden. Beispielsweise können Sonderschichten dazu dienen, um einer Struktur besondere wellenleitende Eigenschaften zu geben.
• Alternativ kann es im Falle einer Struktur, die mit anderen Komponenten vereinigt ist, zweckmäßig sein, daß die Struktur eine oberste Oxidschicht aufweist. Solche Sonderschichten werden aber in der Praxis nur Teil des Kerns oder der Beschichtungsbereiche sein.
• Eine weitere Ausführungsform der Erfindung macht von der Möglichkeit Gebrauch, mit MQW-Materialien den Bandabstand (und somit die Betriebswellenlänge) sowie den Brechungsindex eines MQW-Materials zu variieren. Die unterste Energieabsorbtionskante bei einem MQW-Material ist die der Potentialtöpfe. Die Position der Absorbtionskante kann durch Dünnermachen der Töpfe in Richtung auf eine höhere Energie verschoben werden. Bei der vorliegenden Anwendung bildet der Brechungsindex des Materials einen Durchschnittswert derer der Töpfe und der Sperrschichten, da die Schichtdicken der Töpfe und Sperrschichten viel kleiner als der Bereich sind, auf den die optischen Felder begrenzt werden.
• Ein Beispiel einer Leistungsbegrenzerstruktur; die MQW-Material benutzt, ist in Figur 11 schematisch im Querschnitt dargestellt. Sie besteht aus einem nichtlinearen Kernmaterial mit einer Bandkante dicht an und etwas unter der Betriebswellenlänge (in diesem Falle 1.55um) von etwa 1.53um; und mit einem ersten Brechungsindex von angenommen 3.43; und sie besteht weiter aus einer zweiteiligen unteren Beschichtung. Ganz dicht am Kern befindet sich eine lineare Deckschicht mit einem Brechungsindex etwas kleiner als der erste, etwa 3.38, sowie einem breiteren Bandabstand, etwa 1.5um; und anschließend eine zweite Deckschicht mit dem gleichen Brechungsindex wie bei der ersten Beschichtung, aber mit einem so gewählten Bandabstand, etwa 1.65um, das sie bei der gewählten Betriebslängenwelle absorbiert. Das Ganze könnte auf einem InP- Substrat (oder jedem anderen geeigneten Material) aufgewachsen werden, ohne daß die Beschichtung prohibitiv dick sein muß, da die absorbierende Schicht (die zweite Deckschicht) bewirkt, daß sich die geführten Modenfelder nicht bis zur Substrattrennfläche erstrecken. Die erste, transparente Deckschicht ist erforderlich, um eine übermäßige Absorption des geführten Wellentyps bei niedriger Strahlungsdichte zu verhindern. Diese Struktur hat das zusätzliche Verdienst, däß bei hoher Strahlungsdichte die in die Beschichtungsbereiche eingedrungene Strahlung absorbiert und daher nicht mehr am Ausgang der Einrichtung beobachtet wird.
• Bezugnehmend auf Figur 6 zeigt ein optischer Leistungsbegrenzer auf Basis einer Struktur; wie sie weiter oben unter Bezugnahme auf die Figuren 1-5 oder 7-11 einschließlich beschrieben wurde, zusätzliche Merkmale, wie etwa ein Eingangstor 7 für ein in den Kernbereich 3 einzugebendes optisches Signal; sowie Mittel, wie etwa eine Lichtleitfaser 8, zum Aufnehmen des vom Kernbereich 3 kommenden Ausgangssignals. Die in Figur 6 dargestellte Ausführungsform ist keine integrierte Anordnung. In einer solchen Anordnung kann die Lichtleitfaser 8 durch einen weiteren Wellenleiter ersetzt werden, der sich auf einem gemeinsamen Wafer mit dem Wellenleiter der Begrenzerstruktur befindet. Weiter kann das Eingangstor 7 in anderer Weise als durch eine exponierte Fläche am Ende der Begrenzerstruktur definiert werden, beispielsweise durch eine Trennfläche zwischen der Begrenzerstruktur und einer anderen Struktur. Die Lichtleitfaser 8 kann auch direkt durch einen Fotodetektor ersetzt werden.

Claims (12)

1. Optische Leistungsbegrenzerstruktur zur Verwendung bei der Begrenzung der Leistung eines optischen Signals mit einer Wellenlänge λ, wobei die Struktur einen Wellenleiter aufweist, der einen Kernbereich (3) mit Brechungsindex nc, der auf einer ersten Seite durch einen ersten Umhüllungsbereich (2) aus einem Material mit Brechungsindex ns begrenzt ist, und der auf einer zweiten, entgegengesetzten Seite durch einen zweiten Umhüllungsbereich aus einem Material mit Brechungsindex na begrenzt ist, wobei nc reziprok von der Stärke des optischen Signals bei der Wellenlänge λ abhängt, während ns und na im wesentlichen konstant bleiben, derart, daß bei einer vorgewähiten Schwellenstärke des optischen Signals nc sich ns genügend annähert, um eine signifikante Ausbreitung des optischen Signals in dem ersten Umhüllungsbereich zu ermöglichen, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter aus einem direkten Bandabstandshalbleitermaterial besteht, bei dem die dem Bandabstand äquivalente Wellenlänge des ersten Umhüllungsbereichmaterials kleiner als die dem Bandabstand äquivalente Wellenlänge λc des Kernbereichmaterials ist, wobei diese Materialien so gewählt werden, daß für Wellenlängen λ, die ausreichend größer als λc und λs sind, der Brechungsindex nc von der Signalstärke abhängt, während ns im wesentlichen unabhängig von der Signalstärke ist.

2. Struktur nach Anspruch 1, bei der λ um einen Betrag im Bereich von 10 bis 40 nm einschließlich über λc liegt.

3. Struktur nach Anspruch 1 oder 2, bei der ns um einen Betrag von etwa 1 oder mehr größer als na ist.

4. Struktur nach Anspruch 3, bei der das die zweite Seite des Kernbereichs begrenzende Umhüllungsmaterial Luft ist.

5. Struktur nach einem beliebigen vorhergehenden Anspruch, bei der der Wellenleiter bei der Wellenlänge λ eine transversale Einmodenausbreitung hervorbringt.

6. Struktur nach einem beliebigen vorhergehenden Anspruch, bei der der Umhüllungsbereich auf der vom Kernbereich abgelegenen Seite durch einen dritten Umhüllungsbereich aus einem Material begrenzt ist, das einen Brechungsindex nt und eine dem Bandabstand äquivalente Wellenlänge λt besitzt, wobei nt kleiner als nc ist, und im weseritlichen ns entspricht, und wobei λt größer als λc ist.

7. Struktur nach Anspruch 6, bei der der Kernbereich und die Materialien des ersten und des dritten Umhüllungsbereiches jeweils ein Mehrquantentopfmaterial aufweisen.

8. Optische Leistungsbegrenzerstruktur gemäß einem beliebigen vorhergehenden Anspruch, bei der λ innerhalb von 20 nm der dem Bandabstand äquivalenten Wellenlänge λc des Kernbereichmaterials liegt.

9. Optischer Leistungsbegrenzer, der eine Struktur gemäß einem beliebigen vorhergehenden Anspruch, ein Eingangstor für ein optisches Signal zum Kernbereich, und Einrichtungen zum Erfassen des vom Kernbereich des Wellenleiters kommenden Ausgangssignals aufweist.

10. Begrenzer nach Anspruch 9, der weiter vorbeugende Mittel aufweist, um optische Strahlung, die sich in einem Umhüllungsbereich des Wellenleiters ausbreitet, am Einkoppeln in die Einrichtungen zur Erfassung des vom Kernbereich ausgesandten Ausgangssignals zu hindern.

11. Begrenzer nach Anspruch 10, bei dem die vorbeugenden Mittel absorbierendes Material im Umhüllungsbereich aufweisen.

12. Begrenzer nach Anspruch 10, bei dem die vorbeugenden Mittel einen zweiten Wellenleiter aufweisen, der so angeordnet ist, daß optische Strahlung, die sich im Umhüllungsbereich ausbreitet, von den Einrichtungen zum Erfassen des vom Kernbereich ausgesandten Signals abgelenkt wird.