DE69017415T2

DE69017415T2 - Verfahren und Vorrichtung zur elektrooptischen Modulation unter Benutzung des niederenergetischen schrägen Überganges in einem stark gekoppelten Übergitter.

Info

Publication number: DE69017415T2
Application number: DE69017415T
Authority: DE
Inventors: Michel Allovon; Erwan Bigan; Paul Voisin
Original assignee: France Telecom SA
Current assignee: Orange SA
Priority date: 1989-12-01
Filing date: 1990-11-29
Publication date: 1995-10-05
Anticipated expiration: 2010-11-30
Also published as: EP0436413B1; FR2655433B1; JPH03189615A; CA2031134A1; DE69017415D1; US5073809A; FR2655433A1; EP0436413A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur elektroptishen Modulation. Sie findet besonders Anwendungen in dem Bereich der optischen Telekommunikation, zum Beispiel für die Digitalverbindungen mit hohem Durchsatz und über einen langen Abstand, sowie in dem Bereich der elektro-optischen Kommunikation.
Die Erfindung ist Teil der Techniken zur Modulation der Intensität eines Lichbündels, welche das Phänomen der Elektroabsorption verwendet. Dieses Phänomen, das sich in einem Halbleitermaterial offenbart, besteht in der Variation der optischen Absorption dieses Materials unter dem Einfluß eines elektrischen Feldes.
Dieses letztere wird im Material zum Beispiel mithilfe einer Diode 2 vom Typ PIN Figur 1) oder vom Typ Schottky angelegt, die aufgrund eines geeigneten Hilfsmittels 4 polarisiert ist und in welchem die (nicht absichtlich dotierte) intrinsische Region I das elektro-absorbierende Material enthält.
Bestimmte Techniken verwenden eine Konfiguration des Typs "senkrecht" (Figur 1-A), in welcher das Licht auf die Diode gesendet wird entsprechend deren Wachstumsachse Z. Andere Techniken verwenden eine Konfiguration des Typs "leitungsgebundene Wellen" (Figur 1-B), in welcher das Licht in die intrinsische Region I eingeführt wird, parallel zur Ebene der Scrichten P, I und N.
Gegenüber der Konfiguration des Typs "Senkrecht" ermöglicht es diese Konfiguraticn des Typs "leitungsgebundene Wellen", die Länge des Einwirkens zu erhöhen, auf welche das Licht durch das Halbleitermaterial absorbiert wird, wobei sich der Hauptteil des leitungsgebundenen Lichts in der Region I befindet.
Die verschiedenen Techniken zur Modulation der Intensität eines Lichtbündels, welche eine Konfiguration vom Typ "leitungsgebundene Wellen" verwenden, unterscheiden sich in dem physikalischen Effekt, der eingesetzt wird, um die Variation der der optischen Absorption unter dem Einflub eines elektrischen Feldes zu erhalten.
Bis jetzt sind drei physikalische Effekte vorgeschlagen worden: der Franz-Keldysh-Effekt, der quantitativ begrenzte Stark- Effekt und der Effekt der Blau-Verschiebung ("blue-shift"), der Absorptionsschwelle in den stark gekoppelten Übergittern.
Der Franz-Keldysh-Effekt ist eine Rot-Verschiebung ("red- shift") der Absortpionsschwelle eines massiven Halbleitermaterials in Anwesenheit eines elektrischen Feldes.
Man sieht in Figur 2-A das Valenzband BV und das Leitungsband BC des Halbleitermaterials, die in Abwesenheit eines elektrischen Feldes (E=0) durch ein verbotenes Band BI der Breite Eg getrennt sind.
Man sieht in Figur 2-B, daß das Anlegen eines elektrischen Feldes an das Halbleitermaterial (E≠0) die Periodizität des Materials in Richtung dieses Feldes bricht, der Periodizität, welche die verbotenen Bande erzeugt.
Diese Störung der Periodizität macht die Anwesenheit von Elektronen und von Löchern in dem "ex-verbotenen" Band möglich, in welchem die Wahrscheinlichkeitsdichte der Anwesenheit von Elektronen De und die Dichte der Wahrscheinlichkeit der Anwesenheit von Löchern Dt nicht null sind.
Es erscheint also eine Möglichkeit von Übergängen um eine Energie EfK kleiner Eg, was einer Rot-Verschiebung der Absorptionsschwelle entspricht.
Dies ist schematisch in Figur 3 beschrieben, wo man das Absorptionssprektrum eines massiven Halbleitermaterials (Kurve der Veränderungen der optischen Absorption a in Abhängigkeit von der Wellenlänge l) in Anwesenheit eines elektrischen Feldes (E≠0) und in Abwesenheit eines elektrischen Feldes (E=0) sieht.
Diese Rotverscriebung ermöglicht es, Absorptionsänderungen da (typischerweise in der Größenordnung von 100 cm&supmin;¹ für eine elektrische Spannung von 5 V, angelegt auf eine Dicke von 0,5 Mikrometer) in einem Wellenlängenbereich zu erhalten, wo das Material durchlässig ist, und also einen Modulator zu realisieren, der bei der in Figur 3 angegebenen Wellenlänge lo funktioniert.
Ein Ausführungsbeispiel eines Modulators, der den Franz- Keldysh-Effekt in einer Konfiguration des Typs "leitungsgebundene Wellen" verwendet, ist in dem Artikel von Y. NODA et al. gegeben, veröffentlicht in IEEE Journal of Lightwave Technology, Vol. LT-4, Nr. 10, Oktober 1986, S. 1445 bis 1453.
Der quantitativ begrenzte Stark-Effekt ist ein Effekt der Rot-Verschiebung der Absorptionsschwelle einer Struktur mit mehrfachen Quantenschächten ("muliple quantum-well structure").
Zur Vereinfachung hat man in Figur 4 die Bandstruktur eines Quantenschachts in Abwesenheit eines elektrischen Feldes (Figur 4-A) und in Anwesenheit eines elektrischen Feldes (Figur 4-B) dargestellt.
Man sieht in Figur 4-A, daß bei Abwesenheit eines elektrischen Feldes das Grundniveau der Energie Ee der Elektronen und das Grundniveau der Energie Et der Löcher durch eine Energie Ee-t getrennt sind.
In Anwesenheit eines elektrischen Feldes (Figur 4-B) verschieben sich diese Energieniveaus in den Quantenschächten und die Übergangsenergie Elektron-Loch (Ee-t) wird um eine Größe dE verringert. woraus eine Rotverschiebung des Absorptionsspektrums entsteht.
Dies ist schematisch in Figur 5 dargestellt, wo man das Absorptionsspektrum einer Struktur mit mehrfachen Ouantenschächten sieht, in Anwesenheit eines elektrischen Feldes (E≠0) und in Abwesenheit eines elektrischen Feldes (E=0,).
Das Absorptionsspektrum dieser Struktur mit mehrfachen Quantenschächten hat einen Treppenstufen-Verlauf, an den sich die excitonischen Absorptionspeaks anfügen, deren Ursprung die wasserstoffähnliche Wechselwirkung Elektron-Loch ist. Die Einheit des Spektrums verschiebt sich durch den quantitativ begrenzten Stark-Effekt zu rot.
Man kann also sehr große Absorptionsänderungen da erhalten in dem Bereich der Wellenlängen, in dem die Struktur durchlässig ist (typischerweise in der Größenordnung von 1000 cm&supmin;¹ für eine elektrische Spannung von 5 V, die bei einer Dicke von 0,5 Mikrometer angelegt wird).
Ein Ausführungsbeispiel eines Modulators, der den quantitativ begrenzten Stark-Effekt in einer Konfiguration "leitungsgebundener Wellen" verwendet, ist in dem Artikel von K. WAKITA et al. gegeben, veröffentlicht in Electronics Letters, 13 Oktober 1988, Vol. 24, Nr. 21, S. 1324 und 1325.
Der Effekt der Blauverschiebung der Absorptionsschwelle in den stark gekoppelten Übergittern ist in dem Artikel von J. BLEUSE, G. BASTARD und P. NOISIN beschrieben, veröffentlicht in Phys. Rev. Lett., Vol. 60, Nr. 3, 18. Januar 1988, S. 220 bis 223, in dem Artikel von J. BLEUSE, P. VOISIN, M. ALLOVON und M QUILLEC, veröffentlicht in Applied Physics Letters 53(26), 26. Dezember 1988, S. 2632 bis 2634, und in der französischen Patentanmeldung Nr 8616576 vom 27. November 1986, auf welche man sich beziehen wird.
Man erinnert sich, daß eine Struktur mit mehrfachen Quantenschächten eine Folge von Potential-Schächten und -Wällen ist, in welcher die Dicke der Wälle ausreichend hoch ist, damit die Schächte nicht untereinander gekoppelt sind.
Im Gegensatz dazu ist ein stark gekoppeltes Übergitter eine Folge von Potential-Schächten und Wällen, in welcher die entsprechenden Dicken der Schächte und der Wälle sehr gering sind, so daß die Schächte untereinander durch den Tunnelresonanzeffekt stark gekoppelt sind.
Diese starke Kopplung zieht die Erzeugung von Minienergiebanden in der Breite dEe und dEt (Figur 6-B) nach sich, entsprechend um quantifizierte Energieniveaus von Elektronen und Löchern, die die Schächte ohne Kopplung darstellen könnten (Figur 6-A).
Man erinnert sich dabei, daß ein stark gekoppeltes Übergitter so ist, wie:
dEe + dEt ≥ 10 meV.
Durch Anlegen eines schwachen elektrischen Feldes auf ein Übergitter entlang der Wachstumsrichtung dieses Übergitters, bricht man die Kopplung (es gibt eine Unterdrückung des Tunnelresonanzeffekts) und die Absorptionsschwelle verschiebt sich zu den hohen Energien (das heißt zu blau) um einen Wert gleich der halben Summe der entsprechenden Breiten der Minibanden der Elektronen und Löcher.
Daher geht die Energie dieser Schwelle von einem Wert Es auf einen Wert Ee-t über wie:
Ee-t = Es + ((dEe+dEt)/2).
Man erinnert sich danach an drei wesentliche Parameter, um die Hochleistungen einer Modulationsvorrichtung der Intensität eines Lichtbündels zu schätzen. Diese Parameter sind der Extinktionsgrad, die Dämpfung des Durchlaßzustands ("on") und die Spannung zur Steuerung der Vorrichtung.
Der Extinktionsgrad ist das Verhältnis der Lichtintensität, die den Modulator im Durchlaßzustand verläßt, zur Lichtintensität, die den Modulator im ausgeschalteten Zustand ("off") verläßt. Dieser Extinktionsgrad kann in % oder in dB ausgedrückt werden. Er muß der höchst mögliche sein (typischerweise in der Größenordnung von 20 dB). Er ist direkt mit der Absorptionsänderung verbunden.
Die Dämpfung im Durchlaßzustand ist das Verhältnis der Lichtintensität, die den Modulator im Durchlaßzustand verläßt, zur Lichtintensität, die in den Modulator eintritt. Diese Dämpfung im Durchlaßzustand kann in dB ausgedrückt werden. Sie muß die geringst mögliche sein (typischerweise kleiner oder gleich ungefähr 3 dB). Sie ist direkt mit der Restabsorption im Bereich der Wellenlängen verbunden, wo das elektro-absorbierende Material des Modulators durchlässig ist.
Die Spannung zur Steuerung der Vorrichtung muß auch so gering wie möglich sein. Sie ist direkt mit dem elektrischen Feld verbunden, das an dem elektro-absorbierenden Material anzulegen ist, das die Vorrichtung umfaßt.
Gegenüber diesen drei Parametern weisen die Techniken, die entsprechend die drei weiter oben erwähnten Effekte verwenden, die folgenden Nachteile auf:
Die Modulatoren, die den Franz-Keldysh-Effekt verwenden, und die Modulatoren, die den quantitativ begrenzten Stark-Effekt verwenden, benötigen das Anlegen von starken elektrischen Feldern, typischerweise in der Größenordhung von 10 V pro Mikrometer, sowie eine Spannung von 5 V, die bei einer Dicke von 0,5 Mikrometern angelegt wird. Solche Steuerspannungen ziehen eine hohe Energieverschwendung nach sich im Fall einer schnellen Modulation (Frequenzen von einigen GHz).
Die Modulatoren, welche den Effekt der Blauverschiebung verwenden, weisen eine große Dämpfung beim Durchlaßzustand auf (das heißt, wenn das elektrische Feld nicht null ist). Dies berüht auf zwei Gründen:
- der Betriebspunkt eines Modulators dieser Art befindet sich bei einer Wellenlänge sehr nahe der Absorptionsschwelle; die Verbreiterungen, die mit der Temperatur und den Ungenauigkeiten des Übergitters zusammenhängen, lassen ein Absorptionsende auftreten, das sich bei den niedrigeren Energien befindet und wo die Effekte auf die Nachbarschaft der Absorptionsschwelle groß sind;
- gleichzeitig zur Blauverschiebung tritt eine "Quer" Verschiebung bei niedriger Energie auf, die man in der weiter unten beschriebenen Figur 8 dargestellt hat.
Es ist daher auf Seite 1551, linke Spalte, Zeilen 6 bis 11 des Artikels von R. H. YAN et al., veröffentlicht in Applied Physics Letters 54(16), 17. April 1989, S. 1549 bis 1551 angezeigt, daß diese Dämpfung im Durchlaßzustand sehr hoch ist.
Die vorliegende Erfindung strebt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Modulation der Intensität eines Lichtbündels an, die nicht die vorhergehenden Nächteile haben und die gleichzeitig einen erhöhten Extinktionsgrad (zum Beispiel in der Größenordnung von 20 dB) aufweisen, eine geringe Spannung zur Steuerung (zum Beispiel in der Größenordnung von 1V) und eine geringe Dämpfung im Durchlaßzustand (zum Beispiel in der Größenordnung von 3 dB).
Zu diesem Zweck werwendet die vorliegende Erfindung eines der Phänomene, die die Dämpfung im Durchlaßzustand im Fall der Blauverschiebung aufheben, nämlich das Auftreten des niederenergetischen schrägen Übergangs (das heißt bei großer Wellenlänge).
Genauer gesagt betrifft die vorliegende Erfindung zuerst ein Verfahren zur Intensitätsmodulation eines Lichtbündels gemäß Anspruch 1.
In der vorliegenden Erfindung, in der eine Arbeitswellenlänge l1 gegeben ist (Wellenlänge des Lichtbündels, das man modulieren will), verwendet man also ein stark gekoppeltes Übergitter, dessen Absorptionsfront bei Abwesenheit des elektrischen Feldes sich bei einer Wellenlänge kleiner l1 befindet; das Übergitter ist also durchlässig bei dieser Wellenlänge l1 bei Abwesenheit des elektrischen Feldes.
Im Gegensatz dacu verwendet man bei der Modulationstechnik, die eine Blauverschiebung verwendet, bei der eine Arbeitswellenlänge lo gegeben ist, ein Übergitter, dessen Absorptionsfront bei Abwesenheit des elektrischen Feldes sich bei einer Wellenlänge größer lo befindet; das Übergitter ist also lichtundurchlässig bei dieser Wellenlänge lo bei Abwesenheit eines elektrischen Feldes.
Unter einem "geringen elektrischen Feld" versteht man ein elektrisches Feld E, so wie die Menge
wobei e die elektrische Elementarladung ist und D die Summe der Breite eines Schachts und der Breite eines Walls, die nicht ungefähr 1 überschreitet.
Die Dicke des Übergitters und die Steuerspannung können also entsprechend in der Größenordnung von 0,5 Mikrometern und in der Größenordnung von 1 V sein.
Gemäß einer besonderen Verwendungsweise des Verfahrens, das die Erfindung betrifft, ist das Übergitter in dem Kern einer leitungsgebundenen Lichtwelle enthalten, wobei diese leitungsgebundene Lichtwelle zwei Schichten umfasst, zwischen welchen sich der Kern befindet und deren optische Indizes entsprechend kleiner sind als der optische Index des Übergitters.
Die Länge der leitungsgebundenen Welle wird in Abhängigkeit von den Notwendigkeiten gewahlt (unter anderem: Extinktionsgrad und Dämpfung im gewünschten Durchlaßzustand). Sie ist durch Teilung einstellbar.
Der Wellenleiter kann eine Diode des Typs PIN sein, die man polarisiert, deren intrinsische Region I das Übergitter enthält und dessen Regionen P und N optische Indizes kleiner dem optischen Index des Übergitters haben.
Mit einem Lichtbündel, dessen Wellenlänge in der Größenordnung von 1,5 Mikrometern ist, kann man zum Beispiel ein Übergitter verwenden, das aus der abwechselnden Stapelung von GaInAs- und AlInAs-Schichten stammt, oder aus der abwechselnden Stapelung von GaInAs- und InP-Schichten.
Mit einem Lichtbündel, dessen Wellenlänge in der Größenordnung von 0,8 Mikrometer ist, kann man zum Beispiel ein Übergitter verwenden, das aus der abwechselnden Stapelung von GaAs- und GaAlAs- Schichten stammt.
Natürlich ist es für andere Spektralfenster möglich, andere Halbleitermaterialien zu finden, um Übergitter herzustellen, welche den Einsatz der Erfindung ermöglichen.
Die Erfindung betrifft ebenso eine Vorrichtung zur Modulation der Intensität eines Lichtbündels gemaß Anspruch 8.
Die vorliegende Erfindung wird besser erfaßt bei der Lektüre der Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die nachfolgend rein anzeigend und keineswegs beschränkend bezüglich den angefügten Zeichnungen gegeben werden, auf welchen:
- Figur 1 schematisch eine Diode vom Typ PIN darstellt, deren intrinsische Region I ein elektro-absorbierendes Material enthält, das mit einem Lichtbündel in einer Konfiguration des Typs "senkrecht" (A) zusammenarbeitet und in einer Konfiguration des Typs "leitungsgebundene Wellen" (B), und schon beschrieben wurde,
- Figur 2 schematisch die Bandstruktur eines massiven Halbleitermaterials in Abwesenheit eines elektrischen Feldes (A) und in Anwesenheit eines elektrischen Feldes (B) abbildet, und schon beschrieben worden ist,
- Figur 3 das Absorptionsspektrum eines Halbleitermaterials in Abwesenheit eines elektrischen Feldes (E=0) und in Anwesenheit eines elektrischen Feldes (E≠0) darstellt, und schon beschrieben worden ist,
- Figur 4 die Bandstruktur von Quantenschächten in Abwesenheit eines elektrischen Feldes (A) und in Anwesenheit eines elektrischen Feldes (B) darstellt, und schon beschrieben worden ist,
- Figur 5 stellt das Absorptionsspektrum einer Struktur mit Quantenschächten in Abwesenheit eines elektrischen Feldes (E=0) und in Anwesenheit eines elektrischen Feldes (E≠0) dar, und ist schon beschrieben worden,
- Figur 6 stellt die entsprechenden Bandstrukturen eines isolierten Quantenschachts (A) und eines stark gekoppelten Übergitters (B) dar, und ist schon beschrieben worden,
- Figur 7 stellt die Bandstruktur eines stark gekoppelten Übergitters in Anwesenheit eines schwachen elektrischen Feldes dar, das in Wachstumsrichtung des Übergitters ausgerichtet ist,
- Figur 8 stellt das Absorptionsspektrum eines stark gekoppelten Übergitters in Abwesenheit eines elektrischen Feldes (E=0) und in Anwesenheit eines geringen elektrischen Feldes (E≠0) dar,
- Figur 9 bildet schematisch eine Modulationsvorrichtung gemaß der Erfindung (A) ab, wobei diese Vorrichtung eine Diode PIN umfaßt und ebenso das entsprechende Profil des optischen Indexes (B- I) und das Profil der Intensität des leitungsgebundenen Lichts durch die Zone I der PIN-Diode (B-II) zeigt, und
- Figur 10 stellt die Veränderungen der Lichtintensität Is am Ausgang einer Vorrichtung von der Art derjenigen in Figur 9 dar, in Abhängigkeit von der inversen Polarisationsspannung V, die an diese letztere angelegt wird.
In Figur 7 hat man die Bandstruktur eines stark gekoppelten Übergitters in Anwesenneit eines schwachen elektrischen Feldes dargestellt, das entlang der Wachstumsrichtung des Übergitters angelegt wird. Dieses letztere hat zum Beispiel eine Dicke in der Größenordnung von 0,5 Mikrometern und es unterliegt einer Spannung von 1 V, und ist fahig, das elektrische Feld zu erzeugen.
Das Anlegen des elektrischen Feldes zieht eine Blauverschiebung der Absorptionsschwelle des Übergitters nach sich. Gleichzeitig treten schräge Übergange zwischen den benachbarten Quantenschächten auf bei höherer Energie (E&sbplus;&sub1;) und bei niedrigerer Energie (E&submin;&sub1;) als der Grundüberganc E&sub0;) des Übergitters.
Man sieht in Figur auch die Wahrscheinlichkeitsdichten der entsprechenden Anwesenneit De und Dt der Elektronen und Löchern, welche diese schrägen Übergänge zulassen.
Das Absorptionsspektrum des Übergitters (Veränderung des Absorptionskoeffizienten a in Abhängigkeit von der Wellenlänge l) ist in Figur 8 dargestellt, in Abwesenheit des elektrischen Feldes (E=0) und in Anwesenheit des elektrischen Feldes (E≠0).
Man sieht in dieser Figur 8 den schrägen Übergang bei hoher Energie TH und den schrägen Übergang bei niedriger Energie TB, der in Anwesenheit eines schwachen elektrischen Feldes auftritt.
Gemaß der vorliegenden Erfindung, verwendet man, um eine Vorrichtung zur Modulation (oder einen Modulator) der Lichtintensität auszuführen, ebenso elektro-absorbierendes Material, ein stark gekoppeltes Übergitter und man läßt mit diesem letzteren ein Lichtbündel reagieren in einer Konfiguration des Typs "leitungsgebundene Wellen".
Zu diesem Zweck kann man einen Wellenleiter bauen, dessen Kern das Übergitter enthält, wobei dieses letztere so ausgeführt wird, daß die Wellenlänge lf, entsprechend der Absorptionsfront des Übergitters in Abwesenheit des elektrischen Feldes, kleiner ist als die Wellenlänge l1 des Lichtbündels (Betriebs-Wellenlänge), und außerdem, daß das entsprechende Wellenlängen-Intervall bei dem niederenergetischen schrägen Übergang, das geeignet ist, sich in dem Übergitter zu erzeugen, l1 enthält.
Die Betriebs-Wellenlänge ist also in dem Transparenz- Bereich des Übergitters im Ruhezustand, das heißt, in Abwesenheit eines elektrischen Feldes.
Durch Anlegen eines geringen elektrischen Feldes, entlang der Wachstumsrichtung des Übergitters, erscheint der Übergang bei niedriger Energie und macht das Übergitter undurchlässig für die Betriebs-Wellenlänge l1.
Die Absorptionsvariationen, die durch das Auftreten des schrägen Übergangs bei niedriger Energie erhalten werden, sind relativ gering (einige Hundert cm&supmin;¹). Sie sind besonders geringer als diejenigen, die erhalten werden durch den quantitativ begrenzten Stark- Effekt oder durch Blauverschiebung. Dennoch weisen sie mehrere Vorteile auf:
- Sie treten in einer Region auf, wo die Absorption im Übergangszustand sehr gering ist. Unter Verwendung einer angemessenen Länge des Wellenleiters, kann man also einen guten Extinktionsgrad erhalten, und dabei eine geringe Dämpfung im Durchlaßzustand behalten.
- Sie treten für die geringen elektrischen Felder auf und also für die geringen Steuer-Spannungen (typischerweise 1 V, angelegt bei einer Dicke von 0,5 Mikrometern).
- Sie ermöglichen einen Betrieb in einem entsprechend breiten Spektralbereich und ermöglichen folglich eine weite Toleranz der Modulatorenherstellung gemäß der Erfindung sowie eine vereinfachte Optimierung solcher Modulatoren.
Die Verwendung eines stark gekoppelten Übergitters mit einer Konfiguration des Typs "leitungsgebundene Wellen" ermöglicht es also, einen Modulator der Lichtintensität auszuführen, der den niderenergetischen schrägen Übergang verwendet und die gleichzeitig folgenden Kennzeichen aufweist: erhöhter Extinktionsgrad, geringe Dämpfung im Durchlaßzustand und geringe Steuerspannung.
Die Halbleitermaterialien und die entsprechenden Techniken des Wachstums, die es ermöglichen eine Modulationsvorrichtung gemäß der Erfindung auszuführen, werden in Abhängigkeit von der gewünschten Betriebs-Wellenlänge gewahlt.
Als rein aufzeigendes und keineswegs beschränkendes Beispiel für einen Betrieb um 0,8 Mikrometer ist das gewählte Materialsystem (Schacht/Wall) zum Beispiel das System (GaAs/GaAlAs) der Molekularstrahl-Epitaxie (MBE) oder der Epitaxie durch metallorganisches Wachstum in Dampfphase (MOCVD) auf einem GaAs-Sübstrat; und für einen Betrieb in den Spektralfenstern, die entsprechend um 1,3 Mikrometer und 1,5 Mikrometer angeordnet sind, kann man zum Beispiel das System (GaInAs/InP) der MOCVD-Epitaxie auf einem Sübstrat aus InP wählen, oder aber das System (GaInAs/AlInAs) der MBE-Epitaxie auf einem Sübstrat aus InP.
In allen Fällen kann man die erhaltene Komponente optimieren, für einen Betrieb bei einer gegebenen Wellenlänge, durch eine angemessene Wahl der Dicken und Bestandteile der Schächte und Wälle.
Man gibt anschließend ein Beispiel eines Modulators gemaß der Erfindung, ausgeführt In dem System (GaInAs/AlInAs).
Das Schema der Epitaxie-Struktur dieses Modulators, das Profil des optischen Indexes entsprechend dieser Struktur und das Profil der Lichtintensität der leitungsgebundenen Welle sind in Figur 9 entsprechend in A, B-I und B-II dargestellt.
Der Modulator gemaß der Erfindung, der schematisch in Figur 9-A dargestellt ist, umfaßt eine Diode 5 des Typs PIN, die durch Epitaxie erhalten wird und deren intrinsische Region I ein stark gekoppeltes Übergitter 10 umfaßt, das mit dem System (GaInAs/AlInAs) ausgeführt wurde.
Die Region N der Diode umfaßt ein Sübstrat 6 aus InP-n&spplus;, dessen Dicke zum Beispiel 80 Mikrometer hat, und auf diesem Sübstrat eine Zwischenschicht 8 aus AlInAs-n von 0,1 Mikrometer Dicke hat.
Das Übergitter In der Diode 5 hat den höchsten optischen Index und umfaßt 10 Schichten aus GaInAs, die nicht absichtlich dotiert sind, jede von 6 nm Dicke, die mit 10 Schichten AlInAs abwechseln, die nicht absichtlich dotiert sind, jede von 1,5 nm Dicke.
Die Region I umfaßt auch zwei identische Multischichten 12 und 14, zwischen welchen das Übergitter angeordnet ist und deren optischer Index kleiner ist als der des Übergitters, aber größer als die der Regionen N und P, wobei diese letzteren identische Indizes haben.
Jede der Multischichten 12 und 14 umfaßt 12 Schichten GaInAs, die nicht absichtlich dotiert sind, jede von 2,7 nm Dicke, die sich mit 12 Schichten ALInAs abwechseln, die nicht absichtlich dotiert sind, jede von 3,7 in Dicke.
Die Region P der Diode umfaßt eine Hüllschicht 16 aus AlInaS-p von 2 Mikrometer Dicke. Die Region P umfaßt außerdem, auf der Schicht 16, eine Kontaktschicht 18 aus GaInAs-p+ von 0,1 Mikrometer Dicke.
Man hat in Figur 9-A die Richtung Z des Wachstums des Übergitters angezeigt. Diese Richtung Z ist senkrecht zur Ebene der Schichten des Übergitters.
Metallische Schichten 20 und 22, zum Beispiel aus Gold sind entsprechend auf der freien Fläche des Sübstrats 6 abgeschieden und auf der freien Fläche der Schicht 18. Geeignete Steuergeräte 24 sind vorgesehen, um zwischen den, durch die metallischen Schichten 20 und 22 gebildeten Elektroden, eine variable elektrischen Spannung v anzulegen.
In der Diode 5 ist das elektrische Feld in der nicht absichtlich dotierten Region I nicht Null, wenn v=0, aber gleich dem selbstgebildeten elektrischen Feld. Es wird Null für eine Polarisationsspannung v1, hier gleich -0,5 V. Ein geringes Feld, parallel zu Z, wird auf die Region I angelegt, indem man die Spannung v von v1=-0,5 V bis v2= +0,5 V variieren läßt, was einer Abweichung von 1 V entspricht. Durch Vereinbarung werden die Polarisationsspannungen positiv gezählt in dem inversen Bereich der Diode.
In dem Bereich des Übergangs der digitalen Signale in optische Form, sind Geräte 24 vorgesehen, um v von v1 auf v2 übergehen zu lassen und umgekehrt.
Die in Figur 9-A dargestellte Struktur ist an die Modulation eines linear polarisierten Lichtbündels 26 in der Ebene der Schichten angepaßt (Betrieb TE), dessen Wellenlänge in der Größenordnung von 1,5 Mikrometern ist. Dieses Bündel 26 wird durch ein geeignetes Gerät hergestellt, zum Beispiel eine Laser-Diode (nicht dargestellt), und senkrecht zur Richtung Z und zum Niveau des Übergitters 10 eingeführt, an einer der Seiten der Diode 5, einer Seite, die parallel zu dieser Richtung Z ist, so daß das Maximum der eingeführten Lichtintensität sich im Niveau dieses Übergitters befindet (Figur 9-B-II).
Wenn v gleich v1 ist, ist das Übergitter durchlässig und das eingestrahlte Licht durchläuft es mit einer sehr geringen Absorption. Im Gegensatz dazu wird das Übergitter undurchlässig, wenn v gleich v2 ist.
Die beiden Schichten 12 und 14 ermöglichen hier das Erhöhen der optischen Hülle, das heißt des Prozentsatzes der Lichtenergie, die in dem Übergitter enthalten ist, in der Konfiguration "leitungsgebundene Wellen".
Doch das (elektro-absorbierende) Übergitter könnte auch gut die ganze intrinsische Region I besetzen und die Schichten 12 und 14 wären dann unterdrückt.
Man hat ebene Wellenleiter in Form von Streifen mit einer Breite von 100 Mikrometern ausgeführt, indem man eine massive PIN- Struktur bis auf des Sübstrat graviert, von der Art wie in Figur 9-A. Elektroden wurden dann an der Seite P und der Seite N abgeschieden. Dies hat es ermöglicht, durch Teilen in mehrere Exemplare, einen Wellenleiter einer Länge von 560 Mikrometer zu erhalten.
Die Kennzeichen dieses verwendeten Wellenleiters sowie die Modulationsvorrichtung sind in Figur 10 gegeben, wo man die Kurve der Anderungen der Lichtintensitäten Is am Ausgang dieser Vorrichtung sieht, ausgedrückt in willkürlichen Einheiten, in Abhängigkeit von der inversen Spannung V, die man an die PIN-Diode der Vorrichtung anlegt, um diese Diode zu polarisieren.
Ein Extinktionsgrad von 20 dB (99%) wurde erhalten mit einem linear polarisierten Lichtbündel in der Ebene der Schichten des Übergitters (TE), einer Wellenlänge gleich 1,55 Mikrometern, und einer elektrischen Steuerspannung gleich 1 V. Die Dämpfung im Durchlaßzustand, die andererseits gemessen wurde, ist kleiner 3 aB.
Äußere Leiter-Streifen (an der zweidimensionalen Hülle) können leicht erhalten werden, indem man die Breite der Streifen verringert, die man graviert hat.

Claims

1. Verfahren zur Modulation der Intensität eines Lichtbündeis, wobei dieses Verfahren

- die Injektion des Lichbündels in ein elektroabsorbierendes Halbleiterelement und

- das Anlegen an dieses Element eines elektrischen Feldes umfaßt, dessen Amplitude man im Verlauf der Zeit variieren läßt, um die Intensität des Lichbündels variieren zu lassen, wobei das elektroabsorbierende Element ein stark gekoppeltes Übergitter (10) umfaßt, dessen Schichten in einer Richtung (Z), welche die Wachstumsrichtung des Übergitters darstellt, übereinandergeschichtet sind,

wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß das Lichtbündel in das Übergitter parallel zur Ebene der Schichten dieses Übergitters injiziert wird, daß letzteres dazu vorgesehen ist, das so injizierte Lichtbündel zu führen, daß das elektrische Feld schwach ist und in Wachstumsrichtung des Übergitters angelegt ist, was zum Auftreten einer Absorption in einem Wellenlängenbereich führt, in dem das Übergitter in Abwesenheit eines elektrischen Feldes transparent ist, wobei genannte Absorption durch einen niederenergetischen schrägen Übergang in dem Übergitter erzeugt wird, und daß das Übergitter (10) derart gewählt ist, daß die Wellenlänge (l1) des Lichbündels in diesem Bereich enthalten ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Übergitters von der Größenordnung 0,5 um ist und daß das elektrische Feld für eine Steuerspannung des Elernents von der Größenordnung 1 V erhalten wird.

3. Verfahren nach einem dem Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Übergitter (10) in dem Kern (I) eines Wellenleiters für Lichtwellen enthalten ist, wobei dieser Wellenleiter zwei Schichten (P, N) umfaßt, zwischen denen sich der Kern befindet und deren jeweilige optische Indizes kleiner sind als der optische Index des Übergitters (10).

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter eine Diode vom PIN-Typ ist, die man polarisiert, deren eigenleitende Zone I das Übergitter enthält und deren P- und N-Zonen optische Indizes haben, die kleiner sind als der optische Index des Übergitters (10).

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge des Lichtbündels von der Größenordnung 1,5 um ist und daß das Übergitter eine Aufschichtung von sich abwechselnden Schichten von GaInAs und von AlInAs ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge des Lichtbündels von der Größenordnung 1,5 um ist und daß das Übergitter eine Aufschichtung von sich abwechselnden Schichten von GaInAs und von InP ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge des Lichbündels von der Größenordnung 0,8 um ist und daß das Übergitter eine Aufschichtung von sich abwechselnden Schichten von GaAs und von GaAlAs ist.

8. Vorrichtung zur Modulation der Intensität eines Lichbündels, wobei diese Vorrichtung

- ein elektroabsorbierendes Halbleiterelement, das dazu bestimmt ist, das Lichtbündel zu empfangen, und

- Steuerungseinrichtungen (24) umfaßt, die vorgesehen sind, um an dieses Element eine elektrische Spannung anzulegen und um die Amplitude der Spannung im Verlauf der Zeit variieren zu lassen, um die Intensität des Lichtbündels variieren zu lassen, wobei das elektroabsorbierende Element ein stark gekoppeltes Übergitter (10) umfaßt, dessen Schichten in einer Richtung (Z), welche die Wachstumsrichtung des Übergitters darstellt, übereinandergeschichtet sind,

wobei die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß das Übergitter dazu vorgesehen ist, das Lichtbündel, wenn es in das Übergitter parallel zur Ebene der Schichten dieses Übergitters injiziert wird, zu führen, und daß die Steuerungseinrichtungen (24) dazu vorgesehen sind, eine elektrische Spannung anzulegen, die in dem Übergitter ein schwaches und zur Wachstumsrichtung des Übergitters paralleles elektrisches Feld erzeugt, was zum Auftreten einer Absorption in einem Wellenlängenbereich führt, in dem das Übergitter in Abwesenheit eines elektrischen Feldes transparent ist, wobei genannte Absorption durch einen niederenergetischen schrägen Übergang in dem Übergitter derart erzeugt wird, daß die Intensität eines Lichtbündels, dessen Wellenlänge (l1) in diesem Bereich enthalten ist, moduliert werden kann.