DE69026855T2

DE69026855T2 - Fabry-Perot-Modulator

Info

Publication number: DE69026855T2
Application number: DE69026855T
Authority: DE
Inventors: Mark Whitehead
Original assignee: British Telecommunications PLC
Current assignee: British Telecommunications PLC
Priority date: 1989-02-23
Filing date: 1990-02-22
Publication date: 1996-10-02
Anticipated expiration: 2010-02-23
Also published as: ATE137870T1; EP0384764A1; KR920701859A; DE69026855D1; IE62589B1; IE900642L; JP2837265B2; WO1990010246A1; KR0167086B1; AU5105590A; CA2047196C; AU634212B2; CA2047196A1; GB8904185D0; EP0384764B1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf Fabry-Perot-Modulatoren und insbesondere, aber nicht ausschließlich auf solche mit einem Multiple-Quantum-Well-Modulator.
Seit der ersten Beobachtung des Effekts elektrischer Felder auf die optischen Eigenschaften von GaAs-AlGaAs- Multiple-Quantum-Well (MQW) -Strukturen wurden mehrere optoelektronische Vorrichtungen beschrieben, welche ihre verbesserten elektro-absorptiven Eigenschaften ausnutzen, z.B. schnelle Intensitätsmodulatoren und optische logische Hybridelemente, beide bistabil und nichtbistabil. Bei diesen Vorrichtungen wird eine MQW-Schicht verwendet, die epitaktisch als intrinsischer Bereich einer pin-Diode aufwachsen gelassen wird, die als ein elektro-absorptiver Modulator und gleichzeitig effizienter Photodetektor arbeiten kann.
Ein Kontrastverhältnis (ein:aus) von ca. 2:1 wurde bei Vorrichtungen mit nur ca. 1 µm MQW-Absorber beobachtet, gewöhnlich bestehend aus Well und Barriere, ca. 100 Å dick. Dies ist unter Berücksichtigung der Vorrichtungsgröße sehr effizient, aber ein besseres Kontrastverhältnis ist erstrebenswert. Mit "Kontrastverhältnis" ist das Verhältnis von hohem:niedrigem Ausgangsstatus gemeint, unabhängig davon, ob die Vorrichtung mit angelegter Vorspannung ein- oder ausschaltet. "Modulation" ist die absolute Änderung des Zustands, welcher ausgedrückt als Reflexion oder Transmission nur zwischen 0 und 1 liegen kann.
Es scheint zunächst offensichtlich einfach zu sein, die Dicke der MQW-Schicht zu vergrößern, um bessere Modulationsdaten zu erhalten. Jedoch wird die Situation kompliziert durch den Hintergrunddotierungspegel dieser Schicht, welche bis jetzt einen unteren Grenzwert von ca. 1 x 10¹&sup5; cm&supmin;³ beim besten verfügbaren Material hat und gewöhnlich das Zwei- oder Dreifache dieses Wertes beträgt. Dieses bedeutet einen signifikanten Abfall des elektrischen Feldes über den intrinsischen Bereich der pin-Vorrichtung, was die Absorptionskante des MQW-Materials selbst bei Vorspannung Null verbreitert und darüber hinaus eine andere Rotverschiebung der exzitonischen Absorption in jedem Well bewirkt, wenn eine externe Vorspannung an die Vorrichtung zur Modulation angelegt wird. Mit Steigerung der Vorspannung verschlechtert sich die Verbreiterung der Absorptionskante aufgrund der in etwa parabolischen Abhängigkeit der Kantenverschiebung vom angelegten Feld. So kann anstelle der Erzeugung einer größeren Änderung in der Intensität des transmittierten oder reflektierten Lichtstrahls die Vergrößerung der Dicke der absorbierenden Schicht unter Umständen nur zur Verteilung der Absorptionsänderungen über einen weiteren Spektralbereich führen und die Modulation bei der Betriebswellenlänge relativ unberührt lassen.
Optimierungsberechnungen haben gezeigt, daß bei einer Restdotierung von 2 x 10¹&sup5; cm&supmin;³ es am besten ist, etwa 45 Wells von 100 Å GaAs zu verwenden, die durch Barrieren von 100 Å A1&sub0;,&sub3;Ga&sub0;,&sub7;As getrennt sind, wodurch eine Grenze von etwa 1 µm für die Gesamtdicke gegeben wird.
Ein zweites Problem bei der Vergrößerung der MQW-Dicke ist die zusätzliche Vorspannung, die erforderlich ist für eine gegebene Änderung bei der Absorption. Dies wäre ebenso der Hauptnachteil bei Verwendung schmalerer Quantum-Wells, z.B. 60 Å, wo Absorptionsänderungen wegen der gesteigerten exzitonen Oszillatorstärke bei Vorspannung Null bei der Absorptionskante und dem größeren Widerstand des Exzitons gegenüber feldinduzierter Verbreiterung viel größer sein können, aber die Verschiebung der Absorptionskante bei angelegtem Feld stark reduziert ist. Es wurde vorgeschlagen, daß MQW-Vorrichtungen in zweidimensionalen Arrays mit Si-basierten LSI-Schaltungen integriert werden können, um optische Verbindungen mit großer Bandbreite zu schaffen, wobei in diesem Fall Treiberspannungen für solche Modulatoren oder Logikgatter auf einige Volt beschränkt sind.
Ein Verfahren zur Verbesserung der Modulation in einer Vorrichtung mit Einschränkungen bezüglich Absorberdicke und Treiberspannung ist es, die effektive optische Weglänge durch Einbauen der MQW-pin-Diode in ein Fabry- Perot-Etalon zu vergrößern.
EP-A-0 249 645 offenbart einen optoelektrischen spannungsgesteuerten Modulator, welcher einen Reflektor umfaßt, der aus einer schichtweisen Halbleiterstruktur und einem Absorber besteht, der epitaktisch auf der Reflektorstruktur aufwachsen gelassen worden ist, so daß die Intensität eines Lichtstrahls durch den Absorber vor und nach Reflexion mittels elektrischer Steuersignale moduliert werden kann. Dieser Modulator erzielt nicht die Leistung, die der vorliegenden Erfindung zu eigen ist.
Ein asymmetrischer Fabry-Perot-Modulator wurde vorgeschlagen, der als Reflexionsmodulator mit einer vorderen Oberfläche mit niedriger Reflektivität und einer hinteren Oberfläche mit hoher Reflektivität arbeitet (Whitehead M., Parry G. und Wheatley P. "Investigation of etalon effects in GaAs-AlGaAs multiple quantum weil modulators", LEE Proceedings, Band 136, Pt. J, Nr. 1, Februar 1989, S. 52-58).
Modellierung eines solchen Aufbaus zeigte, daß die maximale Änderung der Reflektivität bei etwa 80 % liegt. Es ist jedoch erstrebenswert, nicht nur eine große absolute Änderung zu haben, sondern eine große Modulationstiefe oder Kontrastverhältnis, d.h. das Verhältnis von Maximum und Minimum der Reflektivitäten. Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen asymmetrischen Fabry-Perot- Modulator anzugeben, der über ein verbessertes Kontrastverhältnis verfügt.
Dementsprechend ist gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ein Fabry-Perot-Reflexionsmodulator vorgesehen mit Hohlraumresonator, bestehend aus Frontreflektor und Rückreflektor mit unterschiedlichen Reflektivitäten, wobei der Hohlraum eine elektro-absorptive Vorrichtung beinhaltet, deren Absorption bei einer vorgegebenen Wellenlänge λ durch Anlegen eines elektrischen Vorspannungssignals ungleich Null erhöht werden kann, wobei die Reflektivität des Hohlraums am größten bei einer Vorspannung Null ist, wobei der Rückreflektor eine wesentlich größere Reflektivität als der Frontreflektor hat; dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlraumlänge so gewählt ist, daß eine Reflexionsresonanz bei der besagten wellenlänge λ auftritt; der Frontreflektor eine Reflektivität von zwischen 0,3 und 0,45 hat; und die Reflektivität des Hohlraums bei der besagten Wellenlänge λ ein Minimum nahe Null bei einem bestimmten angelegten Vorspannungssignal hat, so daß das Verhältnis zwischen Reflektivität bei Vorspannung Null und der bei der besagten bestimmten Vorspannung wenigstens 20 zu 1 beträgt.
Entsprechend einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein asymmetrischer Fabry-Perot-Reflexionsmodulator vorgesehen mit einem Hohlraumresonator, bestehend aus einem Frontreflektor und einem Rückreflektor unterschiedlicher Reflektivitäten und beinhaltend eine elektro-absorptive Vorrichtung, deren Absorption bei vorgegebener Wellenlänge λ durch Anlegen eines elektrischen Vorspannungssignals ungleich Null erhöht werden kann, wobei die Reflektivität des Hohlraums bei der besagten Wellenlänge λ schaltbar zwischen einem hohen Wert bei Vorspannung Null und einem niedrigen Wert bei einer bestimmten Vorspannung ungleich Null ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlraumlänge so gewählt ist, daß eine Reflexionsresonanz bei der besagten Wellenlänge λ auftritt, wobei die Reflektivität bei der besagten Vorspannung ungleich Null nicht größer als 0,00242 ist.
Entsprechend einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein asymmetrischer Fabry-Perot-Modulator vorgesehen mit einem Hohlraumresonator, bestehend aus einem Frontreflektor und einem Rückreflektor unterschiedlicher Reflektivitäten, wobei der Frontreflektor definiert wird durch eine Zwischenfläche, welche frei von effektiven Antireflexionsstrukturen ist, wobei der Rückreflektor eine Reflektivität hat, die wesentlich größer als die des Frontreflektors ist, wobei der Hohlraum eine elektroabsorptive Vorrichtung beinhaltet, deren Absorption bei einer vorgegebenen wellenlänge λ durch Anlegen eines elektrischen Vorspannungssignals erhöht werden kann, wobei die Reflektivität des Hohlraums am größten ist, wenn keine Vorspannung anliegt, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Länge des Hohlraumresonators ein ungradzahliges Vielfaches von λ/4 ist.
Entsprechend einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Modulation eines optischen Signals der Wellenlänge λ vorgesehen, welches Verfahren die Schritte umfaßt:
(i) Anlegen des optischen Signals an einen ersten Reflektor eines Fabry-Perot-Modulators, welcher Fabry- Perot-Modulator einen Hohlraumresonator, bestehend aus einem ersten Reflektor und einem zweiten Reflektor umfaßt, wobei der zweite Reflektor eine Reflektivität hat, die wesentlich größer als die des ersten Reflektors ist, wobei der Hohlraum eine elektro-absorptive Vorrichtung beinhaltet, deren Absorption durch Anlegen eines elektrischen Vorspannungssignals erhöht werden kann, wobei die Reflektivität des Hohlraums am größten ist, wenn keine Vorspannung anliegt, wobei die optische Länge des Hohlraumresonators ein ungradzahliges Vielfaches von λ/4 ist; und
(ii) Anlegen eines informationsübertragenden Vorspannungssignals an den Modulator, um die Reflektivität des Hohlraums zu variieren, wodurch das optische Signal, das auf den ersten Reflektor trifft, ein reflektiertes Signal erzeugt, das Information vom besagten Vorspannungssignal überträgt.
Anders als die oben erwähnten Reflexionsmodulatoren mit hoher Finesse arbeitet die vorliegende Erfindung bei einer Resonanzwellenlänge, welche bei Vorspannung Null bei einem hohem Reflexionszustand bleibt, da der Resonator asymmetrischer Natur ist, was zu einer verbesserten Einfügungsdämpfung im Vergleich zu den nichtresonanten Vorrichtungen führt. Modulation mit hohem Kontrast wird erfindungsgemäß erreicht durch Abstimmen der Vorspannung an den elektro-absorptiven Vorrichtungen in dem Resonator auf einen kritischen Wert für Reflektivität, die im wesentlichen bei Null liegt.
Die elektro-absorptive Vorrichtung ist vorzugsweise ein Multiple-Quantum-Well (MQW) -Aufbau und insbesondere eine GaAs-AlGaAs-MQW-Struktur.
Die Resonatorlänge wird so gewählt, daß eine Reflexionsresonanz ein paar Nanometer auf der langwelligen Seite der MQW-Absorptionskante ohne Vorspannung liegt, wo der Absorptionskoeffizient a zunächst niedrig und die Resonanzreflexion hoch ist. Die elektro-absorptiven Eigenschaften des MQW können dann ausgenutzt werden, um den Resonator so abzustimmen, daß die Reflexion des Resonators, d.h. die Reflektivität für ein einfallendes optisches Signal an der vorderen Oberfläche des Resonators bei Anlegen des geeigneten Vorspannungssignals an den MQW nahe an Null herangeführt wird. Die Dicke der MQW- Struktur kann ≤ 0,5 µm betragen.
Vorzugsweise wird die Reflektivität der vorderen Oberfläche geringer als etwa 45 % sein, um wesentliche Verbesserungen gegenüber MQW-Fabry-Perot-Modulatoren mit hoher Finesse in bezug auf Unempfindlichkeit gegenüber Abweichungen von der idealen Oberflächenreflektivität und von Temperatureffekten beim Absorptionskoeffizienten des MQW zu erzielen. Am bequemsten ist die vordere Oberfläche die unbehandelte Oberfläche des MQW-Modulators.
Ausführungsformen der Erfindung werden nun als Beispiel mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, von denen:
Figur 1 schematisch ein erfindungsgemäßes Modell eines Fabry-Perot-Modulators darstellt;
Figur 2 eine graphische Darstellung der berechneten Reflektivität mit und ohne Vorspannung der Ausführungsform nach Fig. 1 ist;
Figur 3 eine graphische Darstellung der berechneten Änderung des Kontrasts in Abhängigkeit von der Eingangswellenlänge bei der Ausführungsform nach Figur 1 ist;
Figur 4 eine graphische Darstellung der tatsächlichen Reflektivität mit und ohne Vorspannung für eine Vorrichtung ist, die konform ist mit dem Modell in Figur 1;
Figur 5 eine graphische Darstellung der berechneten Reflektivität mit und ohne Vorspannung der Vorrichtung in Figur 4 unter Verwendung der Modellstruktur in Figur 1 ist; und
Figur 6 eine graphische Darstellung von drei weiteren simulierten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist.
In Figur 1 ist ein Fabry-Perot-Modulator 2 mit einem Hohlraumresonator 4 dargestellt, der durch eine vordere reflektive Oberfläche 6 der Reflektivität Rf aus natürlicher Halbleiteroberfläche und eine hintere reflektive Oberfläche 8 der Reflektivität Rb gebildet wird. Der Resonator 4 besteht aus einer Multiple-Quantum-Well-pin- Diode mit einem AlGaAs-p&spplus;-Bereich 10, einem 100 Å+ GaAs- Well, 100 Å A1&sub0;,&sub3;Ga&sub0;,&sub7;As-intrinsischem MQW-Barrierebereich 12 und einem einzelnen, 12-schichtigen hinteren Reflektorstapel 15, der epitaktisch auf einem GaAs-n&spplus;-Substrat 16 aufwachsen gelassen wurde, mit Rf = 0,3 und Rb = 0,95. Weniger Schichten senken die hintere Reflektivität, mehrere steigern sie, aber der tatsächliche Wert von Rf wird auch von den Komponenten des Stapels durch ihre relativen Brechungsindizes bestimmt. Der Absorptionskoeffizient der MQW-Vorrichtung kann auf bekannte Art und Weise durch Anlegen einer Vorspannung geändert werden. Der resonante MQW-Etalon-Modulator in Figur 1 wurde auf einfache Art modelliert, mit stärkerer Betonung der durch das elektrische Feld induzierten Absorption und Brechungsindexänderungen in der MQW-Schicht und der Art, in welcher sie mit den Eigenschaften des resonanten Basisresonators zusammengehen, als Beachtung der Details in den Feinheiten der Mehrfachschichten, welche den Resonator bilden. Zum Beispiel wurden vielfache Matrixberechnungen vermieden, welche für die Simulation der spektralen Reflektivitätseigenschaften von dielektrischen Stapeispiegeln erforderlich sind. Die wesentlichen Näherungen sind
(a) Spektraldispersion und räumliche Änderung des Resonatorbrechungsindex bei Vorspannung Null werden ignoriert. Unter "räumliche Schwankung" wird der Index verschiedener Schichten aus GaAs und AlGaAs verstanden, die den Resonator bilden. Ein gewichteter mittlerer Index nm von 3,37 wurde für den Resonator bei 850 nm berechnet, basierend auf dem effektiven AlGaAs-Gehalt einer typischen MQW-pin-Struktur, und veröffentlichte experimentelle Indexdaten für dieses Material, und dieses wurden durchgehend konstant gehalten. Die Rechtfertigung hierfür ist, daß in dem schmalen Wellenlängenband, welches für den Betrieb der Vorrichtung herangezogen werden konnte, die spektrale Schwankung des Brechungsindex so klein ist, daß dies keinen signifikanten Effekt auf die Modulationseigenschaften hat. Solange darüber hinaus der berechnete mittlere Index bei der Betriebswellenlänge irgendwo zwischen dem von GaAs und AlGaAs liegt, hat dies keinen Effekt auf die Größe der Modulation, die mit einem Resonator bei gegebener Finesse erreichbar ist. Der Effekt bei Änderung des Index aufgrund eines angelegten elektrischen Feldes ist sehr viel wesentlicher.
(b) Bei den Resonatorspiegeln wird angenommen, daß sie "harte" Reflektoren sind, d.h. die endliche Dicke der Spiegel in einer praktischen Vorrichtung wird vernachlässigt, und es wird angenommen, daß alle Reflexionen an den Grenzflächen zwischen Resonatormaterial und den Spiegeln auftreten. Diese werden wahrscheinlich aus mehreren Viertelwellenlängen-Dielektrika mit unterschiedlichem Brechungsindex (wenn hohe Finesse erforderlich ist) bestehen, plasmaabgeschieden (im Falle von Dielektrika), und können entweder aufgedampf t (evaporiert) oder epitaktisch integriert sein, vielleicht als p- und n-Bereiche der pin-Struktur. Die genauen Einzelheiten, wie die Oberflächenreflektivitäten vorne und hinten erreicht werden, sind für die Berechnung der Modulationseigenschaften der optimalen Vorrichtung unwesentlich.
(c) Es wurde kein elektro-optischer Effekt (LEO) berücksichtigt, welcher als vergleichbar mit dem elektrorefraktiven Effekt nur bei längeren Wellenlängen außerhalb des hier betrachteten Bereiches erwartet wird. Die Polarisationsabhängigkeit des LEO-Beitrags zur Modulation wurde kürzlich in einer Vorrichtung mit hoher Finesse beobachtet.
Die Resonatorlänge des Aufbaus in Figur 1 ist L und beträgt in etwa 2,6 µm, wodurch die F-P-Resonanz in den interessierenden Wellenlängenbereich verlegt wird und in etwa die typische epitaktische Strukturdicke eingehalten wird. Die aktive MQW-Schicht hat die Dicke d, welche auf 0,96 µm festgelegt wurde, wobei die feldinduzierte Verbreiterung wie oben erwähnt berücksichtigt wurde, und also ist dies die MQW-Dicke in der Vorrichtung, welche zur Bestimmung der Elektroabsorption und daher für die Elektrorefraktionsspektren verwendet wurde. Die Verwendung einer Resonatorlänge von 20 oder irgendeinem ganzzahligen Vielfachen von halben Wellenlängen eignet sich für die Simulation, die durch die obigen Gleichungen beschrieben wird, da dadurch die F-P-Resonanz auf die gewünschte Wellenlänge gelegt wird. Wenn die Struktur in Figur 1 mit vollen Vielschicht-Matrixberechnungsverfahren modelliert wird, so findet man, daß in dem Fall der Vorrichtung mit hoher Finesse (welche einen anderen Mehrschichtstapel oben anstelle einer einfachen AlGaAs-Schicht hätte) die Resonatordicke (Länge) L nur bestimmt wird durch die MQW- Dicke, d.h. der MQW/MLS-Übergang bestimmt den Spiegelreflexionspunkt. In diesem Fall muß die Resonatordicke L tatsächlich ein ganzzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge (der Betriebswellenlänge) sein. Wenn jedoch die asymmetrische Struktur modelliert wird, so wird der Resonator eher bestimmt durch die Gesamtdicke der MQW + AlGaAs-Oberschicht, und in diesem Fall muß, um die F.P.-Resonanz auf die gewünschte wellenlänge zu legen, L ein ungradzahliges Vielfaches der Viertelwellenlänge sein. Wegen der Asymmetrie weicht der Resonator ein ganz klein wenig vom Fall mit hoher Finesse ab, aber die obige Beobachtung wurde durch andere Gruppen bestätigt, die mit Mehrschichtsimulationsprogrammen arbeiten. Für einen Resonator wie in Figur 1 mit mittlerem Brechungsindex nm und linearer Absorption a (nur in dem MQW-Bereich) sind bei der Näherung mit ebenen Wellen unter senkrechtem Einfall die Transmission T und Reflexion R durch die folgenden Gleichungen gegeben: und Resonatorfinesse
Aufgrund von Messungen des Photostroms bei Raumtemperatur bei einer MQW-pin-Diode mit 100 Å GaAs-Quantum-Wells mit 100 Å A1&sub0;,&sub4;Ga&sub0;,&sub6;As-Barrieren wurden zunächst Elektroabsorptionsspektren im Wellenlängenbereich 750-920 nm aufgenommen. Bei Anwendung des Kramers-Kronig-Integrals auf diese Daten wurden die entsprechenden Spektren für die Elektrorefraktion erhalten. Wegen der minimalen Änderungen der Absorption außerhalb des Wellenlängenbereiches 780-900 nm wurden diese als Grenzen für das Kramers-Kronig-Integral verwendet. Diese Spektren berücksichtigen tatsächlich mögliche Beiträge von feldinduzierten "verbotenen" Übergängen, welche oberhalb der MQW-Absorptionskante bei Energien unterhalb von der n = 2-Subbandkante auftreten und welche die Absorptionsspektren bei hohen angelegten Feldern zu dominieren beginnen.
Wenn die Resonatorlänge so gewählt wird, daß eine Reflexionsresonanz ein paar nm auf der langwelligen Seite der MQW-Absorptionskante ohne Vorspannung auftritt, wo α ursprünglich niedrig ist, dann muß die Resonanzreflexion hoch bleiben (mit einem Maximalwert von ca. 0,83, wenn α = 0). Die elektroabsorptiven Eigenschaften des MQW können dann verwendet werden, um den Resonator so abzustimmen, daß R so nah wie möglich an Null heranreicht. Dies erfordert die Bedingung
αd = 0,5 ln (Rb/Rf) (1)
was für die gewählten Reflektivitäten bedeutet, daß
αd = 0,58 ist. Dies ist leicht machbar mit MQWS mit wenig mehr als 1 µm von 100 Å Wells und Barrieren.
Figur 2 zeigt Reflektivitätsspektren mit 12 Volt Vorspannung (aus) und 0 V Vorspannung (ein) für die Vorrichtung in Figur 1. Im Spektrum ohne Vorspannung ist die exzitonische MQW-Absorption aufgrund leichter und schwerer Löcher als Minimum bei etwa 844 nm bzw. 851 nm erkennbar. Die Resonatorresonanz ist eher unscheinbar und liegt bei etwa 862 nm, stark gestört durch den schnellen Abfall der Absorption mit steigender Wellenlänge in dem Bereich. Die optimale Betriebswellenlänge wird in unserem Berechnungsablauf automatisch ausgewählt, um den maximalen Kontrast bei gegebenem oberen Grenzwert für die Einführungsdämpfung (in diesem Fall 3 dB) zu ergeben. Wenn einmal die optimale Wellenlänge gefunden wurde, wird die Resonatorlänge so gewählt, daß die Resonatorresonanz bei dieser Wellenlänge liegt. Separate Mehrschichtreflexionsberechnungen haben gezeigt, daß die kombinierte AlGaAs und MQW- Dicke ein ungradzahliges Vielfaches von λ/4 sein muß, um die Resonanz an den erforderlichen Punkt zu bringen, wie mit weiteren Einzelheiten oben beschrieben. Die MQW-Dicke d wird beliebig auf einen Wert von 1,20 µm gesetzt, was 60 Perioden von 100 Å GaAs + 100 Å A1&sub0;,&sub3;Ga&sub0;,&sub7;As entspricht. Bei einer Wellenlänge von 862,8 nm ist die Reflektivität ohne Vorspannung 0,552, die Reflektivität mit Vorspannung nur noch 0,00242 - ein Kontrast von 227:1 und eine Einfügungsdämpfung von etwa 2,6 dB.
Figur 3 zeigt die Änderung des Kontrasts in Abhängigkeit von der Eingangswellenlänge bei fester Resonatorlänge von 2,560 µm. Das Modulationsspektrum hat ein FWHM von etwa 2 nm. Dies ist vergleichsweise gut gegenüber etwa 0,5 nm oder weniger für symmetrische Resonatoren mit höherer Finesse, bei welchen es tatsächlich schwieriger ist, einen sehr hohen Kontrast zu erzielen. Dies rührt daher, daß zum Erreichen einer Annäherung der Reflektivität ohne Vorspannung an Null die Spiegeireflektivitäten beide hoch sein müssen und sehr genau übereinstimmen müssen, wenn man weit entfernt von der MQW-Absorptionskante arbeitet, oder genau fehlangepaßt sein müssen, um für Resonatorabsorption ohne Vorspannung zu sorgen.
Mit der hier beschriebenen Vorrichtung ist es möglich, die Vorspannung und damit die Absorption zu variieren, um die Reflektivität durch ein Minimum über einen Wellenlängenbereich nahe der Absorptionskante abzustimmen. Somit können Fehler in bezug auf die Position der Reflexionsresonanz aufgrund von Wachstums- oder Konstruktionsfehlern bis zu einem gewissen Grade kompensiert werden. Einige Berechnungen zeigen, daß bei Optimierung der Vorspannung Kontraste von wenigstens 20:1 über den Bereich 855 bis 865 nm bei Einfügungsdämpfung abgesenkt bis auf nur noch 1,3 dB bei der längsten Wellenlänge erreicht werden können.
Epitaktische Integration eines hinteren Reflektorstapels innerhalb der MQW-pin-Struktur ist der geeignetste Weg für die Herstellung des asymmetrischen Fabry-Perot- Modulators (AFPM) nach Figur 1. Um die grundlegenden Betriebseigenschaften der Vorrichtung zu demonstrieren, wurden zunächst bestehende MQW-pin-Transmissionsmodulatoren modifiziert durch Aufbringen einer hochreflektiven Goldbeschichtung auf der hinteren Oberfläche, die natürliche Halbleiter:Luft-Reflektivität an der Front belassend. Dieses schafft einen dünnen asymmetrischen Resonator (< 3 µm), ähnlich der obigen Modellierung. Die MQW- Struktur wurde mittels MOVPE aufwachsen gelassen und enthielt 50 x 90 Å GaAs-Quantum-Well mit 60 Ä A1&sub0;,&sub3;Ga&sub0;,&sub7;As- Barrieren. Die vollständige Struktur wurde überhaupt nicht optimiert, jedoch war die erreichte Reflektivitätsmodulation gegenüber früheren Resultaten in bezug auf Kontrast pro Volt deutlich verbessert. Figur 4 zeigt Ein:Aus-Spektren für die optimale Vorspannung von 7,6 V. Bei 861 nm ist der Kontrast 6 dB (4:1) und die Einfügungsdämpfung ungefähr 2,4 dB. Resonanzreflektive Modulatoren mit 80-100 Quantum-Wells und Kontrasten bis zu 9 dB erforderten mehr als zweimal die Vorspannung des AFPM.
Es wurde sehr gute Übereinstimmung zwischen experimentellen Ergebnissen und dem modellierten Verhalten unserer Teststruktur, welche in Figur 5 dargestellt ist, gefunden. Der erreichte Kontrast wird begrenzt dadurch, daß zu wenig MQW-Material im Resonator ist, um die Gleichung (1) zu befriedigen, verbunden damit, daß die F-P-Resonanz etwas zu weit weg von der MQW-Absorptionskante ist. Die Einfügungsdämpfung bei der Resonanzwellenlänge ist höher als berechnet, wahrscheinlich aufgrund dessen, daß der Absorptionsausläufer unterschätzt wurde.
In dem Artikel von M. Whitehead, A. Rivers, G. Parry, J.S. Roberts und C. Button, Electronics Letters Band 25 Nr. 15, 20. Juli 1989 "Low Voltage Multiple Quantum Well Reflection Modulator with on:off ratio > 100:1" wird über einen Quantum-Well-Reflexionsmodulator mit hohem Kontrast bei niedriger Spannung entsprechend der vorliegenden Erfindung berichtet, der einen epitaktisch integrierten asymmetrischen Fabry-Perot-Modulator umfaßt mit einer aktiven MQW-Schicht und einem Viertelwellen-Halbleiterreflektorstapel als hinterem Spiegel, wobei der vordere Spiegel einfach durch die Halbleiter/Luft-Grenzfläche gegeben ist. Damit wird ein Kontrastverhältnis von besser als 100:1 bei senkrechtem Einfall mit einer Einfügungsdämpfung von etwa 3,5 dB und nur 9 V Vorspannung erreicht. Reflexionsänderungen von mehr als 40 % wurden über eine optische Bandbreite von 7 nm erreicht.
Einzelheiten der speziellen Struktur und des Herstellungsprozesses finden sich in dem obigen Artikel.
Es wurde vermutet, daß MQW-Modulatoren eine attraktive Schnittstellenvorrichtung darstellten für optische Verbinder zwischen großen elektronischen Prozessoren. Es wurden Simulationen durchgeführt, um die Aussichten für einen AFPM bei einer Vorspannung von nicht mehr als 5 V zu untersuchen, was vergleichbar ist zu existierenden CMOS. Die Berechnungen zeigen Kontraste von über 20 dB bei 9-10 V Vorspannung mit einer Standardstruktur, was in guter Übereinstimmung mit dem Experiment ist. Reduktion der Vorspannung auf 5 V sollte bei einer optimierten Vorrichtung, wo die Resonanzwellenlänge näher an die MQW- Absorptionskante geschoben wird, immer noch einen Kontrast von 15 dB zulassen. Darüber hinaus sollte es möglich sein, einen 10 dB-Kontrast mit nur etwa 3,3 V bei der oberen Grenze von 3 dB Einfügungsdämpfung zu erreichen.
Es sei bemerkt, daß alle Rechnungen und experimentellen Ergebnisse erzielt wurden für eine Vorrichtung mit einer MQW-Struktur mit 100 Å GaAs-Wells und 60 Ä AlGaAs-Barneren. Die AlGaAs-Barrieren sind optisch inaktiv (Absorption nur in den Wells), und es gibt einen gewissen Bereich zur Reduktion ihrer Dicke hinab bis zu etwa 40 Å, um die Vorspannung für die Vorrichtung zu reduzieren.
Mit einer festen Vorspannung von 5 V sinkt das Feld über den MQW-Bereich mit steigender Dicke. Bei MQWS von 0,5 µm ist das Feld hoch genug, um eine signifikante Verschiebung der Absorptionskante zu bewirken, und so bleibt der Kontrast ziemlich gleichförmig über den Bereich. Für dikkere MQW-Bereiche gibt es nur eine Verbesserung des Kontrasts bei wellenlängen nahe der Absorptionskante, wo das reduzierte elektrische Feld noch Wirkung zeigt. Der Abfall im Kontrast wird steiler bei zunehmender MQW-Dicke (abfallendes Feld). Es wurde auch beobachtet, daß der Abfall ziemlich unempfindlich ist sowohl gegenüber der Betriebswellenlänge als auch gegenüber der MQW-Dicke.
Andre elektro-absorptive Materialien können verwendet werden, z.B. Bulk-GaAs oder InP anstelle von MQW, wobei sie jedoch eine höhere Vorspannung für die notwendig dikkeren aktiven Schichten erfordern. Der Fabry-Perot-Aufbau gemäß der vorliegenden Erfindung findet außerdem potentielle Anwendung als wellenlängenselektiver Photodetektor hoher Quanteneffizienz. Bei dem AFPM mit Vorspannung bei der resonanten Wellenlänge wird absorbiert, was nicht reflektiert wird - und wenn Rb näher an 1 heranrückt (> 0,95 sowieso), so ist die Summe von T und R nur etwa 10 % in diesem Fall und wäre sogar noch niedriger nach einer Optimierung. (In der Struktur mit hoher Finesse wird im allgemeinen transmittiert, was nicht reflektiert wird oder umgekehrt.) Experimentelle Ergebnisse bestätigen dies. Bei ca. 865 nm mit Vorspannung steigt der Photostrom um etwa das 10fache bei der Vorrichtung nach Fig. 4.

Claims

1. Fabry-Perot-Reflektionsmodulator (2) mit einem Hohlraumresonator (4), bestehend aus Frontreflektor (6) und Rückreflektor (8) mit unterschiedlichen Reflektivitäten, wobei der Hohlraum eine elektro-absorptive Vorrichtung beinhaltet, deren Absorption bei einer vorgegebenen Wellenlänge λ durch Anlegen eines elektrischen Vorspannungssignals ungleich Null erhöht werden kann, wobei die Reflektivität des Hohlraums am größten bei einer Vorspannung Null ist, wobei der Rückreflektor eine wesentlich größere Reflektivität als der Frontreflektor hat; dadurch gekennzeichnet, daß

die Hohlraumlänge so gewählt ist, daß eine Reflektionsresonanz bei der besagten Wellenlänge λ auftritt; der Frontreflektor (6) eine Reflektivität von zwischen 0,3 und 0,45 hat; und

die Reflektivität des Hohlraums bei der besagten Wellenlänge λ ein Minimum nahe Null bei einem bestimmten angelegten Vorspannungssignal hat, so daß das Verhältnis zwischen Reflektivität bei Vorspannung Null und der bei der besagten bestimmten Vorspannung wenigstens 20 zu 1 beträgt.

2. Asymmetrischer Fabry-Perot-Reflektionsmodulator mit einem Hohlraumresonator (4), bestehend aus einem Frontreflektor (6) und einem Rückreflektor (8) unterschiedlicher Reflektivitäten und beinhaltend eine elektro-absorptive Vorrichtung, deren Absorption bei vorgegebener Wellenlänge λ durch Anlegen eines elektrischen Vorspannungssignals ungleich Null erhöht werden kann, wobei die Reflektivität des Hohlraums bei der besagten wellenlänge λ schaltbar zwischen einem hohen Wert bei Vorspannung Null und einem niedrigen Wert bei einer bestimmten Vorspannung ungleich Null ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlraumlänge so gewählt ist, daß eine Reflektionsresonanz bei der besagten Wellenlänge λ auftritt, wobei die Reflektivität bei der besagten Vorspannung ungleich Null nicht größer als 0,00242 ist.

3. Asymmetrischer Fabry-Perot-Modulator mit einem Hohlraumresonator (4), bestehend aus einem Frontreflektor (6) und einem Rückreflektor (8) unterschiedlicher Reflektivitäten, wobei der Frontreflektor (6) definiert wird durch eine Zwischenfläche, welche frei von effektiven Antireflektionsstrukturen ist, wobei der Rückreflektor (8) eine Reflektivität hat, die wesentlich größer als die des Frontreflektors (6) ist, wobei der Hohlraum (4) eine elektro-absorptive Vorrichtung beinhaltet, deren Absorption bei einer vorgegebenen Wellenlänge λ durch Anlegen eines elektrischen Vorspannungssignals erhöht werden kann, wobei die Reflektivität des Hohlraums am größten ist, wenn keine Vorspannung anliegt, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Länge des Hohlraumresonators (4) ein ungradzahliges Vielfaches von λ/4 ist.

Modulator nach einem der vorangehenden Ansprüche, der eine Viel fach-Quantum-Well-Struktur umfaßt.

5. Modulator nach Anspruch 4, der eine GaAs-AlGaAs-Vielfach-Quantum-Well-Struktur umfaßt.

6. Modulator nach Anspruch 5, der eine Vielzahl von 100 Å-GaAs-Well-Einheiten und intrinsische 100 Å- Al&sub0;,&sub3;Ga&sub0;,&sub7;As Sperrschichten umfaßt.

7. Modulator nach Anspruch 5, der eine Vielzahl von 90 A-GaAs-Well-Einheiten und intrinsische 60 Å- Al&sub0;,&sub3;Ga&sub0;,&sub7;As Sperrschichten umfaßt.

8. Modulator nach einem der Ansprüche 4 bis 7, bei welchem die Vielfach-Quantum-Well-Struktur intrinsische Sperrschichten mit einer Dicke ≤ 60 Å umfaßt.

9. Modulator nach einem der Ansprüche 4 bis 7, bei welchem die Vielfach-Quantum-Well-Struktur intrinsische Sperrschichten mit einer Dicke ≤ 40 Å umfaßt.

10. Modulator nach einem der Ansprüche 4 bis 9, bei welchem die Vielfach-Quantum-Well-Struktur ≤ 0,5 µm dick ist.

11. Modulator nach einem der vorangehenden Ansprüche, der einen Mehrschicht-Rückreflektor hat, der epitaktisch auf ein GaAs-n&spplus;-Substrat aufgebracht wurde.

12. Modulator nach einem der Ansprüche 4 bis 11, bei welchem der Frontreflektor (6) eine Oberfläche mit einer Vielfach-Quantum-Well-Struktur aufweist.

13. Modulator nach einem der Ansprüche 4 bis 12, bei dem die Vielfach-Quantum-Well-Struktur Teil einer pin-Diode ist.

14. Modulator nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem die Reflektivität des Frontreflektors (6) kleiner als 45 % ist.

15. Verfahren zur Modulation eines optischen Signais der Wellenlänge λ, welches Verfahren die Schritte umfaßt:

(i) Anlegen des optischen Signals an einen ersten Reflektor (6) eines Fabry-Perot-Modulators (2), welcher Fabry-Perot-Modulator einen Hohlraumresonator (4), bestehend aus einem ersten Reflektor (6) und einem zweiten Reflektor (8) umfaßt, wobei der zweite Reflektor (8) eine Reflektivität hat, die wesentlich größer als die des ersten Reflektors (6) ist, wobei der Hohlraum (4) eine elektro-absorptive Vorrichtung beinhaltet, deren Absorption durch Anlegen eines elektrischen Vorspannungssignals erhöht werden kann, wobei die Reflektivität des Hohlraums am größten ist, wenn keine Vorspannung anliegt, wobei die optische Länge des Hohlraumresonators ein ungradzahliges Vielfaches von λ/4 ist; und

(ii) Anlegen eines informationsübertragenden Vorspannungssignals an den Modulator, um die Reflektivität des Hohlraums zu variieren, wodurch das optische Signal, das auf den ersten Reflektor trifft, ein reflektiertes Signal erzeugt, das Information vom besagten Vorspannungssignal überträgt.

16. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem der Modulator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14 aufgebaut ist.