DE69113909T2 - Optischer verzweigender Wellenleiter. - Google Patents
Optischer verzweigender Wellenleiter.Info
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft Lichtwellenleiterverzweiger und insbesondere integrierte Y-Verbindungs-Wellenleiter zur Steuerung des Leistungsteilungsverhältnisses.
- Die vorliegende Anmeldung ist mit der europäischen Patentanmeldung Nr. 91306814-4 (EP-A-0 469 793) verwandt.
- Monolithische Integration optischer Bauteile auf einem A&sub3;-B&sub5;-Halbleiter tritt heute als ein bedeutendes Feld unter dem Begriff integrierte Photonenschaltungen (PIC - photonic integrated circuits) hervor. Insbesondere bestehen integrierte Photonenschaltungen aus aktiven und passiven optischen Bauteilen, die auf einem einzelnen A&sub3;- B&sub5;-Halbleitersubstrat hergestellt werden. Zusätzlich zur Realisierung neuer Funktionsvorrichtungen wie Modulatoren, Schaltern, Verzweigern, Lasern und Detektoren vereinfachen integrierte Photonenschaltungen die Vorrichtungskapselung und -prüfung.
- Von den Erfindern ist neulich die Materialverträglichkeit der Grundbausteine für PIC demonstriert worden, indem auf einem einzelnen Chip ein Laser mit verteilter Rückkopplung (DFB - distributed feedback), passiver Y-Verbindungs-Wellenleiter und PIN-Photodiode monolithisch integriert wurden. Man siehe K.Y. Liou et al., Appl. Phys. Lett., Band 54, Nr. 2 Seiten 114-6 (1989). In der obigen Vorrichtung von Liou et al. und auch in den meisten PIC ist der Y-Verbindungs-Wellenleiter, der aktive Vorrichtungen durch Aufteilen eines einfallenden optischen Signals in zwei Ausgangszweige miteinander verbindet, ein unerläßlicher Wellenleiterbestandteil. Als solcher ist es nicht überraschend, daß verschiedene Y-Verbindungskonstruktionen aus verschiedenen Substraten wie Glas, Lithiumniobat und Galliumarsenid (GaAs) hergestellt worden sind. Man sehe beispielsweise US-Patent-Nr. 4,674,827, 4,845,540 und 4,850,666.
- Obwohl Y-Verbindungs-Wellenleiter des Standes der Technik annehmbar funktionieren, weichen aufgrund der Begrenzungen der Herstellungsverfahren praktische Y- Verbindungs- oder Verzweigungswellenleiter von ihren idealen Konstruktionen ab, was wiederum abwertende Auswirkungen auf die damit verbundenen optischen Vorrichtungen hat. Beispielsweise wird die Keilspitze eines Y- Verbindungs-Wellenleiters typischerweise aufgrund des Unterätzens bei ihrer Verarbeitung durch naßchemische Ätzverfahren stumpf, das heißt abgestumpft. Es ist von Bedeutung, daß diese Abstumpfung der Keilspitze an der Y- Verbindung eine wesentliche Menge an optischer Rückreflexion als auch Strahlungsverluste ergibt. Man siehe beispielsweise Sasaki et al., Electronics Letters, Band 17, Nr. 3 Seiten 136-8 (1989). Niedrige Rückreflexion und Eigenschaften niedriger Verluste eines Y-Verbindungs- Wellenleiters sind besonders attraktiv für monolithisch integrierte aktive optische Vorrichtungen, da ihre Leistung sehr von den Dämpfungs- und Reflexionseigenschaften der Y-Verbindung abhängig ist. Beispielsweise erfordern Laser mit verteilter Rückkopplung (DFB) und verteiltem Bragg-Reflektor (DBR) typischerweise eine optische Trennung von besser 40 dB für eine stabile Einzelfrequenzschwingung. Weiterhin sollte bei Wanderwellen- Halbleiterlaseryerstärkern die optische Trennung mehr als 40 dB betragen, um Welligkeiten im Verstärkungsspektrum aufgrund von Fabry-Perot-Restresonanzen zu unterdrücken. Vor der vorliegenden Erfindung gab es jedoch keine Y- Verbindungs- oder Verzweigungs-Wellenleiter, die zur Minimierung der Auswirkung von Keilspitzenabstumpfung ausgelegt waren.
- Ein eine niedrige Strahlungsdämpfung und niedriges Rückreflexionsvermögen aufweisender Verzweigungs- Verbindungswellenleiter entspricht dem Anspruch 1.
- Insbesondere wird in diesem Ansatz die Auswirkung der für eine einfallende optische Strahlung gesehenen Keilspitzenabstumpfung minimiert, indem der Unterschied der effektiven Brechzahlen an der optischen Grenzfläche der Keilstumpfspitze, das heißt, dem optischen Gebiet zwischen dem Wellenleitgebiet (Kern) und dem umgebenden Gebiet zwischen dessen Zweigen, reduziert wird.
- In einer Ausführungsform wird ein Y-Verbindungs- Wellenleiter mit einem InGaAsP-Wellenleiter als geraden Zweig und einem InGaAsP-Wellenleiter als Seitenzweig, die sich in einem Winkel θ schneiden, auf einem InP-Substrat hergestellt. Bedeutenderweise wird durch Verringern der Stärke eines zwischen den Zweigen befindlichen InGaAsP- Gebiets eine solche allmähliche Verringerung der effektiven Brechzahl im Verbindungsgebiet zwischen den Zweigen erreicht, daß die Wirkung der Keilspitzenabstumpfung verringert wird.
- In einer weiteren Ausführungsform ist ein Y- Verbindungs-Wellenleiter mit dem obigen charakteristischen Brechzahlprofil im Gebiet zwischen den Zweigen monolithisch mit einem optischen Verstärker integriert.
- Vorteilhafterweise kann die niedrige Rückreflexion von der Y-Verbindung zur Integrierung von optischen Vorrichtungen benutzt werden, die eine hohe optische Trennung erfordern, um integrierte Hochleistungs-Photonenschaltungen zu realisieren.
- Ein vollständigeres Verständnis der Erfindung kann anhand der folgenden Beschreibung in Verbindung mit beiliegender Zeichnung erhalten werden. In der Zeichnung zeigen:
- Figur 1 eine perspektivische Ansicht eines Lichtwellenleiterverzweigers entsprechend der vorliegenden Erfindung;
- Figur 2 ein beispielhaftes effektives Brechzahlprofil entlang der Z-Achse für das Verbindungsgebiet zwischen den Zweigen des in Figur 1 gezeigten Wellenleiters;
- Figur 3 eine perspektivische Ansicht eines asymmetrischen Y-Verbindungs-Wellenleiters nach den Grundsätzen der Erfindung, der mit einem optischen Verstärker integriert ist;
- Figur 4 einen Längsquerschnitt des in der Figur 3 dargestellten integrierten optischen Verstärkers und Y- Verbindungs-Wellenleiters;
- Figur 5 eine Draufsicht des in der Figur 3 dargestellten Y-Verbindungs-Wellenleiters;
- Figuren 6, 7, 8, 9 und 10 beispielhafte Brechzahlprofile (X-Achse) des Y-Verbindungs-Wellenleiters der Figur 5 für verschiedene Ebenen entlang der Z-Achse;
- Figur 11 die Fortpflanzung optischer Strahlung im Y-Verbindungs-Wellenleiter der Figur 4;
- Figuren 12 und 13 schematische Wellenleiterstrukturen, die bei der Berechnung der optischen Eigenschaften des Y-Verbindungs-Wellenleiters hinsichtlich verschiedener optischer Parameter nützlich sind;
- Figuren 14, 15 und 16 berechnete optische Feldamplituden für sich im Y-Verbindungs-Wellenleiter der Figur 13 ausbreitende optische Moden.
- Ein Y-Verbindungs-Wellenleiter, der eine niedrige Strahlungsdämpfung und niedrige Rückreflexion aufweist, wird dadurch realisiert, daß zwischen den Zweigen der Y- Verbindung ein Gebiet mit einer allmählichen Verringerung der effektiven Brechzahl entlang der Richtung der optischen Fortpflanzung eingesetzt wird. Insbesondere wird durch diesen Einsatz die von einer einfallenden optischen Strahlung gesehene Auswirkung der Keilspitzenabstumpfung minimiert, indem der Unterschied zwischen den effektiven Brechzahlen an der optischen Grenzfläche der Keilstumpfspitze, das heißt zwischen dem Wellenleitgebiet (Kerngebiet) und dem dieses umgebenden Gebiet (Mantelgebiet) verringert wird. Es ist zu bemerken, daß die effektive Brechzahl zwischen den Zweigen sich spezifisch von der Kernbrechzahl zur Mantelbrechzahl hin ändert.
- Vorteilhafterweise erlaubt das niedrige Reflexionsvermögen von der Y-Verbindung die monolithische Integrierung von aktiven Vorrichtungen, die eine hohe optische Trennung erfordern, wie beispielsweise optische Verstärker, Laser und dergleichen, mit einem Überwachungsdetektor, ohne daß die typischerweise im Stand der Technik beobachtete Beeinträchtigung eintritt.
- Wenn man sich der Figur 1 zuwendet, ist dort eine perspektivische Ansicht eines optischen Y-Verbindungs- Wellenleiters 100 zum Aufteilen einer auf den Wellenleiter 20 im geraden Zweig auftreffenden Lichtstrahlung 10 in zwei Zweige entsprechend den Grundsätzen der Erfindung gezeigt. Der in der Figur 1 dargestellte Y- Verbindungs-Wellenleiter 100 soll jedoch nur Darstellungszwecken dienen. Gleichwertige Y-Verbindungs-Wellenleiter, die das gewünschte niedrige Reflexionsvermögen des gegenwärtigen Y-Verbindungs-Wellenleiters aufweisen, können beispielsweise mit einer Mehrzahl von entweder Eingangs- oder Ausgangswellenleiterverzweigern nach US- Patent-Nummern 4,850,66 und 4,846,540 realisiert werden. Anders gesagt können gleichartige Aufbauten auch realisiert werden, um eine einfallende Lichtstrahlung in mehr als zwei Zweige von mehr als einem optischen Eingangswellenleiter aufzuteilen. Es wird erwartet, daß während die unten dargestellten Ausführungsformen auf einen asymmetrischen Wellenleiter gerichtet sind, dessen Leistungsteilungsverhältnis polarisationsunabhängig ist, andere Y- Verbindungs-Wellenleiter konstruiert werden können, die entweder asymmetrisch oder symmetrisch und auch polarisationsabhängig sein können.
- Der Y-Verbindungs-Wellenleiter 100 ist auf dem Substrat 30 hergestellt, auf dem eine Schicht 40 optischen Materials durch Ablagerungs- und Neuzüchtungsungsverfahren gebildet worden ist. Um den Y-Verbindungs- Wellenleiter 100 herzustellen, ist es im allgemeinen notwendig, daß die effektive Brechzahl nclad des die Wellenleitgebiete (Mantelgebiet) umgebenden Materials geringer als die effektive Brechzahl ncore der Wellenleitgebiete (Kerngebiet) ist, so daß die Struktur Lichtstrahlung mit der entsprechenden Wellenlänge mittels totaler Innenreflexion leiten kann.
- Im vorliegenden Y-Verbindungswellenleiter sind die Halbleiterschichten aus A&sub3;B&sub5;-Halbleitermaterialien ausgewählt. Andere Halbleitermaterialien mit den entsprechenden Brechzahlen können jedoch verwendet werden. Zusätzlich werden zur Herstellung des Y-Verbindungs- Wellenleiters 100 standardmäßige Herstellungsverfahren wie metallorganische chemische Aufdampfung (MOCVD - metal-organic chemical vapor deposition) und Neuzüchtung, naßchemisches Ätzen und Photolithograpie eingesetzt. Diese Herstellungsverfahren sind dem Fachmann gut bekannt und werden daher nicht im einzelnen hier besprochen.
- Bezugnehmend auf Figur 1 umfaßt der Y-Verbindungs-Wellenleiter 100 den Geradzweigwellenleiter 20 und den Seitenzweigwellenleiter 50 mit einem Winkel θ zum Geradzweigwellenleiter 20. Das Leistungsaufteilungsverhältnis wird vom Winkel θ und den Breiten W&sub1; und W&sub2; des Geradzweigwellenleiters 20 bzw. Seitenzweigwellenleiters 50 in der Nachbarschaft des Y-Verbindungsbereichs 60 gesteuert. Die Breite W&sub2; ist typischerweise schmäler als die Breite W&sub1;, damit sich zum Geradzweigwellenleiter 20 eine höhere optische Leistung als zum Seitenzweigwellenleiter 50 fortpflanzt, während θ aufgrund von Herstellungsbegrenzungen wenige Grad beträgt und entsprechend der gewünschten Leistungsaufteilung und Krümmungsverlusterwägungen gewählt wird. Es ist zu bemerken, daß kleine Verzweigungswinkel lange Seiten- und Geradzweigwellenleiter erfordern, um Einzelfasern an ihren entsprechenden Ausgang anzukoppeln, was die Gesamtlänge des Y-Verbindungs-Wellenleiters erhöhen kann.
- Es ist von Bedeutung, daß zur Verringerung der von der Lichtstrahlung 10 gesehenen Auswirkung der Abstumpfung eine allmähliche Änderung der effektiven Brechzahl entlang der Z-Achse im Verbindungsgebiet 70 zwischen Seitenzweig 50 und dem Ausgangsteil des Geradzweigwellenleiters 20 benutzt wird. In Figur 2 ist ein beispielhaftes Profil der effektiven Brechzahl (neff) im Verbindungsgebiet 70 entlang der Z-Achse dargestellt. Während das Brechzahlprofil mit linearem Gradienten gezeigt wird, wird in Erwägung gezogen, daß Profile mit anderen Gradienten wie beispielsweise einer parabelförmigen, exponentiellen oder schrittförmigen Funktion benutzt werden können. In einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind sowohl Geradzweigwellenleiter 20 als auch Seitenzweigwellenleiter 50 Einmodenwellenleiter.
- In Figur 3 ist ein passiver Y-Verbindungs-Wellenleiter 300 nach der vorliegenden Erfindung dargestellt, der mit einem optischen Verstärker 310 mit einer Verstärkungsspitzenwellenlänge in der Nähe von 1,55 um integriert ist. Auf die Frontfläche des optischen Verstärkers 310 auftreffende Lichtstrahlung wird von der aktiven InGaAsP-Schicht 330 (Bandabstandswellenlänge 1,55 um) verstärkt. Weiterhin wird die eingeschlossene Lichtstrahlung dann in den benachbarten passiven Geradzweigwellenleiter 340 als InGaAsP (Bandabstandswellenlänge 1,3 um) eingekoppelt, der sich wie in der Querschnittsansicht der Figur 4 dargestellt vom aktiven Teil des optischen Verstärkers zum passiven Teil des Y-Verbindungs-Wellenleiters 300 erstreckt. Es wird darauf hingewiesen, daß der Ort der vergrabenen Wellenleiter, das heißt Geradzweigwellenleiter 340 und Seitenzweigwellenleiter 360 auf der Oberfläche durch gepunktete Linien projiziert dargestellt sind. In diesem beispielhaften Aufbau umfaßt der Y-Verbindungs-Wellenleiter 300 den verjüngten Seitenzweigwellenleiter 360 im Winkel von 3,5º zum Geradzweigwellenleiter 340. Zusätzlich sind sowohl Seitenzweigwellenleiter 360 als auch Geradzweigwellenleiter 340 passive InGaAsP-Wellenleiter-Mesas, die durch halbisolierendes InP 320 vergraben sind.
- Hinsichtlich des optischen Verstärkers 310 ist der Aufbau der Art einer halbisolierenden planaren vergrabenen Heterostruktur (SIPBH - semi-insulating planar buried heterostructure), wobei Fe-dotierte halbisolierende InP-Schichten 320 sowohl für Stromblockierung als auch transversale optische Einschließung darin benutzt werden. Der optische Verstärker 310 ist dem Y- Verbindungs-Wellenleiter 300 ähnlich, abgesehen von der aktiven InGaAsP-Schicht 330 und den Schichten 350 mit p- Leitfähigkeit, was den elektrischen Kontakt mit dem aktiven Gebiet 330 des optischen Verstärkers 310 erleichtert. Es ist von Bedeutung, daß das Y-Verbindungsgebiet 380 zwischen den Zweigen der Y-Verbindung wie schon oben besprochen eine allmähliche Änderung der effektiven Brechzahl entlang der Z-Achse aufweist, um die Auswirkung der von einer sich darin fortpflanzenden optischen Mode gesehenen Keilspitzenabstumpfung zu verringern. Wie hier kann dies durch eine allmähliche Verringerung der Stärke eines InGaAsP-Gebiets im Y-Verbindungs-Gebiet 380 erreicht werden. Halbisolierendes InP 320 wird auch als oberes passives Wellenleitermantelgebiet benutzt, da es einen geringeren Absorptionsverlustkoeffizienten als die Schichten 350 von p-Leitfähigkeit aufweist. Als Beispiel weist die passive InGaAsP-Wellenleiterschicht 340 und aktive InGaAsP-Schicht 330 eine Stärke von 0,35 um bzw. 0,9 um auf. Weiterhin betragen die Breiten sowohl der aktiven als auch der passiven Wellenleiter außerhalb des Y-Verbindungsgebiets 380 2,5 um.
- In der Figur 5 ist eine Draufsicht des Y-Verbindungs-Wellenleiters 300 dargestellt. Für Beschreibungszwecke wird die Richtung vom geraden Wellenleiter 340 auf den Seitenwellenleiter 360 als die Z-Achse angenommen und die Richtung senkrecht zur Zeichnungsebene als die Y- Achse angenommen, um wie in Figur 5 gezeigt ein X-Y-Z- Koordinatensystem zu definieren. Die Breite W von 2,5 um des Geradzweigwellenleiters 340 verändert sich kontinuierlich über eine Anpassungslänge von 80 um für adiabatische Modenfortpflanzung in den Y-Verbindungs- Bereich 400. Leistungsaufteilung tritt durch Modenwandlung an der Y-Verbindung ein, wobei das Modenverhalten von dem plötzlichen Übergang an der Keilstumpfspitze 410 beherrscht wird. Die Breiten der Wellenleiter an der Verbindungsspitze 410 betragen 2,2 um und 3,3 um für den Seitenzweigwellenleiter 360 bzw. den Geradzweigwellenleiter 340. Weiterhin beträgt die Breite der Keilstumpfspitze 410 0,8um. In diesem beispielhaften Aufbau sind die Breiten beider Wellenleiter, wie in Figur 5 dargestellt, circa 100 um außerhalb der Y-Verbindungsspitze auf eine Breite W von 2,5 um verjüngt.
- Die integrierte Struktur des optischen Verstärkers und Y-Verbindungs-Wellenleiters umfaßt drei epitaxiale Wachstumsschritte, gebräuchliche Photolithographie und naßchemisches Ätzen. Das heißt, ein planares Wachstum durch metallorganische chemische Aufdampfung (MOCVD) für die aktive InGaAsP- Schicht 330 und die passive InGaAsP-Wellenleiterschicht (Kern) 340 gefolgt von zwei MOCVD-Neuzüchtungen für das InP-Gebiet 320 und Deckschichten 350. Nach Züchtung der Aktivschicht 330 und passiven Wellenleiterschicht 340 auf dem n-InP-Substrat 360 werden unter Verwendung einer SiO&sub2;-Maske 2-3-um- breite Mesas geätzt, um das aktive Gebiet 330, das Geradzweiggebiet 340 und den Seitenzweigwellenleiter 360 zu bilden. Insbesondere werden Y-Verbindungs-Wellenleitermesas und die aktive Wellenleitermesa unter Verwendung einer SiO&sub2;-Maske geätzt, wobei die geraden Abschnitte parallel zur [011] Orientierung liegen. Es wird darauf hingewiesen, daß der passive Y-Verbindungs- Wellenleiter 300 dem aktiven Teil, d.h. dem optischen Verstärker 310, ähnlich sein wird, abgesehen von der Aktivschicht 330 und den Deckschichten 350. Typischerweise beträgt die Gesamthöhe der aktiven Wellenleitermesa 1,5-2 um und die Höhe der Y-Verbindungsmesa beträgt weniger als 1 um. Als nächstes wird eine MOCVD-Neuzüchtung durchgeführt, um den halbisolierenden Block des InP- Gebiets 320 zu bilden. Auch ist der aktive Wellenleiter vollständig mit halbisolierendem InP 320 planarisiert, während der passive Y-Zweig damit bedeckt wird. Die SiO&sub2;- Maske wird entfernt und Deckschichten 350 durch MOCVD gezüchtet. Deckschichten 350 bestehen aus einer 1,5-um- starken p-InP-Schicht gefolgt von einer 0,5-um-starken p+- InGaAs- Schicht.
- Um das in Figuren 6 bis 10 für das Y-Verbindungsgebiet 380 gezeigte Profil der effektiven Brechzahl entlang verschiedener Ebenen des Y-Verbindungs-Wellenleiters zu erhalten, unterscheiden sich die Verarbeitungsschritte von gebräuchlichen Photolithographieschritten. Bei der Definition der Wellenleitermesas 340 und 360 wie oben besprochen, wird das passive InGaAsP zwischen dem Seitenzweigwellenleiter 360 und Geradzweigwellenleiter 340 durch eine flache Ätzung nur teilweise entfernt. Mit durch eine Siliziumdioxidmaske definierten Seiten- und Geradzweigwellenleitern und dem mit Photolack bedeckten, flachgeätzten Y-Verbindungsgebiet, erzeugt eine zweite tiefe Ätzung die passiven InGaAsP-Wellenleitermesas. Die Stärke der zwischen den zwei Zweigen verbleibenden flachgeätzten InGaAsP-Schicht beträgt 0,2 um und verjüngt sich über eine Länge von 100 um von der Y-Verbindungsspitze 410 auf null. Durch Neuzüchtung eines halbisolierenden InP-Gebiets 320 über der InGaAsP-Schicht werden die passiven Wellenleiter vergraben und ergeben die in Figuren 6 bis 10 gezeigte effektive Brechzahl. Der aktive Bereich wird wie oben besprochen durch eine dritte MOCVD-Züchtung der p-InP- und p-InGaAs-Kontaktschichten bedeckt. Diese Schichten in Bereichen des passiven Wellenleiters und der Y-Verbindung werden danach durch chemisches Ätzen entfernt. Alle obigen Ätzschritte werden unter Verwendung von standardmäßigen selektiven Ätzmitteln wie beispielsweise einer 2:1-Mischung von HCl:H&sub3;PO&sub4; für InP und einer 3:1:1-Mischung von H&sub2;SO&sub4;:H&sub2;O&sub2;:H&sub2;O für InGaAsP und InGaAs durchgeführt.
- Der Fachmann wird schnell erkennen, daß der optische Verstärker 310 durch Anbringung von Entspiegelungsschichten an den Endflächen gebildet wird. Es wird jedoch weiterhin in Betracht gezogen, daß der optische Verstärker 310 entweder durch Integrieren eines Gitters zur Bereitstellung einer verteilten Rückkopplung oder durch Verwendung der Fabry-Perot-Resonanzen von den Endflächen, wenn diese durch nachfolgende Beschichtung mit ausreichend hohem Reflexionsvermögen ausgestattet werden, zu einem Laser gemacht werden kann. Man siehe beispielsweise K.Y. Liou et al., Appl. Phys. Lett., Band 54, Nr. 2, Seiten 114-6 (1989).
- Um die Wellenleit- und Leistungsaufteilungseigenschaften des oben hergestellten Y-Verbindungs-Wellenleiters 300 besser zu verstehen, wurden verschiedene Messungen mit einer senkrecht zu den Auskoppelflächen der Gerad- und Seitenzweigwellenleiter 340 bzw. 360 positionierten Vidicon-Infrarotkamera durchgeführt. In einem Beispiel aus der experimentellen Praxis wurden Proben von integrierten Chips, die diagrammatisch in der Figur 3 dargestellt sind, vom Wafer abgeschält und mit dem n-InP- Substrat 360 nach unten auf einem Kupferkühlkörper befestigt. Die Gesamtlänge des Y-Verbindungs-Wellenleiters betrug 1600 um, wobei die Länge der Aktivschicht 330 300 um betrug. Mit Anlegen eines Stromes an die Aktivschicht 330 gegenüber den p-Schichten 350 wurde durch Spontanemission erzeugte nichtpolarisierte Lichtstrahlung in den passiven Wellenleiter 340 eingekoppelt. Mit der Vidicon-Infrarotkamera an verschiedenen Stellen entlang der Richtung des geraden Wellenleiters 340 und Zweigwellenleiters 360 fokussiert wurden die von der Kamera abgebildeten Lichtintensitätsprofile auf einem X- Y-Schreiber registriert und graphisch dargestellt. Insbesondere stellt die Figur 11 die aufgezeichnete Lichtstärke für verschiedene Ebenen entlang dem Wellenleiter in der Z-Achse dar. Beispielsweise kann in der unteren Aufzeichnung der Figur (Z=0) eine sich in den Y- Verbindungs-Bereich 400 fortpflanzende Grundmode gesehen werden. Es ist zu bemerken, daß die Figur 11 deutlich die Aufteilung der Eingangslichtstrahlung in zwei Teile zeigt, die sich in zwei bei ihrer Trennung durch zwei sich verzweigende Wellenleiter geleitete Moden entwickeln. Obwohl die Entfernung auf der Z-Achse korrigiert worden ist, um die Änderung der Brechzahl von Luft (n 1) zum InGaAsP-Halbleiter (n 3,5) zu berücksichtigen, ist die X-Achse nicht korrigiert worden. Die obere Aufzeichnung (Z = 1,5) ist das Nahfeld-Intensitätsmuster der Y-Zweig-Ausgabe abgebildet in Luft in der Nähe der Auskoppelfläche. Aufgrund dieses Intensitätsprofils wurde das Leistungsteilungsverhältnis als 2,4:1 gemessen.
- Um die Ausführung der Polarisierung auf das Leistungsteilungsverhältnis zu charakterisieren, wurde Licht von einer mit 1,55 m betriebenen DFB-Laserdiode in die aktive InGaAsP-Schicht 330 eingekoppelt. Ohne jede Strominjektion in die Aktivschicht wurde das eingekoppelte Licht beinahe vollständig absorbiert. Um die Verluste zu kompensieren, wurde jedoch dann ein Strom von 15 mA über p-Schichten 350 an die Aktivschicht 330 angelegt. Es wird angenommen, daß im Vergleich zu dem Lichtsignal vom externen DFB-Laser die Spontanemission vernachlässigbar ist. Bei gedrehtem DFB-Laser, so daß entweder TE- oder TM-polarisiertes Licht bereitstand, wurden die Nahfeldmuster für jeden Fall fotografiert und aufgezeichnet. In jedem Fall deuten die Messungen an, daß das Leistungsteilungsverhältnis mit 2,4:1 dasselbe bleibt.
- Weitere experimentelle Messungen deuten an, daß der Strahlungsverlust annähernd 8,3% beträgt, während die Leistungsreflexion von der Y-Verbindung 5 x 10&supmin;&sup7; beträgt. Der geringe Reflexionsgrad beruht einfach auf der kleinen Änderung der effektiven Brechzahlen an der Keilstumpfspitze.
- Zum Verständnis und der Berechnung der optischen Verluste und Wellenleiteigenschaften des erfindungsgemäßen Y-Verbindungs-Wellenleiters gehört die Entwicklung eines theoretischen Rahmens, mit dem verschiedene Parameter, die die Leistungsübertragung, das Leistungsteilungsverhältnis, den Strahlungsverlust und die Rückreflexion beeinflussen, definiert werden können. Obwohl die Eigenschaften von Wellenleiterverzweigern schon analysiert worden sind, berücksichtigt die fortschreitende theoretische Analyse die erfindungsgemäße Wellenleiterstruktur in der Nähe der Y-Verbindungs-Keilstumpfspitze. Eine allgemeine Besprechung der Modenwandlung in Wellenleiterverzweigern ist in Burns et al., IEEE Journal of Quantum Electronics, Band QE-11, Seiten 32-9 (1975) zu finden. Es kann gezeigt werden, daß Leistungsteilung durch Modenwandlung am Y-Verbindungsbereich 400 auftritt, wobei das Modenverhalten durch den plötzlichen Übergang an der Y-Verbindungsspitze 410 beherrscht wird. Eine in der folgenden Analyse getroffene Annahme ist jedoch, daß Wellenleiterverjüngung vor und nach dem Y-Verbindungsbereich 400 adiabatisch ist. Wellenleiterübergänge sind von D. Marcuse in dem Artikel mit dem Titel "Radiation Losses of Tapered Dielectric Slab Waveguides" (Strahlungsverluste von Plattenleitern mit verjüngtem Dialektrikum), Bell System Technical Journal, Band 49, Seiten 273-90 (1970) behandelt worden. Insbesondere zeigt Marcuse, daß eine Leistungsübertragung zwischen normalen Moden des Wellenleiters vernachlässigbar ist, wenn die Länge der Verjüngung lang genug ist.
- Zur Berechnung der Modenkopplung am Y-Verbindungsbereich 400, müssen die optischen Felder der Wellenleitermoden berechnet werden. Unter Verwendung des Verfahrens der effektiven Brechzahl werden die seitlichen und Querprofile der optischen Felder getrennt durch Anwendung einer Variablentrennung bei den Wellengleichungen berechnet. Eine Besprechung des Verfahrens der effektiven Brechzahl ist beispielsweise bei W. Streifer et al., Appl. Optics, Band 18, Seiten 3724-5, 1979 zu finden. Die Wellenleiterstruktur auf der Y-Achse für den Geradzweigwellenleiter 340 ist ein einfacher dreischichtiger symmetrischer Wellenleiter: eine dünne InGaAsP- Wellenleiterschicht 340 zwischen einem InP-Substrat 360 und InP-Gebiet 320. Demnach kann die effektive Brechzahl leicht durch Lösung der Dreischicht-Wellengleichungen erhalten werden. Weiterhin kann gezeigt werden, daß die in der Figur 12 dargestellte äquivalente Struktur des Y- Verbindungs-Wellenleiters durch Verwendung der effektiven Brechzahlen n&sub1;, n&sub2; und n&sub3; für die drei Stärkegebiete d&sub1;,d&sub2; bzw. d&sub3; auf die Einkopplung von Lichtstrahlung aus einer Dreischicht-Wellenleiterstruktur in eine asymmetrische Fünfschicht-Wellenleiterstruktur nach Figur 13 reduziert werden kann. Es wird darauf hingewiesen, daß die Brechzahl n&sub0; die Brechzahl für InP-Gebiete 360 und 320 bei der Wellenlänge von 1,55 um ist. Zusätzlich läßt sich der Winkel θ behandeln, indem man später der Feldlösung der parallelen Wellenleiterstruktur der Figur 13 einen Phasenverschiebungsfaktor hinzufügt.
- Bei Verwendung des obigen Formalismusses für den Fall der TE-Polarisation erhalten wir folgende Ausdrücke für die Amplitude des elektrischen Feldes Ey (x) in verschiedenen Gebieten der Fünfschicht-Wellenleiterstruktur in Figur 13:
- wobei Ey(d&sub1;+d&sub2;) in Gl.(4) von Gl.(3) ist, wobei x = d&sub1; + d&sub2;, und Ey(d&sub1;+d&sub2;+d&sub3;) in Gl.(5) von Gl.(4) ist, wobei x = d&sub1;+d&sub2;+d&sub3;. Natürlich wird das Magnetfeld Hz für die Fünfschicht-Wellenleiterstruktur gegeben durch:
- In Gleichungen (1) bis (5) sind κi(i=1,3) und γi(i=0,2) die Sinuswellenvektoren bzw. exponentiellen Abklingkonstanten. Sie sind wie folgt mit der Fortpflanzungskonstante β verwandt:
- wobei n&sub1;, n&sub2; und n&sub3; die effektiven Brechzahlen der Schicht d&sub1;, d&sub2; bzw. d&sub3; sind; n&sub0; die Brechzahl von InP ist und k&sub0; der Wellenvektor im freien Raum ist.
- Die normalen Moden für die Fünfschicht-Wellenleiter, bzw. die "zulässigen" Werte von β werden durch Lösen der Eigenwertgleichung bestimmt, die durch Anwendung der Grenzbedingungen auf die Feldausdrücke erhalten wird; d.h. Ey und Hz sind an den Schichtgrenzflächen kontinuierlich. Die effektive Brechzahl der Mode neff des Fünfschicht-Wellenleiters wird dann gegeben durch:
- neff = β/k&sub0; (9)
- Es wird darauf hingewiesen, daß die Feldlösungen in Gleichungen (1) bis (5) für den Fall gelten, wo
- neff < n&sub1;, n&sub3; und neff > n&sub0;, n&sub2; (10)
- Der Fall neff< n&sub2; gibt die Moden höherer Ordnung, die wie später gezeigt wird, vernachlässigt werden können.
- Die Menge E in Gl.(1) bis Gl.(5) ist eine durch
- gegebene Normierungskonstante, wobei P die Lichtleistung der Wellenleitermode ist und der Einfachheit halber in dieser Rechnung auf 1 gesetzt ist.
- Wie schon oben bemerkt, ist der Geradzweigwellenleiter 340 wie in Figuren 12 und 13 gezeigt, eine symmetrische Dreischichtstruktur. Das elektrische Feld läßt sich aus Gl. (1) bis Gl. (5) berechnen, indem man einfach d&sub2;=0 und d&sub3;=0 setzt. An der Y-Verbindungsspitze 410 wurde festgestellt, daß dieser Dreischicht-Wellenleiter ein Mehrmoden-Wellenleiter ist. Die sich im Wellenleiter fortpflanzende Mode bleibt jedoch die Grundmode mit der Annahme, daß die kontinuierliche Querschnittveränderung vom Eingangs-Einmodenwellenleiter zu einem Mehrmodenwellenleiter in der Nähe des Y-Verbindungsbereichs adiabatisch ist.
- Bei TM-Moden sind die Ausdrücke für die Magnetfeldkomponenten Hy(x) dieselben wie die Ausdrücke für Ey(x) in Gl.(1) bis Gl.(5), wobei κ&sub1;, κ&sub3;, γ&sub0; und γ&sub2; durch
- ersetzt werden. Die Phasenfaktoren der Typen κix und γix in allen trigonometrischen, hyperbolischen und exponentiellen Funktionen bleiben jedoch unverändert. Die effektiven Brechzahlen der TM-Moden werden auf ähnliche Weise aus den entsprechenden aus den Grenzbedingungen abgeleiteten Eigenwertgleichungen bestimmt.
- Es ist zu bemerken, daß bei einem Wellenleiter mit vergrabenem Halbleiter die TE-Polarisation konventionell als das elektrische Feld parallel zur Grenzfläche zwischen der dünnen Wellenleiterschicht und dem Substrat definiert wird. Beispielsweise liegt das elektrische Feld für eine TE-Mode für den Wellenleiter in der Figur 13 parallel zur Grenzfläche zwischen InGaAsP-Schicht 340 (λ = 1,3 um) und dem n-InP-Substrat 360 und liegt senkrecht zur Axialrichtung des Wellenleiters. Bei dieser Konvention ist es von Bedeutung, darauf zu achten, daß eine TE-Mode für den dreidimensionalen vergrabenen Wellenleiter einer TM-Polarisation für die eindimensionalen Wellenleiterstrukturen in Figuren 12 und 13 entspricht. Die optischen Felder für TE-Moden werden daher durch Berechnung der TM-Felder des Füxifschichten-Seitenwellenleiters unter Verwendung von effektiven TE-Brechzahlen n&sub1;, n&sub2; und n&sub3; des Dreischichten-Querleiters erhalten.
- Figuren 14, 15 und 16 zeigen die berechneten optischen Feldamplituden der beiden Moden TE&sub0;&sub0; und TE&sub0;&sub1; der niedrigsten Ordnung des Y-Zweiges, wenn sich die beiden zusammengekoppelten Wellenleiter trennen. Im Eingangsabschnitt des einzelnen Wellenleiters wird nur die TE&sub0;&sub0;-Grundmode gezeigt. Es ist zu bemerken, daß die TE&sub0;&sub0;-Mode durch den Geradzweigwellenleiter 340 geleitet wird, während sich die TE&sub0;&sub1;-Mode mit wachsender Trennung zwischen den zwei Leitern zum Seitenzweigwellenleiter 360 verschiebt. Bei unserer Wellenleiterstruktur weisen die Moden der höheren Ordnung einen viel kleineren Kopplungskoeffizienten zum Eingangswellenleiter als die in Figuren 14 bis 16 gezeigten TE&sub0;&sub0;- und TE&sub0;&sub1;-Moden auf. Zusätzlich strahlen die Moden der höheren Ordnung, wenn sich die beiden Y-Zweige trennen, wobei sich die Stärke der InGaAsP-Schicht im Gebiet zwischen den beiden Leitern auf null verringert.
- Leistungswandlung an der Y-Verbindung kann dann berechnet werden, indem die Kopplungskoeffizienten zwischen der TE&sub0;&sub0;-Einfallmode und den TE&sub0;&sub0;- und TE&sub0;&sub1;-Übertragungsmoden berechnet werden. Die Kopplungskoeffizienten können dadurch berechnet werden, daß man die Y-Verbindung als plötzlichen Übergang an der Y- Verbindungsspitze ansieht. Dies gleicht dem Ansatz des Standes der Technik für eine Schritt-Stoßstelle in einem Einmodenwellenleiter. Die Kopplungskoeffizienten werden unter Verwendung der orthogonalen Beziehungen der normalen Moden und der Grenzbedingung, bei der die Querfeldkomponenten an der Y-Verbindungsspitze kontinuierlich sind, abgeleitet, wobei der Einzelwellenleiter mit der Abstumpfung d&sub2; stumpf an die Y- Zweige d&sub1; und d&sub3; angekoppelt ist. Bei unserem Mehrmodenfall erhalten wir die Übertragungskoeffizienten tm
- wobei die Modenzahl m = 0,1 für die beiden übertragenen Moden der niedrigsten Ordnung gelten. Der obere Index (i) stellt die einfallende Mode dar und (t) stellt die übertragene Mode dar. Die Funktion E(x)* ist die komplexe Konjugierte von E(x). Der Reflexionskoeffizient r ist gegeben durch
- In Gl.(12) und Gl.(13) wird die sich im Seitenzweigwellenleiter 360 fortpflanzende Mode mit einem Winkel θ durch Ersetzen von E&sub1;(t) durch
- erhalten. In unserem Fall ist die Leistungsübertragung zum Geradzweigwellenleiter 340 dann durch t&sub0; ² gegeben und die Übertragung zum Seitenzweigwellenleiter 360 ist durch t&sub1; ² gegeben. Der Leistungsreflexionsgrad ist durch r ² gegeben. Der Strahlungsverlust L an der Y-Verbindung kann dann berechnet werden durch
- L=1- tm ²- r ² (14)
- Bei TE-Polarisation beträgt die berechnete Leistungsübertragung 0,638 für den geraden Zweig und 0,276 für den gekrümmten Zweig bei einem Winkel von 3,5º. Das Leistungsteilungsverhältnis beträgt 2,32:1. Der berechnete Leistungsreflexionsgrad von der Y-Verbindung beträgt 5,2x10&supmin;&sup7;. Der Strahlungsverlust beträgt 0,0863.
- Bei TM-Polarisation beträgt das berechnete Leistungsteilungsverhältnis 2,30:1 und der Leistungsreflexionsgrad beträgt 5,1x10&supmin;&sup7;. Es wurde festgestellt, daß der Unterschied zwischen den Leistungsteilungsverhältnissen für TE- und TM-Polarisation kleiner als 1% ist. Der Meßwert 2,4:1 stimmt gut mit dem berechneten Wert von 2,3:1 überein.
- Dieselben mathematischen Ausdrücke (Gleichungen 1 bis 14) können dafür benutzt werden, Y-Verbindungswellenleiter mit anderen Leistungsteilungsverhältnissen als in der oben beschriebenen beispielhaften Ausführungsform zu konstruieren.
Claims (20)
1. Lichtwellenleiterverzweiger mit:
einem ersten Wellenleiter (20) und
einem zweiten Wellenleiter (50), der den ersten
Wellenleiter schneidet und optisch an ihn angekoppelt
ist, um eine Y-Verbindung mit einer Keilstumpfspitze
(410) zu bilden, wobei die besagte Y-Verbindung ein
zwischen besagten ersten und zweiten Wellenleitern
befindliches Verbindungsgebiet (70) aufweist, dadurch
gekennzeichnet, daß das besagte Verbindungsgebiet einen
Gradienten in der effektiven Brechzahl entlang der Achse
der Lichtfortpflanzung des besagten ersten Wellenleiters
enthält, um den Unterschied zwischen den effektiven
Brechzahlen an der optischen Grenzfläche der besagten
Keilstumpfspitze zu reduzieren.
2. Lichtwellenleiterverzweiger nach Anspruch 1, wobei
der besagte Gradient der effektiven Brechzahl sich von
der Brechzahl des Kerns zur Brechzahl des Mantels des
besagten ersten Wellenleiters verändert.
3. Lichtwellenleiteryerzweiger nach Anspruch 1 oder
Anspruch 2, wobei der besagte Gradient der effektiven
Brechzahl weiterhin ein erstes Halbleitermaterial mit
einer allmählichen Stärkeabnahme und ein über dem
besagten ersten Halbleitermaterial angeordnetes zweites
Halbleitermaterial umfaßt, wobei das besagte erste
Halbleitermaterial eine höhere Brechzahl als das besagte
zweite Halbleitermaterial aufweist.
4. Lichtwellenleiterverzweiger nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, wobei besagte erste und zweite
Wellenleiter Planarwellenleiter sind.
5. Lichtwellenleiterverzweiger nach Anspruch 4, wobei
besagte erste und zweite Wellenleiter auf einem
Halbleitersubstrat integriert sind.
6. Lichtwellenleiterverzweiger nach Anspruch 5, wobei
das besagte Halbleitersubstrat InP umfaßt.
7. Lichtwellenleiterverzweiger nach Anspruch 6, wobei
besagte erste und zweite Wellenleiter InGaAsP umfassen.
8. Lichtwellenleiterverzweiger nach Anspruch 7, wobei
besagte erste und zweite Halbleitermaterialien InGaAsP
bzw. InP umfassen.
9. Lichtwellenleiterverzweiger nach Anspruch 7 oder
Anspruch 8, wobei das besagte InGaAsP-Material eine
Bandabstandsenergie entsprechend einer Wellenlänge von
1,3 um aufweist.
10. Lichtwellenleiterverzweiger nach einem der Ansprüche
6 bis 9, wobei das besagte InP-Material halbisolierend
ist.
11. Lichtwellenleiterverzweiger nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, wobei der besagte erste Wellenleiter
den besagten zweiten Wellenleiter in einem Winkel von
weniger als 5º schneidet.
12. Lichtwellenleiterverzweiger nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, wobei besagte erste und zweite
Wellenleiter Einmodewellenleiter sind.
13. Lichtwellenleiterverzweiger nach Anspruch 12, wobei
besagte erste und zweite Wellenleiter für adiabatische
Modenfortpflanzung für ein von der besagten
Keilstumpfspitze entfernt gelegenes Gebiet verjüngt sind.
14. Vorrichtung mit einem optisch an einen
Wellenleiterverzeiger nach einem der vorhergehenden Ansprüche
angekoppelten optischen Verstärker.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei der besagte
Wellenleiterverzweiger einem der Ansprüche 5 bis 10
entspricht und der besagte optische Verstärker auf
besagtem Halbleitersubstrat integriert ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei der besagte
optische Verstärker weiterhin eine aktive
Halbleiterschicht umfaßt.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei ein Teil des
besagten ersten Wellenleiters unterhalb der besagten
aktiven Halbleiterschicht angeordnet ist, so daß die
Lichtausstrahlung vom besagten optischen Verstärker
optisch an den besagten ersten Wellenleiter angekoppelt
ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 16 oder Anspruch 17, wobei
das besagte Substrat InP umfaßt und der besagte erste und
zweite Wellenleiter und die besagte aktive
Halbleiterschicht passive bzw. aktive InGaAsP-Materialien umfassen.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei das besagte
passive InGaAsP-Material eine Bandabstandsenergie
entsprechend einer Wellenlänge von 1,3 um aufweist.
20. Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei das besagte
aktive InGaAsP-Material eine Bandabstandsenergie
entsprechend einer Wellenlänge von 1,55 um aufweist.
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