DE69319468T2

DE69319468T2 - Optische Halbleitervorrichtung, Methode zu ihrem Betrieb und ein diese Vorrichtung verwendendes optisches Übertragungssystem

Info

Publication number: DE69319468T2
Application number: DE69319468T
Authority: DE
Inventors: Toshihiko C/O Canon Kabushiki Kaisha Ohta-Ku Tokyo Ouchi; Hajime C/O Canon Kabushiki Kaisha Ohta-Ku Tokyo Sakata
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1992-02-06
Filing date: 1993-02-04
Publication date: 1999-01-28
Anticipated expiration: 2013-02-05
Also published as: EP0558948B1; JPH05218385A; US5349598A; DE69319468D1; EP0558948A1; JP3245932B2

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft eine integrierte optische Halbleitervorrichtung oder -einrichtung wie eine kohärente Erfassungseinrichtung für eine kohärente optische Übertragung oder Kommunikation und dergleichen, ein Verfahren zum Ansteuern der integrierten optischen Halbleitervorrichtung und ein optisches Übertragungs- oder Kommunikationssystem, das die integrierte optische Halbleitervorrichtung verwendet.

VERWANDTER STAND DER TECHNIK

In den zurückliegenden Jahren sind Forschung und Entwicklung von kohärenter optischer Kommunikation wegen dessen verbesserter Signalempfangs-Empfindlichkeit, dessen erhöhter Signalvielfalt eines Weilenlängen-Multiplexsystems und anderen technischen Vorteilen weit vorangeschritten. Eines der Empfangsverfahren der kohärenten optischen Kommunikation ist ein optisches Heterodyn-Erfassungssystem. Das Konzept dieses Heterodyn-Erfassungssystems wird nachstehend anhand Fig. 10 kurz beschrieben.
Ein durch ein Signallicht erzeugtes Schwebungssignal und ein durch einen Empfangsoszillator oder einen auf einer Signalempfangsseite angeordneten Laser 55 zur lokalen Oszillation erzeugtes lokales Licht wird durch eine Signalempfangseinrichtung wie eine PIN-Photodiode (PD) 56 empfangen, und das empfangene Signal wird durch einen Verstärker und ein Tiefpaßfilter 58 demoduliert. Die Oszillationswellenlänge des lokalen Lichts muß von der Wellenlänge des Signallichts um einen konstanten Wert beständig abweichen, weshalb die Wellenlänge oder Phase des lokalen Lichts durch Steuern eines Stroms stabilisiert wird, der in die lokale Oszillations-Laserdiode 55 mit einer das Schwebungssignal verwendenden Steuereinrichtung 57 injiziert wird. Auf diese Weise wird der Wellenlängen- oder Phasenunterschied zwischen dem Signallicht und dem lokalen Licht stabilisiert und auf einen konstanten Wert eingestellt. Diese Stabilisierung wird als automatische Frequenzsteuerung (AFC) oder Phasenregelkreis (PLL) bezeichnet.
Derzeit wird ein kompliziertes System aufgebaut, das eine Vielzahl von optischen Bauteilen zum Ausführen einer derartigen optischen Heterodyn-Erfassung verwendet. Es ist jedoch kritisch, eine kleine kohärente Empfangsvorrichtung zu entwickeln und zu verwirklichen, die auf einem gemeinsamen Substrat integriert ist und eine verbesserte Stabilität und Zuverlässigkeit aufweist, um die kohärente optische Übertragungstechnik zu verbessern und in der Praxis zu verwirklichen.
Beispielsweise ist eine Vorrichtung vorgestellt worden, bei der ein lokaler Oszillationslaser 101, ein Drei- (3-) dB- Koppler 102, und PIN-Photodioden 103a und 103b auf einem gemeinsamen Substrat 100 aus InP gemäß Fig. 1 integriert sind (siehe "Electronics Information Communication Academy of Japan", IOE, 90-3). Bei dieser ebenen Wellenleitereinrichtung wird die Kopplung zwischen einem eintreffenden Signallicht a und einem Licht aus dem Laser 101 mit verteilter Rückkkopplung durch den Drei-dB-Koppler 102 erreicht. Dann wird das geoppelte Licht in zwei Teile aufgeteilt, und diese aufgeteilten Schwebungssignale werden jeweils durch die PIN-Photodioden 103a und 103b empfangen. Die zwei Signale sind miteinander identisch, wobei eines zur Erfassung verwendet wird, während das andere für die automatische Frequenzregelung oder den Phasenregelkreis verwendet wird.
Die vorstehend beschriebene integrierte kohärente Erfassungsvorrichtung weist jedoch die folgenden Nachteile auf:
Der erste Nachteil bezieht sich auf die Herstellungsgenauigkeit eines Teils des Drei-dB-Kopplers 102 und der Länge des Wellenleiters. Der Wellenleiter wird durch Photolithographie und Ätzen hergestellt, die nach dem Wachsen von Halbleiterschichten auf das Substrat 100 ausgeführt werden, und der Kopplungsgrad oder der Wirkungsgrad des Kopplers 102 verändert sich wegen der Schwankung der Herstellungsgenauigkeit des Wellenleiters. Daher nimmt die Ausbeute eines gewünschten Kopplungsgrads ab. Da die Länge von 1 mm bis 2 mm als Kopplungslänge des Kopplers 102 erforderlich ist, nimmt außerdem die gesamte Größe der Vorrichtung zu. Da darüber hinaus optische Verluste in dem Wellenleiter zunehmen, muß der Wellenleiter aus einem Material ausgebildet sein, das transparent für ein sich ausbreitendes Licht ist. Infolgedessen sollte der Wellenleiter aus einem Material hergestellt sein, das verschieden von demjenigen des Lasers 101 und der Photodioden 103a und 103b ist. Infolgedessen wird der Herstellungsvorgang kompliziert, und Kopplungsverluste zwischen dem Wellenleiter und dem Laser 101 und den Photodioden 103a sowie 103b entstehen.
Wenn eine Lichtübertragungsleitung in einem Ring- oder Bus- Netzwerk eingebaut ist, die eine Vielzahl von Knoten enthält, ist zweitens ein Signalsender für einen Repeater bzw. Verstärker erforderlich, falls ein Signallicht von der Übertragungsleitung an einem Knoten entnommen oder entzogen wird, weshalb der Aufbau eines Signalempfangsabschnitts in dem Knoten kompliziert wird. In dem Fall der vorstehend beschriebenen, integrierten kohärenten Erfassungsvorrichtung muß ein Koppler mehr vorgesehen sein, um lediglich einen Teil des Signallichts zu der Erfassungseinrichtung zu führen, oder ein Laser zur Signalübertragung muß ebenfalls zur Übertragung eines Signallichts zu der Übertragungsleitung über den Koppler 102 integriert sein. Daher ist es erforderlich, mehrere Elemente auf dem Substrat zu integrieren, um eine derartige Verstärker funktion zu erhalten, weshalb der Herstellungsvorgang kompliziert wird.
Die EP-A-0 238 082 offenbart eine integrierte optische Halbleitervorrichtung, die bei der optischen Übertragung verwendet wird. Einige frequenzselektive Sender und bzw. oder Empfänger sind in der Nähe eines Wellenleiters angeordnet, der auch selektiv sein kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine integrierte optische Halbleitervorrichtung wie eine integrierte optische Erfassungsvorrichtung und dergleichen zu schaffen, die zur kohärenten optischen Erfassung usw. geeignet ist, eine kompakte Größe aufweist, verschiedene Funktionen hat und leicht herzustellen ist, und ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen integrierten optischen Halbleitervorrichtung zu schaffen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine integrierte optische Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 und durch ein Verfahren zur Ansteuerung einer derartigen integrierten optischen Halbleitervorrichtung nach Anspruch 18 geschaffen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der bevorzugten Ausführungsbeispiele und unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht, die eine herkömmliche integrierte, optische kohärente Erfassungsvorrichtung darstellt.
Fig. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht, die eine erfindungsgemäße optische Halbleitervorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel darstellt.
Fig. 3 zeigt eine Querschnittsansicht, die den Aufbau gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel darstellt.
Fig. 4 zeigt einen Graphen, der eine Wellenlängenabhängigkeit des Kopplungs-Wirkungsgrads bei einem Koppler gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel darstellt.
Fig. 5A und 5B zeigen jeweils Graphen, die Wellenlängenabhängigkeiten des Kopplungs-Wirkungsgrades und der Transmittivität bzw. Übertragung darstellt.
Fig. 6 zeigt eine Querschnittsansicht, die den Aufbau gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt.
Fig. 7 zeigt eine Draufsicht, die den Aufbau gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt.
Fig. 8 zeigt eine Querschnittsansicht, die den Aufbau gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt.
Fig. 9 zeigt ein Blockschaltbild, das einen Rückkopplungskreis eines phasengesteuerten Regelkreises darstellt.
Fig. 10 zeigt ein Blockschaltbild, das ein Konzept einer kohärenten optischen Erfassung darstellt.

BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS

Nachstehend wird eine optische Halbleitervorrichtung gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezug auf Fig. 2 und 3 beschrieben. Fig. 2 zeigt den Aufbau gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel und verwendet eine perspektivische Querschnittsansicht einer aufgeschnittenen Vorrichtung, und Fig. 3 zeigt den Aufbau gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel und verwendet eine Querschnittsansicht, die entlang einer Längsrichtung oder einer Lichtausbreitungsrichtung genommen wird.
Bei dem ersten Ausführungsbeispiel läuft das Herstellungsverfahren wie folgt ab:
Auf einem n-Typ-GaAs-Substrat 1 werden eine (nicht dargestellte) n-Typ-GaAs-Pufferschicht mit einer Dicke von 0,5 um, einer n-Typ-Al0,5Ga0,5As-Hüllschicht 2 mit einer Dicke von 0,5 um, einem multiplen n-Typ-Qantentopf- (MQW-) Aufbau mit einem aus neun (9) Gruppen von n-Typ-GaAs-Wannen bestehenden unteren Wellenleiter 3 (Dicke: 3 nm (30 Å)), Al0,3Ga0,7As-Barrieren (Dicke: 8 nm (80 Å), einer n-Typ-Al0,5Ga0,5As-Hüllschicht 4 mit einer Dicke von 1,0 um, einer aktiven MQW-Aufbauschicht 5, die aus drei (3) Gruppen von undotierten GaAs-Wannen (Dicke: 6 nm (60 Å) bzw. Al0,2Ga0,8As--Barrieren (Dicke: 10 nm (100 Å)) besteht, eine (nicht dargestellte) p-Typ-Al0,4Ga0,3As-ladungsträgerbeschränkte Schicht mit einer Dicke von 40 nm (400 Å) und einer p-Typ-Al0,2Ga0,8As-Lichtleiterschicht 6 mit einer Dicke von 0,25 um in der genannten Reihenfolge durch molekulare Strahlenepitaxie (MBE) aufgewachsen.
Dann wird ein Gitter g&sub2; mit einem Spaltabstand oder einer Periodizität von 244 nm (2440 11) und einer Tiefe von 100 nm (1000 Å) in einem Bereich eines in den Fig. 2 und 3 dargestellten Laserabschnitts mit verteilter Rückkopplung (DFB-Laserabschnitt) 20 ausgebildet, wobei ein Zweistrahl-Interferenzbelichtungsverfahren verwendet wird, das einen He-Cd-Laser und ein reaktives Ionenstrahlätzen (RIBE) verwendet. Außerdem wird ein grobes Gitter g&sub1; mit einem Spaltabstand oder einer Periodizität von 10 um (ein konvexer Abschnitt beträgt 7 um und ein konkaver Abschnitt 3 um) und einer Tiefe von 0,1 um in einem Kopplungsbereich oder -abschnitt 21 unter Verwendung von Photolithographie und RIBE ausgebildet. Der Kopplungsabschnitt 21 wird auf eine Länge von 500 um eingestellt, da ein über den unteren Wellenleiter 3 übertragenes Licht vollständig zu dem oberen Wellenleiter 5 und 6 im Fall von 500 um verschoben wird. Die Länge des Laserabschnitts 20 mit verteilter Kopplung wird auf 300 um eingestellt. Die gesamte Länge eines PIN-Photodio denbereichs oder -abschnitts 22 wird auf 200 um eingestellt. Daher beträgt die Länge der gesamten Vorrichtung oder Einrichtung 1 mm.
Nachdem der Aufbau der Lichtleiterschicht 6 hergestellt ist, werden wiederum eine p-Typ-Al0,5Ga0,5As-Hüllschicht 7 mit einer Dicke von 1,5 um und eine p-Typ-GaAs-Kontaktschicht 8 mit einer Dicke von 0,5 um auf der Lichtleiterschicht 6 durch ein Verfahren einer metallorganischen, chemischen Abscheidung aus der Gasphase (MO-CVD-Verfahren) aufgewachsen. Dann wird eine SiO&sub2;-Schicht durch ein Magnetron-Sputter- bzw. Zerstäubungsverfahren erzeugt, und danach wird ein Streifen der SiO&sub2;-Schicht mit einer Breite von 1,5 um aufgebracht, ein Mesa-Ätzen bis zu dem GaAs-Substrat 1 durch RIBE mit einem Resist auf der SiO&sub2;- Schicht als Maske ausgeführt. Nachdem das Resist entfernt wird, wird wiederum Al0,5Ga0,5As 19 mit hohem Widerstand selektiv unter Verwendung von MOCVD mit der SiO&sub2;-Streifenschicht als Maske aufgewachsen. Daher wird der Mesa-Abschnitt gemäß Fig. 2 beerdigt.
Nachdem die SiO&sub2;-Schicht entfernt wird, wird eine obere Cr/Au-Elektrode aufgebracht, und Elektroden 9 bis 13 und die Kontaktschicht 8 werden jeweils zumindest in Positionen getrennt, wie durch die vertikal gepunkteten Linien in Fig. 3 dargestellt ist. Danach wird das Substrat 1 auf eine Dicke von 100 um geläppt, eine untere Au-Ge/Au-Elektrode 30 aufgebracht und legiert.
Nachstehend wird die Funktion der auf diese Weise hergestellten Vorrichtung beschrieben. Das erste Ausführungsbeispiel dient als kohärente Erfassungsvorrichtung bei einem Frequenzumtastungs- (FSK-) oder Phasenumtastungs- (PSK-) System, das eine Lichtübertragungsleitung enthält, die mit einer Frequenz von 830 nm arbeitet. Der untere Wellenleiter 3 ist transparent bei der Wellenlänge von 830 nm, und ein Signallicht a tritt in den unteren Wellenleiter 3 gemäß Fig. 2 und 3 ein. Das Signallicht wird allmählich in den oberen Wellenleiter 5 und 6 wie durch das Bezugszeichen c angezeigt wegen des in dem Kopplungsabschnitt 21 des oberen Wellenleiters 5 und 6 ausgebildeten Gitters g&sub1; eingekoppelt, wenn das Signallicht sich ausbreitet, und der verbleibende Teil wird wie durch das Bezugszeichen b angezeigt nach außen gesandt. Ein Laser mit verteilter Rückkopplung zur lokalen Oszillation wird auf einem oberen Abschnitt des DFB-Laserbereichs 20 ausgebildet, und ein Teil des aus diesem DFB-Laser ausgesandten Lichts breitet sich entlang des oberen Wellenleiters 5 und 6 aus. Ein zwischen dem Licht aus diesem DFB-Laser und dem Signallicht erzeugtes Schwebungssignal wird durch den PIN-Photodiodenabschnitt 22 erfaßt. Ein Teil des Laserlichts wird in den unteren Wellenleitern 3 wie durch das Bezugszeichen d angezeigt eingekoppelt und wie durch das Bezugszeichen b angezeigt ausgesandt. In dem PIN-Photodiodenabschnitt 22 ist die Elektrode in zwei Abschnitte 12 und 13 aufgeteilt, und ein Abschnitt 12 wird zur Zufuhr eines Rückkopplungssignals in den DFB--Laserabschnitt 20 verwendet, während der andere Abschnitt 13 zur Zufuhr eines Signals zur Erfassung verwendet wird. Eine derartige Funktion wird zur geeigneten Steuerung einer an die Elektrode 11 angelegten Spannung in dem Kopplungsbereich 21 durch eine Spannungsquelle 17 erreicht.
Der DFB-Laser des Laserabschnitts 20 schwingt mit ungefähr 830 nm, und dessen Schwellwert und Spektrallinienbreite betragen jeweils 25 mA und 3 MHz. Der DFB-Laser des Laserabschnitts 20 ist mit zwei aufgeteilten Elektroden 9 und 10 versehen, und die Oszillationswellenlänge kann ununterbrochen über einen Bereich von ungefähr 1 nm (10 Å) verändert werden, indem ungleichmäßig Ströme in diese Elektroden 9 und 10 injiziert werden. Eine der Elektroden 9 und 10 kann zur Rückkopplung zur Stabilisierung der Oszillationswellenlänge verwendet werden.
Der Kopplungsbereich 21 kann das Wellenlängenband auswählen, das aus dem unteren Wellenleiter 3 nach oben durch geeignete Einstellung des Gitterabstands g&sub1; zu koppeln ist, und gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird die Filterkennlinie einer Halbwertsbreite von 2,5 nm um 830 nm gemäß Fig. 4 ausgewählt.
Die Filterwellenlänge kann kontinuierlich zu einem kleineren Wert um ungefähr 5 nm durch Anlegen einer Spannung an die Elektrode 11 verschoben werden, weshalb der Kopplungsgrad oder der Wirkungsgrad von Licht mit dem oberen Wellenleiter 5 und 6 gemäß Fig. 4 verändert werden kann.
Die Grenzfrequenz des PIN-Photodiodenabschnitts 22 beträgt 2,0 GHz bei einer Spannung von 0 V und 3,2 GHz bei einer Rückwärtsspannung von 5,0 V.
Nachstehend wird ein Verfahren zur Ansteuerung der vorstehend beschriebenen Vorrichtung unter Bezug auf Fig. 2 beschrieben. In Fig. 2 bezeichnet die Bezugszahl 14 eine Konstantstromquelle mit einer externen Steuerfunktion, die zwei Kanäle aufweist. Ein Kanal wird dazu verwendet, einen konstanten Strom der Elektrode 9 zuzuführen, und der andere Kanal wird dazu verwendet, der Elektrode 10 einen Strom zuzuführen, der aus einem konstanten Strom besteht, der auf einem Rückkopplungssignal überlagert ist, zum Erreichen einer Frequenzstabilisierung des DFB-Laserabschnitts 20. Das zwischen dem Laserlicht und dem Signallicht erzeugte Schwebungssignal wird durch den PIN-Photodiodenabschnitt 22 empfangen, und das Schwebungssignal wird durch die vordere Elektrode 12 aufgenommen. Bei einer Rückkopplungsschaltung 15, in die das Signal aus der Elektrode 12 eingegeben wird, wird eine Schwankung der Schwebungsfrequenz in eine Schwankung einer Spannung umgewandelt, und diese Spannung wird zur Stabilisierung der Oszillationswellenlänge des Empfangsoszillator-Lasers des Laserabschnitts 20 zu der Konstantstromquelle 14 zurückgeführt. Auf diese Weise wird eine automatische Frequenzregelung erreicht. Oder es wird gemäß Fig. 9 das Schwebungssignal aus der Elektrode 12 durch einen Vorteiler oder Frequenzteiler 53 frequenzgeteilt, ein Phasenunterschied zwischen Signalen aus dem Teiler 53 und einem Frequenzsynthesizer 54 wird aus einem Phasenvergleicher 52 ausgegeben, dieses Phasendifferenzsignal wird zu der Stromquelle 14 über eine Proportional-Integral-Differential- (PID-) Steuereinrichtung 51 zurückgeführt, und die Phase des Laserabschnitts 20 wird stabilisiert. Auf diese Weise wird eine Phasenregelung erreicht.
Der Kopplungs-Wirkungsgrad im Kopplungsabschnitt 21 wird durch die an die Elektrode 11 angelegte Spannung eingestellt. Da das lokale Oszillationslicht bzw. Empfangsoszillationslicht aus dem Laserabschnitt 20 in den unteren Wellenleiter 3 eingekoppelt wird und das Schwebungssignal verringert wird, falls der Kopplungs-Wirkungsgrad an dem Kopplungsabschnitt 21 zu groß ist, wird der Kopplungs-Wirkungsgrad bei einer Wellenlänge von 830 nm gemäß den Fig. 5A und 5B auf ungefähr 70% eingestellt.
Ein anderes Ausgangssignal aus der rückwärtigen Elektrode 13 des PIN-Photodiodenabschnitts 22 wird zur Erfassung des Signallichts durch eine Demodulationsschaltung 16 über einen Verstärker und ein Tiefpaßfilter verwendet.
Das lokale Oszillationslicht aus dem DFB-Laserabschnitt 20 wird über den Kopplungsabschnitt 21 an den unteren Wellenleiter 3 eingekoppelt, und falls das gekoppelte Licht unverändert verbleibt, ist das Ausgangslicht b aus dem unteren Wellenleiter 3 ebenfalls ein Schwebungssignal. Deswegen wird gemäß Fig. 4 die Filter- oder Kopplungswellenlänge durch Anlegen einer Rückwärtsspannung an die Elektrode 11 des Kopplungsabschnitts 21 durch die Spannungsquelle 17 verändert, weshalb die durch punktierte Linien in Fig. 4 dargestellte Kennlinie der Kopplungswellenlänge verwendet wird. Im einzelnen wird zu dem Zeitpunkt, zu dem kein Erfordernis besteht, den Signalempfang durch die Einrichtung auszuführen, die Rückwärtsspannung zum Entkoppeln oder Trennen der oberen und unteren Wellenleiter voneinander bei der Wellenlänge von 830 nm wie durch gekrümmte punktierte Linien in Fig. 4 dargestellt angelegt, und es wird verursacht, daß sich das Signallicht a ohne jede Veränderung nur über den unteren Wellenleiter 3 ausbreitet. Dann breitet sich das lokale Oszillationslicht einfach über den oberen Wellenleiter 5 und 6 aus, und das Signallicht wird durch das lokale Oszillationslicht selbst dann nicht beeinflußt, falls die betroffene Vorrichtung in der Lichtübertragungsleitung eines optischen Übertragungsnetzes angeordnet ist. Wenn das Signal entsprechend der Zeitmultiplexsteuerung übertragen wird, kann infolgedessen die Übertragungsleitung eines Bus- oder Ringtyps einfach durch diese Einrichtung aufgebaut sein.
Der Laserabschnitt 20 für die Empfangsoszillation kann auch als Signalsender verwendet werden. Zu diesem Zweck wird die Spannung an dem Kopplungsabschnitt 21 derart eingestellt, daß der Kopplungs-Wirkungsgrad zwischen den oberen und unteren Wellenleitern auf nahezu 100% zu dem Zeitpunkt eingestellt wird, bei dem kein Signalempfang erforderlich ist. Zu diesem Zeitpunkt wird das eintreffende Licht a in den Empfänger oder Photodetektorabschnitt 22 eingegeben, während das lokale Empfangslicht aus dem Laserbereich 20 vollständig in den unteren Wellenleiter 3 eingekoppelt und nach außen gesendet wird.
Außerdem kann der Laserabschnitt 20 für die Empfangsoszillation als Repeater bzw. Verstärker verwendet werden. Fast das ganze Signallicht a, das auf die Auftreff-Endoberfläche der Einrichtung auftrifft, wird in den oberen Wellenleiter 5 und 6 eingekoppelt. Das durch die Demodulationsschaltung 16 erfaßte Signal wird zu der Stromquelle 14 zurückgeführt, und der Laserabschnitt 20 dient als Repeater bzw. Verstärker durch Modulation des Lasers in diesem Abschnitt 20 auf Grundlage dieses Signals. Die Spannung an dem Kopplungsabschnitt 21 wird derart eingestellt, daß der Kopplungs-Wirkungsgrad an der Wellenlänge des modulierten Oszillationslichts auf über 90% eingestellt wird, und das modulierte Licht wird in den unteren Wellenleiter 3 eingekoppelt, um zu der Lichtübertragungsleitung übertragen zu werden.
Die vorstehend beschriebene Vorrichtung oder Einrichtung kann auf das folgende Übertragungssystem angewandt werden.
Bei diesem System wird ein Lichtfrequenzmultiplex von Signalen in einem vorbestimmten Wellenlängenband ausgeführt, deren Übertragungsgeschwindigkeiten hoch sind, während ein Steuersignal, dessen Übertragungsgeschwindigkeit niedrig ist, unter Verwendung einer einzelnen Wellenlänge übertragen wird, die in einem Wellenlängenbereich liegt, der einige Nanometer von dem vorbestimmten Wellenlängenband entfernt liegt. Die Signale mit hohen Übertragungsgeschwindigkeiten werden unter Verwendung des lokalen Empfangslichts aus dem Laserabschnitt 20 kohärent erfaßt, da sie frequenzgemultiplext sind. Demgegenüber muß das Signal der einzelnen Wellenlänge mit niedriger Geschwindigkeit nicht kohärent erfaßt werden. Die Auswahl oder Trennung zwischen den vorstehend erwähnten zwei Wellenlängenbändern oder -bereichen wird durch Veränderung der Filterung oder der Kopplungswellenlänge wie vorstehend beschrieben durch Steuerung der an den Kopplungsabschnitt 21 angelegten Spannung erreicht. Da die Wellenlänge des lokalen Empfangslichts nicht zu der des Lichts geringer Geschwindigkeit abgestimmt werden muß, ist eine Größe von einigen Nanometern für die veränderbare Wellenlängenbreite des lokalen Empfangslichts nicht erforderlich.
Die Vielfalt des Lichtfrequenzmultiplex wird aus der veränderbaren Wellenlängenbreite des DFB-Laserabschnitts 20 bestimmt. Angenommen, daß das Frequenzintervall der Signale hoher Geschwindigkeit 10 GHz beträgt, beträgt die Vielfalt ungefähr 30, da die mittlere Wellenlänge eines Oszillationsspektrums des Laserabschnitts 20 innerhalb einer Breite von 1 nm (10 Å) (ungefähr 300 GHz) verändert werden kann. Die Vielfalt wird auch durch die Wellenlängenstabilitäten der wellenlängengemultiplexten Signallichter und des lokalen Empfangslichts bestimmt, aber die Stabilität des lokalen Empfangslichts muß nicht so streng sein, wenn eine große Vielfalt nicht erforderlich ist. In diesem Fall können Techniken der vorstehend beschriebenen automatischen Frequenzregelung und der Phasenregelung und dergleichen beseitigt werden. Falls die Wellenlänge des Laserabschnitts 20 außerdem durch Veränderung dessen Temperatur stark verändert wird, kann die Vielfalt außerdem weiter erhöht werden.

Zweites Ausführungsbeispiel

Fig. 6 zeigt eine Längs-Querschnittsansicht, die ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt.
Gemäß Fig. 6 ist der Aufbau eines Kopplungsabschnitts 36 derselbe wie der des Kopplungsabschnitts 21 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Ein lokaler Empfangslaserabschnitt 35 wird durch einen Drei-Elektroden-Laser mit verteilter Bragg-Reflexion bzw. -DBR-Laser ausgebildet, der ermöglicht, dessen veränderbaren Oszillationswellenlängenbereich zu verbreitern. Der DBR-Laser wird durch Injektion eines konstanten Stroms in eine mittlere Elektrode 32 des Lasers zum Schwingen bzw. Oszillieren gebracht, und ein auf einem Rückkopplungssignal zur Stabilisierung der Arbeitsweise oder einem Modulationssignal überlagerter Strom wird in die Elektroden 31 und 33 an beiden entgegengesetzten Enden des Lasers injiziert.
Der veränderbare Wellenlängenbereich kann durch ein derartiges System auf ungefähr 2 nm (20 Å) erweitert werden. Die Vielfalt der wellenlängengemultiplexten Signale kann durch Verbreiterung des veränderbaren Wellenlängenbereichs des Laserabschnitts 35 erhöht werden, aber falls keine Notwendigkeit besteht, die Vielfalt zu erhöhen, kann wie gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben wegen der Erweiterung des veränderbaren Wellenlängenbereichs die automatische Frequenzregelung oder die Phasenregelung entfallen. In diesem Fall ist nur eine Elektrode 34 in einem PIN-Photodiodenabschnitt 37 wie in Fig. 6 dargestellt angeordnet, und daher wird lediglich die Erfassung eines Schwebungssignals in dem Photodiodenabschnitt 37 ausgeführt. Natürlich kann die Kombination des Laserabschnitts 35 oder des Photodiodenabschnitts 37 und des PIN-Photodiodenabschnitts 22 oder des Laserabschnitts 20 gemäß Fig. 2 und 3 des ersten Ausführungsbeispiels angenommen werden. In Fig. 6 be zeichnen dieselben Bezugszahlen wie diejenigen in Fig. 2 und 3 jeweils dieselben Abschnitte oder Elemente mit denselben Funktionen wie in Fig. 2 und 3.

Drittes Ausführungsbeispiel

Fig. 7 zeigt eine Draufsicht auf eine optische Halbleitervorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel. Zwei Laser 40 und 42 zur Empfangsoszillation sind integriert, deren Oszillationswellenlängen leicht voneinander abweichen. Die Oszillationswellenlänge eines Lasers 40 liegt innerhalb eines Bereichs von 826 nm bis 828 nm, während diejenige des anderen Lasers 42 innerhalb eines Bereichs von 828 nm bis 830 nm liegt. Ein durch den Laser 42 ausgesandtes Licht tritt in einen Kopplungsabschnitt 45 über einen 45º-Spiegel 43 und einen 45º-Halbspiegel 44 ein. Auf diese Weise wird der Wellenlängenmultiplex von Datensignalen über einer Wellenlängenbreite von 4 nm (oder 40 Å) ermöglicht, und die Vielfalt von Datensignalen kann wesentlich erhöht werden. Der Kopplungs-Wirkungsgrad zwischen den unteren und oberen Wellenleitern bei der Wellenlänge jeweils entsprechender wellenlängengemultiplexter Signale kann durch Steuerung einer an den Kopplungsabschnitt 45 über deren Elektroden angelegten Spannung auf geeignete Weise eingestellt werden.
Die Vorrichtung gemäß diesem Ausführungsbeispiel kann eine Funktion zur Umwandlung der Wellenlänge eines übertragenen Lichtsignals aufweisen. Beispielsweise wird das Signal mit einer Wellenlänge in dem Oszillations-Wellenlängenband des Lasers 42 durch die PIN-Photodiode 46 empfangen, und der Laser 40 wird entsprechend diesem empfangenen Signal moduliert.

Viertes Ausführungsbeispiel

Fig. 8 zeigt eine seitliche Querschnittsansicht gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel, das von der Lichteintrittsseite betrachtet wird. Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel wird ein Mesa-Ätzen hinunter bis auf das Substrat 1 ausgeführt, und das selektive Aufwachsen wird auf beiden Seiten ausgeführt. Gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel wird das Mesa-Ätzen bei einem Niveau von 0,1 um bis 0,3 um über dem unteren Wellenleiter 3 gestoppt, und das selektive Aufwachsen wird auf beiden Seiten ausgeführt. Gemäß dem Fall des vierten Ausführungsbeispiels ist die durch RIBE zu ätzende Tiefe um 1,8 um bis 2,0 um kleiner als bei dem ersten Ausführungsbeispiel, weshalb die Ätzzeit verkürzt und der für das als Maske dienende Resist erforderliche Widerstand toleriert werden kann.
Verglichen mit dem ersten Ausführungsbeispiel wird außerdem eine numerische Apertur (NA) des unteren Wellenleiters 3 vergrößert, weshalb die Kopplung zwischen einfallendem Licht und dem unteren Wellenleiter 3 leicht erreicht wird. In Fig. 8 bezeichnen dieselben Bezugszeichen wie diejenigen in Fig. 2 und 3 dargestellten dieselben Elemente oder Abschnitte.

Modifikationen

Gemäß den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen wird der unter Verwendung von Materialien eines 830 nm breiten Bandes wie einer Folge von AlGaAs/GaAs beschrieben, aber es können auch andere Materialien mit anderen Wellenlängenbändern verwendet werden. Insbesondere kann eine Folge von InGaAsP/InP eines 1,5 um breiten Wellenlängenbandes, die hauptsächlich bei der kohärenten optischen Kommunikation verwendet wird, auch bei erfindungsgemäßen Vorrichtungen verwendet werden.
Bei den vorstehend beschriebenen Anordnungen wird das Gitter in dem oberen. Wellenleiter ausgebildet, und der Laser und die Photodiode werden in dem oberen Wellenleiter integriert, aber es ist machbar, ein Gitter in dem unteren Wellenleiter auszubilden, und den oberen und unteren Zusammenhang der Anordnung umzukehren.
Außerdem kann das als Koppler dienende Gitter entfallen. In diesem Fall können die Kopplungslänge und die gesamte Vorrich tungslänge vergrößert werden, aber anstatt dessen wird ein Vorgang der Ausbildung eines Gitters beseitigt, weshalb die Herstellung der Vorrichtung vereinfacht werden kann.
Wie vorstehend beschrieben werden erfindungsgemäß optische Halbleitervorrichtungen wie integrierte Lichterfassungsvorrichtungen und dergleichen, die bei der kohärenten Lichterfassung der kohärenten optischen Kommunikation benötigten Erfordernissen genügen, hinsichtlich der Größe kompakt und hochfunktional gemacht werden.
Kommunikationsnetze der Stern-, Bus-, Ring- und anderer Typen können unter Verwendung von erfindungsgemäßen Vorrichtungen gebaut werden, und bestimmte Übertragungssysteme können verwirklicht werden, die beispielsweise Wellenlängen- oder Frequenzmultiplex-Übertragungssysteme, eine Repeater- bzw. Verstärkerfunktion verwendende Systeme und Systeme sind, die von dem Vorteil Gebrauch machen, daß Licht ohne Verlust übertragen wird.
Im einzelnen werden erfindungsgemäß zwei Wellenleiter in vertikaler Richtung oder in einer Richtung von Halbleiterschichten integriert, und ein ebener Drei-dB-Koppler kann entfallen. Ein aus einer Übertragungsleitung eintretendes Signal fällt auf den unteren Wellenleiter und wird zu dem oberen Wellenleiter gekoppelt, wenn sich das Signal über einen vorbestimmten Abstand ausbreitet. Da der lokale Oszillationslaser und die PIN-Photodiode in dem oberen Wellenleiter integriert sind, wird ein Schwebungssignal zwischen dem zu dem oberen Wellenleiter gekoppelten Licht und einem lokalen Oszillationslicht durch die PIN-Photodiode erfaßt und das Signal entnommen.
Da ein vertikaler Koppler verwendet wird, dessen Kopplungszustand in einer vertikalen Richtung gesteuert wird, ist außerdem keine komplizierte Anstrengung für dessen Herstellung erforderlich, und eine gewünschte Kopplungsfunktion kann mit einer verbesserten Ausbeute erreicht werden. Wenn ein grobes Gitter in dem oberen Wellenleiter ausgebildet ist, reicht eine Kopplungslänge von ungefähr 500 um aus, weshalb die Größe der Vorrichtung gering gemacht werden kann. Verluste können verringert werden, da die Vorrichtungslänge gering ist, und Wellenlängenabschnitte können mit denselben Materialien wie der Laser oder die PIN-Photodiode hergestellt werden, so daß der Herstellungsvorgang vereinfacht werden kann. Wenn die Kopplungslänge auf eine geeignete Größe eingestellt wird, wird das ganze Signallicht nicht durch den Kopplungsabschnitt in einem Knoten entnommen und ein Teil des Lichts über den unteren Wellenleiter in diesem Knoten unverändert übertragen. Außerdem kann der Empfangsoszillationslaser als Repeater- bzw. Verstärker-Laser verwendet werden, der zu dem unteren Wellenleiter gekoppelt ist. Das Signal kann an den unteren Wellenleiter gekoppelt oder kann entsprechend den Umständen über den unteren Wellenleiter unverändert durch Steuerung einer an den Kopplungsabschnitt angelegten Spannung übertragen werden.
Infolgedessen können erfindungsgemäß die folgenden optischen Halbleitervorrichtungen wie Signalempfänger usw. vorgesehen werden. Sie weisen einen einfachen Aufbau auf, können durch einfache Vorgänge hergestellt werden, sind bei kohärenter Lichterfassung anwendbar und hochfunktional.
Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezug auf das beschrieben worden ist, was derzeit als bevorzugte Ausführungsbeispiele betrachtet wird, ist es selbstverständlich, daß die Erfindung nicht auf die offenbarten Anordnungen beschränkt ist. Die vorliegende Erfindung soll verschiedene Modifikationen und äquivalente Anordnungen abdecken, die innerhalb des Bereichs der beigefügten Ansprüche enthalten sind.

Claims

1. Integrierte optische Halbleitervorrichtung mit

einem Substrat (1),

einer geschichteten Anordnung einer Vielzahl von auf dem Substrat (1) ausgebildeten Halbleiterschichten (2, 4, 7),

zumindest einem ersten und einem zweiten Wellenleiter (3, 5, 6), die in den Halbleiterschichten (2, 4, 7) hergestellt sind, wobei die ersten und zweiten Wellenleiter (3, 5, 6) voneinander in der Richtung der Anordnung der Halbleiterschichten (2, 4, 7) beabstandet sind und mit einem vorbestimmten Kopplungsgrad miteinander ge koppelt sind,

einem Halbleiterlaser (20; 35), der mit dem ersten oder zweiten Wellenleiter (3, 5, 6) gekoppelt ist, und

einem Photodetektor (22; 37), der mit dem ersten oder zweiten Wellenleiter (3, 5, 6) gekoppelt ist.

2. Integrierte optische Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, mit einem in oder in der Nähe des ersten oder zweiten Wellenleiters (3, 5, 6) ausgebildeten Gitter, so daß die Kopplung zwischen den ersten und zweiten Wellenleitern (3, 5, 6) eine Wellenlängenselektivität hat.

3. Integrierte optische Halbleitervorrichtung nach Anspruch 2, mit einer Einrichtung (21; 36; 45) zur Steuerung der Wellenlängenselektivität, so daß eine Auswahlwellenlänge veränderbar ist, deren Licht zwischen den ersten und zweiten Wellenleitern (3, 5, 6) eingekoppelt werden kann.

4. Integrierte optische Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, mit einer Einrichtung zur Steuerung des Kopplungsgrades.

5. Integrierte optische Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Halbleiterlaser (20; 35) einen gepulsten Einzelmodenlaser (20; 35) aufweist.

6. Integrierte optische Halbleitervorrichtung nach Anspruch 5, wobei der Halbleiterlaser (20; 35) einen Laser (20; 35) mit verteilter Rückkopplung aufweist.

7. Integrierte optische Halbleitervorrichtung nach Anspruch 5, wobei der Halbleiterlaser (20; 35) einen Laser (20; 35) mit verteilter Bragg-Reflexion aufweist.

8. Integrierte optische Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei zwei Halbleiterlaser (40, 42) parallel zueinander derart angeordnet sind, daß das durch jedes der zwei Halbleiterlaser (40, 42) ausgesandte Licht in einen Kopplungsabschnitt (45) eintritt, nachdem es durch einen der zwei Spiegel (43, 44) reflektiert worden ist.

9. Integrierte optische Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 mit einem Mesa-Abschnitt zur lateralen Beschränkung der ersten und zweiten Wellenleiter (3, 5, 6).

10. Integrierte optische Halbleitervorrichtung nach Anspruch 9, wobei der Mesa-Abschnitt unter einem Material (19) mit hohem Widerstand an beiden Seiten lateral der ersten und zweiten Wellenleiter (3, 5, 6) hinunter zu dem Substrat (1) beerdigt ist.

11. Integrierte optische Halbleitervorrichtung nach Anspruch 9, wobei der Mesa-Abschnitt unter einem Material (19) mit hohem Widerstand an beiden Seiten lateral des ersten Wellenleiters (5, 6) bis zu einem Niveau etwas über dem zweiten Wellenleiter (3) beerdigt ist.

12. Integrierte optische Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Halbleiterlaser (20; 35) eine Vielzahl von Elektroden (9, 10, 11; 31, 32, 33) aufweist.

13. Integrierte optische Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Photodetektor (22; 37) eine Vielzahl von Elektroden (12, 13) aufweist.

14. Integrierte optische Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Halbleiterlaser (20; 35) und der Photodetektor (22; 37) mit demselben des ersten oder zweiten Wellenleiters (3, 5, 6) gekoppelt sind.

15. Optisches Übertragungssystem mit

(a) einer Übertragungsleitung,

(b) einer Vielzahl von durch die Übertragungsleitung miteinander verbundenen Knoten, wobei zumindest einer der Knoten eine optische Halbleitervorrichtung nach Anspruch 3 enthält, wobei die Auswahlwellenlänge auf die Wellenlänge des einfallenden Lichts durch die Steuereinrichtung nur zu einem Zeitpunkt eingestellt wird, zu der die Vorrichtung einen Signalempfang ausführt, während die Auswahlwellenlänge von der Wellenlänge des einfallenden Lichts zu einem Zeitpunkt abweicht, bei der die Vorrichtung den Signalempfang nicht ausführt.

16. Optisches Übertragungssystem mit

(a) einer Übertragungsleitung,

(b) einer Vielzahl von durch die Übertragungsleitung miteinander verbundenen Knoten, wobei zumindest einer der Knoten eine optische Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 enthält, wobei die Vorrichtung außerdem eine Steuereinrichtung zur Steuerung des Kopplungsgrades aufweist,

wobei der Kopplungsgrad auf ungefähr 100% durch die Steuereinrichtung zu einem Zeitpunkt eingestellt wird, zu der die Vorrichtung keinen Signalempfang ausführt, und der Halbleiter laser (20; 35) als Sender zu einem Zeitpunkt oszilliert, zu dem die Vorrichtung keinen Signalempfang ausführt.

17. Optisches Übertragungssystem mit

(a) einer Übertragungsleitung,

(b) einer Vielzahl von durch die Übertragungsleitung miteinander verbunden Knoten, wobei zumindest einer der Knoten eine optische Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 enthält, wobei die Vorrichtung außerdem eine Steuereinrichtung zur Steuerung des Kopplungsgrades aufweist,

wobei der Kopplungsgrad auf einen großen Wert durch die Steuereinrichtung eingestellt wird, eine Heterodyn-Erfassung in dem Photodetektor (22; 37) zur Erfassung von durch einfallendes Licht getragenen Informationen ausgeführt wird und der Halbleiterlaser (20; 35) auf Grundlage der erfaßten Informationen zur Erzeugung eines Signals moduliert wird, das nach außen übertragen werden soll.

18. Verfahren zum Steuern einer integrierten optischen Halbleitervorrichtung mit den Schritten:

(a) Herstellen einer integrierten optischen Halbleitervorrichtung mit

einem Substrat (1),

einer geschichteten Anordnung einer auf dem Substrat (1) ausgebildeten Vielzahl von Halbleiterschichten (2, 4, 7),

zumindest einem ersten und einem zweiten Wellenleiter (3, 5, 6), die in den Halbleiterschichten (2, 4, 7) hergestellt werden, wobei die ersten und zweiten Wellenleiter (3, 5, 6) voneinander in der Richtung der Anordnung der Halbleiterschichten (2, 4, 7) beabstandet sind und mit einem vorbestimmten Kopplungsgrad miteinander gekoppelt sind,

einem an den ersten oder zweiten Wellenleiter (3, 5, 6) gekoppelten Halbleiterlaser (20; 35) und

einem Photodetektor (22; 37), der an den ersten oder zweiten Wellenleiter (3, 5, 6) gekoppelt ist,

(b) Verursachen, daß einfallendes Licht in den ersten oder zweiten Wellenleiter (3, 5, 6) eintritt,

(c) Oszillieren des Halbleiterlasers (20; 35) zur Erzeugung eines lokalen Oszillationslichts,

(d) Koppeln des einfallenden Lichts mit dem lokalen Oszillationslicht mit dem vorbestimmten Kopplungsgrad und

(e) Ausführen einer Heterodyn-Erfassung in dem Photodetektor (22; 37) zur Erfassung von durch einfallendes Licht getragenen Informationen.

19. Verfahren zum Steuern einer integrierten optischen Halbleitervorrichtung nach Anspruch 18, wobei bei der Heterodyn-Erfassung in dem Photodetektor (22; 37) die Oszillationswellenlänge oder die Phase des Halbleiterlasers (20; 35) unter Verwendung eines durch den Photodetektor (22; 37) erfaßten Signals stabilisiert wird.

20. Verfahren zum Steuern einer integrierten optischen Halbleitervorrichtung nach Anspruch 18, mit dem Schritt des Anlegens einer Spannung an einen Abschnitt der ersten und zweiten Wellenleiter (3, 5, 6) zur Veränderung dessen Brechungsindexes, so daß der Kopplungsgrad zwischen den ersten und zweiten Wellenleitern (3, 5, 6) gesteuert wird.

21. Verfahren zum Steuern einer integrierten optischen Halbleitervorrichtung nach Anspruch 18, wobei die optische Halbleitervorrichtung

ein in oder in der Nähe des ersten oder zweiten Wellenleiters (3, 5, 6) ausgebildetes Gitter aufweist, so daß die Kopplung zwischen den ersten und zweiten Wellenleitern (3, 5, 6) eine Wellenlängenselektivität aufweist, und

eine Steuereinrichtung (21; 36; 45) zur Steuerung der Wellenlängenselektivität aufweist, so daß eine Auswahlwellenlänge veränderbar ist, deren Licht zwischen den ersten und zweiten Wellenleitern (3, 5, 6) gekoppelt werden kann, mit den weiteren Schritten:

(f) Einstellen der Auswahlwellenlänge auf die Wellenlänge des einfallenden Lichts durch die Steuereinrichtung (21; 36; 45) nur zu einem Zeitpunkt, zu dem die Vorrichtung einen Signalempfang ausführt, und

(g) nach der Heterodyn-Erfassung Verschieben der Auswahlwellenlänge von der Wellenlänge des einfallenden Lichts durch die Steuereinrichtung (21; 36; 45) zu einem Zeitpunkt, zu dem die Vorrichtung keinen Signalempfang ausführt.

22. Verfahren zum Steuern einer integrierten optischen Halbleitervorrichtung nach Anspruch 18, wobei die optische Halbleitervorrichtung außerdem eine Steuereinrichtung zur Steuerung des Kopplungsgrades aufweist, mit den Schritten

(f) Einstellen des Kopplungsgrades auf ungefähr 100% durch die Steuereinrichtung zu einem Zeitpunkt, zu dem die Vorrichtung keinen Signalempfang ausführt, und

(g) Oszillieren des Halbleiterlasers (20; 35) als Sender zu dem Zeitpunkt, zu dem die Vorrichtung keinen Signalempfang ausführt.

23. Verfahren zum Steuern einer integrierten optischen Halbleitervorrichtung nach Anspruch 18, wobei die optische Halbleitervorrichtung außerdem eine Steuereinrichtung zur Steuerung des Kopplungsgrades aufweist, mit den Schritten

(f) Einstellen des Kopplungsgrades auf einen großen Wert durch die Steuereinrichtung,

(g) nach der Heterodyn-Erfassung in dem Photodetektor (22; 37) Modulieren des Halbleiterlasers (20; 35) auf Grundlage der erfaßten Informationen zur Erzeugung eines Signals und

(h) Verursachen, daß das Signal nach außen übertragen wird.