DE69323253T2

DE69323253T2 - Optische integrierte Schaltung mit Lichtdetektor

Info

Publication number: DE69323253T2
Application number: DE69323253T
Authority: DE
Inventors: Yukio Tenri-Shi Nara-Ken Kurata; Renzaburo Tenri-Shi Nara-Ken Miki; Kouji Gose-Shi Nara-Ken Minami; Kuniaki Tenri-Shi Nara-Ken Okada; Hiroyuki Tenri-Shi Nara-Ken Yamamoto; Yoshio Nara-Shi Nara-Ken Yoshida
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1992-08-21
Filing date: 1993-08-23
Publication date: 1999-07-08
Anticipated expiration: 2013-08-24
Also published as: CA2104278A1; EP0585094B1; CA2104278C; US5410622A; DE69323253D1; EP0585094A1; JPH0667046A

Description

Optische integrierte Schaltung mit Lichtdetektor

Die Erfindung betrifft eine optische integrierte Schaltung, wie sie bei einem optischen Datenprozessor wie einem optischen Computer angewandt wird.
In jüngerer Zeit wird es immer wichtiger, Informationsdaten zu übertragen und zu verarbeiten. Insbesondere die Übertragung und Verarbeitung von Daten unter Verwendung von Licht werden als wichtige Technik angesehen, da Licht schnell laufen kann. Eine optische integrierte Schaltung ist eine Art eines Bauteils, das aus Licht bestehende Information verarbeitet. Eine optische integrierte Schaltung kann unter Verwendung optischer Wellenleiter klein ausgebildet werden. Derartige optische integrierte Schaltungen können unter Verwendung von Halbleiter-Herstellprozessen, die die Herstellung optischer integrierter Schaltungen zu niedrigen Kosten ermöglichen, in großem Maßstab hergestellt werden.
In einer derartigen optischen integrierten Schaltung werden Lichtsignale verarbeitet, und diese werden schließlich in elektrische Signale umgesetzt. In Fig. 5 ist ein Lichtdetektor einer herkömmlichen optischen integrierten Schaltung dargestellt. Fig. 5 zeigt schematisch eine Schnittansicht einer optischen integrierten Schaltung 39 mit einem Lichtdetektor 38. Ein mit p- Fremdstoffen dotierter p-Bereich 32 ist in einem Oberflächenbereich eines n-Siliziumsubstrats 31 ausgebildet. Der p-Bereich 32 und das n-Siliziumsubstrat 31 bilden einen pn-Übergang. Mit dem p-Bereich 32 und dem n-Siliziumsubstrat 31 sind eine Elektrode 33 bzw. eine Elektrode 34 verbunden. Der Lichtdetektor 38 besteht aus einem Teil des n-Siliziumsubstrats 31, dem p- Bereich 32, der Elektrode 33 und der Elektrode 34. Auf dem n-Siliziumsubstrat 31 ist eine Pufferschicht 35 ausgebildet. Auf der Pufferschicht 35 und dem p-Bereich 32 ist ein optischer Wellenleiter 36 ausgebildet, und der optische Wellenleiter 36 steht in unmittelbarem Kontakt mit dem p-Bereich 32.
Licht 37 läuft im optischen Wellenleiter 36. Wenn das Licht 37 über dem p- Bereich 32 ankommt, wird ein Teil des Lichts 37 durch diesen p-Bereich 32 absorbiert. Das durch den p-Bereich 32 absorbierte Licht wird in elektri sche Signale umgesetzt, und die elektrischen Signale werden über die Elektrode 33 und die Elektrode 34 erfasst.
Bei der optischen integrierten Schaltung 39 mit dem Lichtdetektor 38 hängt die Lichtempfindlichkeit des Lichtdetektors 38 von der Länge 1 des p-Bereichs 32 ab. Diese Länge 1 muss ausreichend lang dafür sein, dass viel des Lichts 37 empfangen wird, damit der Lichtdetektor 38 für den praktischen Gebrauch, um z. B. ein ausreichendes Signal zu erhalten, ausreichende Lichtempfindlichkeit aufweist. Wenn jedoch die Länge 1 vergrößert wird, wird der Lichtdetektor 38 in der optischen integrierten Schaltung 39 stärker durch Streulicht beeinflusst. Derartiges Streulicht beeinträchtigt das Signal/Rauschsignal-Verhältnis des Lichtdetektors 38.
Die Erfindung überwindet die vorstehend angegebenen Mängel in Zusammenhang mit der herkömmlichen optischen integrierten Schaltung, und sie schafft eine optische integrierte Schaltung mit hoher Empfindlichkeit und gutem Signal/Rauschsignal-Verhältnis.
Die Dokumente JP-A-63 114 288, GB-A-2 197 122 und US-A-4 674 100 offenbaren jeweils einen Halbleiterlaser mit integriertem Photodetektor zum Überwachen der Ausgangsleistung des Lasers. Licht wird durch ein Beugungsgitter vom optischen Resonator in den Photodetektor eingekoppelt.
Das Dokument JP-A-60 189 712, auf dem der Oberbegriff von Anspruch 1 beruht, offenbart einen Gitterkoppler mit einem Beugungsgitter zum Auskoppeln von Licht nach unten. Über dem Beugungsgitter ist ein Reflektor angeordnet, um Licht zu reflektieren, das durch das Beugungsgitter nach oben gebeugt wird, um den Wirkungsgrad des Gitterkopplers zu verbessern.
Eine erste Erscheinungsform der Erfindung schafft einen optischen Sensor mit einem dielektrischen Wellenleiter mit einer Wellenleiterschicht zum Empfangen von Licht und zum Weiterleiten des Lichts in einer ersten Richtung; einem Gitterkoppler mit einem Gitter zum Beugen eines Teils des in der ersten Richtung laufenden Lichts, wobei das gebeugte Licht in einer zweiten Richtung, die sich von der ersten Richtung unterscheidet, durchgelassen wird, wobei der Gitterkoppler an der Oberfläche der Wellenleiterschicht ausgebildet ist; einem Lichtdetektor zum Erfassen des gebeugten Lichts, der optisch mit dem dielektrischen Wellenleiter gekoppelt ist; wodurch der Gitterkoppler im Betrieb das sich im Wellenleiter in der ersten Richtung ausbreitende Licht in den Lichtdetektor einkoppelt; und einem Reflektor, der an der vom Detektor abgewandten Seite des Wellenleiters angeordnet ist, um Licht in einer Richtung rechtwinklig zum Wellenleiter in den Detektor zu koppeln;
dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil ferner einen anderen Reflektor aufweist, der an einer Endfläche der Wellenleiterschicht ausgebildet ist, wodurch das sich in der ersten Richtung im Wellenleiter ausbreitende Licht, das vom Gitterkoppler nicht gebeugt wird, durch den anderen Reflektor in einer dritten Richtung reflektiert wird, so dass es ein zweites Mal durch den Gitterkoppler läuft; wobei der Gitterkoppler so ausgebildet ist, dass er einen Teil des in der dritten Richtung laufenden Lichts beugt, wobei das gebeugte Licht in der zweiten Richtung durchgelassen wird.
Bevorzugte Merkmale der Erfindung sind in Ansprüchen 2 bis 4 dargelegt.
So ermöglicht die hier definierte Erfindung den Vorteil des Schaffens einer optischen integrierten Schaltung mit Lichtdetektoren mit hoher Empfindlichkeit und gutem Signal/Rauschsignal-Verhältnis.
Diese und anders Vorteile der Erfindung werden dem Fachmann beim Lesen und Verstehen der folgenden detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren ersichtlich.
Fig. 1 ist eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen optischen integrierten Schaltung eines Beispiels 1.
Fig. 2 ist eine vergrößerte Schnittansicht eines Gitterkopplers in der in Fig. 1 dargestellten optischen integrierten Schaltung.
Fig. 3A bis 3C sind schematische Schnittansichten zum Veranschaulichen eines Verfahrens zum Herstellen der in Fig. 1 dargestellten optischen integrierten Schaltung.
Fig. 4 ist eine schematische Schnittansicht eines Vergleichsbeispiels 2 einer optischen integrierten Schaltung (Beispiel 2).
Fig. 5 ist eine schematische Schnittansicht einer optischen integrierten Schaltung gemäß einer herkömmlichen Technik.

Beispiel 1

Fig. 1 zeigt schematisch eine Schnittansicht einer optischen integrierten Schaltung 21 gemäß der Erfindung. Ein mit p-Fremdstoffen dotierter p-Bereich 2 ist in einem Oberflächenbereich eines n-Siliziumsubstrats 1 ausgebildet. Das n-Siliziumsubstrat 1 und der p-Bereich 2 sind z. B. mit Elektroden 40 bzw. 41 verbunden, die der Zweckdienlichkeit halber in Fig. 1 als gestrichelte Linien dargestellt sind. Ein Lichtdetektor 22 besteht aus dem p-Bereich 2, einem Teil des n-Siliziumsubstrats 1 sowie den Elektroden 40 und 41. Der p-Bereich 2 und das n-Siliziumsubstrat 1 bilden einen pn-Übergang zum Erfassen von Licht. Das Licht dringt in den p-Bereich 2 ein und wird in ein elektrisches Signal umgesetzt. Das elektrische Signal wird über die Elektroden 40 und 41 erfasst.
Auf dem n-Siliziumsubstrat 1 ist eine untere Mantelschicht 3 aus Siliziumdioxid ausgebildet. Auf der unteren Mantelschicht 3 ist eine Wellenleiterschicht 4 aus Siliziumdioxid ausgebildet, und auf dieser Wellenleiterschicht 4 ist eine obere Mantelschicht 5 aus Siliziumdioxid ausgebildet. Ein dielektrischer Stabwellenleiter 23 besteht aus der unteren Mantelschicht 3, der Wellenleiterschicht 4 und der oberen Mantelschicht 5. Bei diesem Beispiel ist der dielektrische Stabwellenleiter 23 als dielektrischer Wellenleiter verwendet. Die Wellenleiterschicht 4 überträgt Licht 8 in einer ersten Richtung. In einem Teil der Unterseite 18 der Wellenleiterschicht 4 ist ein Gitterkoppler 6 ausgebildet. Dieser Gitterkoppler 6 liegt über dem p-Bereich 2, so dass Licht 10, 11, 15 und 16, das durch den Gitterkoppler 6 in einer zweiten Richtung gebeugt wird, auf den p-Bereich 2 strahlen kann.
An einer Endfläche des dielektrischen Stabwellenleiters 23 ist ein erster Reflektor 14 ausgebildet. Wie es in Fig. 1 dargestellt ist, wird in der ersten Richtung laufendes Licht 8 durch den ersten Reflektor 14 reflektiert, und es läuft in der Richtung entgegengesetzt zur ersten Richtung. Auf der oberen Mantelschicht 5 ist ein zweiter Reflektor 7 ausgebildet. Dieser zweite Reflektor 7 ist so positioniert, dass Licht 9 und 12, wie durch den Gitterkoppler 6 in der Richtung entgegengesetzt zur zweiten Richtung gebeugt, in der zweiten Richtung reflektiert werden kann.
Wenn das in der Wellenleiterschicht 4 laufende Licht 8 über den Gitterkoppler 6 ankommt, wird ein Teil des Lichts 8 durch den Gitterkoppler 6 gebeugt und in die Lichtbündel 9 und 10 unterteilt. Das Licht 9 wird zur oberen Mantelschicht 5 gebeugt, während das Licht 10 zur unteren Mantelschicht 3 gebeugt wird. Der andere Teil des Lichts 8, der durch den Gitterkoppler 6 nicht gebeugt wird, wird zum Licht 13. Das Licht 10 läuft durch die untere Mantelschicht 3 und strahlt auf den p-Bereich 2, das Licht 9 wird durch den zweiten Reflektor 7 reflektiert und erreicht erneut den Gitterkoppler 6. Ein Teil des Lichts 9 durchläuft den Gitterkoppler 6, ohne gebeugt zu werden, und es wird zu Licht 11. Der andere Teil des Lichts 9 wird durch den Gitterkoppler 6 gebeugt und zum Licht 13 hinzugefügt. Das Licht 11 durchläuft die untere Mantelschicht 3 und bestrahlt den p-Bereich 2.
Das Licht 13 wird durch den ersten Reflektor 14 reflektiert und erreicht erneut den Gitterkoppler 6. Das Licht 13 wird in die Lichtbündel 12 und 15 aufgeteilt. Das Licht 15 durchläuft die untere Mantelschicht 2 und bestrahlt den p-Bereich 2. Das Licht 12 wird durch den zweiten Reflektor 7 reflektiert. Ein Teil des Lichts 12 durchläuft den Gitterkoppler 6, ohne gebeugt zu werden, und es wird zu Licht 16. Das Licht 16 beleuchtet den p- Bereich 2.
Fig. 2 zeigt eine vergrößerte Schnittansicht des Gitterkopplers 6. Dieser Gitterkoppler 6 verfügt über ein Gitter, das aus mehreren Rippen A und mehreren Nuten B besteht. Damit der Gitterkoppler 6 das Licht 8 und 13 im wesentlichen rechtwinklig zu deren Richtungen beugt, ist es bevorzugt, dass die Periode A des Gitters im wesentlichen der folgenden Gleichung (1) genügt.
Δ = λ/N ... (1)
Dabei ist λ die Vakuumwellenlänge des im dielektrischen Stabwellenleiter 23 laufenden Lichts, und N ist der effektive Brechungsindex des dielektrischen Stabwellenleiters 23. Darüber hinaus ist es ferner bevorzugt, dass die Querschnitte der Rippe A und der Nut B rechteckig sind und die Querschnittsbreite a der Rippe A sowie die Querschnittsbreite b der Nut B gleich eingestellt sind, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. Ein derartiges Gitterprofil verhindert, dass Beugungslicht zweiter Ordnung im Gitterkoppler 6 erzeugt wird. So können die Lichtbündel 8 und 13 in der rechtwinkligen Richtung gebeugt werden und wirkungsvoll auf den p-Bereich 2 strahlen. Darüber hinaus wird die Dicke c der oberen Mantelschicht 5 vorzugsweise so ausgewählt, dass die Lichtbündel 10 und 11 dieselbe Phase aufweisen.
Wie oben angegeben, wird Licht 13, das vom Gitterkoppler 6 nicht gebeugt wird, durch den ersten Reflektor 14 reflektiert, und es erreicht den Gitterkoppler 6 erneut, um zum p-Bereich 2 des Lichtdetektors 22 gelenkt zu werden. Daher bestrahlt der größte Teil des Lichts 8 den p-Bereich 2 des Lichtdetektors 22 auf wirkungsvolle Weise. Die Lichtbündel 9 und 12, die entgegengesetzt zum p-Bereich 2 gebeugt werden, werden durch den zweiten Reflektor 7 reflektiert, und sie bestrahlen den p-Bereich 2 des Lichtdetektors 22.
Die in Fig. 1 dargestellte optische integrierte Schaltung 21 weist den Gitterkoppler 6 an der Unterseite 18 der Wellenleiterschicht 4 auf. Jedoch kann der Gitterkoppler 6 an der Oberseite 17 der Wellenleiterschicht 4 ausgebildet sind. Unabhängig davon, an welcher Fläche der Gitterkoppler 6 ausgebildet ist, kann das Licht 8 gebeugt werden. Der Beugungswirkungsgrad des Gitterkopplers 6 variiert abhängig von den obengenannten Positionen desselben. Auch hängt der Beugungswirkungsgrad von der Struktur und den Materialien des dielektrischen Stabwellenleiters 23 ab. Daher ist es bevorzugt, dass der Gitterkoppler 6 hinsichtlich der Oberseite 17 und der Unterseite 18 an derjenigen ausgebildet ist, die den höheren Beugungswirkungsgrad zeigt.
Fig. 1 zeigt, dass der Lichtdetektor 22 nahe dem ersten Reflektor 14 ausgebildet ist. Jedoch ist es auch möglich, den Lichtdetektor 22 relativ entfernter vom ersten Reflektor 14 zu positionieren, der an der Endfläche des dielektrischen Stabwellenleiters 23 ausgebildet ist. Wenn der erste Reflektor 14 an der Endfläche des dielektrischen Stabwellenleiters 23 ausgebildet ist, kann Licht, das durch den Gitterkoppler 6 nicht gebeugt wird (d. h. Licht 13), durch den ersten Reflektor 14 reflektiert werden und erneut über den Gitterkoppler 6 laufen. Das reflektierte Licht kann auch auf den p- Bereich 2 strahlen und die Menge des Lichts erhöhen, das den Lichtdetektor 22 beleuchtet. Daher kann der Lichtdetektor 22 gemäß der Erfindung in bezug auf bekannte Lichtdetektoren, wie den in Fig. 5 dargestellten, verbesserte Empfindlichkeit und verbessertes Signal/Rauschsignal-Verhältnis aufweisen, ohne dass die Länge 1 des p-Bereichs 2 erhöht ist.
Aus dem obengenannten Grund kann, wie es in Fig. 1 dargestellt ist, der Abstand m zwischen dem Lichtdetektor 22 und dem ersten Reflektor 14 gemäß dem Aufbau eines Bauteils ausgewählt werden, bei dem die Erfindung angewandt wird. Wenn jedoch die Schwächung von Licht im dielektrischen Stabwellenleiter 23 nicht vernachlässigbar ist, wird der Abstand m vorzugsweise in demjenigen Bereich eingestellt, in dem das durch den ersten Reflektor 14 reflektierte Licht nicht wesentlich geschwächt wird.
Nachfolgend wird ein Verfahren zum Herstellen der optischen integrierten Schaltung 21 beschrieben. Die optische integrierte Schaltung 21 sorgt für eine Ausbreitung von Licht mit einer Vakuumwellenlänge von 780 nm durch eine TE&sub0;-Einzelmode.
Wie es in Fig. 3A dargestellt ist, werden p-Fremdstoffe in ein n-Siliziumsubstrat 1 eindotiert, und in einem Oberflächenbereich des n-Siliziumsubstrats 1 wird ein p-Bereich 2 ausgebildet. Auf dem n-Siliziumsubstrat 1 wird durch ein Sputterverfahren eine untere Mantelschicht 3 (Dicke 2200 nm) hergestellt. Die untere Mantelschicht 3 besteht aus Siliziumdioxid, und sie verfügt über einen Brechungsindex von 1,45. Nachdem durch ein Schleuderbeschichtungsverfahren ein Elektronenstrahl-empfindlicher Resist auf das n- Siliziumsubstrat 1 aufgetragen wurde, wird unter Verwendung eines Elektronenstrahls ein Resistmuster 27 mit einem Gittermuster ausgebildet (Fig. 3B). Ein dielektrischer Stabwellenleiter 23, der später auszubilden ist, wird so konzipiert, dass er einen effektiven Brechungsindex N von 1,506 aufweist. Entsprechend der Gleichung (1) wird die Gitterperiode Δ zu 518 nm berechnet. Demgemäß werden die Breiten d und e jeweils auf 259 nm eingestellt.
Wie es in Fig. 3B dargestellt ist, wird die untere Mantelschicht 3 unter Verwendung des Resistmusters 27 als Maske auf eine Tiefe von 50 nm geätzt. Unter Verwendung eines anisotropen Ätzverfahrens, wie Trockenätzen, werden die Nuten D und die Rippen E mit rechtwinkligen Querschnitten ausgebildet. Nachdem das Resistmuster 27 entfernt wurde, wird auf der unteren Mantelschicht 3 eine Wellenleiterschicht 4 (Dicke 700 nm, Brechungsindex 1,54) hergestellt, wie dies in Fig. 3C dargestellt ist. Die Wellenleiterschicht 4 wird durch ein Sputterverfahren mit einem Target #7059, das von Corning Company im Handel erhältlich ist, abgeschieden. Gleichzeitig wird auf der Unterseite 18 der Wellenleiterschicht 4 ein Gitterkoppler 6 ausgebildet. Dieser Gitterkoppler 6 verfügt über ein Gitter aus Rippen A und Nuten B entsprechend den Nuten D und den Rippen E der unteren Mantelschicht 3. Demgemäß haben die in Fig. 2 dargestellten Breiten a und b jeweils den Wert 259 nm. Dann wird eine in Fig. 3C dargestellte obere Mantelschicht 5 (Dicke 2200 nm) durch ein Sputterverfahren auf dem Wellenleiter 4 hergestellt. Die obere Mantelschicht 5 besteht aus Siliziumdioxid, und sie weist einen Brechungsindex von 1,45 auf. Dadurch ist der dielektrische Stabwellenleiter 23 ausgebildet, der aus der unteren Mantelschicht 3, der Wellenleiterschicht 4 und der oberen Mantelschicht 5 besteht.
Dann wird, wie es in Fig. 1 dargestellt ist, ein erster Reflektor 14 (Dicke 200 nm) auf einem Aluminiumfilm auf einer Endfläche des dielektrischen Stabwellenleiters 23 hergestellt. Ein aus einem Aluminiumfilm bestehender zweiter Reflektor 7 (Dicke 200 nm) wird auf der oberen Mantelschicht 5 so hergestellt, dass er über dem Gitterkoppler 6 liegt. Der erste Reflektor 14 und der zweite Reflektor 7 werden durch ein Verdampfungsverfahren im Vakuum hergestellt.

Beispiel 2 (Vergleichsbeispiel)

Fig. 4 zeigt schematisch eine Schnittansicht eines Vergleichsbeispiels einer optischen integrierten Schaltung 24. In einem Oberflächenbereich eines n-Siliziumsubstrats 1 ist ein mit p-Fremdstoffen dotierter p-Bereich 2 ausgebildet. Das n-Siliziumsubstrat 1 und der p-Bereich 2 sind z. B. mit Elektroden 40 bzw. 41 verbunden, die in Fig. 4 der Zweckdienlichkeit halber als durchgezogene Linien dargestellt sind. Ein Lichtdetektor 22 besteht aus dem p-Bereich 2, einem Teil des n-Siliziumsubstrats 1 sowie den Elektroden 40 und 41. Der p-Bereich 2 und das n-Siliziumsubstrat 1 bilden einen pn- Übergang zum Erfassen von Licht, und dieses Licht wird in ein elektrisches Signal umgesetzt. Das elektrische Signal wird über die Elektroden 40 und 41 erfasst.
Auf dem n-Siliziumsubstrat 1 ist eine untere Mantelschicht 3 aus Siliziumdioxid ausgebildet. Auf dieser unteren Mantelschicht 3 ist eine Wellenleiterschicht 4 aus Siliziumdioxid ausgebildet. Bei diesem Beispiel ist auf der Wellenleiterschicht 4 keine obere Mantelschicht ausgebildet. Jedoch steht die Oberseite 17 der Wellenleiterschicht 4 in Kontakt mit Luft 50. Die Luft 50 wirkt als obere Mantelschicht, da sie einen niedrigeren Brechungsindex als die Wellenleiterschicht 4 aufweist. Ein dielektrischer Stabwellenleiter 25 besteht aus der Wellenleiterschicht 4 und der unteren Mantelschicht 3. Bei diesem Beispiel wird der dielektrische Stabwellenleiter 25 als dielektrischer Wellenleiter verwendet. Die Wellenleiterschicht 4 lässt Licht 8 in einer ersten Richtung durch. In einem Teil der Oberseite 17 der Wellenleiterschicht 4 ist ein Gitterkoppler 26 ausgebildet. Dieser Gitterkoppler 26 liegt über dem p-Bereich 2, so dass durch den Gitterkoppler 26 in einer zweiten Richtung gebeugte Lichtbündel 10 und 15 auf den p- Bereich 2 strahlen können.
An einer Endfläche des dielektrischen Stabwellenleiters 25 ist ein erster Reflektor 14 ausgebildet. Wie es in Fig. 4 dargestellt ist, wird in der ersten Richtung laufendes Licht 8 am ersten Reflektor 14 reflektiert, und es läuft in der Richtung 13 entgegengesetzt zur ersten Richtung.
Der Gitterkoppler 26 verfügt über ein Gitter mit der Periode A. Diese Periode Δ genügt im wesentlichen der folgenden Ungleichung (2):
1/λ < 1/Δ - N/λ < ns(1/λ) ... (2)
Dabei ist λ die Vakuumwellenlänge des innerhalb des dielektrischen Stabwellenleiters 25 laufenden Lichts, N ist der effektive Brechungsindex des dielektrischen Stabwellenleiters 25, und ns ist der Brechungsindex der unteren Mantelschicht 3, die in Kontakt mit der Wellenleiterschicht 4 steht.
Wenn die Periode Δ des Gitterkopplers 26 der Ungleichung (2) genügt, erfüllt eine Beugung zur Luft hin eine Phasenanpassungsbedingung nicht, und Licht wird nur zur unteren Mantelschicht 3 gebeugt, ohne dass Beugungslicht zweiter Ordnung erzeugt wird. Daher wird, wenn Licht 8 den Gitterkoppler 26 erreicht, ein Teil dieses Lichts 8 durch den Gitterkoppler 26 nur zur unteren Mantelschicht 3 gebeugt und wird zu Licht 10. Das Licht 10 durchläuft die untere Mantelschicht 3 und bestrahlt den p-Bereich 2. Durch den Gitterkoppler 26 nicht gebeugtes Licht 13 wird durch den ersten Reflektor 14 reflektiert und erreicht erneut den Gitterkoppler 26. Das Licht 13 wird durch den Gitterkoppler 26 zur unteren Mantelschicht 3 gebeugt und wird zu Licht 15. Das Licht 15 durchläuft die untere Mantelschicht 3 und bestrahlt den p-Bereich 2.
Wie oben angegeben, wird durch Ausbilden des Gitterkopplers 26, der der Ungleichung (2) genügt, Licht 8 nur zur unteren Mantelschicht 3 gebeugt. Darüber hinaus kann Licht 8, das durch den Gitterkoppler 26 nicht gebeugt wird, durch den ersten Reflektor 14 reflektiert werden, und es erreicht den Gitterkoppler 26 erneut. Daher bestrahlt der größte Teil des Lichts 8 auf wirkungsvolle Weise den p-Bereich des Lichtdetektors 22.
Die optische integrierte Schaltung 24 wird durch dasselbe Verfahren hergestellt, wie es für das Beispiel 1 angegeben ist. Die untere Mantelschicht 3 wird aus Siliziumdioxid hergestellt, und die Wellenleiterschicht 4 wird durch ein Sputterverfahren mit einem von Corning Company verfügbaren Target #7059 ausgebildet. Jede Schicht weist dieselbe Dicke und denselben Brechungsindex auf, wie dies für das Beispiel 1 erläutert wurde. Der dielektrische Stabwellenleiter 25 verfügt über einen effektiven Brechungsindex von 1,496. Um die Gitterperiode Δ des Gitterkopplers 26 unter Verwendung der Werte des Brechungsindex (1,45) der unteren Mantelschicht 3, des effektiven Brechungsindex (1,496) des dielektrischen Stabwellenleiters 25 sowie der Vakuumwellenlänge (780 nm) in der Ungleichung (2) zu bestimmen, wird die folgende Ungleichung erhalten:
264 (nm) < Δ < 312 (nm)
Demgemäß wird die Gitterperiode Δ des Gitterkopplers 26 auf 300 nm eingestellt.
Die in Fig. 4 dargestellte optische integrierte Schaltung 24 weit den Gitterkoppler 26 an der Oberseite 17 der Wellenleiterschicht 4 auf. Jedoch kann der Gitterkoppler 26 an der Unterseite 18 der Wellenleiterschicht 4 ausgebildet sein. Unabhängig davon, an welcher Fläche der Gitterkoppler 26 ausgebildet ist, kann das Licht 8 gebeugt werden. Der Beugungswirkungsgrad des Gitterkopplers 26 variiert abhängig von der vorstehend genannten Position desselben. Auch hängt der Beugungswirkungsgrad von der Struktur und den Materialien des dielektrischen Stabwellenleiters 25 ab. Daher ist es bevorzugt, dass der Gitterkoppler 26 hinsichtlich der Oberseite 17 und der Unterseite 18 an derjenigen ausgebildet wird, die den höheren Beugungswirkungsgrad aufweist.
Fig. 4 zeigt, dass der Lichtdetektor 22 nahe dem ersten Reflektor 14 ausgebildet ist. Jedoch ist es auch möglich, den Lichtdetektor 22 relativ weiter entfernt vom ersten Reflektor 14 anzuordnen, der an der ersten Endfläche des dielektrischen Stabwellenleiters 25 ausgebildet ist. Wenn der erste Reflektor 14 an der Endfläche des dielektrischen Stabwellenleiters 25 ausgebildet ist, kann Licht, das durch den Gitterkoppler 26 nicht gebeugt wird (d. h. das Licht 13), durch den ersten Reflektor 14 reflektiert werden und erneut über den Gitterkoppler 26 laufen. Derartiges reflektiertes Licht kann auch den p-Bereich 2 bestrahlen und die Menge des Lichts erhöhen, das den Lichtdetektor 22 bestrahlt. Daher kann der erfindungsgemäße Lichtdetektor 22 in bezug auf bekannte Lichtdetektoren, wie den in Fig. 5 dargestellten, verbesserte Empfindlichkeit und verbessertes Signal/Rauschsignal-Verhältnis aufweisen, ohne dass die Länge 1 des p-Bereichs 2 verlängert wäre.
Aus dem obengenannten Grund kann der Abstand m zwischen dem Lichtdetektor 22 und dem ersten Reflektor 14 entsprechend der Struktur eines Bauteils ausgewählt werden, bei dem die Erfindung angewandt wird. Wenn jedoch die Dämpfung von Licht im dielektrischen Stabwellenleiter 25 nicht vernachlässigt werden kann, wird der Abstand m vorzugsweise so eingestellt, dass er sich im Bereich befindet, in dem das durch den ersten Reflektor 14 reflektierte Licht nicht deutlich geschwächt wird.
In den Beispielen 1 und 2 ist ein Lichtdetektor verwendet, der einen Silizium-pn-Übergang, einen dielektrischen Stabwellenleiter aus Siliziumdioxid sowie einen ersten und einen zweiten Reflektor aus Aluminium verwendet. Jedoch ist es für den Fachmann offensichtlich, dass die obengenannten Komponenten abhängig von der Wellenlänge des in der optischen integrierten Schaltung laufenden Lichts modifiziert werden können. Z. B. ist ein Lichtdetektor aus Indiumgalliumarsenid geeignet, um Licht mit einer Wellenlänge von 1,4 um zu erfassen. Als dielektrischer Wellenleiter ist ein dielektrischer Stabwellenleiter verwendet, jedoch kann der dielektrische Wellenleiter streifenförmig oder mit anderer Form ausgebildet sein. Auch kann als erster oder zweiter Reflektor ein anderer Metallfilm wie ein Titanfilm oder ein dielektrischer Mehrschichtfilm wie einen Mehrfachschichtfilm aus Siliziumdioxid und Titandioxid verwendet werden.
Beim Beispiel 1 steht der Gitterkoppler 6 aus der Wellenleiterschicht 4 hervor, jedoch kann der Gitterkoppler 6 in Vertiefungen ausgebildet sein, wie es in Fig. 4 dargestellt ist. Auch kann der Gitterkoppler 6 beim Beispiel 2 aus der Wellenleiterschicht 4 hervorstehen, wie es in Fig. 1 dargestellt ist.
Vorstehend sind einige Beispielswerte für Brechungsindizes und andere Abmessungen angegeben. Es ist zu beachten, dass andere Werte verwendet werden können, die den Betrieb der beschriebenen Erfindung ermöglichen.

Claims

1. Optischer Sensor (21) mit:

- einem dielektrischen Wellenleiter (23) mit einer Wellenleiterschicht (4) zum Empfangen von Licht (8) und zum Weiterleiten des Lichts in einer ersten Richtung;

- einem Gitterkoppler (6) mit einem Gitter zum Beugen eines Teils des in der ersten Richtung laufenden Lichts, wobei das gebeugte Licht in einer zweiten Richtung (10), die sich von der ersten Richtung (8) unterscheidet, durchgelassen wird, wobei der Gitterkoppler (6) an der Oberfläche der Wellenleiterschicht (18) ausgebildet ist;

- einem Lichtdetektor (22) zum Erfassen des gebeugten Lichts, der optisch mit dem dielektrischen Wellenleiter (23) gekoppelt ist; wodurch der Gitterkoppler im Betrieb das sich im Wellenleiter (23) in der ersten Richtung ausbreitende Licht in den Lichtdetektor (22) einkoppelt; und

- einem Reflektor (7), der an der vom Detektor (22) abgewandten Seite des Wellenleiters (23) angeordnet ist und so ausgebildet ist, dass er nicht in einer Richtung rechtwinklig zum Wellenleiter (23) in den Detektor koppelt; dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil ferner einen anderen Reflektor (14) aufweist, der an einer Endfläche der Wellenleiterschicht (4) ausgebildet ist, wodurch das sich in der ersten Richtung im Wellenleiter ausbreitende Licht, das vom Gitterkoppler nicht gebeugt wird, durch den anderen Reflektor (14) in einer dritten Richtung reflektiert wird, so dass es ein zweites Mal durch den Gitterkoppler läuft; wobei der Gitterkoppler so ausgebildet ist, dass er einen Teil des in der dritten Richtung laufenden Lichts beugt, wobei das gebeugte Licht in der zweiten Richtung (10) durchgelassen wird.

2. Optischer Sensor (21) nach Anspruch 1, bei dem der Gitterkoppler (6) mit dem Gitter zum Beugen des Lichts auch einen anderen Teil des Lichts in einer Richtung (9) im wesentlichen antiparallel zur zweiten Richtung (10) beugt.

3. Optischer Sensor (21) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Periode (n) des Gitters der folgenden Gleichung genügt:

Δ = λ/N,

wobei n die Periode des Gitters ist, λ die Vakuumwellenlänge des Lichts ist und N der effektive Brechungsindex des dielektrischen Wellenleiters ist.

4. Optischer Sensor (21) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Gitter mehrere Rippen (A) und Nuten (B) aufweist, wobei jede der Rippen (A) und der Nuten (B) rechteckigen Querschnitt aufweist, mit im wesentlichen derselben Breite entlang der ersten Richtung.