DE69331979T2 - Optische integrierte Halbleitervorrichtung und Verfahren zur Herstellung und Verwendung in einem Lichtempfänger - Google Patents

Optische integrierte Halbleitervorrichtung und Verfahren zur Herstellung und Verwendung in einem Lichtempfänger

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Description

    HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein integriertes optisches Halbleiterbauelement und ein Herstellungsverfahren dafür sowie ein integriertes optisches Halbleiterbauelement als Teil eines optischen Kommunikationsmoduls oder optischen Kommunikationssystems. Die vorliegende Erfindung ist auch auf einen Lichtempfänger gerichtet, insbesondere auf einen Lichtempfänger mit einem Aufbau, der für ein Lichtempfangssystem mit Polarisationsdiversität für eine optische Kohärenzkommunikation geeignet ist, wobei der Lichtempfänger das integrierte optische Halbleiterbauelement enthalten kann.
  • Es ist bekannt, daß die Eigenschaften von optischen Funktionshalbleiterbausteinen wie Halbleiterlasern, optischen Modulatoren, Lichtschaltern, optischen Sensoren und optischen Verstärkern durch die Verwendung einer Supergitterstruktur mit optisch biaxialer Spannung erheblich verbessert werden können.
  • Es wird davon ausgegangen, daß bei der Weiterentwicklung der genannten und anderer optischer Bauteile die monolithische Integration dieser Bauteile in Zukunft unerläßlich sein wird, um die Verwendung von Licht weiterzuführen. Die gegenwärtig verfügbaren Techniken für das Kristallwachstum können jedoch keine Supergitterstrukturen mit unterschiedlichen Spannungen z. B. auf ein und demselben Substrat integrieren, und es wurde bisher auch keine Ausführung eines solchen optischen Funktionshalbleiterbauteils mit einer Supergitterstruktur mit optisch biaxialer Spannung realisiert. Die Polarisierung des aktivierenden Lichts in einem integrierten Bauelement war daher bisher auf die TE- Mode (Polarisationsebene parallel zur Kristallwachstumsfläche) beschränkt.
  • Um verschiedene Funktionsbauelemente auf dem gleichen Halbleitersubstrat zu integrieren, wurde daher ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem die Bandabstandsenergie auf der Substratoberfläche mittels selektivem Bereichswachstum gesteuert wird. Diese Art von integrierten optischen Halbleiterbauelementen wurde bei dem Herbsttreffen, C-133, des Institute of Electronic Information Communication, das am 5. September 1991 stattfand, vorgestellt.
  • Durch dieses Verfahren wird es möglich, optische Quantentopf-Wellenleiter mit unterschiedlichen Dicken der Quantentopfschichten oder unterschiedlichen Quantenzuständen mittels eines einzigen Kristallwachstums auf einer Substratoberfläche zu integrieren, wobei durch Kristallwachstum auf einem Halbleitersubstrat 2 mit einer Isoliermaske 1 eine Quantentopfstruktur 3 mit Quantentopfschichten 5 und Quantenbarriereschichten 6 zwischen einer optischen Wellenleiterschicht 4 und einer Hüllschicht 7 ausgebildet wird. Siehe die Fig. 1A und 1B, die jeweils, einen Abschnitt "a" und einen Abschnitt "b" mit optischen Quantentopf-Wellenleitent mit unterschiedlichen Dicken der Quantentopfstrukturen aufweisen. In diesem Fall sind jedoch die Dicke der Quantentopfschichten und die Mischkristallzusammensetzung der zu integrierenden Bauelemente durch die erforderliche Breite der Isoliermaske eindeutig festgelegt. Es ist daher unmöglich, die Spannung auf der Substratoberfläche gezielt einzustellen, und es ist schwierig, auf die Quantentopfstruktur ein Spannungssystem anzuwenden, mit dem eine weitere Verbesserung der Eigenschaften des Bauelements zu erwarten ist. Es ist damit nicht möglich, für jedes integrierte optische Halbleiterbauelement eine optimale Bauelementstruktur mit Quantentopfschichten oder dergleichen vorzusehen.
  • Solche integrierten optischen Halbleiterbauelemente werden bei optischen Kohärenzkommunikationssystemen verwendet. Bei der optischen Kohärenzkommunikation wird die Signalintensität dadurch erhöht, daß der von einem lokalen Oszillationslaser emittierte Lichtstrahl empfangsseitig mit Signallicht zur Interferenz gebracht wird. Durch Anwenden einer scharfen Interferenzwellenlängenselektivität wird empfangsseitig darüberhinaus ein hochdichtes Wellenlängen-Multiplexing erreicht. Damit das lokal oszillierte Licht interferiert, ist es jedoch erforderlich, daß das polarisierte Licht der Signallichtquelle und das der lokal oszillierenden Lichtquelle aneinander angeglichen wird.
  • Die Polarisationswellendiversität ist eines der Verfahren, mit denen dieses Problem gelöst werden kann. Bei der Polarisationswellendiversität wird das lokal oszillierte Licht durch einen Polarisationslichtseparator, etwa einen Polarisationslicht-Strahlteiler, in zwei polarisierte Lichtstrahlen gleicher Ausgangsleistung aufgeteilt. Signallicht mit einer Polarisationsrichtung, das durch eine optische Faser übertragen wird, wird in zwei Arten von polarisiertem Licht aufgeteilt, die senkrecht zueinander sind, wobei jede Art mit dem aufgeteiltem, lokal oszilliertem Licht zur Interferenz gebracht wird. Schließlich kann das polarisierte Licht jedes Signallichtstrahls unabhängig von den Fluktuationen der Interferenzintensität an der Empfangsseite des polarisieren Lichts durch Ausgleichen der einzelnen aufgeteilten Signalintensitäten aufgenommen werden.
  • Ein Beispiel für einen Aufbau, mit dies erreicht wird, ist im "Technical Research Report" in The Institute of Electronic Information Communication, Band 91, Nr. 340 (1991), Seite 45, beschrieben. In diesem Bericht werden zwei Sätze von Polarisationswellendiverssitätsbauteilen und vier Lichtempfänger (zwei für jeden Satz) verwendet, da der Aufbau einen Lichtempfänger vom Ausgleichstyp enthält. Das Signallicht wird in einem optischen Koppler mit einem lokal oszillierten Laserstrahl gekoppelt. Dann wird das vom optischen Koppler ausgehende Licht durch eine Mikrolinse gebündelt und auf den Polarisationslichtseparator eingestrahlt und in zwei Arten von polarisiertem Licht aufgeteilt, die zueinander senkrecht stehen. Jede Art des aufgeteilten polarisierten Lichts wird durch einen Lichtempfänger in ein elektrisches Signal umgewandelt. Wie oben beschrieben erfordert dieser existierende Polarisationswellendiversitätsaufbau optische Teile zum Aufteilen des polarisierten Lichts und wenigstens zwei unabhängige Lichtempfänger. Das optische System ist daher kompliziert, und es ist schwierig, mit diesem Aufbau mit verschiedenen optischen Teilen eine hohe Zuverlässigkeit zu erreichen.
  • In der EP-A-0 469 681 ist eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 beschrieben.
    • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Ausbilden einer Anzahl von Quantentopfstrukturen auf der Oberfläche eines Substrats (z. B. eines einzigen Halbleitersubstrats) mit geringen Kopplungsverlusten zwischen der Anzahl der Quantentopfstrukturen zu schaffen.
  • Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Ausbilden eines solchen integrierten optischen Halbleiterbauelements mit einer Anzahl von Quantentopfstrukturen mit jeweils einer kontrollierten, unterschiedlichen Gitterfehlanpassung zum Substrat zu schaffen, wobei das Verfahren relativ einfach sein und relativ wenige Prozeßschritte umfassen soll, wobei es jedoch möglich sein soll, die unterschiedlichen Gitterfehlanpassungen zu kontrollieren.
  • Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Ausbilden eines integrierten optischen Halbleiterbauelements mit verbesserten Eigenschaften durch Integrieren einer Anzahl von Quantentopfstrukturen mit unterschiedlichen Gitterfehlanpassungen auf einem Substrat zu schaffen.
  • Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Ausbilden eines integrierten optischen Halbleiterbauelements mit einer Anzahl von verschiedenen optischen Wellenleitern (z. B. einer Anzahl von verschiedenen Quantentopfstrukturen mit oder ohne Wellenleiterschichten) auf einem Substrat für die Integration von optischen Wellenleitern mit unterschiedlichen Polarisationsabhängigkeiten (z. B. für das Übertragen von Licht verschiedener Moden und das Nichthindurchlassen (z. B. Absorbieren) von Licht anderer Moden) und ein Verfahren zum Herstellen solcher Bauelemente zu schaffen.
  • Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Ausbilden eines integrierten optischen Halbleiterbauelements mit einer Anzahl von verschiedenen optischen Wellenleitern aus z. B. verschiedenen Quantentopfstrukturen mit unterschiedlichen Gitterfehlanpassungen zum Substrat zum gezielten Einstellen von verschiedenen Polarisationsebenen für das aktivierende Licht zu schaffen.
  • Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Ausbilden eines integrierten optischen Halbleiterbauelements (das z. B. als Lichtempfänger verwendet werden kann) zur Verwendung in optischen Kohärenzkommunikationssystemen zu schaffen, wobei das Bauelement relativ einfach und sehr zuverlässig sein soll und das Licht in zwei Arten von senkrecht zueinander polarisiertem Licht aufteilen können soll.
  • Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Ausbilden eines Lichtempfängers zu schaffen, der in der Lage ist, unabhängig zwei Arten von senkrecht zueinander polarisiertem Licht in elektrische Signale umzuwandeln.
  • Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Ausbilden eines Systems mit einem Lichtempfänger zu schaffen, der separat senkrecht zueinander polarisiertes Signallicht an einem einzigen Lichtempfangseingang aufnehmen kann und der die Lichtintensität von lokal oszilliertem Licht mit jedem der senkrecht zueinander polarisierten Signallichtstrahlen ausgleichen kann.
  • Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Ausbilden eines Systems mit einem Lichtempfänger zu schaffen, der separat senkrecht zueinander polarisiertes Signallicht an einem einzigen Lichtempfangseingang aufnehmen kann und der die sich ergebenden Ausgangssignale bei unterschiedlichen Empfangsempfindlichkeiten für die einzelnen polarisierten Wellen ausgleichen kann.
  • Diese Aufgaben werden mit dem Verfahren nach Patentanspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
  • Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Ausbilden eines Substrats (z. B. eines einzigen Halbleitersubstrats) mit einer Anzahl von Quantentopfstrukturen darauf geschaffen, wobei die einzelnen Quantentopfstrukturen unterschiedliche Gitterfehlanpassungen zum Substrat aufweisen.
  • Erfindungsgemäß umfaßt darüberhinaus das Herstellungsverfahren ein bereichsselektives Aufwachsenlassen (z. B. Abscheiden) mittels einer Isolierschicht-Strukturierungsmaske. Gemäß diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird zur Ausbildung einer Anzahl von z. B. Quantentopfstrukturen auf einem Substrat (einem einzigen Halbleitersubstrat) ein selektives Wachstum von z. B. Quantentopfstrukturen verwendet, wobei verschiedene Quantentopfstrukturen unterschiedliche Gitterfehlanpassungen zum Gitter aufweisen. Die Gitterfehlanpassung jeder einzelnen Quantentopfstruktur wird gesteuert. Diese Kontrolle der Gitterfehlanpassung kann durch die Auswahl von vorgegebenen Breiten der Wachstumsbereiche erreicht werden, auf denn die jeweilige Quantentopfstruktur abgeschieden wird, und/oder durch vorgegebene Breiten der Isolierschicht-Strukturierungsmaske, auf der keine Abscheidung erfolgt (wobei die Isolierschicht-Strukturierungsmaske die jeweiligen Wachstumsbereiche festlegt).
  • Es wird oben angegeben, daß auf einem Substrat eine Anzahl von Quantentopfstrukturen mit unterschiedlichen Spannungen oder mit unterschiedlichen Gitterfehlanpassungen zum Substrat vorgesehen wird. Solche Quantentopfstrukturen bilden für das erfindungsgemäße integrierte optische Halbleiterbauelement optische Wellenleiterstrukturen. Die Quantentopfstrukturen können die Gesamtheit der optischen Wellenleiterstrukturen bilden; es liegt jedoch innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung, daß die optische Wellenleiterstruktur auch eine optische Wellenleiterschicht enthält. Innerhalb dieses Aspekts der vorliegenden Erfindung kann die optische Wellenleiterschicht auch unter Verwendung der freiliegenden Wachstumsbereiche ausgebildet werden und eine Unterlage für die Quantentopfstruktur bilden. Wenn die Wellenleiterstruktur sowohl eine optische Wellenleiterschicht als auch eine Quantentopfstruktur aufweist, dient die Kombination für das integrierte optische Halbleiterbauelement als optische Wellenleiterstruktur und bildet so einen Funktionsabschnitt. Erfindungsgemäß weist daher das Bauelement wenigstens einen ersten und einen zweiten optischen Funktionsabschnitt auf, wobei jeder Abschnitt eine optische Wellenleiterstruktur mit unterschiedlicher Gitterfehlanpassung besitzt und die optische Wellenleiterstruktur die Wellenleiterschichten beinhalten kann oder nicht. In der folgenden Beschreibung wird unter einer Wellenleiterstruktur die Kombination einer Quantentopfstruktur mit einer Wellenleiterschicht verstanden, wenn das Bauelement eine Wellenleiterschicht aufweist, oder nur die Quantentopfstruktur, wenn das Bauelement keine Wellenleiterschicht aufweist.
  • Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Ausbilden eines Lichtempfängers vom Wellenleitertyp mit einer Reihe von einzelnen Bereichen für die unabhängige Absorption von zwei Arten von senkrecht zueinander polarisiertem Licht (TE und TM) in der optischen Achse vorgesehen. Zum Beispiel wird in einer ersten Stufe eine spannungsfreie Quantentopfstruktur (z. B. ein Supergitter) oder eine Quantentopfstruktur mit Druckspannung für die Absorption nur von Licht im TE-Mode und zum Durchlassen von TM-Mode- Licht bei der Signallichtwellenlänge als photoelektrische Schicht vorgesehen und in einer zweiten Stufe eine Struktur für die Absorption von TM-Mode-Licht und für die Realisierung einer photoelektrischen Umwandlung. Als TM-Mode-Absorptionsschicht kann eine Quantentopfstruktur (z. B. ein Supergitter) mit Zugspannung verwendet werden. Das erfindungsgemäße integrierte optische Halbleiterbauelement kann dazu verwendet werden, eine Folge von Quantentopfstrukturen zu schaffen, die jeweils TE-Mode-Licht absorbieren (und TM-Mode-Licht durchlassen) oder TM-Mode-Licht absorbieren.
  • Außerdem können zwei Arten von polarisiertem Licht eines lokal oszillierten Lichtstrahls, die in den Lichtempfänger vom Wellenleitertyp eintreten, so eingestellt werden, daß sie gegen die Wellenleiterstruktur um 45º geneigt sind, und der Verstärkungsgrad davon nach der Umwandlung in elektrische Signale wird so eingestellt, daß der Empfangsausgang des Signallichts für jede Art des polarisierten Lichts gleich ist, oder der Polarisationslichtwinkel des lokal oszillierten Lichts weicht entsprechend dem Unterschied in der Empfangsempfindlichkeit der beiden Arten des polarisierten Lichts von 45º ab.
  • Die Vorteile von integrierten optischen Halbleiterbauelementen mit Quantentopfstrukturen mit unterschiedlichen Gitterfehlanpassungen zum Substrat in der optischen Achse sind im folgenden aufgelistet.
  • (1) Beim Integrieren einer Wellenleiterstruktur (z. B. einer Quantentopfstruktur) mit Druckspannung mit einer Wellenleiterstruktur (z. B. einer Quantentopfstruktur) mit Zugspannung ist es möglich, Licht (TE-Polarisationslicht) mit einer Polarisationsebene parallel zur Kristallwachstumsfläche der Quantentopfstruktur mit Druckspannung und Licht (TM-Polarisationslicht) mit einer Polarisationsebene senkrecht zur Kristallwachstumsfläche der Quantentopfstruktur mit Zugspannung separat zu steuern. Es ist damit möglich, ein integriertes optisches Bauelement zu realisieren, mit dem das Licht unabhängig von der Polarisation und der Polarisationsebene des aktivierenden Lichts gesteuert werden kann.
  • (2) Bei der Verwendung einer Wellenleiterstruktur mit Druckspannung als aktives Halbleiterbauelement und einer Wellenleiterstruktur mit Zugspannung als passives Halbleiterbauelement ist es möglich, den Ausbreitungsverlust der passiven Wellenleiterstruktur mit Zugspannung für das TE-polarisierte Licht, der von dem aktiven Bauelement mit Druckspannung hervorgerufen wird, erheblich zu verringern. Der Grund dafür ist, daß ein Band mit leichten Löchern an der Lichtabsorption in der Halbleiterschicht mit Zugspannung teilnimmt und die Absorption von TM-polarisiertem Licht überwiegt. Darüberhinaus gilt diese Theorie auch, wenn eine Wellenleiterstruktur mit Druckspannung als passives Halbleiterbauelement und eine Wellenleiterstruktur mit Zugspannung als aktives Halbleiterbauelement verwendet wird.
  • (3) Bei der Verwendung einer Wellenleiterstruktur mit einer Zugspannung sowohl für aktive als auch passive Bauelemente beeinflußt ein Band leichter Löcher die optischen Eigenschaften einschließlich der Lichtemission, der Lichtabsorption und der Brechungsindexänderung, und das aktivierende Licht dient als TM-Polarisationslicht. Es ist daher bei einem lichtemittierenden Bauteil möglich, die Lichtemission, die Schwingungswellenlängenstabilität, die Temperaturcharakteristik und die Arbeitsgeschwindigkeit wirkungsvoll zu erhöhen. Darüberhinaus ist es bei einem passiven Bauteil möglich, den Absorptionskoeffizient, die Brechungsindexänderung, die Arbeitsgeschwindigkeit und die Ausbeute des aktivierenden Lichts zu erhöhen.
  • (4) Bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Wellenleiterstruktur sowohl für aktive als auch passive Bauteile nimmt die effektive Masse der schweren Löcher auf etwa 1/10 ab, und die schweren Löcher zeigen die gleichen Effekte wie leichte Löcher. Es sind daher die gleichen Verbesserungen in den Bauteileigenschaften wie oben in Punkt (3) zu erwarten. Wie oben erwähnt, kann durch das Kombinieren von integrierten optischen Bauelementen mit Quantentopfstrukturen mit verschiedenen Spannungen und/oder verschiedenen Fehlanpassungen zum Substrat ein hoch leistungsfähiges optisches integriertes Bauelement realisiert werden.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist die gezielte Einstellung der Anzahl von Wellenleiterstrukturen (z. B. Quantentopfstrukturen) mit unterschiedlichen Gitterfehlanpassungen zum Substrat durch eine selektive epitaktische Abscheidung der Wellenleiterstrukturen (z. B. Quantentopfstrukturen) auf dem Substrat leicht möglich. Die Schichten für die verschiedenen Wellenleiterstrukturen können gleichzeitig ausgebildet werden, wobei die unterschiedlichen Gitterfehlanpassungen oder unterschiedlichen Spannungen durch die Wahl der Breite der Wachstumsbereiche vorgegeben werden. Durch die Wahl der Breiten für die Wachstumsbereiche sowie der jeweiligen Abscheidematerialien zum Ausbilden der Wellenleiterstrukturen können die Gitterfehlanpassungen und/oder Spannungen leicht gezielt so eingestellt werden, daß die Aufgaben der vorliegenden Erfindung gelöst werden.
  • Ein optischer Halbleiter-Wellenleiter besitzt in der Regel eine Mehrlagenstruktur auf und daher eine plattenförmige oder rechteckige optische Wellenleiterstruktur. Geführtes Licht weist wenigstens zwei Eigenmoden auf - den TE-Mode mit einer elektrischen Feldkomponente in der Richtung parallel zu einer Oberfläche des Wellenleiters und den TM-Mode mit einer elektrischen Feldkomponente in der Richtung senkrecht zu der Oberfläche des Wellenleiters. Das geführte Licht kann durch einen Lichtempfänger mit Wellenleiterstruktur in zwei Arten von senkrecht zueinander polarisiertem Licht aufgeteilt werden. Durch die Aufteilung des Lichts in zwei Arten von polarisiertem Licht dient der Empfänger als Polarisationslicht-Strahlteiler.
  • Bei einem Lichtempfänger mit Quantentopfstruktur ist der Bandabstand für den Elektronenübergang für Licht im TE- und TM-Mode unterschiedlich groß. Der Grund dafür ist die verringerte Entartung und Aufspaltung, da die effektive Masse der Elektronen im höchstwertigen Valenzband für TE-Mode-Licht größer ist als die der Elektronen im Valenzband für TM-Mode-Licht. Der Übergangs-Bandabstand für Elektronen mit einer großen effektiven Masse für TE-Mode-Licht wird kleiner als der für Elektronen für TM- Mode-Licht. Im Ergebnis wird polarisiertes Licht im TE-Mode absorbiert, jedoch polarisiertes Licht im TM-Mode nicht absorbiert, wenn das Licht eine Wellenlänge innerhalb des Energie-Bandabstands hat. Unter Ausnutzung dieses Phänomens kann ein Bereich ausgebildet werden, der selektiv nur TE-Mode-Licht absorbiert. Durch das Verbinden eines Bereichs zum Absorbieren von TM-Mode-Licht in Reihe mit einem selektiv TE-Mode- Licht absorbierenden Bereich läßt sich so ein Lichtempfänger vom Wellenleitertyp zum separaten Absorbieren von senkrecht zueinander polarisierten Wellen erhalten. Auch wenn im TM-Mode-Licht absorbierenden Bereich ein Material zum Absorbieren des TM- Moden-Lichts verwendet wird, liegt darin kein Problem, da das TE-Mode-Licht aufgrund der Absorption des TE-Moden-Lichts in einer vorderen Stufe (d. h. vor dem TM-Mode- Licht absorbierenden Bereich) abgeschwächt wird.
  • Der Lichtempfänger gemäß diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann mit zwei Wellenleiterstrukturen erhalten werden, wobei eine z. B. eine Druckspannung aufweist und eine Zugspannung. Durch Ausbilden einer Halbleiterschicht in einer Dicke von einigen Nanometern auf einem InP-Halbleitersubstrat entsteht ein Spannungs- Supergitter, wobei die Halbleiterschicht eine Gitterkonstante besitzt, die sich etwas von der des Substrats unterscheidet, und auch eine Absorptionskante aufweist, die länger ist als die des Substrats. In diesem Fall tritt beim Aufwachsen der Schicht eine Druckspannung auf, da in der Oberflächenrichtung der Schicht die Wachstumsschicht zusammengedrückt wird, wenn die ursprüngliche Gitterkonstante der Schicht größer ist als die des Substrats, während eine Zugspannung entsteht, wenn die Schicht in der Oberflächenrichtung auseinandergezogen wird, wenn die ursprüngliche Gitterkonstante kleiner ist als die des Substrats. Wird ein Kristall einer Spannung unterworfen, ändern sich die optischen Eigenschaften, da der Kristall in der Oberflächenrichtung und der Richtung senkrecht zur Oberfläche verformt wird. Mit der Änderung der optischen Eigenschaften wird die Bandabstandswellenlänge des TE-Mode-Lichts länger für eine Druckspannung, wie es in IEEE Photonics Technology Letters (1991), Band 3, Nr. 2, Seite 103 gezeigt ist. Wenn ein Kristall einer Druckspannung unterworfen wird, wird durch Quanteneffekte die Entartung unabhängig von der Aufspaltung der Entartung verringert, und die Bandabstandenergie für den Elektronenübergang zur Absorption von TE-Mode-Licht wird kleiner als die für den Elektronenübergang zur Absorption von TM-Mode-Licht. Da der auf der Druckspannung beruhende Effekt zusätzlich zum Elektronenübergangs-Energieunterschied für die beiden Arten des polarisierten Lichts aufgrund des Quanteneffekts auftritt, läßt sich der Verlust an TM- Mode-Licht in dem selektiv TE-Mode-Licht absorbierenden Bereich weiter verringern. Für Licht mit einer Wellenlänge ganz in der Nähe einer bestimmten Absorptionskante wird kaum TM-Mode-Licht absorbiert, sondern dieses Licht durchgelassen, und aufgrund der Druckspannung für die Absorptionsschicht wird nur TE-Mode-Licht absorbiert.
  • Bei einer Zugspannung wird jedoch die Bandabstandswellenlänge für den Elektronenübergang, der hauptsächlich mit TM-Mode-Licht verbunden ist, länger als die für den Elektronenübergang zur Absorption nur von TE-Mode-Licht. Wenn in der Absorptionsschicht eine Zugspannung vorliegt, nimmt bei Einstellung der einfallenden Wellenlänge auf einen Wert größer als die Bandabstandswellenlänge für die Absorption nur von TE-Mode-Licht, jedoch kleiner als die Bandabstandwellenlänge für TM-Mode-Licht die Absorption von TE-Mode-Licht ab und die von TM-Mode-Licht zu. Die Struktur jeder Spannungsschicht wird daher so gewählt, daß die Wellenlänge des einfallenden Lichts eine Wellenlänge ist, die selektiv absorbiert wird. Die Absorption von TE-Mode-Licht im Absorptionsbereich für TM-Mode-Licht kann daher gesteuert und die Selektivität erhöht werden.
  • Bei diesem Aufbau ist kein polarisierender Strahlteiler erforderlich, und es ist möglich, die beiden Lichtempfänger in einem Körper (z. B. auf einem einzigen Substrat) monolithisch auszubilden.
  • Durch das Einstellen der Richtung des polarisierten Lichts des lokal oszillierten Lichtstrahls auf 45º von der Wellenleiterstruktur kann für die TE- und TM-Moden die gleiche Lichtintensität eingekoppelt werden, und es kann eine Polarisationswellendiversität erhalten werden.
  • Da die Ausbreitungsverluste in einem optischen Wellenleiter und der Aufbau des Absorptionsbereichs für verschiedene Arten von polarisiertem Licht unterschiedlich sind, entspricht der photoelektrische Umwandlungswirkungsgrad nicht eins zu eins. Für die Polarisationswellendiversität ist es jedoch wichtig, daß der Wirkungsgrad eins zu eins entspricht. Eine Korrektur der Intensität des elektrischen Signals für jede Art des polarisierten Lichts kann dadurch erreicht werden, daß die Verstärkungsfaktoren für die elektrischen Signale für jede Art von polarisiertem Licht ausgeglichen werden. Dadurch, daß lokal oszilliertes Licht mit dem Signallicht zur Interferenz gebracht wird, wird das Signallicht proportional zum elektrischen Feld des lokal oszillierten Lichts verstärkt. Der Umwandlungswirkungsgrad für jede Art des oben erwähnten polarisierten Lichts kann auch dadurch korrigiert werden, daß das polarisierte Licht des lokal oszillierten Lichts von den 45º zur Oberfläche der optischen Wellenleiterstruktur abweicht und der Prozentanteil des elektrischen Feldes verändert wird, der mit TE- und TM-Mode-Licht gekoppelt wird.
    • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Fig. 1A und 1B sind Darstellungen zur Erläuterung von früher vorgeschlagenen Strukturen;
  • Fig. 2A und 2B sind Darstellungen zur Erläuterung von Verfahren, wobei das Verfahren der Fig. 2A das der vorliegenden Erfindung ist;
  • Fig. 3A und 3B sind Darstellungen zur Erläuterung der Arbeitsweise der vorliegenden Erfindung;
  • Fig. 4 ist ein Diagramm, das zeigt, wie die Gitterfehlanpassung einer auf einem Substrat abgeschiedenen Struktur sich in Abhängigkeit von einer Maskenbreite (Breite der Isolierschicht) ändert, die den Wachstumsbereich für die abgeschiedene Struktur festlegt;
  • Fig. 5A ist ein Diagramm, das zeigt, wie die Bandabstandsenergie einer Quantentopfstruktur sich in Abhängigkeit von der Maskenbreite (Breite der Isolierschicht) ändert, die den Wachstumsbereich für die abgeschiedene Quantentopfstruktur festlegt, und wie sie von der Dicke der Quantentopfstruktur abhängt;
  • Fig. 5B ist ein Diagramm, das zeigt, wie die Bandabstandsenergie einer Quantentopfstruktur sich in Abhängigkeit von der Breite des Wachstumsbereichs ändert;
  • Fig. 6 ist eine Darstellung zur Erläuterung einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • Fig. 7A-7C zeigen eine vollständige Struktur unter Verwendung der ersten Ausführungsform, wobei die Fig. 7B und 7C Teil-Schnittansichten aus der Fig. 7A sind;
  • Fig. 8A-8C zeigen eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei die Fig. 8B und 8C Teil-Schnittansichten aus der Fig. 8A sind;
  • Fig. 9A-9C zeigen eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei die Fig. 9B und 9C Teil-Schnittansichten aus der Fig. 9A sind;
  • Fig. 10A-10C zeigen eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei die Fig. 10B und 1ºC Teil-Schnittansichten aus der Fig. 10A sind;
  • Fig. 11A-11E zeigen eine fünfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • Fig. 12A und 12B zeigen eine sechste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • Fig. 13 zeigt eine siebte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • Fig. 14 zeigt eine achte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • Fig. 15 zeigt eine neunte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • Fig. 16 ist eine Darstellung einer Lichtempfängerstruktur für Polarisationswellendiversität gemäß einer zehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • Fig. 17 ist eine Darstellung eines Spannungs-Supergitters eines Lichtempfängers vom Wellenleitertyp für Polarisationswellendiversität; und
  • Fig. 18 ist eine Darstellung eines Lichtempfängers in einem System für eine Polarisationswellendiversität.
    • GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Auch wenn die vorliegende Erfindung anhand von Vorrichtungen und Materialien mit speziellen Komponenten beschrieben wird, ist vorgesehen, daß die Vorrichtungen und Materialien aus den speziellen Komponenten bestehen oder im wesentlichen aus den speziellen Komponenten bestehen.
  • Die folgende Beschreibung ist in Verbindung mit den verschiedenen Figuren der Zeichnung zu sehen. In den verschiedenen Figuren der Zeichnung werden Strukturen mit im wesentlichen der gleichen Funktion mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
  • Es folgt die Beschreibung von Verfahren, wobei das Verfahren der Fig. 2A der vorliegenden Erfindung entspricht, zur Herstellung eines integrierten optischen Halbleiterbauelements mit Quantentopfstrukturen mit unterschiedlichen Spannungen (beziehungsweise Druckspannungen und Zugspannungen). Solche unterschiedlichen Spannung können z. B. durch Quantentopfstrukturen auf einem Substrat mit unterschiedlichen Gitterfehlanpassungen zum Substrat erhalten werden. In Kombination mit Lithographieschritten wird, wie in den Fig. 2A und 2B gezeigt, auf einem Halbleitersubstrat 2 durch eine chemische Abscheidungstechnik aus der Gasphase oder eine Sputtertechnik eine Isolierschicht- Strukturierungsmaske 1 aus SiO&sub2; (Siliziumdioxid), SiNX (Siliziumnitrid) oder a-Si (amorphem Silizium) ausgebildet. In beiden Fällen wird der Bereich, in dem der Halbleiter zwischen den Strukturierungen freiliegt, als Wachstumsbereich definiert. Die Breite dieses Bereichs wird als Breite des Wachstumsbereichs definiert, während die Breite der Strukturierungsmaske als Maskenbreite definiert wird. Im Falle der Fig. 2A ist die Isolierschicht- Strukturierungsmaske 1 so beschaffen, daß sich die Breite des Wachstumsbereichs in der Richtung der optischen Achse verändert, wobei für verschiedene Quantentopfstrukturen unterschiedliche Breiten 40, 41 ausgebildet werden. Andererseits ist in der Fig. 2B die Isolierschicht-Strukturierungsmaske 1 so beschaffen, daß sich die Maskenbreite ändert, wobei Maskenbreiten 42, 43 vorliegen, während die Breite des Wachstumsbereichs in der Richtung der optischen Achse konstant auf der Breite 44 gehalten wird.
  • Wie in den Fig. 3A und 3B gezeigt, werden durch eine bekannte Gasphasenepitaxie-Abscheidungstechnik (z. B. die organometallischr Gasphasenepitaxie) auf dem Halbleitersubstrat 2 mit der Isolierschicht-Strukturierungsmaske 1 aufeinanderfolgend eine optische Wellenleiterschicht 4 aus einem III-V-Verbindungs-Mischkristallhalbleiter, eine Quantentopfstruktur 3 mit einer Anzahl von Quantentopfschichten 5 und Quantentopfharriereschichten 6 und eine Hüllschicht 7 ausgebildet. Die Quantentopfschicht 5 sollte zwei oder mehrere Elemente der Gruppe III mit verschiedenen Gitterkonstanten umfassen, etwa Ga und In. Diese zwei oder mehr Gruppe-III-Elemente weisen unterschiedliche Atomdurchmesser (mit vorzugsweise einem relativ großen Unterschied im Atomdurchmesser) auf, um die gemäß der vorliegenden Erfindung erwünschte Gitterfehlanpassung zu erhalten. Auch wenn in der vorliegenden Beschreibung als Gruppe-III-Elemente Ga und In genannt werden, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt, die Gruppe-III- Elemente können zum Beispiel In und Al, In und Ga und Al usw. sein. Verschiedene Wachstumsschichten von III-V-Halbleitermaterialien auf einem Substrat sind erfindungsgemäß folgende:
  • (1) InGaAs(P)/InP
  • (2) InGaAs/InGaAlAs
  • (3) InGaAs/GaAlAs/GaAs
  • (4) InAlAs/InGaAs/InP.
  • In diesem Fall tritt, da auf der Isolierschicht-Strukturierungsmaske kein Kristallwachstum erfolgt, das Wachstum selektiv nur im Wachstumsbereich auf (selektives Bereichswachstum). Darüberhinaus nimmt, da die an der Isolierschicht-Strukturierungsmaske 1 auftreffenden Teilchen des Aufwachsmaterials an der Oberfläche oder in der Gasphase zum Wachstumsbereich diffundieren, die Wachstumsgeschwindigkeit mit abnehmender Breite des freiliegenden Bereichs zu. Es ändert sich dabei auch die Zusammensetzung der Wachstumsschicht. Dieses Phänomen wird durch die Tatsache hervorgerufen, daß die Diffusionslängen für verschiedene Elemente in der gleichen Gruppe des Periodensystems und insbesondere zwischen den Elementen der Gruppe III auf der Isolierschicht- Strukturierungsmaske 1 unterschiedlich sind. Zum Beispiel nimmt, da die Diffusionslänge von In-Teilchen größer ist als die von Ga-Teilchen, der In-Anteil im Kristall aufgrund des selektiven Wachstums zu, und die Kristallgitterkonstante wird größer als die des Substrats. Da der Wert der Diffusionslänge und die Gitterkonstante von der Kombination der Gruppe- III-Elemente abhängt, kann die Kristallgitterkonstante aufgrund des selektiven Bereichswachstums auch kleiner werden als die des Substrats. Die Dicke und die Zusammensetzung dieser Wachstumsschichten nehmen mit zunehmender Breite des Wachstumsbereichs zu bzw. ändern sich. Die Zusammensetzung der Quantentopfstruktur auf der Substratoberfläche, z. B. die Gitterfehlanpassung zum Substrat und/oder die Spannung der Quantentopfstruktur, kann daher leicht über die Breite des Wachstumsbereichs unter Heranziehung der Änderung der Zusammensetzung gesteuert werden.
  • Mit dieser Technik kann auf der Substratoberfläche ein integriertes optisches Hochleistungs-Halbleiterbauelement mit einer Anzahl von Quantentopfstrukturen mit jeweils unterschiedlicher Spannung ausgebildet werden. Konkret wird für das Kristallwachstum der Quantentopfstrukturen der Fig. 3A im Abschnitt "b" mit einer großen Breite des Wachstumsbereichs die Kristallgitterkonstante der Quantentopfschicht 5 kleiner eingestellt als die der Quantenbarriereschicht 6, um in der Quantentopfschicht eine Quantentopfstruktur mit einer Zugspannung auszubilden, wie es in der Fig. 3B gezeigt ist. In diesem Fall wird im Abschnitt "a" mit einer kleinen freiliegenden Breite des Wachstumsbereichs wegen der erwähnten Änderung der Zusammensetzung automatisch eine Quantentopfstruktur mit einer Druckspannung ausgebildet. Da bei der optischen Wellenleiterschicht 4, der Quantenbarriereschicht 6 und der Hüllschicht 7 ein Legierungskristallhalbleiter mit einem Gruppe-III-Element-Zusammensetzungsverhältnis von 1 oder kleiner verwendet wird, entsteht zwischen den beiden Abschnitten "a" und "b" kein großer Unterschied in der Zusammensetzung der Wachstumsschicht. Zum Beispiel nimmt die Änderung in der Schichtdicke und der Zusammensetzung in den beiden Abschnitten zu, wenn sowohl In als auch Ga, die Gruppe-III-Elemente sind, ein Zusammensetzungsverhältnis von etwa 0,5 in InXGa1-xAsP aufweisen. Die Änderung nimmt jedoch mit größer werdendem Zusammensetzungsverhältnis ab. Ein Gruppe-III-Element trägt im Vergleich zu einem Gruppe-V-Element in einem außerordentlich großen Ausmaß zur Änderung der Schichtdicke und Zusammensetzung eines III-V-Verbindungshalbleiters beim selektiven Bereichswachstum bei. Wenn das Zusammensetzungsverhältnis der Elemente A und B der gleichen Gruppe [A] bzw. [B] ist, wird eine große Änderung erhalten, wenn der Wert von "x", der als "x" = [A]/[B] definiert ist, zwischen 0,25 und 4 (jeweils einschließlich) liegt, und die maximale Änderung wird erhalten, wenn er gleich "1" ist. In diesem Fall wird, da die Zuführgaszusammensetzung zur Ausbildung des Legierungshalbleiterkristalls unterschiedlich ist; und da die Migration/Diffusion der Atome des Legierungskristalls für verschiedene Elemente auf der Isolierschicht-Strukturierungsmaske in Abhängigkeit von der Breite des freiliegenden Bereichs unterschiedlich ist, auf den freiliegenden Bereichen der Abschnitte "a" und "b" automatisch eine Quantentopfstruktur 3 mit unterschiedlichen Zusammensetzungen und Dicken ausgebildet. Die Abschnitte "a" und "b" gehen sehr weich ineinander über, da beide Abschnitte beim gleichen Kristallwachstum ausgebildet werden, so daß die Koppelverluste erheblich verringert werden und der optische Koppelwirkungsgrad nahezu 100% erreicht.
  • Um eine Migration (z. B. Diffusion) der erwünschten Elemente beim Abscheiden der Quantentopfstrukturen auf dem Substrat durch z. B. eine Gasphasenabscheidung zu erhalten, ist die Abscheidetemperatur und der Druck zu berücksichtigen. Vorzugsweise erfolgt die Abscheidung bei einer Temperatur von wenigstens 550ºC (besser bei 550º bis 650ºC) und einem Druck von 27 bis 270 hPa (20 bis 200 Torr). Zum Beispiel kann die Abscheidung (z. B. der Quantentopfstrukturen) bei einer Temperatur von 600ºC und einem Druck von 53 hPa (40 Torr) erfolgen.
  • Wie früher erwähnt, beeinflussen die Breite des Wachstumsbereichs und die der Maske (Breite der Isolierschicht) die Gitterfehlanpassung und/oder Spannung der abgeschiedenen Schicht. Vorzugsweise liegen die Breite des Wachstumsbereichs (40 oder 41 in der Fig. 2A oder Wg (44) in der Fig. 2B) im Bereich von 5 bis 30 um und/oder die Breite der Maske (Breite der Isolierschicht, z. B. Wm (42 oder 43) in der Fig. 2B) im Bereich von 5 bis 60 um. Zum Beispiel liegt Wg für eine Quantentopfstruktur, die auf einem Substrat abgeschieden wird, im Bereich von 5 bis 30 um und Wm im Bereich von 5 bis 60 um.
  • Die Fig. 4 zeigt die Ergebnisse einer Überprüfung des Ausmaßes der Gitterfehlanpassung der Wachstumsschicht mit dem Substrat als Funktion der Breite der Strukturierungsmaske beim Abscheiden der Wachstumsschicht, d. h. einer quaternären InGaAsP- Schicht oder einer tertiären InGaAs-Schicht, durch organometallische Gasphasenepitaxie auf einem InP-Substrat, wobei die Wachstumsbedingungen wie die Menge an zugeführtem Gas und die Wachstumstemperatur konstant gehalten wurden. Wie die Darstellung in der Fig. 4 zeigt, erfolgt das Kristallwachstum unter der Bedingung, daß die Gitterfehlanpassung negativ ist, wenn die Maskenbreite Null ist, oder für das normale Wachstum, und es tritt eine Gitteranpassung auf wenn die Maskenbreite 50 um ist, wobei die Breite jedes Wachstumsbereichs bei 20 um gehalten wurde. Wie in der Fig. 4 gezeigt, ist es möglich, durch Einstellen der Maskenbreite auf unterschiedliche Werte wahlweise eine Anzahl von Quantentopfstrukturen mit verschiedenen Spannungen auf dem gleichen Substrat auszubilden.
  • Die Fig. 5A zeigt die Änderung der Bandabstandsenergie (als PL-Peakwellenlänge ausgedrückt) einer Quantentopfstruktur aufgrund eines Anstiegs der Dicke der Quantentopfschicht und der erwähnten Änderung der Zusammensetzung der Quantentopfschicht. Die Fig. 5B zeigt die Änderung der Bandabstandsenergie (als PL-Peakwellenlänge ausgedrückt) einer Quantentopfstruktur aufgrund eines Anstiegs der Breite des Wachstumsbereichs. Bei den vorgeschlagenen Verfahren ist die Einstellung der Bandabstandsenergie auf etwa 100 meV beschränkt, da nur die Verringerung der Bandabstandsenergie durch eine Druckspannung angewendet wird. Bei der vorliegenden Erfindung kann der Energieabstand durch die gleichzeitige Verwendung auch negativer Spannungen bis zum Doppelten des bestehenden Wertes erhöht werden. Der Freiheitsgrad bei der Anwendung dieser Technik auf integrierte optische Bauelemente erhöht sich daher erheblich.
  • Wie in der Fig. 3 zu sehen, umfaßt die Quantentopfstruktur sowohl Quantentopfschichten 5 als auch Quantenbarriereschichten 6. Sowohl die Quantentopfschichten als auch die Quantenbarriereschichten werden unter Verwendung der selektiven Wachstumsbereiche abgeschieden, und ihre Zusammensetzung hängt jeweils von der Maskenbreite ab. Wie in der Fig. 4 zu sehen, variiert die Zusammensetzung der Quantentopfschichten in Abhängigkeit von der Maskenbreite im Vergleich zu der der Quantenbarriereschichten in einem viel größeren Ausmaß.
  • Bei der obigen Beschreibung wurde ein III-V-Halbleitermaterial zur Ausbildung der Quantentopfstruktur (einschließlich deren Quantentopfschichten) verwendet. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die Verwendung von III-V-Halbleitermaterialien beschränkt. Es können auch andere Verbindungshalbleitermaterialien wie etwa II-VI- Halbleitermaterialien verwendet werden Bei der Verwendung von II-VI-Materialien werden wenigstens zwei Gruppe-II-Elemente in das Material eingebaut, wobei die wenigstens zwei Gruppe-II-Elemente unterschiedliche Atomdurchmesser haben (wenigstens ein Atomdurchmesser ist relativ groß gegenüber den anderen). Wie oben in Verbindung mit den III-V-Halbleitermaterialien beschrieben, wird das Gruppe-II-Element mit dem relativ großen Durchmesser selektiv in die Wachstumsschicht im Wachstumsbereich eingebaut, der durch eine strukturierte Maske festgelegt wird, um so Wachstumsschichten mit unterschiedlichen Zusammensetzungen auszubilden und dadurch die Aufgaben der vorliegenden Erfindung zu lösen. Zum Beispiel sind Gruppe-II-Elemente Mg, Zn und Cd und Gruppe- VI-Elemente Se, Te und 5.
  • Im folgenden werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung anhand der Fig. 6 bis 17 beschrieben.
    • Ausführungsform 1
  • Bei der Ausführungsform der Fig. 6 wird auf einem n-InP-Substrat 8 eine Isolier-Strukturierungsmaske 10 aus SiO&sub2;, SiNx oder a-Si ausgebildet, wobei ein Bereich, in dem das Halbleitersubstrat freiliegt (Breite des Wachstumsbereichs), sich in der Richtung des optischen Wellenleiters zwischen einem Bereich, in dem ein Gitter 9 auszubilden ist (Abschnitt "b" für einen DFB-Laser), und einem Bereich ohne Gitter (Abschnitt "a" für einen optischen Modulator) unterschiedlich ausgebildet ist. Dann wird eine quaternäre In0,85Ga0,15As0,33P0,67-Wellenleiterschicht 11, eine Mehrfach-Quantentopfstruktur 14 (mit z. B. 10 Quanteritopfschichten) aus tertiären InXGa1-xAs-Quantentopfschichten 12 und quaternären In0,85Ga0,15As0,33P0,67-Quantentopfbarriereschichten 13 sowie eine p-InP-Hüllschicht 15 nacheinander mittels eines organometallischen Gasphasenepitaxieverfahrens durch Kristallwachstum auf dem strukturierten Substrat aufgebracht. Durch Einstellen der Breite des freiliegenden Fläche in den beiden Bereichen (Abschnitt "a" und Abschnitt "b") auf 45 um bzw. 60 um wird, wie aus der Fig. 4 zu sehen ist, die Verstärkungspeakwellenlänge auf 1,48 um bzw. 1,56 um eingestellt und die Gitterverzerrung der Quantentopfstruktur (Δa/a) auf -0,5% bzw. +0,5%. Nach dem Ausbilden der einzelnen Halbleiterschichten werden die Halbleiterschichten und die Isolierschicht-Strukturierungsmaske geätzt, um die Wellenleiterstruktur auszubilden, woraufhin die Wellenleiterstruktur durch eine herkömmliche Technik vergraben wird. Zum Beispiel (und nicht einschränkend) kann als Material zum Einbetten Fe-dotiertes InP oder Ti-dotiertes InP verwendet werden. Danach werden mittels eines herkömmlichen Aufdampfverfahrens eine p-Elekrode 16 und eine n-Elektrode 17 (siehe Fig. 7A) ausgebildet, um ein integriertes optisches Halbleiterbauelement zu erhalten.
  • Mit diesem Aufbau kann als optischer Modulator (Abschnitt "a") und als DFB- Laser (Abschnitt "b") eine integrierte Modulatorlichtquelle vom Feldabsorptionstyp realisiert werden. Bei diesem Aufbau mit einem optischen Modulator mit einer einer Zugspannung unterliegenden Quantentopfstruktur wird das Laserlicht von dem DFB-Laser (der eine Quantentopfstruktur aufweist, die einer Druckspannung unterliegt) durch den optischen Modulator hindurchlaufen, wenn an den optischen Modulator keine Spannung angelegt wird, wobei der optische Modulator das Laserlicht absorbiert, wenn an ihn eine Spannung angelegt wird.
  • Die Fig. 7A bis 7C zeigen die Bauelementstruktur der Ausführungsform, wobei zusätzlich durch bekannte Verfahren eine eingetiefte Struktur und eine Strombegrenzungsstruktur ausgebildet werden. Die Fig. 7B und 7C zeigen den Abschnittsbereich 101 bzw. 103 in der Fig. 7A. Es ist möglich, die Dicke der Quantentopfschicht durch das Einbringen einer Zugspannung in den Modulator auf 6 nm zu erhöhen, was 1,5 mal größer ist als der Wert für keine Spannung, während die Verstärkungspeakwellenlänge bei 1,48 um gehalten wird. Der Abschnitt 101 weist damit eine Verstärkungspeakwellenlänge von 1,48 um und eine Zugspannung (Δa/a) = -0,5% auf; und der Abschnitt 103 weist eine Verstärkungspeakwellenlänge von 1,56 um und eine Druckspannung (Δa/a) = +0,5% auf. Da der Feldabsorptionseffekt proportional zur vierten Potenz der Dicke der Topfschicht ist, steigt er auf das fünffache an. Es ist damit möglich, die Modulator-Ansteuerspannung auf die Hälfte des bestehenden Wertes zu senken und das Zirpen zur Modulation auf etwa 1/10 des bestehenden Wertes. Es läßt sich so ein integriertes optisches Bauelement mit hoher Leistungsfähigkeit und hoher Zuverlässigkeit realisieren.
  • Bei der vorstehenden Ausführungsform sind zwei Quantentopfstrukturen vorgesehen. Wie leicht zu erkennen ist, ist die vorliegende Erfindung nicht auf zwei Quantentopfstrukturen auf einem Substrat beschränkt, es können auch mehr als zwei Quantentopfstrukturen auf dem Substrat vorgesehen werden.
    • Ausführungsform 2
  • Die Fig. 8A bis 8C zeigen die Bauelementstruktur einer zweiten Ausführungsform, bei der die Quantentopfstruktur des optischen Modulators der Ausführungsform 1 und die Quantentopfschicht für den Abschnitt mit dem DFB-Laser der Ausführungsform 1 durch Quantentopfstrukturen 14 mit Zugspannungen (Δa/a) von -1,5% bzw. -1,0% ersetzt wurden und außerdem eine eingetiefte Struktur und eine Strombegrenzungsstruktur vorgesehen sind. Das Bauelement der Fig. 8A weist im Abschnitt "b" einen einer Zugspannung unterliegenden DFB-Laser mit einer Anzahl von Quantentöpfen und mit einer Verstärkungspeakwellenlänge von etwa 1,55 um und einer Zugspannung von -1,0% auf und im Abschnitt "a" einen einer Zugspannung unterliegenden optischen Modulator mit einer Anzahl von Quantentöpfen mit einer Verstärkungspeakwellenlänge von 1,48 um und einer Zugspannung von -1,5%. Die Fig. 8B und 8C zeigen den Abschnittsbereich 105 bzw. 107 in der Fig. 8A, wobei diese Abschnittsbereiche jeweils Teile des Abschnitts "a" bzw. des Abschnitts "b" sind. In diesem Fall ist das Oszillationslicht im TM-Mode, und anstelle des Bandes schwerer Löcher nimmt ein Band leichter Löcher an der Laseremission und der Lichtabsorption teil. Es ist daher möglich, die Stabilität der Laser-Oszillationswellenlänge erheblich zu erhöhen und den Modulationswirkungsgrad und die Geschwindigkeit des Modulators zu verbessern.
    • Ausführungsform 3
  • Bei dem integrierten optischen Bauelement der Fig. 9A bis 9C sind die Verstärkungswellenlängen von zwei Bereichen (den bei 109 und 111 gezeigten Bereichen) auf 1,50 um bzw. 1,55 um eingestellt, und die Gitterverzerrung (Spannung) der Quantentopfstrukturen dieser beiden Bereiche ist jeweils eine Zugspannung bzw. eine Druckspannung, die mittels der Technik wie bei der Ausführungsform 1 auf -1,0% bzw. +0,5% eingestellt ist. Die Fig. 9B und 9C zeigen den Abschnittsbereich 109 bzw. 111 in der Fig. 9A. Nachdem alle Halbleiterschichten ausgebildet wurden und das Ätzen und Vergraben erfolgt sind, werden durch ein herkömmlichen Aufdampfverfahren eine separate p-Elektrode 16 und eine separate n-Elektrode 17 aufgebracht, um ein integriertes optisches Halbleiterbauelement zu erhalten. Durch die Verwendung dieses Aufbaus als optischer TE- bzw. TM- Mode-Verstärker läßt sich leicht ein von der Polarisation unabhängiger optischer Verstärker realisieren, wobei durch Strominjektion die Verstärkungsfaktoren in der TE- und der TM-Mode separat gesteuert werden können. Die Fig. 9A zeigt die Bauelementstruktur der Ausführungsform, die mit einer vertieften Struktur und einer Strombegrenzungsstruktur versehen ist. Es ist damit möglich, die Polarisationsabhängigkeit der optischen Verstärker vollständig zu beseitigen. Darüberhinaus ist es möglich, durch das separate Steuern der Verstärkungsfaktoren und der Absorptionskoeffizienten im TE- oder TM-Mode durch Strominjektion oder Anlegen einer Spannung TE- und TM-Mode-Filter zu erhalten.
    • Ausführungsform 4
  • Bei der Ausführungsform der Fig. 10A bis 1ºC wird auf einem n-InP- Halbleitersubstrat eine Isolier-Strukturierungsmaske aus SiO&sub2;, SiNX oder a-Si ausgebildet, wobei die Breite eines Bereichs, in dem das Halbleitersubstrat freiliegt (Breite des Wachstumsbereichs), sich in der Richtung des optischen Wellenleiters zwischen einem Bereich, in dem ein Gitter 9 auszubilden ist, und einem Bereich ohne Gitter unterschiedlich ausgebildet ist. Die Fig. 10B und 10C zeigen den Abschnittsbereich 113 bzw. 115 in der Fig. 10A. Dann wird eine quaternäre In0,85Ga0,15As0,33P0,67-Wellenleiterschicht 11, eine Mehrfach-Quantentopfstruktur 14 aus tertiären InxGa1-xAs-Quantentopfschichten 12 und quaternären In0,85Ga0,15As0,33P0,67-Quantentopfbarriereschichten 13 sowie eine p-InP-Hüllschicht 15 nacheinander mittels eines organometallischen Gasphasenepitaxieverfahrens durch Kristallwachstum auf dem Substrat aufgebracht. Es hängt dabei die Zusammensetzung der tertiären und quaternären Kristalle, die in den freiliegenden Bereichen aufwachsen, jeweils von der Breite der freiliegenden Bereiche der Strukturierungsmaske ab, wie es oben in Verbindung mit der Fig. 4 beschrieben wurde. Wie aus der Fig. 4 zu ersehen ist, wird durch Einstellen der Breite der freiliegenden Fläche in den beiden Bereichen, die als die Bereiche 115 und 113 gezeigt sind, auf 30 um bzw. 90 um die Verstärkungspeakwellenlänge auf 1,25 um bzw. 1,55 um eingestellt und die Gitterspannung (Δa/a) der Quantentopfstruktur auf -1% bzw. +1%. Nach dem Ausbilden der einzelnen Halbleiterschichten erfolgt wie bei der Ausführungsform 1 beschrieben ein Ätzen und Vergraben, und mittels eines herkömmlichen Aufdampfverfahrens werden eine p-Elekrode 16 und eine n-Elektrode 17 ausgebildet, um ein integriertes optisches Halbleiterbauelement zu erhalten. Durch die Verwendung dieses Aufbau als verteilter Bragg-Reflektor 18 und als aktiver Bereich 19 kann damit ein verteilter reflektiver Laser realisiert werden. Der Bereich 50 ist ein Phasensteuerbereich. Die Fig. 10A zeigt die Bauelementstruktur der Ausführungsform, wobei zusätzlich durch bekannte Verfahren eine eingetiefte Struktur und eine Strombegrenzungsstruktur ausgebildet werden. Da der verteilte Bragg-Reflektor 18, der einer Zugspannung unterliegt, fast keinen Verlust für das vom aktiven Bereich 19 mit einer Druckspannung erzeugte TE-Licht aufweist, ist es möglich, die Oszillationsschwelle und die spektrale Linienbreite des Laser zu verringern. Der Phasensteuerbereich 50 befindet sich zwischen dem verteilten Bragg- Reflektor 18 und dem aktiven Bereich 19, damit die Phasenbedingung für die Laserschwingung aufrecht erhalten bleibt. Bei dieser Ausführungsform ist der aktive Bereich mit einem Quantentopf mit Druckspannung und der verteilte Bragg-Reflektor 18 mit einem Quantentopf mit Zugspannung versehen. Die gleichen Auswirkungen werden erhalten, wenn der aktive Bereiche mit einem Quantentopf mit Zugspannung und der verteilte Bragg-Reflektor 18 mit einem Quantentopf mit Druckspannung versehen wird.
    • Ausführungsform 5
  • Die Fig. 11A bis 11E zeigen eine Ausführungsform für einen Kreuzungslichtschalter aus erfindungsgemäßen integrierten optischen Verstärkern. Eine Mehrfach- Quantentopfstruktur 14 mit einer Verstärkungspeakwellenlänge von 1,45 um und einer Zugspannung von -1% in der Quantentopfschicht wird auf einem n-InP-Substrat 8 mit einer Strukturierungsmaske 10 aus Isolatoren wie SiO&sub2;, SiNx und a-Si wie in der Fig. 11E gezeigt ausgebildet. Die Fig. 11E zeigt die Strukturierungsmaske 10 zum Ausbilden von TM-Mode-Reflektoren 42 und TM-Mode-Verstärkern 44. Es ist dabei erforderlich, wie aus der Fig. 11E zu ersehen ist, die Maskenbreite und die Breite des Wachstumsbereichs so einzustellen, daß die Abschnitte "a" (TM-Mode-Reflektor 42) und "c" (TM-Mode- Reflektor 42) eine Verstärkungspeakwellenlänge von 1,50 um und eine Quantentopfstruktur-Druckspannung von +0,5% aufweisen, und daß der Abschnitt "b" (TM-Mode- Verstärker 44) eine Verstärkungspeakwellenlänge von 1,55 um und eine Quantentopfstruktur-Druckspannung von +1,0% aufweist.
  • Die Fig. 11 A zeigt eine Ausführungsform der Bauelementstruktur, in der eine vertiefte Struktur, eine Wellenleiterstruktur und eine Strombegrenzungsstruktur vorgesehen sind. Eine X-förmige Stegwellenleiterstruktur 47 ist mit einem ersten Bypasswellenleiter und einem zweiten Bypasswellenleiter versehen. Der erste Bypasswellenleiter umfaßt einen TE-Mode-Verstärker 43, wie es in der Fig. 11B gezeigt ist. Der zweite Bypasswellenleiter umfaßt einen TM-Mode-Verstärker 44, wie es in der Fig. 11C gezeigt ist. An jedem der Schnittpunkte des X-förmigen Stegwellenleiters mit dem ersten Bypasswellenleiter befindet sich ein TE-Mode-Reflektor 41. An jedem der Schnittpunkte des X- förmigen Stegwellenleiters mit dem zweiten Bypasswellenleiter befindet sich ein TM- Mode-Reflektor 42. Der TE-Mode-Reflektor 41 und der TM-Mode-Reflektor 42 sind in der Fig. 11D gezeigt. Das Bezugszeichen 49 zeigt die Strombegrenzungsstruktur und das Bezugszeichen 45 einen Wellenleiter mit geringen Verlusten. Durch das Anordnen von Quantentopfstrukturen mit Druck- und Zugspannungen auf der Oberfläche können die Lichtreflektoren und die Lichtverstärker für im TE- und TM-Mode polarisiertes Licht separat gesteuert werden, wie es in der Fig. 11A gezeigt ist. Diese Ausführungsform ermöglicht die sehr einfache Realisation eines Lichtschalters mit geringen Verlusten und einem hohen Löschverhältnis, der vollständig unabhängig von der Polarisation ist.
    • Ausführungsform 6
  • Die Fig. 12A und 12B zeigen eine andere Ausführungsform eines optischen Schalters mit einem optischen Verstärker als Gatterschaltabschnitt. Eine InGaAs/InGaAsP- Mehrfach-Quantentopfstruktur 14 mit einer Verstärkungspeakwellenlänge von 1,45 um und mit einer Zugspannung von 1% in der Quantentopfschicht wird auf einem teilweise SiO&sub2;-maskierten n-InP-Substrat aufgebracht. Durch das Einstellen der Abmessungen des selektiven Maskenmusters wird die Verstärkungspeakwellenlänge des Verstärkungsschaltabschnitts auf 1,56 um eingestellt. Die Fig. 12A zeigt die vollständige Bauelementstruktur, bei der außerdem eine Stegwellenleiterstruktur und eine Strombegrenzungsstruktur vorgesehen sind. In der Fig. 12A sind die Verstärkungsschaltabschnitte 57, die Stegwellenleiterstruktur 51 und die Strombegrenzungsstruktur 53 gezeigt. Die Fig. 12B zeigt den Verstärkungsschaltabschnitt 57 in der Mehrfach-Quantentopfstruktur 14 mit einem Wellenleiter 61 mit geringen Verlusten.
  • Mit dieser Ausführungsform kann auf einfache Weise ein optischer Schalter mit sehr geringen Verlusten (oder sogar einer optischen Verstärkung) und einem großen Ein/Aus-Verhältnis (größer als 30 dB) erhalten werden.
    • Ausführungsform 7
  • Die Fig. 13 zeigt ein Sendemodul 25 für die optische Kommunikation, das durch Anbringen des DFB-Lasers und der integrierten Modulator-Lichtquelle 21 der Ausführungsform 1 oder 2 auf einer Einheit 20 hergestellt wird, wobei auch eine Linsenfaser 23 auf der optischen Achse der Lichtquelle und eine sphärische Linse 22 sowie ein Treiber- 1C 24 auf der optischen Achse darauf angeordnet sind. Mit diesem Modul können leicht sehr schnelle Lichtsignale mit hoher optischer Faser-Ausgangsleistung und geringem Zirpen ausgesendet werden.
    • Ausführungsform 8
  • Die Fig. 14 zeigt ein Repeatermodul 28 für die optische Kommunikation, das durch Anbringen des polarisationsunabhängigen optischen Verstärkers 26 der Ausführungsform 3 auf einer Einheit 20 hergestellt wird, wobei auch zwei Linsenfasern 23 auf der optischen Achse des Verstärkers und eine sphärische Linse 22 sowie ein Modultreiber 27 darauf angeordnet sind. Mit diesem Modul ist es leicht möglich, ein optisches Repeatermodul zu schaffen, das dadurch vollständig polarisationsunabhängig ist, daß die Verstärkungsfaktoren in den TE- und TM-Moden getrennt gesteuert werden.
    • Ausführungsform 9
  • Die Fig. 15 zeigt ein optisches Hauptkommunikationssystem mit dem Sendemodul 25 der Ausführungsform 7. Ein optischer Sender 29 umfaßt das Sendemodul 25 und ein Treibersystem 30 zum Ansteuern des Moduls 25. Das vom Modul 25 ausgegebene Lichtsignal läuft durch eine optische Faser 31 und wird vom Empfangsmodul 33 eines Empfängers 32 aufgenommen. Das optische Kommunikationssystem dieser Ausführungsform macht es leicht möglich, eine optische Übertragung über 100 km oder mehr ohne Relais zu realisieren. Der Grund dafür ist, daß das Zirpen erheblich herabgesetzt ist, so daß die Signalverschlechterung durch die Dispersion in der Faser 31 ebenfalls erheblich geringer ist.
    • Ausführungsform 10
  • Die Ausführungsform 10 der vorliegenden Erfindung wird im folgenden anhand der Fig. 16 beschrieben.
  • Die Fig. 16 zeigt eine schematische Darstellung der Struktur eines Lichtempfängers vom Wellenleitertyp für die Polarisationsdiversität. Eine n-Typ-InGaAsP-Wellenleiterschicht 2-1 mit einer unteren Bandabstandswellenlänge von 1,3 um wird auf einem n- Typ-InP-Substrat 1 ausgebildet. Auf der Wellenleiterschicht 2-1 wird eine Mehrfach- Quantentopf-TE-Mode-Lichtabsorptionsstruktur 3 mit einer Barriereschicht aus InGaAs mit einer Gitterkonstanten gleich der des Substrats und einer Quantentopfschicht aus InGaAsP ausgebildet, deren Bandabstandswellenlänge gleich 1,3 um ist, wobei die Licht absorbierende Struktur fünf Quantentopfschichten umfaßt. Eine obere Wellenleiterschicht 2-2 aus InGaAsP mit einer Bandabstandswellenlänge von 1,3 um wird auf der Struktur 3 ausgebildet. Die Absorptionskante des Mehrfach-Quantentopfes wird auf 1,58 um eingestellt. Ein Teil der gebildeten InGaAs-Schichten und ein Teil der gebildeten InGaAsP- Schichten werden mittels einer selektiv ätzenden Flüssigkeit entfernt, dann wird erneut eine untere Wellenleiterschicht 2-1 ausgebildet, und in dem geätzten Bereich der Schicht 2-1 wird eine TM-Mode-Absorptionsschicht 4 mit einem InGaAs-Kristall und eine obere Wellenleiterschicht 2-2 ausgebildet. Dann wird eine p-Typ-InP-Schicht 5 ausgebildet und anschließend eine Nut 8 zur elektrischen Isolation, um in den TE- und TM-Mode- Absorptionsbereichen Elektroden 6-1 bzw. 6-2 herzustellen. Schließlich wird auf der Rückseite eine n-Elektrode 7 erzeugt. Beim Anlegen von Licht mit einer Wellenlänge von 1,55 um, das eine Absorption für den TE-Mode der Quantentopf-Absorptionsschicht 3 aufnimmt, aber kein TM-Mode-Licht absorbiert, Ändern des einfallenden polarisierenden Lichts und Vergleichen des elektrischen Ausgangssignals jedes Bereiches wird zwischen im TE-Mode polarisierten Licht und im TM-Mode polarisierten Licht ein Umwandlungsverhältnis von 95 : 1 erhalten. Das durchgelassene TM-Mode-Licht wird in der InGaAs- Absorptionsschicht in elektrische Signale umgewandelt.
    • Ausführungsform 11
  • Anhand der Fig. 17 wird nun eine Ausführungsform mit einem Spannungs- Supergitter (einer Quantentopfstruktur) beschrieben. Die Fig. 17 ist eine perspektivische Ansicht eines Lichtempfängers vom Wellenleitertyp für die Polarisationsdiversität. Auf einer InGaAsP-Wellenleiterschicht 2-1 mit einer Dicke von 0,6 um und einer Bandabstandswellenlänge von 1,3 um auf einem InP-Substrat 1 des n-Typs werden nacheinander Absorptionsschichten 23 und 24 mit zwei verschiedenen Spannungssupergittern mit einer Flachflanschverbindung ausgebildet. Die erste Absorptionsschicht 23 wird als Absorptionsschicht mit Druckspannung aus fünf InGaAs-Quantentopfschichten hergestellt, deren Gitterkonstante um 1% größer ist als die von InP. Dabei ist die Quantentopf-Bandabstandswellenlänge für TE-Mode-Licht 1,60 um. Die zweite Absorptionsschicht 24 wird aus einer InGaAs-Quantentopfschicht hergestellt, deren Gitterkonstante um 1% kleiner ist als die von InP. Die Gitterkonstante der ersten Absorptionsschicht 23 ist größer als die der zweiten Absorptionsschicht 24. Dann werden auf der Absorptionsschicht eine obere Wellenleiterschicht 2-2 aus InGaAsP mit einer Dicke von 0,6 um und einer Bandabstandswellenlänge von 1,3 um, eine InP-Schicht 5 vom p-Typ und eine Abdeckschicht 9 aus InGaAsP des p- Typs ausgebildet. Um die beiden verschiedenen Absorptionsschichten 23 und 24 elektrisch voneinander zu trennen, erfolgt ein Ätzen in der Mitte der InP-Schicht vom p-Typ, um an der Grenzfläche zwischen den beiden Schichten eine Trennnut auszubilden. Dann erfolgt ein Ätzen zum Ausbilden eines Wellenleiters mit einer hohen Mesastruktur und einer Breite von 4 um. Zum Erhalten einer flachen Oberfläche wird auf den geätzten Bereich Polyimid 8 aufgebracht. In jedem Absorptionsbereich werden unabhängige p-Elektroden 6-1 und 6-2 ausgebildet. Schließlich wird an der Rückseite eine Elektrode 7 ausgebildet. Bei diesem Lichtempfänger ist das Absorptionsverhätlnis zwischen dem TE- und dem TM- Mode im selektiv den. TE-Mode absorbierenden Bereich auf 99 : 1 verbessert. Entsprechend nehmen die Ausbreitungsverluste vom Licht im TM-Mode ab, und der Umwandlungswirkungsgrad ist im Absorptionsbereich für den TE-Mode verbessert. Darüberhinaus nimmt der Einfluß von restlichem Licht im TE-Mode im Empfangsbereich für Licht im TM-Mode im Vergleich zur Ausführungsform 10 auf die Hälfte oder weniger ab.
  • Es folgt ein Beispiel für die Verwendung des Lichtempfängers. Die Fig. 18 zeigt ein Polarisationsdiversitätssystem mit dem Lichtempfänger des Wellenleitertyps. Bei diesem System wird die Ausgleichstechnik angewendet. Lokal oszilliertes Licht 11 wird an einem Eingang eines optischen Kopplers 14 vom Polarisationswellenspeichertyp über eine optische Polarisationswellenhaltefaser 13-1 eingekoppelt, und übertragenes Signallicht 12 wird über eine optische Faser 13-2 am anderen Eingang eingekoppelt. Dabei ist das polarisierte Licht des lokal oszillierten Lichts 11 auf die optische Achse der Polarisationswellenhaltefaser 13-1 ausgerichtet. Die optischen Achsen der Ausgangsfasern 15-I und 15-2 des optischen Kopplers sind auf einen Lichtempfänger 16 ausgerichtet, wobei das polarisierte Licht am Ausgang des optischen Kopplers 14 so eingestellt ist, daß die Achsen um 45º (45º für die TE- oder TM-Mode) gegen die Oberfläche des Lichtempfängers 16 vom Wellenleitertyp geneigt sind. 17-I und 17-3 sind TE-Mode absorbierende Elektroden, an die eine Rückwärtsspannung angelegt wird. Auch an die TM-Mode absorbierenden Elektroden 17-2 und 17-4 wird eine Rückwärtsspannung angelegt. Durch das Addieren der Signale, die von den Elektroden 17-1 und 17-2 ausgegeben werden, wird eine Polarisationsdiversität erhalten. Das gleiche gilt für die Elektroden 17-3 und 17-4. Für das polarisierte Licht jedes Signallichts werden Signale erhalten, die durch das lokal oszillierte Licht gleichmäßig verstärkt wurden. Das Polarisationsdiversitätssystem ist daher stark vereinfacht. Darüberhinaus wird ein Empfänger vom Ausgleichstyp erhalten, und das Rauschen des lokal oszillierten Lichts 11 ist entfernt. Wie oben beschrieben kann nur mit dem optischen Koppler 14 vom Polarsationswellenhaltetyp und dem Lichtempfänger ein Empfangssystem für eine optische Kohärenzkommunikation erhalten werden.
  • Bei diesem Empfangssystem vom Wellenleitertyp hängen der Absorptionskoeffizient und der Verlust von der Wellenlänge ab. Es ist daher erforderlich, zwischen der Signalintensität des TE- und TM-Mode-Lichts und der erhaltenen elektrischen Signalintensität eine Korrektur auszuführen, damit das System als Polarisationsdiversität funktioniert. Dazu gibt es ein Verfahren zum Ausgleichen der Signalintensität der einzelnen polarisierten Lichtstrahlen durch Ausgleichen des Verstärkungsfaktors für die elektrischen Signale zwischen den TE-Mode-Signalausgängen 17-1 und 17-3 einerseits und den TM- Mode-Signalausgängen 17-2 und 17-4 andererseits. Die eingestellte Wellenlänge und die Spannung der absorbierenden Schicht sind durch die Gitterkonstante des InP-Substrats eingeschränkt. Im Ergebnis kann der Umwandlungswirkungsgrad zwischen den TE- und TM-Mode-Lichtern nicht in Abhängigkeit von der Wellenlänge des Signallichts ausgeglichen werden. Deshalb wird der Winkel des auf den optischen Wellenleiter einfallenden polarisierten Lichts des lokal oszillierten Lichts so verändert, daß er von 45º abweicht. Bei der vorliegenden Ausführungsform kann, wenn die Wellenlänge des Signallichts 1,53 um ist, die Selektivität für das polarisierte Licht abnehmen, da das Verhältnis des TE-Mode- Absorptionsfaktors zum TM-Mode-Lichtabsorptionsfaktor im selektiv TE-Mode-Licht absorbierenden Bereich bei 20 : 1 liegt. Der Grund dafür ist, daß im selektiv TE-Mode-Licht absorbierenden Bereich TM-Mode-Licht verlorengeht. Um diesen Verlust zu kompensieren, wird die TM-Mode-Komponente des einfallenden lokal oszillierten, polarisierten Lichts durch Abweichen des Winkels von 45º um einen Winkel derart, daß die Komponente zunimmt (z. B. durch Abweichen von dem Winkel von 45º um 1,5º) angehoben.
  • Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, durch das Integrieren einer Anzahl von Quantentopfstrukturen mit unterschiedlichen Spannungen und/oder unterschiedlichen Graden der Gitterfehlanpassung (z. B. Druckspannung/Zugspannung) die Leistungsfähigkeit von optischen Halbleiterbauelementen erheblich zu verbessern. Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren für das integrierte optische Halbleiterbauelement ermöglicht es, auf ein und derselben Substratoberfläche eine Vielzahl von Quantentopfstrukturen auszuführen, deren Spannungen und/oder Grade der Gitterfehlanpassung verschieden sind. Darüberhinaus ist es möglich, ein neues integriertes optisches Bauelement zu schaffen, mit dem jede Polarisationsebene des aktivierenden Lichts gesteuert werden kann. Des weiteren umfaßt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellung einer Kombination einer Vielzahl von Quantentopfstrukturen mit unterschiedlichen Spannungen und/oder Gitterfehlanpassungen auf einem Substrat (z. B. einem einzigen Substrat) und zum Integrieren von optischen Wellenleitern mit unterschiedlichen Polarisationsabhängigkeiten.
  • Bei der vorliegenden Erfindung wird kein Strahlteiler zum Trennen der polarisierten Wellen benötigt, was den Aufbau eines optischen Systems mit Polarisationsdiversität für eine optische Kohärenzkommunikation stark vereinfacht. Im Ergebnis wird die Zuverlässigkeit erhöht, und das Empfangssystem kann verkleinert werden.

Claims (9)

1. Verfahren zum Ausbilden eines integrierten optischen Halbleiterbauelements, wobei
Wachstumsbereiche für einen ersten und einen zweiten optischen Abschnitt (a, b) auf einem Substrat (2; 8) durch Isolierschicht-Strukturierungsmasken (1; 10) definiert werden, und
auf jedem optischen Abschnitt eine optische Wellenleiterstruktur mit Kristallschichten (3-7; 11-15) aufgebracht wird, wobei
die Kristallschichten (3-7; 11-15) aus Verbindungshalbleitern gebildet werden, die eine Gitterfehlanpassung zu dem Substrat (2; 8) aufweisen, wobei sich die Gitterfehlanpassung zwischen der optischen Wellenleiterstruktur und dem Substrat (2; 8) im ersten optischen Bereich (a) von der im zweiten optischen Bereich (b) unterscheidet,
die Kristallschichten (3-7; 11-15) des ersten und des zweiten optischen Abschnitts (a, b) lateral und miteinander kontinuierlich im gleichen Kristallwachstumsschritt gebildet werden, und wobei
die Strukturierungsmasken (1; 10) für die einzelnen optischen Abschnitte (a, b) verschiedene Breiten (42, 43) aufweisen,
dadurch gekennzeichnet, daß die Wachstumsbereiche für die einzelnen optischen Abschnitte (a, b) verschiedene Breiten (40, 41) aufweisen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei nach dem Ausbilden der optischen Wellenleiterstruktur eine eingetiefte Struktur und eine Strombegrenzungsstruktur (49) in den Mehrschicht-Halbleiter eingebracht werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Isolierschicht-Strukturierungsmasken eine Breite von 5 um bis 60 um aufweisen.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Wachstumsbereiche eine Breite von 5 um bis 30 um aufweisen.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Kristallschichten (3-7; 11-15) durch organometallische Gasphasenepitaxie gebildet werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die organometallische Gasphasenepitaxie in einem Temperaturbereich von 550ºC bis 650ºC und einem Druckbereich von 26 hPa bis 260 hPa durchgeführt wird.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Verbindungshalbleiter in den einzelnen optischen Abschnitten (a, b) verschiedene Zusammensetzungen aufweisen.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei jede Kristallschicht (3-7; 11-15) aus einem III-V-Verbindungshalbleitermaterial mit wenigstens zwei Gruppe- III-Elementen gebildet wird, wobei eines der Gruppe-III-Elemente einen relativ großen Atomdurchmesser und das andere einen relativ kleinen Atomdurchmesser aufweist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei jede Kristallschicht (3-7; 11-15) aus einem II-VI-Verbindungshalbleitermaterial mit wenigstens zwei Gruppe-II- Elementen gebildet wird, wobei eines der Gruppe-II-Elemente einen relativ großen Atomdurchmesser und das andere einen relativ kleinen Atomdurchmesser aufweist.
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