DE69532083T2 - Optische vorrichtung - Google Patents

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine optische Vorrichtung und weist eine besondere, aber nicht exklusive Anwendung für integrierte Strukturen auf, welche auf einem Substrat ausgebildet sind, zur Verwendung als Verstärker oder Modulator.
  • Es ist bekannt, dass bestimmte Materialien, wie Halbleiter, als optische Verstärker dienen können. Wenn zum Beispiel bestimmte Halbleiter, welche eine Bandlücke aufweisen, einem injizierten elektrischem Strom ausgesetzt werden, veranlasst ein einfallendes Photon ein Elektron, die Lücke zu überqueren, was zu dem Ergebnis führt, dass ein zusätzliches Photon erzeugt wird, wodurch eine optische Verstärkung verursacht wird. Optische Halbleiter-Verstärker und -Laser, die auf diese Weise arbeiten, sind bereits bekannt und es wird hingewiesen auf „Long Wavelength Semiconductor Lasers", G. P. Agrawal und N. K. Dutta, Van Nostrand, Kapitel 1 bis 6.
  • Das Halbleitermaterial, welches als aktiver Verstärkungsbereich der Vorrichtung verwendet wird, leidet unter einem Sättigungseffekt für die Verstärkung, welcher eine Beschränkung für die maximal zu erreichende Leistung darstellt. Um dieses Problem zu überwinden, wurden in der Vergangenheit Vorschläge gemacht, den aktiven Verstärkungsbereich als eine sich verjüngende Struktur auf dem Substrat vorzusehen, welche sich entlang ihrer Länge weitet, so dass, wenn die Verstärkung fortschreitet, ein größerer Material-Querschnitt zur Verstärkung verfügbar ist, wodurch eine erhöhte Verstärkungsleistung erreicht werden kann. Es wird Bezug genommen auf Mehuys et al: „5.25 W, CW Near Diffraction Limited Tapered Stripe Semiconductor Optical Amplifier", IEEE Phot. Tech. Letts. 5, Seiten 1179–1182, 1993. In dieser Anordnung wird ein sich durch den aktiven Verstärkungsbereich erweiternder Pfad mittels einer Einganslinsen-Anordnung erreicht, und das daraus resultierende verstärkte Licht wird von einer Ausgangslinse gesammelt. Eine weitere Anordnung mit einem sich erweiternden, verjüngenden aktiven Bereich, aber mit einer integrierten Laserquelle, wird von Parke et al in „2.0W CW Diffraction Limited Operation of a Monolithically Integrated Master Oscillator Power Amplifier", IEEE Phot. Tech. Letts. 5, Seiten 297–300, 1993, beschrieben. Ebenfalls wird auf eine ähnliche Struktur Bezug genommen, welche von Bendelli et al in „A New Structure for High Power TWSLA", IEEE Phot. Tech. Letts. 1, 1991, Seiten 42– 44, beschrieben wird.
  • Ebenfalls wird Bezug genommen auf „Q-Switched Bow-Tie Lasers for High Energy Picosecond Pulse Generation" von K. A. Williams et al, Elect. Lett., Februar 1994, Vol 30, Nr. 4, Seiten 320–321, welche sich nach außen verjüngende Verstärkungsbereiche in einem Laser zeigt, um eine Verstärkungssättigung zu vermeiden.
  • Bei Koyama et al „Multiple Quantum Well GaInAs/GaInAsP Tapered Broad Area Amplifiers with Monolithically integrated Waveguide Lens for High Power Applications", IEEE Phot. Tech. Letts. 5, Seiten 916– 919, 1993, wird die Verwendung einer integrierten Linse beschrieben, damit die Ausgabe des sich erweiternden und verjüngenden aktiven Bereichs wieder gebündelt wird, um eine Kopplung in eine Einzelmodus-Faser zu vereinfachen. Jedoch entstehen in der Praxis Schwierigkeiten bei der Herstellung der integrierten Linse.
  • Die japanische Patentzusammenfassung (Patent Abstracts of Japan) [Volume 016 Nummer 112(E-1180)], 19. März 1992, und die japanische Patentveröffentlichung A03 284892 (Fujitsu Limited) zeigen einen optischen Halbleiter-Verstärker. Das Ziel ist, die notwendige Verstärkungs- und Sättigungsleistung zu erreichen und die Erzeugung von Rauschen zu verringern, indem die Träger-Dichte an der Eingangs- und der Ausgangsseite des Verstärkers unabhängig gesteuert wird. Insbesondere zeigt die Zusammenfassung Eingangs- und Ausgangsbereiche, welche verschiedene Ausdehnungen mit verschiedenen Elektroden aufweisen, um verschiedene Bias-Ströme für die zwei Bereiche der aktiven Schicht vorzusehen.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst eine Halbleitervorrichtung einen optischen Eingang, einen optischen Ausgang und einen länglichen Wellenleitbereich, der sich von dem optischen Eingang über einen mittleren Bereich bis zu dem optischen Ausgang erstreckt, wobei zumindest ein Teil dieses Wellenleitbereichs aus aktivem Material gefertigt ist, welches zum Verstärken darin durchlaufender optische Signale ausgebildet ist, wobei dieser längliche Wellenleitbereich mit einem leitfähigen Kontakt überzogen ist, um einen Bias-Strom an das aktive Material anzulegen; wobei die Halbleitervorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass der Wellenleitbereich einen sich erweiternden Bereich, in dem die Breite des Wellenleitbereichs progressiv von dem optischen Eingang bis zu dem mittleren Bereich zunimmt, und einen sich verengenden Bereich umfasst, in dem die Breite des Wellenleitbereichs progressiv von dem mittleren Bereich bis zu dem optischen Ausgang abnimmt.
  • Somit kann mittels der Erfindung das Licht in dem Wellenleitbereich selbst an dem Ausgang konzentriert werden, ohne dass zusätzliche Linsenstrukturen notwendig werden.
  • Der Wellenleitbereich kann eine Breite aufweisen, welche entlang seiner Länge zum Ausgang hin abnimmt, um die Konzentration des verstärkten Lichts zu erreichen.
  • Eine optische Verstärkung kann dadurch erreicht werden, indem ein elektrischer Strom an das aktive Material angelegt wird, und der Stromdichte, welche bei Benutzung durch das aktive Material fließt, kann ein nicht-gleichförmiges räumliches Profil gegeben werden, um eine Sättigung der optischen Verstärkung zu vermeiden. Der elektrische Strom kann dem aktiven Material durch eine leitfähige Schicht zugeführt werden, welche in getrennte erste und zweite Bereiche konfiguriert ist, so dass unterschiedliche Stromwerte verschiedenen Breichen des aktiven Materials zugeführt werden können.
  • Ebenso wird gemäß der Erfindung offensichtlich, dass eine Verstärkungssättigung in der Vorrichtung vorteilhafterweise verwendet werden kann, um eine Modulierung zum Zwecke der Datenübertragung zu erreichen. Die Vorrichtung kann eine erste Quelle optischer Datenimpulse, welche an einen Eingang des Wellenleitbereichs gekoppelt ist, und eine an den Wellenleitbereich gekoppelte zweite Quelle optischer Strahlung aufweisen, beispielsweise im Wesentlichen kontinuierliche Strahlung. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung beeinflussen sich die Datenimpulse von der ersten Quelle und die Strahlung von der zweiten Quelle gegenseitig, um so eine Verstärkungssättigung in dem aktiven Material zu erzeugen, so dass die Strahlung von der zweiten Quelle von den Datenimpulsen amplitudenmoduliert wird. Es kann ein Filter vorgesehen werden, um vorzugsweise das resultierende impulsmodulierte Signal durchzulassen. Auch können sich die Quellen derart beeinflussen, dass die Strahlung der zweiten Quelle von den Datenimpulsen der ersten Quelle an einem relevanten Empfänger phasenmoduliert wird, und ein Phasendetektor kann zum Erfassen der Modulierung verwendet werden. Ebenso kann sich die Strahlung von den beiden Quellen beeinflussen, um an dem Ausgang eine Strahlung zu erzeugen, welche eine zur Pumpstrahlung und zu den Datenimpulsen unterschiedliche Wellenlänge aufweist. Diese Ausgangsstrahlung kann eine Phasen-Konjugation der Strahlung von der ersten Quelle sein.
  • Das aktive Material kann sich über den gesamten Umfang des Wellenleitbereichs ausdehnen, oder in einem Hochleistungsverstärker kann der Wellenleitbereich einen ersten aktiven Teil, welcher an das aktive Material gekoppelt ist, und einen zweiten aktiven Teil umfassen, dessen Grenze derart konfiguriert ist, das verstärkte Licht zu bündeln, wodurch eine Verstärkungssättigung vermieden wird.
  • Reflektierende Mittel können an gegenüberliegenden Enden des aktiven Bereichs vorgesehen werden, um darin eine Laserfunktion herbeizuführen.
  • Die Vorrichtung kann auf einem Substrat hergestellt werden, wobei der Wellenleitbereich eine eingebettete (buried) Heterostruktur aufweist. Alternativ kann der Wellenleitbereich eine Rippen-Wellenleiterstruktur aufweisen.
  • Damit die Erfindung besser zu verstehen ist, werden nun diesbezügliche Ausführungsbeispiele beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, wobei
  • 1 eine Draufsicht auf einen aktiven Verstärkungsbereich für eine Vorrichtung gemäß der Erfindung ist;
  • 2 eine schematische Schnittansicht der in 1 gezeigten Vorrichtung ist, wenn diese gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel hergestellt ist;
  • 3 eine schematische Schnittansicht eines Substrats mit Epitaxie-Schichten ist, die verwendet werden, die Vorrichtung wie in 2 gezeigt zu bilden;
  • 4 ein schematischer Abschnitt der Vorrichtung von 1 ist, wenn dieses gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung hergestellt ist;
  • 5 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß der Erfindung ist, welche eine Verstärkungssättigung und/oder eine Wellenlänge-Umwandlung verwendet, um eine Datenmodulierung zu erreichen;
  • 6 eine Version der Vorrichtung zeigt, welche eine Phasenänderung in ihrem Ausgang verwendet, um phasenmodulierte Datenimpulse zu erzielen;
  • 7 eine Draufsicht einer weiteren optischen Vorrichtung gemäß der Erfindung ist;
  • 8 eine schematische Schnittansicht der in 7 gezeigten Vorrichtung entlang der Linie B-B' ist, wenn diese gemäß einem ersten Verfahren hergestellt wird; und
  • 9 eine korrespondierende schematische Schnittansicht einer in 7 gezeigten Vorrichtung ist, wenn diese gemäß einem zweiten Verfahren hergestellt wird.
  • 1 zeigt in Draufsicht eine optische Halbleitervorrichtung A gemäß der vorliegenden Erfindung, welche in den beschriebenen Ausführungsbeispielen aus dem InGaAsP Materialsystem zur Verwendung in Telekommunikationssystemen mit Wellenlängen zentriert auf 1.3 und 1.55 μm hergestellt wird. Die Vorrichtung besteht aus einem länglichen Wellenleitbereich 1, welcher eine aktive Verstärkung erzeugt und auf einem Substrat 2 ausgebildet ist. Der längliche Wellenleitbereich 1 weist einen Eingang 3 an einem Ende zur optischen Strahlung und einen optischen Ausgang 4 an seinem anderen, zweiten Ende. Der Eingang 3 und der Ausgang 4 sind konfiguriert, sich an mono-mode optische Wellenleiter zu koppeln, zum Beispiel optische Fasern oder alternativ andere Strukturen (nicht gezeigt), die auf dem Substart integriert sind.
  • Die Breite w des Wellenleitbereichs 1 nimmt progressiv von dem Eingang 3 in der Richtung der Länge l des Wellenleiters zu dem zentralen oder mittleren Bereich 5 zu, von welchem die Breite w progressiv zu dem Ausgang 4 hin abnimmt. Ein typisches Beispiel der Vorrich tung weist eine Länge l von 500 μm–1 mm auf, wobei die Eingänge 3 und 4 eine Breite w von 1–2 μm aufweisen und die Breite w in dem mittleren Bereich im Rahmen von 30–40 μm liegt.
  • Der Wellenleitbereich 1 kann auf eine Vielzahl verschiedener Arten hergestellt werden, zwei Beispiele werden nun unter Bezugnahme auf 2 bis 4 beschrieben.
  • Unter Bezugnahme nun auf 2 wird ein schematischer Querschnitt entlang der Linie A-A' von 1 gezeigt, wobei der Wellenleitbereich 1 als eine eingebettete Heterostruktur hergestellt ist.
  • Unter Bezugnahme auf 2 weist der Wellenleitbereich 1 eine Schicht eines aktiven i-InGaAsP-Materials 6 auf, welche auf einer Schicht 7 aus n-InP ausgebildet ist, diese wiederum ist auf einem Substrat 8 aus n-InP angeordnet. Das aktive Material 6 wird überlagert von einem p-InP-Bereich 9, welcher mit einem leitfähigen Über-Kontakt 10 aus p-InGaAsP-Material ausgebildet ist. Die allgemeine Struktur des Verstärkers, die Dicke der verschiedenen Schichten und die Dotierungsdichten sind von herkömmlicher Art, und es wird Bezug genommen auf A. W. Nelson, W. J. Devlin, R. E. Hobbs, C. G. D. Lenton und S. Wong: "High-power, low-threshold BH lasers operating at 1.52 μm grown entirely by MOVPE", Electronics letters, Vol. 21, Nr. 20, Seiten 888–889 (26. September 1985).
  • Unter Bezugnahme auf 3 wird die Struktur aus einem anfänglichen Substrat 8 gestaltet, welches mit den Schichten 6, 7, 9 und 10 über seine gesamte Oberfläche auf eine per se bekannte Weise aufgebaut ist. Dann wird Material selektiv aus den durch eine gestrichelte Linie ausgewiesenen Bereichen herausgeätzt, unter Verwendung einer Maske auf eine per se bekannte Weise, wobei die Maske eine wie in 1 gezeigte Form aufweist, um so die variierende Breite w des Wellenleitbereichs entlang seiner Länge abzugrenzen.
  • Anschließend werden, wie in 2 gezeigt, die p-InP-Schicht 11 und die n-InP-Schicht 12 derart gestaltet, dass sie über den selektiv geätzten Bereiche liegen, gemäß Standard MOVPE elektrische Wachstumstechniken. Eine elektrisch leitfähige untere Metallisierungs-Schicht 13 wird auf der Unterseite des Substrats ausgebildet.
  • Somit wird das aktive Material 6 zwischen dem p-InP-Bereich 9 und der n-InP-Schicht 7 angebracht, so dass, wenn eine Spannung zwischen der leitfähigen Schicht 10 und der Bodenschicht 13 angelegt wird, ein elektrischer Strom durch das aktive Material 6 fließt. Die Polarität der Spannung und die Anordnung der n- und p-gedopten Schichten 11 und 12 ist derart, dass sie in Betrieb eine rückwärts-bias-gerichtete Übergangszone mit dem Ergebnis bilden, dass der Strom selektiv durch den Wellenleitbereich 1 statt zu jeder Seite hin gelenkt wird. Somit veranlassen durch den Eingang 3 (1) einfallende Photonen Elektronen, die Bandlücke des aktiven Materials 6 zu überqueren, um so zusätzliche Photonen entstehen zu lassen, wodurch eine optische Verstärkung in dem Wellenleitbereich erzeugt wird. Für weitere Details der Struktur der Vorrichtung und verschiedener Variationen davon wird hingewiesen auf Nelson et al (siehe weiter oben im Text).
  • Eine andere Herstellungstechnik wird nun unter Bezugnahme auf 4 beschrieben, welche eine alternative Version des Schnitts A-A' von 1 zeigt. In dieser Struktur werden die Grenzen des Wellenleitbereichs mittels eines Rippen-Wellenleiters definiert. Die Vorrichtung besteht aus einem Substrat 14 aus n-InP-Material mit einer darüber liegenden Schicht 15 aus optisch aktivem i-InGaAsP-Material in einem durch die gestrichelte Linie angezeigten Wellenleitbereich 1. Die Schicht 15 wird von einer Ätzmittel-aufhaltenden Schicht 16 aus p-InGaAsP-Material überlagert, welche von einer Rippe 9 aus p-InP-Material überlagert wird, diese wiederum wird von einem leitfähigem Kontaktbereich 10 aus p-InGaAsP-Material abgedeckt. Für weitere Details der allgemeinen Struktur einer Steghohlleiter-Struktur wird hingewiesen auf I. P. Kaminow, R. E. Nahory, M. A. Pollack, I. W. Stulz und J. C. De Winter: "Single-mode c.w. ridge-waveguide laser emitting at 1.55 μm", Electronics Letters, Vol. 15, Nr. 23, Seiten 763– 764 (Nov 1979).
  • Die Schichten 9 und 10 werden durch eine lithografische Maske und ein selektives Ätzen auf ähnliche Weise in die in 1 gezeigte gekrümmte Form gebracht, wie unter Bezugnahme auf 2 beschrieben wurde. Die daraus resultierende Struktur wird mit einem dielektrischen Material 17, typischerweise Siliziumdioxid, überdeckt. Wenn an die Schicht 10 Spannung angelegt wird, wird Strom durch den Bereich der Schicht 15 aufgebaut, welcher von der Schicht 9 überlagert wird, so dass darin innerhalb des Bereichs 1, der durch eine gestrichelte Linie angedeutet wird, eine Verstärkung stattfindet. Es ist offensichtlich, dass die von der in 4 gezeigten Struktur erzeugte optische Begrenzung weniger genau definiert ist als jene mit der Konfiguration von 2.
  • Unter Bezugnahme abermals auf 1 wird das an Eingang 3 angelegte mono-mode optische Signal somit innerhalb des Wellenleitbereichs 1 verstärkt. Der Mono-Modus dehnt sich adiabatisch zum zentralen, mittleren Bereich 5 aus und wird anschließend, noch immer im Mono-Modus, adiabatisch kontrahiert und durch den Ausgang 4 beispielsweise in eine damit verbundene optische Ausgangsfaser (nicht gezeigt) eingeführt. Mit „adiabatisch" meinen wir ohne signifikante Kopplung in Übertragungsmodi mit höherer Ordnung. Somit dient der Grenzbereich des Wellenleitbereichs 1 selbst dazu, das verstärkte Licht seitlich an dem Ausgang 4 zusammenzuführen, was den Vorteil hat, dass keine zusätzlichen Linsenstrukturen notwendig sind, um das verstärkte Licht in die optische Ausgangsfaser zu bündeln, wie im Stand der Technik.
  • Die leitfähige Schicht 10 ist in zwei Abschnitten 10a und 10b ausgebildet, welche über entsprechenden Bereichen 1a und 1b des Wellenleitbereichs 1 liegen. Die Stromdichten in den Bereichen 10a und 10b werden einzeln gewählt, damit sie in dem Bereich 10a höher sind als in dem Bereich 10b, damit eine Verstärkung primär in dem aktiven Material 6 in dem Bereich 1a stattfindet, wo die sich nach außen hin verengende Form des Bereichs das Risiko der Verstärkungssättigung verringert. In dem Bereich 1b führt der Wellenleitbereich 1 das resultierende verstärkte Licht in den Ausgang 4 ohne einer weiteren signifikanten Verstärkung in dem darunter liegenden aktiven Material 6 zusammen, um so das Risiko der Verstärkungssättigung zu minimieren. Dem Bereich 10a wird in diesem Beispiel höherer Strom zugeführt als dem Bereich 10b, um das erwünschte Stromdichte-Differential zu erreichen.
  • Darüber hinaus kann die leitfähige Schicht 10 in mehr als zwei Abschnitte ausgebildet werden, um so die Stromdichte räumlich durch das aktive Material 6 zu profilieren und dadurch eine optische Verstärkungssättigung zu minimieren.
  • Wenn die Vorrichtung als ein Verstärker verwendet wird, werden Antireflexionsbeschichtungen an Facetten 18, 19 für den Eingang 3 und den Ausgang 4 vorgesehen. In diesem Fall muss das Reflexionsvermögen ausreichend niedrig sein, um eine Laserfunktion auch bei hohen Ansteuerungsströmen zu vermeiden, das heißt ein Reflexionsvermögen in dem Bereich von 0.001 oder vorzugsweise 0.0001. Wenn eine Laserfunktion innerhalb des Wellenleitbereichs 1 gefördert werden soll, können alternativ eine oder mehrere Facetten 18, 19 unbeschichtet gelassen oder ein Ende kann hoch-reflektierend beschichtet werden, um so halb-reflektierende Endbereiche zu erzeugen, die eine Resonanz innerhalb des Bereichs fördern. Das unbeschichtete Reflexionsvermögen liegt normalerweise bei ungefähr 0.3, eine hochreflektierende Beschichtung würde ein Reflexionsvermögen von ungefähr 0.9 oder höher erzeugen.
  • Darüber hinaus ist es gemäß der Erfindung offensichtlich, dass, wenn eine geeignete Bias-Spannung an beide Bereiche 10a, 10b angelegt wird, nicht-lineare Effekte, wie eine in dem Bereich 1b erzeugte Verstärkungssättigung, verwendet werden können, um Daten-Modulierungen zu erzeugen, wie im Folgenden unter Bezugnahme auf 5 und 6 erläutert wird.
  • In 5 wird die Vorrichtung A von 1 mit einer mit dem Eingang verbundenen optischen Faser 20 gezeigt, wobei die Faser einen Kopp ler 21 mit einem ersten Eingangsanschluss 22, welcher einen Strom optischer Datenimpulse mit einer Wellenlänge λ1 empfängt und als eine erste Quelle für die Vorrichtung dient, und einem zweiten Eingangsanschluss 23 umfasst, welcher eine prinzipiell kontinuierliche Wellen(cw)-Strahlung mit einer zweiten, unterschiedlichen Wellenlänge λ2 empfängt, wobei der zweite Anschluss 23 als eine zweite Quelle für die Vorrichtung A dient. Die Wellenlängen λ1, λ2 werden so gewählt, dass sie sich innerhalb der Verstärkungsbandbreite des aktiven Materials 6 in dem Wellenleitbereich 1 befinden. In Betrieb wird beiden Bereichen 10a, 10b eine Bias-Spannung zugeführt, was zu einer optischen Verstärkung führt, und der Grad der Verstärkung in dem Bereich 1b (1) ist bei Abwesenheit von λ1 nahe an dem Grad, an dem eine Verstärkungssättigung auftritt, aber überschreitet diesen nicht.
  • Beim Anlegen des Impulsstroms λ1 tritt keine Verstärkungssättigung bei Abwesenheit eines Impulses auf, wobei während des Auftretens eines Impulses die vergrößerte Amplitude den optischen Leistungspegel ausreichend anhebt, um eine Verstärkungssättigung zu erzeugen, so dass die Verstärkung des Materials 6 im Wellenleitbereich 1 zusammenfällt und ein signifikant reduzierter Grad der Strahlung λ2 den Ausgang 4 erreicht. Zur allgemeinen Erörterung dieser Technik wird hingewiesen auf B. Mikkelsen et al, ECOC 1993 Beitrag nach letztem Einreichtermin ThP 12.6 Seiten 73–76 "20 Gbit/s Polarisation Independent Wavelength Conversion in a Semiconductor Laser Amplifier". Die Vorrichtung A gemäß der Erfindung weist den wesentlichen Vorteil auf, dass der Wellenleitbereich 1a eine ausreichende Verstärkung des Datenimpulsstroms λ1 erzeugt und die Kreuz-Modulierung dann im Bereich 1b in einer integrierten Vorrichtung stattfinden kann, wodurch ein sehr kompaktes und wirksames Mittel zum Schalten unter Verwendung einer Verstärkungssättigung zum Betrieb als Modulator vorgesehen wird. Ebenso wird die Geschwindigkeit des Kreuz-Modulierungs-Effekts durch die Konzentration von in dem Bereich 1b erzeugten Licht im Vergleich zu einem herkömmlichen Verstärker mit einem sich nicht verengenden Wellenleiter gesteigert.
  • Der Ausgang von der Vorrichtung A in 5 wird durch eine optische Faser 24 an einen Bandpassfilter 25 geführt, welcher auf die Strahlungs-Wellenlänge λ2 abgestimmt ist, um das verstärkte Ausgangssignal abzutrennen.
  • Die Vorrichtung A gemäß der Erfindung kann auch wie in 6 verwendet werden, um einen weiteren nicht-linearen Effekt zu nutzen. Wie von B. Mikkelsen et al (siehe oben) beschrieben wird, kann ein Eingang mit Wellenlänge λ1 verwendet werden, um an einer Strahlung mit einer unterschiedlichen Wellenlänge λ2 eine Phasenänderung durchzuführen. Dieser Effekt wird in der in 6 gezeigten Konfiguration genutzt, um eine Phasenmodulierung zu erreichen. Die Eingangs-Datenimpulse λ1 und die cw-Strahlung λ2 werden über den Koppler 26 an den Eingang 3 der Vorrichtung A durch den Koppler 21 angelegt, wie oben unter Bezugnahme auf 5 beschrieben wurde. Zusätzlich wird die cw-Strahlung durch den Koppler 26 und einen variablen Verstärker oder Dämpfer 27 geführt, um mit dem Ausgang der Vorrichtung A durch einen Koppler 28 gemischt zu werden. Die cw-Strahlung λ2 wird in der Vorrichtung A durch die Datenimpulse λ1 phasenmoduliert. Die entstehende, an dem Ausgang der Vorrichtung A erzeugte Phasenmodulierung wird mittels des Kopplers 28 mit der Phase der cw-Strahlung λ2 verglichen, welche als 28 mit der Phase der cw-Strahlung λ2 verglichen, welche als Referenzwert dient, was zu dem Ergebnis führt, dass der Ausgang in der Faser 24 entsprechend der in der Vorrichtung A auftretenden Phasenmodulierung amplitudenmoduliert wird.
  • Ein weiterer nicht-linearer Effekt wird von M. C. Tatham et al in "20 nm Optical Wavelength Conversion Using Nondegenerate Four Wave Mixing", IEEE Phot Tech Lett, 5 Seiten 1303–1306, 1993, beschrieben und betrifft eine Wellenlängen-Umwandlung. Wenn die Datenimpulse der Wellenlänge λ1 und ein kontinuierliches Pumpsignal der Wellenlänge λ2 einem Verstärker zugeführt werden, kann von einem nicht-linearen intensitätsabhängigen Effekt dritter Ordnung ein drittes unterschiedliches Wellenlängensignal erzeugt werden. Diese Wirkung kann mittels der in 5 gezeigten Vorrichtung genutzt werden, in welcher der Filter 25 auf die dritte Wellenlänge abgestimmt ist, um diese von den Eingabe-Wellenlängen λ1 und λ2 zu trennen. Das dritte Wellenlängensignal λ3 kann eine Phasen-Konjugation der cw-Strahlung λ2 sein, wie von M. C. Tatham et al in "Compensation of fibre Chromatic Dispersion by Optical Phase Conjugation in a Semiconductor Laser Amplifier", El. Lett., 29 Seiten 1851–1852, 1993, beschrieben wird.
  • Unter nochmaliger Bezugnahme auf 1, die für den Wellenleitbereich 1 angenommene spezifische Form variiert von Anwendung zu Anwendung. In vielen Fällen ist eine wie in 1 gezeigte symmetrische Konfiguration von Vorteil, wobei die Ortskurve des Grenzbereichs dieses Wellenleitbereichs 1 in den Bereichen x, y, z in der Nähe der Eingänge und Ausgänge und in dem mittleren Bereich 5 Teilen von Kreisen entspricht. Die verbindenden Bereiche des Grenzbe reichs entsprechen in den Bereichen p Teilen einer Parabel. Viele andere Modifizierungen und Variationen sind denkbar, und die Rate der Zunahme und Abnahme der Breite w in dem Wellenleitbereich kann entlang dessen Länge variieren, abhängig von der einzelnen Anwendung und dem nicht-linearen Effekt, der genutzt werden soll.
  • Um den nicht-linearen Effekt zu erhöhen, kann ebenso der Ausgang 4 einen weiteren, auf dem Substrat integrierten, sich nicht verengenden länglichen Bereich (nicht gezeigt) umfassen, welcher eine Fortsetzung der Schicht 6 des optisch aktiven Materials umfassen kann.
  • Ein weiteres Ausführungsbeispiel zur Verwendung als Hochleistungs-Verstärker wird nun unter Bezugnahme auf 7 bis 9 erläutert. Es kann als Modifizierung des in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiels betrachtet werden, und ähnliche Teile werden mit denselben Bezugsziffern bezeichnet. In den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen dehnt sich das aktive Material 6, welches eine optische Verstärkung erzeugt, über den gesamten Bereich des optischen Wellenleitbereichs 1 aus. In den Ausführungsbeispielen von 7 bis 9 jedoch ist das aktive Material 6 nur in einem ersten aktiven Abschnitt 30 des Wellenleitbereichs 1 angeordnet, anstatt dass das aktive Material 6 über den gesamten Bereich des optischen Wellenleitbereichs 1 verteilt ist. Den verbleibende Abschnitt des Wellenleiters 1 bildet ein zweiter passiver Abschnitt 31, welcher für den relevanten Wellenlängenbereich des sich in dem Wellenleiter ausbreitenden Lichts transparent ist. Somit wird sich in dem Wellenleiter ausbreitendes Licht nur in dem aktiven Abschnitt 30 von dem vorhergehend beschriebenen Verfahren verstärkt. Da die Breite des Wellenleiters w progressiv von dem Eingang 3 zu dem mittleren Bereich 5 in dem aktiven Abschnitt 30 zunimmt, verursacht die durch die Verstärkung erzeugte zunehmende Leistung keine Verstärkungssättigung. Das daraus resultierende, verstärkte Licht geht dann in den passiven Abschnitt 31 über. Die Breite des Wellenleitbereichs 1 in seinem passiven Abschnitt nimmt progressiv zu dem Ausgang 4 hin ab. Dies verursacht eine laterale Lichtkonzentration innerhalb des Wellenleiters zum Ausgang hin. Da das Material des passiven Abschnitts des Wellenleiters nicht aktiv ist, kann keine Verstärkungssättigung als eine Folge des Konzentrierungseffekts des sich verengenden Grenzbereichs des Wellenleitbereichs auftreten. Als ein Ergebnis kann die Vorrichtung vorteilhaft als ein Hochleistungs-Verstärker verwendet werden, wobei der passive Abschnitt 31 eine integrierte Struktur vorsieht, um das verstärkte Licht in den Ausgang 4, zum Beispiel an einen optischen Wellenleiter, ohne das Problem der Verstärkungssättigung zu leiten.
  • Die aktiven und passiven Abschnitte 30, 31 des Wellenleiters können auf mehrere verschiedene Arten ausgebildet sein. Unter Bezugnahme nun auf 8 zeigt diese einen Schnitt entlang B-B' von 7 gemäß einer ersten Struktur. Die allgemeine Struktur ist ähnlich zu der in 2 gezeigten. Jedoch wird der Wellenleitbereich 1 abgegrenzt durch eine zusätzliche Schicht 32 aus InGaAsP-Material, welche eine derartig gewählte Bandlücke aufweist, dass sie für die verstärkte optische Strahlung transparent und somit passiv ist. Das optisch aktive Material ist als die Schicht 6 vorgesehen, welche, wie oben beschrieben, aus i-InGaAsP-Material gebildet wird; aber in diesem Ausführungsbeispiel liegt sie nur in dem aktiven Abschnitt 30 über der Schicht 32. Die Schicht 6 erzeugt somit eine Verstärkung des sich in dem Wellenleiter bewegenden Lichts. Wie oben beschrieben liegt die Schicht 6 zwischen einer p-InP-Schicht 9 und einer n-InP-Schicht 7, mit einem leitfähigen Über-Kontakt 10 aus p-InGaAsP-Material. Um die Struktur herzustellen, werden die Schichten 32, 6, 9 und 10 als durchgängige Schichten über die gesamte Oberfläche ausgebildet und dann werden die Schichten 6, 9 und 10 selektiv von dem passiven Abschnitt geätzt und mit einem Mantelbereich 33 aus i-InP-Material ersetzt, welcher an seinem Platz aufwächst. Die daraus resultierende Konfiguration wird dann selektiv mit einer Maske versehen und geätzt, um den gebogenen Wellenleiter-Grenzbereich vorzusehen, wie unter Bezugnahme auf 1 und 2 beschrieben wurde.
  • In einem speziellen Beispiel der in den 7 und 8 gezeigten Vorrichtung wurde die aktive Schicht 6 mit einer Dicke von 0.15 μm und einer Bandlücke von ungefähr 1.55 μm ausgebildet, die Schicht 32 wies eine Dicke von 0.4 μm und eine Bandlücke von ungefähr 1.1 μm auf.
  • Alternativ kann der Wellenleiter als Rippen-Struktur ausgebildet sein, indem die Schicht 32 als eine durchgehende Schicht und eine Rippe aus den Schichten 6, 9, 10 und 33 gemäß allgemeinen Techniken ausgebildet wird, welche von Sherlock, G., Burton, J., Fiddyment, P., Sully, P., Kelly, A., und Robertson, M. in "An Integrated 2 × 2 Optical Switch with Gain", Electronics Letters 30, Seiten 137–138, 1994, gezeigt werden.
  • Unter Bezugnahme auf eine zweite Form des Hochleistungs-Verstärkers, welcher in 9 gezeigt wird, wird die passive Schicht 32 weggelassen. Die Schichten 6, 9 und 10 werden selektiv geätzt und dann wird eine passive Schicht 34 aus InGaAsP aufgewachsen, um so eine Fortsetzung der Schicht 6 als eine Hetero-Schicht zu bilden. Die Schicht 34 wird typischerweise eine Bandlücke von 1.3 μm aufweisen, wenn die Vorrichtung bei 1.5 μm arbeiten soll. Die Schicht 34 kann mittels metallorganischer Dampfphasen-Epitaxie (MOVPE) aufgewachsen sein. Mit dieser Technik können die Schichten 6 und 34 mit einer optischen Qualitäts-Wellenleiter-Kopplung ausgebildet werden, an welcher keine signifikante Reflexion auftritt. Die Schicht 34 wird dann bedeckt von einem Mantel-Bereich 35 aus p-InP-Material. Die daraus resultierende Struktur wird dann selektiv mit einer Maske versehen und geätzt, um den gebogenen Wellenleiter-Grenzbereich vorzusehen, wie oben beschrieben wurde. Ein allgemeines Beispiel von MOVPE kann in "1.55 μm Butt joined Distributed Bragg Reflector Lasers Grown Entirely by Low-Pressure MOVPE", Y. Tohmori und M. Oishi, Jap. J. App. Phys. 27 (1988), Seiten L693– 695 gefunden werden.
  • Somit wird aus dem vorangegangenen offensichtlich, dass die in 7 bis 9 gezeigten Ausführungsbeispiele den Vorteil aufweisen, dass eine Verstärkung in dem aktiven Bereich ohne eine signifikante Verstärkungssättigung wegen der zunehmenden Breite des aktiven Bereichs 30 entlang der Länge der Vorrichtung stattfinden kann, und dass das resultierende verstärkte Licht innerhalb des Wellenleitbereichs 1 durch die Funktion dessen Grenzbereichs konzentriert werden kann, um so ohne Probleme mit Sättigungseffekten wegen der Verstärkungssättigung zu dem Ausgang 4 geleitet zu werden, als Ergebnis der passiven Natur des Bereichs 31 des Wellenleiters, und ohne die Notwendigkeit für zusätzliche getrennte Linsenstrukturen. Der hier verwendete Ausdruck „optische Strahlung" umfasst sichtbare und nicht-sichtbare Strahlung, wie Ultraviolett- und Infrarot-Strahlung.

Claims (23)

  1. Halbleitervorrichtung mit einem optischen Eingang (3), einem optischen Ausgang (4) und einem länglichen Wellenleitbereich (1), der sich von dem optischen Eingang (3) über einen mittleren Bereich (5) bis zu dem optischen Ausgang (4) erstreckt, wobei zumindest ein Teil dieses Wellenleitbereichs (1) aus aktivem Material (6) gefertigt ist, welches zum Verstärken darin durchlaufender optische Signale ausgebildet ist, wobei dieser längliche Wellenleitbereich (1) mit einem leitfähigen Kontakt (10) überzogen ist, um einen Bias-Strom an das aktive Material (6) anzulegen; wobei die Halbleitervorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass der Wellenleitbereich (1) einen sich erweiternden Bereich, in dem die Breite des Wellenleitbereichs (1) progressiv von dem optischen Eingang (3) bis zu dem mittleren Bereich (5) zunimmt, und einen sich verengenden Bereich umfasst, in dem die Breite des Wellenleitbereichs (1) progressiv von dem mittleren Bereich (5) bis zu dem optischen Ausgang (4) abnimmt, wodurch in dem sich erweiternden Bereich des Wellenleitbereichs (1) verstärktes Licht in dem sich verengenden Bereich des Wellenleitbereichs (1) konzentriert und dadurch an dem optischen Ausgang (4) gebündelt wird.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, in welcher der leitfähige Kontakt (10) in einen ersten Teil (10a), der den sich erweiternden Bereich des Wellenleitbereichs (1) überzieht, und einen zweiten Teil (10b) aufgeteilt ist, der den sich verengenden Bereich des Wellenleitbereichs (1) überzieht, wodurch unterschiedliche Pegel von Bias-Strom über die sich erweiternden und verengenden Bereiche des Wellenleitbereichs (1) angelegt werden können.
  3. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, in welcher der sich erweiternde Bereich des Wellenleitbereichs (1) aus dem aktiven Material (6) und der sich verengende Bereich des Wellenleitbereichs (1) aus passivem Material (34) gefertigt ist, das für darin durchlaufende optische Signale transparent ist.
  4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in welcher die Zunahmerate der Breite (w) in dem sich erweiternden Bereich des Wellenleitbereichs (1) und die Abnahmerate der Breite (w) in dem sich verengenden Bereich des Wellenleitbereichs (1) über die Länge (1) des Wellenleitbereichs (1) variieren.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, in welcher der Grenzbereich des Wellenleitbereichs in dem mittleren Bereich (5) eine parabolische Form aufweist und dieser Grenzbereich sich an Teile von Kreisbögen (x, y, z) zwischen dem parabolischen mittleren Bereich (5) und sowohl dem optischen Eingang (3) als auch dem optischen Ausgang (4) anpasst.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, in welcher die Form des Grenzbereichs auf beiden Seiten des mittleren Bereichs (5) symmetrisch ist.
  7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche auch eine erste optische Quelle (22) und eine zweite optische Quelle (23) aufweist, die beide mit dem optischen Eingang (3) verbunden sind, wobei die erste optische Quelle (22) eingerichtet ist, optische Datenimpulse mit einer ersten Wellenlänge (λ1) zu liefern und die zweite optische Quelle (23) eingerichtet ist, optische Strahlung mit kontinuierlicher Welle (cw) mit einer zweiten unterschiedlichen Wellenlänge (λ2) zu liefern.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, in welcher die cw-Strahlung von der zweiten optischen Quelle (23) und die Datenimpulse der ersten optischen Quelle (22) sich derart gegenseitig beeinflussen, dass sie eine Verstärkungssättigung in dem aktiven Material erzeugen, wodurch die Strahlung von der zweiten Quelle von den Datenimpulsen moduliert wird.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, wobei ein Filter (25) an den Ausgang des Wellenleitbereichs (1) gekoppelt ist, um vorzugsweise die modulierte Strahlung mit der zweiten Wellenlänge durchzulassen.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7, 8 oder 9, welche auch Kopplungsmittel (21) zum Koppeln sowohl der ersten Quelle (22) als auch der zweiten Quelle (23) mit dem Eingang (3) des Wellenleitbereichs (1) umfasst.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, in welcher die Strahlungen von den Quellen sich gegenseitig beeinflussen, wodurch die Strahlung von der zweiten optischen Quelle (23) von den Datenimpulsen der ersten optischen Quelle (22) moduliert wird.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 11 mit Phasenauswertungsmitteln (27, 28), die an den Ausgang (4) des Wellenleitbereichs (1) gekoppelt sind, um die phasenmodulierten Signale mit der Phase von Signalen von dem Ausgang zu vergleichen.
  13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, in welcher die Strahlungen von der ersten und zweiten Quelle sich gegenseitig beeinflussen, um eine Strahlung an dem Ausgang (4) zu erzeugen, die eine andere Wellenlänge als die der Strahlung von der zweiten Quelle und den Datenimpulsen von der ersten Quelle aufweist.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 13 mit Filtermitteln (25), die an den Ausgang (4) des Wellenleitbereichs (1) gekoppelt sind und selektiv auf die unterschiedliche Wellenlänge an dem Ausgang reagieren.
  15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit Antireflexbelägen an dem Eingang (3) und dem Ausgang (4).
  16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in welcher der Wellenleitbereich eine Rippen-Wellenleiterstruktur (9, 10) aufweist.
  17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in welcher der aktive Bereich eine eingebettete (buried) Heterostruktur (BH) (6) auf einem Substrat (2) aufweist.
  18. Vorrichtung nach Anspruch 17, in welcher das aktive Material (6) eine Schicht aus InGaAsP aufweist, die zwischen einer Schicht (7) aus InP eines ersten Typs einer elektrischen Leitfähigkeit und einem Bereich (9) aus InP eines zweiten Typs einer elektrischen Leitfähigkeit angeordnet ist.
  19. Vorrichtung nach Anspruch 18 mit einer Schicht (14) aus InP eines ersten Typs einer elektrischen Leitfähigkeit, die von einer Schicht aus i-InGaAsP (15) überlagert wird, welche das aktive Material umfasst, wobei diese Schicht (15) überlagert wird von einer Schicht (16) aus InGaAsP eines zweiten Typs einer elektrischen Leitfähigkeit und einem darüber liegenden Streifen (9) aus InP mit einer Konfiguration, welche den Grenzbereich dieses Wellenleitbereichs (1) in der i-InGaAsP-Schicht definiert.
  20. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in welcher der aktive Bereich eine eingebettete (buried) Heterostruktur (BH) (6) auf einem Substrat (2) aufweist.
  21. Vorrichtung nach Anspruch 20, in welcher das aktive Material (6) eine Schicht aus InGaAsP aufweist, die zwischen einer Schicht (7) aus InP eines ersten Typs einer elektrischen Leitfähigkeit und einem Bereich (9) aus InP eines zweiten Typs einer elektrischen Leitfähigkeit angeordnet ist.
  22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, in welcher der Wellenleitbereich eine Rippen-Wellenleiterstruktur (9, 10) aufweist.
  23. Vorrichtung nach Anspruch 21 mit einer Schicht (14) aus InP eines ersten Typs einer elektrischen Leitfähigkeit, die von einer Schicht aus i-InGaAsP (15) überlagert wird, welche das aktive Material umfasst, wobei diese Schicht (15) überlagert wird von einer Schicht (16) aus InGaAsP eines zweiten Typs einer elektrischen Leitfähigkeit und einem darüber liegenden Streifen (9) aus InP mit einer Konfiguration, welche der Grenzbereich dieses Wellenleitbereichs (1) in der i-InGaAsP-Schicht definiert.
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