DE69636489T2

DE69636489T2 - Polarisationsunabhängige Struktur mit zwei optischen Wellenleitern und Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE69636489T2
Application number: DE69636489T
Authority: DE
Inventors: Sandrine Francois; Sylvie Fouchet
Original assignee: Oclaro North America Inc
Current assignee: Oclaro North America Inc
Priority date: 1995-03-30
Filing date: 1996-03-28
Publication date: 2007-04-12
Anticipated expiration: 2016-03-29
Also published as: EP0735389B1; EP0735389A1; DE69636489D1; FR2732478B1; FR2732478A1

Description

Allgemeines Gebiet der vorliegenden Erfindung ist die Optoelektronik und genauer eine Struktur mit zwei optischen Leitern für einen Richtungskoppler, welche eine untere Isolierschicht, einen Kern zum Leiten des Lichts sowie zwei Streifen zum Laden des Kerns und zur Bildung der optischen Leiter aufweist.
Es wurden Richtungskoppler mit einer Struktur mit zwei optischen Leitern der vorgenannten Art vorgeschlagen. Diese bekannten Koppler funktionieren jedoch nur bei einer vorbestimmten Polarisation des einfallenden Lichts korrekt. Das wirft Probleme auf, wenn optische Fasern verwendet werden, um das Licht zum Koppler zu führen, da diese im Allgemeinen nicht die Polarisation des Lichts bewahren, so dass am Ausgang der optischen Fasern dieses unbestimmt ist.
Es besteht somit ein Erfordernis, eine Struktur mit zwei optischen Leitern für Richtungskoppler vorzusehen, welche unabhängig von der Polarisation des einfallenden Lichts arbeiten.
In der Veröffentlichung "Polarization-Independent Wavelength Filter Using a Grating-Assisted Vertical Directional Coupler in InP", ThP 12.5 Seite 69, F. Heismann et al. wird eine Struktur mit zwei übereinandergelegten optischen Leitern vorgeschlagen, bei welcher die Unabhängigkeit von der Polarisation erhalten wird, indem der Schritt eines Koppelnetzes geändert wird.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Struktur mit zwei optischen Leitern für einen Richtungskoppler, der gegen die Polarisation unempfindlich ist, zu offenbaren.
Dies wird mit einer Struktur gemäß Anspruch 1 erreicht.
Weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Struktur der vorgenannten Art, die gegen die Polarisation unempfindlich ist, wie definiert gemäß Anspruch 9.
Vorteilhafterweise weist das Verfahren des Weiteren Schritte auf, die darin bestehen, durch Epitaxie eine untere Isolierschicht aus binärem Material, eine massive Schicht aus quaternärem Material, dann eine Folge abwechselnder dünner Schichten abzulagern, um durch Photolumineszenz die Wellenlänge des verbotenen Bands des quaternären Materials zu messen, um eine Maske herzustellen, dann die Streifen in der Folge abwechselnder dünner Schichten zu gravieren.
Andere charakteristische Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden beim Lesen der nachstehenden genaueren Beschreibung anhand nicht beschränkender Ausfüh rungsbeispiele der Erfindung und beim Studium der beigefügten Zeichnungsfiguren offenbar, in denen:
1 eine schematische und auszugsweise perspektivische Ansicht einer Struktur mit zwei optischen Leitern gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist,
2 ein Querschnitt durch die in 1 dargestellte Struktur ist,
3 eine schematische Draufsicht auf die in 1 dargestellte Struktur ist,
4 die Veränderung der Doppelbrechung eines optischen Leiters als Funktion der Dicke des Ladungsstreifens für mehrere Werte an Kerndicken zeigt,
5 eine zu 4 analoge Ansicht für drei bestimmte Werte an Kerndicken ist,
6 ein Querschnitt durch eine Struktur gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist,
7 eine Draufsicht auf die in 6 dargestellte Struktur ist, und
8 und 9 spektrale Reaktionen von gemäß der Erfindung hergestellten Filtern entsprechend der in 6 und 7 dargestellten Struktur für zwei Wellenlängenwerte des verbotenen Bands des quaternären Materials sind.
Die Beschreibung wird unter Bezugnahme auf ein rechtwinkliges Achsenkreuz XYZ vorgenommen, wobei die Achse Z vertikal ausgerichtet ist.
Die in den 1 bis 3 dargestellte Struktur 1 mit zwei optischen Leitern ist ein flacher asymmetrischer Richtungskoppler, der durch ein Netz unterstützt ist. Selbstverständlich kann der Koppler mit anderen optischen, elektronischen oder optoelektronischen Bestandteilen in einer monolithischen Struktur integriert sein, ohne von dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Die Struktur 1 weist eine untere Isolierschicht 2 und einen Kern 3 zur Führung des Lichts auf, überlagert von zwei Ladungsstreifen 4 und 5, die dazu bestimmt sind, das Licht seitlich in dem Kern 3 einzugrenzen und zwei parallele, flache und geladene optische Einmodenleiter zu bilden. Der für den Kern 3 wirksame Brechungsindex ist höher als der der unteren Isolierschicht 2 und der Ladungsstreifen 4 und 5. Die Letztgenannten sowie der Kern 3 sind mit einer oberen Isolierschicht 6, die in 1 nicht dargestellt ist, überzogen, die einen Brechungsindex aufweist, der geringer ist als der für den Kern und die Streifen wirksame Brechungsindex. Die Streifen 4, 5 erstrecken sich in Längsrichtung in Richtung der Achse X und werden durch eine Rille 7 getrennt. Der Ladungsstreifen 4 weist einen rechteckigen Querschnitt auf mit einer Breite (gemessen in Richtung der Y-Achse) von w₁ und einer Dicke (gemessen in Richtung der Z-Achse) von e₁. Der Ladungsstreifen 5 ist seitlich graviert, um ein Koppelnetz mit Periode Λ in Richtung der X-Achse zu bilden. Er weist einen rechteckigen Querschnitt auf. Dieser Abschnitt ist aus einem Zusammenschluss eines unveränderlichen Mittelteils der konstanten Breite w₂ und einem veränderlichen Seitenteil mit der Länge dw zusammengesetzt, wobei eine Netzzacke gebildet wird, die sich abwechselnd auf beiden Seiten des Mittelteils erstreckt. Die den Ladungsstreifen 4 und 5 zugeordneten optischen Leiter weisen unterschiedliche wirksame Indizes von jeweils N₁ und N₂ auf. Das in den Ladungsstreifen 5 gravierte Koppelnetz ist geeignet, für eine bestimmte Wellenlänge, welche Bragg-Wellenlänge λ_B genannt wird, die gleich zu der Wellenlänge ist, um welche das Durchlassband des Filters zentriert ist, eine Phasenanpassung zwischen den beiden optischen Leitern herzustellen. Die Bragg-Wellenlänge λ_B erfüllt die Beziehung: λB = Λ(N1 – N2). (1)
Wenn die beschriebene Struktur verwendet wird, um hinsichtlich der Wellenlänge ein einfallendes Licht L_i zu filtern, wird dieses beim Eintreten auf einem optischen Leiter gesendet, und die gefilterte Lichtwelle L_e wird bei Austreten auf dem anderen optischen Leiter erhalten. Für die Bragg-Wellenlänge λ_B ist die Lichtenergieübertragung eines optischen Leiters in Richtung auf einen anderen maximal.
Die Unabhängigkeit von der Polarisation des Filters wird erhalten, wenn: λB TE = λB TM (2)das heißt, wenn die Bragg-Wellenlängen λ_B für die Polarisationsmodi TE und TM gleich sind.
Unter Berücksichtigung des vorgenannten Verhältnisses (1) schreibt sich die Beziehung (2) wie folgt: (N1 TE – N1 TM) = (N2 TE – N2 TM), (3)was kennzeichnet, dass die optischen Leiter mit wirksamen Indizes N₁ und N₂ die gleiche Doppelbrechung aufweisen.
In den 4 und 5 ist die Veränderung der Doppelbrechung N^TE – N^TM für einen flachen geladenen optischen Einmodenleiter als Funktion der Dicke e des Ladungsstreifens (in μm) und für einen Satz Werte an Dicken h des Kerns 3 dargestellt. Es wird darauf hingewiesen, dass für einen gegebenen Wert der Dicke h zwei Werte an Dicken des Ladungsstreifens e₁ und e₂ bestehen, für die der optische Leiter die gleiche Doppelbrechung N^TE – N^TM aufweist.
Die Erfindung nutzt diese Feststellung, und die Dicken e1 und e2 der Ladungsstreifen 4 und 5 werden als Funktion der Dicke h des Kerns 3 so gewählt, dass die optischen Leiter mit wirksamen Indizes N₁ und N₂ die gleiche Doppelbrechung aufweisen.
Der Kern 3 und die Ladungsstreifen 4, 5 werden durch Ablagerung einer Folge abwechselnder Schichten gebildet, wobei die Dicken des Kerns 3 und der Ladungsstreifen 4, 5 die vorgenannte Beziehung (3) bestätigen, indem die Gleichheit der Doppelbrechungen der optischen Leiter überführt wird.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung werden die verschiedenen Schichten durch Epitaxie aus der Dampfphase (MOCVD) abgelagert. Die untere Isolierschicht 2 ist aus einem binären Material InP gebildet und auf wird auf einem flachen Träger hergestellt. Dann wird, wie insbesondere in 2 dargestellt ist, eine massive Schicht 30 aus quaternärem Material InGaAsP mit einer Dicke h₀ abgelagert, danach eine Folge abwechselnder dünner Schichten 31, 32 jeweils aus binärem Material InP und aus quaternärem Material In-GaAsP bis zu einer Gesamtdicke h'. Jede dünne Schicht 31 oder 32 weist eine Dicke von kleiner oder gleich 200 Å auf, was es ermöglicht, die Gesamtdicke h = h₀ + h' der Schicht des Kerns 3 mit einer Genauigkeit im Bereich von ± 100 Å zu kontrollieren. Die Wahl der Dicke h hängt von der gewünschten spektralen Reaktion für den Filter ab. Nach Herstellung des Kerns 3 wird durch Epitaxie eine Folge abwechselnder dünner Schichten 51, 52 jeweils aus binärem Material InP und aus quaternärem Material InGaAsP auf eine Gesamtdicke e₂ abgelagert. Jede dünne Schicht 51, 52 weist eine Dicke von kleiner oder gleich 200 Å auf. Es wird eine Maske hergestellt und auf diese mit Beize auf an sich bekannte Weise die Ladungsstreifen 4, 5 und das Koppelnetz graviert. Die abwechselnden dünnen Schichten 51 und 52 werden graviert, nachdem durch Photolumineszenzmessung die für das verbotene Band des quaternären Materials charakteristische Wellenlänge λ_g festgestellt wurde. Es wird hier darauf hingewiesen, dass der Brechungsindex des quaternären Materials von der Wellenlänge λ_g abhängt, wobei die Letztgenannte mit einer Genauigkeit im Bereich von ± 20 nm gemessen werden kann. Nach Herstellung der Streifen wird das Ganze durch Ablagerung einer oberen Isolierschicht 6, die aus binärem Material InP gebildet ist, verdeckt.
Genauer werden in dem Ausführungsbeispiel der 1 bis 3 durch Epitaxie sechzehn abwechselnde dünne Schichten abgelagert, davon vier dünne Schichten 31 aus InP und vier dünne Schichten 32 aus InGaAsP auf der massiven Schicht 30, um den Kern 3 zu bilden, dann vier dünne Schichten 51 aus InP und vier dünne Schichten 52 aus InGaAsP. Die Ladungsstreifen 4 und 5 und das Koppelnetz werden in den Stapel aus dünnen Schichten 51 und 52 graviert. Nach dem Gravieren ist der Streifen 4 aus dem Stapel aus vier abwechselnden dünnen Schichten 51 aus InP und 52 aus InGaAsP, welche auf dem Kern 3 ruhen, gebildet. Der Streifen 5 ist aus acht abwechselnden dünnen Schichten 51 aus InP und 52 aus InGaAsP, welche auf dem Kern 3 ruhen, gebildet.
In den 6 und 7 ist eine zweite Struktur 1' gemäß der Erfindung dargestellt. Diese Struktur unterscheidet sich von der vorgenannten durch die Geometrie, die Anzahl der epitaxierten abwechselnden dünnen Schichten und der Art des verwendeten quaternären Materials. Die Struktur 1' weist eine zu der vorgenannten Ausführung identische untere Isolierschicht 2 aus binärem Material InP auf. Der Kern 3' wird aus einem Stapel aus einer massiven Schicht 30' aus quaternärem Material InGaAsP mit einer Dicke gleich 0,2 μm, einer dünnen Schicht 31' aus binärem Material InP mit einer Dicke von 200 Å und einer dünnen Schicht 32' aus quaternärem Material InGaAsP mit einer Dicke von 200 Å gebildet. Der Streifen 4' ist aus einem Stapel von vier abwechselnden dünnen Schichten mit jeweils einer Dicke von 200 Å gebildet, davon zwei dünne Schichten 51' aus binärem Material InP und zwei dünne Schichten 52' aus quaternärem Material InGaAsP. Die Breite des Streifens 4' beträgt 1,16 μm. Der Streifen 5' ist aus dem Stapel aus zehn abwechselnden dünnen Schichten mit jeweils einer Dicke von 200 Å gebildet, davon fünf dünne Schichten 51' aus binärem Material InP und fünf dünne Schichten 52' aus quaternärem Material InGaAsP. Die Breite w₂ des Mittelteils mit konstanter Breite des auf den Streifen 5' gravierten Netzes beträgt 1,6 μm und die Breite dw eines Zackens beträgt 0,6 μm. Die Breite der Rille 7', welche die Streifen 4' und 5' trennt, beträgt 3 μm. Die Periode Λ des Koppelnetzes beträgt 127 μm.
In 8 ist die spektrale Reaktion eines Filters dargestellt, welcher eine Struktur der unter Bezugnahme auf 6 und 7 beschriebenen Art aufweist, wobei das verwendete quaternäre Material InGaAsP eine Wellenlänge λg des verbotenen Bands gleich 1,17 μm aufweist. Der Durchschnittsfachmann wird beim Studium der 8 feststellen, dass eine gute Unabhängigkeit von der Polarisation des Filters um die mittlere Wellenlänge λ = 1,28 μm erhalten wird.
In 9 ist die spektrale Reaktion eines Filters dargestellt, welcher eine Struktur der unter Bezugnahme auf 6 und 7 beschriebenen Art aufweist, wobei das verwendete quaternäre Material InGaAsP eine Wellenlänge λ_g des verbotenen Bands gleich 1,19 μm aufweist. Auch hier wird der Durchschnittsfachmann beim Studium der 8 feststellen, dass eine gute Unempfindlichkeit gegen die Polarisation des Filters um die mittlere Wellenlänge λ = 1,28 μm erhalten wird.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel begrenzt, und statt des binären Materials InP kann zum Beispiel ein binäres Material GaAs verwendet werden. Das Koppelnetz kann gleichermaßen hergestellt werden, indem nicht die Breite des Streifens verändert wird, sondern dessen Dicke. Die beschriebene Struktur ist der Art mit verdeckten Streifen. Als Variante können die Streifen nicht verdeckt werden. Die Erfindung findet ebenfalls auf symmetrische Koppler Anwendung, insbesondere auf Polarisationstrenner, und könnte durch ein Messen der mittleren Wellenlänge des Filters ermöglichen, den wirksamen Index eines isolierten Leiters zu kontrollieren.

Claims

Struktur (1, 1') mit zwei optischen Leitern für einen asymmetrischen Richtungskoppler, welche geeignet ist, einen Filter zu bilden, wobei die Struktur eine untere Isolierschicht (2), einen Kern (3, 3') zum Leiten des Lichts sowie zwei Streifen (4, 5; 4', 5'), um den Kern (3, 3') zu laden und die optischen Leiter zu bilden, wobei die Dicken (e1, e2) der Streifen voneinander verschieden sind, aufweist, und die Dicke (h) des Kerns und die unterschiedlichen Dicken (e1, e2) der Streifen derart gewählt sind, dass die optischen Leiter die gleiche Doppelbrechung aufweisen.
Struktur gemäß Anspruch 1, wobei der Kern (3, 3') einen Stapel einer Folge von dünnen abwechselnden Schichten (31, 32; 31', 32') jeweils aus binärem Material und aus quaternärem Material aufweist.
Struktur gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Ladungsstreifen (4, 5; 4', 5') einen Stapel einer Folge von dünnen abwechselnden Schichten (51, 52; 51', 52') jeweils aus binärem Material und aus quaternärem Material aufweisen.
Struktur gemäß einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei die Dicke jeder dünnen Schicht kleiner oder gleich 200 Å ist.
Struktur gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Kern (3, 3') eine massive Schicht (30, 30') aus quaternärem Material aufweist.
Struktur gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei das binäre Material InP und das quaternäre Material InGaAsP ist.
Struktur gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei ein Koppelnetz auf einen (5, 5') der Streifen graviert ist.
Struktur gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Streifen (4, 5; 4', 5') verdeckt sind.
Verfahren zur Herstellung einer Struktur (1, 1') mit zwei optischen Leitern für einen asymmetrischen Richtungskoppler, wobei die Struktur eine untere Isolierschicht (2), einen Kern (3, 3') zum Leiten des Lichts und zwei Streifen (4, 5; 4', 5'), um den Kern (3, 3') zu laden und die optischen Leiter zu bilden, wobei die Dicken (e1, e2) der Streifen voneinander verschieden sind, aufweist, wobei das Verfahren den Schritt aufweist, der darin besteht, durch Epitaxie eine Folge von abwechselnden dünnen Schichten, jeweils aus binärem Material und aus quaternärem Material, abzulagern, um nach Gravieren der beiden Streifen eine Dicke des Kerns und unterschiedliche Dicken der beiden Streifen zu erhalten, so dass diese zu optischen Leitern mit gleicher Doppelbrechung führen.
Verfahren gemäß Anspruch 9, welches die Schritte aufweist, die aus Ablagern einer unteren Isolierschicht (2) aus binärem Material, einer massiven Schicht aus quaternärem Material (30, 30'), danach der Folge von dünnen abwechselnden Schichten (31, 32, 51, 52; 31', 32', 51', 52'), durch Photolumineszenz die Wellenlänge (λg) des verbotenen Bandes aus quaternärem Material zu messen, eine Maske herzustellen, dann die Streifen (4, 5; 4', 5') in der Folge von dünnen abwechselnden Schichten zu gravieren, bestehen.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 9 oder 10, welches den Schritt aufweist, der darin besteht, ein Koppelnetz auf einem (5, 5') der Ladungsstreifen zu gravieren.