DE69730655T2

DE69730655T2 - Kopplung von schwach und stark leitenden Wellenleitern für kompakte integrierte Mach-Zehnder-Modulatoren

Info

Publication number: DE69730655T2
Application number: DE69730655T
Authority: DE
Inventors: Claude Ottawa Ontario Rolland; Jun Stittsville Ontario Ku
Original assignee: Bookham Technology PLC
Current assignee: Lumentum Technology UK Ltd
Priority date: 1996-07-03
Filing date: 1997-07-01
Publication date: 2005-09-22
Anticipated expiration: 2017-07-02
Also published as: EP0816908A3; US5799119A; JPH1073792A; EP0816908A2; JP3805482B2; CA2209455A1; EP0816908B1; DE69730655D1

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich auf eine optische Kopplung eines stark leitenden Wellenleiters und eines schwach leitenden Wellenleiters, und insbesondere bezieht sich die Erfindung auf Verbesserungen bei integrierten Mach-Zehnder-Modulatoren.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Bei hohen Bit-Übertragungsgeschwindigkeiten und faseroptischen Langstrecken-Kommunikationen kann eine größere Relaisentfernung dadurch erreicht werden, dass eine bestimmte Betriebswellenlänge gewählt wird, um die Faserverluste zu vermindern und indem die spektrale Ausbreitung infolge von Chirp oder Wellenlängenverschiebungen vermindert wird, die durch Hochfrequenzmodulation einer Laserquelle verursacht wird.
Eine minimale Absorption herkömmlicher Einmodenfasern erfolgt bei 1,55 μm und eine minimale Dispersion erfolgt bei 1,3 μm. Da die Absorptionsverluste eine wichtigere Beschränkung für eine Langstreckenübertragung sind, werden 1,55 μm-Laserquellen bevorzugt. Nichtsdestoweniger ist die chromatische Dispersion von herkömmlichen Einmodenfasern bei 1,55 μm größer als bei 1,3 μm, und dies wird verursacht durch eine frequenzabhängige Gruppengeschwindigkeit.
Die direkte Modulation von Lasern bei hohen Frequenzen führt im Allgemeinen zu einem relativ großen Frequenzchirp. Die spektrale Ausbreitung erfolgt zum Teil infolge einer Wellenlängenverschiebung oder eines Chirps, was eine Impulsausbreitung von einer Wellenlängenverschiebung nach kürzeren Wellenlängen (Blauverschiebung) an der ansteigenden Kante eines Modulationsimpulses und einer Wellenlängenverschiebung nach längeren Wellenlängen (Rotverschiebung) an der abfallenden Kante des Impulses verursacht. Der letztgenannte Effekt wird als positiver Frequenzchirp bezeichnet. Durch Benutzung eines niedrigen Chirps sind MQW-Laser (multiple quantum well) mit 1,55 μm und 2,5 Gb/s-Übertragungssysteme mit einer Relaisentfernung von 80 km kommerziell verfügbar. Jedoch ist der Nachteil der Dispersion direkt modulierter Laser für praktische Langstreckenübertragungen bei 10 Gb/s zu groß.
Eine andere Möglichkeit ist die Benutzung eines elektro-optischen Modulators in Verbindung mit einem Schmalband-Dauerstrich-Laser (cw-Laser), um ein moduliertes Signal mit einem verminderten oder einstellbaren Chirp zu erhalten. Bei elektro-optischen Modulatoren wird die Phasenverzögerung, die durch ein Modulationssignal erzeugt wird, gewöhnlich in eine Intensitätsmodulation durch ein Mach-Zehnder-Interferometer oder einen Richtungskoppler übertragen.
Mach-Zehnder(MZ)-Modulatoren sind bei dieser Anwendung von speziellem Interesse. Ein integrierter MZ-Modulator oder ein Halbleiter-MZ-Modulator weist einen optischen Wellenleiterteiler auf, der mit ersten und zweiten Wellenleiterkanälen oder Armen gekoppelt ist, die elektro-optische Modulatorsektionen und einen Wellenleiterkombinator bilden. Die Elektroden sind jedem der Wellenleiterarme zugeordnet und liefern eine Modulationsspannung an eine oder beide Elektroden, um den Index zu ändern, und dadurch können die relativen Phasen der beiden Lichtstrahlen geändert werden. So kann eine differenzielle Phasenänderung in beiden Strahlen auftreten, die in der Phase kombiniert sind, um ein Signal maximaler Intensität oder ein "Ein"-Signal zu liefern, wobei eine λ2-Verschiebung (oder eine n-Verschiebung) zu einer Strahlauslöschung oder einem "Aus"-Signal führt. Im typischen Fall besitzt die Aufspaltvorrichtung und der Kombinator die Form eines Y-Zweigwellenleiters, d. h. einer Aufspaltvorrichtung oder eines Richtungskopplers, von dem ein Teil als eine "S-Biegung" bezeichnet werden kann, und zwar wegen der typischen S-Form des Verbindungsteils des Wellenleiters.
Üblicherweise wurde LiNbO₃ für diese elektro-optischen Modulatoren benutzt. Neuerdings wurden MQW-(multi-quantum well)III-V-Halbleitermodulatoren entwickelt, die kompakt sind und eine niedrige Treiberleistung erfordern und monolithisch mit einer Laserquelle integriert werden können. Bei diesen MQW-Strukturen zeigen Erregungen, die aus einem Elektrodenlochpaar herrühren, scharte Absorptionsspitzen, sogar bei Raumtemperatur. Wenn ein elektrisches Feld senkrecht zur Ebene der Schichten angelegt wird, die die MQW-Struktur bilden, wird der Energiespalt vermindert und die Erregerspitzen werden nach längeren Wellenlängen verschoben. Dies wird als "Quantum Confined Stark effect" (QCSE-Effekt) bezeichnet. Durch Benutzung des QCSE-Effektes können zwei Arten äußerer Modulatoren hergestellt werden. Einer ist ein elektro-absorbierender Modulator und der andere ist ein Phasenmodulator. Bei großen Halbleitermodulatoren ändert sich die Phase linear mit dem äußeren Feld infolge des Franz-Keldysh-Effektes. Bei MQW-Modulatoren wird ein quadratischer Ausdruck der Phasenveränderung durch das QCSE hinzugefügt, so dass relativ große durch Felder induzierte Phasenverschiebungen bei kompakten und schnellen Phasenmodulatoren eingesetzt werden können.
Die Möglichkeit der Steuerung der Chirpfrequenz durch Wahl der Treiberspannung oder des Leistungsaufteilverhältnisses in den beiden Armen bedeutet, dass MZ-Modulatoren gut geeignet sind für lange Entfernungen optischer Faserübertragungen im Mehrfach-Gigabit-Bereich.
Es sind verschiedene Verfahren bekannt, um das Chirp in optischen Modulatoren zu vermindern oder einzustellen. Beispielsweise ist eine Verbesserung der Halbleitermodulatoren der Mach-Zehnder-Bauart in der laufenden US-Patentanmeldung Ser. Nr. 08/188.000 vom 28. Januar 1994 für Rolland et al. beschrieben, und dies ist einer der Erfinder der vorliegenden Anmeldung. Die Überschrift dieser Patentanmeldung lautet: "Chirp control of a Mach Zehnder optical modulator using non-equal power splitting". Bei dieser Ausbildung sind Mittel vorgesehen, um das Verhältnis der optischen Leistung zwischen den ersten und den zweiten Armen des Modulators einzustellen.
Ein weiteres Beispiel eines verbesserten Halbleitermodulators der Mach-Zehnder-Bauart ist in der laufenden britischen Patentanmeldung Nr. 9513146.2 vom 28. Juni 1995 beschrieben, deren Anmelder Jun Yu et al. einer der Erfinder der vorliegenden Anmeldung ist. Diese Veröffentlichung trägt den Titel: "Semiconductor modulator with a ½ shift". Dabei besitzt eine Modulatorkonstruktion Arme ungleicher Länge, d. h. eine asymmetrische Konfiguration, wobei die Pfadlänge der beiden Arme sich um die Hälfte oder ein ungerades Vielfaches der Wellenlänge einer III-V-MQW-Einrichtung unterscheidet, und dies führt zu einem negativen Chirp und einem hohen Auslöschverhältnis für eine gleiche Gegentakt-Konfiguration.
Die US-A-5363456 beschreibt unter dem Titel "Optical phase modulating devices and methods for their operation" die Benutzung eines ersten und eines zweiten Paares von phasenstarren Elektrodenauslegern und ein Paar von phasenmodulierten Elektroden, um das Frequenzansprechen zu verbessern.
Im Idealfall sind diese Einrichtungen Einmoden-Einrichtungen und besitzen Dimensionen, die mit jenen einer optischen Faser oder einer Laserquelle kompatibel sind, um den Kopplungswirkungsgrad zu verbessern. Das Strahlausbreitungsverfahren (BPM) wurde zur Simulation und Konstruktion von MQW-Modulatoren benutzt. Beispiele finden sich in IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 2, Nr. 6, Juni 1990 unter dem Titel "Optimization of Strongly Guiding Semiconductor Rib Waveguide Y-junctions" und in "Coherent Coupling of Radiation Modes in Mach-Zehnder Electrooptic Modulators", IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 28, Nr. 5, Mai 1992. BPM wird benutzt, um die Verluste des Interferometers als Funktion der Länge der Vorrichtung zu berechnen. Am Eingang und Ausgang der Vorrichtung sind optische Übergänge in die leitende Wellenstruktur erforderlich, die den Modulator bildet.
Bei einer leitenden Wellenleiterstruktur führen alle kleinen axialen Veränderungen in der Struktur zu einer Kopplung einer Energiemenge in den Strahlungsmodus. Beispielsweise kann bei Mach-Zehnder-Modulatoren das Strahlungsfeld entweder durch Modenfehlanpassung oder Faserfehlausrichtung erregt werden.
Modulatoren, die mit stark leitenden Wellenleiterstrukturen ausgestattet sind, haben Vorteile im Hinblick auf kurze Abmessungen, geringe Verluste und eine größere Überlappung zwischen elektrischen und optischen Feldern. Stark leitende Strukturen werden hergestellt durch Ätzen durch eine Leiterschicht oder MQW-Schicht in dem Stegwellenleiter. Die Koppelverluste werden durch das Profil der Eingangsquelle bestimmt, z. B. durch das Feldprofil der sich verjüngenden Faser am Eingang und die seitliche Struktur des Wellenleiters. Obgleich der Kopplungsgrad im Allgemeinen mit der Breite eines Stegwellenleiters ansteigt, zeigte eine BPM-Analyse, dass die Breite des MQW auf 2,1 μm beschränkt werden muss, um zu verhindern, dass der Wellenleiter ein Multimode-Wellenleiter wird (vergleiche Kapitel 5 von Ph. D. Thesis von Jun Yu, einem der Erfinder der vorliegenden Anmeldung, in Queen's University, Kingston, Kanada, 1994).
Andererseits tendiert jedes Strahlungsfeld dazu, in die stark leitende Struktur eingeführt zu werden, und dies kann den fundamentalen Modus stören, so dass die Arbeitsweise der Vorrichtung ungünstig beeinträchtigt wird. Es kann eine sehr viel längere Distanz für die Strahlungsenergie in Anspruch nehmen, aus einer schwach leitenden Struktur als Leckstrom auszutreten. Die stark leitende Struktur benutzt vorteilhafterweise eine kurze S-Biegung ~100 μm und besitzt eine große Überlappung zwischen den E/O-Moden. Jedoch ist die stark leitende Struktur sehr empfindlich gegenüber einer Faserkopplung, d. h. einer Fehlausrichtung des Einfallswinkels und dergleichen, und daher besteht eine weniger wirksame Kopplung zwischen dem Wellenleiter und der Faser, verglichen mit einer schwach leitenden Struktur.
Wenn die Schichten nur kurz über dem MQW geätzt werden, dann nähert sich die Wellenleiterstruktur jener eines Stegwellenleiters, der eine schwach leitende Struktur bildet.
Bei einer schwach leitenden Struktur ist das Auslöschverhältnis und das Frequenzchirp virtuell unempfindlich gegenüber einer Sub-Mikro-Fehlausrichtung des Faserausgangs. Die Herstellung ist komplexer insofern, als ein spezieller Ätzanschlag erforderlich ist und eine gute Kontrolle der Neigung der Stegseitenwände in der Nähe des Bodens des Steges für einen betriebssicheren Einmoden-Wellenleiter erforderlich ist.
Es ist zu erwarten, dass Strahlungsfelder, die in schwach leitenden Strukturen erregt werden, weniger gut geleitet werden und deshalb geringere Einflüsse auf die Modulationscharakteristiken haben. Jedoch ist ein sehr viel längerer S-förmig gebogener Abschnitt erforderlich, um die gleiche Apertur am Ausgang zu erhalten ohne Leistungsverlust gegenüber einer stark leitenden Struktur (BPM-Analysen und Messungen bestätigten, dass der Abstand von 0,1 μm und 0,2 μm zwischen der Oberseite des MQW und dem Ätzanschlag eine schwach leitende Struktur liefert.) Die S-Biegelänge wurde von 100 μm in dem stark leitenden Bereich auf ungefähr 700 bis 1000 μm vergrößert, um geringe S-Biegeverluste zu erhalten.
In einer stark leitenden Struktur zeigen Simulationen, dass der Bit-0-Ausgang des Modulators nahe Null sein sollte, wenn der Modulator abgeschaltet wird. Experimentell wird eine beträchtliche Restenergiemenge festgestellt. Das antisymmetrische Feld des Bit-0 ist ein Strahlungsmodus bei einem Einmoden-Wellenleiter an der Ausgangssektion des Modulators, das sich über einen langen Weg ausbreitet, weil der Stegwellenleiter stark leitend ist.
Gundolf Wenger und andere (8217 Journal of Lightwave Technology 12 (1994) Oktober, Nr. 10, S. 1782–1790) beschreiben einen monolithischen Transformator der Größe eines Punktes oder Fleckens, realisiert in einem InP/InGaAsP-Material. Die punktförmige Transformation wird durch zwei Wellenleitersektionen bewirkt, die in vertikaler Richtung bzw. in seitlicher Richtung verjüngt sind.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezweckt die Schaffung einer verbesserten optischen Kopplung zwischen einem schwach leitenden und einem stark leitenden Wellenleiter, wie diese in einem elektro-optischen Modulator benutzt werden, und insbesondere bezweckt die Erfindung die Schaffung einer verbesserten Kopplung für Mach-Zehnder-Modulatoren, um hierbei die Wirkungen einer Faserfehlausrichtung zu vermindern.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung betrifft diese eine optische Rippenwellenleiterstruktur (= Steghohlleiterstruktur) gemäß dem Anspruch 1.
Beispielsweise wird eine verjüngte Wellenleitersektion als Puffer zwischen den schwach und stark leitenden Wellenleitersektionen benutzt, um die Verluste der Modenfehlanpassung zu verringern und dadurch Reflexionsverluste zu unterdrücken. Demgemäß werden bei einem integralen Wellenleiter die Vorteile von den schwach leitenden und den stark leitenden Sektionen beibehalten, und zwar mit einer verbesserten Kopplungswirksamkeit.
Die sich graduell ändernde Modenbeschränkung zwischen den schwach und den stark leitenden Wellenleitersektionen können durch eine Zwischensektion vorgesehen werden, bei der die Breite oder Tiefe des Wellenleiters verjüngt ausgebildet ist, z. B. indem die Breite zwischen den schwach leitenden und stark leitenden Sektionen abnimmt.
Die dazwischenliegende verjüngte Sektion, die die stark leitende Sektion und die schwach leitende Sektion koppelt, wird durch eine Stegstruktur gebildet, die einen oberen Abschnitt gleichförmiger Breite und einen unteren Abschnitt aufweist, dessen Breite von der schwach leitenden Sektion nach der stark leitenden Sektion abnimmt, wobei der untere Abschnitt des Steges sich durch die leitende Schicht erstreckt.
Die leitende Schicht kann wenigstens einen Quantentopf-Elektronenkanal aufweisen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft diese einen Mach-Zehnder-Halbleitermodulator gemäß Anspruch 4.
Eine stumpfe Kopplung zwischen den schwach leitenden und den stark leitenden Sektionen bewirkt in der Praxis eine Verminderung der Effekte einer Fehlausrichtung auf die Kopplungswirksamkeit. Diese Struktur kann jedoch eine Modenfehlanpassung an den abrupten Grenzen zwischen den schwach leitenden und den stark leitenden Sektionen verursachen, wodurch Reflexionen zustandekommen, die schädlich für den integrierten Laser und die Modulatorkonstruktion sind.
Zweckmäßigerweise ist die schwach leitende Sektion mit der stark leitenden Sektion über eine dazwischenliegende verjüngte Sektion gekoppelt und die dazwischenliegende verjüngte Sektion bewirkt eine graduell sich vergrößernde Modenbeschränkung zwischen den schwach leitenden und den stark leitenden Sektionen.
Vorzugsweise wird die sich graduell vergrößernde Modenbeschränkung des sich verjüngenden Abschnitts vorzugsweise durch Verjüngung der Breite der Zwischensektion bewirkt, d. h. es wird eine Zwischensektion des Wellenleiters geschaffen, die sich in der Breite von einer ersten Breite benachbart zur schwach leitenden Sektion nach einer geringeren Breite benachbart zu der stark leitenden Sektion verjüngt.
Die sich verjüngende Sektion bewirkt eine Verminderung der Verluste, wodurch eine Reflexion unterdrückt wird und wodurch Verluste der Modenfehlanpassung vermindert werden. Experimentelle Daten von etwa 40 Geräten zeigen eine etwa um 0,59 dB erhöhte Übertragung an jeder Verjüngung.
Stattdessen kann die graduell ansteigende Modenbeschränkung der sich verjüngenden Sektion durch Veränderung eines anderen Parameters der dazwischenliegenden Sektion des Wellenleiters, beispielsweise durch Änderung der Tiefe, bewirkt werden.
Wenn die Stegwellenleiterstruktur auf einem Halbleitersubstrat hergestellt wird und eine mehrschichtige Halbleiterstruktur einschließlich einer leitfähigen Schicht zwischen einer darunterliegenden Schicht und einer darüberliegenden Schicht aufweist, dann wird jede stark leitende Sektion durch einen Teil der Stegstruktur definiert, die sich durch die leitfähige Schicht nach der darunterliegenden Schicht erstreckt und jede schwach leitende Sektion wird durch einen Teil der Stegstruktur definiert, die auf der darüberliegenden Schicht über der leitfähigen Schicht endet. Die dazwischenliegende sich verjüngende Sektion erstreckt sich zwischen der schwach leitenden Sektion und der stark leitenden Sektion. Die sich verjüngende Sektion besitzt einen oberen Abschnitt mit einer gleichförmigen Breite und einen unteren Abschnitt, dessen Breite sich von der schwach leitenden Sektion nach der stark leitenden Sektion erstreckt.
Beispielsweise verjüngt sich die Breite der dazwischenliegenden Sektion von 6 μm auf 2 μm über eine Länge von 30 μm, und es wird eine Schreibauflösung von 0,1 μm erzeugt. Die sich verjüngende Sektion kann in einem zweistufigen Ätzverfahren hergestellt werden, wobei eine Kombination von Trockenätzen und Nassätzen benutzt wird. Um die Herstellung zu unterstützen, wird eine Nassätz-Stoppschicht etwa 0,15 ± 0,05 μm über der leitfähigen Schicht angeordnet.
Diese Strukturen sind gut geeignet zum Betrieb in Verbindung mit Kommunikationslasern, die mit standardisierten Wellenlängen arbeiten.
Auf diese Weise wird ein Mach-Zehnder(MZ)-Modulator mit einer verbesserten Kopplung zwischen Eingangs- und Ausgangsfasern vorgesehen. Der Mach-Zehnder-Modulator kombiniert die Vorteile von schwach leitenden Eingangssektionen mit stark leitenden Sektionen, um den Kopplungsgrad und die Empfindlichkeit der Vorrichtung zu optimieren.
Eine verbesserte Kopplung zwischen den schwach leitenden und stark leitenden Sektionen des Wellenleiters wird durch einen dazwischenliegenden verjüngten Wellenleiterabschnitt gebildet, der eine sich graduell ändernde Modenbeschränkung bewirkt, wodurch die Modenfehlanpassverluste vermindert und dadurch Reflexionen an der Verbindung zwischen den schwach leitenden Sektionen und den stark leitenden Sektionen des Wellenleiters unterdrückt werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
1 zeigt ein schematisches Diagramm eines herkömmlichen MQW-Halbleiter-Mach-Zehnder(MZ)-Modulators;
2 ist in größerem Maßstab gezeichnet ein Schnitt durch einen Teil des bekannten MQW-Halbleiter-Mach-Zehnder-Modulators gemäß 1;
3 zeigt eine Draufsicht eines Teils des bekannten Mach-Zehnder-Modulators gemäß 1;
4 zeigt eine Draufsicht eines Teils eines Mach-Zehnder-Modulators gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
5 zeigt einen vereinfachten Querschnitt nach der Linie V-V gemäß 4, der eine Sektion des stark leitenden Wellenleiters repräsentiert;
6 zeigt einen vereinfachten Schnitt nach der Linie VI-VI gemäß 4, der eine Sektion des schwach leitenden Wellenleiters repräsentiert;
7 zeigt eine Draufsicht eines Teils eines Mach-Zehnder-Modulators gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
8 ist eine Schnittansicht nach der Linie VIII-VIII der Struktur gemäß 7;
9 ist eine Schnittansicht nach der Linie IX-IX der Struktur gemäß 6; und
9A zeigt die optische Modenstruktur, die in diesen Abschnitt des Wellenleiters einläuft;
10 ist eine Schnittansicht nach der Linie X-X der Struktur gemäß 6; und
10A zeigt die optische Feldstruktur am Ende des verjüngten Abschnitts des Wellenleiters, die dem Modus in der stark leitenden Sektion des Wellenleiters gut angepasst ist;
11 ist eine perspektivische Ansicht eines Teils der Struktur des Mach-Zehnder-Modulators gemäß 7, die den dazwischenliegenden verjüngten Abschnitt zeigt, der mit dem stark leitenden Abschnitt der Eingangskopplersektion des Modulators gekoppelt ist;
12 zeigt in einem Diagramm die Kopplungsverluste als Funktion der Dicke zwischen der Ätz-Stoppschicht und der Oberseite der leitfähigen Schicht für die stumpf gekoppelten Abschnitte des schwach leitenden Wellenleiters und des stark leitenden Wellenleiters, um die Fehlanpassung des Modulators bei dem ersten Ausführungsbeispiel zu veranschaulichen;
13 zeigt in einem Diagramm die Eingangsleistung relativ zur Lage der Eingangsfaser und das Löschverhältnis relativ zur Lage der Ausgangsfaser bei einem Mach-Zehnder-Modulator des ersten Ausführungsbeispiels, hergestellt mit stumpf gekoppelten Sektionen von schwach leitendem Wellenleiter und stark leitendem Wellenleiter;
14 zeigt die simulierte Modenausbreitung im "Aus"-Zustand in der schwach leitenden Ausgangssektion des Wellenleiters bei dem ersten Ausführungsbeispiel;
15 zeigt den überlappten Leistungsverlust als Funktion der Länge der Verjüngung in dem Modulator des zweiten Ausführungsbeispiels mit einer dazwischenliegenden Sektion, die eine Verjüngungsbreite zwischen 6 μm und 2 μm aufweist;
16 zeigt den überlappten Leistungsverlust als Funktion der Länge der Verjüngung für einen Modulator des zweiten Ausführungsbeispiels mit einer dazwischenliegenden Sektion, die eine Verjüngungsbreite zwischen 8 μm und 2 μm aufweist;
17 zeigt die Eingangsleistung relativ zur Eingangsfaserposition bei einem Mach-Zehner-Modulator gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel;
18 zeigt das Löschverhältnis relativ zur Ausgangsfaserposition für einen Mach-Zehnder-Modulator gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel;
19 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Teils der Struktur eines Mach-Zehnder-Modulators gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, wobei der verjüngte dazwischenliegende Abschnitt mit dem stark leitenden Abschnitt der Eingangskopplersektion des Modulators gekoppelt ist.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
1 zeigt einen Halbleiter-Mach-Zehnder-Modulator gemäß dem Stande der Technik, der eine Microel-Struktur aufweist. Der Modulator 10 weist eine Y-Eingangsverbindung 12 mit einem Eingangswellenleiter 14 auf, dem Licht von einer geeigneten Laserquelle zugeführt wird. Der Eingangswellenleiter 14 ist etwa 2 μm breit und ein Einmoden-Wellenleiter. Die optische Eingangsleistung von einem Laser wird dem Wellenleiter 14 über eine nicht dargestellte Anschlussfaser zugeführt oder stattdessen ist der Laser monolithisch auf einem gemeinsamen Substrat integriert. Der Y-Eingangszweig (Teiler) 12 weist eine Einmoden-Wellenleitersektion 14, gefolgt von einer Dreifachmoden-Stegsektion 16 auf, die ~40 μm lang und ~4 μm breit ist, und außerdem besitzt er zwei S-förmig gebogene Sektionen 20, die etwa 100 μm lang sind. Die Sektion 16 führt drei Moden, und zwar zwei symmetrische Moden und einen antisymmetrischen Modus. Die Zweigarme 22 und 24 des Modulators sind mit den zwei S-förmigen Krümmungsabschnitten 20 gekoppelt und zentriert, und jeder ist etwa 2 μm breit, um nur einen einzigen Modus zu führen. Im typischen Fall sind bekannte Modulatoren derart ausgebildet, dass die Zweigarme 22 und 24 im gleichen Abstand auf beiden Seiten der Längsachse 26 liegen. Die Zweigarme 22 und 24 sind um ~20 μm getrennt. Der Y-Ausgangszweig (Kombinator) 28 hat gleiche Abmessungen wie der Y-Eingangszweig und besitzt zwei S-förmige Biegeabschnitte 30, die Licht in einen Dreifachmoden-Wellenleiterabschnitt 32 zurück kombinieren, der mit einem Einmoden-Wellenleiterabschnitt 34 gekoppelt ist, der gleich der Y-Eingangsverbindung ist. Eine Draufsicht eines Teils des Modulators zeigt den Y-Eingangszweig 12 in größerem Maßstab in 3.
Jeder Arm 22 und 24 ist mit einer metallisierten Schicht 36 und 38 überzogen, die an den Elektrodenanschlüssen 40 und 42 enden. Diese Elektroden bilden eine unabhängige Spannungszuführung nach jedem Wellenleiterarm 22 und 24, um den Brechungsindex zu ändern, der seinerseits die Phase der Lichtausbreitung durch den Wellenleiter modifiziert. Diese Monomode-Wellenleitersektionen 22 und 24 sind nominell 2 μm breit und 3 μm tief und beispielsweise 600 μm lang und sie sind in einem Abstand von 20 μm angeordnet.
Die in größerem Maßstab dargestellte Schnittansicht in 2 verläuft durch einen Teil des Eingangswellenleiters gemäß 1, um die Schichtenstruktur des Wellenleiters erkennen zu lassen, und dies ist eine typische stark leitende Struktur. Die Schichten bestehen aus Materialien, die nicht lineare elektro-optische Charakteristiken haben. III-V-Legierungen in InGaSaP/InP oder AlGaAs/GaAs sowie gewisse II-VI-Legierungen sind Beispiele. Diese Art des Schichtenaufbaus wird durch bekannte epitaxiale Verfahren, beispielsweise Metall-organische chemische Dampfablagerung (MOCVD) oder molekulare Strahlepitaxie (MBE), gezogen. Wie in dem vergrößerten Schnittdiagramm gemäß 2 ersichtlich, weist die Struktur ein N+InP-Substrat 50 auf, auf dem eine dünne InGaAs-Absorptionsschicht 52 wächst. Eine n-Typ-InP-Abdeckschicht 54 wächst darauf, gefolgt von einer MQW-Struktur 56, die die leitfähige Schicht bildet. Die MQW-Struktur 56 kann ein eigenleitender Bereich sein, der aus mehreren quaternären InGaAsP-Schichten besteht, die durch InP-Sperrschichten getrennt sind. Im typischen Fall ist ein MQW-Quantentopf zu bevorzugen, aber stattdessen kann auch ein einziger Quantentopf benutzt werden. Eine p-Typ-InP-Überzugsschicht 58 wächst über der MQW 56, und schließlich dient eine stark dotierte p⁺ InGaAs-Schicht 60 als eine den Kontakt verbessernde Schicht und bildet eine Absorptionsschicht. Die p-Typ-Kontakte werden selektiv auf der Oberseite der Schicht 60 ausgebildet und n-Typ-Kontakte 62 werden auf dem Substrat ausgebildet.
Die Schichtstruktur des stark leitenden Wellenleiters, der den Modulator gemäß 1 bis 3 bildet, ist gleich über die Modulatorstruktur. Bei der Herstellung der üblichen Struktur gemäß 1 und 2 wird die Einrichtung bemustert und Verbindungsanschlüsse, Verbindungen und Wellenleiterstege oder Arme werden gleichzeitig durch die MQW-Schicht geätzt, wie dies dargestellt ist. Wie in 2 dargestellt, sind die Stegseitenwände in das Substrat unter dem Pegel von MQW eingeätzt, um eine stark leitende Struktur zu bilden. Eine solche Struktur ist beispielsweise im Einzelnen in einem Artikel von Rolland et al beschrieben, der den Titel trägt "10 Gbit/s 1.56 μm multiquantum well InP/GaAs Mach Zehnder Optical Modulator" (Electronics Letters, Vol. 29, Seiten 471–472, 1993). Jedoch ist, wie oben erwähnt, der stark leitende Wellenleiter sehr viel mehr empfindlich bezüglich der Faserkopplung, d. h. der Fehlausrichtung des Einfallswinkels usw., obgleich der stark leitende Wellenleiter eine sehr viel kompaktere und kürzere Längenstruktur aufweist, und es ergibt sich daraus eine weniger wirksame Kopplung zwischen Wellenleiter und Faser, verglichen mit einer schwach leitenden Struktur.
Ein Teil eines Mach-Zehnder-Modulators gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist schematisch in den 4, 5 und 6 dargestellt. 4 zeigt eine Draufsicht auf die Eingangskopplersektion des Modulators, 5 zeigt eine Querschnittsansicht entlang der Linie V-V und 6 zeigt einen Schnitt nach der Linie VI-VI gemäß 4. Die 5A und 6A zeigen die entsprechende BPM-Ausbreitungssimulation für das Strahlprofil in den Sektionen V und VI.
Die Struktur des Modulators des ersten Ausführungsbeispiels umfasst die Hauptteile der zwei Y-Zweige, die den Eingangsteiler 112 (4) und den Ausgangskombinator bilden sowie Zweigarme 118 und 120 des Modulators, die den Teilen 16, 18 und 20 des bekannten Modulators gemäß 1 entsprechen. All diese Wellenleitersektionen werden als stark leitende Stegwellenleiter erzeugt, wobei der Steg durch die Leitschicht in herkömmlicher Weise geätzt wurde, wie dies aus 5 ersichtlich ist.
Die Eingangs- und Ausgangs-Kopplersektionen des MZ-Modulators bei dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 4 unterscheiden sich von dem herkömmlichen MZ-Modulator nach 3. Die Ausgangssektion ist gleich der Eingangssektion gemäß 4 und jede weist eine schwach leitende Wellenleitersektion 180 auf, die stumpf mit einer stark leitenden Eingangssektion 116 des Modulators gekoppelt ist. Eine entsprechende schwach leitende Sektion ist stumpf mit der Ausgangssektion (nicht dargestellt) gekoppelt.
Die Schichtstruktur des MZ-Modulators des ersten Ausführungsbeispiels wird auf einem Halbleitersubstrat hergestellt und besteht aus einer Mehrschichtenstruktur, wie sie vereinfacht im Querschnitt V-V und VI-VI der Struktur gemäß 4 dargestellt ist. Die in 5 und 6 dargestellten Schichten bestehen aus einer leitfähigen Schicht 156 mit einer Microel-Struktur zwischen der darunterliegenden n-Typ-Schicht 154 und einer darüberliegenden p-Typ-Schicht 158, wie dies üblich ist. Diese Zusammensetzung der Schichten ist gleich der Mehrschichtenstruktur des bekannten Modulators gemäß 2.
Im Querschnitt ist eine schwach leitende Eingangssektion 180 schematisch in 6 dargestellt, und sie weist einen Abschnitt aus einem Wellenleiter auf, bei dem der Steg in der darüberliegenden Schicht 158 bis herunter zu einer Ätzanschlagschicht 172 in einer vorbestimmten Dicke t über der leitfähigen Schicht 154 ausgeformt ist. Bei der Herstellung einer Stegwellenleiterstruktur wird im typischen Fall eine Kombination einer Trockenätzung und einer Nassätzung benutzt, und es wird eine Ätz-Stoppschicht an einer Stelle kurz über den MQW-Schichten angeordnet, wie dies oben erwähnt wurde, um schwach leitende Sektionen zu erzeugen. Ein ideales Profil ist eine gerade vertikale Wand, und die Struktur wird im typischen Fall durch ein zweistufiges Ätzverfahren gebildet mit einem anisotropen Trockenätzprozess und einem Nassätzschritt. Der Trockenätzschritt ätzt anisotrop und bildet einen Steg mit steilen Seitenwänden. In der Praxis ist ein Nassätzschritt bis herunter zu der Ätz-Stoppschicht erforderlich, um die Ätztiefe zu steuern, und dies führt zu einer geneigten Seitenwand des Steges an der Unterseite der Stegseitenwand, d. h. es erfolgt eine Abschrägung in der Struktur, wo ein Winkel q abhängig ist vom Ätzprozess (6). Es können andere Moden erregt werden in Abhängigkeit von den Dimensionen der Struktur. Nichtsdestoweniger werden die Wirkungen der Faserfehlausrichtung weitgehend in der schwach leitenden Sektion vermindert, selbst wenn der Ätzvorgang zu einer Struktur führt, wie diese in 6 dargestellt ist.
Die theoretischen Modenstrukturen in jeder Sektion sind, wie in den 5A und 6A dargestellt, charakterisiert. Demgemäß ist ein Eingang von einer Laserquelle, die entweder direkt oder über eine optische Faser gekoppelt ist, wirksamer mit einer schwach leitenden Eintrittssektion gekoppelt.
Der Koppelverlust zwischen stumpf gekoppelten Sektionen der schwach leitenden Wellenleitersektion 180 und der stark leitenden Wellenleitersektion 115 in dem MZ-Modulator gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel als Funktion der Dicke t der Schicht zwischen der Ätz-Stoppschicht und der Oberseite der leitfähigen Schicht ist in 11 dargestellt. Indem die Dicke t geändert wird, wird die Modenstruktur geändert, um die Modenbeschränkung zu ändern und die Kopplung mit der stark leitenden Sektion des Wellenleiters zu verbessern. Die Breite des Steges beträgt w, und die Breite der schwach leitenden Sektion 160 beträgt w₂, wie in 5 und 6 dargestellt. Eine bevorzugte Dicke t liegt zwischen 0,1 μm und 0,2 μm der schwach leitenden Sektion, um Kopplungsverluste für die stumpf gekoppelten schwach bzw. stark leitenden Eingangskopplersektionen zu vermindern. Die Länge der schwach gekoppelten Sektion beträgt vorzugsweise ≤ 150 μm. Die eingekoppelte Eingangsleistung relativ zur Eingangsfaserposition (d. h. die Fehlausrichtung) und das Erregerverhältnis relativ zur Ausgangsfaserposition für einen MZ-Modulator des ersten Ausführungsbeispiels, der mit stumpf gekoppelten Sektionen von schwach leitendem Wellenleiter und stark leitendem Wellenleiter gekoppelt ist, ist in 13 dargestellt. 14 zeigt die simulierte Modenausbreitung im "Aus"-Zustand in der schwach leitenden Ausgangssektion des Wellenleiters des ersten Ausführungsbeispiels.
Bei einem MZ-Modulator eines zweiten Ausführungsbeispiels ist die Struktur des Modulators gleich wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel mit dem Unterschied, dass, wie in 7 dargestellt, der Eingangskoppler eine schwach leitende Wellenleiter-Eingangssektion 280 und eine stark leitende Wellenleitersektion 214 aufweist, die durch eine dazwischenliegende Sektion 290 gekoppelt sind, die eine graduell ändernde Modenbeschränkung zwischen der schwach leitenden Sektion und der stark leitenden Sektion bewirkt. Die entsprechenden Elemente der Struktur des zweiten Ausführungsbeispiels werden mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie beim ersten Ausführungsbeispiel, erhöht um 100.
Die Struktur der dazwischenliegenden Sektion 290 bietet einen Übergang zwischen den schwach leitenden und den stark leitenden Wellenleiterabschnitten, wie in 11 dargestellt. Die 11 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Teils des Eingangskopplers. Wie in 11 dargestellt, ist die dazwischenliegende Sektion 290 charakterisiert durch eine sich verjüngende Breite, die die Breite der Leitschicht im Wellenleiter definiert, wie dies in 7 und in den Querschnittsdarstellungen gemäß 8, 9 und 10 dargestellt ist. Die Änderung in der Modenbeschränkung in der Breitenverjüngung der Zwischensektion bewirkt ein Quetschen des Modus, um die Modenfehlanpassung in der Kopplung der schwach leitenden Wellenleitersektion 280 und der stark leitenden Wellenleitersektion 214 zu vermindern. Der sich verjüngende Zwischenabschnitt ist durch einen oberen Abschnitt charakterisiert, der einen Steg gleichförmiger Breite w definiert und ein unterer Abschnitt ist durch die leitfähige Schicht definiert, in der die Breite des Wellenleiters sich von einer ersten Breite w₁ benachbart zu der schwach leitenden Sektion nach einer geringeren Breite w₂ benachbart zu der stark leitenden Sektion verjüngt, wie dies in den 8, 9 bzw. 10 dargestellt ist. Der verjüngte Abschnitt 290 bildet daher einen Übergangsbereich zwischen den schwach leitenden und den stark leitenden Wellenleiterabschnitten, wie dies in 11 dargestellt ist.
Die sich verjüngende Sektion verbessert die Kopplungswirksamkeit zwischen der schwach leitenden Wellenleitersektion und der stark leitenden Wellenleitersektion des Modulators, indem eine sich ändernde Modenbeschränkung längs der sich verjüngenden Sektion stattfindet.
Praktisch wird die graduell ansteigende Modenbeschränkung der verjüngten Sektion vorzugsweise durch Verjüngung der Breite der Zwischensektion erhalten, d. h. es wird eine Zwischensektion des Wellenleiters vorgesehen, die sich in der Breite von einer ersten Breite benachbart zu der schwach leitenden Sektion nach einer geringeren Breite benachbart zu der stark leitenden Sektion verjüngt.
Die verjüngte Sektion bewirkt eine Verminderung von Verlusten, und dadurch wird eine Reflexion unterdrückt und Modenfehlanpassverluste verringert. Experimentelle Daten aus etwa 40 Einrichtungen zeigen eine etwa um 0,59 dB erhöhte Übertragung an jeder Verjüngung. Ein theoretisches Ansteigen der Übertragung von 1 dB wurde berechnet.
Die in den 12 und 13 dargestellten Daten liefern die Simultationsergebnisse durch BPM und Messung an der MZ-Modulatorstruktur des zweiten Ausführungsbeispiels, um die Verbesserung zu demonstrieren, die durch die schwach leitenden Sektionen der Wellenleiterstruktur an beiden Enden des Modulators erzeugt werden. Insbesondere zeigt 12 den Leistungsverlust für eine Breitenverjüngung von 6 μm auf 2 μm als Funktion der Verjüngungslänge L_taper von 30 μm und 13 zeigt ähnliche Ergebnisse für eine Breitenverjüngung von 8 μm auf 2 μm als Funktion der Verjüngungslänge L_taper.
Die Länge der schwach leitenden Eingangssektion beträgt ≤ 150 μm. Der überlappte Leistungsverlust als Funktion der Länge der Verjüngung im Modulator des zweiten Ausführungsbeispiels, bei dem eine Zwischensektion mit einer Verjüngungsbreite von 6 μm auf 2 μm vorhanden ist, zeigt 12, und der überlappte Leistungsverlust als Funktion der Länge der Verjüngung für einen weiteren Modulator des zweiten Ausführungsbeispiels mit unterschiedlichen Dimensionen, d. h. mit einer Zwischensektion, die eine Verjüngung zwischen 8 μm auf 2 μm aufweist, ist in 14 dargestellt. Die Eingangsleistung relativ zur Eingangsfaserposition für einen MZ-Modulator gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ist in 17 dargestellt, und 18 zeigt das Auslöschverhältnis relativ zur Ausgangsfaserposition für einen MZ-Modulator gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel.
Das Auslöschverhältnis und der Frequenzchirp sind abhängig von der Ausgangsfaserfehlausrichtung. Bei herkömmlichen MZ-Modulatoren kann das Auslöschverhältnis sich um mehrere dB für eine Fehlausrichtung im Sub-Mikrometerbereich der Ausgangsfaser ändern. Das Frequenzchirp ist abhängig von der Ausgangsfaserfehlausrichtung, und daher besteht ein Kompromiss zwischen dem Auslöschverhältnis und dem Negativ-Chirp für bekannte Modulatormoden. Im Betrieb des MZ-Modulators des zweiten Ausführungsbeispiels führt eine Fehlausrichtung der Eingangsfaser um 0,4 μm zu einem Strahlungsfeld, das schnell fast unsichtbar nach einer Ausbreitungsdistanz von 150 μm entweicht. Das Leistungsteilverhältnis ist auch weniger empfindlich gegenüber einer Fehlausrichtung der Eingangsfaser und der Länge des Eingangswellenleiters.
Im Vergleich mit der MZ-Modulatorstruktur des zweiten Ausführungsbeispiels wurden die Simultationen und Messungen mit Ergebnissen herkömmlicher MZ-Modulatoren verglichen, die mit sämtlichen schwach leitenden Sektionen durchgeführt wurden. Im letzteren Fall wurde eine periodische Änderung der Leistung zwischen Leitmoden und Strahlungsmoden beobachtet. Die typischen Schwebungslängen betrugen nahezu 1 mm für die schwach leitenden MZ-Wellenleiter. Andererseits liefert eine schwach leitende Struktur vorteilhafterweise eine verbesserte Kopplung zwischen dem Wellenleiter und der Faser, wobei diese Kopplung weniger empfindlich in Bezug auf die Faserkopplung, eine Fehlausrichtung oder bezüglich des Einfallswinkels ist. Nichtsdestoweniger erfordert die Struktur eine sehr lange S-Biegung von z. B. 1000 μm, verglichen mit ~100 μm bei einer stark leitenden Struktur, und dies führt zu einer kleineren Überlappung zwischen E/O-Moden.
Bei einer anderen herkömmlichen Struktur, die mit stark leitenden Sektionen hergestellt wurde, beobachtete man eine Schwebungslänge von etwa 20 μm, was eine noch vorherrschende Strahlungsfeldstörung anzeigt. Symmetrische Moden tragen in gleicher Weise zu den beiden Armen der Y-Verzweigung bei. Jedoch kann ein antisymmetrisches Strahlungsfeld erzeugt werden, wenn die Eingangsfaser fehlausgerichtet ist. Ein gewisses Ausmaß einer Fehlausrichtung ist in der Praxis unvermeidbar, insbesondere während der Verpackung der Vorrichtung. Das Leistungsteilverhältnis zwischen den beiden Zweigen der ersten Y-Verbindung beeinflusst das Auslöschverhältnis und das Frequenzchirp. Beispielsweise spalten einige der bekannten oben erwähnten Einrichtungen freiwillig das Leistungsverhältnis auf. Jedoch bewirkt eine Faserfehlausrichtung auch die Erregung antisymmetrischer Moden, die nicht voll abgeleitet werden und so am Ausgang teilhaben und eine Störung längs der Arme bewirken.
Bei der Herstellung der MZ-Modulatorstruktur gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel verjüngte sich z. B. die Breite der Zwischensektion von einer Breite w₁ von 6 μm auf w₂ von 2 μm über eine Verjüngungslänge von 30 μm mit einer Schreibauflösung von 0,1 μm. Die Struktur der Einrichtung kann in einem Dreistufen-Ätzverfahren hergestellt werden, und zwar unter Benutzung einer Kombination von Trockenätzstufen und Nassätzstufen. Um die Herstellung zu unterstützen, wird eine Nassätz-Stoppschicht in einer Höhe von 0,15 ± 0,05 μm über der leitfähigen Schicht angebracht. So wird die Dicke t (3) des Steges über der leitfähigen Schicht zwischen 0,1 bis 0,2 μm dick. Bei anderen Beispielen wurden Verjüngungen überprüft von einer Breite w₁ mit 8 μm auf eine Breite w₂ von 2 μm über eine Länge von 30 μm.
Das Dreistufen-Ätzverfahren erfordert zwei Maskierungsschichten, um die Zwischensektion zu definieren, bestehend aus einem Steg gleichförmiger Breite und der verjüngten Sektion, bei der die Breite über die Länge der verjüngten Sektion variiert. Eine erste Maskierungsschicht, im typischen Fall aus SiO₂, definiert die gleichförmige Stegbreite der schwach leitenden Sektion und die stark leitenden Sektionen des Wellenleiters. Dann definiert eine zweite Maskierungsschicht aus SiN_x den verjüngten Abschnitt. Dann werden die unmaskierten Bereiche teilweise geätzt, z. B. auf etwa 0,5 μm. Die SiN_x Schicht wird entfernt und ein zweites Trockenätzverfahren definiert unter Benutzung der SiO₂-Maskierungsschicht den Steg, der über dem verjüngten unteren Abschnitt des Mittelabschnitts liegt, und es wird das Ätzen der stark leitenden Sektionen des Wellenleiters vollendet. In dem verjüngten Bereich schreitet das Ätzen nach unten in die Nähe der Ätz-Stoppschicht fort, und es wird vollendet durch ein Nassätzen bis zum Ätzstopp, um den Steg zu definieren, der über dem verjüngten unteren Abschnitt und über anderen schwach leitenden Sektionen liegt. Um betriebssichere Vorrichtungen zu schaffen, ist eine sorgfältige Ausrichtung der beiden Masken über die Länge des Steges und die Achse des verjüngten Abschnitts erforderlich. Bei der Entwicklung von Prototypen, die unter Benutzung von Kontaktmasken durchgeführt wurde, wobei die Richtmaskenauflösung etwa 0,1 μm betrug, ergab sich eine Versetzungsmasken-Annäherung, während die Gesamtdurchbiegung vermindert wurde, und dies kann benutzt werden, um in einem Abschnitt der Vorrichtungen die Mitte der Verjüngung genau auf die Achse des Wellenleiters auszurichten. Stattdessen können bekannte Maskierungsschemen und Ätzverfahren benutzt werden, um die Ausrichtung zu verbessern und die Wirksamkeit der Vorrichtung zu verbessern.
Bei einem MZ-Modulator gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel in 19, bei dem eine verjüngte Zwischensektion in einer alternativen Struktur vorgesehen ist, wird die sich ändernde Modenbeschränkung in der Zwischensektion durch die Tiefe des Wellenleiters erreicht, die über die Länge der verjüngten Sektion geändert wird. Diese Struktur erfordert ein selektives epitaxiales Wachstum zur Erzeugung, und dies ist komplex zu steuern. In der Praxis ist die Struktur des zweiten Ausführungsbeispiels zu bevorzugen, weil die Verjüngung der Breite leichter erreicht werden kann.
Demgemäß ist eine integrale Wellenleiterstruktur vorgesehen, die eine schwach leitende Wellenleitersektion und eine stark leitende Wellenleitersektion aufweist, die durch eine Zwischensektion gekoppelt sind, die eine graduell sich ändernde Modenbeschränkung zwischen den schwach und den stark leitenden Sektionen bewirkt. Die Zwischensektion wird vorzugsweise dadurch hergestellt, dass die seitlichen Abmessungen oder andere Parameter der Wellenleiterstruktur verjüngt werden, und zwar beispielsweise in der Breite eines Teils der Zwischensektion des Wellenleiters, die die leitfähige Schicht umfasst. So führt die Änderung in der Modenstruktur zu einem größeren Anteil der Leistung, die in die stark leitende Sektion eingepasst wird, indem das Feld gequetscht wird und die Modenfehlanpassung und die Reflexionsverluste vermindert werden.

Claims

Optische Rippenhohlleiterstruktur mit einer stark führenden Sektion (114, 116, 214, 216), einer schwach führenden Sektion (180, 280), die durch eine Zwischensektion (290) gekoppelt sind, wobei die Zwischensektion (290) eine sich allmählich ändernde Modenbegrenzung zwischen der schwach und der stark führenden Sektion bereitstellt, wobei die auf einem Halbleitersubstrat hergestellte optische Hohlleiterstruktur eine mehrlagige Halbleiterstruktur mit einer zwischen einer unten liegenden Lage (154, 254) und einer oben liegenden Lage (158, 258) angeordneten Führungslage (156, 256) umfasst, wobei der Hohlleiter durch eine Rippenstruktur definiert wird, die in die mehrlagige Halbleiterstruktur geätzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass: die stark führende Sektion durch einen Teil der Rippenstruktur definiert wird, die durch die führende Schicht zu der unten liegenden Schicht verläuft; und die schwach führende Sektion durch einen Teil der Rippenstruktur definiert wird, die in der oben liegenden Lage über der führenden Lage endet.
Optische Rippenhohlleiterstruktur nach Anspruch 1, wobei die Zwischensektion (290) konisch ist und die stark führende Sektion (114, 116, 214, 216) und die schwach führende Sektion (180, 280) verbindet und mit einer Rippenstruktur versehen ist, die einen oberen Abschnitt von gleichförmiger Breite und einen unteren konischen Abschnitt hat, dessen Breite von der schwach führenden zur stark führenden Sektion abnimmt, wobei der untere konische Abschnitt der Rippe durch die führende Schicht verläuft.
Optische Rippenhohlleiterstruktur nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die führende Lage (156, 256) wenigstens einen Quantumtopf umfasst.
Mach-Zehnder-Halbleitermodulator umfassend eine Rippenhohlleiterstruktur nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Modulator einen Eingangshohlleiterteiler mit einem Eingangshohlleiter und Ausgangshohlleitern umfasst, wobei die Ausgänge des Hohlleiterteilers jeweils mit einem Paar Modulatorabschnitten gekoppelt sind, deren Ausgänge mit einem einen Ausgangshohlleiter umfassenden Hohlleiterkombinator gekoppelt sind, und wobei der Eingangshohlleiter des genannten Hohlleiterteilers und der Ausgangshohlleiter des genannten Hohlleiterkombinators durch die genannten stark führenden Hohlleitersektionen (114, 116, 214, 216) bereitsgestellt werden, die jeweils mit den genannten schwach führenden Sektionen (180, 280) gekoppelt sind.
MZ-Modulator nach Anspruch 4, wobei jede schwach führende Sektion (180, 280) durch eine genannte konische Zwischensektion (290) mit einer stark führenden Sektion (114, 116, 214, 216) gekoppelt ist, wobei die konische Zwischensektion eine allmählich zunehmende Modenbegrenzung zwischen der schwach führenden und der stark führenden Sektion bereitstellt.
MZ-Modulator nach Anspruch 5, wobei die allmählich zunehmende Modenbegrenzung der konischen Sektion (290) durch eine Zwischensektion des Hohlleiters gegeben ist, die in einer Breite von einer ersten Breite an der schwach führenden Sektion (180, 280) bis zu einer geringeren Breite an der stark führenden Sektion (114, 116, 214, 216) variiert.
MZ-Modulator nach Anspruch 5, wobei die allmählich zunehmende Modenbegrenzung der konischen Sektion (290) durch eine Zwischensektion des Hohlleiters gegeben ist, die in einer Tiefe von einer ersten Tiefe an der schwach führenden Sektion (180, 280) bis zu einer geringeren Tiefe an der stark führenden Sektion (114, 116, 214, 216) variiert.