JPS62501937A - 光通信技術の周波数範囲内のチヤネルの波長選択性の分離または接合のための集積された共振器マトリツクス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 光通信技術の周波数範囲内のチャネルの波長選択性の分離または接合のための集 積された共振器マトリックス来発明は、個々の共振器が端面を鏡面化された誘電 体導波路から成っており、また１つの基板上に、共振器が種々の平面内または種 々の平面間で相異なる強さで光結合されているように集積されており、また光通 信技術の周波数範囲内の多数の被変調搬送波および無変調搬送波を波長選択性の 分離および（または）接合を行うという課題を満足する共振器マトリックスに関 する。共振器マトリックスの特殊な実施形態は、チャネルが分離および（または ）接合される装面内でチャネルを変調することも、または増幅することも、また は復調することも、かつ（乞たは）電気的信号に変換することも可能にする。共 振器マトリックスのような同一の半導体基板上に補足的な電子的回路および（ま たは）別の光学的要素、たとえば別の共振器マトリックスも集積され得る。

先ず共振器マトリックスの応用範囲を説明する。

特に予期される画像伝送技術と共に高まるケーブル接続の伝送帯域幅の必要によ り、単一のガラスファイバ」二で約ＩＧＨｚの現在の帯域幅よりもはるかに広い 帯域幅で利用可能にする装置を開発することが示されている。半導体回路内でＩ ＧＨｚよりも広い帯域幅を処理することは困難であるので、１つよりも多い搬送 波周波数を伝送するという提案が既になされた。いま搬送波が互いに非常に離れ ていれば、たとえばガリウムーアルミニウムーヒ化物レーザーの波長に相当する ０、８５μｍおよびインジウム−リン化物レーザーの波長に相当する１、３μｍ であれば、画周波数は同時に単一のレーザーｉｌＯ幅器によりガラスファイバケ ーブルの列内で中間増幅され得ない。

従って、搬送波を単一のレーザー増幅器の比較的小さい帯域幅内に密に並べて配 置することが既に提案されている。このレーザー増幅器、たとえばインジウム− リン化物から成る注入形半導体レーザーは約１０−３の非常に小さい相対的な帯 域幅にもかかわらず約１０”Ｈｚ−１０−３＝１００ＧＨｚの周波数帯域幅を同 時に増幅し得る。

復調についても提案がなされている。チャネル当たりの所要電力が小さくてすむ という理由で、高周波技術から公知のへテロダイン法またはホモダイン法、すな わち相応の搬送波追加によりホトダイオード内で動作する方法が検討に値する。

このようなホトダイオードはドイツ連邦共和国特許出願量Ｐ３２０５４６１．０ −３３号明細書に従って選択性共振器と組合わせるのが有利であろう。

非常に狭い周波数帯域内の多数の光搬送波の変調および復調の方法の、以下に示 す本発明による実現では、さらに下記の事情に注目すべきである。

前記光学的要素の実現は安定性およびコスト上の理由から非常に狭い空間への° 光回路”の圧縮を必要とする。また付属の電子的駆動および調節要素も結合の理 由から“光回路゛に対して密接しているべきであろう。こうして文献にも既に提 案されている密なモノリシックな電子−光学的集積が適当であると思われる。

しかし、これまでに、受信器をベース材料としてのシリコン上に製造する少なく とも不完全な提案は存在するけれども、駆動回路と一緒に光通信技術の波長範囲 内の多数の密接する搬送波に対する波長選択性の変調器を実現することについて の紹介は実際上完全に欠けている。このことは下記のように理由付けられる。こ れまで変調が半導体レーザー内の注入電流により非常に成功裡に実現されてきた 。このことは同時に送信器および変調器の非常に効率的な集積であった。しかし 、多数の密接するチャネルを有し好ましくはヘテロゲインまたはホモダイン法で 動作する光通信伝送システムはレーザー線の周波数安定性および狭帯域性に関し て、これまで主に実施された変調法により満足され得る要求よりも高い要求を課 する。従って、変調の構想をもう一度塾考することが適切である。

この意図は下記の根拠により必然的になる。高周波技術から、非常に高い周波数 安定性を有する発振器は可能なかぎり直接に変調されるべきではないことが知ら れている。変調は発振器から分離された変調器内で一層良好に行われるべきであ ろう。この事情は光周波数において依然として当てはまる。コヒーレントな単色 の光源の周波数安定性は可能なかぎり明白にＩＭＨ２よりも小さく、一層良好に は数ｋＨｚであるべきであろう。これは変調すべき各周波数の約１０−８・・・ １〇−目の相対的安定性に相当する。

既に提案されているように（後記の文献（１）参照）、コヒーレント光伝送法で は１つの伝送システム内でただ１つのマザー発振器がすべての）般送波コンディ ショニングを担当し、またたとえば特別なモノモードガラスファイバ内でたとえ ば無変調搬送波として一緒に伝送されるべきであろう。

こうして、コヒーレント光ホモダインまたはへテロゲイン法に従って多数の密に 隣接する搬送波を同時に伝送するこの特別なシステムでは、下記の注目すべき構 想が生ずる。ただし、この構想は、変調器と再生有りおよび無しの中間増幅器と 場合によっては計算殿により制御される分岐器と選択的復調有りの受信器とのモ ノリシンクなオプトエレクトロニックな集積が本発明により解決されて初めて技 術的かつ経済的に実現される。

１、発振器および送光器は無変調である。それを安定に保つための費用を要する あらゆる努力がなされる。それは数回しか伝送システム内に現れないので、この ことは禁止的な費用因子ではない。たとえば４〜１・５ＧＨｚの間隔で位置する 個々の搬送波はたとえば単一のレーザー共振器の縦モードとして発生され得る。

２、変調器は、それによりさもなければ乱されないレーザー送光器の特定の周波 数を変調する課題を有する。従って、変調器の材料は必ずしも直接半導体である 必要はない。レーザーと変調器との間にマイクロ波技術から公知のアイソレータ を使用することは有利である（文献−参照）。

３、現在変調器に対してシリコンを使用することが許容されるため、この材料の 本発明による利用は技術的に価値がある。なぜならば、電気−光学的特性および 電子的特性を１つのシリコンチップ上に同時に集積することが可能にされるから である。

４、変調器と類似の装置が多数のチャネルを電気信号に波長選択的に変換するた めの検出器としての役割をし得る。

５．４と類似の構造が、復調器無しに、波長選択性の分岐のために利用され得る 。

６、分岐器は“受動的”かつ固定的に設定されていてもよいし、計算機により制 御される交換のため電子チャネルにアクセス可能なデマルチプレクサを含んでい てもよい。

本発明により実現可能にされる基本構成部分を用いて構成すべきシステムの概要 が第１図に示されている。このシステムは基本構成部分として送信器１０、アイ ソレータ１１、変調器１２、中間増幅器／再生器１３、分岐器またはコレクタ１ ４．、復調器／受信器１５およびガラスファイバ導線１６を含んでいる。光の偏 光面は場合によっては公知の手段により光を処理する基本構成部分に合わせられ なければならない。その際、偏光を得られるファイバが有利である。

基本構成部分である結合器、変調器、中間増幅器／再生器、分岐器、コレクタ、 復調器／受信器は下記の２つの基本課題の少なくとも１つを有する。

１、入力側で種々の電気的および（または）光学的導線を経て到来する多数のチ ャスルを出力側で単一の光学的導線上に波長選択的に統合すること＝マルチプレ クシング。

２、入力側で単一の光学的導線を経て到来する多数のチャネルを出力側で種々の 光学的および（または）電気的導線上に波長選択的に分割すること＝デマルチプ レクシング。

これらの両基本課題は、以下では“本発明の１−Ｎ結合器”とも呼ばれる本発明 による共振器マトリックスにより解決され得る。

この要素は、多数の、また全部の光学的チャネルを波長選択的に分離し、また種 々の出発する光学的導線内へ入射させかつ（または）分配する立場にある単一の 共振器マトリックスから成っている。このＩＮ結合器は以下では“受動的分岐器 ”または“本発明の分岐器”とも呼ばれる。受動的分岐器は光学的可逆要素とし て逆方向にも使用可能であり、以下では“本発明のコレクタ”と呼ばれる。

前記の２つの基本課題のほかに、共振器の単一のマトリックス配置は、多数の、 また全部の光学的チャネルを波長選択的に分離し、別々に変関し、これらのチャ ネルを再び光学的に１つの導線上に接合することができる。このマトリックス配 置は以下では“本発明の変調器”と呼ばれる。

更に単一の共振器マトリックスは、多数の、また全部の光学的チャネルを波長選 択的に分離し２、また別々の導線上で以後の電気的処理をされる電気信号に変換 することができる。この電気的処理は、同一のチップ上に集積された１つの電子 デバイスにより行われる。このマトリックス配置は以下では“本発明の復調器／ 受信器′と呼ばれる。

さらに、共振器マトリックスの１つの組合わせは、多数の、また全部の光学的チ ャネルを波長選択的に分離し、また、場合によっては電気パルスの写生の後に電 気的チャネルが、たとえば１つの交換計算機により制御されて、種々の出発する 光学的導線の変調器に任意の対応付けで供給されることによって、別々の電気的 導線上で以後の処理をされる電気信号に変換することができる。

このマトリックス配置は以下では“本発明の計算機制御される分岐器”と呼ばれ る。

単一のマトリックス配置は、多数の、また全部の光学的チャネルを波長選択的に 分離し、また別々に光学的に増幅し、また増幅されたチャネルを再び集めるため に使用され得る。このマトリックス配置は以下では“本発明の中間増幅器”と呼 ばれる。

本発明、すなわち共振器が種々の平面内および種々の平面間で相異なる強さで結 合されるように１つの基板上に集積されており、また光通信技術の周波数範囲内 の多数の被変凋または無変調搬送波を波長選択的に分離かつ（または）接合し得 る共振器マトリックスは上記の両基本課題を解決し、また以下の例に示されるよ うに全通信伝送システムの第１図に概要を示されている基本構成部分に対する解 決をもたらす。例として共振器マトリックスから変化させられた光学的および（ または）電気−光学的な集積された構成部分のいくつかの利用が記述される。

課題設定に応じて、本発明による共振器マトリックスに追加して公知の電気−光 学的要素も本発明による新しい構造と一緒に集積または使用され得る。

例１）本発明の変調器により実現されるシステムの変調器。

例２）下記の要素ａ）ないしＣ）により実現されるシステムの変調器： ａ）本発明の分岐器により実現される搬送波の分離のための装置。

ｂ）公知の原理、たとえば電気光学的効果により動作するＮ変調器。

Ｃ〉本発明のコレクタにより実現される被変調搬送波の接合のための装置。

例３）多数の異なったレーザー発振器における１般送波発生および搬送波の変調 ：本発明のコレクタおよび後続の本発明の変調器による搬送波の接合。

例４）多数の異なったレーザー発振器における搬送波発生および搬送波の変調、 ２．変形：公知の原理により動作するＮ変調器による別々の変調および引き続い ての本発明のコレクタによる被変調搬送波の接合。

例５）本発明のｆｊｆｌＨ器／受信器により実現されるシステムの受信器／（Ｒ 調器。

例６）たとえば純Ｓｉおよび（または）Ｓｉ）（ＧｅＩ−ｘがら製造された後続 の通常のホトダイオードを有する本発明の受動的分岐器により実現されるシステ ムの受信器／復調器（文献（２）参照）。

例７）下記の要素ａ）ないしｄ）がら成るシステム内の再生器を有する中間増幅 器： ａ）例５または６によるシステムの受信器／復調器。

ｂ）電気信号の再生のだめの電子回路。

Ｃ）伝送される無変調搬送波の光学的増幅のための装置。

ｄ）再生された電気信号による増幅された搬送波の変調のための例１または２に よるシステムの変調器。

例８）本発明の計算機制御される分岐器により実現されるシステムの交換局。

上記の例１ないし８には、相異なる課題設定を有する種々の形態で、以下に記述 される本発明による共振器マトリックスが現れる。

第２図には、このマトリックスの原理的構成が示されている。

全マトリックス２０はヘースとして、たとえば高純度のシリコンから成る基板２ １を有する。さらに常に少なくとも２つの平面上に光学的共振器２２および２３ が配置されている。個々の共振器２２および２３は多モードまたは好ましくは単 モードの誘電体導波路から成っており、その端面ば鏡面化されている。共振器の 応用は常にマトリックス状に行われる。すなわち、共振器は平らに１つの平面ま たは湾曲面内に配置されるだけでなく、少なくとも１つの狭帯域の共振器が他の 共振器またはその一部分が広がっている第１の平面または湾曲面の外側に位置す るように配置される。

共振器は、課題に応じて、隣接する共振器と光学的に、異なる幾何学的間隔によ り、かつ（または）中間に位置する媒体の変更された屈折率により、強く結合さ れていること、もしくは弱く結合されていること、もしくは可能なかぎりわずか に結合されていること、すなわち最良には結合されていないことを必要とする。

すなわち、１つの共振器マトリックスは常に、互いに強く結合されておりかつこ の明細書中では結合共振器２２、後の例では２２１および２２２と呼ばれる共振 器を含んでおり、また常に、一方では他の共振器と弱く結合され他方では他の共 振器と結合されておらず、すなわち可能なかぎりわずかに結合されておりかっこ の明細書中では利用共振器２３、後の例では２３１および２３２と呼ばれる共振 器を含んでいる。これらの共振器は、第２図の例に示されているように、種々の 平面内に配置されており、その際に好ましくは利用共振器のみ、もしくは結合共 振器のみを含んでいる。７２図のマトリックス２０はたとえば重なり合って配置 されている２つの平面のみを含んでいる。１つの共振器マトリックスが、後述の 第１０図、第１１図または第１９図ないし第２１図の例のように、２つよりも多 い平面を含んでいてもよい。可能なかぎりわずかな結合は、利用共振器の正なり 合う間隔が大きく選定されることにより達成される。従って、第２図では各結合 共振器２２の上に必ずしも利用共振器２３が位置していない。もう１つの利用共 振器は第２図ではたとえば隣接する結合共振器２２の上に一つおいて位置してい るが、たとえば第１１図に示されているように２つおきまたは３つおきに隣接す る結合共振器２２の上に位置していてもよい。利用共振器および結合共振器が平 面に従って隔てられて配置されていれば、２つの異なる、ただし隣接する平面内 に位置する２つの隣接する共振器は相互に弱く結合されている。しかし、その場 合、結合の正確な値はすべその平面の間で等しくなくなければならない。各平面 内および平面から平面への結合、従ってまた共振器の間隔は最適化可能である。

このことは帯域幅および効率のような機能に関しても製造の簡単さに関しても当 てはまる。これは、１つの平面の結合共振器が１つの板に連合しており効率に関 して多数の欠点と結びつけられる限界的な場合を含んでいる。

結合共振器２２は、全信号の全帯域幅内のエネルギーを結合共振器平面内に分配 する課題を有し、従って強い結合を有する。個々の利用共振器２３は、光に波長 選択的に影響する課題を有し、従って相互に可能なかぎりわずかな結合を有する 。すなわち、この場合、１つの波長の光は１つの平面のそれに隣接する共振器へ の１つの利用共振器の弱い結合に基づいて、利用共振器がこの波長に対して共振 しているならば、この共振器内にのみ過結合される。その帯域幅、従ってまた１ つの結合共振器へのその結合は１つの部分信号の帯域幅に一致しているべきであ る。

種々の図面中で符号２８を付されているのは、高い共振良度を達成するため、場 合によっては入射および（または）出射導波路を例外として、１つのユニットと してたとえば光学的層の被覆により鏡面化され得る共振器マトリックスの前側、 参照符号２９を付されているのはその後側である。

光が全共振器マトリックス内で入射のみする導波路は図面中で符号２５を、光が 出射のみする導波路は符号２６を、また光が入射および出射する導波路は符号２ ７を付されている。

結合共振器により装置の空間的に広い範囲にわたりエネルギーを分配すること、 および利用共振器内のこの装置のいくつかの所望の範囲に目的に適してそれらを 波長選択的に集中することの主要な利点は、それが厳密に平行な導波路の結合に 基づいており、導波路および共振器の交差または湾曲された配置に基づいていな いことにある。それにより初めて光損失が有効に回避され、またエネルギーの波 長選択性の１−Ｎ分離または接合が非常に高い効率で行われ得る。

共振器マトリックスの波長選択性の作動方法は常に、エネルギーが結合共振器に より利用共振器に分配されること、およびたとえば第３図によるもののような利 用共振器が単一のチャネルに合わされていることに基づいている。

重要なことは、たいていの場合で１つの利用共振器の共振が１つのチャネルに合 わされていること、また同一の利用共振器の別の共振が他のチャネルと合致して いないことである。すなわち、共振器が多数の波長λ１長さ、たとえばｌ＝ｎ・ λＩ／２であれば、１つの波長λ２において、たとえば（ｎ±１）・λ２／２に おいて再び共振が生ずる。利用共振器の別の共振は、第３図に示されているよう にＮチャネルの外側または２つのチャネルの中間範囲に位置し得る。たとえばプ ッシュプル変調器における使用のようないくつかの使用例では、２つまたはそれ 以上の利用共振器が１つの波長に合わされ得ることも重要である。利用共振器は 、当該のチャネルの光を吸収すること、増幅すること、別の導波路に過結合する ことなどによって、個々のチャネルに波長選択的に影響する。

波長が隣接するチャネルの利用共振器は幾何学的に相並んでいることが好ましい が、このことは差動の仕方にとっては無条件に必要ではない。

多数の応用に対して１つの共振器マトリックスの個々の結合共振器の共振波長は 、たとえば影響すべき搬送波波長の中央に位置する１つの波長に合わされ得る。

いくつかの応用では、個々の結合共振器を種々の波長、たとえばシステム的な仕 方で上昇または下降する波長に合わせることも望ましい。

第２図には、下側の平面内に置かれた結合共振器２２を有する１つの共振器マト リックスとその上に置かれた利用共振器２３の平面との第１の装置２０が示され ている。所望の波長選択は決定的に利用共振器の設定された共振を介して行われ る。

これらの光共振器は、基板にくらべて高められた屈折率により生ぜしめされる基 板２１内に埋め込まれている導波路構造２２および２３と導波路の両端面におけ る反射器２８および２９とにより発生される。

こうして共振器は、端面を鏡面化された誘電体導波路から成っている。これらの 導波路はこの明細書中で、半導体内に移動および（または）固定電荷が存在して おり、従ってまた純粋な非導体でないならば、誘電体導波路と呼ばれ得る。

結合された共振器は下記の原理に従って作動する。１つの共振器がそれに対して 平行に延びている１つの導波路に導波路結合により弱（結合されているならば、 その共振器が共振状態にないならば、その共振器は導波路内の光に非常にわずか しか影響しない。

共振の際にのみ、共振器内を往復して走る部分波が共振器内の構造的干渉により 高い振幅を有する渡場を生ずる。この渡場は部分的に再び平行な４？ａ路内に復 帰結合され、また導波路の場と干渉する。共振の場合には、こうして導波路内に 入射させられた場がほぼ消去され、また反射された波が発生され得る。相応の作 用に２つの平行な共振器の結合が基づいている。

吸収共振器の直列配置に関するドイツ連邦共和国特許出願第Ｐ３２２７６８３． ４号および第Ｐ３２２７６８２．６号明細書によれば、光は上記のように平行に 入射させられるのではなく、鏡により高い良度の共振器から後続の共振器内に結 合される。要求される高い良度に対する共振器は１に近い反射率を有していなけ ればならず、またこのような鏡は伝送されるエネルギーの高い損失を有するので 、後続の共振器内−＼到達すべき非常に多数のエネルギーが失われる。この重大 な欠点を共振器の平行な配置が回避する。

共振器マトリックス内のエネルギーは共振器の鏡面化された端面を通じてではな く、平行に導波路構造を経て個々の共振器内に入射させられるので、すべての前 記の利用および結合共振器２２．２３．２２１．２２２．２３１．２３２が１の 付近の大きい反射率を有し透過されてはならない反射器により鏡面化されている ことは望ましく、不可欠でさえある。種々の図面中に符号２５．２６および２７ を付されている入射および出射導波路のみは鏡面化されている必要はない。しか し、これらの導波路２５．２６または２７はたとえばｉＮ結合器において片側で 高い反射率の鏡により鏡面化されていてよく、または両側でそれほど大きくない 反射率の鏡により鏡面化されていてよく、従ってそれらは利用および結合共振器 と反対に非常に広帯域の共振器のみを形成する。従って、要素２５．２６および ２７はこの明細書中では共振器と呼ばれず、常に入射および出射導波路と呼ばれ る。広帯域の共振器は小さい反射率を有する鏡を有し、従ってそれらにおける伝 送損失は問題にならない。

第２図中の２５のように光を先ず結合共振器の１つの平面内に入射または出射さ せるべき入射および（または）出射導波路は結合共振器２２の平面の外側に、す なわち結合共振器の平面の上または下に配置されていてもよいが、それらは結合 共振器の１つに強く結合されていなければならず、またそれに対してほぼ平行に 延びていなければならない。

個々の共振器の共振波長はそれを形成する導波路の光路により決定されている。

従って、所望の共振波長への共振器の適切な設定は、ｌ　ｏｐで＝ｎＢ（（−１ により決定されている光路１　ａｐｔの相応に設定すべき長さを介して行われる 。ここでｎ　ｅｒｆは位相定数βおよび真空波数ｋにより定義される導波路の実 効屈折率ｎ　ｅｆｆ　＝β／にであり、またｌは共振器の幾何学的長さである。

従って、ｌ　ａｐｔの影響は共振器の幾何学的長さの選択を介して、もしくはそ の実効屈折率を介して行われ得る。共振器マトリックスの共振器を所望の種々の 共振波長に設定する１つの方法は鏡端面２８および２９を互いに適切に斜めに配 置することであり、これは第９図中の角度γおよび（または）φが９０°に等し くない値を占めることにより実現される。共振器２２および２３はそれぞれ他の 共振器長さ１に基づいて種々の共振波長に合わせられており、共振器の各々に対 する共振器長さの相異なる程度は反射器２８および２９の斜め配置から生ずる。

このような合わせ方は技術的に比較的簡単に実現し得る。さらに角度δおよび（ または）では９０°に等しくなくてよい。

共振設定の他の方法は、個々の共振器の実効屈折率ｎ　ｅｆｆを適切に設定する ことである。これはそのつどの導波路の屈折率の適当な選択により、またはその つどの導波路断面の適当な選択により行われ得る。その際、共振器の周囲の屈折 率も考慮に入れられなければならない。

後者では、波長が同一であり、かつ２つの導波路のコアとクラッドとの間の屈折 率跳曜のプロフィルが同一であれば、大きいほうの断面を有する導波路の実効屈 折率は小さいほうの断面を有する導波路の実効屈折率よりも高いという周知の効 果が利用される。

従って、導波路断面および（または）プロフィルの体系的な変化が同じく共振器 の共振波長の相応の変化を生ずる。その際、共振器４１の幅は第４図中のように 、共振器５１の高さは第５図中のように、または導波路６１の幅および高さは第 ６図中のように変化し得る。これらの例では、それぞれ４つの導波路の形状変化 は著しく誇張して示されている。これらの体系的な断面変化の製造許容差に課せ られる要求を可能なかぎりわずかにとどめるため、長く延びている長方形断面を 有する導波路では広い辺の寸法の変化は導波路の実効屈折率のわずかな変化しか 生じないという事実を利用し得る。従って、第７図の例に相応する導波路７１の 配置により非常に正確に実効屈折率、従ってまた共振波長を幅ｂ１〈ｂ２＜ｂ３ ＜ｂ斗の設定により定め得る。もちろん、すべてのこれらの設定方法の組合わせ も考えられる。

また長手方向軸線に対して垂直な共振器内の屈折率分布のいわゆるプロフィルが 共振の設定のために利用され得る。相応に、高いほうの温度における屈折率の初 期の跳躍的な変化の“拡散”によるプロフィルの“ばかし°の効果も利用され得 る。プロフィルの“ぼかし”のための上記の高いほうの温度は、たとえばレーザ ー照射により局部的に加熱し、またこうして個別共振器の１掌の微細さに影響す ることによって、適切に特定の合わせるべき共振器に葉中され得る。

共振器マトリックスの共振波長のこの設定のためには、共振波長が２互いに正し く設定されていること、特に共振波長の相対的間隔が所望の相対的チャネル間隔 に一致していることが必要とされる。所与の）般送波波長ラスターへの全装置の 調整は適当な電子的に１円節された同調メカニズムにより、たとえばパイロット 周波数の利用のもとに行われる。パイロット周波数としては、−緒に伝送される 無変調の搬送波も使用され得る。この同調メカニズＪ３には、たとえばベルチェ 素子による共振器マトリックスの制御された熱膨張またはピエゾ結晶による機械 的な長さ調節が用いられ得る。

以下には、なおいくつかの本発明による共振器マトリックスの実施例を示す。

１、本発明の分岐器としての共振器マトリックス。

本発明の受動的分岐器の原理的構成が第９図に示されている。

共振器マトリックスは３つの平面から成っている。１つの平面は入射導波路２５ を有する結合共振器２２から成っており、別の平面はその共振波長によりどの波 長が第３の平面の特定の出射導波路２６内に過結合されるかを決定する利用共振 器２３から成っている。第９図中の強度ＩＩＩ対Ｉ２１の比は鏡の反射率により 調節され得る。

２、本発明のコレクタとしての共振器マトリックス。

第９図による出射導波路を入射導波路として、また入射導波路を出射導波路とし て利用すると、装置は光学的に可逆的になるので、チャネルの接合の課題が満足 される。

本発明の分岐器としての共振器マトリックスの使用の際のように、装置のすべて の部分はこの場合にも可能なかぎりわずかな減衰を有するべきである。

上記の実施例１および２に対してはなお下記のことも言える。

実施例１による出射のため、または実施例２による入射のため、利用共振器の高 い反射率を少し減じて、たとえば１つの結合された導波路が強度Ｉ１１および１ ２１を直接に共振器２３がら取り出し得るならば、その利用共振器２３を直接に 使用することもできる。この場合、特別な導波路２６の平面は省略され、またこ れらの２つの結合の仕方の中間段階も考えられる。

１Ｎ結合器、たとえば受動的分岐器は二重作動でも使用され得る。すなわち、第 ９図中で導波路２５に到来するチャネル９１が波長選択的に分離され、また導波 路２６内にｒ＋＋およびＩ２１に対して逆方向に入射される波長は導波路２５上 にまとめられ、また９１のように逆方向に走る。このことは他のマトリックス配 置にも当てはまる。

３、本発明の受信器／復調器としての共振器マトリックス。

ドイツ連邦共和国特許第Ｐ３２０５４６１．０−３３号明細書から、高い良度お よび小さい吸収係数を有する共振器内の吸収を高めることの効果は知られている 。共振器が、非常に小さい吸収係数を有し同一の波長において共振器なしでは非 常にわずかな光を吸収するであろう材料を含んでいるならば、共振器はその共１ 辰波長の近傍で主要な光強度をも吸収する。

受信器の場合には共振器はホトダイオードのｐ−ｎ接合の範囲内に位置している 。共振と吸収との関係により、小さい吸収係数を有する共振器を有するこのよう なホトダイオード内の吸収および光検出は非常に狭帯域かつ波長選択的に行われ る。

ドイツ連邦共和国特許出願第３３２９７１９．３号明細書により、集積された平 行な結合された吸収する共振器から成る装置が同じく知られている。ただし、そ こでは１つの平面内に平行に配置されておりかつ強く互いに結合されている結合 共振器の決定的な意義はまだ明らかにされていない。

ドイツ連邦共和国特許出願第３３２９７１９．３号明ｍ書による装置は第８図の ように並び合って位置する結合された共振器５９から成っており、これらの共振 器は単一の平面内に位置し、また鏡５３および５４により鏡面化されている。

平行な共振器に対して斜めに延びていなければならずまたこれらと交わる強度Ｉ ｅの入射光線９１に対する入射導波路５６．５７だけがこの装置内で結合共振器 ５９の平面の外側を延びていてよい。従って、この“古い”装置は技術的な応用 を困難にする下記の短所を有する。共振器および入射導波路の交差は、そこに生 ずるモード変換または交差個所における放射モードの刺激により強い損失を招く 。さらに、第８図の装置はすべての共振器の間の十分なエネルギー輸送に対して 互いに、光を狭帯域で吸収すべきすべての共振器の比較的強い結合を必要とする 。このことは一方では比較的広い吸収共振を、また他方では無結合の共振器に対 して当てはまるであろう共振の不規則なずれを生じさせる。すなわち利用共振器 とジオメトリ−との間に直線的な関係が存在せず、この事実は合わせ方を困難に する。従って、全体として、この装置は少数の共振器を有する応用にのみ適して いる。

それに対して第１０ＥＩＤによる本発明の共振器マトリックス１２０は受信器／ 復調器に対して下記の重要な改善をもたらす。共振器２２および２３は並び合っ て位置するだけでなく、少なくとも２つの平面内に配置されるので、１つの平面 、すなわち強く結合されている結合共振器２２の平面がエネルギー分配のために 利用され、従って弱く結合されておリホトダイオードのｐ−ｎ接合内の光検出の ために利用される利用共振器２３の共振は著しくは広げられない。従来の技術に よる装置およびドイツ連邦共和国特許出願第３３２９７１９．３号明細書くその 特許請求の範囲第１項によれば第８図の吸収共振器５９の間の導波路結合を必要 とすることが明らかである）に記載されている装置と対照的に、本発明による共 振器マトリックスでは、完全に意図的にまた相応の利点をもつ一〇、光を共振器 作用に基づいて波長選択的にまた個々の搬送波に合わされて吸収すべき利用共振 器２３が少なくとも１つの追加的な平面内に、同一の種類の隣接する共振器２３ から遠く離されているように、またこれと導波路結合により結合されていない、 または可能なかぎりわずかに結合されているように配置されている。このことは 一方では吸収の狭帯域性に寄与し、他方では利用共振器２３の共振があたかもそ れらが結合されていないかのようにとどまることに寄与する。

到来する光は単一の入射導波路２５内に入射させられる。

多数の平面の使用は共振器による光の検出の際に初めて後記のように“多重回路 ”の受信器システムの構成をも可能にする。

共振器マトリックスが利用共振器の第２の平面を含んでいれば、第１０図に示さ れているように１つの結合共振器２２に２つの利用共振器２３が結合されていて よい。しかし第１１図に示されているように利用共振器が種々の平面内にずらさ れて配置されている共振器マトリックスも可能である。

結合共振器内に強い相互結合に基づいて高い良度の共振器の吸収を高める作用が 生じない、または非常にわずかしか生じないので、阻止方向の極性のホトダイオ ードの空間電荷領域は結合共振器の平面をも含むことができる。しかし、いずれ の場合にもホトダイオードの空間電荷領域は利用共振器に関して、そこで波長選 択性の光吸収が行われるので、その波長的に付属の利用共振器のみを含んでいな ければならない。

受信器内で復調が公知のヘテロゲインまたはホモダイン法により実行されるべき であれば、各受信チャネルに付属の搬送波が供給されなければならない。これは たとえば、無変調の搬送波が第１２図のように変調チャネルと異なる側から入射 導波路２５に供給されることにより、または第１３図のように前置結合器３３、 好ましくは３ｄＢ結合器を通じて供給されることにより行われ得る。無変調の搬 送波の波長選択性の分離は再び利用共振器内で行われる。

電気信号のその伯の処理は従来の技術に従って、使用される変調形式、すなわち たとえば振幅、周波数、位相変調などに応じて行われる。そのために必要とされ る電子デバイスは受信器／復調器−共振器マトリフクスと同一の半導体材料上に 集積され得る。

４、本発明の変調器としての共振器マトリックス。

第１４図による別の共振器マトリックス２２０は久方信号Ｉｅの多数の、またす べてのチャネルの変調のために使用され得る。前記のように、１つの共振器マト リックスから成る変調器はその原理により１つの幾何学的配置内で下記の課題を 満足する。

一多数の搬送波の分離 一互いに無関係な個々の搬送波の変調 −被装ｉＦｌ！搬送波の接合 第１４図はただ２つの平面を含んでいるが、この配置においても第１０図または 第１１図のように３つの平面を含むことも考えられる。

以下では変調器−共振器マトリックスの作動方法を説明する。全装置の特性は波 長に関係する反射および透過の曲線により説明され得る。ＴおよびＲはそれぞれ 入射エネルギーを基準にして透過されるエネルギーおよび反射されるエネルギー を意味する。ＴおよびＲは原理的に両方とも利用可能な装置の出力信号である。

変調は透過および反射曲線の、個々の搬送波の近傍にのみ位置する波長選択性の 影響により実現される。個々の利用共振器２３におけるパラメータ変化は個々の チャネルに影響すべきである。

個々の搬送波の強度および（または）位相変調に通じ得るパラメータ変化として は下記の変化が利用可能である。

−たとえばｐ−ｎ接合による電荷担体注入による利用共振器内の吸収の変化。

−たとえば電気−光学的効果、電荷担体注入による利用共振器内の共振波長シフ ト。

−たとえば電気−光学的効果による結合共振器への利用共振器の結合の変化。

第１５図、第１６図、第１７図、第１８図には、３つの利用共振器の一例により 透過および反射曲線ＴおよびＲへの利用共振器内の吸収上昇の原理的作用が示さ れている。αはそれぞれ吸収係数を示す。第１５図：結合共振器の透過および反 射、利用共振器の結合無視可能。第１６図：透過および反射、３つの結合された 利用共振器、３つの利用共振器内でα？ ＝　１００研。第１７ｔａ：ｉ３過および反射、３つの結合された利用共振器、 ３つの利用共振器内でα−１０００−４゜第１８図二透過および反射、３つの結 合された利用共振器、第１および第３利用共振器内でα−１００菰、第２利用共 振器内で第１５図から第１６図への移行は全透過または反射への３つの利用共振 器の変更された結合の影響をも示す。

変調の第３の形態、利用共振器の共振集積回路の変更はたとえば第１６図中で利 用共振を搬送波にくらべてシフトさせる。

利用共振器内の前記の吸収の変更は特に容易に実現し得る。

各利用共振器がｐ−ｎ接合を有するダイオードとして構成されているならば、ダ イオード導通電流または阻止電圧の設定により利用共振器内の自由な電荷担体の 数を制御し、従ってまた吸収の高さを決定し得る。自由な電荷担体の注入または 吸い出しは屈折率の変化、従ってまた光路長さの変化を生じさせる。両効果のい ずれが優勢かは、使用される材料に関係する。印加されるダイオード電圧の直流 電圧成分により動作点の設定、従ってまた所望の共振波長の設定が行われ、また 電気的変調信号の重畳交流成分により変調が行われる。

その他の点では、第９図の本発明の別の上記の１−Ｎ結合器の利用共振器２３の 相応のパラメータを変更すれば、出射導波路２６内への過結合はこれらのパラメ ータにも関係するので、変調を達成し得る。しかし、この例では、光は単に分離 されまたは単にまとめられまた変調される。

２つの利用共振器が同一のチャネル、すなわち同一の波長に合わされているなら ば、また両作動状態ａ）第１の利用共振器、高い吸収 第２の利用共振器、わずかな吸収 およびそれと反対に ｂ）第１の利用共振器、わずかな吸収 箱２の利用共振器、高い吸収 を比較すれば、当該のチャネルが両作動状態で出力信号中に同一゛ｊ辰幅を有す ることが確かめられる。しかし、光路は両作動状態で相異なっているので、出力 信号の位相は変化する。

すなわち、この場合、専ら位相が変調され、それに応じてプッシュプル位相変調 器と呼ばれる変調を達成し得る。

類似の効果を達成するための第２の方法は下記のとおりである。たとえば変更可 能な吸収を有する１−Ｎ結合器を利用して、１つのチャネルを選択的に２つの異 なる出力導波路に接続し、これらの出力導波路が信号を相異なる光路を経て第２ の１−Ｎ結合器に導き、この第２のｉＮ結合器が信号を再び１つの導波路上にま とめるように構成することである。

再び出力信号は同一の振幅ををするが、どの導波路上で両】〜Ｎ結合器の間の光 路を進んだかに応じて、またはどの比率で光エネルギーが両導波路上に分配され たかに応じて、相異なる位相を有する。

５、本発明の中間増幅器としての共振器マトリックス。

中間増幅器として使用される共振器マトリックスはたとえば第１０図、第１１図 または第１２図の形態を有する。しかし、利用共振器２３はこの応用では、レー ザーの発振条件を満足しない、すなわち作動中は確かに反転された半導体材料を 含んでいるが、外からの追加的な影響なしにはレーザー光を放射しないレーザー として構成されている。光が外から入射させられて初めて、誘導放射により入射 させられた波が増幅される。

は直接的半導体を必要とする。ここで指摘したいことは、いわゆる“超格子”が 製造されるならば、すなわちたとえば原子領域の厚みのゲルマニウムおよびシリ コンの層が単結晶中で周期的に相続いているならば、間接的半導体が直接的半導 体になり得ることである（文献（３）参照）。

もちろんはるかに簡単に構成されているすべてのチャネルに対して共通に、線形 増幅器にくらべて、この装置は、種々の波長が場所的に装置の種々の領域で増幅 される、すなわち種々の波長の相互影響がはるかに少なく可能であるという利点 を有する。また、この共＠器マトリックスは、種々の利用共振器内への注入電流 、従ってまた個々の利用共振器の増幅を電気的変調信号に関係して制御すること によって、光学的チャネルの変調のために利用され得る。

この装置は、全体はレーザー増幅器の増幅帯域よりも広い部分的に変調された周 波数帯域の増幅をも可能にする。この相異なる材料はたとえば種々の超格子構造 を有する５ｉｘＧｅｌ−Ｘ超格子により実現され得る。

共振器マトリックスのこれまでに挙げた例の作動方法は、個々の利用共振器が、 他の結合共振器が可能なかぎりわずかに結合されておりまたは結合されていない 結合共振器にのみ結合されていることに基づいている。第９図のｉＮ結合器にお ける第３の平面は狭帯域の利用共振器２３から成っておらず、この平面の導波路 はむしろ出射導波路としての役割をする。従って、これまでの例は１回路フィル タと呼ばれ得る。

ここで強調されるフィルタ作用は１つの共振器マトリックスにおいて共振器装五 の構造、すなわち個々の共振器の光学的結合の前記の種類および仕方に基づいて いる。すなわち、フィルタ作用は電気的または電子的なフィルタ作用の作動方法 に基づいていない。フィルタおよびフィルタ伝達関数はもちろん非常に多数の種 々の仕方で、たとえば上記の電気的／電子的フィルタにより実現され得る。しか し、本発明の対象は光学的フィルタを実現するだめの光学的共振器である。共振 器マトリックスから得られる電気信号は場合によっては追加的に電気的／電子的 フィルタ回路によりその後の処理をされ得るが、これは公知の技術により行われ 、また電気的／電子的フィルタ回路が共振器マトリックスと一緒に１つの半導体 基板上に集積され得る場合にのみ本発明の対象である。

２つのチャネルの間の漏話減衰は第１９図中の共振器マトリックス５２０により 、そのつどの利用共振器２３１に同一の共振波長の第２の利用共振器２３２が結 合され、またこの第２の利用共振器２３２の信号が光に影響を与えるため、たと えば吸収するために利用されることによって、顕著に改善され得る。この場合に は２回路フィルタと、または拡張された配置では多回路フィルタと呼ばれ得る。

また、受信器／復調器は第１９図の形態を有する。ホトダイオードは利用共振器 の第２の平面内の光のみを検出し得る。

多重回路の中間増幅器はたとえば同しく第１９図の形態を有するが、この場合に は吸収ホトダイオードは光学的に能動的な材料により置換されなければならない 。

ＩＮ結合器はたとえば２回路の構成で第２０図の形態６２０を有する。本発明の 分岐器としての共振器マトリックスまたは本発明のコレクタとしての共振器マト リックスの場合のように、出射のためにこの場合にも相応に利用共振器２３２に 、これらの利用共振器の鏡の反射率を少し減じて、直接に結合され得る。

多重回路変弱器７２０は結合共振器２２１の第１の平面に対して追加的に結合共 振器２２２の別の平面を第２１図による光に対する集合平面として必要とする。

２回路の変調器に対する別の可能な構成は第１に２回路の１−Ｎ結合器、たとえ ば第２０図の装置６２０を含んでいる。第１の共振器マトリックスは分岐器とし て、第２の共振器マトリックスはコレクタとして作用し、その際に両者は導波路 ２６により接続されている。分岐器の１つの利用共振器平面のパラメータの制御 はこの組合わされた装置内で個々のチャネルの変調の際に利用され得る。

たとえば第２０図中に重なって位置する利用共振器２３１．２３２は、正なり合 って結合されておらずまたは少なくとも可能なかぎりわずかに結合されておりま たこの例では２つの利用共振器を含んでいる利用共振器群を形成する。利用共振 器群という概念を一般化して、他の利用共振器と結合されておらずまたは可能な かぎり結合されていないたとえば第２図中の個別利用共振器２３をも、ただ１つ の要素を含んでいる１つの利用共振器群と呼ぶことができる。

共振器マトリックスの基本材料としては、種々の応用で必要とされるｐ−ｎ接合 を共振器マトリックス内に実現し、また同一の半導体チップ上に補足すべき電子 デバイス、たとえば受信信号に対する電子的再生器回路を集積することを可能に する半導体材料が用いられる。同一の半導体基板上に、光学的に第１の共振器マ トリックスと無関係に動作する第２の共振器マトリックスを集積することは有意 義である。たとえば再生器では１つの基板上に第１に本発明の受信器／復調器が 、第２にクロック回復を含む電子的再生器回路が、また第３に増幅されただしま だ変調されていない搬送波に対する変調器が集積され得る。もちろん１つの基板 上に、たとえば多数の無関係なｔＪｉｌ送波システムに対して光学的に無関係で あり、もしくは光学的に直列に配置されている多数の共振器マトリックス、たと えばチャネルの同時分離および変調のための本発明の多重回路のｉＮ結合器とチ ャネルの接合のための本発明の続く１−Ｎ結合器とが集積されていてよい。

補足すべき電子デバイスの別の非常に重要な例は、受信器／復調器−共振器７ト リックスと同一の半導体基板の上に集積されていてよい亀子的交換機回路である 。第２２図には、このような装置が原理的に示されている。被変調用送波および 復調方法に応じて増幅された無変調１般送波は電気−光学的半導体回路にガラス ファイバ１６を経て供給される。受信器／復調器−共振器マトリックス、たとえ ばマトリックス１２０内で光学的信号が波長選択的に分離され、また電気信号に 変換される。−緒に集積された電子的交換機回路８２により、これらの信号は選 択的に種々の電気出力線上に与えられ得る。これらの出力線は束ねられて、また は個々に種々の終端受信器に、または同一の基板上に集積されていてよく電気信 号を再び光学的信号に変換する別の回路または共振器マトリックスに供給され得 る。後者の方法により、搬送波システムのチャネルの情報を任意に別の搬送波シ ステムの他のチャネルに分配することが可能である。第２３図中で、到来するガ ラスファイバ導波路１６１および１６２がたとえば各々１ｏチヤネルを有するな らば、個々のチャネルの情報は選択的にたとえば各々１０チヤネルを有するガラ スファイバ導波路１６３．１６４または１６５上に交換され得る。

その他の点では、チャネルの光学的交換も可能である。たとえば、第２４図によ る共振器構造が使用され得る。この共振器構造は結合共振器２２１を有する第１ の平面とならんで結合共振器２２２を有する第２の平面を含んでいる。第１の結 合共振器２２１はエネルギーを分配する課題を、第２の結合共振器２２２はここ ではエネルギーを集めかつ出射導波路を経て導き出す課題を有する。利用共振器 ２３は、変調のところで述べたものと同一のパラメータ変化により選択的にチャ ネルを波長選択的に第１の結合共振器２２１から第２の結合共振器２２２へ過結 合する課題を有する。これらの要素を有する１つの可能な交換機回路が第２５図 に示されている。

共振器マトリックスの幾何学的な大きさの一例は下記のとおりである。共振器に 対してはｎ　＝　０．２４の屈折率跳曜において約１μｍの側辺長さの正方形ま たはほぼ正方形の導波路が選択される。

共振器の典型的な長さは鏡層なしで５０μｍと１５０μｍとの間である。１つの 結合共振器２２から隣接する別の結合共振器２２まで、および１つの結合共振器 ２２から第１の利用共振器２３１まで、および第１の利用共振器２３１から第２ の利用共振器２３２までの間隔、たとえば第１９図参照、はこの例では、そのつ どの結合がたとえば１　：０．０３３　：ｏ、ｏｏ３となるように選定される。

しかし結合は共振器から共振器への間隔が大きくなると共に指数関数的に減少す るので、間隔はこの例では１　：　５．．３　：　８．３のようになる。共振器 マトリックスの構造例を示す本明細書中のすべての図面は正しい寸法では描かれ ていない。特に共振器の間隔は上記の例に類似してその比率に相応して陥がれて おらず、またたいていの例では電気導線および必要とされるｐ−ｎ接合も記入さ れていない。加えて、以下に、その機能のためにｐ−ｎ接合を必要とするすべて の共振器構造に共通のいくつかの例をあげる。

共振器マトリックスに対する構造例を有する図面は構造を例として示すものであ る。明記されていない場合にも、２つの平面および多数の平面への拡張も行われ 得るし、並び合って位置する共振器の数の変更、特に増大も行われ得る。結合共 振器平面内の入射および（または）出射導波路の位置も例示に過ぎない。共振器 マトリックスの機能は、例のなかで“上”および“下”を交換する場合および（ または）全装置をたとえば９０’の角度だけ回転する場合にも引き続き得られる 。

その機能のためにｐ−ｎ接合を必要としない共振器マトリックス、たとえば本発 明の１：Ｎ結合器はガラス状の基板の上に実現され得る。

共振器マトリックスの構造の例に従って、例として復調器および例としてシリコ ンおよびゲルマニウムの材料組合わせの多数の平面内の共振器マトリックスの製 造について説明する。この材料組合わせは、シリコン基板上に１つまだは多数の 共振器マトリックス、他の電気−光学的装置および（または）補足すべき電子デ バイスが集積され得るという利点をも有する。これは、たとえば、付属の鏡を有 する共振器マトリックスが集積回路の最後の工程として、適当にドープされたＳ ｔおよび５ｉｘＧｅｌ−ｘ層が通常の仕方で、すなわちたとえば１１００’Ｃに おける“熱”拡散により製造された回路の上に“冷”エピタキシーにより、すな わちたとえば約６００°ＣでのＭＢＥにより被覆されることによって製造される ことにより行われ得る。

最初にいくつかの材料データを示す。ｎは屈折率である。

基本材料：Ｓｉ：ｎｓ＋＃３．６〜３．４　１μｍ＜λ＜２．ｃ＋ｍＧｅ：ｎ（ 、＠＝５　〜４．２　１μｍ＜λ＜２ｐｍ導波路：　５ｉｘＧｅｌ−ｘ：ｎ（， ６＞ｎｘ＞ｎｓ１鏡Ｎ：　５ｉ０２：ｎ＝１．６〜１．４混合物５ｉｘＧｅｌ− ｘ　Ｑ≦Ｘ≦１は混合物のバンド間隔および屈折率が純材料ＳｔおよびＧｅの相 応の値の中間の値をとるという特性を有する。混合物の屈折率は純ＳｉおよびＧ ｅの屈折率よりも大きく、またバンドエツジの範囲内の波長に関係する吸収係数 の分布は大きいほうの波長にずらされ、その際に波長にわたる原理的な分布は変 わらない。すなわち、大きいほうの波長に平行なずれが生じる（文献（４）、（ ５）、（６）、（７）参照）。

混合物５ｉｘＧｅ＋−ｘはたとえばλ−１，３μｍの近傍でλ−１．１μｍの近 傍における純Ｓｉと同一の吸収特性を有し、また屈折率はλ＝１．３μｍにおい てΔｎ　＃０．２４だけ純Ｓｉに（らべて高い。

混合比率Ｘの選定は、吸収を波長に関係して設定することを可能にする。同時に Ｇｅ成分に応じて多かれ少なかれ良好に導波する導波路が得られる。

単結晶としてのＳｉ）（Ｃｒｅｗ−）（の製造はたとえば分子線エピタキシー（ ＭＢＥ）により行われる（文献（８）参照）。

共振器マトリックスの製造はたとえば下記の工程工ないし８で行われ、その結果 としてたとえば第３４図中に示されているよ・うに基板２１上に“載せられた” 共振器マトリックス９２０が得られる。製造工程１ないし８に関する第２６０な いし第３１図中には共振器マトリックスのすべての構造例中と同じく基板２１の ごく小さい断片が記入されている。共振器マトリックスの製造を開始する以前に 、基板は既に、第３４図中に記入されているように、集積された電子デバイスを 有する１つまたは多数の範囲１０５および（または）たとえば共振器平面の外側 に置かれた入射導波路２５およびヘテロダインまたはホモダイン変調における無 変調搬送波の付加のための結合器３３のような光学的要素を含んでいてよい。集 積された光学的または電気−光学的モジュール１０２０への、またはそれからの 光通信技術の波長の光の入射または出射は公知の技術により、たとえばプリズム 結合器により、またはたとえば集積された導波路、たとえば２５、に当接するガ ラスファイバに対する案内溝１０９により行われる。同一のモジュール１０２０ 上に１つまたは多数の追加的な共振器マトリックスが並列な作業工程で集積され 得る。

１、ダイオードの“下側”の接触部９２をたとえば第２６図中のような基板２１ のｐドーピングにより製造する。

２、真性導電性Ｓｔの多数のμｍ厚みの層９５をＭＢＥにより第２７図中のよう に被覆する。

３．５ｊｔｆ先エツチングによる“シャフト”をエツチングする、（文献（９） 、αω参照）。その際に場合によっては、後でこのシャフト内に形成される共振 器の所望の共振波長を設定するためシャフトが種々の幅にされていてよい。エツ チング平面として“正しい”結晶平面を選定する際にＳｉ優先エツチングは、後 で導波路１９６の側方境界を形成する弗素に平らなエツチング面を保証する。そ れにより導波路内の漏れ損失が最小に減ぜられる。

４、導波路９７に対する純５ｉ９８および５ｉｘＧｅＩ−）＜９９により交互に 第２９図のようにＭＢＥにより“シャフト”９６を満たす。その際に場合によっ ては、共１辰器内の所望の共振波長を設定するため、５ｉ）（Ｇｅｌ−）（９９ により形成される導波路の高さが種々の大きさに選定される。その際、導波路層 の幾何学的間隔は、要求される強い結合、弱い結合および可能なかぎりわずかな 結合が生ずるように選定されていなければならない。

５、第３０図のように、純Ｓｉから成る覆い層および上側接触部９３、この例で はｎ伝導性、を被覆する。

６、第３１図のように、正しい長さおよび所望の幅への切断はたとえば異方性ま たは機械的加工により行われる。その際に場合によっては、反射器面の傾斜によ り共振器を所望の共振波長間隔に設定するため、角度γまたはφまたはδまたは τは９０°でなくてよい。

７、端面１０２および１０３上に鏡層を被覆する、たとえば交互に５ｉ０２およ びＳｉ。これらの両材料は大きな屈折率跳ＬＨを有する。しかし、光学的応用か ら公知のすべての他の材料も使用可能である。製造上、１つの側の鏡面化がこの 側のすべての共振器の鏡面化を形成し得ることは有利である。個々の導波路のみ は光の出射および（または）入射のために鏡面化せずにとどめるべきである。鏡 製造の別の方法は、鏡層を優先エツチングにより先ず“シャフト″として実現し 、それらをその後の作業工程で適当な材料、たとえばＳ　ｉ　Ｏ２により満たす 方法である。某通に端面上に被覆された反射器の代わりに、共振器を形成する個 々の導波路内に内蔵された光通信技術から公知のグレーティング反射器またはグ レーティングに類似の構造も使用され得る。後者は誘電性鏡とグレーティング反 射器との間の中間形態と解される。

８、製造すべき共振器マトリックスがたとえば導波路２５を含む基板平面の外側 に位置する入射および（または）出射導波路を含んでいる場合には、基板１１０ の部分は利用および結合共振器に対する鏡製造後に、これらの入射および（また は）出射導波路を収容するため、第３５図中のようにたとえばＭＢＥにより再び 高められ得る。

工程工ないし８は基本的な製造工程のみを列挙するものである。

実際にはホトエツチング層、エツチング停止層などの被覆のような中間工程が必 要とされる。

製造または構造の考えられる変形は下記のとおりである。

−３ｉ中に薄い膜または舌状の構造を製造し得る（文献αＢ参照）。

これは上記の工程中で工程２を不要とする。なぜならば、下側の接触部９２が膜 または舌の下側に被覆され得るからである。

ただし、続いて膜が機械的に安定化されなければならない。

−第３１図の構造中で下側接触部９２または上側接触部９３は平らにかつ非梯子 状に構成されていてよい。

−２つまたは多数の種々の梯子状の接触部９２は電気的に接続されていてよい。

これは接触部９３にも当てはまる。

−接触部またはｐ−ｎ屓９２および９３は第３２図中のように利用共振器の間に 同じくシャフト内に被覆され得る。それにより工程１および２および部分的に工 程５が省略され得る。

−接触部は第３３図中のようにＵ字状に構成されていてよい。

−平らに構成された接触部９３から、下側接触部９２および場合によっては集積 された電子デバイス１０５を含む平面への電気的“接続”はたとえば、第３４図 中に示されているように、エツチングされた“シャフト′をｎ伝導性の材料で満 たすことにより行われ得る。

一材料の成長および作業工程２．３および４のシャフトのエツチングおよび充満 は多数の相続く工程で平面ごとに行われ得る。

それにより深過ぎるシャフトのエツチングおよび充満が回避される。

一基板上に製造工程２の代わりに、第３６図中に示されているように、真性導電 性のＳｉだけでなく、多数の相続く屓Ｓｉ、５ｉｙＧｅ＋−ｘが成長され得る。

続いて、再びシャフトがこの構造内に、第３６図中に示されているように、エツ チングされ得る。続いて、これらのシャフトが、導波路コア領域の間の領域を形 成しまた必ずしも単結晶である必要はない適当な屈折率を有する材料により満た される。また材料の成長およびシャフトのエツチングおよび充満は多数の工程で 行われ得る。これらの工程の各々は製造すべき共振器マトリックスのただ１つの 平面またはいくつかの平面を含んでいる。

−第３４図中の共振器マトリックス９２０の“ブロック”はすべての側に自由に エツチングされる必要はない。基本的に端面１０２および１０３のみが鏡面化に 対して露出されていればよい。

−第２７図の断面を有する純Ｓｉのみ、もしくは第３６図の断面を有する層構造 を含んでいる基板２１のなかに、第３８図に示されているように、２つの互いに 平行な平面または所定の角度をなす平面を形成する２つの向かい合う面１２８お よび１２９を有する“孔”１３１がエツチングされ得る。これらの面は共振器マ トリックスの前側１０２および後側１０３を形成し、また反射器層の被覆により 鏡面化される。エツチングされた“孔”１３１が十分に大きいならば、等方性エ ツチングプロセスで生ずるような丸められた隅（第３９図参照）も妨げとならな い。

なぜならば、面１２８および１２９の平らなまたはほぼ平らな部分面のみが共振 器７１−ワックスに対して利用されるからである。面１２８および１２９の上に 被覆される第１の鏡層は、異方性エツチングにより侵されない材料から成ってい ることが好ましい。鏡面化の後に中間領域１０６内にシャフトがエツチングされ 、また前記の製造方法に従って満たされる。

−共振器マトリックスの鏡面の１つに対して外面２２８および２２９が利用され 得る。こうして簡単な仕方で１つの基板の上に多数の共振器マトリックスが種々 の領域１０６内に集積され得る（たとえば第３９図参照）。

一シャフトのエツチングおよび類似の他の製造工程はこれまでの例では種々の共 振器平面に対して垂直に行われた。上記の製造工程は、９０°だけ回転された基 板内では第４０図のように共振器平面に対して平行にも行われ得る。

相応の製造工程によりすべての他のマトリックス構造、特に多数の共１辰器平面 を有するマトリックス構造も製造され得る。特に指摘すべきこととして、半導体 テクノロジーの豊富な公知の方法がもちろん、本質的な発明的な活動を必要とせ ずに、選択に従って本発明による対象物の製造のために使用され得る。

共振器が正確に重なり合って位置する共振器マトリックスに対するすべての他の 示された例と異なって、第４１図による利用共振器２３および２３１は結合共振 器２２の間にずらされて配置されていてもよく、かつ（または）２つの隣接平面 の２つの弱く結合された利用共振器２３１および２３２がずらされて配置されて いてもよい。共振器２２により定められる第４２図による１つの結合共振器平面 は平面の一方および（または）他方の端に利用共振器２３．２３１．２３２の平 面を含んでいてよい。

たとえば１つの共振器マトリックスと同一の基板の上に集積され得る（ただし共 振器マトリックスの共振器の作動方法に影響しない）追加的な導波路または共振 器のような別の光学的要素が任意に基板の上に配置され得る。

結合共振器または利用共振器という名称のもとに群にまとめられた光学的共振器 の集積の幾何学的形態は平面内の配置に制限されない。従って、平面という用語 の意味についても最後に言及すべきである。この用語は以前には、トポロジー的 関係を記述するためにのみ用いられた。幾何学的図形としての平面から非常に外 れるのに原理的な困難は存在しない。前に述べたように、機能面からは本質的に 平行かつ好ましくは横モードの導波路−共振器の間の結合の大きさだけが問題と なる。これらの結合は共振器の間に、幾何学的にさまざまな仕方でまた技術的に 事情によっては好ましくは平面内の配置により実現され得る本発明による関係を 形成する。

スー紋 （１）第６回国際レーザ会議議事録８３．第４２５頁１エム・ベルナー著「技術 におけるオプトエレクトロエックス」ウェー・ワイトリフヒ、シュプリンガー出 版 （２）サージ・リュリー、アレキサングー・カスタルスキー、ジョーン・シー・ ビーン著「シリコンチップ上の新しい赤外線検出器」米国電気電子学会雑誌電子 デバイス編イー・ディー３１．１９８４．第１１３５頁 （３）ドイツ連邦共和国特許出願箱Ｐ２１３９４３６．５−３３号明細書 （４）ランドルト・ベルンシュクイン　■、６．第６，５頁（５）ランドルト・ ベルンシュタイン　Ｉ、４．第８８９頁（６）ランドルト・ベルンシュタイン（ 新シリーズ）　ｎＩ　、　１７ａ、第４４９頁 （７）ランドルト・ベルンシュタイン　Ｉ　、８．５２８２２１２（８）イー・ カスパー、グー・ウニルナ−著「集積回路用のＳｉ−ＭＢＨの応用」第２回ＶＬ ＳＩ科学技術国際シンポジウム、シンシナソチ、　１９８４．第４２９頁 （９）グー・イー・ピータ−セン著「機械的材料としてのシリコン」米国電気電 子学会議下録第７０巻、第５号、１９８２　、第４２０頁 （１０）エヌ・トサシタほか著ｒ　（１１０）　Ｓｉの異方性エツチングおよび シャドウィング技術を用いるＸ線マスクの製造」真空科学技術雑誌、１９　（４ ）　、　１９８１　、第１２１１頁（１１）ＢＭＦＴ研究報告　Ｔ　８３−０８ ９（１２）エッチ・ダンマン、エッチ・シュミット、ジー・シュミンツ著「フォ ームバイレフリンジエント・トップ層を有する導波路アイソレータの設計および 解析」イー・シー・オー・シー８４．第４２頁 ＦＩＧ　４　ＦＩＧ　５ ＩＧ　１０ ８２・ｔ）鯵灸 ＩＧ３８ 国際調査報告 ＡＮＮ三：＜　Ｔｏ　’ＬＨＥ　ＩＮＴ三ＲＮＡＴｒＯＮＡＩ−Ｓミニ、ＲＣＨ Ｒ三ＦＯＲＴ　ＯＮＥ？−Ａ−０１１８５７７１９１０９／８４　Ｎｏｎｅに３ −Ａ−２１０５８６３３０１０３／８３　ＭｏｄｅＤ三−Ａ−３２２７６８２０ ２１０２／８４　ＮｏｎｅＵＳ−、！１−４１９８１Ｌ５　１５１０４／８０　 ＮｏｈｅＤＥ−Ａ−３３２９７１９０７１０３／８５　Ｎｏｎｅ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）主に値１に近い高い反射率の反射器を有する端において鏡面化されており、 また反射器の間の長手方向長さがそれに対して垂直な横寸法よりも大きい誘電体 導波路から成る光共振器の装置において、すべての光共振器が１つの基板の上に 共振器マトリックスと呼ばれるマトリックス状配置に、共振器の２つの種類が区 別され得るように集積されており、第１の種類の共振器は重なり合って強く結合 されており、また結合共振器（２２、２２１、２２２）として作用し、他方にお いて第２の種類の共振器は波長選択性の利用共振器（２３、２３１、２３２）と して作用し、また重なり合ってまたは第１の種類の共振器に、第１の種類の共振 器の間の結合と比較して弱く結合されており、また重なり合って結合されておら ずまたは可能なかぎりわずかに結合されている少なくとも２つの利用共振器群を 形成し、また１つの利用共振器群が１つまたはそれ以上の利用共振器を含んでい ることを特徴とする光共振器の装置。 ２）すべての共振器がそれらの長手方向軸線方向によりほぼ互いに平行している ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の共振器マトリックス。 ３）すべての光共振器がほぼ平行に少なくとも２つの平面内で１つの基板の上に マトリックス状配置に集積されており、少なくとも１つの平面の共振器が主に強 く重なり合って結合されており、またこうして、利用共振器（２３、２３１、２ ３２）として動作し得る結合共振器平面の一端および（または）他端における複 数個の共振器を例外として、結合共振器（２２、２２１、２２２）として作用し 、また少なくとも１つの他の少なくともほぼ結合共振器平面に対して平行な平面 の共振器が重なり合って結合されておらず、または可能なかぎりわずかに結合さ れており、またこうして互いに実際上無関係な波長選択性の利用共振器（２３、 ２３１、２３２）として作用し、他方において２つの異なる平面の共振器の間の 結合が重なり合う結合共振器の結合と比較して主に弱いことを特徴とする請求の 範囲第１項または第２項記載の共振器マトリックス。 ４）光信号が単一の入射および出射導波路（２７）を介して入射かつ出射させら れることを特徴とする請求の範囲第１項ないし第３項のいずれしか１項に記載の 共振器マトリックス。 ５）光信号が単一の入射導波路（２５）を介して入射させられ、また重なり合っ て可能なかぎり結合されていない複数個の出射導波路（２７）を介して波長選択 的に出射させられることを特徴とする請求の範囲第１項ないし第３項のいずれか １項に記載の共振器マトリックス。 ６）光信号が重なり合って可能なかぎり結合されていない複数個の入射導波路を 介して入射させられ、また単一の出射導波路を介して出射させられることを特徴 とする請求の範囲第１項ないし第３項のいずれか１項に記載の共振器マトリック ス。 ７）同一の基板の上に１つの広帯域の結合器が集積されており、それにより入射 導波路（２５）内へ追加的な波長帯が入射させられ得ることを特徴とする請求の 範囲第１項ないし第６項のいずれか１項に記載の共振器マトリックス。 ８）１つの平面のすべての共振器が利用共振器もしくは結合共振器であることを 特徴とする請求の範囲第１項ないし第７項のいずれか１項に記載の共振器マトリ ックス。 ９）基板が半導体であることを特徴とする請求の範囲第１項ないし第８項のいず れか１項に記載の共振器マトリックス。 １０）共振器マトリックスの少なくとも一部分の材料がガラス状であることを特 徴とする請求の範囲第１項ないし第９項のいずれか１項に記載の共振器マトリッ クス。 １１）半導体基板の上に追加的に電子回路が集積されていることを特徴とする請 求の範囲第１項ないし第１０項のいずれか１項に記載の共振器マトリックス。 １２）基板の上に別の光学的要素、特に空間的に分離した別の共振器マトリック スが集積されていることを特徴とする請求の範囲第１項ないし第１１項のいずれ か１項に記載の共振器マトリックス。 １３）少なくとも１つの利用共振器がｐ−ｎ接合の範囲内に位置し、またこの利 用共振器の特性に共振器マトリックスの群内で前記ｐ−ｎ接合を介して電気的に アクセスすることを可能にする回路手段が設けられていることを特徴とする請求 の範囲第１項ないし第１２項のいずれか１項に記載の共振器マトリックス。 １４）少なくとも１つの利用共振器の材料が吸収を有さず、または可能なかぎり 小さい吸収を有することを特徴とする請求の範囲第１項ないし第１３項のいずれ か１項に記載の共振器マトリックス。 １５）少なくとも１つの利用共振器の材料が、１つの共振器内で吸収上昇の効果 のために必要とされるような吸収を有することを特徴とする請求の範囲第１項な いし第１４項のいずれか１項に記載の共振器マトリックス。 １６）少なくとも１つの利用共振器の材料がレーザー能力を有する物質であるこ とを特徴とする請求の範囲第１項ないし第１５項のいずれか１項に記載の共振器 マトリックス。 １７）共振器マトリックスの少なくとも一部分の材料が電気−光学的効果を有す ることを特徴とする請求の範囲第１項ないし第１６項のいずれか１項に記載の共 振器マトリックス。 １８）基板材料がシリコンであり、また高められた屈折率を有する導波路コア材 料が混合物ＳｉｘＧｅ１−ｘから成っていることを特徴とする請求の範囲第１項 ないし第１７項のいずれか１項に記載の共振器マトリックス。 １９）利用共振器に属する接続電極が、複数個の共振器に対する電気的制御信号 が１つの共通の電極に与えられるように互いに接続されていることを特徴とする 請求の範囲第１項ないし第１８項のいずれか１項に記載の共振器マトリックス。 ２０）個々の共振器の反射器（２８、２９）がそれぞれ共振器の一端において１ つの共通の鏡にまとめられていることを特徴とする請求の範囲第１項ないし第１ ９項のいずれか１項に記載の共振器マトリックス。 ２１）共振器が少なくともそのそれぞれ一端に、他の共振器の鏡から隔てられて いる鏡を有することを特徴とする請求の範囲第１項ないし第２０項のいずれか１ 項に記載の共振器マトリックス。 ２２）共振器の互いに向かい合う反射面（２８、２９）が２つの斜めに向かい合 って配置された面を形成することを特徴とする請求の範囲第１項ないし第２１項 のいずれか１項に記載の共振器マトリックス。 ２３）共振器の互いに向かい合う反射面（２８、２９）が、向かい合って可能な かぎり平行に配置されている２つの面を形成することを特徴とする請求の範囲第 １項ないし第２２項のいずれか１項に記載の共振器マトリックス。 ２４）少なくとも１つの共振器が他の共振器に比較して横断面にわたり他の形態 の屈折率分布を有することを特徴とする請求の範囲第１項ないし第２３項のいず れか１項に記載の共振器マトリックス。 ２５）光を案内する役割をする導波路側面が少なくとも部分的に、シャフトのエ ッチングにより製造された面（１９６）により形成されることを特徴とする請求 の範囲第１項ないし第２４項のいずれか１項に記載の共振器マトリックス。 ２６）光を案内する役割をする導波路側面が少なくとも部分的に、シャフトの異 方性エッチングにより製作された面（１９６）により形成されることを特徴とす る請求の範囲第１項ないし第２５項のいずれか１項に記載の共振器マトリックス 。 ２７）個々の共振器の反射器が少なくとも一端において複数個の光学的な相異な って屈折する層の被覆により生ずることを特徴とする請求の範囲第１項ないし第 ２６項のいずれか１項に記載の共振器マトリックスの製造方法。 ２８）相異なる屈折率の複数個の平らな層がエピタキシーにより被覆されること を特徴とする請求の範囲第１項ないし第２７項のいずれか１項に記載の共振器マ トリックスの製造方法。 ２９）少なくとも１つの導波路コア領域（９７）が１つのシャフト内に相異なる 屈折率の材料によるエピタキシーにより製造されることを特徴とする請求の範囲 第１項ないし第２８項のいずれか１項に記載の共帳器マトリックスの製造方法。 ３０）少なくとも１つの導波路周縁領域が、シャフトがシャフト壁（１９６）の 間の材料内に位置する導波路コア領域の材料よりも低い屈折率を有する１つの材 料で満たされることにより生ずることを特徴とする請求の範囲第１項ないし第２ ９項のいずれか１項に記載の共振器マトリックスの製造方法。 ３１）少なくとも１つのエピタキシー段階が分子線エピタキシー（ＭＢＥ）によ り行われることを特徴とする請求の範囲第１項ないし第３０項のいずれか１項に 記載の共振器マトリックスの製造方法。 ３２）共振器マトリックスの鏡面化すべき端面として使用される面を有する孔（ １３１）がエッチングされることを特徴とする請求の範囲第１項ないし第３１項 のいずれか１項に記載の共振器マトリックスの製造方法。 ３３）少なくとも１つの鏡を製造するために基板の１つの周縁面が使用されるこ とを特徴とする請求の範囲第１項ないし第３２項のいずれか１項に記載の共振器 マトリックスの製造方法。 ３４）熱電素子、たとえばベルチェ素子による温度調節により共振器の光学的長 さが変更されることを特徴とする請求の範囲第１項ないし第３３項のいずれか１ 項に記載の共振器マトリックスの調節方法。 ３５）たとえばピエゾ素子による長さ調節により共振器の光学的長さが変更され ることを特徴とする請求の範囲第１項ないし第３４項のいずれか１項に記載の共 振器マトリックスの調節方法。 ３６）共振器マトリックスの個々の共振器の実効屈折率（ｎｒｅｆ）が付属のｐ −ｎ接合への可変電圧の印加による電荷担体の注入または吸出しにより調節され ることを特徴とする請求の範囲第１項ないし第３５項のいずれか１項に記載の共 振器マトリックスの個々の共振器の個別調節方法。 ３７）少なくとも利用共振器の１つのなかで、一緒に集積された電極に印加され る調節電圧によりこの利用共振器の屈折率、従ってまた位相定数が電気光学効果 により調節されることを特徴とする請求の範囲第１項ないし第３６項のいずれか １項に記載の共振器マトリックスの個々の共振器の個別調節方法。 ３８）共振器マトリックス内へ変調および無変調搬送波が入射されることを特徴 とする請求の範囲第１項ないし第３７項のいずれか１項に記載の共振器マトリッ クスの光−電子回路。 ３９）共振器マトリックス内へ１つの入射導波路（２５）により変調および無変 調搬送波が２つの異なる側から結合共振器内へ入射されることを特徴とする請求 の範囲第１項ないし第３８項のいずれか１項に記載の共振器マトリックスの利用 方法。 ４０）光通信技術の波長範囲内の光が単一の入射導波路（２５）により１つの共 振器マトリックスの結合共振器（２２）内へ入射され、また利用共振器（２３） により種々の導波路（２６）内へ波長選択的に分配されることを特徴とする請求 の範囲第１項ないし第３９項のいずれか１項に記載の共振器マトリックスの利用 方法。 ４１）光が複数個の種々の入射導波路によりマトリックス配置内へ入射させられ 、また１つの導波路によりマトリックス配置から出射させられることを特徴とす る請求の範囲第１項ないし第４０項のいずれか１項に記載の共帳器マトリックス の利用方法。 ４２）情報により変調された光通信技術の波長範囲内の種々の搬送波が入射導波 路（２５）により共振器マトリックス内へ入射させられ、ｐ−ｎ接合に印加され る電気的制御信号により分離されかつ選択的に種々の出力線上に与えられること を特徴とする請求の範囲第１項ないし第４１項のいずれか１項に記載の共振器マ トリックスの利用方法。 ４３）少なくとも利用共振器の１つのなかで、１つの付属のｐ−ｎ接合に印加さ れた電圧によりこの利用共振器内の電荷担体密度、従ってまた吸収および（また は）屈折率または位相定数が制御され、それにより利用共振器により選択された チャネルの波長選択性の変調が電気的変調信号により行われることを特徴とする 請求の範囲第１項ないし第４２項のいずれか１項に記載の共振器マトリックスの 利用方法。 ４４）少なくとも利用共振器の１つのなかで、一緒に集積された電極に印加され た電圧により電気−光学効果によりこの利用共振器の屈折率、従ってまた位相定 数が変調電圧のサイクルで変更され、それにより利用共振器により選択されたチ ャネルの波長選択性の変調が電気的変調信号により行われることを特徴とする請 求の範囲第１項ないし第４３項のいずれか１項に記載の共振器マトリックスの利 用方法。 ４５）少なくとも１つの利用共振器がそれに対応付けられており小さい吸収係数 を有するホトダイオードの１つのｐ−ｎ接合の範囲内に位置し、それにより放射 の波長選択性の検出が行われることを特徴とする請求の範囲第１項ないし第４４ 項のいずれか１項に記載の共振器マトリックスの利用方法。 ４６）少なくとも１つの利用共振器がそれに対応付けられておりレーザー能力を 有するホトダイオードの１つのｐ−ｎ接合の範囲内に位置し、それによりそれぞ れ入射された波長の分離された増幅が行われることを特徴とする請求の範囲第１ 項ないし第４５項のいずれか１項に記載の共振器マトリックスの利用。 ４７）共帳器マトリックスの電気的出力信号の少なくとも一部分が電子的に制御 される結合点により任意の数の出力線上に分配されていることを特徴とする請求 の範囲第１項ないし第４６項のいずれか１項に記載の共振器マトリックスの利用 方法。 ４８）通信伝送システム内で利用されることを特徴とする請求の範囲第１項ない し第４７項のいずれか１項に記載の共振器マトリックスの利用方法。 ４９）交換システム内で使用されることを特徴とする請求の範囲第１項ないし第 ４８項のいずれか１項に記載の共振器マトリックスの利用方法。