SE510040C2

SE510040C2 - Avstämbart optiskt filter

Info

Publication number: SE510040C2
Application number: SE9302543A
Authority: SE
Inventors: Jean-Pierre Weber
Original assignee: Ericsson Telefon Ab L M
Priority date: 1992-08-14
Filing date: 1993-08-02
Publication date: 1999-04-12
Also published as: SE9302543D0; CA2101411C; GB9315730D0; FR2694816A1; FR2694816B1; US5459799A; GB2269679B; SE9302543L; JPH06160655A; DE4327102A1; CA2101411A1; GB2269679A

Description

510 040 0 Q heter' än. elektroniskt styrda. optiska filter. Optiska filter baserade på akusto-optisk TE/TM mod-konversion och vågledare har också utvecklats. Emellertid kräver dessa filter en relativt komplex drivkrets för'att alstra de nödvändiga akustiska vågorna.

Vidare är filtren relativt stora med en längd av storleksordning- en 1-2 cm. Optiska filter baserade på halvledarlaserdioder med distribuerad återkoppling (DFB) och Fabry-Perot-laserdioder med flera sektioner har också utvecklats. Sådana halvledarlaserstruk- turer med distribuerad återkoppling opereras med en förspänd ström inställd under tröskelströmmen för lasring. Medan dessa anordningar har fördelen att ha förstärkning, har de också åtskilliga nackdelar. Först och främst är avstämningsområdet för dessa halvledarlaseranordningar med distribuerad återkoppling litet och mindre än två nanometer vid en våglängd av 1,5 mikrometer i en anordning av InGaAsP/InP. Vidare har de mycket smal bandbredd på grund av förstärkningen och de är känsliga för mättnadseffekter om den inkommande signaleffekten är alltför hög.

Optiska filter baserade på laserstrukturer med en distribuerad Bragg-reflektion (DBR) har också utvecklats. Laserstrukturen med distribuerad Bragg-reflektion används som en integrerad mottagare i ett elektriskt förspänd under lasringströskeln för att fungera som ett flerfunktionselement genom att utföra de funktionerna för resonant förstärkning och filtrering för de mottagna ljusvågsignalerna. Genom att elektriskt förspänna DBR- l j usvàgskommunikat ions system . DBR- laserstrukturen är integrerade laserstrukturens Bragg-del, är det möjligt att avstämma filtret för att selektera den önskade våglängden. DBR-laserstrukturen har ett större avstämningsomráde än DFB-laserdioderna, upp till 15 nanometer, och den kan göras okänslig för effekten på inmatnings- signalen genom att avlägsna förstärkningsdelen från filtret. DBR- laserstrukturen arbetar emellertid med reflektion, i vilket tillbaka i ingångsvågledaren genom resulterar i förluster när reflekteras vilket utsignalen insignalen, signalerna separeras. 510 040 5 Sammanfattning av uppfinningen Föreliggande uppfinning visar ett avstämbart optiskt filter för användning i ett våglängdsdelat multiplexerat system. Det optiska filtret innehåller en mångfald avstäxnbara reflektionsgitter vilka blockerar alla kanalerna i den inkommande ljusvågen. Gittren kan avstämmas så att deras reflektionsband inte sammanfaller med en önskad kanal eller kanaler' och tillåter' därmed den. önskade kanalen eller kanalerna att passera igenom filtret.

I en utföringsform av den föreliggande uppfinningen har det avstämbara optiska filtret ett första halvledarsubstrat vilket har en elektrod på en yta. En vågledare är utformad i och lateralt definierad i ytan av substratet för att bära ljusvågor.

En mångfald avstämbara reflektionsgitter är tillhandahållna på en andra yta av halvledaren ovanpå vågledaren. Ett isolerande substrat tillhandahålls på båda sidor om vàgledaren. En mångfald elektroder styr de avstämbara reflektionsgittren för att variera effektiva brytningsindex för en sektion.av vågledaren.under varje gitter.

Kort beskrivning av ritningarna Detta och andra egenskaper och fördelar för den föreliggande uppfinningen.kommer att bli enkelt uppenbara för en fackman genom den följande skrivna beskrivningen läst tillsammans med rit- ningarna i vilka: Fig. 1 är en genomskärningsvy av ett optiskt filter enligt en utföringsform av den föreliggande uppfinningen, fig. 2 är en genomskärningsvy tvärs över det optiska filtret illustrerat i fig. 1, fig. 3 är ett förklarande diagram som visar transmissions- spektrum för ljus som passerar genom filtret när ingen ström påförs anordningen, 510 040 4 fig. 4 är ett förklarande diagram som visar en våglängdsför- skjutning för att tillåta en kanal genom filtret, fig. 5 är ett förklarande diagram som visar ett vàglängds- skift för att tillåta åtskilliga kanaler genom fil- tret, fig. 6 är en genomskärningsvy av ett optiskt filter enligt en annan utföringsform av den föreliggande uppfinningen, Samt fig. 7 är en genomskärningsvy tvärs över det optiska filtret illustrerat i fig. 6.

Detalíerad beskrivning av de föredragna utförinqsformerna I fig. 1, visas ett avstämbart optiskt filter 10 enligt en utföringsform av den föreliggande uppfinningen. Fig. 1 illustre- rar ett exempel pà det optiska filtret för ett fyrkanalssystem.

Figuren är endast för illustration och den ordinäre fackmannen kommer att förstå att uppfinningen inte är begränsad till detta.

I denna uppfinning, är det avstämbara optiska filtret konstruerat av halvledarmaterial av InGaAsP/InP. Skiktstrukturen för det avstämbara optiska filtret innefattar ett substrat 14 av material av n-InP och ett skikt 12 av material av p-InP. En vàgledare 22 är utformad mellan skiktet 12 och substratet 14 och är utformat av ett inre material. Ett diffraktionsgitterskikt 20 är utformat mellan vágledaren 22 och skiktet 12. I denna utföringsform är vàgledaren delad i fyra sektioner eftersom detta är ett fyrkanalssystem. I varje sektion, är periodiciteten för reflektionsgittret olika.

Elektrisk isolation som inte är visad i fig. l, behövs inne mellan de olika gittersektionerna. Den elektriska isolationen kan utformas genom jonimplantering eller genom ersättning av skiktet 12 av n-InP med ett halvisolerande (Fe dopat) material av InP mellan gittersektionerna. För att styra brytningsindex i våg- ledarens fyra sektioner, är fyra elektroder 24, 26, 28 och 30 510 040 5 utformade ovanpå skiktet 12. Vidare är en annan elektrod 16 utformad på undersidan av substratet 14. Slutligen som illustre- rat i fig. 2, är ett semi-isolerande skikt av InP utformat på endera sidan av vågledaren 22 för att separera skiktet 12 från substratet 14. Den optiska vàgledaren 22 är konstruerad av en kärna av InGaAsP vilken har ett bandgap med en kortare våglängd än ljusets som passerar igenom för att undvika absorption.

Vàgledaren 22 är omgiven av material av InP så att den bildar en begravd heterostruktur. Bragg-diffraktionsgitter utformas i skiktet 20 med användning av materialet av InGaAsP och InP. Detta kan göras med en av de välkända metoderna använda i DFB-lasrar, såsom direkt elektronstråleskrivning, etsning och återväxt.

Eftersom vàgledaren 22 är konstruerad av ett inre kärnmaterial och de två substraten 12 och 14 är konstruerade av material av p-InP resp. n-InP, bildar den resulterande strukturen en P-I-N- diodstruktur, vilken tillåter injektion av elektroner och hål i den inre vågledaren 22. Det semi-isolerande skiktet 18 av InP används på sidorna av vågledaren 20 för att innesluta strömmen i den inre vàgledaren. De injicerade laddningsbärarna kommer att förändra vågledarens brytningsindex och därmed tillåta avstäm- ningen av våglängden för reflektionsbandet för det motsvarande gittret. För att tillåta oberoende avstämning av de fyra gittersektionerna, finns det fyra elektriska kontakter på översidan av skiktet av p-InP.

Typiska dimensioner för anordningen beskriven ovan skulle vara som följer. Vágledaren 22 skulle ha en tjocklek mellan 0,2 och 0,6 mikrometer med en bredd av ungefärligen 1 mikrometer. Skiktet 12 skulle ha en tjocklek mellan 1 och 3 mikrometer med en längd för varje gittersektion mellan 200 och 500 mikrometer. Den elektriska isolationen mellan gittersektionerna skulle vara mellan 10 och 50 mikrometer. Därför skulle den totala längden av ett fyrkanalsexempel vara mellan 1 och 2 mm. 510 040 (o I enlighet med den ovan beskrivna strukturen för det avstämbara våglängdsfiltret, kommer principen enligt vilken en transmiss- ionsvåglängd styrs att förklaras som följer.

I fig. funktion av ljusets våglängd. Bragg-diffraktionsgitter med olika perioder blockerar ljus med olika våglängder från att passera 3 illustreras ljustransmission igenom filtret som en igenom den delen av filtret. Som ett resultat, genom att välja fyra olika periodiciteter för diffraktionsgittren, kommer fyra olika våglängdsband för ljuset som kommer in i ett filter att inte tillåtas passera genom filtret som illustrerats i fig. 3.

Genom att välja kanalerna för ett kommunikationssystem, dvs. AU A2, la, A4, att sammanfalla med våglängderna vilka inte tillåts att transmitteras genom filtret, kan det optiska filtret styra våglängdssignalerna som passerar genom filtret. I den förelig- gande utföringsformen är gittren konstruerade för att blockera kanalerna när ingen ström påförs elektroderna 24, 26, 28 och 30.

Som illustrerat i fig. 4, när en ström matas, t.ex. till elektrod 28, förändras vågledarsektionens effektiva brytningsindex under sektionen vilken har blockerat den tredje kanalen så att våg- längden motsvarande den tredje kanalen inte längre är blockerad och tillåts att passera genom filtret. Som ett resultat kan vilken som helst kanal väljas genom att mata den lämpliga spänningen till den lämpliga elektroden vilken förändrar bryt- ningsindex inuti vågledaren.

Gitteravstämningen är baserad på en förändring av effektiva brytningsindex. Denna förändring kan erhållas på olika sätt.

Först och främst kan användas injektion av fria laddningsbärare i vågledaren. Inj ektionsmetoden med fria laddningsbärare använder framförspänning i en P-I-N-diodstruktion för att injicera laddningsbärare in.i vågledaren. Denna metod används i avstämbara DBR-lasrar vilket är visat i "Semiconductor Lasers for Coherent Optical Fiber Communications", T- Koch och U. Koren, Journal of Lightwave Technology, Vol. 8 (3), mars 1990, s. 274-293.

Utarmning av fria laddningsbärare i en vågledare kan också användas för att förändra effektiva brytningsindex. I detta fall 510 040 9- skall materialet av InGaAsP använt för vågledaren dopas.

Utarmningsmetoden av fria laddningsbärare använder en omvänd förspänning för att svepa laddningsbärarna ut ur vågledarna och därmed förändra effektiva brytningsindex. Effektiva brytningsin- dex kan också förändras med användning av en elektrooptisk avstämning. Vid elektrooptisk avstämning, pàförs ett elektriskt fält via en omvänt förspänd P-I-N-struktur som förändrar vågledarens brytningsindex. Detta kan göras med bulkmaterial, men kvantkällor måste antagligen användas för att få tillräcklig förändring av brytningsindex. De ovan listade metoderna att skapa avstämning är inte avsedda att vara exklusiva eftersom andra metoder också är möjliga. 'I'.ex. om filtret tillverkades av dielektriskt material, såsom S102 på ett Si-substrat som beskrivet nedan, kunde hela P-I-N-diodstrukturen ersättas med ett enkelt uppvärmingsmotstånd i kontakt med vågledaren för att förändra effektiva brytningsindex genom termooptisk effekt.

I den föreliggande utföringsformen tillhandahålls ett reflek- tionsgitter för varje kanal i kommunikationssystemet. Gittren är konstruerade för att blockera varje kanal när ingen ström pàförs via elektroderna 24, 26, 28 och 30. Eftersom exakt tillverkning av varje gitter kan vara svårt, dvs. , små fel i våglängdspositio- neringen av gittren kan uppträda så att ett gitter inte blockerar en kanal som det antas blockera, varvid filtret kan kompenseras genom att avstämma gittret genom en av metoderna visad ovan.

Vidare om kanalåtskillnaden är tillräckligt stor så att när en kanal öppnas blockerar det skiftade reflektionsbandet inte en närliggande kanal, varvid filtret kan tillåta åtskilliga kanaler att passera i stället för just en. Detta illustreras i fig. 5, vilket visar att gittren motsvarande kanalerna 2 och 3 har avstämts för att släppa dessa kanaler genom filtret medan kanalerna 1 och 4 förblir blockerade. Detta kan vara fördelaktigt när filtreranordningen används i system för att utföra våglängds- beroende dirigering.

En annan utföringsform av den föreliggande uppfinningen illustre- ras i fig. 6 och 7. Figurerna är endast för illustration och 510 040 3 visar ett fyrkanalsfilter 60 vilket är konstruerat av dielekt- riskt material. I denna utföringsform är en silikat-baserad vágledare med en kärna 66 av SiOZ-GeO, begravd i en inklädning 62 av SiQ,på ett substrat 64 av Si. Avstämbara reflektionsgitter 70 är utformade på överytan av kärnan 66 genom att etsa överytan av kärnan 66 före återväxt av inklädningen 62 av SiC5 ovanpå kärnan 66. I denna utföringsform, är vágledaren uppdelad i fyra sektioner eftersom detta är ett fyrkanalssystem. I varje sektion är periodiciteten för- reflektionsgittret: olika. Reflektions- gittren 70 avstäms genom en optisk effekt, i vilken effektiva brytningsindex för vågledarsektionen under gittret ändras genom en temperaturförändring. Ett uppvärmningsmotstånd är placerat ovanpå vågledarsektionen under varje reflektionsgitter så att effektiva brytningsindex för varje reflektionsgitter kan styras oberoende. Det kommer att inses av den ordinäre fackmannen att andra dielektriska material såsom Sigg också kan användas.

Beroende på den termiska avstämningen, kommer denna utföringsform antagligen att ha en längre omkopplingstid och en större storlek än implementeringen med InGaAsP/InP. Emellertid kan ett dielekt- riskt filter med termo-optisk avstämning fortfarande användas i vissa applikationer beroende på lägre tillverkningskostnader.

I en annan utföringsform av den föreliggande uppfinningen används ett stort antal gitter'med partiellt överlappande reflektionsband och motsvarande antal elektroder i det optiska filtret i stället för att ha ett gitter för varje kanal. Gittren är konstruerade för att fullständigt blockera ett våglängdsband större än det inmatade våglängdsbandet. Genom att konstruera gittren att fullständigt blockera ett våglängdsband större än bandet använt, har filtret viss tolerans för bristfälligheter vid tillverkningen av filtret. Elektroderna kan då användas för att förändra vågledarsektionernas effektiva brytningsindex för att tillåta en eller flera kanaler att passera genom filtret. Denna konfigura- tion har åtskilliga fördelar. Först och främst, blockerar gittren spontant emissionsbrus utanför kanalerna som orsakas av för- stärkarna i systemet. Som ett resultat utmatas en tystare signal 510 040 L? från filtret. Vidare kan filtret rekonfigureras elektriskt om kanalkonfigurationen för systemet ändras.

Material och sammansättning för filtret enligt den föreliggande uppfinningen kan ersättas av andra halvledarmaterial såsom, till exempel, systemmaterial av AlGaAs/GaAs eller dielektriska material såsom till exempel TiOZ, AlzOs, etc. Vidare är den optiska vågledarstrukturen inte begränsad till planarstruktur eller inbäddad struktur.

Det kommer att inses av fackmannen att den föreliggande upp- finningen kan gestaltas i andra speciella former utan att avvika från andemeningen eller väsentliga kännetecken för denna. De för närvarande visade utföringsformerna betraktas därför i alla avseenden att vara illustrativa och inte begränsande. Omfatt- ningen av uppfinningen anges av de bifogade kraven snarare än den föregående beskrivningen och alla förändringar 'vilka faller innanför meningen och omfattningen av ekvivalenter för dessa avses att vara innefattade häri.

Claims

/Ü PATENTKRAV

1. Avstämbart optiskt filter innefattande: ett första halvledarsubstrat med ett första elektrodorgan tillhandahållet på en första sida av detta, ett vågledarorgan utformat i och lateralt definierat i ytan på substratet för att bära ljusvågor, en mångfald avstämbara reflektionsgitterorgan tillhandahåll- na på en andra yta av halvledarsubstratet ovanpå vàgledaren, ett isolerande substratorgan tillhandahállet på båda sidorna av vàgledaren, samt en mångfald elektrodorgan, varvid vart och ett av de avstämbara reflektionsgittren har en elektrod för att variera ett effektivt brytningsindex för en sektion av vågledaren under gittret.

2. Avstämbart optiskt filter i enlighet med krav 1, i vilket varje avstämbart reflektionsgitter har en skild periodicitet.

3. Avstämbart optiskt filter i enlighet med krav 1, i vilket varje kanal för den inkommande ljusvågen blockeras av ett av de avstämbara reflektionsgittren.

4. Avstämbart optiskt filter i enlighet med krav 1, i vilket effektiva brytningsindex ändras genom injektion av fria ladd- ningsbärare i vågledaren.

5. Avstämbart optiskt filter i enlighet med krav 1, i vilket effektiva brytningsindex ändras genom utarmning av fria ladd- ningsbärare i vågledaren.

6. Avstämbart optiskt filter i enlighet med krav 1, i vilket effektiva brytningsindex ändras genom elektrooptisk avstämning.

7. Avstämbart optiskt filter i enlighet med krav 1, i vilket gittren är sådana att alla kanaler blockeras när ingen ström matas till den motsvarande elektroden. 510 040 //

8. Avstämbart optiskt filter i enlighet med krav 1, i vilket effektiva brytningsindex ändras genom termooptisk avstämning.

9. Avstämbart optiskt filter i enlighet med krav 1, i vilket mångfalden av avstämbara reflektionsgitter blockerar hela vàglängdsomrádet för en ingångssignal.

10. Avstämbart optiskt filter i enlighet med krav 1, i vilket mångfalden av avstämbara reflektionsgitter har partiellt överlappande reflektionsband för att blockera hela våglängdsom- rådet för en ingångssignal.

11. Avstämbart optiskt filter i enlighet med krav 1, i vilket reflektionsgittren blockerar en mångfald kanaler från att passera genom filtret.

12. Avstämbart optiskt filter för ett kommunikationssystem med en mångfald kanaler innefattande: ett första halvledarsubstrat med ett första elektrodorgan tillhandahållet på en första yta av detta, ett vågledarorgan utformat i och lateralt definierat i ytan på substratet för att bära ljusvågor, en mångfald avstämbara reflektionsgitterorgan tillhandahåll- na på en andra yta av halvledarsubstratet ovanpå vågledaren, varvid vart och.ett av de avstämbara reflektionsgittren blockerar en speciell kanal i kommunikationssystemet, ett isolerande substratorgan tillhandahållet på båda sidorna av vågledaren, samt en mångfald elektrodorgan för att variera effektiva brytningsindex för en sektion av vågledaren under gittret.

13. Avstämbart optiskt filter i enlighet med krav 12, i vilket effektiva brytningsindex ändras genom injektion av fria ladd- ningsbärare i vågledaren. 510 040 /å

14. Avstämbart optiskt filter i enlighet med krav 12, i vilket effektiva brytningsindex ändras genom utarmning av fria ladd- ningsbärare i vågledaren.

15. Avstämbart optiskt filter i enlighet med krav 12, i vilket effektiva brytningsindex ändras genom elektrooptisk avstämning.

16. Avstämbart optiskt filter i enlighet med krav 12, i vilket gittren.blockerar alla kanaler när ström inte matas elektroderna.

17. Avstämbart optiskt filter i enlighet med krav 12, i vilket effektiva brytningsindex ändras genom termooptisk avstämning.

18. Avstämbart optiskt filter innefattande: ett substrat, ett dielektriskt inklädningsskikt tillhandahállet ovanpå substratet, ett vàgledarorgan utformat i och lateralt definierat i ytan av inklädningsskiktet, enmàngfaldavstämbarareflektionsgitterorgantillhandahåll- na ovanpå vàgledaren, samt en mångfald uppvärmningselement ovanpå inklädningsskiktet, varvid vart och ett av de avstämbara reflektionsgittren har ett uppvärmningselement för att variera ett effektivt brytningsindex för en sektion av vàgledaren under gittret.

19. Avstämbart optiskt filter i enlighet med krav 18, i vilket varje avstämbart reflektionsgitter har en skild periodicitet.

20. Avstämbart optiskt filter i enlighet med krav 18, i vilket varje kanal för den inkommande ljusvågen blockeras av ett av de avstämbara reflektionsgittren.

21. Avstämbart optiskt filter i enlighet med krav 18, i vilket effektiva brytningsindex ändras genom optiskt avstämning. 510 040 /J

22. Avstämbart optiskt filter i enlighet med krav 18, i vilket mångfalden av avstämbara reflektionsgitter blockerar hela vàglängdsomrâdet för en ingàngssignal.

23. Avstämbart optiskt filter i enlighet med krav 18, i vilket mångfalden av avstämbara reflektionsgitter har partiellt överlappande reflektionsband för att blockera hela våglängdsom- rådet för en ingångssignal.

24. Avstämbart optiskt filter i enlighet med krav 18, i vilket reflektionsgittren blockerar en mångfald kanaler från att passera genom filtret.