DE2532291A1

DE2532291A1 - Optische hohlleiter-steckverbindung

Info

Publication number: DE2532291A1
Application number: DE19752532291
Authority: DE
Inventors: George Horace Brooke Thompson
Original assignee: International Standard Electric Corp
Current assignee: International Standard Electric Corp
Priority date: 1974-08-08
Filing date: 1975-07-18
Publication date: 1976-02-19
Also published as: JPS5177259A; ZA754350B; JPS5611128B2; AU8359475A; NL7509187A; FR2281586A1; GB1437067A; FR2281586B1; CH588087A5; US3976358A; ES440132A1

Description

Patentanwalt
Dipl. Phys. Leo T h u 1

7000 Stuttgart-Feuerbach 2532291

Postfach 300 929

G.H.B. Thompson 17

INTERNATIONAL STANDARD ELECTRIC CORPORATION, New York

Optische Hohlleiter-Steckverbindungi

Die Priorität der Anmeldung Nr. 34979/74 vom 8. August 1974 in England wird beansprucht.

Die Erfindung beschäftigt sich mit variabel koppelnden optischen Hohlleiter-Steckverbindungen.

Die Erfindung betrifft eine optische Hohlleiter-Steckverbindung mit einer Halbleiter-Doppelheterostruktur, die eine Zwischenschicht mit höherem Brechungsindex besitzt, die für zwei optisch verbundene, in der Steckverbindung ausgebildete optische Hohlleiter in einer Richtung eine optische Begrenzung bildet, wobei das gegenseitige Ankoppeln zwischen den Hohlleitern verändert werden kann durch Anlegen einer Sperrvorspannung an den pn-übergang, um an der

15. Juli 1975 Dr.Rl./kn

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n-leitenden Seite des pn-Ubergangs eine Verarmungszone zu erzeugen , die sich zumindest durch einen der Hohlleiter oder durch den optischen Kopplungsbereich zwischen den optischen Hohlleitern erstreckt.

Als Beispiel einer geeigneten doppelten HeteroStruktur sei die zur Herstellung von Injektionslasern entwickelte GaAlAs-GaAs-GaAlAs-Struktur genannt. Der Unterschied im Brechungsindex zwischen der Zwischenschicht und den Seitenschichten ist für eine verhältnismäßig ausgeprägte Lichtleitung groß genug, so daß die Mittelschicht in ihrer Stärke bis auf 3,8 bis 12,5 nyu verringert werden kann. Die Lichtleitung ist senkrecht auf die Ebenen der HeteroÜbergänge gerichtet. Zur Erzeugung eines Hohlleiters erfordert es auch eine Lichtleitung in Richtung der Ebenen der HeteroÜbergänge. Das erreicht man durch die üblichen Herstellungstechniken wie Verunreinigungsdiffusion und Protonenbeschuß, wodurch die Elektronenkonzentration in der Mittelschicht an bestimmten Stellen geändert wird. Das Licht ist gezwungen, sich in dem Bereich der niedrigen Elektronenkonzentration auszubreiten, aber in dem vorliegenden Fall ist der Unterschied im Brechungsindex geringer, und deshalb wird die Breite des Hohlleiters größer gemacht als seine Höhe und beträgt charakteristischerweise 2 bis 8 m,u.

Das Ankoppeln zweier optischer Hohlleiter, die in einem bestimmten räumlichen Verhältnis zueinander stehen, wird durch Änderung der Lichtleitungseigenschaften infolge einer Brechungsindexänderung bewirkt. Diese Änderung läßt sich auf elektrischem Wege in direkter Weise durch Anwendung des elektrooptischen Effektes erreichen. Bei einem Halbleitermaterial mit pn-übergang ergibt sich eine zweite Möglichkeit, den Brechungsindex auf elektrische Weise zu ändern. Das Anlegen einer Sperrvorspannung an den pn-übergang erzeugt als Folge der Entfernung von Elektronen aus diesem Bereich einen Wechsel des Brechungsindexes an der η-leitenden Seite des Übergangs in der Verarmungszone. Wo dieser Effekt der Elektronen-

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Verarmung vorliegt, tritt auch der elektrooptische Effekt auf, da dort ein elektrisches Feld an der Verarmungszone liegt.

GaAs ist ein empfindliches elektrooptisches Material, wobei die Wechselwirkung in der Tat stärker ist als in anderen Stoffen wie z. B. LiNbO-, das bereits als Basis für wirkungsvolle optische Schalter dient. Der pn-übergang entspricht der herkömmlichen Struktur, an der das elektrooptische Feld anzulegen ist. Es ist dabei nicht erforderlich, ein GaAs mit hohem spezifischem Widerstand zu erzeugen (zur Verringerung des Stromflusses), da der pnübergang das automatisch tut, wenn eine Sperrvorspannung angelegt wird. Das Feld macht sich an der Verarmungszone bemerkbar. Die einzige Bedingung, die an das Dotierniveau des Halbleiters gestellt wird, ist die, daß die Ladungsträgerkonzentration so niedrig ist, daß die Verarmungszone sich bei einer Sperrvorspannung über einen merklichen Teil der mittleren optischen Leitungsschicht des Halbleiterschichtaufbaus ausbreiten kann.

Der elektrooptische Effekt im GaAs bewirkt bei dem Anlegen eines elektrischen Feldes am pn-übergang für Licht, das sich in der Übergangsebene ausbreitet, im allgemeinen eine Änderung des Brechungsindexes. Der genaue Effekt hängt von der kristallographischen Orientierung in dem Übergang ab, ferner von der Polarisation des Lichts und seiner Ausbreitungsrichtung in der übergangsebene. Bei einem Übergang in der (100)-Ebene tritt die größte Änderung im Brechungsindex bei einem Typ auf, bei dem das elektrische Feld in der Übergangsebene polarisiert ist und sich in eine der entsprechenden (110)-Richtungen ausbreitet. Keine Änderung tritt bei einer Ausbreitung in die (100)-Richtung ein, und das gilt auch für alle entsprechenden Ausbreitungsrichtungen eines Typs, bei dem das elektrische Feld senkrecht zur (100)-Ebene polarisiert ist. Bei einem Übergang in der (111)-Ebene ist der Effekt unabhängig von der Ausbreitungsrichtung in der übergangsebene, aber er ist

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bei einer Polarisation des elektrischen Feldes in der Übergangsebene doppelt so groß wie bei einer komplementären Polarisation und von entgegengesetzten Vorzeichen. Man erkennt, daß weder bei diesen Orientierungen noch bei irgendwelchen anderen möglichen Orientierungen es möglich ist/ den gleichen Effekt für beide Polarisationsarten zu erhalten.

Die größte Änderung im Brechungsindex für Typen, in denen eine Polarisation in der Übergangsebene stattfindet, liegt in der Größe von 0,0005 bei einer Sperrvorspannung, die sich dem Durchbruch nähert. Das elektrische Feld erstreckt sich in Richtung senkrecht auf den pn-übergang bis zu einem Abstand, der ungefähr der Stärke der Verarmungszone entspricht. Bei diesem Abstand, der in etwa der Stärke der Lichtleitung (nicht weniger als 0,2 m,u) bei der höchsten anlegbaren Spannung entspricht, sollte die Dotierung ca.

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unter 3 χ 10 cm liegen. Die erforderliche Spannung beträgt dann ca. 15 V.

Zusätzlich zu seinem Effekt auf die elektrooptische Wechselwirkung ändert das Feld auch den Brechungsindex des Bereichs nahe an dem pn-übergang durch Entfernung der freien Ladungsträger. Beim

17 -3 höchsten Dotierniveau von ca. 3 χ 10 cm ändert das Entfernen der Elektronen den Brechungsindex um etwa den gleichen Wert von 0,0005. In diesem Fall ist die Änderung des Brechungsindexes isotrop, und das Feld erhöht seinen Wert. Deshalb kann unter bestimmten Bedingungen, aber nicht bei niedrigen Dotierniveaus, die Verarmung von Ladungsträgern durch ein angelegtes Feld nahezu genauso wirkungsvoll wie der elektrooptische Effekt für Schaltzwecke benutzt werden.

Eine Änderung des Brechungsindexes um 0,0005 ist sehr bedeutend im Vergleich zu seiner Änderung in der übergangsebene, verbunden

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mit der Hohlleiterstruktur (und induziert durch eine Ionenimplantation oder Verunreinigungsdiffusion). Der Brechungsindex-Schritt, der für einen einfachen Ausbreitungstyp in der Übergangsebene erforderlich ist, verringert sich mit dem umgekehrten Quadrat der Leiterbreite und· beträgt 0,0005 für einen Hohlleiter mit einer Breite von 4 m.u. Die durch den elektrooptischen Effekt oder durch den Effekt der Ladungsträgerverarmung bewxrkte Störung des Brechungsindexes kann entweder ausreichend sein, um das Licht ohne eine Änderung des vorhandenen Brechungsindexes auf eine Leiterbreite von 4 m ,u zu begrenzen, oder kann umgekehrt einen bereits vorhandenen Leitungseffekt dieser Größe zerstören. Dies läßt sich unmittelbar auf Schaltungen übertragen, da es wechselweise die Errichtung oder Unterbrechung von Verbindungen zwischen einer beliebigen Zahl von "open end"-Eingangsleitungen und Ausgangsleitungen ermöglicht. Wenn die Wirkung groß genug ist, um auf "open end"-Leitungen auf diese Weise angev/endet zu werden, kann sie auch auf die geringere Ansprüche stellende Modifikation der Kopplung zwischen zwei Hohlleitern angewendet werden, die nebeneinander liegen, um eine andere und empfindlichere Form einer Schaltung zu bilden.

Zwei Methoden sind möglich, die elektrooptische Wechselwirkung oder den elektronischen Verarmungseffekt zur Änderung der Kopplung anzuwenden. Bei dem einen Verfahren wird das normale elektrische Feld an die zwischen den zwei Hohlleitern liegende Zone angelegt, und bei dem anderen wird es an einen der Hohlleiter angelegt. Im ersten Fall wird das Koppeln durch das Feld direkt beeinflußt, und im zweiten Fall v/ird es als Folge der konsequenten Interferenz mit der Phasenkoherenz zwischen den zwei Hohlleitern indirekt beeinflußt.

Unterschiedliche Ausbildungen werden bei den zwei Verfahren angewendet. Das Layout wird durch die Anforderungen bestimmt, daß ein pn-übergang an dem Punkt erforderlich ist, an dem das Feld angelegt

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werden soll, und daß zweitens die Hohlleiter selbst aus entweder halbisolierendem oder p-leitendem Material bestehen müssen, während die Zonen auf beiden Seiten aus η-leitendem Material sein müssen. Diese zweite Forderung führt zu den entsprechenden relativen Werten des Brechungsindexes für eine optische Leitung in Richtung der Ebenen der HeteroÜbergänge, während eine optische Leitung in Richtung senkrecht zu den Ebenen der HeteroÜbergänge durch einen Wechsel des Brechungsindexes an den HeteroÜbergängen selbst bewirkt wird.

Es folgt die Beschreibung von variabel koppelnden optischen Hohlleiter-Steckverbindungen, welche die bevorzugten Ausbildungsformen der Erfindung verkörpern. Die Beschreibung betrifft die beigefügten Zeichnungen. In diesen stellen dar:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht der Steckverbindung, Fig. 2 einen Schnitt durch die Steckverbindung nach Fig. 1 ,

Fig. 3 einen Schnitt durch eine veränderte Version der Steckverbindung nach Fig. 1 und

Fig. 4 einen Schnitt durch eine Alternativlösung einer Steckverbindung.

Die Steckverbindung nach Fig. 1 und 2 besteht aus einem Bauelement mit doppelter Heterostruktur, die aus einer η-leitenden GaAs-Schicht 10 von 0,3 m,u Stärke, flankiert auf der einen Seite von einer p-leitenden GaAlAs-Schicht 11 und auf der anderen Seite von einer η-leitenden GaAlAs-Schicht 12, gebildet wird. In den GaAlAs-Schichten beträgt der Aluminium-Anteil 40 % des Anteils an Gallium , Protonenbeschuß erzeugt in dem Bauelement zwei parallele Kanäle 14 aus halbisolierendem Material. Diese Kanäle erstrecken sich tief

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genug durch die GaAs-Schicht und sind 4 m,u breit und 3 m,u voneinander getrennt. Die halbisolierenden, durch den Protonenbeschuß gebildeten Bereiche aus GaAs bilden die aneinandergekoppelten optischen Hohlleiter des Bauelements, und ihre Enden können mit den Enden der Kerne von Hohlleitern 15, bestehend aus optischen Fasern/ in einer Linie zusammenfallen. Die η-leitende Schicht 12 aus GaAlAs ist mit einem Kontakt 16 versehen, und ein weiterer Kontakt 17 befindet sich an der p-leitenden Schicht 11 aus GaAlAs in dem Bereich zwischen den zwei Kanälen 14. Das Anlegen einer Sperrvorspannung an diese zwei Kontakte erzeugt eine Verarmungszone, die sich zumindest teilweise durch die Stärke der GaAs-Schicht in der Zone zwischen den zwei Kanälen 14 erstreckt. Das bewirkt eine Erhöhung des Brechungsindexes dieser Zone und damit eine Erhöhung der optischen Kopplungsmöglichkeit zwischen den zwei Hohlleitern der Steckverbindung.

Nur wenn der Übergang in der (100)-Ebene und die Leiter in der (100)-Richtung liegen, trägt die Verarmung der Ladungsträger zur Änderung des Brechungsindexes bei, und das Verhalten ist unabhängig von der Polarisation des durchgeleiteten Lichts. Für andere Ausrichtungen läßt sich einrichten, daß der elektrooptische Effekt auch zur Brechungsindexänderung beiträgt, jedoch mit unterschiedlichen Ergebnissen für die zwei Polarisationen.

In einer abgeänderten Form der oben beschriebenen optischen Steckverbindung werden die Hohlleiter des Bauelements durch eine p-dotierende Diffusion von Zink anstelle von Protonenbeschuß hergestellt. Diese in Fig. 3 gezeigte abgeänderte Form arbeitet im wesentlichen auf die gleiche Weise wie die Steckverbindung nach den Fig. 1 und In diesem Bauelement sind die durch Protonenbeschuß hergestellten Kanäle 14 durch die Kanäle 34 ersetzt, die durch Diffusion von Zink unter den Bedingungen für einen niedrigen Arsendampfdruck hergestellt sind. Die Hohlleiter der Steckverbindung werden durch die Zonen der GaAs-Schicht gebildet, durch die die Kanäle hindurchgehen.

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Die p-dotierende Diffusion von Zink wird auch in der Ausbildung der optischen Steckverbindung nach Fig. 4 angewendet. Diese Steckverbindung ist aus einer Halbleiterscheibe mit doppelter HeteroStruktur hergestellt, die aus einer Schicht 40 von n-leitendem GaAs, flankiert von zwei Schichten 41 und 42, beide aus η-leitendem GaAlAs, gebildet wird. Die Zinkdiffusion soll ein Paar paralleler Kanäle aus p-leitendem Material erzeugen, die sich in die GaAs-Schicht hinein erstrecken, aber diese nicht vollständig durchstoßen. Die η-leitende Schicht 42 aus GaAs ist mit einem Kontakt 46 und die zwei p-leitenden Bereiche der Schicht 41 mit unabhängigen Kontakten 47 und 48 versehen.

Die Strukturen der Fig. 3 und 4 können auch durch Diffusion einer η-dotierenden Verunreinigung in das hauptsächlich p-leitende Material hergestellt werden, wobei die Diffusion in diesem Fall auf die Bereiche beschränkt ist, die außerhalb des Bereichs liegen, in dem die streifenförmigen Leitbahnen auszubilden sind. Diese Konstruktionsform ist speziell für die Struktur nach Fig. 4 geeignet, da die kritische Stellung des pn-übergangs durch das leicht kontrollierbare Wachstum der HeteroStruktur bestimmt werden kann, und die einzige Anforderung an die Diffusion (ausgeführt an der Oberfläche) besteht darin, daß sie jenseits des Übergangs eindringt.

Das Anlegen einer Sperrvorspannung an den Kontakt 41 und einen der anderen Kontakte, z. B. den Kontakt 47, erzeugt eine Verarmungszone in dem η-leitenden Bereich der GaAs-Schicht 40 unterhalb der p-leitenden, durch Diffusion erzeugten Schicht unter dem Kontakt Die sich daraus ergebende Änderung des Brechungsindexes wirkt sich nur auf die Leiteigenschaften von einem der Hohlleiter aus mit dem Ergebnis, daß der Anpassungsgrad zwischen den Ausbreitungsgeschwindigkeiten in den zwei Hohlleitern betroffen wird und damit der Grad der optischen Kopplung zwischen ihnen.

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Das Vorhandensein von Kontakten an beiden p-leitenden Zonen ermöglicht das Anlegen einer Verschiebespanniing an eine derselben zur Kompensierung eines Fehlverhaltens in den Ausbreitungsgeschwindigkeiten der zwei Hohlleiter, das sich aus den geringen physikalischen Unterschieden zwischen den beiden ergibt. Dann bev/irkt die Anlegung einer weiteren Verschiebespannung gleichermaßen an beide Kontakte 47 und 48 eine Modifikation der optischen Eigenschaften von beiden Hohlleitern/ so daß die physikalische Länge der Hohlleiter für eine hundertprozentige Kopplung zwischen ihnen geeignet ist. Die Anwendung einer überlagerten Signalspannung an nur einen der Hohlleiter kann dazu verwendet werden, daß überhaupt kein Koppeln stattfindet.

In jeder der oben beschriebenen Steckverbindungen kann die mittlere GaAs-Schicht durch eine GaAlAs-Schicht ersetzt werden, vorausgesetzt daß die Aluminium-Konzentration der flankierenden GaAlAs-Schichten erhöht wird, so daß der Unterschied im Brechungsindex an den HeteroÜbergängen erhalten bleibt.

Obgleich die vorausgegangene Beschreibung sich insbesondere auf Steckverbindungen mit einer optischen Kopplung zwischen einem einzigen Paar von Hohlleitern bezieht, läßt sich die Erfindung auch in Verbindung mit einer größeren Zahl von optischen Hohlleitern anwenden. Die bevorzugten Ausbildungsformen lassen sich insbesondere leicht modifizieren, um Konstruktionen mit drei Hohlleitern zu schaffen, bei denen die optische Kopplung zwischen dem mittleren Hohlleiter und jedem der beiden anderen Hohlleiter getrennt geregelt werden kann.

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Claims

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Patentansprüche

Optische Hohlleiter-Steckverbindung mit einer Halbleiter-Doppelheterostruktur, die eine Mittelschicht mit höherem Brechungsindex aufweist, die für zwei optisch verbundene, in der Steckverbindung ausgebildete optische Hohlleiter in einer Richtung eine optische Begrenzung bildet, dadurch gekennzeichnet, daß das wechselseitige Ankoppeln zwischen den Hohlleitern geändert werden kann durch Anlegen einer Sperrvorspannung an den pn-Übergängen zur Erzeugung einer Verarmungszone, die sich durch mindestens einen der Hohlleiter oder durch die optische Ankoppelzone zwischen den optischen Hohlleitern an der η-leitenden Seite des pn-übergangs erstreckt.
2. Optische Steckverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Hohlleiter nebeneinander liegen und eine gerichtete Steckverbindung bilden.
3. Optische Steckverbindung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die doppelte HeteroStruktur mit einem Elektrodensystem zum Anlogen einer Sperr vor spannung zwecks Erzeugung einer Verarmungszone zwischen den zwei Hohlleitern versehen ist.
4. Optische Steckverbindung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die doppelte.HeteroStruktur mit einem Elektrodensystem zum Anlegen einer Sperrvorspannung zwecks Erzeugung einer Verarmungszone in beiden Hohlleitern versehen ist.

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5. Optische Steckverbindung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlleiter teilweise durch Protonenbeschuß delinearisiert werden.
6. Optische Steckverbindung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlleiter teilweise durch Diffusion eines p-leitenden Dotierungsmaterials in das η-leitende Material delinearisiert werden.
7. Optische Steckverbindung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlleiter teilweise durch Diffusion eines n-leitenden Dotierxmgsmaterials in das p-leitende Material delinearisiert werden.
8. Optische Steckverbindung nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelschicht der Doppelheterostruktur eine GaAs- oder GaAlAs-Schicht ist und daß die Mittelschicht durch GaAlAs-Schichten mit einer größeren Aluminium-Konzentration als der der Mittelschicht flankiert wird.

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