DE3889423T2

DE3889423T2 - Filter mit abstimmbarer Wellenlänge.

Info

Publication number: DE3889423T2
Application number: DE3889423T
Authority: DE
Inventors: Takahiro Numai
Original assignee: NEC Corp; Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1987-11-11
Filing date: 1988-11-11
Publication date: 1994-10-20
Anticipated expiration: 2008-11-12
Also published as: EP0316194B1; JPH01126621A; DE3889423D1; JP2659199B2; EP0316194A1; US4976513A

Description

Technisches Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Filter mit abstimmbarer Wellenlänge zur Anwendung auf ein optisches Übertragungssystem, eine optisches Vermittlungseinrichtung, ein optisches Informationsverarbeitungssystem und so weiter.

Ausgangssituation der Erfindung

Ein Filter mit abstimmbarer Wellenlänge hat die Funktion, ein vorgegebenes Lichtsignal aus wellenlängenmultiple xierten Lichtsignalen auszuwählen, und ist eine der Schlüsseleinrichtungen, die in großem Umfang beispielsweise in einem optischen Übertragungssystem, einer optischen Vermittlungseinrichtung, einem optischen Informationsverarbeitungssystem usw. eingesetzt wird. Bei jeder dieser Anwendungen muß das Filter mit abstiinmbarer Wellenlänge eine hinreichende Wellenlängenselektivität und einen breiten Wellenlängenabstimmbereich aufweisen. Ferner soll das Filter mit abstimmbarer Wellenlänge ein Durchstrahlungs-Wellenlängenselektionsfilter sein, da es in Form einer integrierten optischen Schaltung hergestellt werden muß.
Bisher sind einige Durchstrahlungs-Wellenlängenselektionsfilter untersucht worden. Dazu gehört ein Halbleiterfilter mit abstimmbarer Wellenlänge, dessen praktischer Einsatz erwartet wird, da es sich für eine integrierte optische Schaltung eignet. Hierbei ist vorgeschlagen worden, an eine Halbleiterlaserdiode mit verteilter Rückkopplung (DFB LD) eine Vorspannung anzulegen, die unterhalb eines Schwingungsschwellwerts liegt, und sie auf diese Weise als Filter mit abstimmbarer Wellenlänge zu verwenden. Es wird berichtet, daß bei einem derartigen Filter mit abstimmbarer Wellenlänge eine hohe theoretische Verstärkung und ein schmaler Durchlaßbereich erzielt werden. Ein derartiger Bericht findet sich in "Optics Communications", Bd. 10, Nr. 2, Februar 1974, S. 123-126. Kennwerte des Bausteins werden ferner auf S. 118 bis 121 des "Technical Digest of 1st Microoptics Conference" der "1st Microoptics Conference MOC '87 Tokyo", 15. und 16. Oktober, Ishigaki Memorial Hall, Tokyo, Japan, beschrieben.
Das Filter mit abstimmbarer Wellenlänge, bei dem die Laserdiode mit verteilter Rückkopplung (DFB LD) mit einer Spannung unterhalb eines Schwingungsschwellwerts vorgespannt wird, hat jedoch den Nachteil, die optische Verstärkung und die Tntensität der spontanen Lichtemission mit der ausgewählten Wellenlänge variieren, obwohl die ausgewählte Wellenlänge durch Steuerung der in eine aktive Schicht der Laserdiode injizierten Trägerdichte abgestimmt wird. Infolgedessen ist die in die aktive Schicht injizierte Trägerdichte im Prinzip auf einen schmalen Bereich beschränkt, um eine angemessene Wellenlängenselektivität in einem optischen Filter und ein vorgegebenes Licht-/Rauschsignal-Intensitätsverhältnis zu erzielen. Daraus ergeben sich ein schmaler Abstimmbereich für die auszuwählende Wellenlänge und eine geringe Anzahl von Kanälen.

Zusammenfassung der Erfindung

Dementsprechend besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, ein Filter mit abstimmbarer Wellenlänge und mit Verstärkungsfunktion zu schaffen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Filter mit abstimmbarer Wellenlänge und mit einer größeren Anzahl von Kanälen zu schaffen.
Die Erfindung schafft ein Filter mit abstimmbarer Wellenlänge gemäß Anspruch 1. Die optische Länge des Phasensteuerungsabschnitts wird durch Steuerung der elektrischen Stromstärke variiert, die der zweiten Elektrode zugeführt wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Filters mit abstimmbarer Wellenlänge nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
Fig. 2 ein erläuterndes Diagramm, daß die Lichtdurchlässigkeit des Filters mit abstimmbarer Wellenlänge nach dem Ausführungsbeispiel darstellt.

Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels

In Fig. 1 ist ein Filter mit abstimmbarer Wellenlänge nach dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel dargestellt. Das Filter mit abstimmbarer Wellenlänge weist Abschnitte mit verteilter Rückkopplung 100 mit einer Länge von 150 µm, einen Phasensteuerungsabschnitt 200 mit einer Länge von 100 µm und Vertiefungen 300 mit einer Breite von jeweils 20 µm auf, die zwischen dem Phasensteuerungsabschnitt 200 und den Abschnitten mit verteilter Rückkopplung 100 vorgesehen sind, außer in den zentralen Mesa-Abschnitten einer vergrabenen ebenen Doppelkanalstruktur 400. Der Schichtaufbau des Filters mit abstimmbarer Wellenlänge weist ein Substrat 110 aus n-InP auf, auf dem die folgenden Komponenten aufgebracht sind: Beugungsgitter 115 mit einer Gitterkonstante von jeweils 2380 Å in Bereichen, die den Abschnitten mit verteilter Rückkopplung 100 entsprechen, eine optische Wellenleiter- oder Führungsschicht 120 aus nichtdotiertem InGaAs mit einer Bandabstandswellenlänge von 1,3 µm und einer Dicke von 0,1 µm, eine Pufferschicht 130 aus n-Inp mit einer Dicke von 0,1 µm, in den Abschnitten mit verteilter Rückkopplung 100 aufgebrachte aktive Schichten 140 aus nichtdotiertem InGaAsP mit einer Bandabstandswellenlänge von 1,53 µm und einer Dicke von 0,1 µm, in den Bereichen mit verteilter Rückkopplung 100 aufgebrachte Mantelschichten 150 aus p-TnP, eine im Phasensteuerungsabschnitt 200 aufgebrachte Mantelschicht 160 aus p-InP, und die zuvor erwähnte vergrabene ebene Doppelkanalstruktur 400. Ferner ist auf der Rückseite des Substrats 110 eine Elektrode 500 aufgebracht, auf den oberen Flächen der Abschnitte mit verteilter Rückkopplung 100 und des Phasensteuerungsabschnitts 200 sind Elektroden 600 aufgebracht, und zur Beschichtung der Seitenf lächen sind auf beiden Seiten des Filters mit abstimmbarer Wellenlänge SiNx-Schichten 170 aufgebracht.
Entsprechend der oben beschriebenen Struktur des Filters mit abstimmbarer Wellenlänge wird nachstehend das Prinzip erläutert, nach dem eine Durchlaßwellenlänge gesteuert wird.
Zunächst wird berichtet, daß eine Durchlaßwellenlänge eines optischen Wellenleiters mit zwei Abschnitten mit verteilter Rückkopplung, die jeweils ein Beugungsgitter aufweisen, durch die optische Gitterkonstante der Beugungsgitter und die optische Phase eines Phasensteuerungsabschnitts zwischen den beiden Abschnitten mit verteilter Rückkopplung festgelegt wird, wie dies z. B. im "IEEE Journal of Quantum Electronics", Bd. QE-15, Nr. 12, Dezember 1979, S. 1405-1408, beschrieben wird. In diesem Bericht wird ein Glaswellenleiter mit einem Phasensteuerungsabschnitt verwendet, bei dem zwischen zwei Bereichen mit verteilter Rückkopplung kein Beugungsgitter vorgesehen ist. Der Phasenverschiebungsgrad θ ist in Gleichung (1) definiert.
θ = 2π (Na - Np)Lp /λ (1)
Darin bezeichnen Na den effektiven Brechungsindex der Abschnitte mit verteilter Rückkopplung, Np den effektiven Brechungsindex des Phasensteuerungsabschnitts, Lp die Länge des Phasensteuerungsabschnitts und λ eine Durchlaßwellenlänge.
Wie aus Gleichung (1) ersichtlich, variiert der Phasenverschiebungsgrad θ in Abhängigkeit von der Länge Lp, da sich die effektiven Brechungsindizes Na und Np voneinander unterscheiden. Mit anderen Worten, eine Durchlaßwellenlänge variiert innerhalb eines Sperrbereichs in Abhängigkeit von der Länge Lp. Durch den in diesem Bericht beschriebenen Glaswellenleiter wird jedoch kein Filter mit abstimmbarer Wellenlänge realisiert, da die Länge Lp nicht variiert werden kann. Andererseits variiert zwar der Phasenverschiebungsgrad λ mit der Durchlaßwellenlänge λ kann aber wegen der Durchlaßwellenlänge λ vernachlässigt werden, da deren Änderungsbetrag Δ2 im Vergleich zur Durchlaßwellenlänge λ hinreichend klein ist.
Ein weiterer Bericht findet sich in "Appl. Phys. Lett." 49 (3), 21. Juli 1986, S. 125-127, unter dem Titel "Narrowband grating resonator filters in InGaAsP/Inp waveguides" (Schmalbandfilter mit Gitterresonator in InGaAsP/InP-Wellenleitern), wonach eine Phase um π verschoben wird und eine gute Übereinstimmung zwischen experimentellen und theoretischen Werten erzielt wird. Jedoch auch dieses Filter weist nicht die Funktion der Längenänderung eines Phasensteuerungsbereichs auf.
Der Erfinder schließt daraus, daß die optische Länge (Na - Np)Lp zwischen zwei Abschnitten mit verteilter Rückkopplung gesteuert werden muß, wodurch ein Filter mit abstimmbarer Wellenlänge realisiert wird. Nach diesem Konzept wird erfindungsgemäß ein Filter mit abstimmbarer Wellenlänge und mit der weiter oben beschriebenen Struktur realisiert. Erfindungsgemäß wird der effektive Brechungsindex Np des Phasensteuerungsabschnitts 200 durch Injektion von Trägern in diesen Abschnitt variiert, um die optische Länge (Na - Np)Lp zu steuern. Der Phasensteuerungsabschnitt 200 weist eine Schicht auf, deren Bandabstandsenergie größer ist als die des einfallenden Lichts, das heißt eine optische Führungsschicht, die für das einfallende Licht durchlässig ist, so daß im Phasensteuerungsabschnitt 200 eine erhebliche Änderung des Brechungsindex erzielt wird. Wenn, wie in Fig. 1 gezeigt, der Strom Ip in den Phasensteuerungsabschnitt 200 injiziert wird, dann wird durch den Plasmaeffekt der effektive Brechungsindex Np im Phasensteuerungsabschnitt 200 vermindert. Daher verändert sich der Phasenverschiebungsgrad θ in Gleichung (1), so daß die Durchlaßwellenlänge verschoben wird. In diesem Falle ist die Änderung Δλ der Durchlaßwellenlänge klein im Vergleich zur Durchlaßwellenlänge λ, so daß die Änderung des Phasenverschiebungsgrades e als Funktion von der Änderung Δλ vernachlässigbar ist. Andererseits weisen die Abschnitte mit verteilter Rückkopplung 100 jeweils die aktiven Schichten 140 auf, so daß die optische Verstärkung durch den Strom Ia gesteuert wird, der in die Abschnitte mit verteilter Rückkopplung 100 injiziert wird. Ohne die in den Abschnitten mit verteilter Rückkopplung 100 vorgesehenen aktiven Schichten 140 wird selbstverständlich keine optische Verstärkung erzielt, und man erhält nur eine kleine Lichtdurchlässigkeitsdifferenz zwischen einer Resonanzwellenlänge (einer Wellenlänge mit Durchlässigkeitsmaximum) und einer Nichtresonanzwellenlänge. Dies bedeutet ein schlechtes Signal-Rausch-Verhältnis in einem Falle, wo wellenlängenmultiplexierte Lichtsignale einem Filter mit abstimmbarer Wellenlänge zugeführt werden, da Licht mit anderen Wellenlängen als der Resonanzwellenlänge durch das Filter mit abstimmbarer Wellenlänge durchgelassen wird. Aus diesem Grunde weisen die Abschnitte mit verteilter Rückkopplung 100 die aktiven Schichten 140 auf. Wenn daher, wie in Fig. 1 gezeigt, dem Filter mit abstimmbarer Wellenlänge Lichtsignale mit den Wellenlängen λ1 bis λn zugeführt werden, dann wird von dem Filter mit abstimmbarer Wellenlänge ein ausgewähltes Lichtsignal mit einer Wellenlänge λi, die gleich einer Resonanzwellenlänge ist, einer nachfolgenden Stufe zugeführt. Bei einer solchen Arbeitsweise wird der Absorptionsverlust im Phasensteuerungsabschnitt 200 geringfügig erhöht, und der Schwingungsschwellwert in diesem Abschnitt verändert sich, wenn Träger in den Phasensteuerungsabschnitt 200 injiziert werden. Daher wird die Injektion von Trägern in die Abschnitte mit verteilter Rückkopplung 100 getrennt vom Phasensteuerungsabschnitt 200 gesteuert, so daß die Wellenlängenauswahl unabhängig von der Regelung der optischen Verstärkung gesteuert wird. Obwohl bei einem Filter mit abstimmbarer Wellenlänge, das eine Halbleiterlaserdiode mit verteilter Rückkopplung (DFB LD) mit einer Vorspannung unterhalb eines Schwingungsschwellwertes verwendet, wodurch die ausgewählte Wellenlänge und die optische Verstärkung gleichzeitig variiert werden, der Wellenlängenabstimmbereich nur einige Ä beträgt, ist bei dem erfindungsgemäßen Filter mit abstimmbarer Wellenlänge zu erwarten, daß man eine beträchtliche Anzahl von Kanälen erhält, da der Wellenlängenabstimmbereich durch einen Sperrbereich von 30-40 Å begrenzt wird (der Bereich verändert sich allerdings in Abhängigkeit von den Konstruktionsparametern).
Als nächstes wird ein Herstellungsverfahren für das oben erwähnte Filter mit abstimmbarer Wellenlänge erläutert.
Zunächst werden auf Abschnitten, die den Abschnitten mit verteilter Rückkopplung 100 des Substrats 110 entsprechen, die Beugungsgitter 115 ausgebildet. Dann läßt man durch eine erste Flüssigphasenepitaxie die optische Führungsschicht 120, die Pufferschicht 130, die aktive Schicht 140 und die Mantelschicht 150 nacheinander auf das Substrat 110 aufwachsen. Danach werden die aktive Schicht 140 und die Mantelschicht 150 von einem Teil, der dem Phasensteuerungsabschnitt 200 entspricht, selektiv entfernt, und auf dem freigelegten Teil läßt man durch eine zweite Flüssigphasenepitaxie die Mantelschicht 160 aufwachsen. Zur Eingrenzung der Ladungsträger und zur Transversalwellensteuerung läßt man auf dieser Schicht die vergrabene ebene Doppelkanalstruktur aufwachsen. Nach einer Mesaätzung wird durch eine dritte Flüssigphasenepitaxie die vergrabene Epitaxie ausgeführt. Dann werden auf der Seite der Epitaxieschichten bzw. auf der Substratseite 110 die Elektroden 600 bzw. 500 aufgebracht und zur elektrischen Trennung werden die Vertiefungen 300 ausgebildet, außer in den zentralen Mesa-Abschnitten zwischen dem Phasensteuerungsabschnitt 200 und jedem der Abschnitte mit verteilter Rückkopplung 100. Schließlich werden die SiNx-Schichten 170 aufgebracht, um die Seitenflächen auf beiden Seiten des Filters mit abstimmbarer Wellenlänge zu beschichten und dadurch den Reflexionskoeffizienten der Seitenflächen zu vermindern. Das auf diese Weise hergestellte Filter mit abstimmbarer Wellenlänge hat eine Länge von 440 µm, wobei die Länge der Abschnitte mit verteilter Rückkopplung 100 gleich 150 µm und die Länge des Phasensteuerungsabschnitts 200 gleich 100 µm ist, wie weiter oben beschrieben.
Fig. 2 zeigt die Charakteristik des in Fig. 1 dargestellten Filters mit abstimmbarer Wellenlänge, die nach dem folgenden Verfahren gemessen wird. Eine Laserdiode mit verteiltem Bragg-Reflektor (DBR LD) und abstimmbarer Wellenlänge dient als Lichtquelle, von der durch eine optische Einmodenfaser mit halbkugelförmigem Ende, die optisch mit dem Filter mit abstimmbarer Wellenlänge gekoppelt ist, Licht emittiert wird. Am Eingang der optischen Faser ist eine Polarisationssteuereinrichtung angeordnet, um transversal-elektrisch polarisiertes (TE-polarisiertes) Eingangslicht mit einer Intensität von -40 dBm zu erhalten. Die beiden Abschnitte mit verteilter Rückkopplung 100 sind durch Anschlußdrähte verbunden, durch die der Strom Ia in die Abschnitte injiziert wird. Das Durchlaßspektrum wird unter Veränderung des in den Phasensteuerungsabschnitt 200 injizierten Stromes Ip gemessen. Der Strom Ia wird auf das 0,9-fache der Schwingungsschwellwert-Stromstärke eingestellt. Mit zunehmender Stromstärke Ip verschiebt sich die Durchlaßwellenlänge monoton zu kürzeren Wellenlängen hin, so daß man einen Wellenlängenabstimmbereich von 40 Å erhält, wobei gleichzeitig eine hohe Verstärkung von 10 dB zwischen dem Filter mit abstimmbarer Wellenlänge und der optischen Faser aufrechterhalten wird. Die Bandbreiten bei einem Pegel unterhalb des maximalen Durchlässigkeitsgrades von 10 dB sind, wie in Fig. 2 dargestellt, jeweils gleich 1 Å. Während des Betriebs, bei dem eine ausgewählte Wellenlänge variiert wird, wird jede der Bandbreiten auf 1 Å gehalten. Bei einer zulässigen Nebensprechtoleranz von -10 dB kann das Filter mit abstimmbarer Wellenlänge auf ein optisches Filter für 80 Kanäle angewendet werden.
Material und Zusammensetzung in dem Ausführungsbeispiel können durch ein anderes Halbleitermaterial, wie z. B. ein Material des GaAs-Systems oder ein Dielektrikum wie TiO&sub2;, Al&sub2;O&sub3; usw., ersetzt werden. Außerdem ist die Struktur des optischen Wellenleiters nicht auf eine planare Struktur oder eine vergrabene Struktur beschränkt.

Claims

1. Filter mit abstimmbarer Wellenlänge, welches aufweist:

ein Halbleitersubstrat (110) mit einer Masseelektrode (500);

zwei auf dem Halbleitersubstrat aufgebrachte-verteilte Rückkopplungsabschnitte (100) mit einer ersten Elektrode (600);

einen Phasensteuerungsabschnitt (200) mit einer zweiten Elektrode, der auf dem Halbleitersubstrat zwischen den verteilten Rückkopplungsabschnitten aufgebracht und optisch mit diesen gekoppelt ist, wobei der Phasenverschiebungsgrad des Phasensteuerungsabschnitts von der zweiten Elektrode gesteuert wird;

wobei die Bandabstandsenergie des Phasensteuerungsabschnitts größer ist als die der verteilten Rückkopplungsabschnitte, und wobei jeder verteilte Rückkopplungsabschnitt eine aktive Schicht (140) aufweist, um eine optische Verstärkungsregelung zu ermöglichen, während der Phasensteuerungsabschnitt keine aktive Schicht aufweist.

2. Filter mit abstimmbarer Wellenlänge nach Anspruch 1, wobei mindestens eine Seite des Filters an einem Ende des optischen Weges durch das Filter mit einem Siliziumnitridfilm beschichtet ist, um den Reflexionskoeffizienten der Filterseite herabzusetzen.

3. Filter mit abstimmbarer Wellenlänge nach Anspruch 1 oder 2,

wobei jeder der verteilten Rückkopplungsabschnitte ein auf einem ersten Teil des Halbleitersubstrats ausgebildetes Beugungsgitter, eine Lichtwellenleiterschicht, eine Pufferschicht, die aktive Schicht und eine Mantelschicht, die man nacheinander auf dem Beugungsgitter des Halbleitersubstrats aufwachsen läßt, sowie eine auf der Mantelschicht aufgewachsene vergrabene ebene Doppelkanalstruktur aufweist, und wobei der Phasensteuerungsabschnitt die Lichtwellenleiterschicht, die Pufferschicht und die Mantelschicht, die man nacheinander auf einem zweiten Teil des Halbleitersubstrats ohne Beugungsgitter aufwachsen läßt, sowie eine auf der Mantelschicht aufgewachsene vergrabene ebene Doppelkanalstruktur aufweist.

4. Filter mit abstimmbarer Wellenlänge nach Anspruch 3, das ferner Vertiefungen aufweist, die zwischen dem Phasensteuerungsabschnitt und jedem der verteilten Rückkopplungsabschnitte vorgesehen sind, wobei jede der Vertiefungen bis zu der Pufferschicht reicht, außer in einem zentralen Mesa-Abschnitt der vergrabenen ebenen Doppelkanalstruktur.