DE68916574T2 - Strahlungskoppler. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Koppeln elektromagnetischer Strahlung mit mindestens einem streifenförmigen ersten Strahlungsleiter, der an mindestens einem Ende in zwei weitere streifenförmige Strahlungsleiter verzweigt, wobei alle Strahlungsleiter von einem Material mit kleinerer Brechzahl für die genannte Strahlung als die Strahlungsleiter begrenzt werden und wobei die Strahlungsleiter Teil einer Halbleiterschichtstruktur mit im Querschnitt in Richtung der Dicke mindestens zwei strahlungsleitenden Schichten sind, die jeweils einen der weiteren streifenförmigen Strahlungsleiter umfassen und durch eine Abdeckschicht getrennt werden, die eine Meinere Brechzahl für die genannte Strahlung hat, wobei sich die Abdeckschicht in Richtung des streifenförmigen ersten Strahlungsleiters verjüngt und am Ort des ersten streifenförmigen Strahlungsleiters die beiden strahlungsleitenden Schichten innerhalb des Profils ihrer gegenseitigen optischen Felder liegen und den ersten Strahlungsleiter bilden.
• Solche Kopplungsanordnungen sind unter anderem für die Verwendung als Wellenlängenmultiplex- und -demultiplexanordnung bei optischen Glasfaserkommunikationssystemen und als Optikkoppleranordnung in einem optischen Glasfaser-Gyroskop geeignet. Allgemeiner können diese Kopplungsanordnungen, die in gewisser Weise als Festkörper-Analogon eines halbdurchlässigen Spiegels betrachtet werden können, einen wesentlichen Teil optoelektronischer Anordnungen darstellen, die als "integrierte Optik" bezeichnet werden.
• Eine Kopplungsanordnung der beschriebenen Art ist aus JP(A) 62-121.408 bekannt, das in den Patent Abstracts of Japan, Bd. 11, Nr. 337 am 5. November 1987 veröffentlicht worden ist. Diese Kopplungsanordnung weist eine ebene erste strahlungsleitende Schicht aus InGaAsP auf, die den ersten Strahlungsleiter und einen der mindestens zwei weiteren Strahlungsleiter bildet. Über der strahlungsleitenden Schicht ist eine zweite strahlungsleitende Schicht plaziert, die den anderen der mindestens zwei weiteren Strahlungsleiter bildet und von der ersten strahlungsleitenden Schicht durch eine sich verjüngende Abdeckschicht getrennt ist. Diese Anordnung soll im weiteren als vertikale y-förmige Struktur bezeichnet werden.
• Eine andere Kopplungsanordnung mit einem Strahlungsleiter, der in mindestens zwei weitere Strahlungsleiter verzweigt, ist aus einer unter der Nr. EP 0152991 veröffentlichten europäischen Patentan meldung bekannt. Diese Anmeldung beschreibt eine integrierte Wellenlängenmultiplex- und -demultiplexanordnung aus einem streifenförmigen Strahlungsleiter, der sich auf einem Substrat befindet und der an jedem Ende in zwei weitere streifenförmige Strahlungsleiter verzweigt. Alle Strahlungsleiter werden von einem Material begrenzt, das eine kleinere Brechzahl für die verwendete Strahlung hat als die Strahlungsleiter. Diese Anordnung soll im weiteren mit dem Begriff "horizontale doppelte Y-förmige Struktur" bezeichnet werden. Diese Struktur kann als aus zwei einzelnen horizontalen Y-förmigen Strukturen aufgebaut angesehen werden. in der obengenannten Patentanmeldung werden Glas, Lithiumniobat und Galliumarsenid als Materialien erwähnt, aus denen die Anordnung gebildet werden kann. Falls das Substrat beispielsweise aus Lithiumniobat besteht, kann örtlich eine bestimmte Anzahl Titanatome pro cm&sub3; vorhanden sein, so daß dort die Brechzahl größer wird. Auf diese Weise können Strahlungsleiter hergestellt werden. Für eine Verwendung der Anordnung, wie sie in der genannten Patentanmeldung beschrieben wird, sollte die Breite der streifenförmigen Strahlungsleiter bestimmte Anforderungen erfüllen, die hier nicht weiter besprochen werden.
• Ein Nachteil der letztgenannten Anordnung ist, daß sie einen verhältnismäßig großen Teil der Substratoberfläche einnimmt. im Falle beispielsweise einer horizontalen Y-förmigen Struktur ist die hierfür benötigte Oberfläche wegen der notwendigerweise allmählichen Verzweigung der beiden weiteren Strahlungsleiter nämlich größer als die Gesamtfläche der, in diesem Beispiel drei, Strahlungsleiter. Der folgende Effekt ist jedoch noch wichtiger: es muß möglich sein, aktive oder passive optoelektronische Komponenten mit den freien Enden der beiden weiteren Strahlungsleiter zu koppeln. Diese haben häufig Abmessungen von einigen hundert Mikrometern. Daher müssen die freien Enden der weiteren Strahlungsleiter voneinander in einem Abstand von beispielsweise einigen Hundert - angenommen 200 - um liegen. Wegen der bereits erwähnten, notwendigerweise allmählichen Verzweigung - was bedeutet, daß beispielsweise der Tangens des Winkels zwischen den beiden weiteren Strahlungsleitern kleiner als 1/60 sein muß - wird die erforderliche Länge der weiteren Strahlungsleiter sehr groß. Für die gegebenen Zahlenwerte muß die Länge größer als 60 x 200 um (= 12 mm) sein.
• Ein weiterer, mit dem zuvor genannten Nachteil zusammenhängender Nachteil ist, daß jede aktive oder passive optoelektronische Komponente, die mit der Anordnung integriert wird und mit einem der drei Strahlungsleiter der horizontalen Y- förmigen Strukturen gekoppelt ist, einen Teil der Oberfläche belegt.
• Schließlich muß ein technologischer Nachteil erwähnt werden, d. h. ein Nachteil, der mit dem Herstellungsverfahren verbunden ist. Es wird deutlich sein, daß infolge der Tatsache, daß sowohl die Dicke als auch die Breite der streifenförmigen Strahlungsleiter sehr gleichmäßig sein sollten, bei der Herstellung einer Struktur mit mehreren Strahlungsleitern mittels Aufwachsen und Diffusion oder Ätzen strengere Anforderungen an diese Prozesse gestellt werden müssen, wenn die Oberfläche der Struktur relativ groß ist.
• Eine der Aufgaben der Erfindung ist, die genannten Nachteile in beträchtlichem Maße zu vermeiden und insbesondere eine Kopplungsanordnung zu verschaffen, die als 3-dB-Teiler verwendet werden kann, und die zur Herstellung der Anordnung notwendige Oberfläche, einschließlich der für mit der Anordnung verbundene und damit integrierte, aktive oder passive optoelektronische Komponenten notwendigen Oberfläche, möglichst klein zu machen.
• Die Erfindung beruht unter anderem auf der Erkenntnis, daß das beabsichtigte Ziel erreicht werden kann, indem ein geeignetes Verfahren zur Herstellung einer vertikalen Struktur von Strahlungsleitern verwendet wird.
• Hierzu ist eine Kopplungsanordnung der eingang erwähnten Art dadurch gekennzeichnet, daß die Verjüngung der Abdeckschicht und die Verzweigung des ersten Strahlungsleiters in mindestens zwei weitere Strahlungsleiter in Richtung der Dicke der Halbleiterschichtstruktur symmetrisch sind.
• Solch eine optische Kopplungsanordnung hat eine vertikale Y-förmige Struktur anstelle einer vertikalen y-förmigen oder einer horizontalen Y-förmigen Struktur und ist für eine Verwendung als 3-dB-Koppler sehr geeignet. In der erfindungsgemäßen Anordnung ist es unter anderem möglich, daß im Falle einer Y- förmigen Struktur aus streifenförmigen Strahlungsleitern die beiden weiteren streifenförmigen Strahlungsleiter nach der Verzweigung übereinander liegen und somit keine größere Oberfläche des Substrats einnehmen als ein einzelner Strahlungsleiter. in diesem Fall können sie als "vertikale Y-förmige Struktur" bezeichnet werden. Eine erfindungsgemäße Kopplungsanordnung kann auch mit zwei vertikalen Y-förmigen Strukturen aufgebaut werden. Sie kann dann als doppelte Y-förmige Struktur bezeichnet werden, in der das vorstehend bezüglich des Flächengewinns Gesagte für jede der Y- förmigen Strukturen gilt. Die Anzahl Strahlungsleiter, in die ein Strahlungsleiter aufgeteilt werden kann, ist ebenso wie für einen horizontalen Aufbau nicht auf zwei begrenzt. Vermutlich ist es unnötig zu erwähnen, daß Kombinationen aus einer oder mehreren horizontalen Y-förmigen Strukturen mit einer oder mehreren vertikalen Y- förmigen Strukturen auch möglich sind. Ebensowenig ist es unbedingt notwendig, daß die weiteren Strahlungsleiter genau oder nahezu genau übereinander liegen. Mindestens einer der weiteren Strahlungsleiter kann mit mindestens einem der übrigen weiteren Strahlungsleitern einen Winkel einschließen. Gefordert wird, daß mindestens zwei der weiteren Strahlungsleiter in zwei voneinander durch eine Abdeckschicht getrennten leitenden Schichten liegen.
• Eventuell vorhandene aktive oder passive optoelektronische Halbleiterkomponenten können, soweit sie sich auf der Seite der Verzweigung befinden, wo mindestens zwei Strahlungsleiter übereinander liegen, ebenfalls übereinander plaziert werden. Die zu diesen Komponenten gehörenden Halbleiterschichten können vollständig oder teilweise die gleichen sein wie die für die vertikale Y-förmige Struktur erforderlichen Schichten. Das bedeutet, daß solche Komponenten zusammen mit der vertikalen Y-förmigen Struktur in einem einzigen Aufwachsprozeß angebtacht werden können. Die Packungsdichte der genannten optoelektronischen Komponenten nimmt auf diese Weise auch zu, so daß die benötigte Oberfläche verringert werden kann.
• Soweit es die Kopplung von Glasfasern mit einer vertikalen Y-Struktur betrifft, wird auf die im folgenden zu beschreibenden Beispiele verwiesen.
• Einer der oben genannten Vorteile hinsichtlich des Verfahrens zur Herstellung einer doppelten vertikalen Y-Struktur im Unterschied zu einer horizontalen doppelten Y-Struktur kann folgendermaßen erklärt werden: wenn sich die Strahlungsleiter in einer Galliumarsenid enthaltenden Schicht befinden, die in Richtung der Dicke von einer Aluminiumgalliumarsenid-Schicht mit kleiner Brechzahl begrenzt wird, fehlt noch die Lichtleitung in Richtung der Dicke des Strahlungsleiters. Diese kann realisiert werden, indem örtlich Zinkatome in die Galliumarsenid-Schicht eingebracht werden, beispielsweise mit Hilfe lokaler Diffusion unter Verwendung einer Maske. Im Falle einer vertikalen doppelten Y-förmigen Struktur kann eine solche Diffusion unter Verwendung nur einer einzigen streifenförmigen Maske erfolgen. Da sowohl die Oberfläche als auch der Umfang der genannten Maske kleiner ist als im Fall einer horizontalen doppelten Y-förmigen Struktur, wird die Gleichmäßigkeit der Breite der Strahlungsleiter und beispielsweise der Brechzahl in den Gebieten der neben den Strahlungsleitern liegenden Galliumarsenid-Schichten besser sein als in einer horizontalen Y-förmigen Struktur.
• Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
• Fig. 1 eine schematische, perspektivische Ansicht einer bekannten Kopplungsanordnung,
• Fig. 2 eine schematische, perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kopplungsanordnung,
• Fig. 3 eine schematische Querschnittsansicht entlang der Linie III-III der in Fig. 2 gezeigten Kopplungsanordnung,
• Fig. 4 bis 9 die Kopplungsanordnung von Fig. 3 in aufeinanderfolgenden Stadien der Herstellung,
• Fig. 10 eine schematische, perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kopplungsanordnung,
• Fig. 11 eine schematische Querschnittsansicht entlang der Linie XI-XI der in Fig. 10 gezeigten Kopplungsanordnung,
• Fig. 12 schematisch ein erfindungsgemäßes optischen Glasfaser- Gyroskops.
• Fig. 13 eine schematische Draufsicht des in Fig. 12 gezeigten optischen Glasfaser-Gyroskops, und
• Fig. 14 eine schematische Querschnittsansicht entlang der Linie XIV-XIV des in Fig. 12. gezeigten optischen Glasfaser-Gyroskops.
• Die Zeichnung ist schematisch und nicht maßstabsgetreu, wobei insbesondere die Abmessungen in Richtung der Dicke der Deutlichkeit halber stark vergrößert dargestellt sind. Gleiche Teile haben in den verschiedenen Ausführungsformen im allgemeinen gleiche Bezugszeichen. Halbleiterbereiche des gleichen Leitungstyps sind in den Querschnitten im allgemeinen in der gleichen Richtung schraffiert.
• Fig. 1 ist eine schematische, perspektivische Ansicht einer bekannten Anordnung zur Kopplung elektromagnetischer Strahlung. Die Kopplungsanordnung umfaßt einen Halbleiterkörper mit einem Halbleitersubstrat 1 aus einkristallinem Galliumarsenid, auf dem eine erste Halbleiterschicht 2 und eine zweite Halbleiterschicht 8 mit größerer Brechzahl als die erste Halbleiterschicht aufgebracht sind. Ein erster streifenförmiger Strahlungsleiter 20, der an mindestens einem Ende in zwei weitere streifenförmige Strahlungsleiter 21 und 22 verzweigt, befindet sich in der zweiten Halbleiterschicht 8, wobei alle Strahlungsleiter von einem Material mit kleinerer Brechzahl für die genannte Strahlung als die Strahlungsleiter begrenzt werden. Die bekannte Anordnung soll im folgenden als "horizontale Y-förmige Struktur" bezeichnet werden. Für ein gutes Funktionieren der genannten Kopplungsanordnung ist es unter anderem notwendig, daß der Tangens des Winkels, den die zwei beiden weiteren Strahlungsleiter miteinander bilden (bevor sie parallel verlaufen) kleiner oder gleich 1/60 ist. Wenn eine Halbleiterkomponente oder eine Glasfaser mit Abmessungen, die in der Praxis zwischen 50 und 200 um liegen, mit dem Ende der beiden weiteren Strahlungsleiter 21 und 22 verbunden werden soll, bedeutet das, das der Abstand zwischen den beiden Enden der Strahlungsleiter 21 und 22 den gleichen Wert haben muß. Für einen Abstand von beispielsweise 200 um bedeutet das, daß der Abstand, über den die Strahlungsleiter 2l und 22 auseinander laufen müssen, ungefähr 12 mm (60 x 200 um) beträgt. Folglich werden die Abmessungen solcher Kopplungsanordnungen zumindest in der Längsrichtung sehr groß, so daß die Abmessungen der verfügbaren Halbleitersubstrate eine Beschränkung darstellen könnten und sich hierdurch bei der Herstellung solcher Anordnungen auch Ausbeuteprobleme ergeben. Dieser Nachteil wird um so größer, je mehr Kopplungsanordnung die Halbleiteranordnung enthält. Die benötigte Substratoberfläche wird auch größer, weil die Strahlungsleiter 21 und 22 nebeneinander liegen und (somit) jeder einen Teil der Substratfläche einnehmen.
• Fig. 2 ist eine schematische perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kopplungsanordnung. Fig. 3 ist eine schematische Querschnittsansicht der Anordnung entlang der Linie III-III von Fig. 2. Die in diesen Figuren gezeigte erfindungsgemäße Anordnung zur Kopplung elektromagnetischer Strahlung umfaßt einen ersten streifenförmigen Strahlungsleiter 20, der sich an einem Ende in mindestens zwei weitere streifenförmige Strahlungsleiter 21 und 22 aufteilt. All diese Strahlungsleiter werden von einem Material mit kleinerer Brechzahl als die Strahlungsleiter begrenzt, wie im folgenden näher erläutert werden soll. Die Kopplungsanordnung umfaßt einen Halbleiterkörper mit einem Halbleitersubstratgebiet 1, in diesem Beispiel aus einkristallinem Galliumarsenid. Hierauf ist eine Halbleiterschichtstruktur aufgebracht, die in einem Querschnitt in Richtung der Dicke eine erste Abdeckschicht 2 und zwei strahlungsleitende Schichten 3 und 5 aufweist, die jede einen weiteren streifenförmigen Strahlungsleiter umfassen, und zwar Strahlungsleiter 21 in Schicht 3 und Strahlungsleiter 22 in Schicht 5. Die strahlungsleitenden Schichten 3 und 5 sind voneinander durch eine zweite örtlich unterbrochene Abdeckschicht 4 mit kleinerer Brechzahl für die genannte Strahlung getrennt. Am Ort der Unterbrechung vereinigen sich die beiden strahlungsleitenden Schichten 3 und 5 zu einer einzigen strahlungsleitenden Schicht 7, die den ersten Strahlungsleiter 20 umfaßt. Über den strahlungsleitenden Schichten 5 und 7 befindet sich eine dritte Abdeckschicht 6. Die Abdeckschichten 2, 4 und 6 bestehen aus Aluminiumgalliumarsenid mit einem Aluminiumgehalt von 30 Atom-% und einer Brechzahl von 3,42, während die strahlungsleitenden Schichten 3, 5 und 7 aus Aluminiumgalliumarsenid mit einem Aluminiumgehalt von 10 Atom-% und einer Brechzahl von 3,59 bestehen. Diejenigen Teile der Halbleiterschichtstruktur, die vor der Fläche V und hinter der Fläche W in dem Halbleiterkörper liegen, sind mit Zinkatomen verunreinigt. Die streifenförmigen Strahlungsleiter, die zwischen den Flächen V und W liegen, sind somit innerhalb der Halbleiterschicht, zu der sie gehören, von einem Material mit kleinerer Brechzahl begrenzt. Daher wird Strahlung, die beispielsweise eine Wellenlänge von ungefähr 750 nm hat, kaum in den strahlungsleitenden Schichten 3, 5 und 7 absorbiert und wird von den an die strahlungsleitenden Schichten grenzenden Abdeckschichten in die Richtung quer zu der Halbleiterschichtstruktur geleitet. Die Leitung innerhalb der strahlungsleitenden Schicht wird von den an jeden Strahlungsleiter grenzenden und mit Zinkatomen verunreinigten Gebieten bewirkt.
• Der Leitungstyp der strahlungsleitenden Halbleiterschicht ist nicht sehr kritisch und hängt im allgemeinen von der für die Herstellung verwendeten Aufwachstechnik ab. Allerdings ist es im Zusammenhang mit der Absorption freier Ladungsträger und unerwünschter Streuung der Strahlung wünschenswert, daß die Dotierungskonzentration in jedem strahlungsleitenden Halbleitermaterial möglichst gering ist.
• Die in diesem Beispiel beschriebene erfindungsgemäße Kopplungsanordnung kann beispielsweise folgendermaßen hergestellt werden (siehe Fig. 4). Ausgangsmaterial ist ein Substrat 1 aus einkristallinem Galliumarsenid mit beispielsweise einer (001)-Orientierung. Über dem Substrat wird eine Anzahl zylindrischer Stäbe 32 mit einem Durchmesser von beispielsweise 1 mm parallel zur [110]-Richtung des Substrats plaziert. Die zylindrischen Stäbe sind Teil eines Gitters F mit einem Gitterabstand von 2 mm. Die zylindrischen Stäbe 32 berühren die Oberfläche des Substrats 1 gerade eben nicht. Hierauf wird eine undotierte 5 bis 10 um dicke Schicht 2 aus Al0,30Ga0,70As beispielsweise durch pyrolytische Zersetzung organometallischer Verbindungen, beispielsweise Trimethylgallium und Trimethylaluminium und von beispielsweise Arsin aus der Gasphase aufgewachsen, ein Prozeß, der als OMVPE (= Organo Metallic Vapour Phase Epitaxy) bekannt ist. Unter der Dicke von Schicht 2 soll hier die maximale Dicke der Schicht 2 verstanden werden, die genau in der Mitte zwischen zwei nebeneinander liegenden zylindrischen Stäben 32 erhalten wird (siehe Fig. 5). Infolge von Schattenwirkung der zylindrischen Stäbe 32 wird die Schichtdicke der Schicht 2 genau unter den Stäben minimal, beispielsweise einige Mikrometer. Diese Schattenwirkung wird erhalten, weil der OMVPE-Prozeß in dem sogenannten diffusionsbegrenzten Gebiet abläuft. Die Verwendung von Masken, um auf diese Weise Halbleiterschichten dünner zu machen, ist an sich bereits bekannt (siehe EP 0057587). Zu Einzelheiten bezüglich dieser Aufwachstechnik sei auf den Übersichtsaatikel von M.J.Ludowise, "Metalorganic chemical vapour deposition of III-V Halbleiters" in Journal of Applied Physics, 58 (1985) 3l verwiesen. Das Gitter F mit den zyhndrischen Stäben 32 wird dann entfernt, woraufhin der Aufwachsprozeß wiederholt wird (siehe Fig. 6). Eine undotierte, ungefähr 1 um dicke Schicht 3 aus Al0,10Ga0,90As wird über der Schicht 2 aufgewachsen. Der Aufwachsprozeß wird unterbrochen und das Gitter F mit den zylindrischen Stäben 32 wird wieder auf der Halbleiterschichtstruktur plaziert und zwar so, daß die zylindrischen Stäbe 32 genau auf den in Fig. 6 mit T bezeichneten Kappen der Halbleiterschichtstruktur ruhen. Der Aufwachsprozeß wird wiederholt, und eine undotierte, ungefähr 5 bis 10 um dicke Schicht 4 aus Al0,30Ga0,70As wird über der Struktur aufgewachsen, so daß die Struktur von Fig. 7 erhalten wird. Das Gitter F mit den zylindrischen Stäben 32 wird dann wieder entfernt, und der Aufwachsprozeß wird fortgesetzt. Auf der Struktur werden eine ungefähr 1 um dicke, aus Al0,10Ga0,90As bestehende Halbleiterschicht 5, die sich örtlich mit der Halbleiterschicht 3 vereinigt und dort die Halbleiterschicht 7 bildet, und schließlich eine ungefähr 5 um dicke Halbleiterschicht 6 aus Al0,30Ga0,70As aufgewachsen (siehe Fig. 8). Schließlich wird auf der Schichtstruktur eine dünne, beispielsweise 0,2 um dicke Schicht 31 aus Siliciumdioxid mittels beispielsweise Sputtern oder pyrolytische Zersetzung aufgebracht. Eine Draufsicht der in Fig. 8 gezeigten Struktur wird schematisch in Fig. 9 gezeigt. Soweit sich die Schicht 31 außerhalb der Flächen V und W befindet, wird sie mit Hilfe photolithographischer Techniken und allgemein üblicher Ätzmittel weggeätzt (siehe Fig. 9).
• Der Halbleiterkörper wird dann in eine Quarzkapsel mit Zinkarsenid (ZnAs&sub2;) gebracht. Durch ungefahr dreistündiges Erhitzen der Kapsel bei 700 ºC diffundieren Zinkatome außerhalb des streifenförmigen Gebiets aus Siliciumdioxid, das zwischen den Flächen V und W liegt in den Halbleiterkörper, bis in die Halbleiterschicht 2 bis zu einer Tiefe von ungefähr 10 um. Auf diese Weise werden in Fig. 8 die streifenförmigen Strahlungsleiter zwischen C und C', die in Fig. 3 mit 20, 21 und 22 bezeichnet werden, in den strahlungsleitenden Schichten 3, 5 und 7 gebildet. In der Richtung der Breite werden die genannten Strahlungsleiter von dem Material begrenzt, das wegen der dort vorhandenen Zinkatome eine kleinere Brechzahl als die strahlungsleitenden Schichten zwischen den Flächen V und W hat. Der Abstand b zwischen den Flächen V und W wird so gewählt, daß die Strahlungsleiter unter Berücksichtigung seitlicher Diffusion die gewünschte Breite von beispielsweise 3 um erhalten. Schließlich wird die Struktur von Fig. 8 in der [110]-Richtung an den mit C und C' bezeichneten Stellen gespalten, wodurch ein Exemplar der Kopplungsanordnung von Fig. 2 und 3, nämlich eine einzelne vertikale Y-förmige Struktur von Strahlungsleitern erhalten wird.
• Eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kopplungsanordnung wird von der in der schematischen perspektivischen Ansicht von Fig. 10 gezeigten Anordnung gebildet. Eine schematische Querschnittsansicht entlang der Linie XI-XI wird in Fig. 11 gezeigt. Diese Kopplungsanordnung umfaßt ebenfalls einen Halbleiterkörper mit einem Halbleitersubstratgebiet 1, in diesem Beispiel aus einkristallinem Galliumarsenid. Hierauf befindet sich eine Halbleiterschichtstruktur, die in einem Querschnitt in Richtung der Dicke (siehe Fig. 10) eine erste Abdeckschicht 2 und zwei strahlungsleitende Schichten 3 und 5 hat, die voneinander durch eine zweite Abdeckschicht 4 mit kleinerer Brechzahl für die genannte Strahlung als die strahlungsleitenden Schichten getrennt sind, wobei die Schicht 4 örtlich unterbrochen ist. Am Ort der Unterbrechung vereinigen sich die beiden strahlungsleitenden Schichten 3 und 5 zu einer einzigen strahlungsleitenden Schicht 7, die einen ersten Strahlungsleiter 20 enthält. Dieser Strahlungsleiter verzweigt an einem Ende in zwei weitere Strahlungsleiter 21 und 22 und am anderen Ende in weitere Strahlungsleiter 21' und 22'. Über den strahlungsleitenden Schichten 5 und 7 ist eine dritte Abdecksehicht 6 vorhanden. Die Abdeckschichten und die strahlungsleitenden Schichten haben die gleiche Zusammensetzung und die gleichen Brechzahlen wie die entsprechenden Schichten aus dem vorhergehenden Beispiel.
• Die Halbleiter-Kopplungsanordnung dieses Beispiels kann in analoger Weise wie die Kopplungsanordnung des vorhergehenden Beispiels hergestellt werden. Der einzige Unterschied betrifft den letzten Schritt des Herstellungsverfahrens für die Kopplungsanordnung des vorhergehenden Beispiels. Dieser Schritt, nämlich das Spalten der in Fig. 8 dargestellten Struktur, wird jetzt entlang der Linien C' und C" ausgeführt.
• Wenn in solch einer Halbleiterschichtstruktur (siehe Fig. 10 und 11) nur einige Strahlungsleiter gebildet werden sollen, beispielsweise die Strahlungsleiter 20, 22 und 22', kann dies unter anderem durch die vorstehend genannte Diffusion von Zinkatomen entweder über kürzere Zeit oder bei niedrigerer Temperatur erfolgen, so daß die Tiefe der Diffusion kleiner als die Summe der Schichtdicken der Halbleiterschichten 5 und 6 am Ort der strahlungsleitenden Schicht 7 ist. Die Zinkdiffusion kann örtlich auch tiefer sein. Dies kann beispielsweise erreicht werden, indem anfangs die Stellen, wo eine nicht tiefe Zinkdiffusion gewünscht wird, mit Siliciumdioxid überzogen werden. Die Zinkdiffusion wird dann zu einem geeigneten Zeitpunkt unterbrochen, woraufhin der Überzug (auch) an den zuletzt genannten Stellen entfernt wird und die Diffusion fortgesetzt wird. Auf diese Weise können in der Struktur von Fig. 10 örtlich zwei Strahlungsleiter übereinander vorhanden sein, z.B. die Strahlungsleiter 21 und 22, während woanders nur der oberste Strahlungsleiter gebildet wird, beispielsweise Strahlungsleiter 22'. Dies kann vorteilhaft genutzt werden, wie aus einem anschließend zu beschreibenden Beispiel deutlich werden wird.
• Es sei wiederum bemerkt, daß es mehrere Verfahren gibt, um die Leitung in Richtung der Breite der Strahlungsleiter zu bewirken. Erstens beispielsweise kann das vorstehend erwähnte lokale Wegätzen des Halbleiterkörpers so erfolgen, daß streifenförmige Strahlungsleiter zurückbleiben. Die Breite b der Strahlungsleiter von Fig. 10 wird dann folgendermaßen eingestellt: mit Hilfe allgemein üblicher photolithographischer Techniken und unter Verwendung allgemein üblicher Ätzmittel kann in der Halbleiterschichtstruktur von Fig. 10 die Halbleiterschichtstruktur außerhalb der Flächen V und W, deren Abstand b beispielsweise 3 um beträgt, bis zum Substratgebiet 1 herab weggeätzt werden.
• Außer der vorstehend genannten örtlichen Zinkdiffusion gehört eine lokale Implantation von Zinkionen oder von Wasserstoffionen (Protonen) ebenfalls zu den Möglichkeiten, um einen Unterschied in der Brechzahl zu verschaffen, so daß streifenförmige Strahlungsleiter gebildet werden. Alle diese Techniken bieten auch die Möglichkeit, je nach Wunsch einen oder mehrere Strahlungsleiter übereinander zu bilden.
• Eine erfindungsgemäße Kopplungsanordnung kann unter anderem vorteilhaft in einem optischen Glasfaser-Gyroskop verwendet werden. Ein solches Gyroskop wird in Fig. 12 schematisch dargestellt und kann unter anderem folgendes umfassen: eine strahlungemittierende Halbleiterdiode 15 (beispielsweise eine LED oder ein Laser), einen strahlungsempfindlichen Detektor 16 (beispielsweise eine Photodiode), neun Strahlungsleiter 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27 und 28, eine über einem Teil des Strahlungsleiters 24 vorhandene Elektrode 17 und eine schleifenförmige Glasfaser 18, deren eines Ende mit dem Strahlungsleiter 27 und deren anderes Ende mit dem Strahlungsleiter 28 gekoppelt ist. Die von der Strahlungsquelle emittierte Strahlung wird teilweise in den Strahlungsleiter 20 eingekoppelt. Diese Strahlung wird in sogenannten 3-dB-Kopplern mehrere Male in zwei gleiche Teile unterteilt. Der erste 3-dB-Koppler wird vom Strahlungsleiter 20 gebildet, der zweite vom Strahlungsleiter 26. Die in den beiden Strahlungsleitern 27 und 28 vorhandene Strahlung durchläuft die Glasfaserschleife 18 in entgegengesetzten Richtungen. Wenn die Anordnung von Fig. 12 um eine Achse rotiert, die senkrecht zur Ebene steht, in der die Glasfaserschleife liegt, tritt eine Phasendifferenz zwischen zwei Strahlungsteilen auf, die von der Drehgeschwindigkeit der Anordnung abhängt. Diese Phasendifferenz kann mit Hilfe des Detektors 16 gemessen werden. Die Elektrode 17 stellt einen Polarisator dar, der dafür sorgt, daß die entgegengesetzt laufende Strahlung den gleichen Polarisationszustand hat. Eine Ausführungsform eines Teils eines optischen Glasfaser-Gyroskops, in dem erfindungsgemäße Kopplungsanordnungen verwendet werden, wird in der schematischen Draufsicht von Fig. 13 gezeigt. Es handelt sich um ein Gyroskop, das zum großen Teil integriert ist und dessen Querschnittsansicht entlang der Linie XIV-XIV schematisch in Fig. 14 gezeigt wird. Die Anordnung umfaßt (siehe Fig. 14) ein Halbleitersubstratgebiet 1, in diesem Fall aus einkristallinem Galliumarsenid. Hierauf befindet sich eine Halbleiterschichtstruktur, die unter anderem mindestens eine erste Abdeckschicht 2 mit darauf einer ersten strählungsleitenden Schicht 3 und einer zweiten strahlungsleitenden Schicht 5 umfaßt, die voneinander durch eine zweite Abdeckschicht 4 getrennt sind und die sich an zwei Stellen zu einer einzigen strahlungsleitenden Schicht 7 vereinigen. Hierüber befindet sich eine dritte Abdeckschicht 6. Material und Zusammensetzung der Schichten sind wieder die gleichen wie in den vorhergehenden Beispielen. In der Halbleiterschichtstruktur wird mittels einer Zinkdiffusion außerhalb der streifenförmigen Gebiete 27, 28 und 29 (siehe Fig. 13), wobei deren Tiefe durch die Linie 13 (siehe Fig. 14) angegeben wird, eine Anzahl, hier 9, Strahlungsleiter 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27 und 28 gebildet. Die Strahlungsleiter 27 und 28 sind nur in Fig. 13 zu erkennen. In der Schichtstruktur sind zwei Aussparungen EE und FF angebracht. EE reicht gerade bis unter Schicht 3, und in diese wird ein beispielsweise aus einer Siliciumphotodiode bestehender Detektor 16 plaziert, der aus Schicht 3 stammende Strahlung detektieren kann. FF reicht gerade bis unter Schicht 5, und in diese wird eine Strahlungsquelle 15 plaziert, die aus einem Halbleiterdiodeniaser oder einer LED besteht, deren Strahlung mindestens teilweise die Schicht 5 erreichen kann. Auf der Oberfläche der Anordnung ist ein streifenförmiger Leiter 17 vorhanden, der als Polarisator für den darunterliegenden Strahlungsleiter 24 in der strahlungsleitenden Schicht 5 dienen kann. Eine schleifenförmige Glasfaser 18 ist mit den Strahlungsleitern 27 und 28 gekoppelt (siehe Fig. 13), die zusammen mit dem Strahlungsleiter 26 eine horizontale Y-förmige Struktur von Strahlungsleitern bilden. So werden in diesem Beispiel sowohl horizontale als auch vertikale Y-förmige Strukturen aus Strahlungsleitern verwendet. Hinsichtlich der Strahlungsleiter 23 und 25 sei bemerkt daß diese durch die strahlungsleitende Schicht 3 dort, wo die Linie 13 über der Schicht 3 verläuft, miteinander verbunden werden. Daher haben die genannten Strahlungsleiter dort, wo die Linie 13 die Schicht 3 schneidet, ein nicht-reflektierendes Ende, und die Strahlung, die aus dem Strahlungsleiter 20 nach 23 oder aus 26 nach 25 geht, wird nicht reflektiert werden. Dies ist für ein gutes Funktionieren der aus den Strahlungsleitern 20, 23 und 24 und den Strahlungsleitern 24, 25 und 26 bestehenden vertikalen Kopplungsanordnungen in der vorliegenden Anwendung (optisches Gyroskop) erwünscht.
• Die Herstellung des in diesem Beispiel beschriebenen Gyroskops mit erfindungsgemäßen Kopplungsanordnungen ist analog der Herstellung der vorhergehenden Beispiele. In Fig. 8 und 14 wird die Halbleiterschichtstruktur des oben beschriebenen Gyroskops mit C', C"' bezeichnet. Auf Basis des Vorstehenden wird deutlich sein, daß hinsichtlich der Herstellung der Struktur von Fig. 13 und 14, jedenfalls soweit es die Halbleiterschichtstruktur betrifft, der einzige Unterschied zu den vorhergehenden Beispielen in der (den) Stelle(n) liegt, wo die Struktur von Fig. 8 gespalten werden muß. Das sollte bei C' und C"' erfolgen (siehe Fig. 8). Bevor das Substrat auf diese Weise gespalten wird, wodurch die in Fig. 13 und 14 gezeigte Anordnung gebildet wird, werden mit Hilfe von Photolithographie und allgemein üblichen Ätzmitteln die Aussparungen EE und FF angebracht. In gleicher Weise werden aus einer auf die Schichtstruktur gesputterten Leiterschicht, beispielsweise aus einer Gold-Germanium-Nickel-Schicht, die Elektrodengebiete 17 geformt. Nach dem Spalten werden der Detektor, die Strahlungsquelle und die Glasfaserschleife mit Hilfe allgemein üblicher Techniken verschafft. Wenn die Abdeckschichten 2 und 4 gut elektrisch leitend sind, kann im Boden von EE und FF eine Metallschicht angebracht werden, beispielsweise gleichzeitig mit der Leiterschicht, aus der die Elektrode 17 hergestellt wird. Auf diese Weise kann ein für den Detektor und die Strahlungsquelle gemeinsamer Anschlußleiter integriert werden. Auch weitergehende Formen der Integration, bei denen eine oder mehrere Schichten der Halbleiterschichtstruktur der Strahlungsquelle oder des Detektors Teil der Halbleiterschichtstruktur der erfindungsgemäßen Kopplungsanordnung sind, sind möglich.
• Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele, sondern im Rahmen der Erfindung sind für den Fachmann viele Abwandlungen und Abänderungen möglich. Beispielsweise können andere Halbleitermaterialien als in den Beispielen genannt sind, verwendet werden. Die Schichtdicken können auch je nach der gewünschten Anordnung verändert werden. Die Halbleiterschichtstrukturen können auch vollständig oder teilweise mit anderen Aufwachstechniken als die hier verwendete OMVPE realisiert werden. Insbesondere sind andere üblicherweise verwendete Aufwachstechniken zu betrachten, beispielsweise Molekularstrahlepitaxie, abgekürzt MBE (= Molecular Beam Epitaxy) und Flüssigphasenepitaxie, abgekürzt LPE (= Liquid Phase Epitaxy). Erfindungsgemäße Kopplungsanordnungen können miteinander auf vielerlei Weise kombiniert werden, beispielsweise horizontale Kopplungsanordnungen und andere aktive oder passive optoelektronische Komponenten. Außer auf dem Gebiet des Glasfaser-Gyroskops gibt es auch Anwendungen im Bereich der optischen Glasfaserkommunikationssysteme und der sogenannten "integrierten Optik", für die der optische Computer ein Beispiel bildet.

Claims (9)

1. Anordnung zum Koppeln elektromagnetischer Strahlung mit mindestens einem streifenförmigen ersten Strahlungsleiter (20), der an mindestens einem Ende in zwei weitere streifenförmige Strahlungsleiter (21, 22) verzweigt, wobei alle Strahlungsleiter (20, 21, 22) von einem Material mit kleinerer Brechzahl für die genannte Strahlung als die Strahlungsleiter begrenzt werden und wobei die Strahlungsleiter (20, 21, 22) Teil einer Halbleiterschichtstruktur mit im Querschnitt in Richtung der Dicke mindestens zwei strahlungsleitenden Schichten (3, 5) sind, die jeweils einen der weiteren streifenförmigen Strahlungsleiter (21, 22) umfassen und durch eine Abdeckschicht (4) getrennt werden, die eine kleinere Brechzahl für die genannte Strahlung hat, wobei sich die Abdeckschicht (4) in Richtung des streifenförmigen ersten Strahlungsleiters (20) verjüngt und am Ort des ersten streifenförmigen Strahlungsleiters (20) die beiden strahlungsleitenden Schichten (3, 5) innerhalb des Profils ihrer gegenseitigen optischen Felder liegen und den ersten Strahlungsleiter (20) bilden, dadurch gekennzeichnet, daß die Verjüngung der Abdeckschicht (4) und die Verzweigung des ersten Strahlungsleiters (20) in mindestens zwei weitere Strahlungsleiter (21, 22) in Richtung der Dicke der Halbleiterschichtstruktur symmetrisch sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschichtstruktur zwischen zwei weiteren Abdeckschichten (2, 6) mit einer kleineren Brechzahl für die genannte Strahlung als die strahlungsleitenden Schichten (3, 5) liegt.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Strahlungsleiter (20, 21, 22) seitlich von Gebieten der strahlungsleitenden Schichten (3, 5) mit einer kleineren Brechzahl als der Strahlungsleiter (20, 21, 22) begrenzt wird.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gebiete mit einer kleineren Brechzahl für die genannte Strahlung von Teilen der strahlungsleitenden Schichten (3, 5) gebildet werden, die mit Zinkatomen verunreinigt sind.

5. Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gebiete mit einer kleineren Brechzahl von Ionen gebildet werden, die lokal in die strahlungsleitenden Schichten (3, 5) implantiert worden sind.

6. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gebiete mit einer kleineren Brechzahl von lokal weggeätzten Teilen der Halbleiterschichtstruktur gebildet werden.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß an mindestens einer Stelle der Oberfläche die Halbleiterschichtstruktur bis auf eine Tiefe entfernt worden ist, die größer als die Tiefe ist, bei der ein Strahlungsleiter (20, 21, 22) liegt, und in der so geformten Aussparung eine optoelektronische Komponente vorhanden ist, so daß Strahlung von der genannten Komponente (15, 16) aus zum Strahlungsleiter (20, 21, 22) übertragen werden kann und umgekehrt.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschichtstruktur und die optoelektronische Komponente (15, 16) mindestens eine Schicht gemeinsam haben.

9. Gerät mit einer Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das Teil eines optischen Gyroskops ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschichtstruktur der Anordnung in einer ungefähr parallel zur Halbleiterschichtstruktur liegenden Richtung aufeinanderfolgend mindestens einen ersten streifenförmigen Strahlungsleiter (20) umfaßt, der an einem Ende in zwei weitere streifenförmige Strahlungsleiter (21, 22) aufgeteilt ist, von denen einer (22) mit einer Strahlungsquelle (15) und der andere (21) mit einem strahlungsempfindlichen Detektor (16) gekoppelt ist und wobei der Strahlungsleiter (20) an dem anderen Ende in zwei weitere streifenförmige Strahlungsleiter (5, 23) aufgeteilt ist, von denen einer (5) in der Nähe einer Elektrode (17) liegt und diese weiteren streifenförmigen Strahlungsleiter (5, 23) mit zwei weiteren streifenförmigen Strahlungsleiter (24, 25) verbunden sind, die eine Verzweigung eines zweiten Strahlungsleiters (26) bilden, der am anderen Ende mit einer schleifenförmigen Glasfaser (18) gekoppelt ist.