DE69012608T2 - Optischer Richtungskupplungsschalter. - Google Patents

Optischer Richtungskupplungsschalter.

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DE69012608T2
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Description

  • Die Erfindung betrifft einen optischen Richtkoppelschalter und insbesondere einen optischen Halbleiterschalter, der in einem optischen Kommunikationssystem, einem optischen Informationsverarbeitungssystem u. ä. verwendet wird.
  • Optische Schalter sind Gegenstand intensiver Forschung und Entwicklung, da sie als Schlüsselelemente in künftigen schnellen optischen Kommunikations- und Informationsverarbeitungssystemen gelten. Bei optischen Schaltern wird eine Art aus einem dielektrischen Material, z. B. LiNbO&sub3; usw., hergestellt, während eine weitere Art der optischen Schalter aus einem Halbleitermaterial, z. B. GaAs, InP usw., hergestellt wird, wobei man von der letztgenannten Art einen breiten Einsatz in den vorstehend erwähnten Systemen erwartet, da sie sich mit optischen Baugruppen, z. B. einem optischen Verstärker usw., und mit elektronischen Baugruppen, z. B. einem FET usw., so integrieren läßt, daß geringe Größen möglich werden und die Anzahl der Kanäle in den Systemen steigt. Bei diesem optischen Halbleiterschalter sind solche Betriebsmerkmale wie schnelles Schalten, geringer Stromverbrauch, geringe Spannung, geringe Dämpfung, Hochintegrationsfähigkeit usw. für den Einsatz in den genannten Systemen erforderlich.
  • Hergestellt und untersucht wurden ein optischer Totalreflexionsschalter, dessen Brechzahl sich entsprechend dem Bandfülleffekt oder Freiträger-Plasmaeffekt durch Injizieren von Strom in ihm verändert, ein Richtkoppelschalter, dessen Brechzahl sich entsprechend dem elektro-optischen Effekt durch Anlegen eines elektrischen Felds an ihm verändert, und ein weiterer optischer Totalreflexionsschalter, dessen Brechzahl sich entsprechend der Verschiebung einer Exciton-Absorptionsspitze durch Anlegen eines elektrischen Feldes an einer Mehrfachschicht in ihm verändert.
  • Von diesen optischen Schaltern hat der Totalreflexionsschalter mit Strominjektion Nachteile, da die Schaltgeschwindigkeit gering und der Stromverbrauch hoch ist, während der Totalreflexionsschalter mit Mehrfachschicht dahingehend nachteilig ist daß sich eine Struktur mit niedriger Dämpfung per se schwer herstellen läßt.
  • Im Gegensatz dazu bietet der Richtkoppelschalter unter Ausnutzung des elektro-optischen Effekts Vorteile einer hohen Schaltgeschwindigkeit, eines geringen Stromverbrauchs und eines dämpfungsarmen Schaltens, obwohl die Baugruppenlänge gegenüber dem Totalreflexionsschalter größer ist.
  • Im Hinblick auf diese geringe Dämpfungscharakteristik wird in "Appl. Phys. Lett." 50 (23), 8. Juni 1987, Seiten 1628 bis 1630, ein GaAs/AlGaAs-Lichtwellenleiter mit einer Dämpfung von nur 0,15 dB/cm bei einer Wellenlänge von 1,52 um beschrieben. Dieser Lichtwellenleiter erreicht eine solche niedrige Dämpfung, weil sich Bandlücken-Wellenlängen von GaAs und AlGaAs auf einer Wellenlängenseite befinden, die im Vergleich mit dem 1,3- und 1,5-um-Band ausreichend kurz ist. Ferner hat der Lichtwellenleiter den Vorteil, daß sich eine Brechzahländerung auch dann nicht von jener in der Umgebung einer Bandlücke unterscheidet, wenn eine Betriebswellenlänge von der Bandlücke getrennt ist, da der elektro-optische Effekt weniger wellenlängenabhängig ist. Aus diesen Gründen gilt der GaAs/AlGaAs-Lichtwellenleiter als aussichtsreiches Material für einen optischen Richtkoppelschalter mit einem langen Wellenlängenband.
  • Obwohl optische Richtkoppelschalter eine Baugruppenlänge von bis zu mehreren Millimetern haben, lassen sie sich mit Hilfe von unlängst entwickelten Technologien zur Kleinstbearbeitung verkleinern, z. B. durch Molekularstrahl-Epitaxie (MBE), reaktives Ionenstrahlätzen (RIBE) usw. In diesem Zusammenhang wird ein kleiner optischer Richtkoppelschalter, der durch MBE und RIBE in einer Länge von 980 um hergestellt wurde, also kürzer als 1 mm ist, in "Electronic Letters", 6. November 1986, Vol. 22, Nr. 23, Seiten 1241 bis 1243, beschrieben.
  • Der kleine optische Richtkoppelschalter weist eine i-GaAs-Wellenleiterschicht auf, die zwischen Mantelschichten aus p- und n-AlGaAs eingefügt ist, und die auf einem n&spplus;-GaAs- Substrat einer (100)-Ebene oder äquivalenten Ebene gezogen sind, wodurch die Wellenleiterschicht zwei parallele Wellen-Ieiter ausbildet.
  • Im Betrieb erfolgt ein Schaltvorgang durch Zuführen von Auflicht der TM-Mode zu einem der beiden Wellenleiter. Definitionsgemäß gilt hierbei polarisiertes Wellenleiterlicht mit einer elektrischen Feldkomponente, die hauptsächlich parallel zu den Schalterschichten verläuft, als TE-Mode, während polarisiertes Wellenleiterlicht mit einer elektrischen Feldkomponente, die hauptsächlich senkrecht zu den Schichten verläuft, als TM-Mode gilt.
  • Der kleine optische Richtkoppelschalter ist jedoch dahingehend nachteilig, daß Schaltvorgänge nicht durch Auflicht der TM-Mode ausgelöst werden. Ferner lassen sich vorbestimmte Schalteigenschaften nicht erreichen, wenn Auflicht mit sich zeitlich ändernder Polarisation auch bei Anliegen einer vorbestimmten Konstantspannung am Schalter zu einem der beiden Wellenleiter geführt wird, da die Ausgabelichtleistung von einem der beiden Wellenleiter je nach Polarisationsänderung variiert.
  • In "Applied Optics", Vol. 17, Nr. 6, März 1978, Seiten 890 und 891, beschreiben J. C. Shelton et al einen GaAs/AlGaAs-Richtkoppelschalter unter Ausnutzung des elektro-optischen Effekts. Der in diesem Beitrag beschriebene GaAs/AlGaAs-Richtkoppelschalter weist eine n-AlGaAs-Mantelschicht und eine n&supmin;-GaAs-Wellenleiterschicht auf einem n-GaAs- Substrat auf, wobei die n&supmin;-GaAs-Wellenleiterschicht so präpariert ist, daß sie eine Stegkonfiguration mit zwei dreidimensionalen Wellenleitern hat, die proximal sind, wodurch ein Richtkoppelschalter gebildet wird, bei dem eine p-Elektrodenstruktur eines Metalloxidhalbleiters (MOS) mit einem zwischen einer Au-Elektrode und der n&supmin;-Wellenleiterschicht eingefügten SiO&sub2;-Film vorgesehen ist. Auf Seite 890, linke Spalte, Zeilen 23 und 24 dieses Beitrags wird beschrieben, daß die Ausbreitungsdämpfung von der Auflichtpolarisation abhängig ist.
  • Dieser Richtkoppelschalter ist aber nachteilig, da eine herkömmliche (100)-Ebene für die Kristallorientierung verwendet wird, so daß der Modulationseffekt nur bei der TE-Mode zum Tragen kommt, während bei der TM-Mode kein Modulationseffekt auftritt, was auf Seite 890, linke Spalte, Zeilen 28 bis 31 dieses Beitrags dargestellt ist. Obwohl dazu auf Seite 890, linke Spalte, Zeilen 31 und 32 in diesem Beitrag ausgeführt ist, daß die Verwendung anderer Kristallorientierungen einen Modulationseffekt sowohl für die TE- als auch die TM- Mode bewirken kann, beschreibt dieser Beitrag nicht konkret, welche Orientierung für die Modulation der TE- und TM-Mode wirksam ist.
  • Kristallorientierte Substrate der (100)-Ebene oder äquivalenten Ebene wurden in der Vergangenheit bereits für optische Halbleiter-Richtkoppelschalter unter Ausnutzung des elektro-optischen Effekts untersucht. Dabei sind jedoch Kristallstrukturen von GaAs und InP bei Zinkblendenstruktur isotrop. Daher ändert sich die Brechzahl in GaAs und InP nur bei polarisiertem Licht mit einer elektrischen Feldkomponente, die senkrecht zur Richtung des angelegten elektrischen Felds verläuft, wenn die Kristallorientierung der (100)-Ebene oder einer rechtwinklig dazu angeordneten Ebene genutzt wird.
  • Folglich besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, einen optischen Richtkoppelschalter zu schaffen, bei dem ein Schaltvorgang bei Auflicht der TE- und TM-Mode erfolgt.
  • Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin einen optischen Richtkoppelschalter zu schaffen, bei dem sich die Ausgabelichtleistung auch bei geänderter Auflichtpolarisation nicht ändert.
  • Erfindungsgemäß weist ein optischer Richtkoppelschalter auf:
  • eine erste Halbleiter-Mantelschicht, einen Halbleiter- Wellenleiter, eine zweite Halbleiter-Mantelschicht, die nacheinander auf einer (111)-Ebene aus Halbleitersubstrat gezogen sind, wodurch zwei dreidimensionale Lichtwellenleiter gebildet werden, die proximal zu einander sind. Beim optischen Richtkoppelschalter wird ein elektrisches Feld unabhängig an die beiden dreidimensionalen Lichtleiter angelegt, wobei die Baugruppenlänge L des optischen Richtkoppelschalter die Gleichung
  • LTE ≤ L
  • erfüllt, worin LTE die Länge ist, die zum vollständigen Übertragen der Lichtenergie von einem der beiden Lichtwellenleiter in den anderen in der TE-Mode notwendig ist, sowie die Gleichung
  • L ≤ LTM
  • erfüllt, worin LTM die Länge ist, die zum vollständigen Übertragen der Lichtenergie von einem der beiden Lichtwellenleiter zu dem anderen in der TM-Mode notwendig ist.
  • Nachstehend wird die Erfindung näher anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
  • Fig. 1 eine Querschnittansicht eines herkömmlichen optischen Richtkoppelschalter;
  • Fig. 2 eine Perspektivansicht eines erfindungsgemäßen optischen Richtkoppelschalters in einer bevorzugten Ausführungsform;
  • Fig 3 ein Diagramm zum Erläutern der Beziehung zwischen der Koppellänge und dem Abstand der Lichtwellenleiter in der bevorzugten Ausführungsform;
  • Fig. 4 ein Diagramm zum Erläutern von Schaltkennlinien in der bevorzugten Ausführungsform;
  • Fig. 5 eine Perspektivansicht eines optischen Richtkoppelschalters in der bevorzugten Ausführungsform, der zum Nachweis eines Schaltvorgangs hergestellt ist; und
  • Fig. 6 und 7 Diagramme zum Erläutern von Schaltkennlinien des optischen Richtkoppelschalters, der gemäß Fig. 5 hergestellt ist.
  • Vor der Erläuterung eines erfindungsgemäßen optischen Richtkoppelschalters in einer bevorzugten Ausführungsform wird der vorgenannte kleine optische Richtkoppelschalter anhand von Fig. 1 beschrieben. Der optische Richtkoppelschalter weist auf: ein n&spplus;-GaAs-Substrat 101 einer (100)-Ebene sowie eine AlGaAs-Mantelschicht 102, eine i-GaAs-Wellenleiterschicht 103, eine p-AlGaAs-Mantelschicht 104 und durch einen Graben 108 getrennte p&spplus;-GaAs-Deckschichten 105, die nacheinander auf dem GaAs-Substrat 101 gezogen sind. Ferner weist der optische Richtkoppelschalter p-Elektroden 106a und 106b auf den jeweiligen Deckschichten 105 und eine n-Elektrode 107 auf der Rückfläche des n&spplus;-GaAs-Substrats 101 auf.
  • Im Betrieb wird eine vorbestimmte Spannung unabhängig über den p- und n-Elektroden 106a und 107 sowie den p- und n- Elektroden 106b und 107 angelegt, so daß in der i-GaAs-Wellenleiterschicht 103 zwei parallele Lichtwellenleiter ausgebildet werden. Einzelheiten des Betriebs sollen hier nicht erläutert werden, da sie anhand der bevorzugten Ausführungsform deutlich werden.
  • Fig. 2 zeigt einen optischen Richtkoppelschalter in der bevorzugten Ausführungsform mit einem n&spplus;-GaAs-Substrat 201 einer (111)-Ebene sowie einer n-AlGaAs-Mantelschicht 202, einer i-GaAs-Wellenleiterschicht 203, einer i-AlGaAs-Mantelschicht 204, zwei streifenförmigen p-AlGaAs-Mantelschichten 205 und durch einen Graben 208 getrennten p&spplus;-GaAs-Deckschichten 206, die nacheinander auf dem GaAs-Substrat 201 gezogen sind. Ferner weist der optische Richtkoppelschalter p-Elektroden 206a und 206b auf den Oberflächen der GaAs-Deckschichten 206 und eine n-Elektrode 207 auf der Rückfläche des GaAs- Substrats 201 auf.
  • Im folgenden wird das Herstellungsverfahren des optischen Richtkoppelschalters in der bevorzugten Ausführungsform erläutert. Zunächst werden durch Molekularstrahl-Epitaxie die n-AlGaAs-Mantelschicht 202 mit einem Al-Zusammensetzungsverhältnis x von 0,5 und einer Dicke von etwa 1,5 um, die i- GaAs-Wellenleiterschicht 203 mit einer Dicke von 0,2 um, die i-AlGaAs-Mantelschicht 204 mit einem Al-Zusammensetzungsverhältnis x von 0,5 und einer Dicke von 0,4 um, die p-AlGaAS Mantelschicht 205 mit einem Al-Zusammensetzungsverhältnis x von 0,5 und einer Dicke von 0,6 um und die p&spplus;-GaAs-Deckschicht 206 mit einer Dicke von 0,2 um auf dem GaAs-Substrat 201 gezogen. Zweitens wird ein Ti/Au-Film, der ein p-Elektrodenmaterial ist, auf die Gesamtfläche der p&spplus;-GaAs-Deckschicht 206 auf gedampft und danach so verarbeitet, daß sich zwei streifenförmige Ti/Au-Filmmuster ergeben, die durch Fotolithografie mit Fotoresist überzogen werden. Anschließend werden die p&spplus;-GaAs-Deckschicht 206 und die p-AlGaAs-Mantelschicht 205 durch reaktives Ionenstrahlätzen mit Ausnahme von Abschnitten ausgeätzt, die den beiden mit Fotoresist überzogenen streifenförmigen Abschnitten entsprechen, so daß eine Grenzfläche der i-AlGaAs-Mantelschicht 204 an den geätzten Abschnitten der p&spplus;-GaAs-Deckschicht 206 und der p-AlGaAs-Mantelschicht 205 freigelegt wird. Dadurch ergeben sich zwei rippenartige Lichtweilenleiter gemäß Fig. 2. Danach wird das n&spplus;-GaAs-Substrat 201 der (111)-Ebene poliert und anschließend mit AuGeNi/AuNi überzogen, das ein n-Elektrodenmaterial ist und einem Elektrodenlegierungsverfahren durch Bedampfen unterzogen wird. Abschließend werden auf beiden Seiten des wie vorstehend bearbeiteten Halbleiterelements Trennfacetten so vorgesehen, daß der optische Richtkoppelschalter mit 2 mm Länge und den rippenartigen Lichtwellenleitern mit jeweils 2,5 um Breite und einem Abstand von 2,85 um zueinander gemäß Fig. 2 hergestellt wird.
  • Nachstehend wird das Arbeitsprinzip des so hergestellten optischen Richtkoppelschalters erläutert. In senkrechter Richtung zu den Schichten des optischen Richtkoppelschalters ist die Brechzahl der i-GaAs-Wellenleiterschicht 203 höher als die der oberen und unteren Mantelschicht 202 und 204, so daß Auflicht 220 dreidimensional in der i-GaAs-Wellenleiterschicht 203 größtenteils eingeschlossen ist und durch diese entlang einem der streifenförmigen Rippenabschnitte übertragen wird. Bei der Lichtübertragung durch den entsprechenden Lichtwellenleiter über eine vorbestimmte Entfernung kommt es zur vollständigen Einkopplung des übertragenen Lichts in den anderen Lichtwellenleiter, da die beiden Lichtwellenleiter im geringen Abstand von z. B. 2,58 um parallel verlaufen. Die vorbestimmte Entfernung ist allgemein als Koppellänge definiert, die von der Dicke der Wellenleiterschicht 203, der Zusammensetzung, der Breite der Wellenleiter, dem Abstand der Wellenleiter und der Konfiguration der Wellenleiterausbildung sowie des Polarisationszustands des Auflichts abhängig ist. Der Grund dafür ist, daß sich die Konfiguration der Lichtwellenleiter in waagerechter und senkrechter Richtung im Hinblick auf die Schichten unterscheidet. Dieser Konfigurationseffekt tritt nicht nur bei Einsatz eines (111)-Substrats, sondern auch bei Einsatz eines (100)-Substrats auf.
  • Fig, 3 zeigt die Abhängigkeit zwischen dem Abstand und der Koppellänge zweier paralleler Wellenleiter im optischen Richtkoppelschalter. Gemäß Fig. 3 ist die Koppellänge für die TM-Mode länger als für die TE-Mode, und die Differenz wird im Verhältnis zum zunehmendem Abstand groß. In der Praxis beträgt jedoch eine Koppellänge LTE für die TE-Mode 1,72 mm und eine Koppellänge LTM für die TM-Mode 2,46 mm, wenn der Abstand zwischen den Wellenleitern 2,85 4m beträgt. Daher kommen beide Koppellängen LTE und LTM wertmäßig der Baugruppenlänge nahe, die z. B. 2 mm beträgt. Wird folglich keine Spannung über den p-Elektroden 206a und 206b und der n-Elektrode 207 angelegt, wird Auflicht sowohl bei der TE- als auch der TM-Mode vollständig aus einem der Wellenleiter in den anderen an dessen Lichtausgabeseite eingekoppelt. Das heißt, im optischen Richtkoppelschalter wird ein Übersprechzustand realisiert. In diesem Zustand berechnet sich die Übersprechdämpfung CT nach folgender Gleichung:
  • CT = 10 x log{P&sub1;/(P&sub1; + P&sub2;)}
  • worin P&sub1; = cos²(πL/2L&sub0;) und
  • P&sub2; = sin²(πL/2L&sub0;)
  • sind, wenn L die Baugruppenlänge, L&sub0; die Koppellänge LTE für die TE-Mode und die Koppellänge LTM für die TM-Mode sind.
  • In der bevorzugten Ausführungsform liegt die Übersprechdämpfung ungeachtet der TE- oder TM-Mode unter -10 dB, da die Baugruppenlänge L so eingestellt ist, daß sie gleich oder größer als LTE und gleich oder kleiner als LTM ist (LTE ≤ L ≤ LTM). Die vorstehende Erläuterung gilt für den Fall, daß keine Spannung über den Elektroden angelegt ist.
  • Wird andererseits eine Vorspannung in Sperrichtung über eine der p-Elektroden 206a und 206b und die n-Elektrode 207 angelegt, ändern sich die Brechzahlen der i-GaAs-Wellenleiterschicht 203 und der i-AlGaAs-Mantelschicht 204 durch den elektro-optischen Effekt. Bei Verwendung eines GaAs-Substrats der (100)-Ebene ändert sich die Brechzahl durch den elektrooptischen Effekt für die TE-Mode, nicht aber für die TM-Mode, da GaAs ein Kristall mit Zinkblendenstruktur ist, was zuvor beschrieben wurde. Daher wird Auflicht der TE-Mode, das zu einem der beiden Wellenleiter geführt wird, nicht in den anderen Wellenleiter eingekoppelt, wenn die Phasendifferenz zwischen den beiden Wellenleitern 3π in Übereinstimmung mit einer entsprechenden angelegten Vorspannung in Sperrichtung beträgt. Somit wird ein Sperrzustand realisiert. Andererseits tritt bei Auflicht der TM-Mode auch dann keine Phasendifferenz zwischen den beiden Wellenleitern auf, wenn Spannung an den optischen Richtkoppelschalter angelegt wird. Daher kommt es zwischen den beiden Wellenleitern zu keinem Sperrzustand , während der Übersprechzustand D beibehalten wird. Das bedeutet, daß der Schaltvorgang polarisationsabhängig ist, wenn eine (100)-Kristallorientierung für das Substrat genutzt wird.
  • In der bevorzugten Ausführungsform ändert sich die Brechzahl bei der TE- und TM-Mode durch den elektro-optischen Effekt, da eine (111)-Kristallorientierung eingesetzt wird. Dabei berechnen sich die Brechzahländerungen ΔnTE für die TE- Mode und ΔnTM für die TM-Mode wie folgt:
  • ΔnTE = (1/2 3) Neff³r&sub4;&sub1;E
  • ΔnTM = (1/ 3) Neff³r&sub4;&sub1;E
  • worin Neff die effektive Brechzahl der Wellenleiter, r&sub4;&sub1; der elektro-optische Koeffizient von GaAs, also 1,5 x 10&supmin;¹² m/V und E die elektrische Feldstärke sind.
  • Aus den vorgenannten Gleichungen wird deutlich, daß die Brechzahländerung ΔnTM doppelt so groß wie die Brechzahlände rung ΔnTE ist. Obwohl sich also der Grad der Brechzahländerung zwischen beiden Moden unterscheidet, wird der Sperrzustand auch für die TM-Mode realisiert, wenn der optische Richtkoppelschalter durch eine Vorspannung in Sperrichtung angesteuert wird, durch die der Sperrzustand für die TE- Mode realisiert wird. Dies wird anhand von Fig. 4 erläutert.
  • Fig. 4 zeigt Schaltkennlinien, durch die Auflicht 220, das zu dem der p-Elektrode 206b des optischen Richtkoppelschalters entsprechenden Wellenleiter geführt wird, zwischen den beiden Wellenleitern so geschaltet wird, daß sich Ausgabelicht 221a oder 221b gemäß Fig. 2 ergibt, worin Vollinien die Schaltkennlinie für die TM-Mode und Strichlinien die für die TE-Mode bezeichnen. Beträgt bei diesen Kennlinien eine Vorspannung in Sperrichtung 0 V, wird das zu dem der p-Elektrode 206b entsprechenden Wellenleiter geführte Auflicht 220 als Ausgabelicht 221a von dem der p-Elektrode 206a entsprechenden Wellenleiter ausgegeben, was dem Übersprechzustand entspricht. Wird andererseits die Vorspannung in Sperrichtung erhöht, wird die Brechzahländerung ΔnTM größer als die Brechzahländerung ΔnTE, so daß der Sperrzustand bei der TM-Mode durch eine niedrigere Spannung als bei der TE-Mode realisiert wird. Wird daher im voraus eine Vorspannung in Sperrichtung zur Realisierung des Sperrzustands als eine spezifische Spannung zwischen 15 und 24 V bestimmt, z. B. 21 V, so wird der Sperrzustand für die TE- und TM-Mode mit einer Übersprechdämpfung unter -10 dB realisiert, indem die spezifische Spannung an den optischen Richtkoppelschalter angelegt wird. Folglich ergibt sich erfindungsgemäß ein optischer Richtkoppelschalter, bei dem der Übersprech- und Sperrzustand und ohne Polarisationsabhängigkeit des Auflichts realisiert werden, indem die Vorspannung in Sperrichtung auf 0 V und die spezifische Spannung z. B. auf 21 V eingestellt werden, da eine (111)-Kristallorientierung für das Halbleitersubstrat verwendet wird.
  • Das vorgenannte Arbeitsprinzip eines erfindungsgemäßen optischen Richtkoppelschalters wurde in einem nachstehend beschriebenen Experiment bestätigt.
  • Im Experiment wird ein optischer Richtkoppelschalter gemäß Fig. 5 verwendet, bei dem gleiche Teile durch gleiche Bezugszahlen wie in Fig. 2 bezeichnet sind. Der optische Richtkoppelschalter weist auf: ein n&spplus;-GaAs-Substrat 201 mit (111)- Ebene, eine n-AlGaAs-Mantelschicht 202 mit einem Al-Zusammensetzungsverhältnis x von 0,5 und einer Dicke von 1,5 um, eine i-GaAs-Wellenleiterschicht 203 mit einer Dicke von 0,2 um, eine i-AlGaAs-Mantelschicht 204 mit einem Al-Zusammensetzungsverhältnis x von 0,5 und einer Dicke von 0,4 um, eine p- AlGaAs-Mantelschicht 205 mit einem Al-Zusammensetzungsverhältnis x von 0,5 und einer Dicke von 0,6 um und eine p&spplus;- GaAs-Deckschicht 206 mit einer Dicke von 0,2 um. In den leitenden Schichten des optischen Richtkoppelschalters betragen die Dotierungsgrade 5 x 10¹&sup7; cm&supmin;³ für die n-AlGaAs-Mantelschicht 202, 5 x 10¹&sup7; cm&supmin;³ für die p-AlGaAs-Mantelschicht 205 bzw. 2 x 10¹&sup8; cm&supmin;³ für die p&spplus;-GaAs-Deckschicht 206. Ferner betragen die Breite W der Wellenleiter 3,5 um, die Ätztiefe, d. h., die Höhe h der Rippen, 0,9 um, die Baugruppenlänge 1 2,5 mm und der Abstand s der Wellenleiter 2 um.
  • Bei diesem optischen Richtkoppelschalter wird Auflicht 220 mit einer Wellenlänge von 1,3 um zu einem seiner Wellenleiter geführt; die Ergebnisse sind in Fig. 6 dargestellt, worin Vollinien für die TM-Mode und Strichlinien für die TE- Mode stehen. Wie aus Fig. 6 hervorgeht, erfolgt ein Schaltvorgang bei Auflicht der TM-Mode. Durch dieses Ergebnis wird bestätigt, daß sich die Brechzahl bei der TM-Mode durch den elektro-optischen Effekt ändert, wenn eine (111)-Kristallorientierung für das Halbleitersubstrat genutzt wird. Bei der TE-Mode kommt jedoch trotz Brechzahländerung kein Schaltvorgang zustande, da die Koppellänge im Vergleich zur Baugruppenlänge von 2,5 mm zu kurz ist.
  • Andererseits zeigt Fig. 7 Schaltkennlinien, die an einem optischen Richtkoppelschalter gemessen wurden, dessen Struktur der von Fig. 6 mit der Ausnahme entspricht, daß der Abstands der Wellenleiter 2,5 um beträgt. Bei dieser Struktur wird ein vorbestimmtes Schaltergebnis für die TE-Mode erreicht, da die Koppellänge annähernd der Baugruppenlänge von 2,5 mm entspricht. Dagegen kommt bei der TM-Mode kein vollständiger Schaltvorgang trotz Brechzahländerung durch den elektro-optischen Effekt zustande, da die Koppellänge größer als die Baugruppenlänge ist.
  • Im vorstehend beschriebenen Experiment zur Bestätigung des Arbeitsprinzips wurde demonstriert, daß sich trotz eines nicht realisierten Schaltvorgangs bei Auflicht mit willkürlicher Polarisation in einem einzelnen optischen Richtkoppelschalter erfindungsgemäß die Brechzahlen bei Verwendung der (111)-Kristallorientierung für die TE- und TM-Mode durch den elektro-optischen Effekt ändern, was die Wirksamkeit der Erfindung nachweist.
  • Beim vorstehend beschriebenen Experiment ist der Grund dafür, daß kein Schaltvorgang bei Auflicht mit willkürlicher Polarisation in einem einzelnen optischen Richtkoppelschalter stattfindet, darin zu suchen, daß die Koppellängen für die TE- und TM-Mode nicht ordnungsgemäß auf die Baugruppenlänge, die Wellenleiterbreite, den Wellenleiterabstand, die Ätztiefe (Rippenhöhe) usw. des optischen Richtkoppelschalters abgestimmt sind, bei dem sich die eigentliche Herstellung von den in der vorgenannten bevorzugten Ausführungsform beschriebenen Berechnungswerten unterschied. Daher läßt sich ein optischer Richtkoppelschalter mit vorbestimmten Schaltkennlinien für Auflicht mit willkürlicher Polarisation realisieren, wenn der optische Richtkoppelschalter gemäß den Berechnungswerten hergestellt wird.
  • Somit kann erfindungsgemäß ein optischer Richtkoppelschalter realisiert werden, der von der Polarisation des Auflichts unabhängig ist. Daher findet der optische Richtkoppelschalter breiten Einsatz in optischen Kommunikationssystemen, optischen Informationsverarbeitungssystemen usw., in denen vorbestimmte Schaltkennlinien bei Auflicht erforderlich sind, dessen Polarisation sich zeitlich ändert, z. B. Übertragungslicht eines Monomode-Lichtwellenleiters.
  • Obwohl in der bevorzugten Ausführungsform ein GaAs-Systemmaterial verwendet wird, können auch andere Materialien verwendet werden, z. B. ein InP-Systemmaterial. Ferner können anstelle des rippenförmigen Wellenleiters auch andere Wellenleiterstrukturen verwendet werden, z. B. ein vergrabener Wellenleiter.
  • Obwohl die Erfindung zwecks vollständiger und klarer offenbarung anhand einer spezifischen Ausführungsform beschrieben wurde, ist der beigefügte Anspruch nicht darauf zu beschränken, sondern so zu interpretieren, daß er alle dem Fachmann erkennbaren Abwandlungen und alternativen Konstruktionen erfaßt, die der hierin dargestellten grundsätzlichen Lehre entsprechen.

Claims (1)

1. optischer Richtkoppelschalter mit einer ersten Halbleiter-Mantelschicht 202), einer Halbleiter-Wellenleiterschicht (203), einer zweiten Halbleiter-Mantelschicht (204), die nacheinander auf einem Halbleitersubstrat (201) gezogen sind,
einer Einrichtung (205) zum Ausbilden von zwei dreidimensionalen Lichtwellenleitern in der Wellenleiterschicht (203), wobei die Lichtwellenleiter proximal und parallel zueinander sind,
einer Einrichtung (206a, 206b, 207) zum unabhängigen Anlegen von elektrischen Feldern an den Lichtwellenleitern, wobei die Baugruppenlänge L des optischen Richtkoppelschalters die Gleichung
LTE ≤ L
erfüllt, worin LTE die Länge ist, die zum vollständigen Übertragen der Lichtenergie von einem der beiden Lichtwellenleiter in den anderen im TE-Modus notwendig ist,
dadurch gekennzeichnet, daß die erste Halbleiter-Mantelschicht (202) auf einer < 111> -Ebene aus dem Halbleitersubstrat (201) gezogen ist und daß
L &le; LTM
ist, worin LTM die Länge ist, die zum vollständigen Übertragen der Lichtenergie von einem der beiden Lichtwellenleiter zu dem anderen im TM-Modus notwendig ist.
DE69012608T 1989-02-28 1990-02-27 Optischer Richtungskupplungsschalter. Expired - Fee Related DE69012608T2 (de)

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