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Die Erfindung betrifft einen optischen
Richtkoppelschalter und insbesondere einen optischen Halbleiterschalter, der
in einem optischen Kommunikationssystem, einem optischen
Informationsverarbeitungssystem u. ä. verwendet wird.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Folglich besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, einen
optischen Richtkoppelschalter zu schaffen, bei dem ein
Schaltvorgang bei Auflicht der TE- und TM-Mode erfolgt.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin einen
optischen Richtkoppelschalter zu schaffen, bei dem sich die
Ausgabelichtleistung auch bei geänderter Auflichtpolarisation
nicht ändert.
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Erfindungsgemäß weist ein optischer Richtkoppelschalter
auf:
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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
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LTE ≤ L
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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
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L ≤ LTM
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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.
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Nachstehend wird die Erfindung näher anhand der
beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
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Fig. 1 eine Querschnittansicht eines herkömmlichen
optischen Richtkoppelschalter;
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Fig. 2 eine Perspektivansicht eines erfindungsgemäßen
optischen Richtkoppelschalters in einer bevorzugten
Ausführungsform;
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Fig 3 ein Diagramm zum Erläutern der Beziehung zwischen
der Koppellänge und dem Abstand der Lichtwellenleiter in der
bevorzugten Ausführungsform;
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Fig. 4 ein Diagramm zum Erläutern von Schaltkennlinien
in der bevorzugten Ausführungsform;
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Fig. 5 eine Perspektivansicht eines optischen
Richtkoppelschalters in der bevorzugten Ausführungsform, der zum
Nachweis eines Schaltvorgangs hergestellt ist; und
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Fig. 6 und 7 Diagramme zum Erläutern von
Schaltkennlinien des optischen Richtkoppelschalters, der gemäß Fig. 5
hergestellt ist.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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:
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CT = 10 x log{P&sub1;/(P&sub1; + P&sub2;)}
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worin P&sub1; = cos²(πL/2L&sub0;) und
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P&sub2; = sin²(πL/2L&sub0;)
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sind, wenn L die Baugruppenlänge, L&sub0; die Koppellänge LTE für
die TE-Mode und die Koppellänge LTM für die TM-Mode sind.
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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.
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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.
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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:
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ΔnTE = (1/2 3) Neff³r&sub4;&sub1;E
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ΔnTM = (1/ 3) Neff³r&sub4;&sub1;E
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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.
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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.
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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.
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Das vorgenannte Arbeitsprinzip eines erfindungsgemäßen
optischen Richtkoppelschalters wurde in einem nachstehend
beschriebenen Experiment bestätigt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.