DE69017852T2

DE69017852T2 - Optisches Kopplergerät mit wellenlängeselektivem optischem Koppler.

Info

Publication number: DE69017852T2
Application number: DE69017852T
Authority: DE
Inventors: Hitoshi Oda; Hajime Sakata
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1989-12-04
Filing date: 1990-12-03
Publication date: 1995-08-10
Anticipated expiration: 2010-12-04
Also published as: US5333216A; EP0431527A2; EP0431527B1; EP0431527A3; DE69017852D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine optische Kopplungsvorrichtung wie beispielsweise einen optischen Filter, einen Photodetektor, einen Halbleiter-Laser oder einen optischen Verstärker unter Verwendung eines wellenlängenselektiven optischen Kopplers mit zwei durch ein Beugungsgitter gekoppelten Wellenleitern.
Ein herkömmlicher wellenlängenselektiver optischer Koppler bestand aus zwei optischen Wellenleitern, die auf dem selben Substrat gebildet sind, wie von R.C. Alferness et al. in Applied Physics Letters, 33, P161 (1978), der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 61-250607 oder Miki et al. im Studienbericht des Electronic Communications Institute OQE81-129 beispielsweise beschrieben.
Fig. 1 zeigt den Aufbau von solch einem herkömmlichen Wellenlängenselektiven optischen Koppler. In dieser Figur sind zwei Wellenleiter 191, 192 mit Leitungsbreiten oder -höhen W&sub1;, W&sub2; und Brechungsindizes n&sub1;, n&sub2;, die voneinander verschieden sind, wie gezeigt gebildet. Somit haben sie auch unterschiedliche Verteilungsbeziehungen zwischen der Wellenlänge des geführten Lichts, das sich durch den jeweiligen optischen Wellenleiter 191, 192 ausbreitet, und der Ausbreitungskonstante. Dann fallen die Ausbreitungskonstanten der zwei Wellenleiter für geführtes Licht in einem spezifischen Bereich der Wellenlänge zusammen, und die optische Kopplung findet zwischen zwei Wellenleitern 191, 192 statt. Mit anderen Worten wird nur das Licht innerhalb des spezifischen Bereichs der Wellenlänge ausgewählt, und die optische Leistung kann zwischen den Wellenleitern 191, 192 übertragen werden.
Solch ein optischer Koppler ist für einen optischen Filter verwendet worden, der den Multiplex- oder De-Multiplex-Vorgang von Wellen zwischen dem Signallicht und dem Licht der spezifischen Wellenlänge durchführt, indem die Übertragung dieser optischen Leistung verwendet wird.
Der wie vorstehend erwähnte optische Filter hatte jedoch eine spektrale, spezifische Durchlässigkeitscharakteristik, die nicht vernachlässigbare Seiten-Strahlungskeulen auf beiden Seiten der Transmissionsbande (Haupt-Strahlungskeule) mit der zentralen Wellenlänge enthielt, wie in Fig. 2 gezeigt. Das Vorliegen der Seiten-Strahlungskeule verursachte Übersprechen der optischen Signale, wenn dieser optische Filter in einem optischen Kommunikationssystem mit Wellenlängenmultiplex-Verfahren verwendet wurde. Wenn eine ausreichende Trennung der Wellenlängen bereitgestellt wird, um das Übersprechen zu vermeiden, nimmt die Anzahl der Kommunikationskanäle ab. Die Seiten-Strahlungskeulen der Filter-Charakteristik auf solch einem optischen Koppler war ein Faktor, der die Verstärkung der Leistungsfähigkeit einer optischen Vorrichtung unter Verwendung dieses optischen Kopplers verhinderte.
Ein Verfahren, die Seiten-Strahlungskeule wie vorstehend erwähnt zu unterdrücken, bei dem der Abstand zwischen den Wellenleitern 193, 194, die den optischen Koppler aufbauen, graduell verändert wird, wie in Fig. 3 gezeigt, wurde von R.C. Alferness et al. im IEEE Journal of Quantum Electronics, QE-14, Nr. 11, Seite 843 (1978) vorgeschlagen.
Dieses Verfahren hatte jedoch den Nachteil, daß es schwierig war, den Wellenleiter 193 krummlinig zu bilden, und daß es ferner schwierig war, den optischen Koppler herzustellen, wenn er ein Typ war, bei dem Wellenleiter in der Dickenrichtung laminiert waren.
Im "Journal of Lichtwave Technology", Bd. 5, Nr. 2, S. 268 bis 273, D. Marcuse, "Directional Couplers Made of Nonidentical Asymmetric Slabs. Part II: Grating-Assisted Couplers" wird eine optische Vorrichtung, insbesondere ein Richtungskoppler beschrieben, bei dem ein vollständiger Energieaustausch zwischen zwei plattenförmigen Wellenplatten unabhängig von den unterschiedlichen Fortbewegungskonstanten ihrer Moden durch ein Beugungsgitter erreicht wird.
Übrigens wurde ein optischer Koppler mit einer scharfen Wellenlängenselektivität und wenig Verlust der Lichtmenge von R.C. Alferness et al. in "Integrated and Guided-Wave Optics" 1989, technische Übersichtsreihe Bd. 4, S. 215 bis 218 vorgeschlagen. Dieser optische Koppler hatte zwei Führungsschichten mit voneinander unterschiedlichen geführten Moden, die auf ein Substrat laminiert waren und optisch durch ein Beugungsgitter gekoppelt waren. Der Erfinder der vorliegenden Erfindung hat eine optische Vorrichtung unter Verwendung dieses optischen Kopplers in U.S.S.N. 491203, eingereicht am 9. März 1990, vorgeschlagen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine optische Kopplungsvorrichtung bereitzustellen, die effizienter arbeitet, indem man den vorstehend erwähnten wellenlängenselektiven optischen Koppler unter Verwendung eines Beugungsgitters weiter verbessert und die Seiten-Strahlungskeule der Filter-Charakteristik unterdrückt.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine optische Kopplungsvorrichtung gelöst, umfassend: Ein Substrat; eine erste Führungsschicht, die auf dem Substrat bereitgestellt ist; eine zweite Führungsschicht, die mit der ersten Führungsschicht auf dem Substrat laminiert ist, wobei die Ausbreitungskonstante der geführten Mode in der zweiten Führungsschicht unterschiedlich von der der geführten Mode in der ersten Führungsschicht ist, wobei die erste und die zweite Führungsschicht so angeordnet sind, daß sie eine Ausbreitungsrichtung für Licht in den Führungsschichten definieren und sie so angeordnet sind, daß es ein Gebiet gibt, in dem die geführten Moden überlappen; und ein Beugungsgitter, das in dem Überlappungsgebiet bereitgestellt ist, wobei das Beugungsgitter wirkt, indem das Licht mit einem spezifischen Wellenlängenbereich, das sich durch die erste Führungsschicht ausbreitet, in die zweite Führungsschicht koppelt, wobei das Beugungsgitter Bereiche mit hohem Brechungsindex und Bereiche mit niedrigem Brechungsindex umfaßt, die periodisch in der Licht-Bewegungsrichtung angeordnet sind; dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Breite des Bereichs mit hohem Brechungsindex und der Breite des Bereichs mit niedrigem Brechungsindex in einer Periode des Beugungsgitters sich gradueil entlang der Licht-Bewegungsrichtung verändert.
Die Vorteile der Erfindung werden den Fachleuten deutlich und offensichtlich bei Betrachtung der folgenden Beschreibung, die im Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen bereitgestellt ist, in denen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht ist, die ein erstes Beispiel eines herkömmlichen wellenlängenselektiven optischen Kopplers zeigt,
Fig. 2 eine Ansicht ist, die die spektrale spezifische Durchlaßcharakteristik bei einem optischen Filter unter Verwendung des Beispiels von Fig. 1 zeigt,
Fig. 3 eine schematische Ansicht ist, die ein zweites Beispiel eines herkömmlichen wellenlängenselektiven optischen Kopplers zeigt,
Fig. 4 eine schematische Ansicht ist, die eine erste Ausführungsform eines optischen Kopplers gemäß der Erfindung im Querschnitt zeigt,
Fig. 5 eine Ansicht ist, die die Verteilung des optisch-elektrischen Feld für jede geführte Mode in der ersten Ausführungsform zeigt,
Fig. 6 eine Ansicht ist, die die Beziehung zwischen der Einkerbungsbreite/Gitterabstand und dem Kopplungskoeffizienten zeigt,
Fig. 7 eine Ansicht ist, die die räumliche Veränderung des Kopplungskoeffizienten für das Gitter in der ersten Ausführungsform zeigt,
Fig. 8 eine Ansicht ist, die das Filterspektrum in der ersten Ausführungsform zeigt,
Fig. 9 eine Ansicht ist, die das Filterspektrum eines herkömmlichen Beugungsgitters zeigt,
Fig. 10 eine schematische perspektivische Ansicht ist, die eine zweite Ausführungsform gemäß der Erfindung zeigt,
Fig. 11 eine Ansicht ist, die die räumliche Veränderung des Kopplungskoeffizienten für das Gitter in der zweiten Ausführungsform zeigt,
Fig. 12 eine Ansicht ist, die das Filterspektrum in der zweiten Ausführungsform zeigt,
Fig. 13 eine Seitenansicht ist, die eine dritte Ausführungsform gemäß der Erfindung im Querschnitt zeigt,
Fig. 14 eine Ansicht ist, die die Wellenlängencharakteristik des in der dritten Ausführungsform nachgewiesenen elektrischen Signals zeigt,
Fig. 15 eine Seitenansicht ist, die eine vierte Ausführungsform gemäß der Erfindung im Querschnitt zeigt,
Fig. 16 eine Ansicht ist, die das Filterspektrum in der vierten Ausführungsform zeigt,
Fig. 17 eine schematische perspektivische Ansicht ist, die eine fünfte Ausführungsform gemäß der Erfindung zeigt,
Fig. 18 eine schematische perspektivische Ansicht ist, die eine sechste Ausführungsform gemäß der Erfindung zeigt,
Fig. 19 eine Seitenansicht ist, die eine siebte Ausführungsform gemäß der Erfindung im Querschnitt zeigt,
Fig. 20 eine Vorderansicht ist, die die siebte Ausführungsform gemäß der Erfindung im Querschnitt zeigt,
Fig. 21 eine Vorderansicht ist, die eine achte Ausführungsform gemäß der Erfindung im Querschnitt zeigt,
Fig. 22 eine Seitenansicht ist, die die achte Ausführungsform gemäß der Erfindung im Querschnitt zeigt,
Fig. 23 eine Seitenansicht ist, die einen neunte Ausführungsform gemäß der Erfindung im Querschnitt zeigt,
Fig. 24 eine perspektivische Ansicht ist, die eine zehnte Ausführungsform gemäß der Erfindung in teilweisen Querschnitt zeigt,
Fig. 25 eine Ansicht ist, die die Verteilung des Kopplungskoeffizienten in der Ausbreitungsrichtung von Licht in der zehnten Ausführungsform zeigt,
Fig. 26 eine Ansicht ist, die die Beziehung zwischen dem Tastverhältnis und dem Abstand und dem Kopplungskoeffizienten in der zehnten Ausführungsform zeigt,
Fig. 27 eine Ansicht ist, die die Veränderung des Tastverhältnisses in der Ausbreitungsrichtung vom Licht in der zehnten Ausführungsform zeigt,
Fig. 28 eine Ansicht ist, die die Veränderung des Gitterabstandes in der Ausbreitungsrichtung vom Licht in der zehnten Ausführungsform zeigt,
Fig. 29 eine Ansicht ist, die die Charakteristik des Bandpaßfilters in der zehnten Ausführungsform zeigt,
Fig. 30 eine Ansicht ist, die die Charakteristik des Kerbenfilters in der zehnten Ausführungsform zeigt,
Fig. 31 und 32 Ansichten sind, die weitere Beispiele der Beziehungen zwischen dem Tastverhältnis des Gitters und dem Abstand und dem Kopplungskoeffizienten zeigen,
Fig. 33 eine Ansicht ist, die die Beziehung zwischen der Gittertiefe und der Kopplungslänge zeigt,
Fig. 34 eine Seitenansicht ist, die eine elfte Ausführungsform gemäß der Erfindung im Querschnitt zeigt, und eine Ansicht ist, die die Veränderung des Kopplungskoeffizienten zeigt, und
Fig. 35 eine Ansicht ist die die Charakteristik des Bandpaßfilters in der elften Ausführungsform zeigt.
In Fig. 4 wird ein Aufbau einer ersten Ausführungsform gemäß der Erfindung gezeigt. Bei der vorliegenden Ausführungsform sind aufeinanderfolgend durch Molekularstrahlepitaxie (MBE) auf einem Substrat 1 aus GaAs eine Pufferschicht 2 aus GaAs, 0,5 um dick, eine Mantelschicht 3 aus Al0,5Ga0,5As, 1,5 um dick, eine erste Führungsschicht oder ein erster Wellenleiter 4, 0,1 um dick, der durch abwechselndes Laminieren von GaAs und Al0,4Ga0,6As zu einem Vielfachquantentopf (MQW) gemacht worden ist, eine Mantelschicht 5 aus Al0,5Ga0,5 As, 0,8 um dick, und eine zweite Führungsschicht oder ein zweiter Wellenleiter 6, 0,4 um dick, der durch abwechselndes Laminieren von GaAs und Al0,2Ga0,8As zu einem MQW gemacht ist, gewachsen. Nachdem man eine Resistmaske durch Photolithographie unter Verwendung eines Photoresist-Materials gemacht hat, wird ein Beugungsgitter oder Gitter 7, das aus einer Riffelung mit einer Tiefe von 0,07 um besteht, in Bereichen auf einer Oberfläche eines zweiten Wellenieiters 6 durch reaktives Ionenstrahlenätzen (RIBE) gebildet.
In dieser Ausführungsform ist um die Seiten-Strahlungskeule des Filterspektrums zu unterdrücken, der Kopplungskoeffizient des Gitters 7 fast symmetrisch entlang der Ausbreitungsrichtung von Licht von einem Zentralbereich zu den Einfalls- und Ausbreitungsseiten von Licht verändert. Mit anderen Worten ist das Muster des Gitters 7 verändert, wie in Fig. 4 gezeigt, indem man den Abstand konstant macht, und das Verhältnis von Steg zu Einkerbung (oder Linie zu Zwischenraum), die das Gitter 7 aufbauen, entlang der Ausbreitungsrichtung von Licht verändert. Der Steg ist ein Bereich mit hohem Brechungsindex n&sub2;, während die Einkerbung ein Bereich mit niedrigen Brechungsindex n&sub1; ist.
Nach Bildung des Gitters 7 wird die SiO&sub2;-Schicht 8 auf das Gitter 7 durch Sputtern bzw. Zerstäuben aufgetragen. Dann wird, nach erneutem Auftragen eines Photoresist-Materials und Bildung eines Streifenmusters, das sich in der Ausbreitungsrichtung von Licht ausbreitet, um das geführte Licht lateral zu begrenzen, der Wafer durch RIBE geätzt, bis zu einer Stelle, an der das GaAs-Substrat 1 freigelegt ist, an der ein führender Rand des Streifens schräg zu der Ausbreitungsrichtung von Licht geschnitten ist, um das Licht nur an den ersten Wellenleiter 4 zu koppeln, wenn das Licht eintritt.
Dann wird Al0,5Ga0,5As durch Flüssigphasenepitaxie (LPE) gewachsen, um den Streifen einzubetten und SiO&sub2; wird erneut über die gesamte Oberfläche aufgetragen. Folglich kann eine Struktur mit zwei Wellenleitern 4, 6, die wie in Fig. 4 gezeigt laminiert sind, erhalten werden.
Auf diese Weise hat der optische Wellenlängenfilter dieser Ausführungsform zwei Schichten aus Wellenleitern (erster Wellenleiter 4, zweiter Wellenleiter 6), die in der Schicht-Richtung laminiert sind, wodurch ein Richtungskoppler dargestellt wird. Da jeder Wellenleiter 4, 6 so gebildet ist, daß er eine unterschiedliche Dicke oder Zusammensetzung hat, hat er eine unterschiedliche Ausbreitungskonstante für Licht, das sich durch ihn ausbreitet. Das auf dem zweiten Wellenleiter 6 gebildete Gitter 7 wird verwendet, um eine optisch zu koppelnde Wellenlänge auszuwählen, die Wellenlänge kann ausgewählt werden, indem man den Abstand oder das Verhältnis von Steg zu Einkerbung verändert.
Fig. 5 zeigt die Verteilung des optisch-elektrischen Feldes in den geführten Moden dieser Ausführungsform. Die vertikale Achse ist die Intensitätsverteilung des optisch-elektrischen Feldes, während die horizontale Achse der Abstand in der Laminierungsrichtung in Bezug auf die Oberfläche des zweiten Wellenleiters 6 ist. Somit gibt es zwei geführte Moden in den Wellenleitern 4, 6 dieser Ausführungsform, d.h. die ungerade Mode 11, die auf dem ersten Wellenleiter 4 zentriert ist, und die gerade Mode 12, die auf dem zweiten Wellenleiter 6 zentriert ist Das Gitter 7 ist in einem Überlappungsbereich (linker Bereich des zweiten Wellenleiters 6 in Fig. 5) der ungeraden Mode 11 und der geraden Mode 12, wie vorstehend beschrieben, gebildet.
Der Betrieb dieser Ausführungsform wird beschrieben.
Das in einem Wellenlängenbereich von 0,8 um bis 0,86 um gemultiplexte einfallende Licht 14 wird in den ersten Wellenleiter 4, wie in Fig. 4 gezeigt, eingekoppelt. Es gibt zwei geführte Moden, die auf den zwei Wellenleitern 4, 6 zentriert sind, d.h. die gerade Mode 12 und die ungerade Mode 11, wie vorstehend beschrieben. Das einfallende Licht 14, das in den ersten Wellenleiter 4 eingegeben wird, breitet sich in der ungeraden Mode 11, die auf dem ersten Wellenleiter 4 zentriert ist, aus. Da die ungerade Mode 11 und die gerade Mode 12 unterschiedliche Ausbreitungskonstanten haben, breitet sich das Licht annähernd unabhängig fast ohne Kopplung an dem Bereich, an dem das Gitter 7 nicht vorliegt, aus. An dem Bereich, wo das Gitter 7 vorliegt, tritt jedoch die Übertragung von optischer Energie auf, wenn die folgende Beziehung zwischen der Ausbreitungskonstante βungerade für die ungerade Mode 11 und der Ausbreitungskonstanten βgerade für die gerade Mode 12 erfüllt ist.
βgerade (λ) - βungerade (λ) = 2π/ ...(1)
Worin λ die Lichtwellenlänge ist und der Abstand des Gitters 7 ist.
Wenn die Übertragung von optischer Energie wie vorstehend beschrieben auftritt, kann das geführte Licht in der ungeraden Mode 11, an die das einfallende Licht 14 gekoppelt ist, in geführtes Licht in der geraden Mode 12 verwandelt werden. Demgemäß wird das einfallende Licht 14 schließlich eine optische Welle, die sich durch den zweiten Wellenleiter 6 ausbreitet, und es wird als das ausgewählte Ausgabelicht 15 ausgegeben. Licht mit anderen Wellenlängen wird von dem ersten Wellenleiter 4 als das nicht ausgewählte Ausgabelicht 16 ausgegeben.
Ein Kopplungskoeffizient g wird definiert, der ein Koeffizient ist, der die Kopplungsintensität der optischen Wellen ausdrückt, die sich durch zwei Weilenleiter 4, 6 ausbreiten. Der Kopplungskoeffizient g wird durch den folgenden Ausdruck gegeben.
g = &epsi;gerade (x) A&sub1;(x) &epsi;ungerade(X) dx ... (2)
worin &epsi;gerade, &epsi;ungerade die Verteilung des optisch-elektrischen Feldes in der geraden bzw. ungeraden Mode ist, und A&sub1; die Komponente der Fourierreihe ist, die dem primär gebeugten Licht für das Gitter 7 entspricht. Unter der Annahme, daß der Steg und die Einkerbung des Gitters 7 rechteckig sind, ist A&sub1; (x) durch den folgenden Ausdruck gegeben:
... für 0 < x < w
= 0 ... für x < 0 oder w < x
... (3)
worin q = 1, wenn die Kopplung von βgerade und βungerade durch das primär gebeugte Licht durchgeführt wird, n&sub1; und n&sub2; jeweils die Brechungsindizes der Materialien sind, die den Steg und die Einkerbung des Gitters 7 darstellen, der Abstand des Gitters 7 ist und w die Breite der Einkerbung ist. Mit anderen Worten hängt der Kopplungskoeffizient g von dem Verhältnis von Steg zu Einkerbung ab, das in dem Abstand des Gitters 7 besetzt wird. Fig. 6 ist eine graphische Darstellung, die die Veränderung des Kopplungskoeffizienten g darstellt, wenn das Verhältnis von Steg zu Einkerbung in dem Gitter 7 in einem optischen Filter vom Richtungskopplertyp gemäß der Konfiguration dieser Ausführungsform verändert wird. In der gezeigten Ausführungsform ist die Kopplungsintensität in der Nähe der Stelle, wo das Verhältnis von Steg zu Einkerbung 0,75:0,25 ist, maximal, und sie nimmt vor oder hinter diese Stelle ab. Das Verhältnis von Steg zu Einkerbung, bei dem die Kopplungsintensität maximal ist, hängt jedoch von der Konfiguration des Wellenleiters ab.
Somit ist in dieser Ausführungsform, um die Wellenlängenfilterung mit Licht mit einer zentralen Wellenlänge von 0,83 um durchzuführen, der Abstand auf 7,8 um entsprechend dem Ausdruck (1) eingestellt, und das Verhältnis von Steg zu Einkerbung, die das Gitter 7 aufbauen, ist wie in Fig. 4 gezeigt zusammengestellt. Mit anderen Worten ist das Verhältnis von Steg zu Einkerbung 0,7:0,3 im Zentrum des Gitterbereichs, wobei der Anteil der Einkerbung graduell zu den Enden zunimmt, und das Verhältnis ist 0,1:0,9 an beiden Enden. Auf diese Weise wird der Kopplungskoeffizient oder die Intensität der Kopplung in der selben Weise wie bei einem herkömmlichen Beispiel wie in Fig. 3 gezeigt verändert, indem man schrittweise das Verhältnis von Steg zu Einkerbung vom Zentrum des Gitters zu den Enden hin verändert.
Hier ist die Länge der Kopplung oder die vollständige Kopplungslänge als Beispiel für die Verteilung der Kopplungsintensität def iniert. Unter der Annahme, daß die fortschreitende Richtung des geführten Lichts die z-Richtung ist, die vollständige Kopplungslänge L ist und der Kopplungskoeffizient, der sich in der z-Richtung verändert, G(z) ist, wird die folgende Beziehung erfüllt.
Worin die Funktion für die Verteilung G(z) eine Kegel-Funktion genannt wird, die eingestellt ist, daß sie F(z) ist, und die folgende Gleichung erhalten wird,
G(z) = G&sub0; F(z) ...(5)
(G&sub0; ist eine Konstante)
Man beachte, daß F(z) auf L normiert ist, d.h., die folgende Gleichung erfüllt ist
Aus den Ausdrücken (4), (5) und (6) kann die vollständige Kopplungslänge wie folgt erhalten werden.
G&sub0; L = π/2
L = π/(2 G&sub0;)
Da in dieser Ausführungsform G&sub0; 21,5 cm&supmin;¹ ist, ist die vollständige Kopplungslänge L 730 (um). Somit wird in dieser Ausführungsform angenommen, daß die vollständige Kopplungslänge L 730 um ist, und die Kegel-Funktion F(z) für die Darstellung der Verteilung der Kopplungsintensität ist eine Hamming-Funktion, wie in Fig 7 gezeigt. Diese Hamming-Funktion wird wie folgt ausgedrückt.
F(z) = 1 + 0,852 cos (2π z/L)
Mit der vorstehenden Anordnung ist die Intensität (Filterspektrum) des ausgewählten Ausgabelichts 15, das von dem zweiten Wellenleiter 6 unter dem Licht 14, das auf den ersten Wellenleiter 4 einfällt, auszugeben ist, wie in Fig. 8 gezeigt. Zum Vergleich ist das Spektrum eines Beispiels in Fig. 9 gezeigt, bei dem das Verhältnis von Steg zu Einkerbung des Gitters konstant ist, und die Intensität der Kopplung über den gesamten Bereich, wo das Gitter 7 gebildet worden ist, konstant gemacht ist. Mit dem Vergleich zwischen Fig. 8 und Fig. 9 sollte zu verstehen sein, daß der Unterdrückungseffekt der Seiten-Strahlungskeule mit der Anordnung dieser Ausführungsform in ausreichendem Maße erhalten werden kann. Von dem wie in Fig. 8 gezeigten Filterspektrum ist zu sehen, daß die Halbwertsbreite 55 Å ist und daß das Verhältnis der transmittierten Lichtintensität auf der zentralen Wellenlänge der Haupt-Strahlungskeule zu der bei der Wellenlänge, die 100 Å von der zentralen Wellenlänge entfernt liegt, ungefähr 30 dB ist. Bei der Anordnung von Fig. 4 sollte bemerkt werden, daß eine Antireflektions-Beschichtung aus ZrO&sub2; auf die Eingabe- und Ausgabe-Endflächen aufgetragen ist, um die Abnahme des Wirkungsgrads und das Auftreten von Riffelung, die Reflexionen auf den Endflächen begleiten, zu unterdrücken.
Fig. 10 zeigt eine zweite Ausführungsform. Bei der zweiten Ausführungsform sind in derselben Weise wie bei der ersten Ausführungsform durch Molekularstrahlepitaxie (MBE) aufeinanderfolgend auf einem GaAs-Substrat 21 eine Pufferschicht 22 aus GaAs, (4,5 um dick, eine Manteischicht 23 aus Al0,5Ga0,5As, 1,5 um dick, eine erste Führungsschicht 24, 0,15 um dick, die durch abwechselndes Laminieren von GaAs und Al0,4Ga0,6As zu einem Vielfach-Quantentopf (MQW) gemacht ist, eine Mantelschicht 25 aus A10,5Ga0,5As, 0,9 um dick, und eine zweite Führungsschicht 26, 0,5 um dick, die durch abwechselndes Laminieren von GaAs und Al0,2Ga0,8As zu einem MQW gemacht ist, aufgewachsen. Dann wird durch das Photoresist- und RIBE-Verfahren ein Gitter (nicht gezeigt), das aus einer Riffelung mit 0,3 um Tiefe besteht, auf der zweiten Führungsschicht 26 gebildet, und dann wird durch LPE die Schicht aus Al0,5Ga0,5As wieder aufgewachsen, um die Einkerbung des Gitters einzubetten. Darauffolgend wird eine GaAs-Schicht als eine Deckschicht 28 gewachsen und nach Bildung des Streifens mit SiO&sub2; werden Verunreinigungen wie beispielsweise Zn (oder Si) an beide Seiten des Streifens durch thermische Diffusion gebracht, um das Licht in der transversalen Richtung zu begrenzen. Dadurch sind die Seiten des ersten Wellenleiters 24 und des zweiten Wellenleiters 26 beide ungeordnet, wo ein Bereich 29 mit einem niedrigen Brechungsindex gebildet wird, so daß der optische Wellenlängenfilter wie in Fig. 10 gezeigt hergestellt wird.
Mit dem Bereich mit niedrigen Brechungsindex 29, der auf beiden Seiten des ersten Wellenleiters 24 und des zweiten Wellenleiters 26 gebildet ist, wird das geführte Licht in der transversalen Richtung eingeschränkt, wobei der Verlust aufgrund der Beugungs-Ausbreitung des geführten Lichtes verringert wird, was zu einem optischen Wellenlängenfilter mit hoher Effizienz führt.
Die Begrenzung in der transversalen Richtung kann auf verschiedene Weisen durchgeführt werden, wie beispielsweise das Verfahren der Bildung von Stegen oder das Belastungsverfahren ("loading method"), außer dem Verfahren, wie in der ersten und zweiten Ausführungsform beschrieben.
In der zweiten Ausführungsform wird das Verhältnis von Steg (Bereich mit hohem Brechungsindex) zu Einkerbung (Bereich mit niedrigem Brechungsindex), die das Gitter darstellen, von 0,6:0,4 zu 1,0 vom Zentrum zu den Enden verändert, wobei der Anteil des Stegs erhöht wird.
Mit dieser Anordnung folgt die Veränderung des Kopplungskoeffizienten auf dem Gitterbereich der Form einer Blackman-Funktion, wie in Fig. 11 gezeigt. Die Blackman-Funktion F(z) wird wie foigt ausgedrückt.
F(z) = 1 + 1,19 cos (2π z/L) + 0,19 cos (4π z/L)
Aus dem Filterspektrum der zweiten Ausführungsform wie in Fig. 12 gezeigt ist zu sehen, wie die Seiten-Strahlungskeule unterdrückt wird. Die Halbwertsbreite ist 73 Å, und das Verhältnis der spezifischen Durchlässigkeit auf der zentralen Wellenlänge der Haupt-Strahlungskeule zu der auf der Wellenlänge, die 100 Å von der zentralen Wellenlänge entfernt liegt, ist 30 dB bis 35 dB oder mehr.
Übrigens wird außer der Kegel-Funktion für den Kopplungskoeffizienten in der ersten und zweiten Ausführungsform die folgende Verteilung bereitgestellt. Das heißt, der Kopplungskoeffizient kann in der Ausbreitungsrichtung von Licht durch die erhöhte Cosinus-Funktion,
F(z) = 1 + cos (2π z/L) ...(7)
oder die Kaiser-Funktion
F(z) = γ/sinh(γ)] I&sub0; (γ{1 - (2z/L)²}1/2) ...(8)
gegeben sein.
Wenn das Gitter mit einer Verteilung gemäß der vorstehenden Funktion gebildet ist, kann die Seiten-Strahlungskeule auch unterdrückt werden. Hier ist L die vollständige Kopplungslänge, z ist die Stelle entlang des Wellenleiters bei - L/2 < z < L/2, γ ist eine beliebige Zahl, und I&sub0; ist der Wert nullter Ordnung der Bessel-Funktion der ersten Art.
In der vorstehenden Ausführungsform ist das Gitter auf dem zweiten Wellenleiter 6, 26 gebildet, aber das Gitter kann an allen Bereichen hergestellt werden, an denen die Verteilungen des optisch-elektrischen Feldes (gerade Mode 12, ungerade Mode 11) des geführten Lichtes beide vorliegen. Da sich jedoch der Kopplungskoeffizient mit ihr verändert, muß die vollständige Kopplungslänge entsprechend eingestellt werden.
Jede der vorstehenden Ausführungsformen war aus GaAs/AlGaAs- Material gebaut, aber es ist klar, daß sie auch aus anderen Materialien, beispielsweise Verbindungshalbleitern aus In- GaAs/InGaP, Glasmaterialien aus SiO&sub2;/TiO&sub2; oder optischen Kristallen aus LiNbO&sub3;, LiTaO&sub3; und BSO gebaut werden können.
Fig. 13 zeigt die dritte Ausführungsform gemäß der Erfindung. Diese Ausführungsform wurde ausgeführt, indem man Photodetektoren mit Wellenlängenselektivität integrierte, mit dem Aufbau des optischen Wellenlängenfilters, wie vorstehend beschrieben.
Bei der dritten Ausführungsform sind aufeinanderfolgend durch Molekularstrahlepitaxie (MBE) auf einem Substrat 31 aus n&spplus;-GaAs, eine Pufferschicht 32 aus n-GaAs, 0,5 um dick, eine Mantelschicht 33 aus n-Al0,5Ga0,5As, 1,5 um dick, ein erster Wellenleiter 34 aus n-Al0,3Ga0,7As, 0,2 um dick, eine Mantelschicht 35 aus n-Al0,5Ga0,5As, 0,8 um dick und ein zweiter Wellenleiter 36, 0,4 um dick, der durch abwechselnde Laminierung von i-GaAs und i-Al0,4Ga0,6As zu einem MQW gemacht ist, gewachsen. Dann ist durch Photolithographie ein Gitter 37 mit Riffelungen in 0,05 um Tiefe, 7,7 um Abstand , auf der Oberfläche des zweiten Wellenleiters 36 über einer Länge von 1,277 mm gebildet worden, wobei sich das Verhältnis von Steg zu Einkerbung in der Ausbreitungsrichtung von Licht gemäß der Kaiser-Funktion (Formel (8) wie vorstehend gezeigt) veränderte.
Dann sind durch Flüssigphasenepitaxie (LPE) eine Mantelschicht 38 aus i-Al0,5Ga0,5As und eine Deckschicht 39 aus i-GaAs, 0,5 um dick, auf dieser Oberfläche wieder aufgewachsen. Danach sind die Mantelschicht 38 und der zweite Wellenleiter 36 in dem Bereich direkt neben dem Gitter 37 durch Ätzen entfernt worden. Ferner sind durch LPE eine Absorptionsschicht 40 aus i-GaAs, 0,1 um dick, eine Mantelschicht 41 aus p-Al0,5Ga0,5As, 1,2 um dick, und eine Deckschicht aus p&spplus;-GaAs, 0,5 um dick, auf dieser entfernten Fläche wieder aufgewachsen, und darauffolgend ist eine Elektrode 43 aus Cr/Au auf der Deckschicht 42 gebildet, und eine Elektrode 44 aus AuGe/Au ist auf der Rückseite des Substrats 31 gebildet.
In dieser Ausführungsform wird nur das Licht mit der Wellenlänge, die durch den optischen Wellenlängenfilter von dem Licht 46, das auf dem ersten Wellenleiter 34 einfällt, ausgewählt ist, an den zweiten Wellenleiter 36 gekoppelt und in der Absorptionsschicht 40 absorbiert, die ein Photodetektor-Bereich ist. Der Photodetektor-Bereich hat eine p-i-n-Struktur, und eine Rückwärts-Vorspannung wird zwischen den Elektroden 43, 44 angelegt. Daher werden durch die Absorption verursachte Ladungsträger als ein elektrisches Stromsignal nachgewiesen.
Fig. 14 ist eine Ansicht, die die Wellenlängen-Charakteristik vom Signallicht, das als elektrische Signale in dieser Ausführungsform zu entnehmen ist, zeigt. Die Halbwertsbreite, d.h die Bandbreite von -3 dB, was eine Wellenlängen- Auswahleigenschaft ist, ist ungefähr 78 Å. Das Verhältnis von Ausgangsstrom bei der zentralen Wellenlänge der Haupt- Strahlungskeule zu der bei der Wellenlänge, die 100 Å von der zentralen Wellenlänge entfernt liegt, (oder Übersprechen zwischen Wellenlängen) ist ungefähr 30 dB, was anzeigt, daß die Seiten-Strahlungskeule in ausreichendem Maße unterdrückt wird.
Fig. 15 ist eine Ansicht, die den Aufbau der vierten Ausführungsform gemäß der Erfindung zeigt. Bei dieser vierten Ausführungsform sind aufeinanderfolgend auf dem Substrat 51 aus n&spplus;-GaAs durch Molekularstrahlepitaxie (MBE) eine Pufferschicht 52 aus n-GaAs, 0,5 um dick, eine Mantelschicht 53 aus n-Al0,5Ga0,5As, 1,5 um dick, ein Wellenleiter 54, 0,2 um dick, der durch abwechselndes Laminieren von n-GaAs, 30 Å dick, und Al0,5Ga0,5As, 70 Å dick zu einem Vielfach-Quantentopf (MQW) hergestellt ist, eine Mantelschicht 55 aus n-Al0,5Ga0,5As, 0,7 um dick, und eine Lichtabsorptionsschicht 56 aus i-GaAs, 0,4 um dick, gewachsen.
Dann ist durch Photolithographie unter Verwendung eines Photoresist-Materials eine Resist-Maske gemacht worden, die Oberfläche der Lichtabsorptionsschicht 56 ist durch Verwendung von Ammoniak und Wasserstoffperoxid geätzt, und dann ist ein Gitter 57 aus einer Riffelung über eine Länge von 100 um gebildet worden, in dem das Gitter eine Tiefe von 0,2 um, einen Abstand von 5,5 um hatte, und das Verhältnis von Steg zu Einkerbung des Gitters 57 veränderte sich in der Ausbreitungsrichtung von Licht gemäß der erhöhten Cosinus-Funktion, wie vorstehend in der Formel (7) gezeigt.
Dann ist durch Flüssigphasenepitaxie (LPE) eine Mantelschicht 58, die aus p-Al0,5Ga0,5As besteht, wieder aufgewachsen worden, und ferner ist eine Deckschicht 59, die aus p&spplus;-GaAs besteht, wieder aufgewachsen worden. Schließlich sind eine Kontaktschicht (nicht gezeigt), die aus Au-Ge besteht, und eine Elektrode 60 aus Au auf der Rückfläche des Substrats 51 aufgetragen, und eine Kontaktschicht (nicht gezeigt) und eine Elektrode 61 aus Au sind auf eine Oberfläche der Deckschicht 59 aufgetragen. Auf diese Weise ist ein Photodetektor, der eine Photodiode vom p-i-n-Typ ist, hergestellt worden. Der Photodetektor dieser Ausführungsform ist wie vorstehend gezeigt aufgebaut, so daß der Wellenleiter 54 und die Lichtabsorptionsschicht 56, die in Schichtrichtung laminiert sind, einen optischen Richtungskoppler bilden. Da der Wellenleiter 54 und die Lichtabsorptionsschicht 56 unterschiedliche Zusammensetzungen und Schichtdicken haben, sind die Ausbreitungskonstanten von Licht, das sich durch jede Schicht ausbreitet, unterschiedlich. Das auf der Oberfläche der Lichtabsorptionsschicht 56 gebildete Gitter 57 wird verwendet, um das Licht auszuwählen, mit dem die Richtungskoppiung durchgeführt wird, indem man den Abstand des Gitters und das Verhältnis von Steg zu Einkerbung verändert.
Der Betrieb dieser Ausführungsform wird im folgenden beschrieben. Eine Rückwärts-Vorspannung wird zwischen Elektroden 60, 61 dieser Ausführungsform angelegt, und das Signallicht 64, das aus Licht mit einer Wellenlänge in einem Bereich von 0,78 um bis 0,88 um bei Wellenlängen-Abständen von 0,01 um besteht, wird an den Wellenleiter 54 durch Endflächenkopplung gekoppelt. Das eingegebene Signallicht 64 breitet sich in der ungeraden Mode 11 mit seiner Intensität im Zentrum des Wellenleiters 54 aus, wobei entweder die gerade Mode und die ungerade Mode 11, 12 in dem optischen Koppler wie in Fig. 5 gezeigt vorliegt. Da die optisch-elektrische Intensitätsverteilung dieser ungeraden Mode 11 die Lichtabsorptionsschicht 56 fast vollständig nicht erreicht, wie in Fig. 5 gezeigt, ist der Ausbreitungsverlust aufgrund der Absorption in der Absorptionsschicht 56 sehr gering.
Wenn die in (1) ausgedrückte Beziehung bei der spezifischen Wellenlänge wie vorstehend beschrieben erfüllt ist, wird das Licht der ungeraden Mode 11 in das der geraden Mode 12 verwandelt, und die zentrale Intensität wird auf die Lichtabsorptionsschicht 56 übertragen. In dieser Ausführungsform ist der Gitterabstand 5,5 um und die Wellenlänge von 0,83 um wird nachgewiesen. Somit wird das in die Lichtabsorptionsschicht 56 übertragene geführte Licht absorbiert, unter Erzeugung von Elektronen und Löchern, die von außen als ein photoelektrischer Strom nachgewiesen werden. Fig. 16 ist eine Ansicht, die die Wellenlängenverteilung des in dieser Ausführungsform nachgewiesenen Lichts zeigt. Es ist zu sehen, wie eine scharfe Auswahl durchgeführt wird, wobei die Seiten-Strahlungskeule in ausreichendem Maße mit einer Halbwertsbreite von 64 Å unterdrückt wird.
In dieser Ausführungsform war das Gitter 57 über eine Länge von 100 um gebildet, was eine kleinere Länge als die vollständige Kopplungslänge L 262 um (die Länge des Kopplungsbereichs, wo der Wirkungsgrad der Kopplung maximal ist) des Richtungskopplers ist, das liegt daran, daß das Ansprechverhalten des Photodetektors in Betracht gezogen wurde. Daher wird, wenn das Ansprechverhalten aufgrund der erhöhten Aufnahmefläche von Licht beeinträchtigt werden kann, der Wirkungsgrad der Absorption von Licht weiter erhöht, indem man die Länge des Gitterbereichs dichter an die vollständige Kopplungslänge L bringt.
Wenn eine Vielzahl von Elementen dieser Ausführungsformen in Tandemform verbunden werden, indem man den Abstand des Gitters und das Verhältnis von Steg zu Einkerbung verändert, kann auch ein integrierter Photodetektor hergestellt werden, der den gleichzeitigen Nachweis von Signallicht mit einer Vielzahl von Wellenlängen zuläßt.
Fig. 17 ist eine Ansicht, die eine fünfte Ausführungsform gemäß der Erfindung zeigt. Bei dieser Ausführungsform ist eine p-i-n-Struktur in einem horizontalen Typ für Photo-Empfang gebildet.
Bei dem Aufbau dieser Ausführungsformen sind aufeinanderfolgend auf einem Substrat 71 aus halbisolierendem GaAs eine Pufferschicht 72 mit einer Dicke von 0,5 um aus i-GaAs, eine Mantelschicht 73 mit einer Dicke von 1,5 um aus i-Al0,5Ga0,5As, ein Wellenleiter 74 mit einer Dicke von 0,2 um, der durch abwechselndes Laminieren einer i-GaAs-Schicht mit einer Dicke von 50 Å und einer Al0,5Ga0,5As-Schicht zu einem Vielfach- Quantentopf (MQW) gemacht ist, eine Mantelschicht 75 mit einer Dicke von 0,75 um, die aus i-Al0,5Ga0,5As besteht, und eine Lichtabsorptionsschicht 76 mit einer Dicke von 0,3 um, die aus i-GaAs besteht, aufgetragen. Dann ist in demselben Verfahren wie für die vierte Ausführungsform, wie in Fig. 15 gezeigt, ein riffelungsartiges Gitter 77 mit einer Tiefe von 0,05 um, das zu der Intensität der Kopplung zugespitzt ist, auf der Oberfläche der Lichtabsobtionsschicht 76 hergestellt. Der Abstand der Riffelung war 4,6 um, und die Länge des Gitterbereichs war 200 um. Danach ist eine Mantelschicht 78 mit einer Dicke von 1,5 um, die aus i-A10,5Ga0,5As besteht, aufgewachsen worden, und ferner ist eine Schutzschicht 79 aus Si&sub3;N&sub4; aufgetragen worden.
Dann sind Zn und Si durch thermische Diffusion auf beide Seiten mit einem Abstand von 2 um auf einer Oberfläche der Schutzschicht 79 gebracht worden, und ein p-Typ-Bereich 80 und ein n-Typ-Bereich 81 sind gebildet worden. Darauffolgend sind eine Deckschicht 82 aus p&spplus;-GaAs und eine Elektrode 83 aus Cr/Au auf dem oberen Bereich des p-Typ-Gebiets 80 hergestellt worden, während eine Deckschicht 84 aus n&spplus;-GaAs und eine Elektrode 85 aus Au-Ge/Au auf einem oberen Bereich des n-Typ-Gebiets 81 hergestellt worden ist.
Eine Rückwärts-Vorspannung wurde an die somit hergestellte p-i-n-Struktur vom horizontalen Typ angelegt, und die Wellenlängencharakeristik der nachgewiesenen Intensität des einfallenden Lichts wurde auf dieselbe Weise wie in der vierten Ausführungsform beobachtet. Als Ergebnis konnte eine ausgezeichnete Wellenlängenselektivität wie in der vierten Ausführungsform erhalten werden.
Da bei dem Aufbau dieser Ausführungsform ein halbisolierendes Substrat 71 verwendet wird, ist es einfach, es von anderen Elementen elektrisch zu isolieren, und es ist auch vorteilhaft für die Integration einer Vielzahl von optischen Kopplern oder die Integration mit einem Verstärker für den Empfang, einem lichtemittierenden Element oder einem Steuerungsantrieb.
Fig. 18 ist eine Ansicht, die den Aufbau einer sechsten Ausführungsform gemäß der Erfindung zeigt. Diese Ausführungsform hat ein Merkmal eines Verstärkers mit der FET-Struktur, außer dem Wellenlängenverzweigungs-Nachweismerkmal.
In derselben Weise wie in der fünften Ausführungsform sind bei dieser Ausführungsform aufeinanderfolgend durch MBE auf einem Substrat 91 aus halbisolierendem GaAs eine Pufferschicht 92 mit einer Dicke von 0,5 um aus i-GaAs, eine Mantelschicht 93 mit einer Dicke von 1,5 um aus i-Al0,5Ga0,5As, ein Wellenleiter 94 mit einer Dicke von 0,2 um, der in derselben Weise wie der Wellenleiter 74 der fünften Ausführungsform aufgebaut ist, eine Mantelschicht 95 mit einer Dicke von 0,6 um aus i-Al0,5As aufgetragen. Dann ist in demselben Verfahren wie für die vierte Ausführungsform ein riffelungsartiges Gitter 96, das zu der Intensität der Kopplung zugespitzt ist, gebildet, und darauffolgend ist, nachdem eine Lichtabsorptionsschicht 97 mit einer Dicke von 0,4 um, die aus n-GaAs (Dotierdichte 1 x 10¹&sup7; cm&supmin;³) besteht, wieder aufgewachsen ist, eine Isolierschicht 98 mit einer Dicke von 0,3 um, die aus Si&sub3;N&sub4; besteht, durch Sputtern bzw. Zerstäuben aufgetragen.
Dann sind, wie gezeigt, eine Source-Elektrode 100, eine Gate- Elektrode 101 und eine Drain-Elektrode 102 auf der Lichtabsorptionsschicht 97 erzeugt, um eine FET-Struktur herzustellen. Die Source-Elektrode 100 und die Drain-Elektrode 102 sind aus einer Au-Schicht mit einer Unterschicht aus Au-Ge gebildet, und die Gate-Elektrode 101 ist aus Al gebildet.
Der Betrieb dieser Ausführungform wird in derselben Weise wie in der vorstehenden Ausführungsformen durchgeführt, so daß das auf den Wellenleiter 94 einfallende Licht in dem Gitterbereich 96 in der Mode verwandelt wird und in der Lichtabsorptionsschicht 97 absorbiert wird. Sich aus der Absorption ergebende Ladungsträger werden verstärkt und als ein Drain-Strom nachgewiesen.
Da diese Ausführungsform mit der hinzugefügten FET-Struktur das Merkmal eines Verstärkers hat, zusätzlich zu dein Merkmal des Wellenlängendetektors, kann ein Photodetektor mit einer ausgezeichneten Nachweisempfindlichkeit erhalten werden.
Auch kann in dieser Ausführungsform die Schicht, wo das Gitter 96 gebildet ist, jeder Bereich sein, wo die geführten Moden (die gerade Mode 12 und die ungerade Mode 11), die auf der Lichtabsorptionsschicht 97 oder dem Wellenleiter 94 zentriert sind, überlappen.
Fig. 19 ist eine Ansicht, die den Aufbau einer siebten Ausführungsform gemäß der Erfindung zeigt, und Fig. 20 ist eine Querschnitts-Ansicht, die entlang der Linie A-A' aufgenommen wurde.
Bei dieser Ausführungsform sind aufeinanderfolgend auf einem Substrat 111 aus n-GaAs eine Pufferschicht 112 aus n-GaAs, eine erste Mantelschicht 113 mit einer Dicke von 1,5 um aus n-Al0,5Ga0,5As, ein Wellenleiter 114 mit einer Dicke von 0,2 um, der durch abwechselndes Laminieren von undotiertem GaAs und Al0,5Ga0,5As zu einem Vielfach-Quantentopf (MQW) konstruiert ist, eine zweite Mantelschicht 115 aus n-Al0,5Ga0,5As und eine aktive Schicht 116 mit einer Dicke von 0,4 um, die durch abwechselndes Laminieren von undotiertem GaAs und Al0,4Ga0,6As zu einem Vielfach-Quantentopf (MQW) gemacht ist, aufgewachsen. Für kristallines Wachstum wurde in dieser Auführungsform das metallorganische CVD-Verfahren (MO- CVD-Verfahren) verwendet, aber Molekularstrahlepitaxie (MBE) kann auch verwendet werden. Die aktive Schicht 116 ist gebildet, und dann sind durch Photolithographie zwei Gitter 117, 118 in auseinanderliegenden Bereichen auf ihrer Oberfläche gebildet, so daß sie für die Wellenlänge des Signallichts für die Lichtverstärkung angemessen sind und dieselbe ausgewählte Wellenlänge haben. Dann sind eine dritte Mantelschicht 119 mit einer Dicke von 1,5 um aus p-Al0,5Ga0,5 As, eine Deckschicht 120 mit einer Dicke von 0,2 um aus p&spplus;-GaAs und eine Isolierschicht 121 aufeinanderfolgend auf dem oberen Bereich dieser Struktur gebildet, und ferner ist eine p-Typ-Elektrode 122 an dem Bereich bereitgestellt, der dem Gebiet zwischen den Gittern 117 und 118 auf der Oberfläche der Deckschicht 120 entspricht, und eine n-Typ-Elektrode 123 ist auf der Rückseite des Substrats 111 bereitgestellt. Das Flüssigphasenepitaxie- Verfahren (LPE-Verfahren) wurde verwendet, um die dritte Mantelschicht 119 und die Deckschicht 120 herzustellen, aber das CVD-Verfahren kann auch verwendet werden.
Um den Wellenleiter 114 zu einer dreidimensionalen Struktur zu machen, sind dann beide Seiten des Wellenleiters 114 durch Naßätzen entfernt, bis die erste Mantelschicht 113 erreicht ist, wie in Fig. 20 gezeigt, und eine vergrabene Schicht 125 aus p-Al0,5Ga0,5As und eine vergrabene Schicht 126 aus n-Al0,5Ga0,5As sind in diesem entfernten Bereich durch LPE unter Bildung einer vergrabenen Struktur gewachsen.
In dieser Auführungsform mit Zwei-Schicht-Wellenleitern (Wellenleiter 114, aktive Schicht 116), wie vorstehend gezeigt, wird einfallendes Licht 128 mit einer Vielzahl von Laserlicht-Komponenten mit Wellenlängen im Bereich von 0,8 um bis 0,86 um bei Abständen von 0,001 um an den Wellenleiter 114 eingekoppelt. In diesem Beispiel verändert sich, um Wellenlängenfilterung mit Licht mit einer Wellenlänge von 0,83 um als zentrale Wellenlänge durchzuführen, das Verhältnis von Steg zu Einkerbung gemäß der Blackman-Verteilung, wie in Fig. 11 gezeigt, entlang der fortschreitenden Richtung von Licht, mit dem Abstand = 9 um aus dem Ausdruck (1) und der vollständigen Kopplungslänge L = 250 um aus dem Ausdruck (6).
Das von dem Wellenleiter 114 zu der aktiven Schicht 116 durch das Gitter 117, dessen Kopplungskoeffizient sich in der Ausbreitungsrichtung von Licht verändert, übertragene Signallicht wird während der Ausbreitung verstärkt, da die aktive Schicht 116 unter der Elektrode 122 ein Laser-Verstärkungsbereich mit Gewinn ist. Das bei der Ausbreitung durch die aktive Schicht 116 verstärkte Signallicht wird an den Wellenleiter 114 erneut durch das auf der aktiven Schicht 116 gebildete Gitter 118 angekoppelt und von dem Eingabe-/Ausgabe-Wellenleiter 114 wie vorstehend beschrieben ausgegeben.
Somit wird dadurch, daß man den Strom nur zwischen dem Gitter 117 und dem Gitter 118 injiziert, der Bereich der aktiven Schicht 116 außer diesem Zwischenraum ein Absorptions-Wellenleiter, so daß das für das verstärkte Signallicht unnötige eingegebene Signal beseitigt wird und spontan emittiertes Licht mit einer Wellenlänge, die von dem Signal, das sich aus dem Verstärker ergibt, verschieden ist, auch entfernt werden kann. In dieser Ausführungsform kann sogar, wenn der Bereich außer dem Bereich zwischen den Gittern 117, 118 durch Ätzen entfernt ist, derselbe Effekt erzielt werden.
Fig. 21 und Fig. 22 sind jeweils Vorder- und Seitenansichten im Querschnitt, die den Aufbau einer achten Ausführungsform gemäß der Erfindung zeigen. In dieser achten Ausführungsform wird der Licht-Einschluß in der transversalen Richtung, der durch die vergrabenen Schichten 125, 126 in der siebenten Ausführungsform durchgeführt wurde, durch Entfernen beider Seiten durch Ätzen durchgeführt. Der Aufbau dieser Ausführungsform ist fast derselbe wie der der siebenten Ausführungsform, bei der ähnliche Bezugszeichen ähnliche Teile bezeichnen.
Bei dieser Ausführungsform ist eine dritte Mantelschicht 119 erzeugt, und dann ist eine dreidimensionale aktive Wellenleiter-Schicht 116 wie gezeigt durch Ätzen beider Seiten durch reaktives Ionenätzen (RIBE oder RIE-Verfahren) gebildet, bis die zweite Mantelschicht 115 (oder erste Mantelschicht 113) erreicht ist. Dann ist durch thermische Diffusion der Verunreinigungen vom p-Typ auf der Ätz-Endfläche eine Verunreinigungs-Diffusionsschicht 131 gebildet, und eine Verunreinigungs-Diffusionsschicht 132 ist durch dieselbe thermische Diffusion auf den Eingabe-/Ausgabe-Endflächen der aktiven Schicht 116 wie in Fig. 22 gezeigt gebildet.
Es ist beabsichtigt, daß die Verunreinigungs-Diffusionsschichten 131, 132 beide Enden der aktiven Schicht 116 und des Wellenleiters 114 in Unordnung bringen. Der Grund hierfür wird im folgenden erklärt. Wenn der dreidimensionale Wellenleiter wie in dieser Ausführungsform gebildet ist, rekombinieren die injizierten Ladungsträger über ein Grenzflächen-Niveau, da eine große Anzahl von Grenzflächen-Niveaus auf beiden Endbereichen der aktiven Schicht 116 vorliegen, so daß die unwirksamen injizierten Ladungsträger zunehmen, und das von dem Wellenleiter 114 übertragene Signallicht absorbiert wird.
In dieser Ausführungsform ist das Übergitter in Teilen der aktiven Schicht 116 und des Wellenleiters 114 in der Richtung senkrecht zu der Ausbreitungsrichtung von Licht durch die Verunreinigungs-Diffusionsschicht 131 in Unordnung gebracht, und das Übergitter ist auf einem Teil der aktiven Schicht 116 in der Richtung parallel zu der Ausbreitungsrichtung von Licht durch die Verunreinigungs-Diffusionsschicht 132 in Unordnung gebracht. Dadurch wird unnötiges Licht nicht in die aktive Schicht 116 eingegeben, und gleichzeitig kann das Licht der spontanen Emission, das von den Wellenlängen der Signale, die in dem Verstärkungsbereich auftreten, verschieden ist, gestreut werden, wodurch verhindert wird, daß das spontan emittierte Licht nach außen zusammen mit dem verstärkten Signallicht emittiert wird.
Auf diese Weise wird bei dieser Ausführungsform zugelassen, daß die Anzahl der Kristallwachstumsschritte niedriger als in der siebten Ausführungsform gemacht wird, und eine Feineinstellung gemacht wird, da die Breite des Wellenleiters zum Zeitpunkt der thermischen Diffusion gesteuert werden kann.
Fig. 23 ist eine Ansicht, die den Aufbau einer neunten Ausführungsform gemäß der Erfindung zeigt. Bei dieser Ausführungsform ist auf ein Substrat 141 eine Pufferschicht 142, eine erste Mantelschicht 143, ein Wellenleiter 144 und eine zweite Mantelschicht 145 aufgetragen, alle mit GaAs und AlGaAs, die nicht mit Verunreinigungen dotiert sind, im Gegensatz zu der siebten und achten Ausführungsform. Nach der Auftragung ist ein Gitter (nicht gezeigt) auf die aktive Schicht 146 aufgetragen, und eine dritte Mantelschicht 147 vom n-Typ und eine Deckschicht 148 sind wieder aufgewachsen. Danach ist ein Si&sub3;N&sub4;-Film als eine Diffusionsmaske gebildet und ferner ist ein Streifen mit ungefähr 6 um Breite durch Photolithographie gebildet, und die n-GaAs-Deckschicht 148 ist selektiv mit einem Ätzmittel geätzt, das aus wäßrigem Ammoniak und Wasserstoffperoxid besteht. Dann sind ZnAs und die Probe im Vakuum eingeschlossen worden, bei 650ºC 2,5 Stunden lang erhitzt und durch thermische Diffusion an den Bereich gebracht worden, wo die Deckschicht 158 auf beiden Seiten gebildet war, so daß eine Verunreinigungs-Diffusionsschicht 149 gebildet worden ist. Die Diffusions-Vorderseite kann zu dieser Zeit zu der ersten Mantelschicht 143 reichen, und sowohl der Wellenleiter 144 als auch die aktive Schicht 146 sind durch Zn in Unordnung gebracht worden, so daß der dreidimensionale Wellenleiter gebildet worden ist. Danach ist die Diffusionsmaske entfernt worden, die auf die Deckschicht 148 diffundierte Schicht vom p-Typ ist durch Ätzen entfernt worden, und ein Isolierfilm (SiO&sub2;) ist gebildet worden, nachdem eine Elektrode 151 vom p-Typ gebildet worden war. Ferner ist in dem Isolierfilm durch Photolithographie ein durchgängiges Loch gebildet worden, auf dem eine Elektrode 152 vom n-Typ gebildet worden ist.
Die Leistungsfähigkeit der Vorrichtung in dieser Ausführungsform unterscheidet sich nicht groß von denjenigen der siebten und achten Ausführungsform. Es gibt jedoch bei dieser Ausführungsform mehr Freiheit bei der Gestaltung der Vorrichtung, wenn man die optischen integrierten Schaltungen herstellt, da undotierte Schichten bis zu der aktiven Schicht 146 verwendet werden.
Auf diese Weise kann der Abstand zwischen Wellenleitern genau eingestellt werden, indem man zwei Wellenleiter (die aktive Schicht 146 und den Wellenleiter 144) in der Filmrichtung bei Kristallwachstum herstellt. Da das Gitter auch verwendet wird, so daß sich das Verhältnis von Steg zu Einkerbung entlang der fortschreitenden Richtung von Licht gemäß der Verteilung nach einer spezifischen Funktion verändert, kann das Übersprechen zwischen dem Wellenleiter 144, in den einfallendes Licht eingegeben wird, und der aktiven Schicht 146 verringert werden. Und, da die Gestaltung des Kristallwachstums oder des Gitters leicht gemacht wird, kann Optimierung der Vorrichtung erhalten werden. Wie vorstehend beschrieben, sind der Eingangs- /Ausgangs-Wellenleiter 144 und die aktive Schicht 146 zu MQWs, d.h. Übergittern, in der siebten bis neunten Ausführungsform hergestellt worden, aber ein gewöhlicher Dünnfilm-Wellenleiter ist ebenso zufriedenstellend. Die Struktur, bei der der Eingangs-/Ausgangs-Wellenleiter 144 auf der aktiven Schicht 146 bereitgestellt ist, ist ebenfalls möglich.
Um optische Verstärkung für eine Vielzahl von Wellenlängen durchzuführen, kann eine Vielzahl von Gitterpaaren 117, 118 mit einer Vielzahl von unterschiedlichen Perioden, die zu der Kopplungsintensität (jedes Paar mit einer unterschiedlichen selektiven Wellenlänge) spitz zulaufen, bereitgestellt werden.
Wie vorstehend beschrieben, ist es, wenn das Gitter 117, 118 durch Riffelung gebildet ist, ausreichend, daß die Tiefe der Einkerbung (Bereich mit niedrigem Brechungsindex) ansteigt, wenn die Kopplungslänge kürzer sein soll. Wenn jedoch die Tiefe der Einkerbung vertieft wird, verändert sich die effektive Schichtdicke (Mittelwert der Schichtdicken) für den mit dem Gitter gebildeten Wellenleiter, beispielsweise den zweiten Wellenleiter 6 wie in Fig. 4 gezeigt, im großen Maße zusammen mit der Veränderung des Tastverhältnisses. Die Veränderung dieser effektiven Schichtdicke hat einen Effekt auf die Selektivität der Wellenlänge für das geführte Licht. Eine Ausführungsform gemäß der Erfindung, die weiter die vorstehend erwähnten Unannehmlichkeiten verbessert, wird im folgenden erklärt.
In der folgenden Ausführungsform wird das Tastverhältnis des Gitters (das Verhältnis des Bereiches mit hohem Brechungsindex zu dem Bereich mit niedrigem Brechungsindex in einer Periode des Gitters) in der Ausbreitungsrichtung von Licht verändert, und ein Abstand (Länge einer Periode) des Gitters wird auch graduell in der Ausbreitungsrichtung des Lichtes verändert. Dadurch kann die Veränderung der effektiven Schichtdicke in dem Wellenleiter, wo das Gitter gebildet ist, unterdrückt werden, und eine optische Vorrichtung kann erhalten werden, die die effektive Filterung von erwünschtem Licht zuläßt.
Fig. 24 ist eine perspektivische Ansicht im teilweisen Querschnitt, die eine zehnte Ausführungsform gemäß der Erfindung zeigt. In dieser Figur sind bei dieser Ausführungsform aufeinanderfolgend durch Molekularstrahlepitaxie (MBE) auf einem Substrat 201 aus GaAs eine Pufferschicht 202 mit einer Dicke von 0,5 um aus GaAs, eine Mantelschicht 203 mit einer Dicke von 1,5 um aus Al0,5Ga0,5As, ein erster Wellenleiter 204, der durch abwechselndes Laminieren von jeweils neun Schichten GaAs (30 Å) und Al0,5Ga0,5As zu einem Vielfach-Quantentopf (MQW) hergestellt wird, eine Mantelschicht 205 mit einer Dicke von 0,8 um aus Al0,5Ga0,5As und ein zweiter Wellenleiter 206 aus einem Vielfach-Quantentopf (MQW), der durch abwechselndes Laminieren von 55 GaAs-Schichten (30 Å) und Al0,4Ga0,6As-Schichten (60 Å) aufgebaut ist, und eine Al0,4Ga0,5As-Schicht (300 Å) auf dem oberen Bereich des MQWs gewachsen.
Dann wird unter Verwendung eines Photoresist-Materials ein Streifen mit 12 um Tiefe gebildet, der Wafer wird in einer streifenähnlichen Form bis zu der GaAs-Pufferschicht 202 mit einer Ätzflüssigkeit, die eine Mischung aus Schwefelsäure, Wasserstoffperoxid und Wasser enthält, geätzt. Und nach Entfernen des Photoresist-Materials wird die Al0,4Ga0,5As-Schicht 207 durch Flüssigphasenwachstum wieder aufgewachsen, und der Streifen ist eingebettet. In diesem Fall wird, da der obere Bereich des Streifens die Al0,4Ga0,6As-Schicht (oberste Schicht des zweiten Wellenleiters 206) ist, das Al0,5Ga0,5As nicht wieder aufgewachsen.
Darauffolgend wird das Gitter 208 in der Richtung senkrecht zu dem vorstehend erwähnten Streifen unter Verwendung eines Photoresist-Materials gebildet. Und auch unter Verwendung einer Ätzflüssigkeit, die eine Mischung aus Schwefelsäure, Wasserstoffperoxid und Wasser enthält, wird der zweite Wellenleiter 206 teilweise geätzt, und das Gitter 208, das aus Riffelungen mit einer Tiefe von 700 Å besteht, ist gebildet. Danach wird durch Sputtern bzw. Zerstäuben SiO&sub2; auf das Gitter 208 aufgetragen. Die Rückseite des Wafers wird geläppt, so daß die Dicke des Wafers zu 100 um gemacht werden kann. Darüber hinaus wird der Wafer in eine vorbestimmte Größe geschnitten und ZrO&sub2; wird auf die Eingabe-/Ausgabe-Endfläche des geschnittenen Wafers abgeschieden, wobei eine Antireflektionsbeschichtung hergestellt wird. Somit kann die Struktur mit zwei Wellenleitern 204, 206, die wie in Fig. 24 gezeigt laminiert sind, erhalten werden.
In dieser Ausführungsform wird, um die Seiten-Strahlungskeule der Filtercharakteristik zu unterdrücken, der Kopplungskoeffizient des Gitters 208 graduell über den Kopplungsbereich verändert. Die Verteilung des Kopplungskoeffizienten verändert sich stufenweise in Abhängigkeit von der Position innerhalb der Kopplungsfläche (gezeigt mit einem Wert z, der auf die vollständige Kopplungslänge normiert ist), wie mit einer fettgedruckten durchgezogenen Linie in Fig. 25 gezeigt. Die modifizierte Ausführungsform ist fast symmetrisch entlang der Ausbreitungsrichtung von Licht von dem Zentralbereich zu den Eingabe- und Ausgabeseiten von Licht aufgebaut. Die feine Linie in Fig. 25 gibt den Kopplungskoeffizienten der Hamming-Funktion F(z) = 1 + 0,852 cos (2π z/L) an. Der stufenweise Kopplungskoeffizient mit der fetten Linie nähert die feine Linie fast an, und kann in der Praxis denselben Effekt wie die Hamming-Funkion für die Verteilung des Kopplungskoeffizienten bereitstellen.
Solch eine Verteilung des Kopplungskoeffizienten kann erhalten werden, indem man das Tastverhältnis (Verhältnis t/ , das von der Stegbreite t in einem Abstand eingenommen wird) und den Abstand des Gitters 208 für eine spezifische ausgewählte Wellenlänge (bei der folgenden Erklärung λ&sub0; = 0,83 um) verteilt.
Fig. 26 zeigt den Abstand und den Kopplungskoeffizienten zu dem Tastverhältnis t/ des Gitters, wenn die spezifische ausgewählte Wellenlänge λ&sub0; ausgewählt wird. Der Abstand tendiert dazu, kleiner zu sein, wenn das Tastverhältnis größer ist, während der Kopplungskoeffizient maximal in der Nähe des Tastverhältnisses 0,8 ist. Dies wird im folgenden erklärt. Wenn das Tastverhältnis erhöht wird, wird die Einkerbungsbreite (Bereich der Einkerbung) des Gitters 208 verengt, so daß die effektive Dicke des zweiten Wellenleiters 206 dicker ist, und der Wert der Ausbreitungskonstanten βgerade für die gerade Mode von Licht, das sich durch den zweiten Wellenleiter 206 ausbreitet, ist größer. Unter der Annahme, daß die Ausbreitungskonstante für die ungerade Mode von Licht, das sich durch den ersten Wellenleiter 204 ausbreitet, βungerade ist, kann der Abstand des Gitters 208, um die Phasenanpassung zwischen der geraden Mode und der ungeraden Mode zu bewirken, durch den folgenden Ausdruck gegeben werden.
= 2π/(βgerade - βungerade) ...(9)
Daher ist, wenn βgerade größer ist, der Abstand kleiner.
Um die Verteilung des Kopplungskoeffizienten wie in Fig. 25 gezeigt zu erhalten, wird eine Kombination aus dem Tastverhältnis und dem Abstand, bei dem ein erwunschter Kopplungkoeffizient erhalten werden kann, an jedem Punkt des Kopplungsbereichs aus Fig. 24 ausgewählt. Als Ergebnis solch einer Auswahl verändert sich das Tastverhältnis über den gesamten Kopplungsbereich, wie in Fig. 27 gezeigt, wobei die Verteilung des Kopplungskoeffizienten von Fig. 25 errichtet wird. Und der Abstand ist über den gesamten Kopplungsbereich verteilt, wie in Fig. 28 gezeigt.
Fig. 29 zeigt das Ergebnis der Messung der ausgegebenen Lichtintensität (oder der Kopplungseffizienz, wobei das Verhältnis der Intensität des einkommenden Lichtes bei jeder Wellenlänge zu der des ausgehenden Lichtes in dB-Einheiten ausgedrückt ist) von dem zweiten Wellenleiter 206, nachdem Licht von einer einstellbaren Lichtquelle in den ersten Wellenleiter 204 des optischen Wellenlängenfilters eingeführt wurde. Dadurch kann gesehen werden, daß der optische Wellenlängenfilter dieser Ausführungsform eine ausreichend unterdrückte Seiten-Strahlungskeule hat und wenig Übersprechen zwischen Wellenlängen hat.
Andererseits zeigt Fig. 30 die Intensität von ausgegebenem Licht von dem ersten Wellenleiter 204, was die Kerbenfiltercharakteristik angibt, in der das Licht nur bei der zentralen Wellenlänge λ&sub0; durchgelassen wird.
Die Tiefe des Gitters 208 war 700 Å in dieser Ausführungform, aber, wenn die Gittertiefe beispielsweise 200 Å ist, ist die Beziehung zwischen dem Abstand und dem Tastverhältnis fast konstant, wie in Fig. 31 gezeigt. Daher kann selbst, wenn das Tastverhältnis nach einer Funktion verteilt ist, der Kopplungskoeffizient wie in Fig. 25 gezeigt verteilt sein, wobei man eine ausgezeichnete Filtercharakteristik erhält.
Im Gegensatz zeigt Fig. 32 einen Fall, bei dem die Gittertiefe tiefer ist, bei 1000 Å. Wie zu sehen ist, muß, wenn die Gittertiefe ansteigt, der Abstand kegelförmig verteilt sein, wobei man eine ausgezeichnete Filtercharakteristik erhält.
Auf diese Weise sollte klar sein, daß die Verteilung des Abstands für eine Gittertiefe von 700 Å berücksichtigt werden muß, während man sie in der in Fig. 24 gezeigten Ausführungsform hauptsächlich für eine Gittertiefe von 200 Å nicht berücksichtigen muß. Aber eine angemessen Gittertiefe hängt in großem Maße von den Schichtdicken oder Brechungsindizes der Wellenleiter und der Mantelschichten ab, die den Filter aufbauen. Daher müssen das Tastverhältnis und die Verteilung des Abstands so bestimmt werden, daß man mit dem Aufbau einer optischen Vorrichtung eine ausgezeichnete Filtercharakteristik entsprechend der Gittertiefe erreicht.
Im Gegensatz kann, wenn der Abstand zu verändern ist, eine ausgezeichnete Filtercharakteristik erhalten werden, wie in Fig. 25 gezeigt, indem man die Verteilung des Abstands und das Tastverhältnis angemessen macht, auch wenn die Gittertiefe ansteigt, um die Kopplungslänge zu verkürzen.
Fig. 33 zeigt, wie sich die Kopplungslänge verändert, wenn die Gittertiefe verändert wird. Es ist zu sehen, daß, wenn die Gittertiefe größer ist, der Kopplungkoeffizient in dem Kopplungsbereich größer wird, und die Kopplungslänge (die Länge des Wellenleiters, die erforderlich ist, um die optische Leistung vollständig zwischen den Wellenleitern zu übertragen) kürzer wird. Da die kurze Kopplungslänge ein wichtiger Faktor für Integration ist, muß die Gittertiefe, falls erforderlich, erhöht werden. Gemäß der Erfindung kann selbst, wenn die Gittertiefe groß ist, die Seiten-Strahlungskeule effektiv unterdrückt werden, indem man die Verteilung des Abstands kegelförmig macht.
Hier wird der Betrieb der in Fig. 24 gezeigten Ausführungsform beschrieben. Das einfallende Licht 210, das in einem Wellenlängenbereich von 0,8 um bis 0,86 um gemultiplext wird, wird an den ersten Wellenleiter 204 dieser Ausführungsform eingekoppelt. Es gibt zwei geführte Moden, die in den zwei Wellenieitern 204, 206 vorliegen, d.h., die gerade Mode und die ungerade Mode. Das in den ersten Wellenleiter 204 einfallende Licht 210 breitet sich in der ungeraden Mode, die auf dem ersten Wellenleiter 204 zentriert ist, aus. Dann breitet sich das Licht, da die ungerade Mode und die gerade Mode unterschiedliche Ausbreitungskonstanten haben, fast unabhängig fast ohne Kopplung in dem Bereich aus, wo das Gitter 208 nicht vorliegt. In dem Bereich, in dem das Gitter 208 vorliegt, tritt jedoch die Übertragung von optischer Energie mit der Wellenlänge λ auf, wenn der vorstehende Ausdruck (9) zwischen der Ausbreitungskonstante βungerade(λ) für die ungerade Mode und der Ausbreitungskonstanten βgerade(λ) für die gerade Mode steht.
Wenn die Übertragung von optischer Energie auftritt, kann das geführte Licht in der ungeraden Mode, an das das einfallende Licht 210 gekoppelt wird, in das geführte Licht in der geraden Mode umgewandelt werden. Demgemäß wird das einfallende Licht 210 schließlich die optische Welle, die sich durch den zweiten Wellenleiter 206 ausbreitet, und es wird als das ausgewählte Ausgabelicht 211 ausgegeben. Das Licht, das weitere Wellenlängen enthält, wird von dem ersten Wellenleiter 204 als das nicht ausgewählte Ausgabelicht ausgegeben.
Fig. 34 zeigt eine schematische Ansicht einer elften Ausführungsform gemäß der Erfindung, wenn eine Verteilung des Kopplungskoeffizienten κ eine Gauß-Verteilung ist. Die vorliegende Ausführungsform ist ein optischer Wellenlängenfilter, der durch dasselbe Verfahren wie bei der zehnten Ausführungsform hergestellt wurde. Das Ergebnis der Messung des Transmissionsspektrums von dem zweiten Wellenleiter 226 gemäß dieser Ausführungsform ist als eine durchgezogene Linie in Fig. 35 gezeigt. Im Vergleich mit dem Fall einer gleichförmigen Verteilung des Kopplungskoeffizienten (mit einer gestrichelten Linie angegeben) ist die Seiten-Strahlungskeule um 20 bis 25 dB unterdrückt. Das Übersprechen zwischen der zentralen Wellenlänge (λ = 0,83 um) und der Wellenlänge, die 100 Å von der zentralen Wellenlänge entfernt liegt, überschritt -35 dB. In Fig. 35 gibt die gestrichelte Linie das Ansprechverhalten des Filters eines Vergleichsbeispiels an, wenn der Kopplungskoeffizient über den gesamten Kopplungsbereich gleichförmig ist.
Die in Fig. 24 und Fig. 25 gezeigten Ausführungsformen können auf einen Rauschfilter, der mit einem optischen Verstärker unter Verwendung der Laserstruktur integriert ist, einen integrierten inneren Filter von dem Lasertyp mit externem Resonator oder einen mit einem optischen Filter integrierten Filter angewendet werden. Und diese Ausführungsformen können aus Verbindungshalbleitern der Gruppe III-V außer der GaAs-Gruppe, Verbindungshalbleitern der Gruppe II-VI wie beispielsweise CdTe oder SiO&sub2;, Si&sub3;N&sub4;, LiNbO&sub3; gebildet sein.

Claims

1. Optische Kopplungsvorrichtung mit:

Einem Substrat (1; 21; 31; 51; 71; 91; 111; 141; 201);

einer ersten Führungsschicht (4; 24; 32; 54; 74; 94; 114; 144; 204), die auf dem Substrat (1; 21; 31; 51; 71; 91; 111; 141; 201) bereitgestellt ist;

einer zweiten Führungsschicht (6; 26; 36; 56; 76; 97; 116; 146; 206), die mit der ersten Führungsschicht (4; 24; 34; 54; 74; 94; 114; 144; 204) auf dem Substrat (1; 21; 31; 51; 71; 91; 111; 141; 201) laminiert ist, wobei die Ausbreitungskonstante der geführten Mode in der zweiten Führungsschicht (6; 26; 36; 56; 76; 97; 116; 146; 206) verschieden von der der geführten Mode in der ersten Führungsschicht (4; 24; 34; 54; 74; 94; 114; 144; 204) ist und die erste und die zweite Führungsschicht so angeordnet sind, daß sie eine Ausbreitungsrichtung für Licht in den Führungsschichten definieren und so angeordnet sind, daß es einen Bereich gibt, in dem die geführten Moden überlappen; und

einem Beugungsgitter (7; 37; 57; 77; 96; 117; 208), das in dem Überlappungsgebiet bereitgestellt ist, wobei das Beugungsgitter (7; 37; 57; 77; 96; 117; 208) wirkt, indem es Licht mit einem spezifischen Wellenlängenbereich, das sich durch die erste Führungsschicht (4; 24; 34; 54; 74; 94; 114; 144; 204) ausbreitet, in die zweite Führungsschicht (6; 26; 36; 56; 76; 97; 116; 146; 206) einkoppelt, wobei das Beugungsgitter (7; 37; 57; 77; 96; 117; 208) Bereiche mit hohem Brechungsindex und Bereiche mit niedrigem Brechungsindex umfaßt, die periodisch in der Licht-Ausbreitungsrichtung angeordnet sind; dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen der Breite des Bereiches mit hohem Brechungsindex und der Breite des Bereichs mit niedrigem Brechungsindex innerhalb einer Periode des Beugungsgitters (7; 37; 57; 77; 96; 117; 208) sich graduell entlang der Lichtausbreitungsrichtung verändert.

2. Optische Kopplungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich in der ersten Führungsschicht (24) Licht mit vielfachen Wellenlängen ausbreitet.

3. Optische Kopplungsvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Lichtabsorptionsschicht (40) zum Absorbieren von mindestens einem Teil des Lichtes, das in die zweite Führungsschicht (36) gekoppelt wird; und eine Elektrode (43) zum Ausgeben eines elektrischen Signals, das aus dem durch die Lichtabsorptionsschicht (40) absorbierten Licht umgewandelt worden ist.

4. Optische Kopplungsvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die zweite Führungsschicht (56, 76, 97), die das sich durch sie ausbreitende Licht absorbiert; und durch eine Elektrode (61; 83; 102) zum Ausgeben eines elektrischen Signals, das aus dem durch die zweite Führungsschicht (56; 76; 97) absorbierten Licht umgewandelt worden ist.

5. Optische Kopplungsvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen aktiven Laser-Bereich, der auf mindestens einem Teil der zweiten Führungsschicht (116; 146) bereitgestellt ist, wobei der aktive Laser-Bereich, wenn angeregt, dazu dient, das sich durch die zweite Führungsschicht (116; 146) ausbreitende Licht zu verstärken; und eine Elektrode (121; 151) zum Zuführen von Strom, um den aktiven Laser-Bereich anzuregen.

6. Optische Kopplungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand des Beugungsgitters (7; 37; 57; 77; 96; 117; 208) sich in der Ausbreitungsrichtung des Lichts graduell verändert.

7. Optische Kopplungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungsgitter (7; 37; 57; 77; 96; 117; 208) so gebildet ist, daß der Kopplungkoeffizient zwischen der ersten Führungsschicht (4; 24; 34; 54; 74; 94; 114; 144; 204) und der zweiten Führungsschicht (6; 26; 36; 56; 76; 97; 116; 146; 206) in dem zentralen Bereich des Beugungsgitters (7; 37; 57; 77; 96; 117; 208) in der Ausbreitungsrichtung von Licht hoch ist und an beiden Endbereichen des Beugungsgitters (7; 37; 57; 77; 96; 117; 208) niedrig ist.

8. Optische Kopplungsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungsgitter (7; 37; 57; 77; 96; 117; 208) so gebildet ist, daß der Kopplungskoeffizient zwischen der ersten Führungsschicht (4, 24; 34; 54; 74; 94; 114; 144; 204) und der zweiten Führungsschicht (6; 26; 36; 56; 76; 97; 116; 146; 206) symmetrisch in Bezug auf den Zentralbereich des Beugungsgitters (7; 37; 57; 77; 96; 117; 208) in der Ausbreitungsrichtung des Lichts verteilt ist.

9. Optische Kopplungsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungsgitter (7; 37; 57; 77; 96; 117; 208) so gebildet ist, daß der Anteil von einer Periode, der von dem Bereich mit hohem Brechungsindex belegt wird, in dem Zentralbereich des Beugungsgitters (7; 37; 57; 77; 96; 117; 118; 208) in der Lichtausbreitungsrichtung hoch ist und an beiden Endbereichen des Beugungsgitters (7; 37; 57; 77; 96; 117; 208) niedrig ist.

10. Optische Kopplungsvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungsgitter (7; 37; 57; 77; 96; 117; 208) aus einer Riffelung besteht, die auf der zweiten Führungsschicht (6; 26; 36; 56; 76; 97; 116; 146; 206) gebildet ist, und so gebildet ist, daß der Anteil von einer Periode der Riffelung, der von dem Stegbereich belegt wird, in dem Zentralbereich des Beugungsgitters (7; 37; 57; 77; 96; 117; 208) in der Lichtausbreitungsrichtung hoch ist und an beiden Endbereichen des Beugungsgitters (7; 37; 57, 77; 96; 117; 208) niedrig ist.

11. Optische Kopplungsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß unter der Annahme, daß die vollständige Kopplungslänge zwischen der ersten Führungsschicht (4; 24; 34; 54; 74; 94; 114; 144; 204) und der zweiten Führungsschicht (6; 26; 36; 56; 76; 97; 116; 146; 206) L ist, die Ausbreitungsrichtung von Licht die z-Richtung ist, der Kopplungskoeffizient, der sich in der z-Richtung verändert, G(z) ist, die Kegel-Funktion für die Verteilung des Kopplungskoeffizienten G(z) F(z) ist und G&sub0; eine Konstante ist, die folgende Beziehung erfüllt ist

12. Optische Kopplungsvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kegel-Funktion F(z) eine Hamming-Funktion ist, wie im folgenden ausgedrückt

F(z) = 1 + 0,852 cos(2π z/L)

13. Optische Kopplungsvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kegel-Funktion F(z) eine Blackman- Funktion ist, wie im folgenden ausgedrückt

F(z) = 1 + 1,19 cos(2π z/L) + 1,19 cos(4π z/L)

14. Optische Kopplungsvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kegel-Funktion F(z) eine erhöhte Cosinus-Funktion ist, wie im folgenden ausgedrückt

F(z) = 1 + cos(2π z/L)

15. Optische Kopplungsvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kegel-Funktion F(z) eine Kaiser-Funktion ist, wie im folgenden ausgedrückt

F(z) = [γ/sinh(γ)] I&sub0;(γ{1-(2z/L)²}1/2),

worin γ eine beliebige Zahl ist, und I&sub0; der Wert nullter Ordnung der Bessel-Funktion der ersten Art ist.

16. Optische Kopplungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn die Wellenlänge des sich ausbreitenden Lichtes λ ist, die Ausbreitungskonstante in der geführten Mode für die erste Führungsschicht (4; 24; 34; 54; 74; 94; 114; 144; 204) β&sub0;(λ) ist, die Ausbreitungskonstante in der geführten Mode für die zweite Führungsschicht (6; 26; 36; 56; 76; 97; 116; 146; 206) β&sub1;(λ) ist und der Abstand des Beugungsgitters (7; 37; 57; 77; 96; 117; 208) ist, die folgende Gleichung erfüllt ist

β&sub1;(λ) - β&sub0;(λ) = 2π/

17. Optische Kopplungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie ferner erste, zweite und dritte Mantelschichten umfaßt, und daß die erste Mantelschicht (3; 23; 33; 53; 73; 93; 113; 143; 203), die erste Führungsschicht (4; 24; 34; 54; 74; 94; 114; 144; 204), die zweite Mantelschicht (5; 25; 35; 55; 75; 95; 115; 145; 205), die zweite Führungsschicht (6; 26; 36; 56; 76; 97; 116; 146; 206) und die dritte Mantelschicht (27; 38; 58; 78; 119; 147) auf dem Substrat (1; 21; 31; 51; 71; 91; 111; 141; 201) aufeinanderfolgend laminiert sind.

18. Optische Kopplungsvorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1; 21; 31; 51; 71; 91; 111; 141; 201) und jede der Schichten aus GaAs oder AlGaAs besteht.

19. Optische Kopplungsvorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Führungsschicht Vielfach-Quantentöpfe haben.

20. Optische Kopplungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtabsorptionsschicht (40) in Reihe mit der zweiten Führungsschicht (36) in der Ausbreitungsrichtung des Lichts bereitgestellt ist.

21. Optische Kopplungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtabsorptionsschicht (40) aus einem i-Typ-Halbleiter besteht, an dessen beiden Seiten ein p-Typ- Halbleiter und ein n-Typ-Halbleiter bereitgestellt sind, und daß die optische Kopplungsvorrichtung eine PIN-Photodiode darstellt.

22. Optische Kopplungsvorrichtung nach Anspruch 17, der auf Anspruch 4 zurückbezogen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Führungsschicht (54), die erste und die zweite Mantelschicht (53, 55) Halbleiter mit einem ersten Leitfähigkeitstyp sind, die dritte Mantelschicht (58) ein Halbleiter mit einem zweiten Leitfähigkeitstyp ist und die zweite Führungsschicht (56) aus einem i-Typ-Halbleiter besteht, so daß die optische Kopplungsvorrichtung eine PIN-Photodiode darstellt.

23. Optische Kopplungsvorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Leitfähigkeitstyp n-Typ ist und der zweite Leitfähigkeitstyp p-Typ ist.

24. Optische Kopplungsvorrichtung nach Anspruch 17, der auf Anspruch 4 zurückbezogen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (71) ein halbisolierender Halbleiter ist, die erste und zweite Führungsschicht (74, 76), die erste, zweite und dritte Mantelschicht (73, 75, 78) aus i-Typ-Halbleitern bestehen, und auf einem Teil des Laminats, das diese Schichten enthält, ein streifenförmiger Bereich gebildet ist, der sich in der Lichtausbreitungsrichtung erstreckt, auf dessen beiden Seiten p-Typ- und n-Typ-Bereiche (80, 81) gebildet sind, so daß die optische Kopplungsvorrichtung eine PIN-Photodiode darstellt.

25. Optische Kopplungsvorrichtung nach Anspruch 17, der auf Anspruch 4 zurückbezogen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (91) ein halbisolierender Halbleiter ist, die erste Führungsschicht (94), die erste, zweite und dritte Mantelschicht (93, 95) aus i-Typ-Halbleitern bestehen, die zweite Führungsschicht (97) aus einem n-Typ-Halbleiter besteht, auf einem Teil des Laminats, das diese Schichten enthält, ein streifenförmiger Bereich gebildet ist, der sich in die Ausbreitungsrichtung von Licht erstreckt, auf dessen beiden Seiten p-Typ- und n-Typ-Bereiche gebildet sind, mit denen eine Source-Elektrode (100) und eine Drain-Elektrode (102) jeweils in Kontakt gebracht sind, und daß auf der dritten Mantelschicht des Streifenbereichs eine isolierende Schicht (98) gebildet ist, auf der eine Gate-Elektrode (101) bereitgestellt ist.

26. Optische Kopplungsvorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungsgitter (96) aus Riffelungen besteht, die auf der zweiten Mantelschicht (95) gebildet sind.

27. Optische Kopplungsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites Beugungsgitter (118) ähnlich dem ersten Beugungsgitter (117) in dem Überlappungsgebiet bereitgestellt ist, wobei die zwei Beugungsgitter (117, 118) um einen vorbestimmten Abstand in der Lichtausbreitungsrichtung auseinanderliegen, so daß das Licht, das sich durch die erste Führungsschicht (114) ausbreitet, an die zweite Führungsschicht (116) durch eines der Beugungsgitter (117) gekoppelt wird, und das sich durch die zweite Führungsschicht (116) ausbreitende Licht an die erste Führungsschicht (114) wiederum durch das andere der Beugungsgitter (118) gekoppelt wird.

28. Optische Kopplungsvorrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß Verunreinigungen in der zweiten Führungsschicht (116) in einen Bereich diffundiert sind, der sich außerhalb der zwei Beugungsgitter (117, 118) befindet.

29. Optische Kopplungsvorrichtung nach Anspruch 17, der auf Anspruch 5 zurückbezogen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Mantelschicht (113), die erste Führungsschicht (114), die zweite Mantelschicht (115), die zweite Führungsschicht (116) und die dritte Mantelschicht (119) eine geätzte Mesa haben, außer eines streifenförmigen Bereichs, der sich in der Ausbreitungsrichtung von Licht erstreckt, auf deren beiden Seiten eine vergrabene Schicht (125, 126) gebildet ist.

30. Optische Kopplungsvorrichtung nach Anspruch 17, der auf Anspruch 5 zurückbezogen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Mantelschicht (115), die zweite Führungsschicht (116) und die dritte Mantelschicht (119) mit streifenförmigen Stegen, die sich in der Ausbreitungsrichtung von Licht erstrecken, durch Ätzen gebildet sind.