DE69101693T2

DE69101693T2 - Halbleiter-Wellenlängenwandler.

Info

Publication number: DE69101693T2
Application number: DE69101693T
Authority: DE
Inventors: Masahiro Ikeda; Katsuhiko Kurumada; Osamu Mikami; Mitsuru Naganuma; Shingo Uehara; Hiroshi Yasaka
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1990-11-07
Filing date: 1991-11-06
Publication date: 1994-08-11
Anticipated expiration: 2011-11-07
Also published as: US5155737A; DE69101693D1; EP0484923B1; EP0484923A3; EP0484923A2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Halbleiter- Wellenlängenwandler mit kleinen Abmessungen, der in einem großen Wellenlängenbereich arbeitet und in dem ein bistabiler Laser verwendetwird.
Fig. 8 zeigt den Aufbau eines bekannten, bistabilen Halbleiter-Wellenlängenwandlers im Querschnitt. In dieser Zeichnung kennzeichnet das Bezugszeichen 1 ein n-Typ Substrat aus z.B. n-InP; 2 eine auf das Substrat 1 aufgebrachte n-Typ- Halbleiter Überzugsschicht aus z. B. n-InP; und 3, 4 und 5 ein sättigbares Absorptionsgebiet, ein Verstärkungsgebiet und einen verteilten Bragg-Reflektor-Spiegel (im folgenden DBR- Spiegel genannt) mit einem Rillengitter zum Auswählen einer Wellenlänge des wellenlängengewandelten Lichts, die auf die Überzugsschicht 2 aufgebracht sind. Diese Wellenleiterschichten 3 bis 5 können aus InGaAsP hergestellt werden. Eine p-Typ-Halbleiter Überzugsschicht 6 aus z. B. p-InP ist auf die Gebiete 3 und 4 und das Rillengitter 5 aufgebracht, und bildet so einen Steghohlleiter. Eine Elektrode 7 für das sättigbare Absorptionsgebiet, eine Elektrode 8 für das Verstärkungsgebiet und eine Elektrode 9 für den verteilten Bragg-Reflektor sind in den den Gebieten 3 und 4 und dem Rillengitter 5 entsprechenden Gebieten auf der Überzugsschicht 6 angeordnet. Eine Elektrode 10 ist auf der gegenüberliegenden Grundseite des Substrats 1 angeordnet. Dadurch ist das Bauelement derart beschaffen, daß einfallendes Licht mit einer Wellenlänge λ&sub1; nach dem Durchlaufen eines optischen Isolators 100 auf das Gebiet 3 auftrifft.
In dieses Bauelement wird durch die Elektrode 8 des Verstärkungsgebiets ein elektrischer Strom in das aktive Gebiet 4 eingespeist, derart, daß das aktive Gebiet 4 eine optische Verstärkung aufweist und wellenlängengewandeltes Ausgangslicht der Wellenlänge λx durch das einfallende Licht der Wellenlänge λ&sub1; erzeugt wird. Gleichzeitig wird die Wellenlänge λx des wellenlängengewandelten austretenden Lichts durch die Änderung des Brechungsindexes des verteilten Bragg-Reflektor-Spiegels 5 aufgrund des Einspeisens eines Stroms in die Abstimmelektrode 9 gesteuert.
Das Verhalten dieses Bauelements beim Auftreffen eines Lichtsignals der Wellenlänge λ&sub1; auf das Bauelement kann wie folgt erklärt werden (vgl. S. Yamakoshi et al., Postdeadline Papers of OFC '88, PD-10 (1988)).
Aus einem Wellenlängenwandler des bistabilen Typs mit einem sättigbaren Absorptionsgebiet 3 austretendes Licht weist eine EIN/AUS Charakteristik auf, bei der austretendes Licht in Abhängigkeit der Lichtstärke eines einfallenden Lichtsignals EIN/AUS geschaltet wird, wenn die Verluste innerhalb des Absorptionsgebiets 3 durch das einfallende Licht beeinflußt werden. Die Wellenlänge des austretenden Lichts ist bestimmt durch die Bragg-Wellenlänge des Rillengitters 5. Deshalb kann der Brechungsindex des Rillengitters 5 durch einen in die Elektrode 9 eingespeisten elektrischen Strom geändert werden, wodurch die Wellenlänge des austretenden Lichts veränderbar ist. Dementsprechend kann ein austretendes Lichtsignal erhalten werden, das derart gesteuert ist, daß es eine von der des einfallenden Lichts verschiedene Wellenlänge aufweist. Dies ist lediglich das Funktionsprinzip des Wellenlängenwandlers, der in Fig. 8 gezeigt ist.
Der praktische Betrieb dieses Bauelements erfordert eine Eingangsleistung von mindestens ungefähr 15 uW für ein im 1.5 um Band arbeitendes InGaAsP-Bauteil, und somit können Bauelemente geschaffen werden, deren Wellenlängenwandlungsbereich mindestens ungefähr 4.5 nm umfaßt.
Da solch ein herkömmlicher Wellenlängenwandler gewandeltes Licht in beide Richtungen, vorwärts und rückwärts, abstrahlen kann, ist der optische Isolator 100 in herkömmlichen Wellenlängenwandlern erforderlich, um dadurch den Einfluß zurückfallenden, gewandelten Lichts auf eine vorhergehende Baugruppe zu verhindern. Der optische Isolator besteht aus einem nichtreziproken Material und kann deshalb nicht in optische IC's integriert werden. Aus diesem Grund ergeben sich schwerwiegende Nachteile bei der Integration von Wellenlängenwandlern auf dem selben Wafer, da das Einbringen der optischen Isolatoren in den Halbleiterwafer eine Schwierigkeit darstellt.
Wie bereits erläutert wurde ist für ein komplettes aus optischen Bauelementen bestehendes Kommunikationssystem ein Frequenzumschalter großer Bandbreite notwendig, der jedoch nicht durch bloßes Kombinieren herkömmlicher, unabhängiger Bauelemente erhalten werden kann, weswegen die Entwicklung eines solchen Schalters in Form eines optischen IC's lange angestrebt wurde.
Der Konferenzauszug der 11th IEEE International Semiconductor Laser Conference, 29. August - 1. September 1988, Seite 124, offenbart einen Wellenlängenwandler, der ein sättigbares Absorptionsgebiet, ein Verstärkungsgebiet und ein Rillengitter zum Abstimmen des abgestrahlten Lichtsignals umfaßt. In diesem wird jedoch ein externer Polarisator zur Verhinderung der Ausbreitung des abgestrahlten Lichts in rückwärtiger Richtung verwendet.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Halbleiter-Wellenlängenwandler zu schaffen, in dem aus einem Wellenlängenwandler des bistabilen Typs abgestrahltes gewandeltes Licht nicht zur angestrahlten Seite zurückkehrt, ohne daß dabei ein optischer Isolator verwendet wird, und der so gestaltet ist, daß das Bauelement alleine oder in jeder Kombination mit anderen Bauelementen auf dem selben Wafer integriert werden kann.
Durch die vorliegende Erfindung wird ein Halbleiter- Wellenlängenwandler bereitgestellt mit:
einem Halbleitersubstrat;
einer ersten auf dem Halbleitersubstrat angeordneten Überzugsschicht;
einer zweiten Überzugsschicht;
einem sättigbaren Absorptionsgebiet;
einem Verstärkungsgebiet;
einem verteilten Bragg-Reflektor-Spiegel mit einem Rillengitter zur Auswahl der Wellenlänge des von dem Verstärkungsgebiet abgestrahlten Lichtsignals, wobei das sättigbare Absorptionsgebiet, das Verstärkungsgebiet und der verteilte Bragg-Reflektor-Spiegel auf der ersten Überzugsschicht, unter der zweiten Überzugsschicht, angeordnet sind;
einer ersten, zweiten und dritten Elektrode, die in getrennten Gebieten entsprechend der Lage des sättigbaren Absorptionsgebiets, des Verstärkungsgebiets und des verteilten Bragg- Reflektor-Spiegels auf der zweiten Überzugsschicht angeordnet sind; und
ein verteilter Bragg-Reflektor, der auf der dem einfallenden Licht zugewandten Seite des sättigbaren Absorptionsgebiets angeordnet ist und ein Rillengitter mit einem Kopplungskoeffizienten und einem Reflexionsvermögen größer als die des Rillengitters des verteilten Bragg-Reflektor-Spiegels aufweist, derart, daß der verteilte Bragg-Reflektor ein einfallendes Lichtsignal einer ersten Polarisationsart überträgt und ein Ausgangslichtsignal einer zweiten, senkrecht zur ersten stehenden, Polarisationsart reflektiert, wobei das Ausgangslichtsignal am verteilten Bragg-Reflektor-Spiegel wellenlängengewandelt wurde, und die Wellenlänge des Ausgangslichtsignals durch einen Injektionsstrom in die dritte Elektrode geregelt wird.
Hierbei kann es sich bei der ersten Polarisationsart um TM- Polarisation und bei der zweiten Polarisationsart um TE- Polarisation handeln.
Es kann sich bei der ersten Polarisationsart um TE- Polarisation und bei der zweiten Polarisationsart um TM- Polarisation handeln.
Die Querschnittsform im Verstärkungsgebiet eines Wellenleiters kann eine rechteckige Form aufweisen ,deren kurze Seite der Richtung der Schichtdicke entspricht, so daß innerhalb des Verstärkungsgebiets ein die optische Begrenzung einer TE- polarisierten Lichtwelle betreffender optischer Begrenzungsfaktor größer wird als der einer TM-polarisierten Lichtwelle, wodurch das wellenlängengewandelte Licht TE-polarisiert abgestrahlt wird.
Die Querschnittsform im Verstärkungsgebiet eines Wellenleiters kann eine rechteckige Form aufweisen, deren lange Seite der Richtung der Schichtdicke entspricht, so daß innerhalb des Verstärkungsgebiets ein die optische Begrenzung einer TM- polarisierten Lichtwelle betreffender optischer Begrenzungsfaktor größer wird als der einer TE-polarisierten Lichtwelle, wodurch das wellenlängengewandelte Licht TM-polarisiert abgestrahlt wird.
Das Verstärkungsgebiet kann eine ungestreckte oder eine komprimierte Potentialtopfstruktur aufweisen, derart, daß die Verstärkung des TE-polarisierten Lichts materialbedingt größer wird als die des TM-polarisierten Lichts, wodurch das wellenlängengewandelte Licht TE-polarisiert abgestrahlt wird.
Das Verstärkungsgebiet kann eine gedehnte Potentialtopfstruktur aufweisen, derart, daß die Verstärkung des TM- polarisierten Lichts materialbedingt größer wird als die des TE-polarisierten Lichts, wodurch das wellenlängengewandelte Licht TM-polarisiert abgestrahlt wird.
Der verteilte Bragg-Reflektor kann einen optischen Wellenleiter haben, der eine mehrfache Potentialtopfstruktur (= "Multiple Quantum Well", im Folgenden MQW genannt) aufweist.
Der Halbleiter-Wellenlängenwandler kann weiterhin einen optischen Verstärker auf der Eingangsseite des verteilten Bragg-Reflektors umfassen.
Der Halbleiter-Wellenlängenwandler kann weiterhin ein verteiltes Rückkopplungsfilter auf der Eingangsseite des verteilten Bragg-Reflektors umfassen.
Der Halbleiter-Wellenlängenwandler kann weiterhin einen Polarisationsmischer auf der Eingangsseite des optischen Verstärkers umfassen.
Der Halbleiter-Wellenlängenwandler kann weiterhin einen Polarisationsmischer auf der Eingangsseite des verteilten Rückkopplungsfilters umfassen.
Der Halbleiter-Wellenlängenwandler kann weiterhin ein auf der Ausgangsseite des verteilten Bragg-Reflektor-Spiegels angeordnetes Teilstück eines Wellenleiters zum Unterbrechen des einfallenden Lichtsignals und wahlweisen Übertragen des wellenlängengewandelten Lichts umfassen.
Erfindungsgemäß ist ein breitbandiger verteilter Bragg- Reflektor an der Seite der Lichteinspeisung angeordnet, der ein Reflexionsvermögen aufweist, das extrem größer ist als das eines schmalbandigen verteilten Bragg-Reflektor-Spiegels auf der Ausgangsseite eines Wellenlängenwandlers des bistabilen Typs. Einfallendes Licht in einer ersten Polarisationsart, z. B. TM-polarisiertes Licht (oder TE-polarisiertes Licht), wird als Eingangslichtsignal benutzt, und die Wellenlängenwandlung wird durch Einstellung der Bragg-Wellenlänge des schmalbandigen ausgangsseitigen verteilten Bragg-Reflektor-Spiegels erreicht, von dem Licht einer zweiten Polarisationsart, z. B. TE-polarisiertes Licht (oder TM-polariertes Licht) abgestrahlt wird, das senkrecht zur Richtung des einfallenden Lichts polarisiert ist.
Das Eingangslichtsignal und das Ausgangslichtsignal sind senkrecht zueinander polarisiert, wodurch das Bauelement erfindungsgemäß als uni-direktionales Bauelement realisiert werden kann. Aus diesem Grund ist die Verwendung eines Isolators nicht erforderlich. Zudem hat der verteilte Bragg- Reflektor auf der angestrahlten Seite einen für die Integration in einen optischen IC geeigneten Aufbau, und somit ist der Halbleiter-Wellenlängenwandler erfindungsgemäß zur monolitischen Integration auf einem Halbleitersubstrat, alleine oder in einer Kombination mit anderen optischen Bauelementen, geeignet.
Die japanische Offenlegungsschrift 2152289/1990 vom 12. Juni 1990 offenbart einen optischen Verstärker, der einen Aufbau ähnlich dem der vorliegenden Erfindung hat. In diesem optischen Verstärker ist das Reflexionsvermögen des Verteilten Bragg-Reflektors auf der angestrahlten Seite innerhalb einer Abweichung von 3 bis 5 % ungefähr gleich dem des ausgangsseitigen Reflektors. Insbesondere bezieht sich diese Offenbarung auf den Aufbau eines optischen Verstärkers und somit ist es notwendig, das Auftreffen des einfallenden Lichts auf das Verstärkungsgebiet zu ermöglichen und das Reflexionsvermögen dieser Bragg-Reflektoren zu reduzieren. Daher ist der Verstärker so aufgebaut, daß ein großer Anteil des Ausgangslichtes zur Eingangsseite zurückgelangt. Andererseits benutzt die vorliegende Erfindung den Aufbau als Laser-Oszillator. Zu diesem Zweck muß dag Reflexionsvermögen des eingangsseitigen verteilten Bragg-Reflektors , d.h. das Produkt aus dem Kopplungskoeffizienten und der Länge des Reflektors, größer sein als das des ausgangsseitigen verteilten Bragg-Reflektors.
Wie bereits beschrieben, muß der eingangsseitige verteilte Bragg-Reflektor zur Erhöhung des Reflexionsvermögens sehr lang sein, wenn die Kopplungskoeffizienten auf beiden, Eingangs- und Ausgangs-Endflächen, klein und einander gleich sind. Wird jedoch die Länge des Reflektors vergrößert, so erhöht sich der Übertragungsverlust und somit ist das Übertragen des eingestrahlten Lichts schwierig und stellt ein praktisches Problem dar. Aus diesem Grund kann die vorstehend beschriebene herkömmliche Technik weder für einen optischen Verstärker, noch für das Bauelement gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
Wenn die Kopplungskoeffizienten auf beiden, Eingangs- und Ausgangs-Endflächen, groß und einander gleich sind, ist es nicht möglich, ein Ausgangssignal mit nur einem Schwingungmodus zu erhalten, und deshalb kann ein derartiges Bauelement nie als Wellenlängenwandler verwendet werden. Der vorstehend beschriebene Stand der Technik hat keine wellenlängenwandelnde Funktion.
Die bereits beschriebenen Aufgaben, Wirkungen, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung näher erläutert.
Figs. 1A, 1B und 1C zeigen ein erstes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Halbleiter-Wellenlängenwandlers und stellen einen Längsschnitt entlang der Linie II-II' in Fig. 1B, einen Querschnitt entlang der Linie I-I' in Fig. 1A, bzw. eine perspektivische Darstellung desselben dar;
Fig. 2 ist ein Diagramm, das die Lichtdurchlässigkeit als Funktion der Wellenlänge auf einem stark gekoppelten verteilten Bragg-Reflektor darstellt;
Figs. 3A, 3B und 3C zeigen ein drittes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel und stellen einen Längsschnitt entlang der Linie II-II' in Fig. 3B, einen Querschnitt entlang der Linie I-I' in Fig. 3A, bzw. eine perspektivische Darstellung desselben dar;
Figs. 4A, 4b und 4C zeigen ein viertes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel und stellen einen Längsschnitt entlang der Linie II-II' in Fig. 4B, einen Querschnitt entlang der Linie I-I' in Fig. 4A, bzw. eine perspektivische Darstellung desselben dar;
Fig. 5 zeigt schematische ein Modell des erfindungsgemäßen Bauelements, das den Zweck hat, die Methode zur Bestimmung der in der Erfindung eingeführten Kopplungskoeffizienten zu erklären;
Figs. 6 und 7 sind Diagramme, die den Zusammenhang zwischen Werten von Kf und Kr als Funktionen des Parameters Lr darstellen und zur Bestimmung von Kopplungskoeffizienten in der vorliegenden Erfindung benutzt werden; und
Fig. 8 ist ein Querschnitt durch ein Beispiel eines herkömmlichen Bauelements.

Ausführungsbeispiel 1

Die Figuren 1A, 1B und 1C zeigen ein erstes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel, bei dem das eingestrahlte Licht TM- polarisiert und das abgegebene Licht TE-polarisiert ist. In dieser Zeichnung werden die den in Fig. 8 gezeigten entsprechenden Teile durch die selben Bezugsnummern gekennzeichnet. In dieser Zeichnung kennzeichnet Bezugszeichen 11 einen auf der Eingangsseite des Bereichs 6, zwischen den Überzugsschichten 2 und 6 angeordneten, verteilten Bragg- Reflektor mit großem Kopplungskoeffizienten, großer Reflexionsbandbreite und sehr hohem Reflexionsvermögen, der z. B. ein optischer Weilenleiter mit einer MQW-Struktur ist. Das Reflexionsvermögen des verteilten Bragg-Reflektors 11 ist größer als das des verteilten Bragg-Reflektor-Spiegels 5.
Die Querschnittsform des Verstärkungsgebiets 4 in der Ebene parallel zur Ausbreitungsrichtung des Lichts weist eine rechteckige Form auf, deren kurze Seite der Richtung der Schichtdicke entspricht, so daß eine optische Begrenzung TE- polarisierten Lichts innerhalb des Verstärkungsgebiets größer ist als die TM-polarisierten Lichts, was dazu führt, daß gewandeltes Licht TE-polarisiert schwingt
Weiterhin bewirkt, selbst für den Fall einer Querschnittsform, die keine rechteckige Form aufweist, deren kurze Seite der Richtung der Schichtdicke entspricht, das Verwenden einer ungestreckten oder komprimierten Potentialtopfstruktur innerhalb des Verstärkungsgebiets 4 eine materialbedingte Verstärkung TE-polarisierten Lichts, die größer ist als die TM-polarisierten Lichts, derart, daß gewandeltes Licht TE- polarisiert schwingt.
Bezugszeichen 12 kennzeichnet die Gesamtheit des Wellenlängenwandlers des verteilten Bragg-Reflektor-Typs, der den Wellenlängenwandler dieses Ausführungsbeispiels bildet.
Fig. 2 ist ein Diagramm das die auf dem verteilten Bragg- Reflektor 11 beobachtete Lichtdurchlässigkeit als Funktion der Wellenlänge darstellt. In diesem Fall wird die verwendete MQW- Schicht mittels der Methode der metall-organischen Molekularstrahl-Epitaxie (im Folgenden MO-MBE genannt) durch Abscheiden einer Quellenschicht aus InGaAsP mit einer Dicke von 10 nm und einer Barrierenschicht aus InP mit einer Dicke von 10 nm gebildet, wobei dieser Abscheidungsvorgang über 20 Zyklen wiederholt wird. Ein Rillengitter mit einem Zwischenraum von 0.2 um und einer Tiefe von 0.13 um wird durch direkte Bestrahlung mit einem Elektronenstrahl und einem Trockenätzprozess ausgebildet. Der Kopplungskoeffizient dieses Rillengitters ist sehr groß und liegt in der Größenordnung von 300 cm&supmin;¹, was nicht weniger als das zehnfache eines herkömmlichen Rillengitters eines DFB-Lasers ist.
Wie in Fig. 2 zu sehen ist, konnte eine breitbandige Reflexionscharakteristik mit z. B. einer Mittenwellenlänge von rund 1.315 um und einer Halbwertsbreite von 5 nm für TE- polarisiertes Licht erreicht werden. Andererseits liegt das Reflexionsband für TM-polarisiertes Licht bei einer Mittenwellenlänge von rund 1.302 um. Dieser große Unterschied der Mittenwellenlängen in der Größenordnung von rund 13 nm ist in der verwendeten MQW-Struktur begründet. In einem üblichen verteilten Reflektor mit Bulk-Struktur und einem Steghohlleiter-Aufbau beträgt die Differenz der Mittenwellenlänge rund 2.2 nm, was ungefähr ein sechstel der Differenz eines Reflektors mit MQW-Struktur ist.
Die Mittenwellenlängen von beiden Polarisationsarten, TE- und TM-Polarisation, können in andere Wellenlängenbereiche, z. B. in den 1.5 um Wellenlängenbereich, verlagert werden, indem der Abstand des Rillengitters geändert wird.
Deshalb kann, unter Annahme einer Wellenlänge TM-polarisierten Signallichts im Wellenlängenbereich des Reflexionsbands für TE-polarisiertes Licht, das Lichtsignal durch den eingangsseitigen verteilten Bragg-Reflektor 11 übertragen werden. Entsprechend wird das TM polarisierte Lichtsignal von dem sättigbaren Absorptionsgebiet 3 absorbiert, um die Verluste in diesem Gebiet 3 zu modulieren. Der erfindungsgemäße Wellenlängenwandler hat denselben Aufbau, wie er bereits in Zusammenhang mit dem Stand der Technik erläutert wurde, mit der Ausnahme, daß die verteilten Bragg-Reflektoren beidseitig, am Eingang und am Ausgang, angebracht sind, daß der eingangsseitige verteilte Bragg-Reflektor breitbandig ist und eine hohes Reflexionsvermögen besitzt, und daß die Wellenlängenwandlung durch Steuerung der Wellenlänge des gewandelten Lichtes über den ausgangsseitigen schmalbandigen verteilten Bragg-Reflektor erfolgt, und daher kann die Wellenlängenwandlung selbstverständlich in gleicher Weise erfolgen.
Darüberhinaus ist die Breite des wellenlängengewandelten Bands durch die eingestellte Bragg-Wellenlänge des ausgangsseitigen verteilten Bragg-Reflektors bestimmt und kann bis zu 4.5 nm betragen. Der eingangsseitige verteilte Bragg-Reflektor 11 dient als stark gekoppelter verteilter Bragg-Reflektor, und demgemäß kann der Reflexionsgrad für TE-polarisiertes Licht größer als 90% und die Lichtdurchlässigkeit weniger als 0.01% betragen. Das bedeutet, daß nahezu kein TE polarisiertes Licht eingangsseitig durchgelassen wird. Aus diesem Grund wird keiner der üblicherweise gebräuchlichen Isolatoren benötigt.
Der Reflexionsgrad des Reflektors für TE polarisiertes Licht kann weiter erhöht werden, wenn ein Rillengitter mit kleinem Kopplungskoeffizienten innerhalb des langen, eingangsseitigen verteilten Bragg-Reflektors verwendet wird und somit eine Rückkehr des Lichts zur Eingangsseite verhindert werden kann. Dabei wird jedoch die Lichtdurchlässigkeit des TM- polarisierten Eingangslichts durch einen unvermeidbaren Verlust innerhalb des Wellenleiters vermindert und daher zeigt ein solches Bauelement nicht die gewünschte wellenlängenwandelnde Funktion.
Je größer der Kopplungskoeffizient des Rillengitters des eingangsseitigen verteilten Bragg-Reflektors ist, desto kleiner ist der Anteil des zur Eingangsseite zurückkehrenden Ausgangslichts. Unter der Annahme, daß die Länge des eingangsseitigen verteilten Bragg-Reflektors und die Länge des ausgangsseitigen Bragg-Reflektor-Spiegels je 300 um betragen, der Verlust im Wellenleiter 10 cm&supmin;¹, der Kopplungskoeffizient des Rillengitters des ausgangsseitigen verteilten Bragg- Reflektor-Spiegels 30 cm&supmin;¹ und der Kopplungskoeffizient des eingangsseitigen verteilten Bragg-Reflektors 150 cm&supmin;¹ oder mehr beträgt, kann erreichtwerden, daß das Verhältnis der Intensität des ausgangsseitig abgestrahlten Lichts zu dem in die rückwärtige Richtung zur Eingangsseite zurückfallenden Licht -30 dB oder weniger beträgt.

Ausführungsbeispiel 2

In einem zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel ist der Reflektor entsprechend dem Ausführungsbeispiel 1 aufgebaut, mit der Außnahme, daß das einfallende Licht TE-polarisiert und das abgestrahlte Licht TM-polarisiert ist. In diesem Fall wird innerhalb des Verstärkungsgebiets 4 in Fig. 1 eine dehnbare Potentialtopfstruktur verwendet. Es ist bekannt, daß ein Halbleiterlaser, in dem das Verstärkungsgebiet derart ausgebildet ist, TM-polarisiertes Licht erzeugen kann (K.Sato et al., 12th IEEE International Semiconductor Laser Conference, Davos, Switzerland, 9. - 14. September 1990, S.48).
Alternativ kann das Verstärkungsgebiet als hohe MESA Struktur aufgebaut sein, und der Wellenleiter kann so gestaltet sein, daß der Querschnitt rechteckig und in Richtung der Schichtdicke erweitert ist. In diesem Fall ist der Begrenzungsfaktor TM-polarisierten Lichts innerhalb des Verstärkungsgebiets größer als der TE-polarisierten Lichts, was zu TM- polarisiertem wellenlängengewandeltem Licht führt.
Da die effektive Verstärkung für Laserschwingungen durch das Produkt der materialbedingten Verstärkung des aktiven Gebiets und des Begrenzungsfaktors bestimmt ist, ist es für eine TM- polarisierte Schwingung natürlich sehr viel besser, sowohl die gedehnte Potentialtopfstruktur als auch die hohe MESA Struktur zu verwenden.

Ausführungsbeispiel 3

Figs. 3A, 3B und 3C zeigen ein drittes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel des Wellenlängenwandlers, das in einem Frequenzumschalter enthalten ist. Dabei sind der Wellenlängenwandler und ein Bauelement zur Wellenlängenauswahl gemeinsam als integrierte Schaltung in dem Schaltelement realisiert.
Gemäß der Zeichnung kennzeichnet Bezugszeichen 13 ein zwischen den Überzugsschichten 2 und 6, auf der Eingangsseite des verteilten Bragg-Reflektors (11) angeordnetes, verteiltes Rückkopplungsfilter zur Wellenlängenauswahl; 14 eine in einem Gebiet auf Überzugsschicht 6 angeordnete Elektrode zur Wellenlängenauswahl, deren Position der des verteilten Rückkopplungsfilters 13 entspricht; 15 auf den von einfallendem Licht der Wellenlängen λ&sub1;, ..., λn bestrahlten Endflächen angeordnete Polarisationsmischer.
In diesem Ausführungsbeispiel wird durch das verteilte Rückkopplungsfilter 13 eine spezifische Lichtwellenlänge aus einem Gemisch von Lichtsignalen verschiedener Wellenlängen ausgewählt, um dadurch das ausgewählte spezifische Lichtsignal dem verteilten Reflektor 11 zuzuführen, während das ausgewählte Eingangssignal durch den Wellenlängenwandler 12 in ein senkrecht zum einfallenden Licht polarisiertes Licht unterschiedlicher Wellenlänge umgewandelt und dann abgestrahlt wird. Die Abstimmbandbreite und die Reflexionsbandbreite des verteilten Rückkopplungsfilters 13 sind gleich der Abstimmbandbreite und Reflexionsbandbreite des eingangsseitigen verteilten Bragg-Reflektors.
Alternativ kann das verteilte Rückkopplungsfilter 13 ein derart gestalteter optischer Verstärker sein, daß eine optische Verstärkung in der gleichen Weise wie in DFB-Laser Strukturen erzielt werden kann. Vorzugsweise wird in diesem Fall eine Struktur gewählt, bei der die der Polarisation des Eingangslichts (z. B. TE-polarisiertes Licht) entsprechende Verstärkung hoch ist. Speziell beim Einkoppeln TE- polarisierten Lichts wird der Einsatz einer DFB-Struktur mit ungedehnter oder komprimierter Übergitter-Struktur ("superlattice structure") bevorzugt. Andererseits wird eine DFB-Struktur mit gedehnter Übergitter-Struktur vorzugsweise gewählt, wenn TM-polarisiertes Licht eingekoppelt wird.
Weiterhin ist es wünschenswert, daß das Rillengitter innerhalb der Ebene senkrecht zum Substrat oder senkrecht zur Ebene des gewöhnlichen Rillengitters angeordnet wird. Das heißt, das in der Zeichnung gezeigte Rillengitter 13 wird um einen Winkel von 90º um die optische Achse gedreht. In diesem Fall kann der Wellenleiter entweder eine Bulk-Schicht oder eine MQW-Schicht sein.
Selbstverständlich kann auch ein optischer Verstärker unabhängig von dem verteilten Rückkopplungsfilter 13 enthalten sein kann.
Enthält das Eingangslichtsignal keine Polarisationskomponente, die von dem eingangsseitigen verteilten Bragg-Reflektor übertragen wird (z. B. TM-polarisiertes Licht), so ist es notwendig, diese Polarisationskomponente (z.B. TM- polarisiertes Licht) mit dem Polarisationsmischer 15 zu erzeugen. Dieser Polarisationsmischer 15 kann durch einem SiO&sub2;-Film mit einer einfachen Diffusor-Struktur ausgebildet werden.

Ausführungsbeispiel 4

Figs. 4A, 4B und 4C zeigen ein viertes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel, bei dem das Eingangslicht TM-polarisiert und das Ausgangslicht TE-polarisiert ist. In dieser Zeichnung kennzeichnet Bezugszeichen 16 einen auf der ausgangsseitigen Endfläche der Überzugsschicht 6 angeordneten Metallfilm; 17 einen Ausgangs-Wellenleiter, der sich von der Kante der aktiven Schicht des verteilten Bragg-Reflektor-Spiegels 5 bis zur Ausgangsendfläche erstreckt. Wird TE-polarisiertes Licht als Eingangslicht verwendet, so strahlt das Bauelement TM- polarisiertes Licht als Ausgangssignal sowie das Licht des Eingangssignals als solches ab. Daher ist es notwendig, nur das TM-polarisierte Licht abzuschwächen. Zu diesem Zweck wird in diesem Ausführungsbeispiel der Metallfilm auf den Ausgangs- Wellenleiter aufgebracht.
Diese Methode wurde im allgemeinen für das Trennen von TE- polarisiertem von TM-polarisiertem Licht in optischen IC's verwendet, wodurch eine Isolierung von 20 dB oder mehr einfach zu erreichen ist.
Ist andererseits das Eingangslicht TE- und das Ausgangslicht TM-polarisiert, so ist es ausreichend, einen in Bezug auf TM- polarisiertes Licht selektiven Wellenleiter, der sich vor dem verteilten Bragg-Reflektor-Spiegel 5 erstreckt, als Ausgangswellenleiter vorzusehen. Solch ein optischer Wellenleiter wurde vorgeschlagen von Y. Suzuki et al., Appl. Phys. Lett., Vol. 57, S. 2745 (1990).
In den vorstehenden Ausführungsbeispielen bestehen die optischen Halbleiter-Wellenleiter aus InP-Materialien; die vorliegende Erfindung ist jedoch keinesfalls beschränkt auf diese speziellen Beispiele, und es können ebenso z. B. GaAs- Materialien verendet werden. Zusätzlich sind die Leitungstypen aller in den vorstehenden Ausführungsbeispielen benutzten Halbleitermaterialien, d. h. p-Typ und n-Typ, austauschbar.
Obwohl die in den vorstehenden Ausführungsbeispielen benutzten optischen Wellenleiter eine Keilstruktur aufweisen, ist die vorliegende Erfindung nicht auf diesen spezifischen Aufbau beschränkt und es können selbstverständlich auch vergrabene Wellenleiter eingesetzt werden.
In dem erfindungsgemäßen Bauelelment sind die eingangs- und ausgangsseitig verwendeten verteilten Bragg-Reflektoren mit Rillengittern verschiedener Kopplungskoeffizienten versehen. Ein bevorzugter Bereich der Kopplungskoeffizienten K des Reflektors wird nachstehend analysiert.
Zu diesem Zweck wird das in Fig. 5 gezeigte Modell als asymmetrisch K-verteilter Bragg-Reflektor benutzt. Jeder Parameter wird wie folgt definiert:
der Kopplungskoeffizient eines eingangsseitigen verteilten Bragg-Reflektors: Kr
die Länge des eingangsseitigen verteilten Bragg-Reflektors: Lr
der Kopplungskoeffizient eines ausgangsseitigen verteilten Bragg-Reflektors: Kf
die Länge des ausgangsseitigen verteilten Bragg-Reflektors: Lf = 300 um
der Verlust innerhalb des Wellenleiters: α = 10 cm&supmin;¹
die Leistung des abgestrahlten Lichts am ausgangsseitigen Ende: Pf
die Leistung des abgestrahlten Lichts am eingangsseitigen Ende: Pr (Leistung des zurückgestrahlten Lichts)
das Trennverhältnis, das das Verhältnis der optischen Leistungen am eingangs- und ausgangsseitigen Ende beschreibt:
r = Pr / Pf .
Fig. 6 zeigt die Beziehung zwischen den erforderlichen Werten von Kf und Kr, wenn das Trennverhältnis r als -30 dB definiert ist und Lr als Parameter gewählt wurde (Lf wird als 300 um angenommen). Beträgt Lr = 300 um und Kf = 30 cm&supmin;¹, kann das Trennverhältnis, falls Kr größer als 150 cm&supmin;¹ ist, auf Werte kleiner als -30 dB (1/1000) verbessert werden.
Fig.7 zeigt die Abhängigkeit des Trennverhältnisses von dem Verhältnis zwischen den Werten Kf und Kr, wenn Lr auf 300 um festgelegt ist (Lf ist 300 um). Ist Kf = 30 cm&supmin;¹, so beträgt das Trennverhältnis -10 dB wenn Kr = 70 cm&supmin;¹ ist, und -30 dB wenn Kr = 145 cm&supmin;¹ ist.
Daraus folgt, daß der bevorzugte Bereich der Kopplungskoeffizienten K derart gewählt wird, daß das Trennverhältnis, für Lf = 300 um, Lr = 300 um und = 10 cm&supmin;¹, unter -10 dB liegt, d. h.
Kf < 30 cm&supmin;¹
Kr > 70 cm&supmin;¹ .
Vorzugsweise wird der Bereich derart gewählt, daß das Trennverhältnis, bei sonst gleichen Bedingungen, unter -30 dB liegt, d. h.
Kf < 30 cm&supmin;¹
Kr > 150 cm&supmin;¹ .
Wie bereits erläutert wurde, wird erfindungsgemäß auf der beleuchteten Seite ein breitbandiger verteilter Reflektor angeordnet, dessen Reflexionsvermögen sehr viel größer ist als das eines ausgangsseitigen schmalbandigen verteilten Reflektor-Spiegels eines Wellenlängenwandlers des bistabilen Typs, und die Polarisation des einfallenden Lichts wird senkrecht zu der des austretenden Lichts gewählt, wobei die Wellenlängenwandlung durch das Abstimmen des ausgangsseitigen Bragg-Reflektor-Spiegels erreicht wird. Aus diesem Grund kann erfindungsgemäß durch das Verwenden eines senkrecht zum Licht des Ausgangssignals polarisierten Lichts als Eingangssignal ein uni-direktionales Bauelement geschaffen wdrden, und demzufolge ist es nicht erforderlich, einen Isolator einzufügen.
Ein solches erfindungsgemäßes Bauelement kann leicht, einzeln oder in Kombination mit verschiedenen anderen Bauelementen, monolithisch integriert werden.
Da das Reflexionsvermögen des eingangsseitigen verteilten Bragg-Reflektors sehr groß ist und im wesentlichen kein gewandeltes Licht zur Eingangsseite zurückkehrt, kann ein Ausgangslicht mit hohem Wirkungsgrad bei der Wellenlängenwandlung und somit ein hoher Wandlungs-Gewinn ebenso wie ein hoher Ausgangspegel erhalten werden.
Die vorliegende Erfindung wurde unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsbeispiele detailliert beschrieben, wobei dem Fachmann klar ist, daß Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne von der Grundidee der Erfindung abzuweichen, und wobei beabsichtigt ist, all diese Änderungen und Modifikationen mit den folgenden Patentansprüchen abzudecken.
Auf der beleuchteten Seite wird ein breitbandiger verteilter Bragg-Reflektor (II) mit einem sehr viel größeren Reflexionsgrad als dem eines ausgangsseitigen schmalbandigen verteilten Bragg-Reflektor-Spiegels (5) eines Wellenlängenwandlers des bistabilen Typs (12) angeordnet. Als Eingangslicht wird TM-polarisiertes Licht verwendet, und die Wellenlängenwandlung erfolgt über das Abstimmen des ausgangsseitigen schmalbandigen verteilten Bragg-Reflektor- Spiegels (5), von dem TE-polarisiertes Licht, das senkrecht zum Eingangslicht polarisiert ist, abgegeben wird. Da das Eingangs- und das Ausgangslichtsignal senkrecht zueinander polarisiert sind, kann das Bauelement als uni-direktionales Bauelement realisiert werden. Die Verwendung eines Isolators ist nicht erforderlich.

Claims

1. Halbleiter-Wellenlängenwandler, mit:

einem Halbleitersubstrat (1);

einer ersten auf dem Halbleitersubstrat angeordneten Überzugsschicht (2);

einer zweiten Überzugsschicht (6);

einem sättigbaren Absorptionsgebiet (3);

einem Verstärkungsgebiet (4);

einem verteilten Bragg-Reflektor-Spiegel (5), der ein Rillengitter zum Auswählen einer Wellenlänge aus dem vom Verstärkungsgebiet (4) abgestrahlten Ausgangssignallicht aufweist, wobei das sättigbare Absorptionsgebiet (3), das Verstärkungsgebiet (4) und der verteilte Bragg-Reflektor- Spiegel (5) auf der ersten Überzugsschicht (2) unter der zweiten Überzugsschicht (6) angeordnet sind;

erste (7), zweite (8) und dritte (9) Elektroden, die getrennt in den dem sättigbaren Absorptionsgebiet (3), dem Verstärkungsgebiet (4) und dem Gebiet des verteilten Bragg- Reflektor-Spiegel (5) entsprechenden Bereichen auf der zweiten Überzugsschicht (6) angeordnet sind;

ein verteilter Bragg-Reflektor (11), der auf der Eingangsseite des sättigbaren Absorptionsgebiets (3) angeordnet ist, der ein Rillengitter mit sehr viel größerem Kopplungskoeffizienten und Reflexionsvermögen als der verteilte Bragg-Reflektor-Spiegel (5) aufweist, derart, daß der verteilte Bragg-Reflektor (11) ein in einer ersten Polarisationsart polarisiertes Eingangslichtsignal überträgt und ein senkrecht zur ersten Polarisationsart polarisiertes Ausgangslichtsignal einer zweiten Polarisationsart reflektiert, wobei das Ausgangslichtsignal an dem verteilten Bragg-Reflektor-Spiegel wellenlängengewandelt und die Wellenlänge des wellenlängengewandelten Ausgangslichtsignals durch das Einspeisen eines Stromes in die dritte Elektrode gesteuert wird.

2. Halbleiter-Wellenlängenwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Polarisationsart eine TM- Polarisation und die zweite Polarisationsart eine TE- Polarisation ist.

3. Halbleiter-Wellenlängenwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Polarisationsart eine TE- Polarisation und die zweite Polarisationsart eine TM- Polarisation ist.

4. Halbleiter-Wellenlängenwandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Wellenleiters im Verstärkungsgebiet (4) eine rechteckige Form aufweist, die kurz in Richtung der Schichtdicke ist, derart, daß ein die optische Begrenzung TE-polarisierten Lichts innerhalb des Verstärkungsgebiets (4) betreffender optischer Begrenzungsfaktor größer ist als der eines TM-polarisierten Lichts innerhalb des Verstärkungsgebiets (4), wodurch TE- polarisiertes wellenlängengewandeltes Licht abgegeben wird.

5. Halbleiter-Wellenlängenwandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Wellenleiters im Verstärkungsgebiet (4) eine rechteckige Form aufweist, die lang in Richtung der Schichtdicke ist, derart, daß ein die optische Begrenzung TM-polarisierten Lichts innerhalb des Verstärkungsgebiets (4) betreffender optischer Begrenzungsfaktor größer ist als der eines TE-polarisierten Lichts innerhalb des Verstärkungsgebiets (4), wodurch TM- polarisiertes wellenlängengewandeltes Licht abgegeben wird.

6. Halbleiter-Wellenlängenwandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstärkungsgebiet (4) eine ungedehnte oder komprimierte Potentialtopfstruktur aufweist, derart, daß eine Verstärkung des TE-polarisierten Lichts materialbedingt größer ist als die eines TM-polarisierten Lichts, wodurch TE- polarisiertes wellenlängengewandeltes Licht abgegeben wird.

7. Halbleiter-Wellenlängenwandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstärkungsgebiet (4) eine gedehnte Potentialtopfstruktur aufweist, derart, daß eine Verstärkung des TM-polarisierten Lichts materialbedingt größer ist als die eines TE-polarisierten Lichts-, wodurch TM-polarisiertes wellenlängengewandeltes Licht abgegeben wird.

8. Halbleiter-Wellenlängenwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der verteilte Bragg-Reflektor (11) einen optischen Wellenleiter mit einer mehrfachen Potentialtopfstruktur (MQW-Struktur) aufweist.

9. Halbleiter-Wellenlängenwandler nach Anspruch 1, weiterhin gekennzeichnet durch einen an der Eingangsseite des verteilten Bragg-Reflektors (11) angeordneten optischen Verstärker (13).

10. Halbleiter-Wellenlängenwandler nach Anspruch 8, weiterhin gekennzeichnet durch einen an der Eingangsseite des verteilten Bragg-Reflektors (11) angeordneten optischen Verstärker (13).

11. Halbleiter-Wellenlängenwandler nach Anspruch 1, weiterhin gekennzeichnet durch ein an der Eingangsseite des verteilten Bragg-Reflektors (11) angeordnetes verteiltes Rückkopplungsfilter (13).

12. Halbleiter-Wellenlängenwandler nach Anspruch 8, weiterhin gekennzeichnet durch ein an der Eingangsseite des verteilten Bragg-Reflektors (11) angeordnetes verteiltes Rückkopplungsfilter (13).

13. Halbleiter-Wellenlängenwandler nach Anspruch 9, weiterhin gekennzeichnet durch einen an der Eingangsseite des optischen Verstärkers (13) angeordneten Polarisationsmischer (15).

14. Halbleiter-Wellenlängenwandler nach Anspruch 10, weiterhin gekennzeichnet durch einen an der Eingangsseite des optischen Verstärkers (13) angeordneten Polarisationsmischer (15).

15. Halbleiter-Wellenlängenwandler nach Anspruch 11, weiterhin gekennzeichnet durch einen an der Eingangsseite des verteilten Rückkopplungsfilters (13) angeordneten Polarisationsmischer (15).

16. Halbleiter-Wellenlängenwandler nach Anspruch 12, weiterhin gekennzeichnet durch einen an der Eingangsseite des verteilten Rückkopplungsfilters (13) angeordneten Polarisationsmischer (15).

17. Halbleiter-Wellenlängenwandler nach Anspruch 1, weiterhin gekennzeichnet durch ein auf der Ausgangsseite des verteilten Bragg-Reflektor-Spiegels (5) angeordnetes Teilstück eines Wellenleiters (17) zum Unterbrechen des Eingangslichtsignals und selektiven Übertragen des wellenlängengewandelten Lichts.

18. Halbleiter-Wellenlängenwandler nach Ansprüch 11, weiterhin gekennzeichnet durch ein auf der Ausgangsseite des verteilten Bragg-Reflektor-Spiegels (5) angeordnetes Teilstück eines Wellenleiters (17) zum Unterbrechen des Eingangslichtsignals und selektiven Übertragen des wellenlängengewandelten Lichts.

19. Halbleiter-Wellenlängenwandler nach Anspruch 12, weiterhin gekennzeichnet durch ein auf der Ausgangsseite des verteilten Bragg-Reflektor-Spiegels (5) angeordnetes Teilstück eines Wellenleiters (17) zum Unterbrechen des Eingangslichtsignals und selektiven Übertragen des wellenlängengewandelten Lichts.

20. Halbleiter-Wellenlängenwandler nach Anspruch 15, weiterhin gekennzeichnet durch ein auf der Ausgangsseite des verteilten Bragg-Reflektor-Spiegels (5) angeordnetes Teilstück eines Wellenleiters (17) zum Unterbrechen des Eingangslichtsignals und selektiven Übertragen des wellenlängengewandelten Lichts.

21. Halbleiter-Wellenlängenwandler nach Anspruch 16, weiterhin gekennzeichnet durch ein auf der Ausgangsseite des verteilten Bragg-Reflektor-Spiegels (5) angeordnetes Teilstück eines Wellenleiters (17) zum Unterbrechen des Eingangslichtsignals und selektiven Übertragen des wellenlängengewandelten Lichts.