DE69315359T2 - Elektro-optische vorrichtung - Google Patents

Elektro-optische vorrichtung

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Description

    TECHNISCHER BEREICH
  • Diese Erfindung bezieht sich auf elektrooptische Vorrichtungen wie integrierte Siliciumwellenleiter zum Einsatz in optischen Schaltungen und die Modulation von Licht innerhalb der besagten schaltungen sowie auch auf ein Verfahren zur Herstellung solcher Vorrichtungen.
    • TECHNISCHER HINTERGRUND
  • Zu integrierten elektronischen schaltungen analoge integrierte optische Wellenleiterschaltungen umfassen auf einem Schichtträger geformte optische Wellenleiter. Die Modulation von sich in diesen Wellenleitern fortpflanzendem Licht wird durch aktive Änderung der optischen Eigenschaften der Wellenleiterschaltungsmittel erzielt.
  • Von integrierter Optik wird am häufigsten in der faseroptischen Kommunikationstechnik Gebrauch gemacht, obgleich auch zahlreiche andere Anwendungen dieser Technik bestehen. Zu den allgemeinen optischen Funktionen, bei denen von integrierter Optik Gebrauch gemacht wird, zählen Richtungsschaltung, Phasenmodulation und Intensitätsmodulation.
  • Mehrere aktive integrierte Optiksysteme beruhen auf Silicium. Zu den Vorteilen der siliciumintegrierten optischen Vorrichtungen zählen u.a. die potentielle Anwendung herkömmlicher Verfahren zur Herstellung siliciumintegrierter elektronischer schaltungen und die Integration optischer und elektronischer schaltungen auf einer siliciumvorrichtung. Für die effiziente Verwertung siliciumintegrierter Optik gilt es als wichtig, eine verlustarme Wellenleiterstruktur (Verlust geringer als 1 dB/cm) mit elektrisch steuerbarer Modulation unter Verwendung herkömmlicher Verfahren zur Herstellung planarer siliciumintegrierter elektronischer Schaltungen zu erzeugen. Nach dem Stand der Technik war es nicht möglich, der Gesamtheit dieser Erfordernisse völlig zu entsprechen.
  • US-A-4 746 183 und US-A-4 787 691 beschreiben eine Anzahl aktiver Wellenleitervorrichtungen, bei denen in einem Siliciumrippenwellenleiter von einem senkrechten dotierten Übergang Gebrauch gemacht wird, d.h. bei denen zwischen einer Elektrode an der oberen Rippenoberfläche und einer Elektrode an der gegenüberliegenden Seite der Vorrichtung eine Diode geformt ist. Die Vorrichtungen können einen hochgradig dotierten Schichtträger umfassen, der als eine untere Wellenleiterverkleidung wirkt, doch leiden diese Vorrichtungen unter hohen optischen Verlusten, was durch die hochgradige Absorption freier Träger des in dem sich in dem Schichtträger fortpflanzenden abklingenden Feldes der geleiteten Welle bedingt ist. Bei einer wahlweisen Struktur wird von einer unterhalb der Oberfläche angeordneten Siliciumdioxidverkleidung Gebrauch gemacht, deren optische Verluste geringer sind (vorausgesetzt daß die unter der Oberfläche angeordnete Siliciumdioxidschicht dick genug ist, um die geleitete Welle völlig einzudämmen). Diese Lösung setzt jedoch zusätzliche Herstellungsschritte voraus, um zwecks Herstellung eines zu einem Schichtträger niedrigen Widerstands führenden Kontakts die unterhalb der Oberfläche angeordnete Isolierschicht zu durchbrechen.
  • EPA-0 433 552 beschreibt eine in einem Rippenwellenleiter auf Siliciumdioxid hergestellte aktive Siliciumwellenleitervorrichtung. Bei einer ersten Lösung wird in der Rippe ein senkrechter p/n- Übergang mit einem elektrischen Kontakt an der oberen Rippenoberfläche und einem weiteren elektrischen Kontakt (in der Form eines intensiv dotierten n-Bereichs) an der oberen Oberfläche der Siliciumschicht, anschließend an die Rippe, geschaffen. Der Stromfluß zwischen diesen elektrischen Kontakten (der die Ladungsträgerdichte in dem Wellenleiter ändert) erstreckt sich daher nicht über die ganze Querschnittsfläche der Rippe. Dies mag bei Vorrichtungen submikronischer Größe (wie sie im Zusammenhang mit dieser bekannten Technik beschrieben sind) unwichtig sein, doch bei Vorrichtungen, die genügend groß sind, um mit Faseroptik kompatibel zu sein (und bei denen der Querschnittsdurchmesser des Kerns typisch etwa 8 Mikron beträgt), verringert dies die Überdeckung zwischen den Ladungsträgern und der geleiteten Welle und somit den Betrag, um den sich der wirksame Brechungsindex des Wellenleiters bei einem gewissen Strom ändert. Dies kann bedeuten, daß die Vorrichtung zwecks Erzielung einer nützlichen Änderung des Brechungsindex in dem Wellenleiter in einem Stromsättigungsmodus betrieben werden muß, was die Schaltgeschwindigkeit verringert.
  • Bei einer anderen in EP-A-0 433 552 beschriebenen Lösung wird in einem planaren Wellenleiter, der über einer Schicht von Siliciumdioxid auf einem Siliciumschichtträger eine Siliciumschicht umfaßt, ein lateraler bipolarer Transistor vorgesehen. Diese Anordnung ergibt eine Wellenleiterstruktur mit hohen, durch die Absorption des abklingenden Feldes der geleiteten Welle in den hochgradig dotierten Bereichen des Transistors bedingten optischen Verlusten. Auch kann eine solche Struktur nur in einem planaren Wellenleiter geformt werden, der weniger als 1 Mikron dick ist, da es schwierig ist, Fremdatome in gleichmäßig verteilten Konzentrationen innerhalb einer Tiefe von mehr als etwa 0,5 Mikron einzuführen.
  • Silicium-Wellenleitermodulationsvorrichtungen,bei denen zwecks Änderung der Konzentration freier Träger in den Wellenleitern durch Injektion und Erschöpfung freier Träger von Feldeffekttransistoren Gebrauch gemacht wird, wurden ebenfalls vorgeschlagen (wie z.B. in GB-A-2 230 616). Diese Vorrichtungen erfordern jedoch Wellenleiter mit submikronischen Maßen, und diese Vorrichtungen kommen daher nicht in Anwendungen in Frage, in denen verlustarme Anschlüsse an optische Fasern erforderlich sind, was bedeutet, daß die Herstellung der besagten Vorrichtungen aufwendig ist, dasie aus nachstehend eingehender erläuterten Gründen nicht aus ohne weiteres verfügbaren Silicium auf Siliciumdioxid umfassenden Plättchen gefertigt werden können.
    • OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
  • Nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine elektrooptische Vorrichtung geschaffen, umfassend eine von einem Schichtträger durch eine Isoliermaterialschicht getrennte Siliciumschicht mit einer Rippe, die eine obere Oberfläche und zwei seitliche in der Siliciumschicht geformte Oberflächen aufweist, um einen Rippenwellenleiter für die Übertragung von optischen Signalen sowie zwecks Änderung des wirksamen Brechungsindex des Wellenleiters ein Mittel zur Steuerung der Dichte freier Ladungsträger in dem Rippenwellenleiter zu schaffen, dadurch gekennzeichnet, daß das besagte Mittel als ein lateraler dotierter Übergang mit einem p-dotierten Bereich und einem n-dotierten Bereich an gegenüberliegenden Seiten des Rippenwellenleiters ausgebildet ist, um eine pin-Diode zu bilden, die so angeordnet ist, daß ein elektrisches Signal quer durch den Übergang angelegt werden kann, um freie Ladungsträger in den Rippenwellenleiter zu injizieren, sowie dadurch, daß die Maße des den optischen Wellenleiter bildenden Rippenwellenleiters groß genug sind, um mit Faseroptik kompatibel zu sein.
  • Die Erfindung bezieht sich auch auf die Verwendung einer solchen Vorrichtung als optischer Phasenmodulator und als optischer Schalter.
  • Nach einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer elektrooptischen Vorrichtung geschaffen, das die folgenden Schritte umfaßt: Wahl eines Silicium auf Isoliermaterial umfassenden Plättchens; Vergrößern der Dicke der Silciumschicht des Plättchens durch epitaxiales Wachstum; Ätzen der Siliciumschicht, um in der besagten Schicht einen Rippenwellenleiter zu formen, dessen Maße groß genug sind, um mit Faseroptik kompatibel zu sein, und der zwecks Bildung einer pin-Diode einen lateralen dotierten Übergang mit einem p-dotierten Bereich und einem n-dotierten Bereich an gegenüberliegenden Seiten des Rippenwellenleiters aufweist.
  • Bevorzugte Merkmale der Erfindung gehen aus der nachstehenden Beschreibung und den Nebenansprüchen der Patentschrift hervor.
    • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die Erfindung wird nun rein beispielhaft eingehender beschrieben, und zwar unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen:
  • Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Einmoden- Rippenwellenleiters für optische Anwendungen im Einklang mit einer Ausführungsform der Erfindung ist;
  • Fig. 2 ein Querschnitt einer Ansicht entlang der Linie A-A des in Fig. 1 dargestellten Wellenleiters ist;
  • Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines elektronisch gesteuerten optischen 2 x 2-Schalters ist, bei dem Wellenleiter der in bezug auf Fig. 1 und Fig. 2 beschriebenen Art vorgesehen sind; und
  • Fig. 4 eine Querschnittsansicht entlang der Linie B-B des in Fig. 3 dargestellten Schalters ist.
    • BESTE AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG
  • Man beachte, daß sich in dieser Patentschrift verwendete Begriffe wie 'lateral', 'senkrecht', 'Seite', 'oben' usw. praktischer Beschreibung halber auf Richtungen relativ zu einer Vorrichtung in der in den beigefügten Zeichnungen dargestellten Ausrichtung beziehen. Diese Begriffe sind jedoch nicht so zu verstehen, als würden sie das Ausmaß der beanspruchten Erfindung einschränken, die in der Praxis in jeder beliebigen Ausrichtung verwendet werden kann.
  • Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung umfaßt eine nominell eigenleitende Siliciumkristallschicht 3, die durch eine z.B. aus Siliciumdioxid bestehende Isolierschicht 2 von einem Schichtträger 1 aus Silicium getrennt ist. Eine Rippe 4 mit einer oberen Oberfläche 4A und seitlichen Oberflächen 4B und 4C ist in der Siliciumschicht 3 geformt, so daß sie als Wellenleiter für die Übertragung optischer Signale in der durch die Pfeile 10 in der Zeichnung angezeigten Richtung wirkt. In der senkrechten Richtung wird Licht innerhalb des Wellenleiters durch die Siliciumdioxidschicht 2 eingedämmt, deren Brechungsindex geringer ist als der Brechungsindex der Siliciumschicht 3, während an der oberen Oberfläche Licht entweder durch Luft oder durch ein beliebiges anderes Medium mit einem niedrigeren Brechungsindex als Silicium (z.B. Siliciumdioxid) eingedämmt wird. Waagerechte Eindämmung des Lichtes unterhalb der Rippe 4 wird durch den niedrigeren wirksamen Brechungsindex des die Rippe umgebenden Plattenwellenleiters 3A bewirkt.
  • Die Vorrichtung ist vorzugsweise so konstruiert, daß sie mit Hilfe herkömmlicher Silicium auf Isoliermaterial umfassender Plättchen gefertigt werden kann, die in erster Linie für die Produktion integrierter Elektronikschaltungen mit sehr hohem Integrationsgrad der Festkörperschaltkreise (VLSI) heraestellt werden. Ein im Zusammenhang mit VLSI- Anwendungen beliebter Sondertyp eines Silicium auf Isoliermaterial umfassenden Plättchens wird durch Impiantieren von Sauerstoff in ein Siliciumplättchen und anschließendes Glühen des Plättchens gefertigt.
  • Dieses Verfahren ist in dem Referat 'Reduced defect density in silicon-on-insulator structures formed by oxygen implantation in two steps' von J. Morgail et al. in Appl.Phys.Lett., 54, S. 526, 1989 beschrieben. Das nach diesem Verfahren gefertigte Plättchen umfaßt eine etwa 0,1 bis 0,2 Mikron dicke Oberschicht aus Silicium, die von der Siliciumträgerschicht durch eine typisch etwa 0,4 Mikron dicke Siliciumdioxidschicht getrennt ist. In diesem Zustand kann diese Struktur nicht für die Herstellung von verlustarmen optischen Wellenleitern verwendet werden, da die unterhalb der Oberfläche angeordnete Oxidschicht ungenügend dick ist, um das abklingende Feld der optischen Wellenform ganz einzudämmen. Diese Verluste können eingeschränkt werden, indem man entweder die Dicke der Oxidschicht vergrößert oder die obere Schicht aus Silicium dicker macht.
  • Nach welcher Art und Weise auch immer die Dicke der Oxidschicht vergrößert wird, besteht bei diesem Vorgang eine Tendenz zur Erhöhung der Störstellendichte in der oberen Siliciumschicht, während gleichzeitig die Produktionskosten erhöht werden. Andere Methoden der Fertigung eines Silicium auf Isoliermaterial umfassenden Plättchens die eine dickere Oxidschicht ergeben könnten, werden im Zusammenhang mit VLSI-Anwendungen nicht bevorzugt, und es werden bei ihnen daher keine durch Produktion im großen Maßstab bedingten Einsparungen erzielt, wie sie bei mit Sauerstoff implantiertem Material zu erwarten wären, so daß sie in der Regel viel aufwendiger sind.
  • Die bevorzugte Methode der Fertigung einer Silicium auf Isoliermaterial umfassenden Vorrichtung wie der in den Zeichnungen dargestellten Vorrichtung besteht darin, ein herkömmliches Silicium auf Isoliermaterial umfassendes Plättchen der vorstehend beschriebenen Art durch Vergrößern der Dicke der oberen Siliciumschicht zu modifizieren. Dies läßt sich leicht dadurch bewirken, daß man die Siliciumschicht auf eine Dicke von einigen Mikron, z.B. von 2 bis 8 Mikron, aufwachsen läßt. In dieser Siliciumschicht kann dann mit Hilfe herkömmlicher Ätzmethoden eine Rippe geformt werden. Ein auf diese Weise gefertigter Rippenwellenleiter hat die folgenden wichtigen Merkmale:
  • (1) die optischen Verluste sind infolge der hochgradigen optischen Eindämmung gering
  • (2) da seine Maße mehrere Mikron betragen, ist er mit Faseroptik kompatibel
  • (3) da er durch einfache Modifizierung eines herkömmlichen Silicium auf Isoliermaterial umfassenden Plättchens gefertigt werden kann, ist seine Herstellung relativ kostenniedrig.
  • Eine solche Methode der Herstellung eines optischen Wellenleiters für optische Signale im Wellenlängenbereich von 1,2 bis 1,6 Mikron ist in dem Referat 'Low Loss Single mode Optical Waveguides with large Cross-Section in Silicon-on-Insulator' von J. Schmidtchen et al. in Electronic Letters, 27, S. 1486, 1991 beschrieben.
  • Wie dies nachstehend beschrieben ist, wird in der Rippe 4 der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung ein lateraler dotierter Übergang in der Form einer Diode geschaffen, und es werden zum Anschluß an einen elektronischen Antrieb 6, der eine modulierte Spannung quer durch die Diode erzeugen kann, metallisierte Kontakte 5 vorgesehen.
  • In Fig. 2, einem Querschnitt durch A-A der Vorrichtung in Fig. 1 ist ersichtlich, daß die Diode in der Rippe 4 gebildet ist und zwar in der Form von zwei hochgradig (mit etwa ≥ 10¹&sup9; Fremdatomen/cm³) dotierten Bereichen 7 und 8 in den Seiten der Rippe 4, wobei ein Bereich 7 n-dotiert und der andere Bereich p-dotiert ist. Der Bereich 9 zwischen den beiden hochgradig dotierten Bereichen 7 und 8 ist entweder in geringem Maße n- bzw. p-dotiert oder nominell undotiert. Eine solche Diode wird als pin-Diode bezeichnet. Die Dotierkonzentrationen des Überganges 7, 8 und 9 werden so gewählt, daß sich bei Anlegung einer Vorspannung in Durchlaßrichtung an die Diode eine Injektionszone für freie Träger quer durch den Bereich 9 erstreckt (d.h. Elektronen werden von dem n-dotierten Bereich 7 in den Bereich 9 und Defektelektronen von dem p-dotierten Bereich 8 in den Bereich 9 injiziert). Die dotierten Bereiche 7 und 8 erstrecken sich entlang eines Längenbereiches der Rippe 4, der von der gewünschten Wechselwirkungslänge der Vorrichtung abhängt.
  • Es ist wichtig zu beachten, daß anders als nach dem Stand der Technik eine laterale Diode, d.h. eine quer zu der Rippe zwischen deren Seitenflächen gebildete Diode, verwendet wird, und nicht eine senkrechte Diode oder eine sich in Längsrichtung der Rippe erstreckende Diode.
  • Die an die Bereiche 7 und 8 anschließenden Kontakte 5 können in einem beliebigen Abstand von der Rippe 4 angeordnet und selbst an den Seitenwänden der Rippe 4 vorgesehen sein. Je näher die Kontakte 5 den Seitenwänden der Rippe sind, umso niedriger ist der durch die dotierten Bereiche 7 und 8 verursachte Übergangswiderstand. Je näher jedoch die Metallkontakte 5 den Seitenwänden der Rippe sind, umso höher ist der durch Kopplung des abklingenden Feldes der geleiteten Welle an die Metallkontakte 5 bedingte optische Verlust. Zwischen diesen Faktoren muß ein Konstruktionskompromiß erzielt werden, das von der betreffenden Anwendung abhängt. Die Kontakte 5 erstrecken sich vorzugsweise in Längsrichtung der dotierten Bereiche 7 und 8.
  • Was die Bilder 1 und 2 anbelangt, bedingt Modulation der Vorspannung in Durchlaßrichtung Modulation der Konzentration freier Träger im oberen Bereich des Rippenwellenleiters entlang dem Diodenübergang und bewirkt in diesem Teil des Rippenwellenleiters Modulation des Brechungsindex durch dem Fachmann geläufige Vorgänge. Diese Modulation des Brechungsindex bedingt ihrerseits Modulation der modalen Fortpflanzungskonstanten des Rippenwellenleiters, was zu Modulation der wirksamen Brechungsindexe und der wirksamen Länge des Rippenwellenleiters führt. Modulation der wirksamen Länge des Wellenleiters bedingt Modulation des Phasenunterschiedes zwischen dem in die Vorrichtung bei I eintretenden Licht und dem bei O austretenden Licht. Die in den Figuren 1 und 2 dargestellte Vorrichtung kann daher als ein optischer Phasenmodulator verwendet werden.
  • Eine laterale Diode der beschriebenen Art hat den Vorteil, daß sie die Dichte freier Träger quer durch jenen Teil des Rippenquerschnitts, in dem die optische Welle eingedämmt ist, in diesem Falle quer durch den Bereich 9 steuert und somit die wirksame Überdeckung zwischen der sich durch den Wellenleiter fortpflanzenden optischen Welle und dem Bereich, in dem der Brechungsindex geändert wird, auf einen Höchstwert erhöht. Je größer diese Überdeckung ist, um so größer ist die Änderung des wirksamen Brechungsindex des Wellenleiters. Wird die Überdeckung verringert, so ist die Änderung des wirksamen Brechungsindex geringer, und die erforderliche Modulation läßt sich nur mit Hilfe einer längeren Vorrichtung erzielen.
  • Wasdie Dotierungsprofile der in der Oberfläche diffundierten Fremdatome in den Bereichen 7 und 8 anbelangt, besteht die Tendenz zu hohen Konzentrationen an der Oberfläche, die mit zunehmender Tiefe innerhalb des Siliciums abnehmen. Die Brechungsindexe der dotierten Bereiche 7 und 8 sind niedriger als der des eigenleitenden Siliciums z.B. in dem Bereiche 9. Dies bedingt die Tendenz zu erhöhter Eindämmung der geleiteten optischen Welle innerhalb des Bereiches 9. Wird die Breite des eigenleitenden Bereiches 9 des pin-Übergangs durch Vergrößern der Breite/Tiefe der dotierten Bereiche 7 und 8 verringert, so ist weniger Strom erforderlich, um in dem Bereich 9 eine bestimmte Änderung des Brechungsindex zu bewirken. Die geleitete optische Welle bleibt jedoch im wesentlichen in dem Bereich 9 eingedämmt, was auf die niedrigeren Brechungsindexe der Bereiche 7 und 8 zurückzuführen ist, und gewährleistet dadurch, daß die Änderung des wirksamen Brechungsindex des Wellenleitermodus auf einen Höchstwert gesteigert wird, da die Überdeckung zwischen dem Bereich 9 und der geleiteten optischen Welle hoch bleibt, obgleich die relative Breite des Bereiches 9 im Verhältnis zu der Gesamtbreite W der Wellenleiterrippe reduziert wurde. Verengung des Übergangs auf diese Weise kann eine fünf- bis zehnmalige Reduktion des für eine bestimmte Phasenmodulation erforderlichen Stroms zur Folge haben, doch kann trotzdem von einem relativ großen Rippenwellenleiter Gebrauch gemacht werden. Der eigenleitende Bereich 9 (bzw. der pseudo-eigenleitende Bereich, falls dieser gleiche Anzahlen von n- und p- Fremdatomen enthält) kann typisch auf etwa 25 % der Breite des Rippenwellenleiters verringert werden. Es wird somit wirksam ein kleiner, wenig Energie erfordernder und schnellwirkender Übergang in einem großen Wellenleiter erzeugt, der relativ leicht herzustellen ist.
  • Bei einer solchen Lösung ist es auch wünschenswert, daß die n- und p-dotierten Bereiche, die die Diode in der Rippe bilden, parallel zueinander liegen und an den gegenüberliegenden Seiten der Rippe symmetrisch angeordnet sind. Dies erleichtert es zu gewährleisten, daß bei Vorspannung der Diode in Durchlaßrichtung innerhalb des gesamten Bereiches 9 freie Träger injiziert werden und die Änderung des Brechungsindex somit optimiert wird.
  • Die Schaltgeschwindigkeit der Diode hängt auch von der Größe der Diode, d.h. dem Abstand zwischen den dotierten Bereichen 7 und 8, ab. Die Höhe des Wellenleiters (d.h. die in Fig. 2 dargestellte Strecke R) sollte vorzugsweise mindestens 4 Mikron betragen, so daß verlustarme Anschlüsse an optische Fasern hergestellt werden können. Bei einer Vorrichtung dieser Art kann jedoch die Breite (d.h. die in Fig. 2 dargestellte Strecke W) der Rippe 4 bzw. die Breite des Bereiches 9 verringert werden, um die Schaltgeschwindigkeit zu verbessern, ohne die optischen Verluste des Wellenleiters erheblich zu erhöhen.
  • Wie dies ebenfalls aus den Figuren 1 und 2 hervorgeht, wird der Rippenwellenleiter 4 vorzugsweise so konstruiert, daß sich nur der Grundschwingungsmodus für einen bestimmten Wellenlängenbereich fortpflanzt, während alle anderen Modi höherer Ordnung ausgeschaltet werden. Dies wird dadurch erzielt, daß man die wirksame Brechungsindexdifferenz in waagerechter Richtung zwischen dem Grundschwingungsmodus unterhalb der Rippe 4 und dem Grundschwingungsmodus in dem die Rippe umgebenden Plattenwellenleiter 3, die von dem Verhältnis zwischen der Plattenhöhe (S) und der Rippenhöhe (R) sowie von dem Verhältnis zwischen der Rippenbreite (W) und der Rippenhöhe (R) abhängt, genügend klein wählt, um sicherzustellen, daß alle Modi höherer Ordnung ausgeschaltet werden. Um sicherzustellen, daß alle senkrechten Rippenmodi höherer Ordnung ausgeschaltet werden, muß der wirksame Index dieser senkrechten Rippenmodi geringer sein als der senkrechte Grundschwingungsmodus der Platte, der ebenfalls von dem Verhältnis zwischen der Plattenhöhe (S) und der Rlppenhöhe (R) abhängt. Dies gewährleistet, daß senkrechte Rippenmodi höherer Ordnung nicht reaktiv sind, da sie infolge des höheren wirksamen Brechungsindex dieses Plattenmodus in den senkrechten Grundschwingungsmodus der Platte eingekoppelt werden (nähere Einzelheiten diesbezüglich sind in dem vorstehend genannten Referat von J. Schmidtchen et al enthalten).
  • Ein nach diesen Konstruktionsregeln gefertigter Rippenwellenleiter bietet die Gewähr für Betrieb der in den
  • Figuren 1 und 2 dargestellten Vorrichtung in vorwiegend einem Modus.
  • Ein spezifisches Beispiel einer Konstruktionsmethode und spezifischer Maße wird nun hinsichtlich einer Vorrichtung der in den Figuren 1 und 2 dargestellten Art beschrieben.
  • Bei einem undotierten Siliciumplättchen mit einer unter der Oberfläche angeordneten 0,4 Mikron dicken Schicht 2 aus Siliciumdioxid, das durch wiederholte Sauerstoffimplantation und Glühen (wobei eine oberflächliche Siliciumkristallschicht 3 mit wenigen Störstellen entsteht) gefertigt wird, wird mit Hilfe von undotiertem Silicium epitaxiales Aufwachsen von dessen oberflächlicher Siliciumschicht 3 bis zu einer Dicke von 4,75 Mikron bewirkt. Danach wird thermisches Aufwachsen einer 1,5 Mikron dicken Schicht aus Siliciumdioxid (nicht dargestellt) auf der Oberfläche bewirkt, so daß die endgültige Dicke der Siliciumschicht 3 4 Mikron beträgt. Wahlweise kann auf einer 4 Mikron dicken Siliciumschicht 3 eine 1,5 Mikron dicke Siliciumdioxidschicht (nicht dargestellt) nach einer anderen Methode abgesetzt werden.
  • Dann wird eine Rippe 4 mit einer Breite W von 4,0 Mikron durch Erzeugung von zwei Kerben 11, 12 mit senkrechten bzw. nahezu senkrechten Wänden und mit einer jeweiligen Breite von mehr als etwa 8,5 Mikron abgegrenzt, wobei die besagten Kerben durch reaktive Ionenätzung durch die oberflächliche Siliciumdioxidschicht (nicht dargestellt) hindurch bis zu einer Tiefe von 1,1 Mikron in der Siliciumschicht 3 hergestellt werden. Die freiliegenden Siliciumkerben werden dann thermisch oxidiert, um eine Oxiddicke von 0,5 Mikron zu erzielen. Durch diesen Prozeß thermischer Oxidation wird die Oberflächenrauhigkeit der Seitenwände 4B, 4C der Rippe 4 und somit der durch Grenzflächenstreuung bedingte potentielle Wellenleiterverlust reduziert.
  • Die in der einen Kerbe 11 auf diese Weise gebildete Oxidschicht wird durch isotropes Ätzen innerhalb einer der gewünschten Länge des pin-Übergangs gleichen Länge abgetragen, und in den Boden und die Seiten der Kerbe wird nach bekannten Dotierverfahren Phosphor (bzw. Bor) bis zu einer Konzentration von mehr als 10¹&sup9; Atome/cm³ diffundiert, wonach die Kerbe 11 reoxidiert wird, um eine 0,5 Mikron dicke Siliciumdioxidschicht in der Kerbe 11 zu erzielen. Die Dioxidschicht in der zweiten Kerbe 12 wird dann ebenfalls abgetragen und danach wird Bor (bzw. Phosphor, falls in die erste Kerbe Bor diffundiert wurde) in den Boden und die Seitenwände der zweiten Kerbe 12 innerhalb der gleichen Länge wie in der ersten Kerbe und bis auf eine ähnliche Konzentration diffundiert, wonach die Kerbe 12 reoxidiert wird, um in der Kerbe 12 eine 0,5 Mikron dicke Siliciumdioxidschicht zu erzielen. Die Diffusionsbedingungen können je nach der gewünschten Breite des pin-Übergangs variiert werden. Die Dicke (bzw. Tiefe) der in den Seiten der Rippe 4 und in dem Boden der Kerben 11 und 12 gebildeten dotierten Bereiche beträgt typisch etwa von 0,2 bis 0,5 Mikron.
  • Diese aufeinanderfolgenden Oxidationsprozesse ergeben eine Siliciumrippenhöhe (R) von etwa 4 Mikron, eine Siliciumplattenhöhe (S) von etwa 2,4 Mikron und eine Siliciumrippenbreite (W) von etwa 3 Mikron.
  • Danach werden zu den darunter befindlichen dotierten Siliciumbereichen Kontaktlöcher hindurchgeätzt. Die Struktur wird dann nach bekannten Methoden mit Aluminium metallisiert und darauf mit einem Muster versehen, um einen elektrischen Kontakt 5 für den n-dotierten Bereich 7 und einen weiteren elektrischen Kontakt 5 für den p-dotierten Bereich 8 vorzusehen. Die Metallkontakte 5 können fern von dem Rippenwellenleiter hergestellt werden, was zur Folge hat, daß die vorstehend erörterte Kopplung mit der geleiteten Welle verhindert wird.
  • Es liegt auf der Hand, daß der elektrische Anschluß an die n- und p-dotierten Bereiche 7 bzw. 8 in den Seitenwänden 4B und 4C der Rippe somit dadurch bedingt ist, daß sich die n- und p-dotierten Bereiche quer durch den Boden der Kerben 11, 12 zu den metallisierten Kontakten 5 erstrecken. Die elektrische Verbindung mit den n- und p-dotierten Bereichen 7 und 8 kann jedoch auf andere Weise hergestellt werden, u.a. mit Hilfe von metallisierten Kontakten, die unmittelbar an den Seitenwänden 4B und 4C der Rippe 4 vorgesehen sind, oder durch in dem Boden der Kerben 11, 12 geätzte Kontaktlöcher hindurch (siehe Fig. 4).
  • Die Länge (Lπ) des pin-Übergangs für eine π- Phasenverschiebung, für Licht mit einer freien Raumwellenlänge o ist durch die Änderung des wirksamen Brechungsindex (n) des Wellenleiters (bei einer vorgegebenen injizierten Dichte freier Träger) nach der Formel Lπ = o/2 n definiert.
  • Was die vorstehend als Beispiel beschriebene Vorrichtung anbelangt, so beträgt unter Voraussetzung einer Dichte injizierter Träger von 10¹&sup8;/cm³ die Änderung des wirksamen Brechungsindex 10&supmin;³, so daß eine Länge Lπ von 520 Mikron erforderlich ist.
  • Beidern vorstehend beschriebenen Beispiel beträgt das Verhältnis der Plattenhöhe (S) zu der Rippenhöhe (R) daher 2,4/3,0 und somit 0,8/1,0 und das Verhältnis der Rippenbreite W zu der Rippenhöhe R 3,0/4,0 also etwa 0,75/1,0.
  • Obgleich in den meisten Anwendungen die pin-artige Diode bevorzugt werden dürfte, liegt es auf der Hand, daß andere in der Technik bekannte Diodentypen bzw. andere einen dotierten Übergang umfassende Vorrichtungen verwendet werden können, vorausgesetzt daß sie lateral angeordnet sind, wie dies vorstehend beschrieben ist.
  • Fig. 3 veranschaulicht die Verwendung einer Wellenleiterübergangsvorrichtung der vorstehend beschriebenen Art, die zum Schalten von Licht von Wellenleiter zu Wellenleiter dient. Das Wellenleitersystem in Fig. 3 ist in Fig. 4 im Querschnitt (B-B) dargestellt.
  • Die grundsätzliche Betriebsweise solcher Schalter ist gut bekannt und wird daher nur kurz beschrieben.
  • Wie dies in Fig. 3 dargestellt ist, wird eine Überkreuz- Rippenwellenleiterstruktur unter Verwendung von Einmoden- Rippenwellenleitern 4 der im Zusammenhang mit Fig. 1 und Fig. 2 beschriebenen Art gebildet. In einem um den Schnittpunkt der Hauptachse der beiden Wellenleiter zentrierten Bereich werden zwei parallele Rippenwellenleiter in Fortsetzung der in den Überschneidungsbereich eintretenden bzw. aus diesem austretenden Wellenleiter gebildet. Diese parallelen Wellenleiter umfassen darin ausgebildete pin-Übergänge, wie dies zuvor im Zusammenhang mit Fig. 1 und Fig. 2 beschrieben wurde, und sie sind durch eine Kerbe 10 voneinander getrennt.
  • Fig. 4 veranschaulicht im Querschnitt den Überschneidungsbereich der in Fig. 3 dargestellten Vorrichtung. Der Bereich zwischen den beiden parallelen Wellenleitern kann dotiert sein, so daß er einen gemeinsamen Übergang 8 für beide der pin-Wellenleiter bildet. Dieser gemeinsame Mittelbereich 8 kann entweder n oder p-dotiert sein, wobei die Dotierung der äußeren Bereiche 7 des Überschneidungsbereichs zu der des Mittelbereichs 8 entgegengesetzt ist.
  • Die beiden Übergänge können gemeinsam oder unabhängig mit Hilfe des elektrischen Antriebs 6 vorgespannt werden (siehe Fig. 3).
  • Der Schnittwinkel der Wellenleiter, wird so gewählt, daß die gesamte innere Reflexion von bei 11 eintretendem Licht bei der Vorspannung Null an den beiden pin-Übergängen in dem Rippenwellenleiter I1/O1 eingedämmt wird. Das gleiche gilt für den Wellenleiter I2/O2. Bei Vorspannung Null der pin-Übergänge tritt in den Schalter bei I1 eintretendes Licht bei O1 aus, während bei 12 eintretendes Licht bei O2 austritt.
  • Sind beide Übergänge in Durchlaßrichtung vorgespannt, so nehmen die wirksamen Brechungsindexe der pin-Wellenleiter ab, die Eindämmung der geleiteten Wellen wird verringert, und die gesamte innere Reflexion ist nicht mehr auf die inneren Grenzflächen 10 der parallelen pin- Rippenwellenleiter beschränkt. Dies setzt voraus, daß an den senkrechten wirksamen Grenzflächen 10 der pin- Rippenwellenleiter der waagerechte Moduswinkel , für die pin-Rippenwellenleiter abzüglich des Schnittwinkels geringer ist als der kritische Reflexionswinkel o.
  • Das bei I1 eintretende Licht wird daher stark in den Wellenleiter I2/O2 eingekoppelt und tritt bei O2 aus, während das bei I2 eintretende Licht stark in den Wellenleiter I1/O1 eingekoppelt wird und bei O1 austritt.
  • Bei dieser Betriebsweise ist es auch wichtig sicherzustellen, daß der Kopplungskoeffizient K zwischen den beiden pin-Wellenleitern im nicht vorgespannten Zustand keine Nettoleistungsübertragung von einem Wellenleiter zum andern bedingt. Wenn die Übergänge in Durchlaßrichtung vorgespannt sind, ändert sich der Kopplungskoeffizient K, so daß eine sekundäre Möglichkeit zum Variieren des von dem einen Wellenleiter zum anderen gekoppelten Lichtes besteht.
  • Bei einer zweiten Betriebsweise wird nur einer der pin- Übergänge in Durchlaßrichtung vorgespannt Dies reduziert die wirksamen Brechungsindexe des betreffenden pin- Wellenleiters, was zur Folge hat, daß Licht von diesem Wellenleiter stark zu dem benachbarten pin-Wellenleiter, dessen Übergangsvorspannung Null beträgt und der daher einen höheren wirksamen Brechungsindex aufweist, gekoppelt wird. Ist z.B. der pin-Wellenleiter I1/O1 in Durchlaßrichtung vorgespannt, tritt bei I1 in den Schalter eintretendes Licht bei O2 aus, und auch bei I2 eintretendes Licht tritt bei O2 aus. Desgleichen treten die Eingänge I1 und I2 bei O1 aus, wenn der pin- Übergang I2/O2 in Durchlaßrichtung vorgespannt ist, und nicht an dem pin- Übergang I1/O2.
  • In beiden Betriebsweisen verhält sich die Vorrichtung auf identisch gleiche Weise, wenn die Richtung des Lichtflusses zu der in der vorstehenden Beschreibung entgegengesetzt ist.
  • Es liegt auf der Hand, daß eine Wellenleiterübergangsvorrichtung der vorstehend beschriebenen Art in einer großen Vielfalt anderer Anwendungen verwendet werden kann.
    • INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
  • Die vorstehend beschriebene Vorrichtung kann im Zusammenhang mit einer großen Vielfalt integrierter optischer Schaltungen hergestellt und verwendet werden.

Claims (16)

1. Eine elektrooptische Vorrichtung, umfassend eine von einem Schichtträger (1) durch eine
Isoliermaterialschicht (2) getrennte Siliciumschicht (3) mit einer Rippe (4), die eine obere Oberfläche (4A) und zwei seitliche in der Siliciumschicht (3) geformte Oberflächen (4B, 4C) aufweist, um einen Rippenwellenleiter für die Übertragung von optischen Signalen sowie zwecks Änderung des wirksamen Brechungsindex des Wellenleiters ein Mittel zur Steuerung der Dichte freier Ladungsträger in dem Rippenwellenleiter (4) zu schaffen, dadurch gekennzeichnet, daß das besagte Mittel als ein lateraler dotierter Übergang mit einem p-dotierten Bereich (8) und einem n-dotierten Bereich (7) an gegenüberliegenden Seiten des Rippenwellenleiters (4) ausgebildet ist, um eine pin-Diode zu bilden, die so angeordnet ist, daß ein elektrisches Signal quer durch den Übergang angelegt werden kann, um freie Ladungsträger in den Rippenwellenleiter (4) zu injizieren, sowie dadurch, daß die Maße des den optischen Wellenleiter (4) bildenden Rippenwellenleiters groß genug sind, um mit Faseroptik kompatibel zu sein.
2. Eine Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der p-dotierte Bereich (7) und der n-dotierte Bereich (8) symmetrisch an gegenüberliegenden Seiten (4B, 4C) des Rippenwellenleiters (4) angeordnet sind.
3. Eine Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei der der n-dotierte Bereich (8) und der p-dotierte Bereich (7) durch einen eigenleitenden, pseudoeigenleitenden oder leicht dotierten Bereich (9) getrennt sind.
4. Eine Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der sich der eigenleitende, pseudo-eigenleitende bzw. leicht dotierte Bereich (9) über im wesentlichen 25 % der Breite des Rippenwellenleiters (4) erstreckt.
5. Eine Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend elektrische Kontakte (5), die an den Übergang elektrisch über dotierte Bereiche (11, 12) in der sich von den Seiten des Rippenwellenleiters (4) weg erstreckenden Siliciumschicht (3A) angeschlossen sind.
6. Eine Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die Dicke der Siliciumschicht (3) von der oberen Oberfläche des Rippenwellenleiters bis zu der Schicht aus Isoliermaterial zwischen 2 und 8 Mikron beträgt.
7. Eine Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der die Schicht (2) aus Isoliermaterial Siliciumdioxid umfaßt.
8. Eine Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der die Schicht (2) aus Siliciumdioxid etwa 0,4 Mikron dick ist.
9. Eine Vorrichtung nach Anspruch 8, gebildet aus einem herkömmlichen Silicium auf Isoliermaterial umfassenden Plättchen mit einer oberflächlichen Siliciumschicht, wobei die Dicke der besagten oberflächlichen Siliciumschicht durch epitaxiales Aufwachsen erhöht wurde.
10. Eine Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Verhältnis (R:S) der Rippenhöhe (R) zu der Dicke (S) der Siliciumschicht (3) und das Verhältnis (R:S) der Rippenhöhe (R) zu der Rippenbreite (W) so gewählt sind, daß bei einer vorgegebenen Wellenlänge sowohl in senkrechter als auch in waagerechter Richtung nur der Grundschwingungsmodus fortgepflanzt wird.
11. Ein optischer Phasenmodulator, umfassend eine Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Änderung des Brechungsindex zur Änderung der wirksamen Wellenleiterlänge verwertet wird.
12. Ein optischer Schalter, umfassend eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Änderung des Brechungsindex zur Änderung der Kopplung zwischen einem ersten Wellenleiter und einem zweiten Wellenleiter des besagten optischen Schalters verwertet wird.
13. Ein Verfahren zur Herstellung einer elektrooptischen Vorrichtung, das die folgenden Schritte umfaßt: Wahl eines Silicium auf Isoliermaterial umfassenden Plättchens; Vergrößern der Dicke der Siliciumschicht des Plättchens durch epitaxiales Wachstum; Ätzen der Siliciumschicht, um in der besagten Schicht einen Rippenwellenleiter (4) zu formen, dessen Maße groß genug sind, um mit Faseroptik kompatibel zu sein, und der zwecks Bildung einer pin-Diode einen lateralen dotierten Übergang mit einem p-dotierten Bereich (7) und einem n-dotierten Bereich (8) an gegenüberliegenden Seiten des Rippenwellenleiters (4) aufweist.
14. Ein Verfahren nach Anspruch 13, bei dem die dotierten Bereiche (7, 8) durch Diffundieren von Fremdatomen in die Seitenflächen (4B, 4C) des Rippenwellenleiters gebildet werden.
15. Die Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 als optischer Phasenmodulator, wobei die Änderung des Brechungsindex zum Ändern der wirksamen Wellenleiterlänge verwertet wird.
16. Die Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 als optischer Schalter, wobei die Anderung des Brechungsindex zum Ändern der Kopplung zwischen einem ersten Wellenleiter und einem zweiten Wellenleiter der besagten Vorrichtung verwertet wird.
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