DE69120479T2 - Durch elektrisches feld induzierter quanten-potentialtopf-wellenleiter - Google Patents

Description

• Die Erfindung befaßt sich allgemein mit Photonengeräten, und sie betrifft spezieller Photonenvorrichtungen mit Quantenmulden-Strukturen.
• In den vergangenen Jahren wurden erhebliche Anstrengungen unternommen, um neue Vorrichtungen unter Einsatz der Photonentechnologie zu entwickeln, weil die Photonen Merkmale bieten, die mit der herkömmlichen Elektronik nicht reproduzierbar sind. Die Photonentechnologie wird z. B. seit langem in der Langstrecken-Telekommunikation eingesetzt, wie beispielsweise die umfangreiche Verwendung von Lichtleitfaserkabeln zeigt. In jüngerer Zeit wurden Anstrengungen unternommen, um die Vorteile der Photonen auf dem Gebiet der Informationsverarbeitung auszunutzen.
• Zur Zeit wird das Gebiet der Informationsverarbeitung von der Elektronik dominiert. Während die Elektronik Geschwindigkeit, Steuerung und Präzision mit geringen Kosten kombiniert, hat sie Nachteile bei der Bandbreite (Menge der Information), welche auf einem elektronischen Kanal transportiert werden kann, und sie ist anfällig gegen elektromagnetische Störungen. Obwohl die Bandbreite wirksam erhöht werden kann, indem viele nebeneinander liegende elektronische Kanäle realisiert werden, muß bei diesem Lösungsansatz der Isolierung der Kanäle untereinander besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden, woraus sich eine erhöhte Baugröße und höhere Kosten ergeben. Demzufolge passen bei der Elektronik die Geschwindigkeit, mit der Information innerhalb eines Prozessorsystems verarbeitet werden kann, und die Geschwindigkeit, mit welcher Information zwischen den Prozessoren oder von einem Prozessor zu einem Benutzer außerhalb des Prozessors gesendet werden kann, schlecht zusammen. Die Elektronik weist somit naturgemäß einen Engpaß bei der Übertragung auf. Photonen bieten die Möglichkeit, diesen Engpaß zu überwinden und die Leistungsfähigkeit von informationsverarbeitenden Systemen erheblich zu erweitern.
• Bei Versuchen, den inhärenten Engpaß elektronischer Systeme zu überwinden, wurden eine Anzahl von Technologien zum Modulieren eines optischen Signals mit Hilfe elektronischer Signale vorgeführt. Diese umfassen mechanische Einrichtungen, welche Fasern physisch bewegen oder welche Linsen oder Spiegel physisch bewegen, um die Richtung eines optischen Strahles zu beeinflussen. Diese Vorrichtungen sind schwierig herzustellen, und sie waren im wesentlichen auf Spezialanwendungen beschränkt, bei denen die hohen Kosten solcher Vorrichtungen gerechtfertigt werden können. Eine alternative Lösung besteht darin, Wellenleiter aus Materialien herzustellen, deren optische Eigenschaften gesteuert werden können, um das Licht zu modulieren, welches sich durch das Material fortsetzt. Bei vielen Materialien können deren optische Eigenschaften (insbesondere der Brechungsindex) durch Anlegen eines elektrischen Feldes verändert werden, wobei ein Effekt ausgenutzt wird, der im allgemeinen als der "lineare" elektrooptische Kerreffekt bezeichnet wird. Der elektrooptische Kerreffekt wird bei bestimmten Materialien als "linear" bezeichnet, um ihn von anderen elektrooptischen Kerreffekten in anderen Materialien zu unterscheiden, welche sich aus anderen unterlagerten physikalischen Phänomenen ergeben, wie noch erörtert wird. Ferroelektrika sind ein Beispiel eines Materialtyps mit einem starken linearen elektrooptischen Kerreffekt und einer guten Lichtdurchlässigkeit sowohl in sichtbaren als auch in infrarotnahen Spektralbereichen. Ferroelektrika sind gekennzeichnet durch eine starke dielektrische Polarisierbarkeit, welche zu deren starkem linearem elektrooptischem Kerreffekt führt. Mathematisch beschrieben ist der überragende Term des elektrooptischen Kerreffektes in Materialien, wie Ferroelektrika, im Verhältnis zu der Stärke eines angelegten elektrischen Feldes linear - woraus sich der Name "linearer" elektrooptischer Kerreffekt ergibt. Dieser starke lineare elektrooptische Kerreffekt bei Ferroelektrika wurde auf verschiedene Arten ausgenutzt, um Wellenleitereinrichtungen aufzubauen, welche ein elektrisches Signal auf einen Lichtstrahl modulieren können. Einige Beispiele sind Phasenmodulatoren, Richtungskoppler-Schalter und Mach'sche Zehnder-Interferometer.
• Ein anderer und ungewöhnlicher Einsatz dieses linearen elektrooptischen Kerreffektes ist in einem spannungsinduzierten optischen Wellenleitermodulator. Eine solche Einrichtung wurde zum ersten Mal von D. J. Channin vorgeschlagen und vorgeführt ("Voltage-Induced Optical Waveguide", Applied Physics Letters, Band 19, Nr. 5, Seiten 128-130, 1971), aufgrund der Schwierigkeiten bei der Herstellung wurden jedoch niemals praktische Geräte unter Verwendung dieser Technik gebaut. Bei diesem Gerät wird eine Spannung an ein Paar koplanare Elektroden angelegt, welche durch einen kleinen Spalt auf einem elektrooptischen Substrat getrennt sind, das aus einem Ferroelektrikum, wie Lithiumniobat (LiNbO&sub3;), hergestellt ist. Das resultierende elektrische Feld induziert eine Änderung des Brechungsindexes des Substrats, wodurch ein optischer Wellenleiter gebildet wird, der eine Ausbreitung von Wellentypen in dem Spaltbereich zwischen den Elektroden ermöglicht.
• Halbleiterzusammensetzungen, welche aus Kombinationen von Elementen der Gruppen III und V und aus Kombinationen von Elementen der Gruppen II und VI hergestellt sind, zeigen ebenfalls eine Änderung ihrer optischen Eigenschaften abhängig von der Anwesenheit eines elektrischen Feldes. Galliumarsenid (GaAs) und Aluminiumgalliumarsenid (AlxGa1-xAs) und die quartäre Verbindung Aluminiumgallium-Indiumarsenid ((AlxGa1-x)yIn1-yAs) z. B. weisen den linearen elektrooptischen Kerreffekt auf, obwohl er wesentlich schwächer ist als bei einigen Ferroelektrika (z. B. Lithiumniobat) Anders als bei den Ferroelektrika kann jedoch ein elektrisches Feld, welches an GaAs und AlxGa1-xAs angelegt wird, Änderungen des Brechungsindexes aufgrund zweier zusätzlicher Mechanismen erzeugen. Ein Mechanismus ergibt sich aus der Absorption freier Ladungsträger in dem Halbleitermaterial. Eine Zunahme der freien Ladungsträger in dem Material ergibt eine Abnahme des Brechungsindexes. Das Anlegen eines elektrischen Feldes kann zu einer Anderung der Dichte der freien Ladungsträger führen, wodurch der Brechungsindex verändert wird. Der zweite Mechanismus, welcher als Elektrorefraktion bekannt ist, tritt bei Licht mit Photonenenergien auf, welche gerade unterhalb der Grundenergiebandlücke des Materials liegen. Das Anlegen eines elektrischen Feldes ändert die Eigenschaften der optischen Absorption der Energiebandlücke, oder Bandlücke, wodurch der Brechungsindex verändert wird.
• Einrichtungen, welche den lineraen elektrooptischen Kerreffekt einsetzen, hatten sehr begrenzten kommerziellen Erfolg. Ein Grund für diesen Mangel an Erfolg ist das relativ große elektrische Feld und die entsprechend große Spannung, welche zum Induzieren der benötigten Änderung des Brechungsindexes notwendig ist. Einige elektrooptische Materialien, wie LiNbO&sub3;, weisen jedoch starke lineare elektrooptische Kerreffekte auf, es sind jedoch üblicherweise passive Materialien, was bedeutet, daß sie nicht zum Herstellen lichtemittierender und/oder erfassender Bauteile verwendet werden können, wodurch ihr Potential für die Herstellung monolithisch integrierter optischer Schaltkreise begrenzt ist. Die Ausbreitung und Polarisierung von Licht durch diese elektrooptische Materialien hängt darüber hinaus von der Ausbreitungsrichtung relativ zu dem Kristallgitter des Materials ab, wodurch den Herstellungsverfahren massive Konstruktionsbeschränkungen auferlegt werden. Insbesondere ist der lineare elektrooptische Kerreffekt nicht isotrop, und nur bestimmte relative Orientierungen des Kristalls, des angelegten elektrischen Feldes und der Polarisierungs/Ausbreitungsrichtung des Lichtes ergeben in jedem Fall die Indexänderung, welche benötigt wird, um ihn als Wellenleiter zu verwenden. Beim Aufbau eines elektrooptischen Wellenleiters müssen somit sowohl die Orientierung des Kristallsubstrats als auch die Polarisierung der Wellen, die transportiert werden sollen, sorgfältig berücksichtigt werden. Solche Entwurfsbeschränkungen bildeten die Haupthindernisse auf dem Weg zur Erreichung kommerziell praktikabler Herstellungstechniken für vollständig integrierte elektrooptische Schaltkreise.
• Es ist eine Hauptaufgabe der Erfindung, einen seitlich begrenzten optischen Wellenleiter in einem kristallinen Werkstoff vorzusehen, der in dem Werkstoff ohne Beachtung der Orientierung hergestellt werden kann und der die Ausbreitung eines optischen Strahles modulieren kann.
• Es ist auch eine Aufgabe der Erfindung, Vorrichtungen vorzusehen, welche von diesem seitlich begrenzten optischen Wellenleiter abgeleitet werden und die zum Aufbauen optischer integrierter Schaltkreise mit mehreren Komponenten, insbesondere monolithischer Vorrichtungen, geeignet sind. Eine hiermit verknüpfte Aufgabe der Erfindung ist, einen Wellenleiter gemäß den obigen Zielen vorzusehen, der leicht in eine monolithische Struktur aus einem aktiven Werkstoff integriert werden kann, welcher Licht erzeugen kann.
• Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Technik zum Erzeugen von seitlich begrenzten optischen Wellenleitern gemäß den obigen Zielen vorzusehen, die mit einem relativ einfachen Herstellungsprozeß realisierbar ist.
• Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, seitlich begrenzte Wellenleiter mit niedrigen Verlusten herzustellen.
• Eine noch andere Aufgabe der Erfindung ist, Vorrichtungen vorzusehen, die von den seitlich begrenzten optischen Wellenleitern abgeleitet werden und einfach, mittels photolithographischer Standardverfahren hergestellt werden können.
• Weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung ergeben sich in Bezug auf die folgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen.
• Die Erfindung sieht ein optiches Halbleiter-Wellenleiterelement zum Lenken von Licht aus einem Lichtstrahl vor, mit
• einem ersten Mantelbereich;
• einem zweiten Mantelbereich;
• einem Kern zum Empfangen des Lichtstrahls, der zwischen dem ersten und dem zweiten Mantelbereich liegt und mindestens eine Quantenmulden-Struktur aufweist;
• wobei der erste und der zweite Mantelbereich eine derartige Form und Abmessung haben, welche es dem Licht des Lichtstrahls erlauben, sich relativ zu einer Hauptrichtung des Strahls seitlich auszubreiten, wenn sich das Licht durch den Kern fortpflanzt; und
• einer Vorrichtung zum Anlegen eines elektrischen Feldes in einem ausgewählten Bereich des Kerns, um das Licht des Lichtstrahls seitlich auf den ausgewählten Bereich zu begrenzen.
• Ein Kristallkörper-Wellenleiter oder Scheiben-Wellenleiter (slab wave guide) mit einem Kern wird vorgesehen, der eine Quantenmulden-Struktur aufweist, so daß die seitliche Begrenzung eines Lichtstrahls, der in den Kern eingeführt wird, durch den quanten-begrenzten Stark-Effekt (QCSE; quantum-confined Stark Effekt) erreicht wird. Der QCSE ist ein gut bekannter Effekt, der sich auf die Verschiebung von niedrigeren Photonenenergien von Exzitonenresonanzen in Quanten-Potentialtöpfen bezieht. Exzitone sind gebundene Zustände von Elektronen-Loch-Paaren, die abhängig von einfallender Photonenenergie entstehen können. Bei Raumtemperatur sind Exzitone so kurzlebig, daß ihre Resonanzen eine untergeordnete Rolle bei den optischen Eigenschaften in massiven Materialien spielen. Bei Quantenmulden-Strukturen sind Exzitonresonanzen bei Raumtemperatur jedoch deutlich wahrnehmbar, und sie schaffen Quantenmulden-Strukturen mit starken nicht linearen Absorptionseigenschaften.
• Bei dem QCSE verschiebt ein elektrisches Feld, welches senkrecht zu der Ebene des Quantenmuldenkerns in dem Kristallkörper-Wellenleiter angelegt wird, diese von den Exzitonen erzeugten nicht linearen Absorptionseigenschaften. Bei einer Verschiebung der Absorptionseigenschaften, die durch den QCSE bewirkt wird, entseht zwingend auch eine Verschiebung des Brechungsindexes der Quantenmulde. Aufgrund dieser unterschiedlichen Phänomene, welche dem QCSE und dem linearen optischen Kerreffekt unterlagert sind, ist die mathematische Beziehung zwischen dem angelegten elektrischen Feld und der Änderung des Brechungsindexes von quadratischen Termen und Termen höherer Ordnung für den QCSE dominiert. Dies steht im Gegensatz zu dem linearen optischen Kerreffekt, der von dem linearen Term dominiert ist.
• Eine Eigenschaft des QCSE, welche ein potentielles Hindernis für die Realisierung von Bauelementen unter Ausnutzung des Effekts in der Praxis darstellt, ist, daß die größte Änderung der Absorption, welche sich aus dem QCSE ergibt, bei ungefähr derselben Photonenenergie auftritt, wie die größte Änderung des Brechungsindexes. Durch Auswählen einer geeigneten Photonenenergie für den Lichtstrahl, der in den Quantenmuldenkern eingebracht wird, kann jedoch eine erhebliche Erhöhung des Brechungsindexes ohne eine entsprechend große Änderung der Absorption erhalten werden.
• Um die Ausbreitung eines Lichtstrahls durch einen Kristallkörper-Wellenleiter mit einem Quantenmuldenkern seitlich zu begrenzen, wird ein elektrisches Feld über einen ausgewählten Bereich des Wellenleiters, ungefähr in einer Linie mit dem eingebrachten Lichtstrahl und in einer im wesentlichen senkrechten Richtung zu der Ebene des Kernes angelegt. Durch gesteuertes Anlegen des elektrischen Feldes kann die seitliche Ausbreitung des Lichtes innerhalb des Kristallkörpers kontrolliert werden, während eine Übertragung mit geringen Verlusten erreicht wird (wenn man annimmt, daß die richtige Photonenenene ausgewählt wurde). Optoelektronische Einrichtungen können basierend auf der Steuerung der seitlichen Begrenzung des Lichtstrahls hergestellt werden. Der Wellenleiter kann z. B. zwischen zwei Lichtleitfaserkabel gelegt werden, um ein optisches Signal zu modulieren, welches von den Kabeln transportiert wird.
• Aufgrund der unterschiedlichen unterlagerten Phänomene sind der lineare optische Kerreffekt und der QCSE durch erhebliche Differenzen gekennzeichnet. Einige dieser Unterschiede lassen Wellenleiter mit Quantenmuldenkernen für die Herstellung von Bauteilen wesentlich vorteilhafter erscheinen als Wellenleiter, die aus massiven kristallinen Materialien hergestellt sind. Anders als beim linearen optischen Kerreffekt ist z. B. die Anderung des Brechungsindexes in einem QCSE-Quantenmuldenkern abhängig von der Orientierung. Wenn man z. B. annimmt, daß der Quantenmuldenkern eines Kristallkörper-Wellenleiters in einer xy-Ebene eines kartesischen Koordinatensystems liegt, begrenzt der QCSE einen Strahl, der in den Kern gelenkt wird, unabhängig von dessen Orientierung relativ zu der x- und der y-Achse. In der z-Achse wird der Strahl auf herkömmliche Weise durch eine obere und eine untere Ummantelung begrenzt.
• Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Kristallkörper-Wellenleiters, der so konfiguriert werden kann, daß er einen seitlich begrenzten Wellenleiter gemäß der Erfindung bildet;
• Fig. 2 zeigt eine Stirnansicht des Kristallkörper-Wellenleiters von Fig. 1, der so konfiguriert ist, daß er einen Quantenmuldenkern vorsieht, wobei die seitliche Begrenzung eines Lichtstrahls gemäß dem Stand der Technik erfolgt;
• Fig. 3 zeigt einen beispielhaften Graphen eines Absorptionsspektrums (α) für einen typischen Quantenmulden-Kristallkörper-Wellenleiter als eine Funktion der Wellenlänge, wobei die durchgezogene Linie dem Spektrum bei einem elektrischen Feld von null entspricht, und die gestrichelte Linie entspricht demselben Spektrum, welches abhängig von der Anwesenheit eines elektrischen Feldes durch den quantenbegrenzten Stark-Effekt rot-verschoben wurde;
• Fig. 4 ist eine Stirnansicht des Kristallkörper-Wellenleiters von Fig. 1, der so konfiguriert wurde, daß er einen Quantenmuldenkern vorsieht, wobei die seitliche Begrenzung eines Lichtstrahls gemäß der vorliegenden Erfindung erfolgt;
• Fig. 5a ist eine Spektraldarstellung der idealisierten Änderung des Brechungsindexes (Δn) des Quantenmuldenkerns in dem Wellenleiter von Fig. 4, wobei die Differenz zwischen dem Index ohne elektrisches Feld und dem Index bei einem elektrischen Feld konstanter Größe gezeigt ist;
• Fig. 5b ist eine idealisierte Spektraldarstellung der Absorption (α) des Quantenmuldenkerns des Wellenleiters von Fig. 4 ohne die Anwesenheit eines elektrischen Feldes;
• Fig. 5c ist eine idealisierte Spektraldarstellung der Änderung der Absorption (Δα) für den Quantenmuldenkern des Wellenleiters von Fig. 4, wobei die Änderung zwischen der Absorption ohne elektrisches Feld und der Absorption mit elektrischem Feld derselben konstanten Größe wie bei dem elektrischen Feld von Fig. 5a dargestellt ist;
• Fig. 6a ist eine vergrößerte Stirnansicht des Wellenleiters von Fig. 4, welche die seitliche Begrenzung eines Lichtstrahls durch ein angelegtes elektrisches Feld gemäß der Erfindung zeigt, wobei der Strahl aus der Zeichenebene ausstritt und ungefähr senkrecht zu dieser verläuft;
• Fig. 6b zeigt dieselbe Stirnansicht des Wellenleiters, der auch in Fig. 6a gezeigt ist, abgesehen davon, daß das elektrische Feld entfernt wurde und der Lichtstrahl nicht begrenzt ist, so daß er sich seitlich längs der Ebene des Wellenleiterkerns in Übereinstimmung mit der erfindungsgemäßen Lehre ausbreitet;
• Fig. 7 zeigt eine Draufsicht auf den Wellenleiter von Fig. 4, der mit optischen Eingangs- und Ausgangsfasern gekoppelt ist, um ein optoelektrisches Bauteil zum Modulieren eines Lichtstrahles zu bilden;
• Fig. 8 zeigt eine Draufsicht eines monolithischen Halbleiterbauteils, welches mehrere optisch ausgerichtete und seitlich begrenzte Wellenleiter aufweist, wobei wenigstens einer der Wellenleiter erfindungsgemäß ausgebildet ist, und mit den anderen zusammenwirkt, um einen integrierten optischen Schaltkreis zu bilden;
• Fig. 9 zeigt eine Draufsicht auf ein monolithisches Halbleiterbauteil mit mehreren seitlich begrenzten Wellenleitern gemäß der Erfindung, welche einen vollständig integrierten bidirektionalen Schalter bilden; und
• Fig. 10 zeigt eine Draufsicht auf ein monolithisches Halbleiterbauteil, welches eine Linse mit variablem Brennpunkt aufweist und gemäß den Grundsätzen der Erfindung aufgebaut ist.
• Während die Erfindung in Verbindung mit einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben wird, besteht nicht die Absicht, sie auf diese Ausführungsform zu beschränken. Ganz im Gegenteil, sie soll alle Alternativen, Modifikationen und Äquivalente abdecken, die in den Bereich dieser Erfindung fallen, welche durch die beigefügten Ansprüche definiert wird.
• In den Figuren, und zunächst in Fig. 1, ist eine Beispiel eines pin-Dioden-Wellenleiters 11 gezeigt, der einen Kernbereich 13 aufweist, durch welchen sich ein Lichtstrahl ausbreitet und der zwischen einem ersten und einem zweiten Mantelbereich 15 bzw. 17 liegt. Zur Unterstützung der Beschreibung der Erfindung sind die Mantel- und Kembereiche auf die x-, y- und z- Achsen eines kartesischen Koordinatensystems bezogen. Jeder Bereich des Wellenleiters 11 ist mittels Epitaxie auf einem Substrat 20 ausgebildet, wobei die konventionellen Techniken eingesetzt werden. Das epitaktische Wachstum erfolgt längs der z-Achse, wobei Schichten gebildet werden, die Breiten- und Längenabmessungen haben, die im wesentlichen längs der x- und der y-Achse gemessen werden. Wellenleiter, welche auf diese Art hergestellt werden, werden im allgemeinen als Kristallkörper-Wellenleiter oder Scheiben-Wellenleiter ("Slab"-Wellenleiter) bezeichnet.
• Wie im Stand der Technik gut bekannt ist, kann jeder der Mantelbereiche 15 und 17 vollständig aus einem Werkstoff hergestellt sein, oder er kann aus wechselnden Materialschichten zusammengesetzt sein, welche mittels Epitaxie aufeinander ausgebildet sind. In Halbleiter-Scheiben-Wellenleitern kann z. B. jeder Mantelbereich aus einer einzigen Schicht aus AlxGa1-xAs oder aus wechselnden Schichten aus GaAs und AlxGa1-xAs bestehen. Der Kern 13 des Halbleiter-Scheiben-Wellenleiters 11 besteht üblicherweise aus AlyGa1-yAs, wobei x größer ist als y, so daß der effektive Brechungsindex (n) im Kernbereich höher ist. Der Brechungsindex (n) ist insbesondere eine Funktion der Aluminiumkonzentration, wobei gilt, daß der Brechungsindex umso kleiner ist, je größer die Konzentration ist.
• Um das Verständnis der Erfindung zu erleichtern, wird angenommen, daß die Wellenleiter der Figuren 2 und 4 dieselbe kastenartige Grundform, Orientierung und Grundbestandteile haben, wie der Wellenleiter von Fig. 1. Die Stirnansichten dieser Wellenleiter in den Figuren 2 und 4 werden daher auf die Darstellung des Wellenleiters von Fig. 1 bezogen, um ein besseres Verständnis ihrer Strukturen und der Wechselwirkung mit einem eingebrachten Lichtstrahl 26 zu ermöglichen.
• Der Wellenleiter 11 von Fig. 1 kann als ein Kanal-Wellenleiter arbeiten, um einen Lichtstrahl längs eines ausgewählten Bereichs des Wellenleiterkerns zu führen, indem eine Rippe 19 oben auf dem Mantelbereich 17 verwendet wird. Um die Rippe 19 auszubilden, wurde üblicherweise eine Materialschicht mittels Epitaxie auf der Oberseite des Mantelbereiches 17 gebildet. Auf bekannte Art wird die Schicht mit einem Photoresist (nicht gezeigt) beschichtet und mit ultraviolettem Licht oder Röntgenstrahlen durch eine Kontakt-Druckmaske (nicht gezeigt), welche die Form der Rippe bestimmt, belichtet. Der Photoresist wirc entwickelt, um ein Muster auf der Oberfläche auszubilden, welches als eine Maske entweder für das chemische Naßätzen oder für das Ionenstrahlzerstäubungs-Ätzen dient.
• In Fig. 2 ist ein konventioneller Kanal-Wellenleiter 21 gezeigt, der durch Ausbilden von zunächst zwei Mantelbereichen 23 und 25 und einem dazwischenliegenden Kernbereich 27 mittels konventioneller Epitaxietechniken auf eine n-dotiertes GaAs- Substrat 29 auf dieselbe Weise hergestellt ist, wie in Verbindung mit dem Scheiben-Wellenleiter von Fig. 1 erörtert wurde. Um eine Rippe 31 auszubilden, wird zunächst eine Schicht aus p-dotiertem GaAs-Material mittels Epitaxie auf der Oberseite des Mantelbereichs 25 ausgebildet, und dann wird diese auf dieselbe Weise geätzt, wie in Verbindung mit der Rippe 19 von Fig. 1 beschrieben wurde.
• Da die Al-Zusammensetzung des Kembereiches 27 niedriger ist als die Zusammensetzung der Mantelbereiche 23 und 25 hat der Kernbereich einen höheren Brechungsindex (n) als die Ummantelung; somit begrenzt der Wellenleiter 21 den Lichtstrahl 26 (Fig. 1) in der Richtung des Wachstums (z-Achse). Um den Lichtstrahl seitlich zu begrenzen und dadurch die Ausbreitung des Lichtes längs der x-Achse zu kanalisieren, muß die Struktur des Wellenleiters 21 jedoch in seitlicher Richtung (y-Achse) modifiziert werden. Dies wird üblicherweise dadurch erreicht, daß die Rippe 31 ein Stück in den Mantelbereich 25 hineingeätzt wird, wie in Fig. 2 vorgeschlagen, wobei ein Teil 20 des oberen Bereiches 25 entfernt wird. Durch das seitliche Ätzen in den Mantelbereich 25 hinein dringt das abklingende Feld 30 des Lichtstrahls 26 in die Umgebung des Wellenleiters 21 bei den geätzten Bereichen neben der Rippe 31 ein, wie in Fig. 2 bei den Punkten A und B angedeutet. Üblicherweise besteht die Umgebung aus einem Material (z. B. Luft), das einen niedrigeren Brechungsindex als der effektive oder mittlere Brechungsindex des Materials ist, welches die Rippe 31 und den Kernbereich unmittelbar darunter bildet. Da die abklingenden Felder 30 des Lichtstrahls 26 den hohen Brechungsindex der Rippe 31 und des Bereiches des Kerns 27 unmittelbar darunter bevorzugen, neigt der Lichtstrahl dazu, sich auf diesen Bereich des Kerns zu konzentrieren, wodurch der Strahl wirksam in seitliche Richtung (y-Achse) begrenzt und ein "Kanal"-Wellenleiter gebildet wird, d. h. ein seitlich begrenzender Wellenleiter.
• Ein signifikanter Nachteil dieser seitlich begrenzenden Wellenleiter der in Fig. 2 gezeigten Art ist, daß sie schwierig herzustellen sind. Beim Herstellen von Kanal-Wellenleitern mittels den oben beschriebenen Verfahren muß die Dicke und die Breite der Rippe 31 präzise kontrolliert werden. In diesem Zusammenhang sei bemerkt, daß viele aktive Wellenleitereinrichtungen einen Einmodenbetrieb vorsehen müssen. Ob ein gegebener Wellenleiter einfache oder mehrfache Moden unterstützt, ist stark abhängig von der Breite und der Höhe der Rippe. Um die Dicke zu steuern, muß die Ätzleistung sorgfältig abgestimmt werden, welche eine Funktion der Aluminiumkonzentration x in dem AlxGa1-xAs-Mantelbereich 25 ist. Das einfachste Verfahren zum Herstellen von Rippen in einem GaAs/AlxGa1-xAs-Material ist durch chemisches Naßätzen. Ein solches Ätzverfahren erzeugt geneigte Seitenwände, wobei die Breite der Rippe zu einer Funktion der Ätztiefe wird, was es schwierig macht, die Breite des Wellenleiterkanals präzise zu kontrollieren. Um zu verhindern, daß geneigte Seitenwände entstehen, wird üblicherweise zum Ätzen der Ummantelung ein Ionenstrahl-Ätzverfahren verwendet. Unglücklicherweise ist das Ionenstrahlätzen wesentlich komplizierter als das chemische Naßätzen. Ferner verursacht die Wechselwirkung zwischen dem abklingenden Feld 30 und den rauhen Seitenwänden der Rippe 31 eine Streuung des Lichtes, wodurch die Verluste erhöht werden.
• Jüngste Fortschritte bei den Epitaxie-Verfahren haben die Epitaxie von Halbleiterschichten ermöglicht, deren Materialzusammensetzung exakt gesteuert werden kann, um eine Schichtdicke vorzusehen, die in Richtung des Wachstums (z-Achse) so dünn wie eine Atomschicht ist. Strukturen, welche aus diesen ultradünnen Schichten mit Abmessungen von weniger als etwa 500 Angström (Å) bestehen, sind üblicherweise als Quantenmulden- Strukturen bekannt. Die einfachste derartige Struktur, die sogenannte Einquanten-Mulde, besteht aus einer ultradünnen Schicht, welche zwischen zwei anderen Schichten liegt.
• Verweilen wir für einen Moment, um die physikalischen Eigenschaften von Quantenmulden-Strukturen zu erörtern: Deren extrem kleine Abmessungen lassen Quantengrößeneffekte beobachten, welche in massiven Proben aus demselben Material nicht gefunden werden können. Die ultradünne Schicht wird als Quantenmulde bezeichnet, wenn sie aus einem Halbleiter mit einer Energiebandlücke besteht, die niedriger ist als die der umgebenden Schichten, welche dann als Grenzschichten bezeichnet werden. Die Quantenmulde kann z.B. aus GaAs, umgeben von Grenzschichten aus AlxGa1-xAs bestehen. Da eine Quantenmulden- Struktur zwischen ihren Schichten unterschiedliche Energiebandlücken hat, weisen die Energiebänder Diskontinuitäten längs der Wachstumsrichtung (z-Achse in Fig. 2) auf. Insbesondere erzeugt die Quantisierung der Ladungsträgerbewegung in der Wachstumsrichtung eine Gruppe von gebundenen Zuständen mit diskreten Energieniveaus in der Quantenmulde. Eine Mehrfach- Quantenmulden-Struktur wird hergestellt, indem zwei oder mehr einzelne Quantenmulden-Strukturen nebeneinander wachsen. Wenn die Grenzschichten zwischen den Quantenmulden dünn genug sind, so daß Ladungsträger in den Quantenmulden in Wechselwirkung treten können, indem sie durch die Grenzschichten tunneln, wird die Mehrfachquantenmulden-Struktur üblicherweise als Supergitter bezeichnet. Es kann ferner eine Vielzahl komplexerer Quantenmulden-Strukturen hergestellt werden. Einige Beispiele sind asymmetrische gekoppelte Quantenmulden, parabolische Quantenmulden und Quantenmulden mit abnehmendem Index. Es ist ferner bekannt, diese Quantenmulden-Strukturen in den Kern des Wellenleiters 21 von Fig. 2 einzubauen, wie durch die Schichten 32, 33, 34, 35 und 36 angedeutet ist, welche den Kern 27 bilden.
• In Quantenmulden-Strukturen bewegen sich Elektronen und Löcher nicht mit ihren üblichen drei Freiheitsgraden. Sie zeigen ein eindimensionales Verhalten in der Richtung des Wachstums (z- Achse) und ein zweidimensionales Verhalten in den Ebenen der Schichten (xy-Ebenen). Diese verminderte Anzahl der Dimensionen bewirkt drastische Änderungen der elektrischen und optischen Eigenschaften von Quantenmuldenmaterialien im Vergleich zu denselben Eigenschaften, welche bei diesen Materialien in einem massiven kristallinen Zustand angetroffen werden. Bei Quantenmulden-Strukturen ist z. B. die Exzitonenresonanz selbst bei Raumtemperatur sehr stark. Bei Photonenenergien, welche die Exzitonenresonanzen induzieren, zeigen Quantenmulden-Strukturen eine starke Absorption, wie allgemein durch das Absorptionsspektrum angegeben ist, das in dem Graphen von Fig. 3 als durchgezogene Linie gezeichnet ist. Das beispielhafte Absorptionsspektrum (α), welches in Fig. 3 relativ zu der Wellenlänge (λ) gezeigt ist, ist insbesondere gekennzeichnet durch eine scharfe Spitze der Absorption, welche um eine Wellenlänge λ&sub1; zentriert ist. Obwohl die Absorptionsspitzen bei den Exzitonenresonanzen auch in massiven Materialien beobachtet werden können, sind sie bei Raumtemperatur in Quantenmulden-Strukturen wesentlich bedeutender, hauptsächlich wegen der Quanteneffekte, welche von den ultradünnen Quantenmuldenschichten begründet werden.
• Es ist bekannt, daß Exzitonen in Quantenmulden-Strukturen empfindlich auf elektrostatische Störungen reagieren. Moderate elektrische Felder in der Größenordnung von 10 Millivolt pro 100 Angström (Å), oder 10&sup4; Volt/Zentimeter, bewirken erhebliche Störungen. Wenn z. B. ein elektrisches Feld längs der Wachstumsrichtung angelegt wird, zeigt eine Quantenmulden-Struktur eine Rot-Verschiebung im Absorptionsspektrum, wie durch die gestrichelte Linie in Fig. 3 angegeben ist. Dieses Phänomen, welches Fig. 3 zeigt, wird quanten-begrenzter Stark-Effekt genannt (im folgenden als "QCSE" bezeichnet; quantum confined Stark Effect).
• Wieder mit Bezug auf den Kanal-Wellenleiter von Fig. 2 sieht man, daß sich der Lichtstrahl 26 längs eines Kanal-Wellenleiters ausbreitet, der von dem Bereich des Kernes 27 unmittelbar unter der Rippe 31 definiert wird, wie durch die gestrichelten Linien 37a und 37b in Fig. 1 gezeigt. Wie zuvor ange- geben, umfaßt der Kernbereich 27 die Schichten 32-36, wobei die ultradünnen Schichten 33 und 35 zwei Quantenmulden definieren. In Fig. 2 ist die erste Schicht 32 des Kernbereichs aus AlyGa1-yAs aufgebaut. Die zweite Schicht 33 ist eine etwa 100 Å dicke Schicht aus GaAs (Quantenmulde). Die dritte Schicht 34 ist eine 100 Å dicke Schicht aus AlyGa1-yAs. Die vierte Schicht 35 ist eine weitere 100 Å dicke GaAs-Quantenmulde, und die letzte Schicht 36 besteht aus AlyGa1-yAs, wobei die Konzentration des Aluminiums (y) geringer ist als die effektive Konzentration (x) in den Mantelbereichen 23 und 25. Allgemeiner gesagt, der Kern 27 besteht aus wechselnden Schichten aus AlzGa1-zAs und AlyGa1-yAs, wobei z < y. Bei dem speziellen, oben angegebenen Beispiel ist z gleich null.
• Verschiedene, gut bekannte physikalische Phänomene wurden in der Vergangenheit in Wellenleitern ausgenutzt, um eine große Vielzahl von Bauteilen in unterschiedlichen Materialsystemen zur Verwendung als Modulatoren und Schalter herzustellen. In Halbleitermaterialsystemen, welche aus Elementen der Gruppe III und V gewählt wurde, wie GaAs und AlxGa1-xAs, wurden drei Grundphänomene ausgenutzt, um Vorrichtungen basierend auf der Änderung des Brechungsindexes beim Anlegen eines elektrischen Feldes - d. h. des linearen elektrooptischen Kerreffektes, der Elektrorefraktion und Indexänderungen aufgrund der Absorption freier Ladungsträger aufzubauen. In dieser Hinsicht kann die Rippe 31 von Fig. 2, zusätzlich zu ihrer Funktion der seitlichen Begrenzung des Lichtstrahls 26, auch als ein elektrischer Kontakt für einen pin-Dioden-Wellenleiter für das Anlegen einer Sperr-Vorspannung zwischen diesem und dem Substrat dienen. Diese Spannung wird über der Rippe verteilt und erzeugt ein elektrisches Feld durch den Kern und längs der Wachstumsrichtung (z-Achse). Durch Steuern der Stärke des elektrischen Felkann die Absorption des Lichtstrahles 26 durch den Kern 27 abhängig von dem QCSE geändert werden. Die scharfe Absorptionsspitze in Fig. 3, welche von dem QCSE bewirkt wird, ermöglicht, daß der Quantenmulden-Wellenleiter von Fig. 2 als ein modulierendes Bauteil arbeitet, das sehr empfindlich auf Änderungen des elektrischen Feldes reagiert. Ohne die Quantenmulden-Struktur in dem Kernbereich 27 tritt der QCSE nicht auf, und die Empfindlichkeit des Brechungsindexes des Kerns gegenüber Änderungen eines angelegten elektrischen Feldes ist erheblich geringer.
• Gemäß einem sehr wichtigen Aspekt der Erfindung haben die Mantelbereiche eines Wellenleiters mit Quantenmuldenkern Abmessungen in ihrer Wachstumsrichtung (z-Achse), die ausreichend groß sind, damit sich ein Lichtstrahl relativ zu der Hauptrichtung des Strahls bei der Ausbreitung durch den Kern zur Seite hin ausbreiten kann. Anders als der Wellenleiter von Fig. 2 ist der Wellenleiter gemäß der Erfindung gekennzeichnet durch optische Eigenschaften, welche dem Lichtstrahl 26 eine gleich gute Ausbreitung in allen Richtungen der xy-Ebene ermöglicht, längs welcher sich der Kernbereich erstreckt. Das Anlegen eines elektrischen Feldes in der Wachstumsrichtung (z- Achse) über einem ausgewählten Bereich des Wellenleiters erhöht jedoch den Brechungsindex (n) abhängig von dem QCSE, wo- durch ein seitlich begrenzender Kanal-Wellenleiter definiert wird. Obwohl Änderungen des Brechungsindexes eines Quantenmuldenkerns abhängig von einem elektrischen Feld ein bekanntes Phänomen ist, wurden nach bestem Wissen der Anmelderin solche Änderungen in der Vergangenheit nur in Wellenleitern eingesetzt, in denen der Lichtstrahl 26 seitlich durch irgendeine physische Änderung in der lateralen Struktur des Wellenleiters begrenzt war - z. B. durch seitliches Ätzen der Ummantelung, wie in Fig. 2 gezeigt.
• Bei Verwirklichung der Erfindung ist die Vorrichtung zum Anlegen eines elektrischen Feldes vorzugsweise ein durch Epitaxie auf dem Wellenleiterkörper ausgebildeter Kontakt, der geätzt wird, um eine geeignete Struktur (z. B. eine Rippe) für die beabsichtigte Anwendung auszubilden. Anders als die Rippe des Wellenleiters von Fig. 2 erfordert der Kontakt des erfindungsgemäßen Wellenleiters jedoch nicht das Ätzen des oberen Mantelbereiches. Da die obere Ummantelung so dick ist, daß nur ein sehr geringer Teil des Lichtfeldes des Lichtstrahls tief genug in die Ummantelung eindringt, um den Kontakt zu sehen, ergibt sich eine sehr geringe seitliche Begrenzung des Lichtes daraus. Wenn eine Sperr-Vorspannung über den Wellenleiter angelegt wird, indem ein p-dotierter Kontakt und ein n-dotiertes Substrat vorgesehen werden, induziert das resultierende elektrische Feld jedoch eine QCSE-Verschiebung in den Quantenmulden. Aufgrund der Stärke dieses Effekts zeigt der Kernbereich unter dem Kontakt eine erhebliche Zunahme seines Brechungsindexes, wodurch das Licht seitlich begrenzt wird.
• In Fig. 4 wird eine Stirnansicht eines Wellenleiters gemäß der Erfindung gezeigt. Der Wellenleiter ist grundsätzlich so aufgebaut, wie in der perspektivischen Darstellung des beispielhaften Wellenleiters von Fig. 1 gezeigt. Insbesondere ist eine Rippe 41 des Wellenleiters 39 längs der x-Achse ausgerichtet, und sie dient als Kontakt oder Mittel zum Anlegen eines elektrischen Feldes. Die Wachstumsrichtung der Schichten des Wellenleiters ist längs der z-Achse ausgerichtet, woraus sich ergibt, daß die Schichten des Wellenleiters längs einer xy- Ebene ausgerichtet sind. Ebenfalls wie bei dem beispielhaften Wellenleiter 11 von Fig. 1 und dem Kanal-Wellenleiter 21 von Fig. 2 sind der erste und der zweite Mantelbereich 43 und 45 und der Kernbereich 47 durch Epitaxie auf einem n-dotierten GaAs-Substrat 49 ausgebildet. Anders als der Wellenleiter von Fig. 2 ist jedoch der zweite oder obere Mantelbereich 45 gekennzeichnet durch eine Abmessung L in seiner Wachstumsrichtung, die ausreichend groß ist, um zu gewährleisten, daß das abklingende Feld 51 (begrenzt) und 53 (nicht begrenzt) des Lichtstrahles 26 nicht wesentlich mit der Rippe 41 in Wechselwirkung tritt (interagiert).
• Der Fachmann auf dem Gebiet der Photonentechnik wird erkennen, daß das abkimgende Feld des Lichtstrahls 26 nicht die scharf definierte Begrenzungslinie hat, die in Fig. 4 angedeutet ist. Statt dessen breitet sich das abklingende Feld allmählich kegelig zulaufend aus. Die Rippe 41 kann daher zu einem gewissen Grad eine seitliche Begrenzung des Lichstrahls über eine größere Strecke (z. B. Millimeter) bewirken, und die Größe der seitlichen Begrenzung kann eingestellt werden, um Lichtstrahlen in unbegrenzten Zuständen abzutrennen, wenn mehr als ein Wellenleiterkanal in einem einzigen monolithischen Kristallkörper-Wellenleiter realisiert wird. Alternativ oder in Kombination mit der beschränkten seitlichen Begrenzung eines Lichtstrahls, welcher von der Rippe 41 vorgesehen wird, kann der obere Mantelbereich 45 etwas geätzt werden, um die einzelnen Strukturen auf demselben monolithischen Substrat optisch zu trennen. Wenn kein elektrisches Feld angelegt wird, bewirkt dieses leichte Ätzen, daß das zuvor seitlich nicht begrenzte abklingende Feld 53 etwas begrenzt wird, wobei die seitliche Abmessung wesentlich größer als die Rippe 41 oder das begrenzte abkimgende Feld 51 ist. Dadurch wird verhindert, daß Licht von einer gegebenen Vorrichtung mit benachbarten Vorrichtungen interferiert.
• Die Herstellung eines Kanalwellenleiters gemäß der Erfindung ist wesentlich einfacher als die Herstellung des Kanalwellenleiters von Fig. 2. Das Ätzen der Kontaktschicht 67 zum Ausbilden der Rippe 41 wird einfach geteuert, indem ein Ätzmittel verwendet wird, das vorzugsweise GaAs, jedoch nicht die Ummantelung aus AlxGa1-xAs ätzt. Auch erzeugt der Kanalwellenleiter der Erfindung weniger Verluste als der Kanalwellenleiter von Fig. 2, weil erhebliche Teile des abklingenden Feldes nicht mit den rauhen Seitenwänden der Rippe 41 in Wechselwirkung kommen und daher eine geringere Streuung auftritt.
• Das Eindringen eines Lichtstrahls einer geeigneten Wellenlänge in dem Wellenleiter 39 von Fig. 4 längs der x-Achse und in den Bereich des Kerns 47 unmittelbar unter der Rippe 41 (d. h. den Kanal) bewirkt, daß sich das Licht des Strahls 26 längs der x- Achse ausbreitet (senkrecht zu der Zeichenebene von Fig. 4 und aus dieser heraus) Wenn sich das Licht fortpflanzt, erlaubt die Struktur des Wellenleiters 39, daß sich das Licht seitlich (längs der y-Achse) frei ausbreitet, wie durch den gestrichelten Umriß eines nicht begrenzten Strahles 53, der aus dem Wellenleiter austritt, in Fig. 4 gezeigt. Durch Schließen eines Schalters 57 legt eine Spannungsquelle 59 eine Spannung (V) über die p-dotierte Rippe 41 und das n-dotierte GaAs-Substrat 49 an. Die Spannung (V) erzeugt ihrerseits ein elektrisches Feld in der Richtung des Wachstums (z-Achse) über einem ausgewählten Bereich des Kerns 47 unmittelbar unter der Rippe (d. h. dem Kanal). Dieses elektrische Feld bewirkt eine QCSE-Verschiebung in den Quantenmulden unter der Rippe, woraus sich eine Zunahme des Brechungsindexes ergibt und die Ausbreitung des Lichtstrahles 26 längs der y-Achse begrenzt oder der Strahl "seitlich" begrenzt wird.
• Die Anmelderin hat einen Wellenleiter gemäß der Erfindung hergestellt und getestet, welcher in seinem Kern zwei Quantenmulden aufweist, wie bei der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform. Dieser wird mit Bezug auf Fig. 4 erläutert. Zunächst wurde ein n-dotierter 0,25 Mikrometer (µm) dicker GaAs-Puffer (nicht gezeigt) mittels Epitaxie auf dem n-dotierten GaAs-Substrat 49 ausgebildet. Dem folgte der untere oder zweite Mantelbereich 43, der aus einer 1 µm dicken undotierten Schicht aus Al0,4Ga0,6As bestand. Ein 0,5 µm dicker Kernbereich 47 wurde epitaktisch ausgebildet, der aus einer 0,235 µm dicken Schicht 61 aus Al0,3Ga0,7As, einer 100 Å dicken GaAs-Schicht 62 (Quantenmulde), einer 100 Å dicken Schicht 63 aus Al0,3Ga0,7As einer weiteren 100 Å dicken GaAs-Schicht 64 (Quantenmulde) und einer 0,235 µm dicken Schicht 65 aus Al0,3Ga0,7As bestand. Dem folgte eine 1 µm dicke Schicht aus Al0,4Ga0,6As für den Mantelbereich 45, der abgedeckt wurde mit einer 0,1 µm dicken p-dotierten (p&asymp;8 x 10¹&sup8;cm&supmin;³)GaAs-Schicht 67. Mittels konventioneller Ätzverfahren wurde die Kontaktschicht 67 geätzt, um die Rippe 41 zu bilden. Anstelle der Herstellung der Rippe 41 mittels Epitaxie einer zusätzlichen Schicht aus GaAs, kann die Rippe alternativ aus einer Metallisierungsschicht mittels photolithographischer Standardverfahren hergestellt werden. Zur Zeit ist die Herstellung der Rippe aus der Epitaxieschicht wesentlich einfacher, und daher wird diese Vorgehensweise gegenüber der Herstellung der Rippe aus einer metallisierten Schicht bevorzugt.
• Die idealisierten Spektren (d. h. die Wellenlängen von 0,81 bis 0,89 µm) der Graphen in den Figuren 5a-5c zeigen die Absorptions- und Brechungseigenschaften eines Quantenmuldenkerns in einem Kristallkörper-Wellenleiter, dessen Kernstruktur und Abmessungen im wesentlichen gleich den Abmessungen des Kerns sind, der von der Anmelderin hergestellt und getestet wurde. Diese idealisierten Spektren werden insbesondere von Daten abgeleitet, welche für einfallendes Licht mit TM- und TE-Polarisation und ein elektrisches Feld von 9,3 x 10&sup4; Volt/Zentimeter berichtet wurden. Diese Daten sind angegeben in Zucker etal., "Electro-Optic Phase Modulation In GaAs/AlGaAs Quantum Well Waveguides", Applied Physics Letters, Band 52, Nr. 12, 21. März 1988, Seiten 945-947.
• Aus einer Analyse der optischen Eigenschaften des Quantenmuldenkern-Wellenleiters, der mit den Spektren der Figuren 5a bis 5c vorgesehen wird, wählte die Anmelderin eine Wellenlänge von 0,87 µm für einen Lichtstrahl, der in den erfindungsgemäß hergestellten Wellenleiter eingebracht werden sollte.
• Fig. 5a zeigt die Differenz &Delta;n des Brechungsindexes des Quantenmuldenkerns, wenn kein elektrisches Feld vorliegt, und den Index, wenn das elektrische Feld (9,3 x 10&sup4; V/cm) angelegt wird. Damit man die Differenz An besser sehen kann, wurde die Skala der Abszisse in Fig. 5a um 10&sup4; vergrößert. Bei einer Wellenlänge von 0,87 µm, hat An einen Wert von ungefähr 0,5 x 10&supmin;&sup4;. Wenn man kurz die Figuren 5b und 5c betrachtet, sieht man, daß die Absorption (&alpha;) bei einer Wellenlänge von 0,87 µm niedrig ist, wenn kein elektrisches Feld angelegt wird (Fig. 5b) und daß es praktisch keine Absorptionsänderung (&Delta;&alpha;) bei dieser Wellenlänge gibt, ob nun ein elektrisches Feld (9,3 x 10&supmin;&sup4;) V/cm angelegt wird oder nicht, wie in Fig. 5c gezeigt. Bei vielen Anwendungen der Vorrichtung soll mit einer minimalen Absorption gearbeitet werden. Durch Auswählen von 0,87 µm als eine Wellenlänge hat die Anmelderin herausgefunden, daß eine ausreichende Änderung des Brechungsindexes erreicht wurde, um eine seitliche Begrenzung zu gewährleisten, während gleichzeitig die Eigenschaften der minimalen Absorption beibehalten wurden. Wie man aus den Spektren der Figuren 5a bis 5c erkennt, entsprechen die größten Änderungen des Brechungsindexes (&Delta;n) großen Absorptionswerten (&alpha;) und/oder großen Änderungen (&Delta;&alpha;) bei der Absorption zwischen Zuständen ohne und mit angelegtem Feld. Wellenlängen, bei denen An die größten relativen Werte hatte, sind daher nicht praktikabel, wenn niedrige Verlusteigenschaften wichtig sind.
• Bei dem von der Anmelderin aufgebauten Wellenleiter war der Füllfaktor &Gamma; erheblich größer als der der Vorrichtung, welche bei Zucker et al. zum Sammeln von Daten verwendet wurde. Der Füllfaktor &Gamma; spezifiziert den Bruchteil der optischen Leistung, welcher durch die Quantenmuldenschichten fließt, im Vergleich zum Rest des Wellenleiterkerns. Da der Wellenleiter der Anmelderin einen größeren Füllfaktor als der von Zucker et al. getestete Wellenleiter hatte, waren die Änderungen des Brechungsindexes (&Delta;n), gemittelt über den Kern, bei der Anmelden größer, obwohl die Abmessungen der Quantenmulden ungefähr gleich waren und das angelegte elektrische Feld ungefähr dieselbe Größe hatte. Da die Quantenmulden bei dem Kern der Anmelderin etwa so dimensioniert sind wie bei Zucker et al., kann der Wert, der von Zucker et al. für die Änderung des Brechungsindexes pro Quantenmulde (&Delta;nQW) gemessen wurde, für den Kern der Anmelderin verwendet werden. Bei einer Wellenlänge von 0,87 µm geben die Daten von Zucker et al. an, daß &Delta;nQW ungefähr gleich 8 x 10&supmin;³ ist. Für den Wellenleiter der Anmelderin wird geschätzt, daß der Füllfaktor &Gamma; ungefähr gleich 200 Å/5000 Å oder 4 x 10&supmin;² ist. Um die Änderung des Brechungsindexes (&Delta;n) bei einer Wellenlänge von 0,87 µm zu finden, wird folgende Gleichung gelöst:
• &Delta;n = &Delta;nQW &Gamma; = 3,2 x 10&supmin;&sup4;
• In den Figuren 6a und 6b sieht man, daß der vorstehende Wert der Differenz des Brechungsindexes (&Delta;n) bei einer Wellenlänge von 0,87 µm ausreichend ist, um eine starke seitliche Begrenzung vorzusehen, wie durch den idealisierten begrenzten Lichtstrahl 51 in Fig. 6a angegeben, welche die Begrenzung zeigen soll, die von der Anmelderin bei dem gemäß der Erfindung hergestellten Wellenleiter beobachtet wurde. Ohne das angelegte elektrische Feld konnte man beobachten, daß sich das Licht längs der y-Achse ausbreitet, wie durch den idealisierten unbegrenzten Lichtstrahl in Fig. 6b gezeigt. Anders als der lineare elektrooptische Kerreffekt in den Kernen von massivem Material trat die seitliche Begrenzung des Lichtstrahls sowohl für die TM- als auch für die TE-Polarisation auf. Man nimmt daher an, daß eindeutig die Quantenmulden-Strukturen in dem Kern und der QCSE für die beobachtete seitliche Begrenzung des Lichtstrahles verantwortlich sind.
• Eine vollständig neue Familie von Vorrichtungen basierend auf den Wellenleitern gemäß der Erfindung ist denkbar, deren einfachstes Bestandteil ein Intensitätsmodulator ist, der zwischen zwei Lichtleitkabeln 71 und 73 eingefügt wird, wird in Fig. 7 gezeigt. Auf herkömmliche Weise wird das stark begrenzte Licht in dem Lichtleit-kabel 71 in ein Ende eines Wellenleiters 75 eingekoppelt, der gemäß den Grundsätzen der Erfindung hergestellt ist. Am anderen Ende des Wellenleiters 75 ist das zweite Lichtleitkabel 73 zu einer Rippe 77 ausgerichtet und mit dieser ebenfalls auf herkömmliche Weise verbunden. Die Schnittstellen zwischen dem Wellenleiter 75 und den Lichtleitkabeln 71 und 73 bilden einen Eingang bzw. einen Ausgang für den Modulator, der mit dem Wellenleiter aufgebaut wird.
• Licht von der Faser 71 wird mit dem Intensitätsprofil des Lichtes, welches in Fig. 7 bei "A" angegeben ist, in den Wellenleiter 75 eingekoppelt. Wenn keine Spannung an den Kontakt oder die Rippe 77 über ein Kontaktfeld 79 angelegt wird, breitet sich das Licht relativ zu der Hauptrichtung des Strahls seitlich aus, während dieser sich durch den Wellenleiter 75 fortpflanzt. Die Ausbreitung des Lichtes ist durch die Wellenleitermoden-Intensitätsprofile dargestellt, welche als gestrichelte Kurven "B" und "C" gezeigt sind. Bis das Licht die zweite oder Ausgangsfaser 73 erreicht, hat sich das Licht seitlich ausgebreitet, und nur ein sehr geringer Teil des Lichts wird in die Ausgangsfaser gekoppelt. Wenn eine Spannung zwischen der Rippe 77 und dem Substrat des Wellenleiters (s. Fig. 4) über den Kontakt 79 angelegt wird, wird das Licht jedoch unter dem leitenden Streifen seitlich begrenzt, und ein nutzbarer Teil des Lichtes wird in die Ausgangsfaser 73 gekoppelt. Mit "nutzbarer Teil" meint die Anmelderin, daß ausreichend Licht in die Ausgangsfaser eingekoppelt wird, so daß die in dem Licht enthaltene Information bei dem Ausgang noch vorliegt. Die seitliche Begrenzung des Lichtstrahles wird durch die Intensitätsprofile dargestellt, die als durchgezogene Kurven "D" und "E" gezeigt sind. Ein Detektor 81 bekannter Bauart, der am Ausgang der zweiten Faser sitzt, sieht somit, daß sich die Intensität des Lichtes mit der an die Rippe 77 des Wellenleiters 75 angelegten Spannung ändert.
• Das in Fig. 7 gezeigte Element ist, obwohl es als ein Intensitätsmodulator für Übertragungen von Faser zu Faser sehr brauchbar ist, für den Einsatz in einer monolithischen optischen Schaltung mit mehreren Komponenten nicht besonders geeignet. Eine geringe Modifikation der Einrichtung von Fig. 7 macht diese jedoch zu einem wichtigen Bauelement für integrierte Optiken. Insbesondere werden die extern angeschlossenen Lichtleitkabel durch seitlich begrenzte Wellenleiter 83 und 85 ersetzt, wie in Fig. 8 gezeigt. Der Eingangs- und der Ausgangsleiter 83 bzw. 85 können seitlich begrenzende Wellenleiter gemäß der Erfindung sein, wobei ununterbrochen eine Gleichspannung an Kontaktfelder 87 und 89 angelegt wird. Die Eingangs- und Ausgangskanalwellenleiter 83 und 85 können alternativ durch Ätzen von Rippen 91 und 93 in die Ummantelung gemäß der Lösung nach dem Stand der Technik, welche in Fig. 2 gezeigt ist, hergestellt werden. In jedem Fall dient der mittlere Wellenleiter 95 als ein optischer Modulator, der auf dieselbe Weise Licht von seinem Eingang zu seinem Ausgang koppelt, wie dies in Verbindung mit dem Wellenleiter von Fig. 7 erörtert wurde, wenn eine Spannung an das Kontaktfeld 97 angelegt wird. Wenn eine Spannung an das Kontaktfeld 97 angelegt wird, bewirkt eine Rippe 98, daß ein elektrisches Feld an den Kern angelegt wird, was wiederum eine Änderung des Brechungsindexes bewirkt, und das Licht breitet sich mit einem Intensitätsprofil aus, das durch die Wellenformen "A", "D", "E" und "F" angedeutet ist. Wenn das elektrische Feld entfernt wird, breitet sich das Licht seitlich aus, wie durch die Intensitätsprofile "B" und "C" angedeutet ist, die gepunktet dargestellt sind. Ein derartiger Modulator, der in Fig. 8 gezeigt, kann auf einem einzigen optischen Chip wiederholt vorgesehen werden, wobei er sich sehr gut für die optische Integration eignet.
• Kompliziertere Geräte können ebenfalls mit dem Wellenleiter gemäß der Erfindung aufgebaut werden. Ein Richtungsschalter 99, welcher die Erfindung enthält, ist z. B. in Fig. 9 gezeigt. In diesem Bauteil kann ein Wellenleiter 101 entweder gemäß der Erfindung oder gemäß der Lösung nach dem Stand der Technik, welcher in Fig. 2 gezeigt ist, hergestellt werden. Der Wellenleiter 101 dient als der Eingang für die Verbindungsstelle 103 der Y-Verzweigung des Schalters 99. Wenn der Wellenleiter 101 gemäß der Erfindung hergestellt wird, wird eine statische Gleichspannung an ein Kontakt-feld 105 einer Rippe 107 angelegt, um die seitliche Begrenzung eines Lichtstrahls aufrechtzuerhalten, welcher durch das Intensitätsprofil "A" dargestellt ist. Jeder Arm der Y-Verzweigung besteht jedoch aus einem Wellenleiter 109 oder 111, welcher gemäß der Erfindung hergestellt ist. Die Richtung, falls eine solche vorliegt, welcher das Licht in einem der Arme der Y-Verzweigung folgt, wird dadurch bestimmt, daß bei einem der Kontakte 113 bzw. 115 der Wellenleiter 109 oder 111 eine Spannung angelegt wird. Wenn z. B. eine Spannung an das Kontakt-feld 113 und nicht an das Feld 115 angelegt wird, wandert das Licht längs des Eingangswellenleiters 101, wie durch die Wellenform "A" angegeben, und in den Wellenleiter 109, wie durch die Wellenform "B" angegeben. Dieser Richtungsschalter 99 kann entweder mit Lichtleitfasern (nicht gezeigt) arbeiten, welche an den Enden befestigt sind, oder er kann Teil einer größeren monolithischen integrierten optischen Schaltung sein, in der viele Richtungsverzweigungen untergebracht sind.
• Eine andere Einrichtung, die unter Anwendung der Erfindung hergestellt werden kann, ist eine Feld-induzierte Linse mit einer spannungsgesteuerten variablen Brennweite. Fig. 10 zeigt eine derartige Einrichtung. Licht, welches auf diese Einrichtung auftrifft, kann entweder aus einem seitlich begrenzten Leiter oder einem nicht begrenzten Kristallkörper-Wellenleiter (nicht gezeigt) stammen. Eine Reihe von Bögen 117 bis 119 dient als die Kontakte oder Mittel zum Anlegen eines elektrischen Feldes. Jeder der Bögen 117 bis 119 ist einzeln mittels Kontaktfelder (nicht gezeigt) adressierbar, um das Licht auf die gewünschte Art zu formen. Die Bögen 117, 118 und 119 werden auf dieselbe, gut bekannte Art ausgebildet, wie die Rippen in den Figuren 7 bis 9 (d. h. konventionelle Photolithographie- und Ätztechniken), abgesehen davon, daß ihre Form offensichtlich anders ist- als die der Rippen. Jeder der Bögen 117, 118 und 119 bewirkt, daß ein elektrisches Feld an ein ausgewähltes Gebiet des Kembereiches des Wellenleiters angelegt wird. Das elektrische Feld weist mit- einer gekrümmten Front zu einem Lichtstrahl, der sich in einer Richtung und längs eines Pfades ausbreitet, welcher in Fig. 10 grundsätzlich als gestrichelte Linien 121a und 121b dargestellt ist. Die Krümmung jedes Bogens 117 bis 119 und sein zugeordnetes gekrümmtes elektrisches Feld erzeugen eine Änderung des Brechungsindexes, die sich längs der Seiten des Strahls krümmt, wodurch das Licht wie bei einer Linse gebrochen wird.
• Durch Anlegen einer anderen Spannung an jeden Bogen ist die effektive Änderung des Brechungsindexes innerhalb des Teils des Kembereiches des Wellenleiters unmittelbar unter dem Bogen anders als in den benachbarten Bereichen, wodurch die optische Weglänge für jeden Teil der optischen Wellenfront unterschiedlich beeinflußt wird. Der Brennpunkt der Linse kann z. B. dynamisch vom Punkt A zu Punkt B in Fig. 10 verschoben werden, indem die an die Kontakt-felder angelegten Spannungen geändert werden. Dieser Effekt macht eine Steuerung des Brennpunktes des Lichtes in dem Wellenleiter mit einem elektrischen Feld möglich. Umgekehrt können unter Ausnutzung derselben Grundsätze, welche einen variablen Brennpunkt ermöglichen, die Bögen 117 bis 119 so geformt werden, daß das Licht divergiert. Durch Steuern der an die Bögen angelegten Spannung kann der Grad der Divergenz präzise kontrolliert werden.
• Die hier erörterten und in den Figuren 7 bis 10 gezeigten Einrichtungen sind sicher keine erschöpfende Liste von Einrichtungen und Bauelemente, die aus der Erfindung abgeleitet werden können. Der Fachmann auf dem Gebiet der Photoneneinrichtungen wird erkennen, daß viele andere aktive Einrichtungen realisiert werden können, abhängig von den speziellen Bedürfnissen einer Anwendung.
• Zusammenfassend kann festgehalten werden, daß erfindungsgemäß hergestellte Wellenleiter wesentlich leichter verarbeitet werden können, weil die Anforderungen an das Ätzen weniger streng sind als bei Vorrichtungen nach dem Stand der Technik. Ferner kann man davon ausgehen, daß die Verluste der Wellenleiter gemäß der Erfindung erheblich niedriger sind, als bei Wellenleitern mit geätzen Rippen, weil die Felder der Wellenleitermoden von der geätzten Kontaktrippe weit entfernt sind. Schließlich können Einrichtungen gemäß der Erfindung in Verbindung mit Wellenleitern mit geätzten Rippen verwendet werden und/oder diese ersetzen, und es werden, wie hier erörtert, neue Bauteilstrukturen möglich. Die Anmelderin erwartet, daß Wellenleiter gemäß der Erfindung für viele Anwendungen eingesetzt werden, woraus sich eine ganze Familie von Photonenbauteilen ergibt, welche eine wichtige Rolle beim Einsatz von integrierten Optiken für die Informationsverarbeitung und dergleichen spielen werden.

Claims (17)

1. Optisches Wellenleiter-Halbleiterelement (39) zum Leiten von Licht von einem Lichtstrahl, mit

einem ersten Mantelbereich (43),

einem zweiten Mantelbereich (45),

einem Kern (47) zum Empfangen des Lichtstrahls (51), der zwischen dem ersten und dem zweiten Mantelbereich liegt und mindestens eine Quantenmulden-Struktur aufweist,

wobei der erste und der zweite Mantelbereich eine derartige Form und Abmessungen haben, welche es dem Licht des Lichtstrahles erlauben, sich relativ zu einer Hauptrichtung des Strahles seitlich (53) auszubreiten, wenn der Lichtstrahl durch den Kern geht, und mit

einer Vorrichtung zum Anlegen eines elektrischen Feldes (41) in einem ausgewählten Bereich des Kernes, um das Licht des Lichtstrahles seitlich auf den ausgewählten Bereich einzuschränken.

2. Optisches Wellenleiter-Halbleiterelement nach Anspruch 1, bei dem der erste (43) und der zweite (45) Mantelbereich und der Kern (47) Mischungen aus Elementen der Gruppe III und der Gruppe V sind.

3. Optisches Wellenleiter-Halbleiterelement nach Anspruch 1, bei dem der erste (43) und der zweite (45) Mantelbereich und der Kern (47) Mischungen aus Elementen der Gruppe II und der Gruppe VI sind.

4. Optisches Wellenleiter-Halbleiterelement nach Anspruch 2, bei dem der erste (43) und der zweite (45) Mantelbereich AlxGa1-xAs aufweisen, wobei x kleiner als 1 ist.

5. Optisches Wellenleiter-Halbleiterelement nach Anspruch 4, bei dem der Kern (47) alternierende Schichten aus AlzGa1-z As und AlyGa1-yAs aufweist, wobei z < y &le; x.

6. Optisches Wellenleiter-Halbleiterelement nach Anspruch 5, bei dem der Kern (47) alternierende Schichten aus GaAs und AlyGa1-yAs aufweist, wobei z gleich 0 ist.

7. Optisches Wellenleiter-Halbleiterelement nach Anspruch 1, bei dem die Vorrichtung zum Anlegen eines elektrischen Feldes (41) eine Rippe aufweist, die auf dem ersten oder dem zweiten Mantelbereich ausgebildet ist, und ein Substrat aufweist, das mit dem jeweils anderen Mantelbereich in Kontakt ist.

8. Optisches Wellenleiter-Halbleiterelement nach Anspruch 7, bei dem die Rippe (41) durch Epitaxie einer Materialschicht auf dem ersten oder dem zweiten Mantelbereich und Ätzen aus gewählter Gebiete der Schicht gebildet wird, um die Rippe zu definieren.

9. Optisches Halbleiterelement nach Anspruch 1, bei dem die Rippe oder das Substrat aus p-dotiertem GaAs besteht und die jeweils andere Komponente aus n-dotiertem GaAs besteht.

10. Vorrichtung (75), welche das optische Wellenleiter-Halbleiterelement nach Anspruch 1 aufweist, mit folgender Merkmalskombination:

dem optischen Wellenleiter-Halbleiterelement nach Anspruch 1,

einer Eingabeeinrichtung (71) zum Zuführen des Licht strahls zu dem Kern,

mindestens einer Ausgabeeinrichtung (73) zum Empfangen des Strahls, nachdem er sich durch das optische Halbleiterelement ausgebreitet hat,

und Mitteln zum Modulieren des elektrischen Feldes (79), um die Lichtintensität des Lichtstrahls, welcher von der mindestens einen Ausgabeeinrichtung empfangen wird, zu verändern.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der die Eingabe- und die Ausgabeeinrichtung optische Fasern sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der die Eingabe- und die Ausgabevorrichtung Halbleiter-Wellenleiter sind, welche aus einem Teil einer monolitischen Struktur hergestellt sind, die das optische Halbleiterelement umfaßt.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, bei der jede Ausgabeeinrichtung ein optisches Halbleiterelement nach Anspruch 1 ist und die Vorrichtung Mittel zum Modulieren des elektrischen Feldes der Ausgabeeinrichtungen aufweist, um den Lichtstrahl vorzugsweise zu einer oder mehreren der Ausgabeeinrichtungen zu leiten.

14. Vorrichtung mit mehr als einem optischen Wellenleiter-Halbleiterelement (91, 93, 95) nach Anspruch 1, bei der die Vorrichtung zusätzlich

ein monolitisches Substrat und

Mittel zum optischen Trennen (87, 89, 97) jedes der optischen Halbleiterelemente von allen anderen Elementen auf dem Substrat in einer zu der Hauptrichtung des Strahls in diesem Element seitlichen Richtung aufweist.

15. Optisches Wellenleiter-Halbleiterelement nach Anspruch 1, bei dem die Mittel zum Anlegen eines elektrischen Feldes (51) so gestaltet sind, daß sie ein elektrisches Feld in dem Kern (47) erzeugen, daß als eine Linse in einer relativ zu der Hauptrichtung des Lichtstrahls seitlichen Richtung auf das Licht einwirkt.

16. Optisches Wellenleiter-Halbleiterelement nach Anspruch 15, bei dem die Mittel zum Anlegen eines elektrischen Feldes (41) so gestaltet sind, das sie ein elektrisches Feld erzeugen, welches bewirkt, daß das Licht des Lichtstrahls in einem Brennpunkt konvergiert.

17. Optisches Wellenleiter-Halbleiterelement nach Anspruch 16, bei dem das elektrische Feld eine Vielzahl von diskreten elektrischen Feldern umfaßt und Mittel zum Modulieren jedes der diskreten elektrischen Felder vorgesehen sind, um die Position des Brennpunkts einzustellen.