DE4142340A1 - Optoelektronischer ic - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen optoelektronischen IC, insbesondere einen IC für einfache Chip-Faser-Kopplung in opti­ schen Kontrollelementen.

In Übertragungsstrecken der optoelektronischen Nachrichtentech­ nik besteht die Aufgabe, optische Halbleiterbauelemente mit zwei Chip-Faser-Kopplungen, wie zum Beispiel optische Modula­ toren, Schalter und Verstärker, an Glasfaserwellenleiter anzu­ koppeln. Insbesondere optische Verstärker benötigen Chip-Faser- Kopplungen, die reproduzierbar hohe Koppelwirkungsgrade gepaart mit geringster Rückreflexion aufweisen.

In der Veröffentlichung von R. Boudreau et. al. in Electronics Letters 27, 1845-1846 (1991) wird die beidseitige Ankopplung von Glasfasern an optische Verstärker beschrieben. Die Fasern müssen mit Toleranzen im Bereich unter 1 µm bezüglich der Ver­ stärkerwellenleiter ausgerichtet werden. Insbesondere muß die Lage der zuerst justierten Faser auch beim Ausrichten der zwei­ ten Faser aufrechterhalten werden.

In einem Beitrag zur 16. European Conference of Optical Commu­ nication 1990 (ECOC '90), Seite 247-250, von Y. Tamura et. al. wird ein Verstärkermodul beschrieben, das einen optischen Zirkulator enthält.

In der Veröffentlichung von I. Cha et. al. in Electronics Let­ ters 25, Seiten 242-243 (1989) wird ein optischer Verstärker mit einer zur Entspiegelung vergrabenen Wellenleiterendfläche beschrieben.

In der Veröffentlichung von P. J. Duthie in Electronics Let­ ters 27, S. 1747-1748 (1991) wird eine 4x4-Schaltmatrix mit Richtkopplern beschrieben, die über kreisförmige Bögen mit 15 bis 20 mm Radius verbunden sind.

In der Veröffentlichung von N. Bar-Chaim wird eine Aluminium- Gallium-Arsenid-Laserdiode mit Quantum-well-Struktur mit Halb­ ringgeometrie beschrieben.

In der Veröffentlichung von T. L. Koch et. al. in Photon. Technol. Letters 2, S. 88-90 (1990) wird eine Laserdiode mit Mehrfach-quantum-well-Struktur im System Indium-Gallium-Arse­ nid/Indium-Gallium-Arsenid-Phosphid mit getapertem Wellenlei­ ter beschrieben.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung es ist, einen optoelektro­ nischen IC, insbesondere zur Kopplung mit Glasfasern, anzuge­ ben, bei dem die Ankopplung und Justage von mindestens zwei Glasfasern einfach realisierbar ist.

Diese Aufgabe wird mit dem optoelektronischen IC mit den Merk­ malen des Anspruches 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Bei dem erfindungsgemäßen IC ist ein Wellenleiter W vorhanden, dessen Enden zu derselben Lichtein-/austrittsfläche B führen. Die für den Lichteintritt vorgesehene Seitenfläche des IC′s ist daher auch für den Lichtaustritt zu verwenden und ist mit einer Entspiegelung, zum Beispiel einer Entspiegelungsschicht, versehen. Die Glasfasern, die an den IC angeschlossen werden sollen, können daher an derselben Seitenfläche des IC′s ange­ koppelt werden. Wird der IC auf einem Subträger S montiert, so kann dieser Subträger S mit grabenartigen Einschnitten V zur Aufnahme und Fixierung von Glasfasern G versehen sein. Es ist daher eine einfache und leicht in großen Stückzahlen reprodu­ zierbare Justierung der anzukoppelnden Glasfasern möglich.

Es folgt eine Beschreibung des erfindungsgemäßen IC′s anhand der Fig. 1 bis 7.

Fig. 1 zeigt einen IC mit einem in zwei Bögen geführten Wel­ lenleiter.

Fig. 2 zeigt einen IC mit einem in drei Bögen geführten und verzweigten Wellenleiter.

Fig. 3 zeigt in einem Diagramm mögliche Krümmungsradien für den Wellenleiterbogen in Abhängigkeit von der Dicke des Wellenleiters, dessen Breite und dem verwendeten Material.

Fig. 4 zeigt einen auf einem Subträger montierten IC mit an­ gekoppelten Glasfasern in perspektivischer Ansicht.

Fig. 5 zeigt einen IC, der bis auf eine Kreuzung des Wellen­ leiters dem IC der Fig. 2 entspricht.

Fig. 6 zeigt einen erfindungsgemäßen IC als 4×4-Schaltma­ trix.

Fig. 7 zeigt einen IC mit zwei Umlenkspiegeln.

In Fig. 1 ist in einer schrägen Aufsicht auf die Oberfläche von der Seite der Lichtein-/austrittsfläche B aus gesehen ein erfindungsgemäßer IC mit zweifach gekrümmtem Wellenleiter W dargestellt. In diesem Wellenleiter befinden sich ein Verstär­ ker A und in beiden Bögen je ein Modulator M. Hier und im fol­ genden kann anstatt der Verstärker(schalter) jeweils ein Modu­ lator oder ein Richtkoppler angeordnet sein. Das mittlere Ende des Wellenleiters ist für den Lichteintritt und die beiden an den Seiten befindlichen Enden für den Lichtaustritt vorgesehen (mit Pfeilen angedeutet). Der Radius R des Wellenleiterbogens ist ebenfalls eingezeichnet. In Fig. 2 ist ein entsprechender Wellenleiter mit drei Bögen, und daher vier Wellenleiterenden, von denen zwei für den Lichteintritt und zwei für den Lichtaus­ tritt vorgesehen sind, dargestellt. In dem Wellenleiter der Fig. 2 befinden sich vier Verstärker A. Die Anordnung nach Fi­ gur 1 bildet eine 1×2-Matrix mit optischer Weiche in Form einer y-Gabel. Die Anordnung von Fig. 2 bildet eine 2×2-Ma­ trix, bei der ein kreuzungsfreier Aufbau der Matrix möglich ist. Zur Verbesserung der Kopplung zwischen den Glasfasern, die an den IC angeschlossen werden sollen, und dem IC kann ein Wellenleiter-taper wie in der Veröffentlichung von T. L. Koch et. al. beschrieben jeweils an den Einmündungen des Wellenlei­ ters W in die Lichtein-/austrittsfläche B angeordnet werden. Der Wellenleiter kann auch jeweils wie in der Veröffentlichung von I. Cha et. al. beschrieben ein kurzes Stück vor der Licht­ ein-/austrittsfläche B des IC′s enden, und die Endfläche kann mit einer dielektrischen Schicht entspiegelt sein.

Die gekrümmten Bereiche (Bögen) des Wellenleiters W sind vor­ zugsweise als vergrabene Heterostruktur (BH) ausgeführt. Be­ sonders geeignet zur Führung des Lichtes in gekrümmten Wellen­ leiterbereichen sind optische Modulatoren (wie in den Figuren gezeigt) oder elektrisch gepumpte optische Verstärker mit BH- Struktur, weil deren Wellenleiterkern einen besonders hohen Brechungsindex im Vergleich zum umgebenden Halbleitermaterial aufweist. Die hieraus resultierende relativ starke Wellenfüh­ rung bewirkt besonders geringe Strahlungsverluste, die andern­ falls wegen der Krümmung auftreten könnten. Fig. 3 enthält ein Diagramm mit dem Ergebnis einer Berechnung des Radius R eines halbkreisförmigen Wellenleiterbogens in Abhängigkeit von der Dicke D dieses Wellenleiters, wobei für die Kurvenschar als Parameter die Breite d und die Materialzusammensetzung (Wellen­ länge der Bandkante) gewählt wurden. Dabei wurde ein Wellenlei­ terkern aus Indium-Gallium-Arsenid-Phosphid, der in Indium-Phos­ pid eingebettet ist, zugrundegelegt. Aus dem Diagramm ist zu erkennen, daß für maximal zugestandene Abstrahlverluste von 0,1 cm^-1 ein Radius R von weniger als 1 mm möglich ist. Statt der berechneten Indium-Gallium-Arsenid/Indium-Phosphid-BH-Struk­ tur kann die erfindungsgemäße Anordnung auch Quantum-well- Schichten enthalten, einen Stegwellenleiter aufweisen oder Ma­ terialkomponenten aus Aluminium-Gallium-Arsenid, Inidum-Gal­ lium-Arsenid oder Gallium-Arsenid enthalten.

Fig. 4 zeigt schematisch eine perspektivische Aufsicht auf einen erfindungsgemäßen optoelektronischen IC mit einem Sub­ träger S, auf dem mindestens zwei faserförmige Lichtwellenlei­ ter (Glasfasern) montiert sind. Die elektrische Ansteuerung des IC′s erfolgt über die Kontakte K, K1, K2, K3 und K4. Der Subträger S besteht beispielsweise aus Silizium und enthält zwei grabenartige Einschnitte V mit vorzugsweise V-förmigem Querschnitt zur Ausrichtung der Glasfasern G zueinander.

Das von der einen Glasfaser G in den Wellenleiter eingekoppel­ te Licht wird in einem Bogen durch den IC zu der anderen Glas­ faser G geführt, wobei der Umlenkwinkel 180° beträgt. Der Vor­ teil der erfindungsgemäßen Anordnung liegt darin, daß sowohl der Abstand der beiden Enden des Wellenleiters W an der Licht­ ein-/austrittsfläche B des lC′s als auch der Abstand der bei­ den Glasfasern G mit hoher Genauigkeit eingehalten werden kön­ nen. Hierdurch wird die Zahl der Justierfehler zur Kopplung zwischen IC und Glasfaser bei der Herstellung deutlich redu­ ziert. Der Aufwand zur Kopplung zwischen Eingangs- und Aus­ gangsglasfaser und dem IC wird daher bei dem erfindungsgemäßen IC wesentlich reduziert, da Eingangswellenleiter und Ausgangs­ wellenleiter auf derselben Chipendfläche liegen. Das gilt ins­ besondere, wenn mehr als zwei Glasfasern angeschlossen werden sollen. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung liegt darin, daß der Flächenbedarf des IC′s reduziert wird durch besonders niedrige Krümmungsradien für die Wellenleiter, die durch die starke Wellenführung in vergrabenen Hydrostruk­ turen ermöglicht werden.

Fig. 5 zeigt einen erfindungsgemäßen IC entsprechend der An­ ordnung von Fig. 2, bei der der Wellenleiter allerdings einen Kreuzungspunkt aufweist. Diese Anordnung einer 2×2-Schaltma­ trix hat gegenüber der Anordnung der Fig. 2 den Vorteil, daß die Wellenleiterenden die an der Lichtein-/austrittsfläche mün­ den näher beieinander liegen und damit die Breite des IC′s ge­ ringer gehalten werden kann. Die Enden des Wellenleiters W sind in diesem Ausführungsbeispiel der Fig. 5 durch zweidi­ mensionale Taper T gebildet. Damit wird der im Vergleich zu dem im IC verlaufenden Wellenleiter größere Querschnitt der anzukoppelnden Glasfasern an diesen geringeren Querschnitt des Wellenleiters angepaßt.

Fig. 6 zeigt einen erfindungsgemäßen IC als 4×4-Schaltma­ trix, wobei in der Figur Verstärkerschalter A eingezeichnet sind, die jeweils durch einen Modulator oder einen Richtkoppler ersetzt sein können. Die Teilanordnungen, die mit einem ge­ strichelten Rechteck abgegrenzt sind, bilden jeweils eine 2×2-Schaltmatrix.

Bei dem in Fig. 7 dargestellten IC ist der Bogen des Wellen­ leiters durch einen geraden Anteil mit einem darin enthaltenen Verstärker A und zwei Umlenkspiegel U ersetzt. Diese Umlenk­ spiegel U bewerkstelligen jeweils eine Richtungsänderung um näherungsweise 90°. Als Wellenleiterenden, die an der Licht­ ein-/austrittsfläche B münden, sind wieder zweidimensionale Taper T eingesetzt. Der Umlenkwinkel der Umlenkspiegel U kann allerdings auch von 90° abweichen, womit man eine von der Senkrechten auf die Lichtein-/austrittsfläche B um den Winkel C abweichende Richtung eines oder beider Wellenleiterenden er­ reicht. Alternativ ist es möglich, mehr als zwei Umlenkspiegel einzusetzen. Eine V-förmige Anordnung erhält man, indem man zwei geradlinige Abschnitte des Wellenleiters an einem Umlenk­ spiegel, der praktisch eine Rückreflexion der Strahlung be­ wirkt, enden läßt. Es ist auch möglich, zwischen zwei Bögen, die eine Richtungsänderung des Wellenleiters um 90° bewirken, einen geradlinigen Abschnitt des Wellenleiters anzuordnen. Kombinationen sind ebenfalls denkbar, zum Beispiel ein 90°-Bo­ gen auf einer Seite und ein Umlenkspiegel für eine Richtungs­ änderung um 90° auf der anderen Seite. Ebenso ist für die Aus­ gestaltung der Entspiegelung der Lichtein-/austrittsfläche B eine Vielzahl von Möglichkeiten gegeben, von denen ein Entspie­ gelungsschicht besonders vorteilhaft erscheint.

Claims (9)

1. Optoelektronischer IC mit einer Lichtein-/austrittsfläche (B), die mit einer Entspiegelung versehen ist, und mit einem Wellenleiter (W), von dem mindestens zwei Enden an diese Licht­ ein-/austrittsfläche geführt sind.

2. IC nach Anspruch 1, bei dem die Richtungsänderung des Wel­ lenleiters (W), die erforderlich ist, um die Enden des Wellen­ leiters (W) zu der Lichtein-/austrittsfläche (B) zu führen, durch mindestens einen Bogen im Wellenleiter (W) bewirkt ist.

3. IC nach Anspruch 1, bei dem die Richtungsänderung des Wel­ lenleiters (W), die erforderlich ist, um die Enden des Wellen­ leiters (W) zu der Lichtein-/austrittsfläche (B) zu führen, durch mindestens einen Umlenkspiegel (U) bewirkt ist.

4. IC nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem ein Subträger (F) vorhanden ist und dieser Subträger (F) grabenartige Ein­ schnitte (V) zur Fixierung von Glasfasern (G) im Abstand der an die Lichtein-/austrittsfläche führenden Enden des Wellen­ leiters (W) aufweist.

5. IC nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der Wellenlei­ ter (W) in vergrabener Heterostruktur ausgeführt ist.

6. IC nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der Wellenlei­ ter (W) ein Stegwellenleiter ist.

7. IC nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der Wellenlei­ ter eine Quantum-well-Struktur besitzt.

8. IC nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der Wellenlei­ ter (W) an den in die Lichtein-/austrittsfläche führenden Enden jeweils mit einem Taper zur Verbesserung der Kopplung an die Glasfaser versehen ist.

9. IC nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die an die Lichtein-/austrittsfläche führenden Enden des Wellenleiters (W) jeweils vor der Lichtein-/austrittsfläche an einer Ent­ spiegelungsschicht münden.