HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Diese Erfindung betrifft optische
Halbleitervorrichtungen, wie optische Schalttafeln in einem optischen
Datenübertragungssystem, als Lichtquellen für eine
Übertragung und lokale Schwingung verwendete optische Modulatoren,
optische Schalter, Halbleiterlaser usw. und insbesondere eine
optische Halbleitervorrichtung mit einem verbesserten
optischen Wellenleiter.
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Der Halbleiterlaser verschiedener optischer
Halbleitervorrichtungen wurde in zahlreichen
Veröffentlichungen, beispielsweise in Electronics Letters, Band 22, Nr. 5,
S. 249 - 250 (1986), von A. R. Adams beschrieben. Die
Veröffentlichung enthält eine qualitative Erörterung der
Verwendung eines Übergitters mit verspannten Schichten für eine
aktive Schicht eines Halbleiterlasers, um eine Verringerung der
Inter-Valenzbandabsorption zu erreichen. Es ist durch
Verwendung eines Übergitters mit verspannten Schichten für die
aktive Schicht eines Halbleiterlasers möglich, den
Schwellenstrom des Lasers zu verringern und die
Modulationsgeschwindigkeit zu erhöhen. In der Beschreibung der Veröffentlichung
wird das Übergitter mit verspannten Schichten jedoch nur für
die aktive Schicht verwendet.
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Optische Schalter vom Trägerinjektionstyp
wurden ebenfalls in einer Reihe von Veröffentlichungen,
beispielsweise in der offengelegten japanischen Patentanmeldung
(KOKAI) 60-134219 (1985), beschrieben. Der in der
Veröffentlichung beschriebene optische Schalter von
Ladungsinjektionstyp weist einen optischen Wellenleiter auf, bei dem ein
Kristallstück verwendet wird. Das US-Patent 4 737 003 entspricht
der offengelegten japanischen Patentanmeldung (KOKAI) 60-
134219 (1985).
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Weiterhin ist in der japanischen
Patentanmeldung 61-215806 (1986) ein optischer Wellenleiter offenbart,
bei dem ein Übergitter verwendet wird. In diesem Fall weist
das Übergitter jedoch eine Gitteranpassung auf und ist kein
Übergitter mit verspannten Schichten. Während beispielsweise
InGaAsP/InP im allgemeinen für das vorausgehend erwähnte
Übergitter aus dem Stand der Technik verwendet wird, sind die
Gitter der InGaAsP-Schicht und der InP-Schicht aneinander
angepaßt, und das Übergitter ist kein Übergitter mit
verspannten Schichten.
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InGaAsP/InP wird als ein
Halbleiterlasermaterial verwendet, das zu einer für die optische
Datenübertragung verwendeten Wellenlänge von beispielsweise 1,3 µm oder
1,55 µm paßt. InGaAsP wird für die aktive Schicht verwendet,
und InP wird für das Substrat oder die Deckschicht des
Halbleiterlasers verwendet. Weiterhin werden Lawinen-Photodioden
(APD) ebenfalls unter Verwendung von InGaAsP/InP hergestellt.
Auf diese Weise wird ein InGaAsP/InP-System in den meisten
gegenwärtig für die optische Datenübertragung verwendeten
optischen Halbleitergeräten verwendet. Bei allen diesen
optischen Halbleitervorrichtungen sind die Gitter der InGaAsP-
Schicht und der InP-Schicht aneinander angepaßt und sind
nicht als System mit verspannten Schichten vorgesehen.
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FIG. 2 ist ein Diagramm, in dem die
Bandstruktur aus dem vorausgehend erwähnten InGaAsP/InP dargestellt
ist, die als herkömmlicher optischer Wellenleiter verwendet
wird.
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Bei diesen Materialsystem ist die Krümmung des
Schweres-Loch-Bands gering, wie in FIG. 2 dargestellt ist.
Die Löcher sind daher auch im Bereich größerer Wellenzahlen
verteilt, wie in FIG. 2 dargestellt ist, so daß Elektronen im
abgespaltenen Band leicht durch optische Absorption angeregt
werden. Dementsprechend ist die optische Absorption zwischen
dem abgespaltenen Band und dem Schweres-Loch-Band, nämlich
die Inter-Valenzbandabsorption hoch, und sie ist insbesondere
in den Bereichen längerer Wellenlängen beträchtlich.
Weiterhin
war ein hoher Verlust infolge der Absorption in einer
Schicht mit einer höheren Löcherkonzentration die Ursache für
eine Verringerung der Leistungsfähigkeit bei optischen
Modulatoren vom Trägerinjektionstyp, bei Halbleiterlasern mit
einem externen Resonator, bei in der Wellenlänge abstimmbaren
Halbleiterlasern usw.
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Darüber hinaus bedeutet die geringe Krümmung
des Schweres-Loch-Bands, die in FIG. 2 dargestellt ist, eine
hohe Zustandsdichte. Bei einer Trägerinjektion ist die
Änderung der Trägerenergieverteilung (als "Bandfüllungseffekt"
bezeichnet) daher gering, und die Änderung des Brechungsindex
ist klein. Es ist dementsprechend erforderlich, den
Schnittwinkel des optischen Wellenleiters bei einem optischen
Überkreuzungspunktschalter zu verringern, woraus sich eine
größere Breite der Vorrichtung oder eine dichtere Anordnung der
optischen Wellenleiter ergibt, was zur Erzeugung eines
Übersprechens führt.
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Eine optische Halbleitervorrichtung mit einem
Wellenleiter ist auch in Journal of Lightwave Technology,
Band 6, 11. Nov. 1988, S. 1623 - 1633, beschrieben. Weiterhin
ist ein optischer Wellenleiter, bei dem eine verspannte
Übergitterschicht verwendet wird, aus Applied Physics Letters 52,
11. Jan. 1988, bekannt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine
optische Halbleitervorrichtung mit einem optischen Wellenleiter
vorzusehen, der einen sehr geringen Ausbreitungsverlust und
einen verringerten Injektionsstrom für ein Abstimmen des
Brechungs index aufweist.
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Diese Aufgabe wird durch eine optische
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte
Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen offenbart.
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Ein Hauptmerkmal dieser Erfindung besteht
darin, daß der optische Wellenleiter zur Führung von Licht
unter Verwendung eines Übergitters mit verspannten Schichten
vorgesehen ist.
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Gemäß dieser Erfindung wird eine optische
Halbleitervorrichtung mit einem Halbleiterlaser vorgesehen,
der auf einem Halbleitersubstrat einen aktiven Bereich mit
einer aktiven Schicht zum Emittieren von Licht, einen
Wellen-4 längen-Steuerbereich mit einem optischen Wellenleiter zum
Führen des Lichts, wobei der optische Wellenleiter
zusammenhängend mit der aktiven Schicht in Richtung der optischen
Achse angeordnet ist, eine Einrichtung zum Einspeisen von
Strom in den aktiven Bereich und eine Einrichtung zum
Einspeisen von Strom in den Wellenlängen-Steuerbereich aufweist,
wobei der optische Wellenleiter ein Übergitter mit
verspannten Schichten aufweist, das aus einer ersten
Halbleiterschicht und einer zweiten Halbleiterschicht besteht, die
abwechselnd oder periodisch aufgewachsen sind, wobei die zweite
Halbleiterschicht eine schmalere Bandlücke und eine größere
Gitterkonstante als die erste Halbleiterschicht aufweist.
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Der optische Wellenleiter dieser Erfindung,
der das vorausgehend erwähnte Übergitter mit verspannten
Schichten auf dem Halbleitersübstrat aufweist, kann wahlweise
eine Deckschicht auf der oberen Fläche und/oder einer
Seitenfläche des Übergitters aufweisen. Um den Brechungsindex der
Übergitterschicht mit verspannten Schichten auf einen
geeigneten Wert festzulegen, ist natürlich eine Einrichtung zum
Anwenden eines Stroms auf die Übergitterschicht vorgesehen.
Der wünschenswerte Wert des Brechungsindex der
Übergitterschicht mit verspannten Schichten hängt von der Art der
optischen Halbleitervorrichtung ab, die die Übergitterschicht
aufweist. Im allgemeinen kann jedoch ein Aufbau verwendet
werden, bei dem der Brechungsindex der Übergitterschicht mit
verspannten Schichten nach dem Einwirken eines vorgegebenen
Stroms auf die Halbleiterschicht um beispielsweise 5 % höher
ist als die Brechungsindizes des Substrats und der
Deckschicht.
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Wie vorausgehend beschrieben wurde, weisen die
erste und die zweite Halbleiterschicht, die die
Übergitterschicht mit verspannten Schichten gemäß dieser Erfindung
bilden, Gitterkonstanten auf, bei denen a&sub2; > a&sub1; ist, wobei a&sub1; und
a&sub2; die Gitterkonstanten der ersten bzw. der zweiten
Halbleiterschichten sind. Wenn Δa, das durch die Formel Δa = 100(a&sub2;
- a&sub1;)/a&sub1; definiert ist, die Gitterkonstantendifferenz (%)
ist, werden die Gitterkonstanten a&sub1; und a&sub2; so festgelegt, daß
Δa im Bereich von 0,5 < Δa < 4,0 (%) liegt.
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Die Dicke der ersten Halbleiterschicht, die
Dicke der zweiten Halbleiterschicht und die Gesamtzahl der
ersten und zweiten Halbleiterschichten können genauso wie bei
einer herkömmlichen Übergitterschicht sein. Weiterhin gilt
für die Bandlücke der ersten Halbleiterschicht Eg&sub1; und die
Bandlücke der zweiten Halbleiterschicht Eg&sub2; die Beziehung Eg&sub2;
< Eg&sub1;, und die Differenz zwischen Eg&sub1; und Eg&sub2; kann gleich der
bei einer herkömmlichen Übergitterschicht sein.
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Ein III-V-Verbundhalbleiter wird gewöhnlich
als Halbleiter zur Bildung der optischen
Halbleitervorrichtung dieser Erfindung und insbesondere für die ersten und
zweiten Halbleiterschichten, die die Übergitterschicht mit
verspannten Schichten bilden, verwendet. In dieser Erfindung
zu verwendende Halbleiter sind jedoch nicht auf die III-V-
Verbundhalbleiter beschränkt.
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Es ist ein besonderes Merkmal der optischen
Halbleitervorrichtung gemäß dieser Erfindung, daß wenigstens
ein Teil des eine passive Rolle spielenden Bereichs (passiver
Bereich), wie ein optischer Wellenleiter, ein Übergitter mit
verspannten Schichten aufweist und daß die anderen
Bestandteile oder Aufbauten der optischen Halbleitervorrichtung
durch Verwendung der in der Technik bekannten herkömmlichen
Kenntnisse ausgelegt werden können. Es ist jedoch natürlich,
daß auch andere Bereiche als der passive Bereich unter
Verwendung eines Übergitters mit verspannten Schichten
hergestellt werden können, wodurch eine günstige Wirkung erwartet
wird.
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Die genannten und andere Aufgaben, Merkmale
und Vorteile dieser Erfindung werden aus der folgenden
Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen ersichtlich, die
zusammen mit der begleitenden Zeichnung gelesen werden
sollten, die als Beispiel einige bevorzugte Ausführungsformen
dieser Erfindung zeigt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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FIG. 1 ist eine Schnittansicht eines optischen
Modulators vom Trägerinjektionstyp gemäß einer
Ausführungsform dieser Erfindung;
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FIG. 2 ist ein Diagramm, in dem die
Bandstruktur des Materialsystems dargestellt ist, das ein für einen
optischen Wellenleiter gemäß dem Stand der Technik
verwendetes Übergitter bildet;
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FIG. 3 ist ein Diagramm zur Erklärung der
Bandstruktur einer Quantentopfschicht in einem Übergitter mit
verspannten Schichten, das in dieser Erfindung verwendet
wird;
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FIG. 4a ist eine Draufsicht eines optischen
Überkreuzungspunktschalters gemäß einer anderen
Ausführungsform dieser Erfindung;
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FIG. 4b ist eine Ansicht eines entlang einer
Linie A-A' aus FIG. 4a vorgenommenen Schnitts;
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FIG. 5a ist eine Ansicht eines parallel zur
Richtung der optischen Achse vorgenommenen Schnitts eines
Halbleiterlasers mit einem externen Resonator gemäß einer
weiteren Ausführungsform dieser Erfindung;
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FIG. 5b ist eine Ansicht eines parallel zu
einer senkrecht zur optischen Achse verlaufenden Ebene
vorgenommenen Schnitts eines Laserabschnitts des in FIG. 5a
dargestellten Halbleiterlasers;
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FIG. 5c ist eine Ansicht eines parallel zu
einer senkrecht zu einer optischen Achse verlaufenden Schnitts
eines Abschnitts des externen Resonators des in FIG. 5a
dargestellten Halbleiterlasers; und
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FIG. 6 ist eine Ansicht eines parallel zur
Richtung der optischen Achse vorgenommenen Schnitts eines in
der Wellenlänge abstimmbaren Halbleiterlasers gemäß einer
zusätzlichen Ausführungsform dieser Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Das in den optischen Wellenleiter einzubauende
Übergitter mit verspannten Schichten wird durch abwechselndes
Aufwachsen eines Dünnfilms aus einem ersten Halbleiter und
eines Dünnfilms aus einem zweiten Halbleiter gebildet. Die
Bandlücke Eg&sub2; der zweiten Halbleiterschicht (eine sog.
Quantentopfschicht) wird als kleiner festgelegt als die Bandlücke
Eg&sub1; der ersten Halbleiterschicht (eine sog. Sperrschicht),
und die Gitterkonstante a&sub2; der zweiten Halbleiterschicht ist
als größer festgelegt als die Gitterkonstante a&sub1; der ersten
Halbleiterschicht. D. h., Eg&sub2; < Eg&sub1; und a&sub2; > a&sub1;. Bei diesem
Aufbau ist die Topfschicht senkrecht zur Aufwachsrichtung der
Schichten, nämlich in der Ebene des Übergitters, komprimiert.
FIG. 3 ist ein Diagramm zur Darstellung der Bandstruktur der
Topfschicht im Übergitter mit verspannten Schichten in diesem
Zustand. Bei der Erklärung werden leichte Löcher nicht
beachtet, und es ist lediglich das unterste Teilband für Schwer-
Löcher dargestellt. Wie im Diagramm dargestellt ist, ist die
Krümmung des Schweres-Loch-Bands in der Topfschicht des
Übergitters mit verspannten Schichten vergrößert, und die Inter-
Valenzbandabsorption geschieht in einem erheblich größeren
Abstand vom Bandrand (also der Wellenzahl K = 0) als im
gewöhnlichen Fall. Weiterhin sind die Löcher selbst in der Nähe
des Bandrandes konzentriert. Daher ist die Löcherdichte im
Bereich der Wellenzahl K, in dem die
Inter-Valenzbandabsorption auftreten würde, beträchtlich verringert. Die
Inter-Valenzbandabsorption ist daher unterdrückt. Das vorausgehend
Erwähnte ist der Grund für den geringen Verlust des
Übergitters mit verspannten Schichten und stellt ein erstes Merkmal
des Übergitters mit verspannten Schichten dar.
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Weiterhin bedeutet die in FIG. 3 dargestellte
starke Krümmung des Schweres-Loch-Bands eine geringe
Zustandsdichte. Bei der Trägerinjektion sind die Änderung der
Träger-Energieverteilung (der Bandfüllungseffekt) und die
Änderung des Brechnungsindex daher höher als beim herkömmlichen
Übergitter oder dem Grundmaterial. Dies ist ein zweites
Merkmal des Übergitters mit verspannten Schichten.
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Demnach ergeben sich die Merkmale des
Übergitters mit verspannten Schichten aus der Krümmung des Schweres-
Loch-Bandes, und die Änderung der Krümmung ist größer als die
Differenz der Gitterkonstanten zwischen der Topfschicht und
der Sperrschicht, und Δa = 100(a&sub2; - a&sub1;)/a&sub1; ist größer. Eine zu
große Differenz der Gitterkonstanten ruft jedoch das Problem
von Kristallfehlern oder ähnlichem hervor. Es ist daher
wünschenswert, daß Δa im Bereich von etwa 0,5 < Δa < 4,0 %
liegt.
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Wie vorausgehend beschrieben wurde, weist ein
Übergitter mit verspannten Schichten einen sehr geringen
Verlust infolge einer Inter-Valenzbandabsorption auf. Hierdurch
wird der geringe Transmissionsverlust im optischen Modulator
gemäß dieser Erfindung gewährleistet, wobei ein Übergitter
mit verspannten Schichten für den optischen Wellenleiter
verwendet wird.
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Der Transmissionsverlust ist auch in der
Halbleiterschicht mit einem externen Resonator gemäß der
Erfindung gering, wobei ein Übergitter mit verspannten Schichten
für den Wellenleiter des externen Resonators verwendet wird.
Es ist daher möglich, die Intensität der optischen
Rückkopplung des externen Resonators in den Laserbereich zu erhöhen
und die Länge des Resonators zu vergrößern, was zu einer
geringeren spektralen Linienbreite im Vergleich zum Stand der
Technik führt.
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Weiterhin ist bei einem in der Wellenlänge
abstimmbaren Laser, bei dem ein passiver optischer
Wellenleiter, wie ein DBR-Bereich (Bereich mit einer verteilten Bragg-
Reflektion), verwendet wird, eine Verringerung des Verlustes
zusammen mit Verbesserungen solcher Eigenschaften, wie der
spektralen Linienbreite und des Schwingungswirkungsgrads,
möglich.
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Beim in der vorhergehend erwähnten Veröffent
lichung von A. R. Adams beschriebenen Halbleiterlaser mit
einer aktiven Schicht mit dem Übergitter mit verspannten
Schichten fließt ein hoher Strom durch das Übergitter. Beim
Halbleiterlaser dieser Erfindung, bei dem ein Übergitter mit
verspannten Schichten für den optischen Wellenleiter
verwendet wird, genügt es andererseits, einen geringen Strom durch
das Übergitter fließen zu lassen, was eine erhöhte
Lebensdauer und eine erhöhte Zuverlässigkeit gegenüber dem
Halbleiterlaser verspricht, bei dem eine aktive Schicht mit dem
Übergitter mit verspannten Schichten verwendet wird.
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Weiterhin weist die Vorrichtung gemäß dieser
Erfindung eine große Änderung des Brechungsindex infolge der
Trägerinjektion auf, wie vorausgehend erwähnt wurde. Wenn die
Erfindung auf einen optischen Überkreuzungspunktschalter
angewendet wird, ist es daher möglich, einen kleineren
Schalterbereich und einen größeren Winkel der Schnittlinie des
optischen Wellenleiters zu erreichen, was im Ergebnis zu einer
Verringerung der Breite der Vorrichtung und zu einer
Reduktion des Übersprechens führt.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Beispiel 1
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FIG. 1 ist eine Schnittansicht eines optischen
Modulators vom Träger-Injektionstyp gemäß einer ersten
Ausführungsform dieser Erfindung.
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Der optische Modulator weist ein n-Typ-InP-
Substrat 1, eine n-Typ-InP-Pufferschicht 2, eine optische
Wellenleiterschicht 3 mit einem Übergitter mit verspannten
Schichten, eine p-Typ-InP-Mantelschicht 4, eine
p-Typ-In-GaAsP-Deckschicht 5, einen SiO&sub2;-Isolierfilm 6, einen
Zn-Diffusionsbereich (p-Typ-Bereich) 7, eine ohmsche Elektrode 8
vom n-Typ und eine ohmsche Elektrode 9 vom p-Typ auf.
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Diese optische Vorrichtung wird folgendermaßen
hergestellt.
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Zuerst wird die n-Typ-InP-Pufferschicht 2
durch das MOCVD-Verfahren (Verfahren der Abscheidung einer
metallorganischen chemischen Verbindung aus der Gasphase) auf
dem n-Typ-InP-Substrat 1 aufgewachsen. Nachfolgend werden
eine 7 nm dicke In0,8Ga0,2 As-Topfschicht (Gitterkonstante 0,598
nm) sowie eine 7 nm dicke InP-Sperrschicht (Gitterkonstante
0,587 nm) abwechselnd während sieben Perioden (oder Zyklen)
aufgewachsen, um die optische Wellenleiterschicht 3 mit einem
Übergitter mit verspannten Schichten bereitzustellen. Die
Gitterkonstante der Topfschicht ist daher um etwa 1,9 %
größer als die Gitterkonstanten des InP-Substrats und der
Sperrschicht. Die Bandlücke der Topfschicht, neben der die
Sperrschicht angeordnet ist und auf die eine Spannung ausgeübt
wird, beträgt 0,52 eV, und die Bandlücke der Sperrschicht
beträgt 1,35 eV.
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Nachfolgend werden die p-Typ-InP-Mantelschicht
4 mit einer Dicke von 0,5 µm sowie die p-Typ-InGaAsP-Deck
schicht 5 mit einer Dicke von 0,3 µm aufgewachsen. Die
Deckschicht 5 und die Mantelschicht 4 werden daraufhin durch
Verwendung einer Photolackmaske und einer aus
Chlorwasserstoffsäure und Salpetersäure gemischten Flüssigkeit selektiv bis
zum optischen Wellenleiter 3 mit einem Übergitter mit ver
spannten Schichten heruntergeätzt, wodurch, wie dargestellt,
eine Stegstruktur gebildet wird. Daraufhin wird der SiO&sub2;-Film
6 durch das CVD-Verfahren bereitgestellt, und nach dem
Bereitstellen eines Kontaktlochs wird eine selektive Diffusion
von Zn durchgeführt, um den Zn-Diffusionsbereich 7
bereitzustellen.
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Schließlich werden die ohmsche Elektrode 8 vom
n-Typ und die ohmsche Elektrode 9 vom p-Typ durch das
Vakuumabscheidungsverfahren bereitgestellt, woraufhin ein Spalten
erfolgt, um die Länge der Vorrichtung in Richtung der
optischen Achse auf 1 mm festzulegen, und beide Spaltflächen
werden mit einer Antireflexionsbeschichtung (AR-Beschichtung)
versehen, um den optischen Modulator vom Trägerinjektionstyp
gemäß der in FIG. 1 dargestellten Ausführungsform
bereitzustellen. Eine AuGeNi/Au-Zweischicht-Metallelektrode wurde als
n-Typ-Elektrode 8 verwendet, und eine
Ti/Au-Zweischicht-Metallelektrode wurde als p-Typ-Elektrode 9 verwendet.
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Der, wie vorausgehend beschrieben,
hergestellte optische Modulator dieses Beispiels wies nach der
Trägerinjektion einen Transmissionsverlust von 10 dB/cm bei
einer einfallenden Wellenlänge von 1,55 µm sowie eine
Phasensteuerung von 2 π bei einem Injektionsstrom von 30 mA auf.
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Im allgemeinen beträgt der
Transmissionsverlust eines typischen optischen Modulators mit der
herkömmlichen Struktur etwa 30 dB/cm.
Beispiel 2
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FIG. 4a ist eine Draufsicht eines optischen
Überkreuzungspunktschalters gemäß einer zweiten
Ausführungsform dieser Erfindung, und FIG. 4b ist eine Ansicht eines
entlang einer Linie A-A' aus FIG. 4a vorgenommenen Schnitts.
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In FIG. 4a bezeichnet eine Bezugszahl 10 einen
optischen Schalterabschnitt vom Totalreflektionstyp, und eine
Bezugszahl 11 bezeichnet einen optischen
Wellenleiterabschnitt. In FIG. 4b ist folgendes dargestellt: ein n-Typ-InP-
Substrat 1, ein Zn-Diffusionsbereich 26, eine optische
Wellenleiterschicht 3 mit einem Übergitter mit verspannten
Schichten, eine n-Typ-InP-Schicht 21, eine vergrabene p-Typ-
InP-Schicht 22, eine vergrabene n-Typ-InP-Schicht 23, eine p-
Typ-InP-Schicht 24, ein Zn-Diffusionsbereich 7, eine p-Typ-
InGaAsP-Deckschicht 25, ein SiO&sub2;-Isolierfilm 6, eine ohmsche
Elektrode 8 vom n-Typ und eine ohmsche Elektrode 9 vom p-Typ.
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Diese optische Vorrichtung wird folgendermaßen
hergestellt.
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Zuerst wird eine selektive Zn-Diffusion von
der Oberfläche des n-Typ-InP-Substrats 1 aus ausgeführt, um
den Zn-Diffusionsbereich 26 mit einer Dicke von 1 µm zu
bilden. Nachfolgend werden eine 7 nm dicke In0,30Ga0,10As0,60P0,40-
Topfschicht (Bandlücken-Wellenlänge λπ = 1,55 µm,
Gitterkonstante 0,593 nm) und eine 7 nm dicke In0,81Ga0,19As0,40P0,60-
Sperrschicht (Bandlücken-Wellenlänge λπ = 1,15 µm,
Gitterkonstante 0,587 nm) abwechselnd in sieben Perioden (oder Zyklen)
durch das MOCVD-Verfahren aufgewachsen, um die optische
Wellenleiterschicht 3 mit einem Übergitter mit verspannten
Schichten bereitzustellen.
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Nachfolgend wird die n-Typ-InP-Schicht 21 mit
einer Dicke von 0,5 µm aufgewachsen, und es wird eine 5 µm
breite Mesa-Struktur (3 und 21) gebildet. Daraufhin werden
die vergrabene p-Typ-InP-Schicht 22 mit einer Dicke von 0,5
µm, die vergrabene n-Typ-InP-Schicht 23 mit einer Dicke von
0,3 µm, die p-Typ-InP-Schicht 24 mit einer Dicke von 1 µm und
die p-Typ-InGaAsP-Deckschicht 25 mit einer Dicke von 0,3 µm
jeweils durch die Flüssigphasenepitaxie aufgewachsen.
Daraufhin wird der SiO&sub2;-Film 6 mit einer Dicke von 0,1 µm durch das
CVD-Verfahren bereitgestellt, und nach dem Bereitstellen
eines Kontaktlochs wird eine selektive Zn-Diffusion bis
herunter zur optischen Wellenleiterschicht 3 mit einem Übergitter
mit verspannten Schichten durchgeführt, um den
Zn-Diffusionsbereich 7 zu erzeugen. Schließlich werden die n-Typ-Elektrode
8 und die p-Typ Elektrode 9 ähnlich denen aus Beispiel 1
durch das Vakuumabscheidungsverfahren bereitgestellt.
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Wie in FIG. 4a dargestellt ist, wurde die
Gesamtlänge auf 1 mm festgelegt, die Länge des
Schalterabschnitts wurde auf 100 µm festgelegt, und der Schnittwinkel θ
wurde auf 12º festgelegt.
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In der in FIG. 4b dargestellten Struktur des
optischen Überkreuzungspunktschalters ist eine
pnpn-Stromsperrstruktur, die aus der p-Typ-InP-Schicht 24, der
vergrabenen n-Typ-InP-Schicht 23, der vergrabenen p-Typ-InP-Schicht
22, dem Zn-Diffusionsbereich 26 und dem n-Typ-InP-Substrat
besteht, auf beiden Seiten der optischen Wellenleiterschicht
3 vorgesehen, um die Ströme auf die optische
Wellenleiterschicht 3 zu konzentrieren. Die Zn-Diffusionsbereiche 26 und
7 sind zur Begrenzung der Ströme vorgesehen.
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Der wie vorausgehend beschrieben hergestellte
optische Überkreuzungspunktschalter aus diesem Beispiel wies
bei einem Transmissionsverlust von 10 dB/cm ein
Extinktionsverhältnis von 40 dB bei einer einfallenden Wellenlänge von
1,55 µm auf.
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Ein typischer optischer
Überkreuzungspunktschalter mit der herkömmlichen Struktur weist eine
Gesamtlänge von 1 mm, eine Länge des Schaltungsabschnitts von 150
µm, einen Schnittwinkel von 8º, ein Extinktionsverhältnis von
etwa 10 dB und einen Transmissionsverlust von etwa 30 dB/cm
auf.
Beispiel 3
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In den FIGUREN 5a bis 5c ist ein
Halbleiterlaser mit einem externen Resonator gemäß einer dritten
Ausführungsform dieser Erfindung dargestellt, wobei FIG. 5a eine
Ansicht eines parallel zur Richtung der optischen Achse des
Halbleiterlasers vorgenommenen Schnitts ist, FIG. 5b eine
Ansicht eines in einer senkrecht zur optischen Achse
verlaufenden Richtung vorgenommenen Schnitts eines Laserabschnitts 12
ist, und FIG. 5c eine in einer senkrecht zur Richtung der
optischen Achse verlaufenden Richtung vorgenommenen Schnitts
durch einen externen Resonator 13 ist.
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Der Halbleiterlaser mit einem externen
Resonator umfaßt ein n-Typ-InP-Substrat 1, eine
n-Typ-InP-Pufferschicht 2, einen optischen Wellenleiter 3 mit einem
Übergitter mit verspannten Schichten, ein auf der Oberseite der n-
Typ-InP-Pufferschicht bereitgestelltes Beugungsgitter 50,
eine undotierte InGaAsP-Schicht 31, eine aktive MQW (Mehrfach-
Quantentopf)-Schicht 32, eine undotierte InGaAsP-Schicht 33,
eine p-Typ-InP-Mantelschicht 34, eine
p-Typ-InGaAsP-Deckschicht 35, eine ohmsche Elektrode 8 vom n-Typ, eine ohmsche
Elektrode 9 vom p-Typ, eine vergrabene p-Typ-InP-Schicht 22
sowie eine vergrabene n-Typ-InP-Schicht 23.
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Das Beugungsgitter 50, das ein sinusförmiges
Gitter mit einer Höhe von 30 nm und einer Periode von 240 nm
ist, ist für eine Laserschwingung mit einem einzigen stabilen
Spektrum erforderlich. Nach dem Prinzip der Bragg-Reflektion
wird nur das Licht einer bestimmten Wellenlänge vom Gitter
reflektiert. Das Beugungsgitter 50 wird durch eine
holographische Lasertechnik gebildet. Das Beugungsgitter wird auf
der Ober- und/oder der Unterseite der aktiven Schicht
bereitgestellt.
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Diese optische Vorrichtung wird folgendermaßen
hergestellt.
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Zuerst wird die n-Typ-InP-Pufferschicht 2
durch das MOCVD-Verfahren auf dem n-Typ-InP-Substrat 1
aufgewachsen. Daraufhin wird das Beugungsgitter 50 mit einer
Verschiebung eines Viertels einer Wellenlänge auf der Oberseite
der n-Typ-InP-Pufferschicht 2 bereitgestellt. Daraufhin
werden die undotierte InGaAsP-Schicht 31 mit einer Dicke von 0,1
µm, die aktive MQW (Mehrfachquantentopf)-Schicht 32 und die
undotierte InGaAsP-Schicht 33 mit einer Dicke von 0,1 µm
nacheinander wiederum durch das MOCVD-Verfahren aufgewachsen.
Die aktive MQW-Schicht 32 weist eine 7,5 nm dicke InGaAs-
Topfschicht (Bandlücken-Wellenlänge λπ = 1,65 µm) und eine 15
nm dicke InGaAsP-Sperrschicht (Bandlücken-Wellenlänge λπ =
1,15 µm) auf, die in fünf Perioden (oder Zyklen) abwechselnd
vorgesehen sind.
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Nachfolgend werden jene Abschnitte der
undotierten InGaAsP-Schicht 31, der MQW-Schicht 32 und der
undotierten InGaAsP-Schicht 33, die dem Bereich des externen
Resonators 13 entsprechen, weggeätzt, und die optische
Wellenleiterschicht 3 mit einem Übergitter mit verspannten
Schichten (mit der gleichen Struktur wie in den vorausgehenden
Beispielen) wird nur im Bereich des externen Resonators 13
aufgewachsen, wobei wiederum das MOCVD-Verfahren verwendet wird.
Nachdem ein Mesa-Streifen bereitgestellt ist, der in den
FIGUREN 5b und 5c dargestellt ist, werden die vergrabene p-Typ-
InP-Schicht 22 mit einer Dicke von 1 µm, die vergrabene n-
Typ-InP-Schicht 23 mit einer Dicke von 0,5 µm, die p-Typ-InP-
Mantelschicht 34 mit einer Dicke von 1,5 µm und die p-Typ-In-
GaAsP-Deckschicht 35 mit einer Dicke von 0,3 µm durch die
Flüssigphasenepitaxie aufgewachsen. Die n-Typ-Elektrode 8 und
die p-Typ-Elektrode 9, die denen aus Beispiel 1 gleichen,
werden durch das Vakuumabscheidungsverfahren bereitgestellt.
Für eine elektrische Trennung zwischen dem Laserabschnitt 12
und dem externen Resonator 13 werden jene Abschnitte der p-
Typ-Elektrode 9 und der p-Typ-InGaAsP-Deckschicht 35, die
zwischen den beiden Bereichen liegen, weggeätzt. Schließlich
werden nach einem Spalten zum Festlegen der Länge des
Laserabschnitts 12 auf 300 µm und der Länge des externen
Resonators 13 auf 5 mm eine Antireflektionsbeschichtung
(AR-Beschichtung) und eine hochreflektierende Beschichtung
(R-Beschichtung) auf die Endfläche auf der Seite des
Laserabschnitts 12 bzw. die Endfläche auf der Seite des externen
Resonators 13 aufgebracht, um den Halbleiterlaser dieses
Beispiels herzustellen.
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Bei der in den FIGUREN 5a bis 5c dargestellten
Struktur des Halbleiterlasers mit einem externen Resonator
werden die vergrabene p-Typ-InP-Schicht 22 und die vergrabene
n-Typ-InP-Schicht 23 bereitgestellt, um auf beiden Seiten des
Mesa-Streifens eine pnpn-Stromsperrstruktur zu bilden. Die
undotierte InGaAsP-Schicht 31 und die undotierte InGaAsP-
Schicht 33 sind für eine Begrenzung des Lichts in der aktiven
MQW-Schicht 32 erforderlich, während die
p-Typ-InGaAsP-Deckschicht 35 zur Erlangung eines ohmschen Kontakts erforderlich
ist.
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Der Halbleiterlaser aus diesem Beispiel weist
eine spektrale Linienbreite von 200 kHz bei einer optischen
Ausgangsleistung von 5 mW auf.
Beispiel 4
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FIG. 6 ist eine Ansicht eines parallel zur
Richtung der optischen Achse vorgenommenen Schnitts durch
einen in der Wellenlänge abstimmbaren Halbleiterlaser gemäß
einer vierten Ausführungsform dieser Erfindung.
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Der Halbleiterlaser umfaßt ein n-Typ-InP-
Substrat 1, eine n-Typ-InP-Pufferschicht 2, einen optischen
Wellenleiter 3 mit einem Übergitter mit verspannten
Schichten,
eine aktive InGaAsP-Schicht 40, eine undotierte InGaAsP-
Schicht 41, ein auf der Oberseite des optischen Wellenleiters
3 gebildetes Beugungsgitter 50, eine p-Typ-InP-Schicht 42,
eine p-Typ-InP-Mantelschicht 34, eine
p-Typ-InGaAsP-Deckschicht 35, eine ohmsche Elektrode 8 vom n-Typ, eine ohmsche
Elektrode 9 vom p-Typ sowie Rillen 43, wobei eine Bezugszahl
14 einen aktiven Bereich, eine Bezugszahl 15 einen
Phasensteuerbereich und eine Bezugszahl 16 einen DBR-Bereich
bezeichnet.
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Diese optische Vorrichtung wird folgendermaßen
hergestellt.
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Zuerst werden die n-Typ-InP-Pufferschicht 2,
die optische Wellenleiterschicht 3 mit einem Übergitter mit
verspannten Schichten (mit der gleichen Struktur wie in den
vorhergehenden Beispielen), die aktive InGaAsP-Schicht 40
(Bandlücken-Wellenlänge λπ = 1,53 µm) mit einer Dicke von 0,1
µm und die undotierte InGaAsP-Schicht 41
(Bandlücken-Wellenlänge λπ = 1,27 µm) mit einer Dicke von 0,1 µm durch das
MOCVD-Verfahren auf dem n-Typ-InP-Substrat 1 aufgewachsen.
Die Abschnitte der aktiven InGaAsP-Schicht 40 und der
In-GaAsP-Schicht 41, die außerhalb des aktiven Bereichs liegen,
werden weggeätzt. Nachfolgend wird das Beugungsgitter 50 in
Übereinstimmung mit dem DBR-Bereich auf der Oberseite der
Wellenleiterschicht 3 mit einem Übergitter mit verspannten
Schichten gebildet, und die p-Typ-InP-Schicht 42 mit einer
Dicke von 0,3 µm wird wiederum durch das MOCVD-Verfahren
aufgewachsen.
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Nachdem ein Mesa-Streifen ebenso wie in der
dritten Ausführungsform bereitgestellt worden ist (5 FIGUREN
5a und 5b), werden nachfolgend eine vergrabene p-Typ-InP-
Schicht (22), eine vergrabene n-Typ-InP-Schicht (23), die p-
Typ-InP-Schicht 34 mit einer Dicke von 1 µm und die p-Typ-In-
GaAsP-Verkappungsschicht 35 mit einer Dicke von 0,3 µm
aufgewachsen, um eine gewöhnliche Heterostruktur zu bilden. Nach
der Bildung der n-Typ-Elektrode 8 und der p-Typ-Elektrode 9
durch das Vakuumabscheidungsverfahren werden die beiden
Rillen
43 gebildet, die in FIG. 6 dargestellt sind. Die Rillen
43 weisen eine Breite von 10 µm und eine Tiefe von 0,7 µm bei
einem Abstand von 100 µm zwischen ihnen auf.
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Schließlich wird ein Spalten vorgenommen, um
die Länge des aktiven Bereichs 14 auf 300 µm, die Länge des
Phasensteuerbereichs 15 auf 100 µm und die Länge des
DBR-Bereichs 16 auf 300 µm festzulegen, womit die Vorrichtung aus
diesem Beispiel fertiggestellt ist.
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Beim in der Wellenlänge abstimmbaren
Halbleiterlaser aus diesem Beispiel bewirkt eine Änderung des durch
den DBR-Bereich 16 geleiteten Stroms eine Änderung der
Trägerkonzentration in dem Bereich, in dem das Beugungsgitter
bereitgestellt ist. Dies bewirkt eine Änderung des
Brechungsindex, was zu einer Änderung der optischen Periode des
Beugungsgitters und zu einer Verschiebung der
Schwingungswellenlänge des Lasers führt.
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Beim, wie vorausgehend beschrieben,
hergestellten Halbleiterlaser aus diesem Beispiel war es möglich,
die Schwingungswellenlänge durchgehend um 5 nm zu ändern,
wobei eine spektrale Linienbreite von 1 MHz nicht überschritten
wurde. Die Schwingungsschwelle betrug 10 mA.
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Wenngleich das Beugungsgitter in diesem
Beispiel auf der Oberseite des optischen Wellenleiters
bereitgestellt war, kann das Beugungsgitter auch auf der Unterseite
des optischen Wellenleiters oder im optischen Wellenleiter
selbst gebildet werden.
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Wenngleich diese Erfindung, Bezug nehmend auf
die vorhergehenden Beispiele, beschrieben wurde, ist sie auch
auf andere Übergitter mit verspannten Schichten als die in
den vorhergehenden Beispielen erwähnten, nämlich auf eine
Vielzahl von Kombinationen eines InGaAsP-Systems, eines
Al-GaInAs-Systems usw., wirksam anwendbar. Insbesondere, wenn
die Gitterkonstante der Topfschicht um 0,5 bis 4,0 % größer
ist als die Gitterkonstante der Sperrschicht, ist gemäß die
ser Erfindung eine beträchtliche Wirkung erreichbar. Das
Substrat ist nicht auf InP eingeschränkt, sondern kann auch
aus GaAs oder Si bestehen. Wenn beispielsweise ein GaAs-
Substrat verwendet wird, ist es möglich, ein Übergitter mit
verspannten Schichten bei Verwendung einer Kombination einer
InGaP-Topfschicht und einer AlGaAs-Sperrschicht zu verwenden.
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Diese Erfindung ist weiterhin für ein System
wirksam, bei dem eine Antimonverbindung verwendet wird.
Beispielsweise kann eine Kombination aus einer auf einem In-
GaAsSb-System beruhenden Topfschicht, einer auf einem
GaAlAsSb-System beruhenden Sperrschicht und einem aus einer
GaSb-Verbindung beruhenden Substrat erwähnt werden.
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Davon abgesehen kann der Leitungstyp des
Substrats der p-Typ sein; in diesem Fall sind alle
Leitungstypen in jedem der genannten Beispiele umgekehrt. Die
Erfindung ist auch bei einer Struktur wirksam, bei der eine p-Typ-
Verunreinigung in einer hohen Konzentration zu wenigstens
einem Teil der Sperrschicht hinzugefügt ist.
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Weiterhin ist diese Erfindung auch bei anderen
Halbleitervorrichtungen, wie beispielsweise Richtkopplern,
Verzweigungswellenleitern, Wellenleiterkopplern,
Modentrennern, Wellenlängenfiltern, Wellenlängenumwandlern usw.,
wirksam, bei denen ein Übergitter mit verspannten Schichten für
einen optischen Wellenleiter verwendet wird. Diese Erfindung
ist weiterhin auch auf Halbleiterlaser anwendbar, bei denen
ein Übergitter mit verspannten Schichten für eine aktive
Schicht verwendet wird.
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Wie vorausgehend beschrieben wurde, kann durch
die optische Halbleitervorrichtung dieser Erfindung mit dem
optischen Wellenleiter mit einem Übergitter mit verspannten
Schichten eine Verringerung der Inter-Valenzbandabsorption im
optischen Wellenleiter erreicht werden. Wenn die Erfindung
auf einen optischen Modulator vom Trägerinjektionstyp
angewendet wird, ist daher eine Verringerung des
Transmissionsverlustes erreichbar. Weiterhin ermöglicht eine Anwendung
dieser Erfindung auf einen Halbleiterlaser mit einem externen
Resonator oder auf einen in der Wellenlänge abstimmbaren
Halbleiterlaser einen verringerten Transmissionsverlust und
eine reduzierte spektrale Linienbreite. Da ein Übergitter mit
verspannten Schichten bei einer Trägerinjektion eine große
Änderung des Brechungsindex aufweist, gewährleistet eine
Anwendung der Erfindung auf einen optischen
Überkreuzungspunktschalter weiterhin eine geringere Größe der Vorrichtung und
eine Reduktion des Übersprechens.