WO1994013075A1 - Frequency demultiplexer - Google Patents

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Erich Gornik
Matthias Rosenberger
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Abstract

A frequency demultiplexer in which coupled radiation is conducted in a waveguide layer (3) arranged between boundary layers (2, 4), in which the excitation of surface plasma on polaritons is made possible by a spatial periodic structure at the surface which is covered by a semi-transparent metal film (7) to provide a sharply bundled directional radiation emission with a direction from the surface depending on the frequency of the excitating radiation and in which detectors (D1, D2, D3, D4, D5) are arranged in these various radiation directions to detect the signals modulated on various frequency channels.

Description

FrequenzdemultiplexerFrequency demultiplexer
Die vorliegende Erfindung betrifft einen räumlichen Frequenz¬ demultiplexer, bei dem Strahlung frequenzabhängig aus einem Wellenleiter in verschiedene Richtungen senkrecht zu dem Wel¬ lenleiter ausgekoppelt wird.The present invention relates to a spatial frequency demultiplexer in which radiation is coupled out in a frequency-dependent manner from a waveguide in different directions perpendicular to the waveguide.
Bei Systemen der optoelektronischen Nachrichtentechnik ist es erforderlich, Bauteile einsetzen zu können, die verschiedene Frequenzen eines ankommenden Signales getrennt voneinander erfassen können. Dabei ist es vorteilhaft, wenn aus einem Wellenleiter, der Signale mit unterschiedlichen Trägerfre- quenzen führt, diese unterschiedlichen Trägerfrequenzen in eigens dafür bestimmte Detektoren, die an unterschiedlichen Stellen positioniert sind, ausgekoppelt werden können. Es er¬ hält dann jeder Detektor nur die von ihm zu erfassende Fre¬ quenz mit ggf. dem darauf aufmodulierten Signal. Es ist be- kannt, Strahlung aus einer Wellenleiterschicht durch Beugung an einem parallel dazu angeordneten Gitter auszukoppeln.In systems of optoelectronic communication technology, it is necessary to be able to use components that can detect different frequencies of an incoming signal separately from one another. In this case, it is advantageous if a waveguide that carries signals with different carrier frequencies can be used to couple these different carrier frequencies into specially designed detectors that are positioned at different points. Each detector then only receives the frequency to be detected by it, possibly with the signal modulated thereon. It is known to couple radiation from a waveguide layer by diffraction on a grating arranged parallel to it.
In der EP-A-0 442 002 ist ein Strahlungserzeugendes Halblei¬ terbauelement beschrieben, bei dem die erzeugte Strahlung von der Oberfläche mittels Anregung von Oberflächenplasmonpolari¬ tonen abgestrahlt wird. Oberflächenplasmonpolaritonen sind transversal elektrische (TE) oder transversal magnetische (TM) Oberflächenmoden, die sich an der Grenzfläche zweier verschiedener Medien ausbreiten können. Bei geeigneter peri- odischer Strukturierung der Grenzfläche können diese Moden mit elektromagnetischen Wellen angeregt werden. Unter Anwen¬ dung dieses Emissionsmechanismus lassen sich die Eigenschaf¬ ten von lichtemittierenden Dioden, insbesondere Laserdioden, grundlegend und entscheidend verbessern. Insbesondere kann die Abstrahlung der erzeugten Strahlung extrem gebündelt in eine bestimmte Richtung erfolgen. Damit ist prinzipiell die Möglichkeit gegeben, von der Oberfläche des Bauelementes in eine bestimmte Richtung scharf gebündelt abzustrahlen. Die Anregung der Oberflächenmoden geschieht an der Oberfläche ei¬ nes dünnen Metallfilmes, mit dem eine räumliche periodische Strukturierung der Oberfläche des Halbleitermateriales über- zogen ist. Die Oberfläche kann gitterartig oder wellenartig geriffelt sein. Die Strukturierung kann auch in zwei unabhän¬ gigen Richtungen periodisch sein. Die Richtung, in die abge¬ strahlt wird, wird maßgeblich beeinflußt von der Abstimmung der Periodenlänge dieser Strukturierung auf die in der strah- lungserzeugenden Schicht angeregten Wellenlänge. Bei einer Veränderung dieser Wellenlänge ändert sich die Richtung, in der von den Oberflächenmoden Strahlung ausgesendet wird.EP-A-0 442 002 describes a radiation-generating semiconductor component in which the radiation generated is emitted from the surface by means of excitation of surface plasmon polarities. Surface plasmon polaritons are transversely electrical (TE) or transversely magnetic (TM) surface modes that can spread at the interface of two different media. With a suitable periodic structuring of the interface, these modes can be excited with electromagnetic waves. The properties of light-emitting diodes, in particular laser diodes, can be fundamentally and decisively improved using this emission mechanism. In particular, the radiation generated can be radiated extremely concentrated in a specific direction. In principle, this gives the possibility of moving in from the surface of the component to radiate a certain direction in a focused manner. The excitation of the surface modes takes place on the surface of a thin metal film with which a spatial periodic structuring of the surface of the semiconductor material is coated. The surface can be grooved or corrugated. The structuring can also be periodic in two independent directions. The direction in which radiation is emitted is significantly influenced by the coordination of the period length of this structuring to the wavelength excited in the radiation-generating layer. If this wavelength changes, the direction in which radiation is emitted by the surface modes changes.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen einfach her- stellbaren Frequenzdemultiplexer anzugeben, bei dem eine scharf begrenzte räumliche Aufspaltung verschiedener Träger¬ frequenzen möglich ist.The object of the present invention is to provide a frequency demultiplexer which is simple to manufacture and in which a sharply delimited spatial splitting of different carrier frequencies is possible.
Diese Aufgabe wird mit dem Frequenzdemultiplexer mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.This object is achieved with the frequency demultiplexer with the features of claim 1. Further configurations result from the dependent claims.
Bei dem erfindungsgemäßen Frequenzdemultiplexer wird von der eingangs erwähnten Tatsache Gebrauch gemacht, daß mittels An- regung von Oberflächenmoden eine scharf gebündelte Abstrah- lung in von der Frequenz abhängige Richtungen erfolgen kann. Bei dem erfindungsgemäßen Aufbau wird eine derartige für die Anregung von Polaritonen geeignete Struktur transversal zu einer Wellenleiterschicht angeordnet und durch geeignete An- passung der Periodenlänge dieser Strukturierung dafür ge¬ sorgt, daß die im interessierenden Frequenzbereich liegenden Trägerfrequenzen über die Anregung von Oberflächenplasmonpo¬ laritonen in verschiedene aus der Wellenleiterebene heraus¬ weisende Richtungen ausgekoppelt werden. Auf die ausgesandte Strahlung werden dabei die auf den Trägerfrequenzen vorhan¬ denen Modulationen übertragen. Jeder Strahlungsrichtung Strahlungsrichtung wird ein eigener Detektor zugeordnet, so daß für die auf verschiedenen Trägern aufmodulierten Signale jeweils ein separater Detektor an einer anderen Position zur Verfügung steht. Dabei braucht nur ein Teil der Strahlungs¬ energie ausgekoppelt zu werden, während der Rest der Strah- lung den Frequenzdemultiplexer ungehindert passiert und an einem Ausgang verläßt. In einer besonderen Ausführungsform kann die Wellenleiterschicht auch als aktive Schicht konzi¬ piert sein, so daß mittels eines angelegten Stromes optische Verstärkung durch induzierte Emission erreicht werden kann. Damit werden die Verluste durch das Auskoppeln von Energie kompensiert.In the frequency demultiplexer according to the invention use is made of the fact mentioned at the outset that, by means of excitation of surface modes, a sharply focused radiation can take place in directions dependent on the frequency. In the construction according to the invention, such a structure suitable for the excitation of polaritons is arranged transversely to a waveguide layer and, by suitably adapting the period length of this structuring, it is ensured that the carrier frequencies lying in the frequency range of interest are excited into different ones by excitation of surface plasmon polaritons Directions pointing out of the waveguide plane are coupled out. The modulations present on the carrier frequencies are transmitted to the emitted radiation. A separate detector is assigned to each radiation direction, see above that a separate detector is available at a different position for the signals modulated on different carriers. Only a part of the radiation energy needs to be decoupled, while the rest of the radiation passes the frequency demultiplexer unhindered and leaves at an output. In a special embodiment, the waveguide layer can also be designed as an active layer, so that optical amplification by induced emission can be achieved by means of an applied current. This compensates for the losses caused by the decoupling of energy.
Es folgt eine Beschreibung der erfindungsgemäßen Anordnung anhand der Figuren 1 bis 4.The arrangement according to the invention is described with reference to FIGS. 1 to 4.
Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Frequenzdemultiplexer als passives Bauelement in einem Längsschnitt. Fig. 2 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel als aktives Bauelement. Fig. 3 und 4 zeigen zwei verschiedene Ausführungsformen in Aufsicht.1 shows a frequency demultiplexer according to the invention as a passive component in a longitudinal section. Fig. 2 shows an alternative embodiment as an active component. 3 and 4 show two different embodiments in supervision.
Bei der Anordnung von Fig. 1 befindet sich eine Wellenleiter¬ schicht 3 zwischen zwei Begrenzungsschichten 2,4 auf einem Substrat 1. Der Weg der Strahlung ist durch die waagerechten Pfeile bezeichnet. Der Brechungsindex der Wellenleiterschicht 3 ist größer als der Brechungsindex der benachbarten Begren¬ zungsschichten 2, 4. Dadurch wird die Wellenführung bewirkt. Für die Ausbildung der Oberflächenstruktur ist eine geson- derte Deckschicht 5 aufgebracht. Wenn die Strukturierung un¬ mittelbar in der Oberfläche der oberen Begrenzungsschicht 4 ausgebildet ist, ist die Deckschicht 5 überflüssig und kann weggelassen sein. Die räumliche periodische Strukturierung besitzt eine Höhe h und eine Periodenlänge Lg wie eingezeich- net. Der Mindestabstand der Oberfläche des Halbleitermateria- les von der Wellenleiterschicht 3 ist der eingezeichnete Ab¬ stand a. Die Strukturierung ist mit einem dünnen (typisch 0,01 μm bis 0,1 μ ) Metallfilm 7 überzogen, der vorteilhaft aus Gold, Silber oder Aluminium besteht. Zur Anregung von Oberflächenmoden höherer Ordnung kann der Metallfilm 7 mit einer Schicht aus Dielektrikum 6 bedeckt sein. Die Seitenflächen des Bauelementes sind durch Aufbringen dielektrischer Entspiegelungsschichten 8, die mindestens die für Lichteintritt und Lichtaustritt vorgesehenen Ränder der Wellenleiterschicht 3 bedecken, entspiegelt. Dadurch werden die Einkopplungsverluste von Strahlung in die Wellenlei- terschicht 3 gering gehalten und ein Anschwingen des Resona¬ tors verhindert. Andernfalls würde sich bei verspiegelten Endflächen eine Laserresonanz in der Wellenleiterschicht 3 ausbilden. Die Entspiegelungsschichten 8 sind aber nicht zwingend erforderlich und können weggelassen sein.In the arrangement of FIG. 1 there is a waveguide layer 3 between two boundary layers 2, 4 on a substrate 1. The path of the radiation is indicated by the horizontal arrows. The refractive index of the waveguide layer 3 is greater than the refractive index of the adjacent boundary layers 2, 4. This causes the wave guidance. A separate cover layer 5 is applied to form the surface structure. If the structuring is formed directly in the surface of the upper boundary layer 4, the cover layer 5 is superfluous and can be omitted. The spatial periodic structuring has a height h and a period length Lg as shown. The minimum distance between the surface of the semiconductor material and the waveguide layer 3 is the distance a shown. The structuring is typical with a thin ( 0.01 microns to 0.1 microns) coated metal film 7, which advantageously consists of gold, silver or aluminum. To excite higher-order surface modes, the metal film 7 can be covered with a layer of dielectric 6. The side surfaces of the component are anti-reflective by applying dielectric anti-reflective layers 8, which cover at least the edges of the waveguide layer 3 intended for light entry and exit. As a result, the coupling losses of radiation into the waveguide layer 3 are kept low and oscillation of the resonator is prevented. Otherwise, a laser resonance would form in the waveguide layer 3 in the case of mirrored end faces. The anti-reflective layers 8 are not absolutely necessary and can be omitted.
Einfallendes Licht wird in der Wellenleiterstruktur (Wellenleiterschicht 3 mit Begrenzungsschichten 2, 4) so ge¬ führt, daß die Anregung von Oberflächenmoden über die gitter- förmige Struktur der Oberfläche stattfinden kann. Die E issi- on der Strahlung durch Anregung der Oberflächenmoden erfolgt in verschiedene Winkel, die von der eingestrahlten Wellen¬ länge abhängen und in der Fig. 1 durch die nach oben von dem Bauelement wegweisenden Pfeile dargestellt sind. Auf diese Weise können verschiedene Trägerfrequenzen räumlich getrennt gleichzeitig detektiert werden. Zu diesem Zweck sind entspre¬ chend der räumlichen Aufteilung der den verschiedenen Träger¬ frequenzen entsprechenden Wellenlängen der nach oben abge¬ strahlten Strahlung verschiedene Detektoren Dl, D2, D3, D4, D5 über dem Bauelement angeordnet. Die Zahl der Detektoren ist selbstverständlich beliebig und nicht wie in diesem Bei¬ spiel auf fünf beschränkt. Statt dieser Detektoren können Glasfasern, ggf. mit einer Einkoppeloptik versehen, dort an¬ geordnet sein. Auf diese Weise können verschiedene Frequenzen auf verschiedene Kanäle verteilt werden. Diese Glasfasern können auch zu Detektoren führen, so daß die Detektoren an beliebigen Stellen angeordnet sein können und die jeweils zu detektierende Strahlung über die Glasfasern dorthin geführt wird. Statt der Glasfasern kann ein weiteres Halbleiterbaue¬ lement mit mehreren integrierten Wellenleitern und Einkoppel- fl chen dort angeordnet sein. Die Oberflächenemission kann auch ohne Anregung von Oberflächenmoden nur mittels Beugung erfolgen. Besonders vorteilhaft ist aber die über Anregung von Oberflächenmoden erzeugte extrem stark gerichtete Strah¬ lung. Die Periodenlänge Lg ist an die typischen in der Wel¬ lenleiterschicht 3 geführten Frequenzen derart angepaßt, daß durch diese eingekoppelten Frequenzen geeignete Oberflächen- moden angeregt werden, so daß die davon emittierte Strahlung in den Raumwinkelbereich ausgesendet wird, in dem zweckmäßig die verschiedenen Detektoren Dl bis D5 oder Glasfasern ange¬ ordnet sind. Das in Fig. 1 dargestellte Bauelement arbeitet passiv (ohne optische Verstärkung) . Die Wellenlänge des ein- gekoppelten Lichtes muß dann größer sein als die Wellenlänge, die dem Energiebandabstand des Halbleitermateriales der Wel¬ lenleiterschicht 3 entspricht. Dann findet in dieser Wellen- leiterschicht keine unerwünschte Absorption der Strahlung statt. Es ist daher möglich, daß die eingekoppelte Strahlung das Bauelement im wesentlichen ungehindert passiert und an der gegenüberliegenden Entspiegelungsschicht 8 austritt. Es werden ggf. nur die für die Detektion vorgesehenen Frequenzen über Anregung von Oberflächenmoden ausgekoppelt. Auf diese Weise können mehrere Frequenzkanäle in einem optoelektroni- sehen ÜbertragungsSystem parallel (gleichzeitig) verarbeitet werden, ohne daß der optische Übertragungsweg unterbrochen werden muß.Incident light is guided in the waveguide structure (waveguide layer 3 with boundary layers 2, 4) such that the excitation of surface modes can take place via the lattice-like structure of the surface. The radiation is emitted by excitation of the surface modes at different angles which depend on the incident wavelength and are shown in FIG. 1 by the arrows pointing upward from the component. In this way, different carrier frequencies can be detected spatially separated at the same time. For this purpose, different detectors D1, D2, D3, D4, D5 are arranged above the component in accordance with the spatial division of the wavelengths of the radiation emitted upwards corresponding to the different carrier frequencies. The number of detectors is of course arbitrary and is not limited to five as in this example. Instead of these detectors, glass fibers, possibly provided with a coupling optic, can be arranged there. In this way, different frequencies can be distributed to different channels. These glass fibers can also lead to detectors, so that the detectors can be arranged anywhere and the radiation to be detected in each case is guided there via the glass fibers becomes. Instead of the glass fibers, a further semiconductor component with several integrated waveguides and coupling surfaces can be arranged there. The surface emission can only take place by means of diffraction without excitation of surface modes. However, the extremely strongly directed radiation generated by excitation of surface modes is particularly advantageous. The period length Lg is adapted to the typical frequencies guided in the waveguide layer 3 in such a way that suitable surface modes are excited by these coupled-in frequencies, so that the radiation emitted thereby is emitted in the solid angle range in which the various detectors D1 to D5 or glass fibers are arranged. The component shown in Fig. 1 works passively (without optical amplification). The wavelength of the injected light must then be greater than the wavelength which corresponds to the energy band gap of the semiconductor material of the waveguide layer 3. Then there is no undesired absorption of the radiation in this waveguide layer. It is therefore possible for the injected radiation to pass through the component essentially unhindered and exit at the opposite anti-reflective layer 8. If necessary, only the frequencies intended for the detection are coupled out via excitation of surface modes. In this way, several frequency channels in an optoelectronic transmission system can be processed in parallel (simultaneously) without having to interrupt the optical transmission path.
Der erfindungsgemäße Frequenzdemultiplexer kann auch als ak- tives Bauelement aufgebaut sein, in dem optische Verstärkung erfolgt. Das Bauelement ist dann ähnlich einer Laserdiode aufgebaut; im Gegensatz zur Laserdiode sind die Endflächen durch geeignete Entspiegelungsschichten 8 so entspiegelt, daß eine Resonanz verhindert wird. Die eingestrahlten Wellenlän- gen müssen im Bereich des Spektrums der Verstärkung liegen, damit im Fall einer Ladungsträgerinversion in der Wellenlei¬ terschicht 3 optische Verstärkung durch induzierte Emission stattfinden kann. Die Wellenlänge des in die Wellenleiter¬ schicht 3 eingestrahlten Lichtes muß außerdem größer sein als die Wellenlänge, die dem Energiebandabstand der Begrenzungs¬ schichten 2, 4 entspricht. Für Strahlung derartiger Wellen- länge wird transversale Wellenführung durch diese Begren¬ zungsschichten 2, 4 bewirkt. Der Energiebandabstand läßt sich durch eine geeignete Zusammensetzung des Halbleitermateriales dieser Begrenzungsschichten 2, 4 an die Wellenlänge der vorgesehenen Strahlung anpassen. Wie im Fall des in Fig. 1 dargestellten passiven Frequenzdemultiplexers werden bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 die in die Wellenleiterschicht 3 eingestrahlten optischen Frequenzkanäle über Anregung von Oberflächenmoden und deren Emission räumlich selektiert ausgekoppelt. Für den aktiven Betrieb sind wie bei einer Laserdiode die an die Wellenleiterschicht 3 angrenzendenThe frequency demultiplexer according to the invention can also be constructed as an active component in which optical amplification takes place. The component is then constructed similarly to a laser diode; in contrast to the laser diode, the end faces are anti-reflective by suitable anti-reflective layers 8 so that resonance is prevented. The incident wavelengths must be in the range of the amplification spectrum, so that in the case of charge carrier inversion in the waveguide layer 3, optical amplification by induced emission can take place. The wavelength of the light radiated into the waveguide layer 3 must also be greater than the wavelength which corresponds to the energy band spacing of the boundary layers 2, 4. For radiation of such wavelength, transverse wave guidance is brought about by these boundary layers 2, 4. The energy band gap can be adapted to the wavelength of the radiation provided by a suitable composition of the semiconductor material of these boundary layers 2, 4. As in the case of the passive frequency demultiplexer shown in FIG. 1, in the exemplary embodiment of FIG. 2 the optical frequency channels radiated into the waveguide layer 3 are coupled out spatially selected by excitation of surface modes and their emission. As with a laser diode, those adjacent to the waveguide layer 3 are for active operation
Halbleitermaterialien für elektrische Leitung einander ent¬ gegengesetzten Leitungstyps dotiert.Semiconductor materials for electrical conduction doped opposite conduction type.
Für das Anlegen der für die Erzeugung der Inversionsbedingun- gen erforderlichen Ströme sind Kontakte 9, 10 vorhanden, die mit den dotierten Begrenzungsschichten 2, 4 elektrisch lei¬ tend verbunden sind. In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 ist ein Kontakt 9 auf der Oberseite und ein Kontakt 10 auf der nicht überwachsenen Unterseite des Substrates 1 aufge- bracht. Wenn der Metallfilm 7 gleichzeitig den Kontakt für den elektrischen Anschluß bildet, kann ein gesonderter Kon¬ takt 9 entfallen. Diese Ausführungsform ist z. B. dann vor¬ teilhaft, wenn die Strukturierung die Oberfläche auf ihrer gesamten Länge bedeckt und ebenso der Metallfilm 7 auf der gesamten Länge des Bauelementes vorhanden ist. Das Substrat 1 und die untere Begrenzungsschicht 2 sind z. B. n-leitend do¬ tiert. Die obere Begrenzungsschicht 4 und die Deckschicht 5 sind dann p-leitend dotiert. Bei einem semiisolierenden Substrat 1 sind beide Kontakte auf der Oberseite aufgebracht, wobei durch-entsprechend dotierte laterale Bereiche eine elektrisch leitende Verbindung des n-Kontaktes mit der unte¬ ren Begrenzungsschicht 2 hergestellt sein muß. Um eine AI- ternative zu der Ausführungsform von Fig. 1 darzustellen, ist in Fig. 2 das Dielektrikum 6 auf dem Metallfilm 7 weggelas¬ sen. Die räumlich periodische Strukturierung der Oberfläche hat nicht wie in Fig. 1 Gitterstruktur mit rechteckigem Längsschnitt sondern eine Gitterstruktur mit gezacktem Längs¬ schnitt. Statt dessen kann das Gitter auch in einer gewellten Oberfläche bestehen oder zweidimensional ausgebildet sein. Die periodische Strukturierung der Oberfläche kann auch zwei¬ dimensional periodisch sein. Es können z. B. zwei senkrecht zueinander angeordnete Scharen von parallel zueinander ange¬ ordneten Stegen oder Gräben mit jeweils gleichen Abständen zu den benachbarten Stegen bzw. Gräben vorhanden sein. Zwangs¬ läufig ergibt sich dann eine Periodizität in jeder Richtung in der Schichtebene, allerdings mit abhängig von der Richtung unterschiedlichen Periodenlängen. Als Länge (Lg) einer Peri¬ ode im Sinn des Anspruchs 1 ist jeweils eine minimale Periode gemeint, wie sie sich jeweils senkrecht zu der betreffenden Schar von Gräben bzw. Stegen ergibt, d. h. bei einer Gitter¬ struktur oder Kreuzgitterstruktur der Oberfläche diejenige(n) Länge(n), die man als Gitterkonstante(n) angeben würde. Es kommen grundsätzlich die verschiedenen in der zitierten EP-A- 0 442 002 beschriebenen Ausführungsformen in Frage. Durch den aktiven Betrieb des Frequenzdemultiplexers können die Auskoppelverluste kompensiert und zusätzlich eine Verstärkung der durchlaufenden Strahlung erreicht werden.For the application of the currents required for generating the inversion conditions, contacts 9, 10 are present, which are electrically conductively connected to the doped boundary layers 2, 4. In the exemplary embodiment in FIG. 2, a contact 9 is applied on the top side and a contact 10 on the underside of the substrate 1, which is not overgrown. If the metal film 7 simultaneously forms the contact for the electrical connection, a separate contact 9 can be omitted. This embodiment is e.g. B. then advantageous if the structuring covers the surface over its entire length and the metal film 7 is also present over the entire length of the component. The substrate 1 and the lower boundary layer 2 are e.g. B. n-conductive doped. The upper boundary layer 4 and the cover layer 5 are then doped in a p-conducting manner. In the case of a semi-insulating substrate 1, both contacts are applied on the upper side, an electrically conductive connection of the n-contact with the lower boundary layer 2 having to be produced by correspondingly doped lateral regions. To be an AI 1, the dielectric 6 on the metal film 7 has been omitted in FIG. 2. The spatially periodic structuring of the surface does not have a lattice structure with a rectangular longitudinal section, as in FIG. 1, but a lattice structure with a serrated longitudinal section. Instead, the grating can also have a corrugated surface or be two-dimensional. The periodic structuring of the surface can also be two-dimensional periodic. It can e.g. For example, two groups of webs or trenches arranged parallel to one another and at mutually equal distances from the adjacent webs or trenches may be present. A periodicity inevitably then results in each direction in the layer plane, but with different period lengths depending on the direction. The length (Lg) of a period in the sense of claim 1 in each case means a minimum period as it results in each case perpendicular to the respective group of trenches or webs, ie, in the case of a lattice structure or cross-lattice structure of the surface, that (n ) Length (n) that would be given as the lattice constant (n). Basically, the various embodiments described in the cited EP-A-0 442 002 come into question. Through the active operation of the frequency demultiplexer, the coupling-out losses can be compensated and the radiation passing through can also be amplified.
Der Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung ist dadurch erweitert, daß die Anordnung der Abstrahlrichtungen durch An¬ ordnung der Gitterstruktur verschieden ausgerichtet werden kann. Wenn als Strukturierung ein Gitter verwendet wird, kann dieses wie in Fig. 1 und 2 dargestellt durch in der Schicht¬ ebene quer zur Ausbreitungsrichtung der Strahlung in der Wel¬ lenleiterschicht 3 verlaufende Stege aus Halbleitermaterial gebildet sein. Diese Gitterstege können aber auch in der Schichtebene relativ zu der Richtung, in der die Strahlung in der Wellenleiterschicht 3 geführt wird, gedreht sein. In den Fig. 3 und 4 sind derartige Gitter in Aufsicht dargestellt. Erkennbar ist jeweils der Weg der ein- und ausgekoppelten Strahlung, die durch die Pfeile dargestellt ist. Die Wellen¬ leiterschicht 3 ist z. B. durch eine der Begrenzungsschichten auch lateral begrenzt, wie das in Fig. 3 und 4 durch die je- weils verdeckte Konturen darstellenden gestrichelten Linien angedeutet ist. Auf der gitterartigen Strukturierung der Oberfläche befindet sich der Metallfilm 7. In Fig. 3 verläuft das Gitter schräg, in Fig. 4 ist die Gitterperiode senkrecht zu der Strahlungsrichtung angeordnet. An den Seitenflächen sind die Entspiegelungsschichten 8 eingezeichnet. Die zweite Ausführungsform (Fig. 4) ist wieder als aktives Bauelement mit einem die gesamte Oberfläche mit Ausnahme des Metallfilmes 7 bedeckenden oberen Kontakt 9 gezeichnet. Die gitterartige Strukturierung der Oberfläche kann auch hier auf der gesamten Länge (in Richtung der Lichtausbreitung in der Wellenleiterschicht) des Bauelementes vorhanden sein.The field of application of the present invention is expanded in that the arrangement of the radiation directions can be oriented differently by arranging the lattice structure. If a grating is used as structuring, this can be formed as shown in FIGS. 1 and 2 by webs of semiconductor material running in the layer plane transverse to the direction of propagation of the radiation in the waveguide layer 3. However, these grating bars can also be rotated in the layer plane relative to the direction in which the radiation is guided in the waveguide layer 3. 3 and 4, such grids are shown in supervision. The path of the coupled and decoupled radiation is shown, which is shown by the arrows. The waveguide layer 3 is e.g. B. also laterally bounded by one of the boundary layers, as is indicated in FIGS. 3 and 4 by the dashed lines representing the respective hidden contours. The metal film 7 is located on the lattice-like structuring of the surface. In FIG. 3 the lattice runs obliquely, in FIG. 4 the lattice period is arranged perpendicular to the radiation direction. The anti-reflective layers 8 are shown on the side surfaces. The second embodiment (FIG. 4) is again drawn as an active component with an upper contact 9 covering the entire surface with the exception of the metal film 7. The lattice-like structuring of the surface can also be present over the entire length (in the direction of light propagation in the waveguide layer) of the component.
Wird das Oberflächengitter mit seiner Richtung der minimalen Gitterperiode längs der Ausbreitungsrichtung des Lichtes im Bauelement ausgerichtet (Fig. 1 und 2), so erfolgt die Emis¬ sion von Oberflächenmoden immer in der Zeichenebene der Fig. 1 und 2, d. h. in der Ebene, die durch die Ausbreitungsrich¬ tung des Lichtes und die Senkrechte auf die Schichtebenen festgelegt ist. Wenn die Ausrichtung der Gitterstruktur wie in den Fig. 3 und 4 innerhalb der Schichtebene um einen Win¬ kel gedreht ist, so findet die Emission in jene Ebene statt, die durch die Senkrechte auf die Schichtebenen und die Rich¬ tung kürzester Gitterperiode in der Schichtebene festgelegt ist. In Fig. 3 erfolgt die Abstrahlung demnach immer in die Ebene, die durch die Senkrechte auf die Schichtebene, d. h. die Zeichenebene, und durch die in der Schichtebene, d. h. Zeichenebene, auf den die Gitterstruktur darstellenden Strecken senkrecht stehende Richtung festgelegt ist. Entspre¬ chend erfolgt die Abstrahlung in Fig. 4 in die Ebene, auf der die Ausbreitungsrichtung des eingekoppelten Lichtes (Richtung der Pfeile) senkrecht steht. Die räumliche Trennung der zu verschiedenen Trägerfrequenzen gehörenden Emissionen erfolgt jeweils durch unterschiedliche Strahlungsrichtungen in diesen bezeichneten Ebenen. Die räum¬ liche Auffächerung der ausgesandten Strahlung, die in den Längsschnitten der Fig. 1 und 2 jeweils in der der Zeichen¬ ebene entsprechenden Ebene erfolgt, findet z. B. bei dem Aus¬ führungsbeispiel der Fig. 4 in derjenigen Ebene statt, die man erhält, wenn man die vorher bezeichnete Ebene der Fig. 1 und 2 um eine Senkrechte auf die Schichtebenen um einen rech- ten Winkel dreht. Die Detektoren sind daher bei dem Ausfüh¬ rungsbeispiel der Fig. 4 längs einer Linie anzuordnen, die senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Lichtes in der Wellen¬ leiterschicht 3 verläuft. Somit kann also mit dem erfindungs¬ gemäßen Bauelement Lichtemission in Richtungen erfolgen, die eine zu der ursprünglichen Ausbreitungsrichtung laterale Kom¬ ponente enthalten. Auf diese Art und Weise kann eine optische Weiche realisiert"werden, die Licht von der ursprünglichen Ausbreitungsrichtung weg in verschiedene andere Richtungen steuert.If the surface grating with its direction of the minimum grating period is aligned along the direction of propagation of the light in the component (FIGS. 1 and 2), the emission of surface modes always takes place in the plane of the drawing in FIGS. 1 and 2, ie in the plane that is determined by the direction of propagation of the light and the perpendicular to the layer planes. If the orientation of the lattice structure is rotated by one angle within the layer plane as in FIGS. 3 and 4, the emission takes place in that plane which is due to the perpendicular to the layer planes and the direction of the shortest lattice period in the layer plane is set. In Fig. 3, the radiation therefore always takes place in the plane which is defined by the perpendicular to the layer plane, ie the plane of the drawing, and by the layer plane, ie the plane of the drawing, on the direction perpendicular to the lines representing the lattice structure. 4 is emitted in the plane on which the direction of propagation of the injected light (direction of the arrows) is perpendicular. The spatial separation of the emissions belonging to different carrier frequencies takes place in each case by different radiation directions in these designated planes. The spatial fanning out of the emitted radiation, which takes place in the longitudinal sections of FIGS. 1 and 2 in the plane corresponding to the plane of the drawing, takes place e.g. For example, in the embodiment of FIG. 4, this takes place in the plane that is obtained when the previously designated plane of FIGS. 1 and 2 is rotated through a perpendicular to the layer planes by a right angle. In the exemplary embodiment in FIG. 4, the detectors are therefore to be arranged along a line which runs perpendicular to the direction of propagation of the light in the waveguide layer 3. Thus, the component according to the invention can thus emit light in directions which contain a component which is lateral to the original direction of propagation. In this way, an optical switch can be realized which controls light from the original direction of propagation in various other directions.
Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Frequenzdemulti- plexers ist der einfache Schichtaufbau, der nur an der Ober¬ fläche strukturiert werden muß. Es lassen sich auf einfache Weise aktive und passive Bauelemente realisieren. Die Ab- Strahlung durch Anregung von Oberflächenmoden erfolgt extrem gebündelt und damit je nach Frequenz der anregenden Strahlung räumlich scharf voneinander getrennt. Diese Eigenschaft macht die erfindungsgemäße Anordnung für das Trennen und De- tektieren von Signalen auf verschiedenen Frequenzkanälen be- sonders geeignet. 7 Patentansprüche 4 Figuren A particular advantage of the frequency demultiplexer according to the invention is the simple layer structure, which only has to be structured on the surface. Active and passive components can be easily implemented. The radiation by excitation of surface modes is extremely bundled and spatially separated from each other depending on the frequency of the exciting radiation. This property makes the arrangement according to the invention particularly suitable for the separation and detection of signals on different frequency channels. 7 claims 4 figures

Claims

Patentansprüche: Claims:
1. Frequenzdemultiplexer aus Halbleitermaterial, bei dem eine Wellenleiterschicht (3) zwischen Begrenzungs- schichten (2, 4) angeordnet ist, bei dem auf einer zu den Schichtebenen parallelen äußeren Oberfläche des Halbleitermaterials eine räumliche periodische Strukturierung vorhanden ist, bei dem zumindest in einem Bereich dieser Strukturierung ein Metallfilm (7) aufgebracht ist, bei dem die Höhe (h) dieser Strukturierung und die Länge (Lg) jeweils einer Periode dieser Strukturierung, die Dicke des Metallfilms (7) und der Abstand (a) dieses Metallfilms (7) von der Wellenleiterschicht (3) so bemessen sind, daß durch in dieser Wellenleiterschicht (3) geführte Strahlung an der der Wellenleiterschicht (3) abgewandten Oberfläche des Me¬ tallfilms (7) Oberflächenmoden angeregt werden, und bei dem oberhalb des Metallfilms (7) in verschiedenen Rich¬ tungen, in die von diesen Oberflächenmoden Strahlung ausge- sendet wird, Einrichtungen für die Aufnahme dieser Strahlung angeordnet sind.1. Frequency demultiplexer made of semiconductor material, in which a waveguide layer (3) is arranged between boundary layers (2, 4), in which a spatial periodic structuring is present on an outer surface of the semiconductor material parallel to the layer planes, in which at least in one area this structuring a metal film (7) is applied, in which the height (h) of this structuring and the length (Lg) of a period of this structuring, the thickness of the metal film (7) and the distance (a) of this metal film (7) from the waveguide layer (3) are dimensioned such that surface modes are excited by radiation guided in this waveguide layer (3) on the surface of the metal film (7) facing away from the waveguide layer (3), and in different ways above that of the metal film (7) Directions in which radiation is emitted by these surface modes, devices for receiving this radiation are arranged are.
2. Frequenzdemultiplexer nach Anspruch 1, bei dem die Wellenleiterschicht (3) ein für Strahlungserzeu- gung geeignetes Halbleitermaterial ist, bei dem die Halbleitermaterialien auf verschiedenen Seiten der Wellenleiterschicht (3) für elektrische Leitung einander entgegengesetzten Leitungstyps dotiert sind und bei dem Kontakte (9, 10) vorhanden sind, die jeweils mit die- sen dotierten Halbleitermaterialien elektrisch leitend ver¬ bunden sind.2. Frequency demultiplexer according to claim 1, in which the waveguide layer (3) is a semiconductor material suitable for generating radiation, in which the semiconductor materials on different sides of the waveguide layer (3) are doped for electrical conduction of opposite conduction type and in which contacts (9, 10) are present, each of which is electrically conductively connected to these doped semiconductor materials.
3. Frequenzdemultiplexer nach Anspruch 1 oder 2, bei dem für Lichteintritt und Lichtaustritt vorgesehene Rän- der der Wellenleiterschicht (3) mit Entspiegelungsschichten (8) versehen sind. 3. Frequency demultiplexer according to claim 1 or 2, in which the edges of the waveguide layer (3) provided for light entry and light exit are provided with anti-reflective layers (8).
4. Frequenzdemultiplexer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Strukturierung eine minimale Periode in einer zu den Schichtebenen parallelen Richtung aufweist, die von der Richtung, in der die Strahlung in der Wellenleiterschicht (3) geführt wird, verschieden ist.4. Frequency demultiplexer according to one of claims 1 to 3, wherein the structuring has a minimum period in a direction parallel to the layer planes, which is different from the direction in which the radiation is guided in the waveguide layer (3).
5. Frequenzdemultiplexer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Strukturierung in jeder zu den Schichtebenen pa¬ rallelen Richtung periodisch ist.5. Frequency demultiplexer according to one of claims 1 to 4, in which the structuring is periodic in each direction parallel to the layer planes.
6. Frequenzdemultiplexer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Einrichtungen für die Aufnahme der Strahlung De¬ tektoren (Dl, D2, D3, D4, D5) sind.6. Frequency demultiplexer according to one of claims 1 to 5, in which the devices for receiving the radiation are detectors (D1, D2, D3, D4, D5).
7. Frequenzdemultiplexer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Einrichtungen für die Aufnahme der Strahlung Glasfasern sind. 7. Frequency demultiplexer according to one of claims 1 to 5, in which the means for receiving the radiation are glass fibers.
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