усовершенствованное устройство интегральной оптики

Формула изобретения

1. Устройство интегральной оптики, содержащее первое и второе устройства, выполненные с возможностью оптического взаимодействия друг с другом и выполненные в первой и второй разных материальных системах так, что, по меньшей мере, одно из них имеет смешанную область квантовой ямы (СКЯ), находящуюся в пределах области взаимодействия между первым и вторым устройствами или же в непосредственной близости от этой области, отличающееся тем, что первая материальная система представляет собой материальную систему на полупроводниковом материале типа III-V и вторая материальная система представляет собой материальную систему, отличную от полупроводникового материала типа III-V.

2. Устройство интегральной оптики по п.1, отличающееся тем, что указанный полупроводниковый материал типа III-V включает в свой состав одно или несколько из следующих соединений: арсенид галлия (GaAs), арсенид алюминия-галлия (AlGaAs), фосфид индия (InP), арсенид-фосфид галлия (GaAsP), арсенид-фосфид алюминия-галлия (AlGaAsP) и/или арсенид-фосфид индия-галлия (InGaAsP).

3. Устройство интегральной оптики по любому из п.1 или 2, отличающееся тем, что вторую материальную систему выбирают из следующих соединений, элементов или материалов: кварц (SiO₂), кремний (Si), ниобат лития (LiNbO₃), полимер или стекло, любой из которых по усмотрению легируется оптически активным материалом.

4. Устройство интегральной оптики по п.1, отличающееся тем, что указанное первое устройство представляет собой либо включает в себя оптически активное устройство.

5. Устройство интегральной оптики по п.4, отличающееся тем, что указанное оптически активное устройство выбирают как одно из следующих устройств: лазерный диод, светоизлучающий диод (СИД), оптический модулятор, оптический усилитель, оптический переключатель или оптический детектор.

6. Устройство интегральной оптики по п.1, отличающееся тем, что второе устройство представляет собой либо включает в себя оптически пассивный элемент устройства.

7. Устройство интегральной оптики по п.6, отличающееся тем, что указанный оптически пассивный элемент устройства представляет собой пассивный волновод.

8. Устройство интегральной оптики по п.1, отличающееся тем, что указанная область взаимодействия снабжена средствами, которые обеспечивают согласование между указанными первым и вторым устройствами по моде колебаний.

9. Устройство интегральной оптики по п.1, отличающееся тем, что первое устройство снабжается смешанной областью квантовой ямы (СКЯ).

10. Устройство интегральной оптики по п.18, отличающееся тем, что первое устройство снабжается смешанной областью квантовой ямы (СКЯ).

11. Устройство интегральной оптики по п.10, отличающееся тем, что указанное средство согласования по моде колебаний представляет собой волновод, которым снабжено указанное первое устройство, причем указанный волновод является волноводом переменного сечения с плавным волноводным переходом, выполняемым с обеспечением линейного изменения его по ширине, нелинейного изменения его по ширине и/или с периодическим или же апериодическим разбиением его на сегменты.

12. Устройство интегральной оптики по п.1, отличающееся тем, что указанная область взаимодействия снабжена средствами, предназначенными для гашения отраженных лучей, которые расположены на поверхности раздела между указанными первым и вторым устройствами или же в непосредственной близости от этой поверхности.

13. Устройство интегральной оптики по п.12, отличающееся тем, что указанные средства, предназначенные для гашения отраженных лучей, представляют собой неотражающее покрытие, наносимое на внешнюю грань указанного первого устройства по поверхности раздела между указанными первым и вторым устройствами.

14. Устройство интегральной оптики по п.12, отличающееся тем, что указанные средства, предназначенные для отраженных лучей, представляют собой внешние грани указанных первого и второго устройств на поверхности раздела между указанными первым и вторым устройствами, причем указанные внешние грани сформированы под острым углом по отношению к предполагаемому направлению оптической передачи.

15. Устройство интегральной оптики по п.13, отличающееся тем, что указанные средства, предназначенные для отраженных лучей, представляют собой внешние грани указанных первого и второго устройств на поверхности раздела между указанными первым и вторым устройствами, причем указанные внешние грани сформированы под острым углом по отношению к предполагаемому направлению оптической передачи.

16. Устройство интегральной оптики по п.1, отличающееся тем, что первая волноводная секция, находящаяся в указанном первом устройстве, а возможно также и вторая волноводная секция, находящаяся в указанном втором устройстве, выполнена изогнутой.

17. Устройство интегральной оптики по п.1, отличающееся тем, что в нем предусматривается, чтобы исполнение указанного устройства интегральной оптики рассчитано было на работу в диапазоне длин волн от 600 до 1300 нм, либо от 1200 до 1700 нм.

18. Устройство интегральной оптики по п.1, отличающееся тем, что оно выполнено объединенным с оптической интегральной схемой или оптоэлектронной интегральной схемой, или фотонной интегральной схемой.

19. Способ изготовления устройства интегральной оптики, имеющего гибридную интегральную схему, состоящую из первого и второго устройств, выполненных соответственно в первой и второй материальных системах, причем первая материальная система представляет собой материальную систему на полупроводниковом материале типа III-V и вторая материальная система представляет собой материальную систему, отличную от полупроводникового материала типа III-V, предусматривающий формирование в одном - первом или втором - из указанных устройств смешанной области квантовой зоны (СКЯ), находящейся в пределах области взаимодействия между указанными первым и вторым устройствами или же в непосредственной близости от этой области.

20. Способ по п.19, отличающийся тем, что для формирования указанной смешанной области квантовой ямы (СКЯ) в указанном первом устройстве предусматривается выполнение следующих операций: отложение на поверхности указанного первого устройства соответствующего диэлектрического слоя, отжиг указанного первого устройства и, необязательно, удаление указанного диэлектрического слоя.

Описание изобретения к патенту

Область техники

Настоящее изобретение относится к усовершенствованному устройству интегральной оптики, или к оптоэлектронному устройству, и конкретно касается интегральной схемы из устройств, выполненных в разных материальных системах, в частности гибридной интегральной схемы полупроводниковых устройств на полупроводниках типа III-V с пассивными волноводными структурами.

Уровень техники

Гибридные интегральные схемы с полупроводниковыми элементами на полупроводниках типа III-V с пассивными волноводами все шире используются как способ расширения функциональных возможностей интегральных оптических и фотонных систем. В число возможных применений входят: оптические системы связи, использование при оптическом считывании и оптическая обработка данных.

Фундаментальной проблемой в области гибридных интегральных схем является то, что полупроводниковый элемент имеет более высокий показатель преломления, чем пассивный волновод. В случае для полупроводникового элемента на полупроводнике типа III-V, объединенного в одно целое на плоском кварцевом /SiO₂/ основании, типичные значения показателя преломления составляют примерно 3,6 для полупроводника и 1,5 для кварца. Такое различие в значениях показателя преломления приводит к возникновению целого ряда проблем, например наблюдается высокое значение коэффициента отражения на поверхности раздела между этими двумя устройствами, а размерный параметр моды колебаний в каждом из этих двух устройств разный. В результате совместного влияния этих явлений наблюдаются потери в оптической силе и снижение эффективности взаимодействия между этими двумя устройствами, а также рассеяние света и нежелательные отражения.

Целью настоящего изобретения является полное устранение или, по меньшей мере, некоторое сглаживание одной или нескольких из вышеупомянутых эффектов, известных из существующего уровня техники, в данной области.

Другие цели, поставленные при разработке различных вариантов осуществления настоящего изобретения, заключаются в следующем:

создание такой гибридной интегральной схемы, которая бы обеспечивала хорошее согласование между активными и пассивными секциями по моде колебаний;

была проста в изготовлении,

обеспечивала низкие потери при взаимодействии между активными и пассивными частями.

Раскрытие изобретения

В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения предложено устройство интегральной оптики, содержащее первое и второе устройства, оптически взаимодействующие одно с другим и выполненные в первой и второй, разных, материальных системах, причем, по меньшей мере, одно из указанных - первое или второе - устройство имеет смешанную область квантовой ямы (СКЯ), находящуюся в пределах области взаимодействия между первым и вторым устройствами или же в непосредственной близости от этой области.

Смешивание квантовой ямы (СКЯ) позволяет провести осуществляемую после выращивания модификацию края полосы поглощения материала множественной квантовой ямы (МКЯ) и, следовательно, обеспечить гибкий, надежный, простой и дешевый метод изготовления по сравнению с другими используемыми процедурами получения интегральных схем, к примеру такими, каковыми являются избирательная зонная эпитаксия или избирательное травление и рекристаллизация.

Смешивание квантовой ямы (СКЯ) представляет собой средство подконтрольного регулирования края полосы поглощения в структурах квантовой ямы (КЯ) и может быть использовано при изготовления дешевых интегральных схем с оптронными связями между объединенными в одно монолитное целое устройствами интегральной оптики или оптоэлектронными устройствами с интегральной схемой.

В качестве первой материальной системы может быть использована полупроводниковая материальная система на полупроводнике типа III-V. Материал полупроводника типа III-V может быть выбран из следующих соединений или же включать в свой состав одно или несколько из следующих соединений: арсенид галлия (GaAs), арсенид алюминия-галлия (AIGaAs), фосфид индия (InP), арсенид-фосфид галлия (GaAsP), арсенид-фосфид алюминия-галлия, арсенид-фосфид индия-галлия (InGaAsP), либо прочие аналогичные соединения.

В качестве второй материальной системы может быть использован материал полупроводника какого-либо другого типа, а не типа III-V. Вторая материальная система может быть выбрана из следующих соединений, элементов или материалов: кварц (SiO₂), кремний (Si), ниобат лития (LiNbO ₃), полимер, стекло либо иные аналогичные материалы, любой из которых может быть легирован оптически активным материалом.

Первое устройство может представлять собой либо включать в себя какой-либо активный элемент устройства, к примеру такой, как лазерный диод, светоизлучающий диод (СИД), оптический модулятор, оптический усилитель, оптический переключатель или переключающий элемент, оптический детектор (например, фотодиод) либо иные аналогичные устройства. Кроме того, первое устройство может также включать в себя и какой-либо пассивный элемент устройства, к примеру такой, каковым является пассивный волновод.

Второе устройство может представлять собой, либо включать в себя какой-либо пассивный элемент, к примеру, такой, каковым является пассивный волновод.

Предпочтительно, чтобы область взаимодействия была снабжена средствами, которые обеспечивали бы, по меньшей мере, существенное согласование между первым и вторым устройствами по моде колебаний.

В одном из конкретных вариантов своего исполнения первое устройство снабжается смешанной областью квантовой ямы (КЯ).

В этом одном из вариантов исполнения первого устройства предусматриваются также соответствующие средства согласования по модам колебаний, которые могут представлять собой волновод, которым снабжено первое устройство, причем указанный волновод может являться так называемым "волноводом с плавным волноводным переходом", выполняемым с обеспечением линейного изменения его по ширине, нелинейного изменения его по ширине и/или с "периодическим" или же "апериодическим" разбиением его на сегменты.

Предпочтительно было бы, чтобы область взаимодействия была снабжена соответствующими средствами, гасящими отраженные лучи, которые располагались бы на поверхности раздела между первым и вторым устройствами или же в непосредственной близости от этой поверхности.

Такие средства, гасящие отраженные лучи, могут представлять собой, либо включать в себя какое-нибудь неотражающее покрытие, наносимое на внешнюю грань первого устройства по поверхности раздела между первым и вторым устройствами.

Кроме того, такие средства, гасящие отраженные лучи, могут также представлять собой либо включать в себя обеспечение соответствующего расположения внешних граней первого и второго устройств на поверхности раздела между первый и вторым устройствами, причем указанные внешние грани формируются под (острым) углом по отношению к предполагаемому направлению оптической передачи. Следовательно, такие внешние грани могут называться "расположенными под углом внешними гранями".

В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения первая волноводная секция, находящаяся в первом устройстве, а предпочтительно - также и вторая волноводная секция, находящаяся во втором устройстве, выполнена(ы) изогнутой(ыми).

Предлагаемое устройство интегральной оптики может быть выполнено таким образом, чтобы работать в диапазоне длин волн от 600 до 1300 нм либо от 1200 до 1700 нм.

В соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения обеспечивается создание оптической интегральной схемы или же оптоэлектронной интегральной схемы, либо фотонной интегральной схемы, включающей в себя, по меньшей мере, одно устройство интегральной оптики, выполненное с учетом указанной первой особенности настоящего изобретения.

В соответствии с третьей особенностью настоящего изобретения обеспечивается создание аппарата, включающего в себя, по меньшей мере, одно устройство интегральной оптики, при этом указанное, по меньшей мере, одно устройство интегральной оптики содержит первое и второе устройства, оптически взаимодействующие одно с другим и выполненные в первой и второй материальных системах, причем, по меньшей мере, одно из указанных - первое ила второе - устройство имеет смешанную область квантовой ямы (СКЯ), находящуюся в пределах области взаимодействия между первым и вторым устройствами или же в непосредственной близости от этой области.

В соответствии с четвертой особенностью настоящего изобретения обеспечивается создание способа изготовления устройства интегральной оптики, имеющего гибридную интегральную схему, состоящую из первого и второго устройств, выполненных соответственно в первой и второй материальных системах, который предусматривает:

обеспечение одного - первого или второго - из указанных устройств смешанной областью квантовой ямы (СКЯ), находящейся в пределах области взаимодействия между первым и вторым устройством или же в непосредственной близости от этой области.

Указанная смешанная область квантовой ямы (СКЯ) может быть сформирована целым рядом различных способов, но предпочтительным среди них является универсальный способ создания искусственных повреждений, называемый диффузией свободных вакансий для примеси (ДСВП).

В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения указанная смешанная область квантовой ямы (СКЯ) может быть сформирована в первом устройстве посредством перемешивания квантовых(ой) ям(ы) (КЯ), имеющихся(ейся) в световодном слое сердцевины первого устройства, например, благодаря диффузии свободных вакансий для примеси (ДСВП).

При осуществлении диффузии свободных вакансий для примеси (ДСВП) по верхнему кроющему слою материала полупроводника типа III-V, содержащего первое устройство, осаждается слой или пленка диэлектрика, например кварца. При последующем быстром термическом отжиге полупроводникового материала происходит разрушение связей внутри полупроводникового сплава, например связей ионов или атомов галлия, которые восприимчивы к кварцу (SiO₂), что сопровождается растворением их в кварце, в результате чего в кроющем слое образуются вакансии. Затем эти вакансии диффундируют через полупроводниковый материал, вызывая при этом перемешивание слоя, например в квантовой(ых) яме(ах).

По диффузии свободных вакансий опубликована следующая статья: "Количественная модель для кинетики композиционного перемешивания в гетероструктурах типа арсенид галлия - арсенид алюминия-галлия с квантовым ограничением" Хелми и др., Общество инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (ОЙЭР), Журнал избранных тел по квантовой электронике", том 4, №4, июль-август 1998 г., стр.653-660, содержание которой включается в данное описание изобретения посредством ссылки на нее.

В соответствии с пятым аспектом настоящего изобретения обеспечивается создание первого устройства, упоминавшегося выше в приведенном описании при рассмотрении первой особенности настоящего изобретения.

Краткое описание чертежей

Ниже следует описание вариантов осуществления настоящего изобретения, которые приводятся исключительно для примера. Описание ведется со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг.1(а) изображает схематический вид первого полупроводникового кристалла интегральной схемы, объединенного в одно целое с пассивной фотонной интегральной схемой (ФИС), в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения;

Фиг.1(б-г) - схематические виды второго, третьего и четвертого полупроводниковых кристаллов интегральной схемы, выполненных с обеспечением возможности объединения их в одно целое с пассивной фотонной интегральной схемой (ФИС), аналогичной той или точно такой же, как та, что показана на фиг.1(а), в соответствии с настоящим изобретением;

фиг.2(а) - схематический вид в плане для пятого полупроводникового кристалла интегральной схемы в соответствии с настоящим изобретением;

фиг.2(б) - схематический вид в плане для пятого полупроводникового кристалла интегральной схемы согласно фиг.2(а), объединенного в одно целое с пассивной фотонной интегральной схемой (ФИС), в соответствии с пятым вариантом осуществления настоящего изобретения;

фиг.3 - схематический вид в поперечном разрезе с торца, показывающий возможное строение слоев для полупроводникового кристалла интегральной схемы, в соответствии с шестым вариантом осуществления настоящего изобретения;

фиг.4 - схематический вид в перспективе с одного торца показанного на фиг.3 полупроводникового кристалла интегральной схемы при виде на него немного сверху с отклонением в одну сторону;

фиг.5 - схематический вид в перспективе с одного торца, если смотреть немного сверху с отклонением в одну сторону, для полупроводникового кристалла интегральной схемы в соответствии с седьмым вариантом осуществления настоящего изобретения.

Подробное описание изобретения

Начнем с фиг.1(а), на которой показано устройство интегральной оптики, обозначенное, в общем, позицией 5а, которое выполнено в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения и содержит первое и второе устройства соответственно 10а и 15а, причем первое и второе устройства 10а и 15а оптически взаимодействуют одно с другим и выполнены соответственно в первой и второй отличающихся друг от друга материальных системах, при этом, по меньшей мере, одно - первое или второе - из указанных устройств соответственно 10а и 15а имеет смешанную область квантовой ямы (СКЯ) 20а, находящуюся в пределах области взаимодействия 21а между первым в вторым устройствами 10а в 15а или же в непосредственной близости от этой области.

В данном варианте осуществления настоящего изобретения в качестве первой материальной системы использована полупроводниковая материальная система на полупроводнике типа III-V, основанная либо на арсениде галлия (GaAs), либо на фосфиде индия (InP). Например, полупроводниковая материальная система на полупроводнике типа III-V может быть выбрана из следующих соединений или же включать в свой состав одно или несколько следующих соединений: арсенид галлия (GaAS), арсенал алюминия-галлия (AlGaAs), а также фосфид индия (InP), арсенид-фосфид галлия (GaAsP), арсенид-фосфид алюминия-галлия (AlGaAsP), арсенид-фосфид индия-галлия (InGaAsP) либо другие аналогичные соединения. Поэтому устройство интегральной оптики 5а может быть выполнено таким образом, чтобы работать в диапазоне длин так называемых "коротких" волн от 600 до 1300 нм или в диапазоне длин так называемых "длинных" волн от 1200 до 1700 нм.

В качестве второй материальной системы использован материал полупроводника уже другого типа, а не типа III-V, а выбрать его можно из следующих соединений, элементов или материалов: кварц (SiO₂), кремний (Si), ниобат лития (LiNbO₃), полимер, стекло либо какие-нибудь иные аналогичные материалы.

Первое устройство 10а содержит активный элемент 22а устройства, который выбирается среди следующих типов таких устройств: лазерный диод, светоизлучающий диод (СИД), оптический модулятор, оптический усилитель, оптический переключающий элемент, оптический детектор (например, фотодиод) либо какое-нибудь другое аналогичное устройство. Активный элемент 22а устройства находится на некотором расстоянии от смешанной области квантовой ямы (СКЯ) 20а, при этом активный элемент 22а устройства и пассивная смешанная область квантовой ямы (СКЯ) 20а находятся в оптической связи друг с другом, осуществляемой через волновод 23а, к примеру такой, как гребенчатый волновод.

Второе устройство 15а в данном варианте осуществления настоящего изобретения включает в себя пассивный элемент устройства, выполненный в виде пассивного волновода 16а.

Область взаимодействия 21а снабжена соответствующими средствами, гасящими отраженные лучи, которые располагаются на поверхности раздела между первым и вторым устройствами 10а и 15а или же в непосредственной близости от этой поверхности. Такие средства, гасящие отраженные лучи, представляют собой неотражающее покрытие 25а, наносимое на торцевую внешнюю грань, имеющуюся на первом устройстве 10а и располагающуюся на поверхности раздела между первым и вторым устройствами 10а и 15а.

В другой своей модификации такие средства, гасящие отраженные лучи, могут также представлять собой обеспечение соответствующего расположения внешних граней первого и второго устройств 10а и 15а на поверхности раздела между первым и вторым устройствами 10а и 15а, причем указанные внешние грани формируются под острым углом по отношению к предполагаемому направлению оптической передачи вдоль волноводов 23а и 16а. В такой модификации указанные внешние грани могут называться "расположенными под углом внешними гранями".

Далее перейдем к фиг.1(б), на которой показан второй вариант исполнения первого устройства 10b, представляющего собой часть устройства интегральной оптики, выполненного в соответствии с настоящим изобретением, где одинаковые детали устройства 10b, идентичные соответствующим деталям для первого варианта осуществления настоящего изобретения, обозначены одними и теми же номерами позиций, но с другим индексом, в данном случае - "b". В упомянутом втором варианте осуществления настоящего изобретения волновод 23b включает в себя искривленный участок 30b, предназначенный для того, чтобы улучшить оптическую связь между первым устройством 10b и вторым устройством /не показано/, благодаря уменьшению отражений на поверхности раздела между первым устройством 10b и вторым устройством.

Перейдем теперь к фиг.1(в), на которой показан третий вариант исполнения первого устройства, обозначенного, в общем, позицией 10с и представляющего собой часть устройства интегральной оптики, выполненного в соответствии с рассматриваемым вариантом осуществления настоящего изобретения. Устройство 10с аналогично устройству 10а, выполненному в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения, причем одинаковые детали третьего варианта, идентичные соответствующим деталям для первого варианта, обозначены одними и теми же номерами позиций, но с другим индексом, в данном случае - "с". Однако, как показано на фиг.1(в), волновод 23с включает в себя у своего конца, примыкающего к области взаимодействия со вторым устройством (не показано), область переменного сечения 30с, которая во время работы обеспечивает расширение оптической моды колебаний типа "М", передаваемых вдоль волновода 23с, в процессе прохождения ими по оптическому волноводу 23с перед выходом их из первого устройства 10с с прохождением перед этим ими по области переменного сечения 30с. Обратное, разумеется, применимо в отношении оптической связи с первым устройством 10с со стороны второго устройства (не показано).

Далее обратимся к фиг.1(г), на которой показан четвертый вариант исполнения первого устройства 10d, представляющего собой часть устройства интегральной оптики, выполненного в соответствии с рассматриваемым вариантом осуществления настоящего изобретения. Первое устройство 10d по существу аналогично устройству 10а, выполненному в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения, причем одинаковые детали четвертого варианта, идентичные соответствующим деталям для первого варианта, обозначены одними и теми же номерами позиций, но с другим индексом, в данном случае - "d". Однако в первом устройстве 10d волновод 23 d| включает в себя у своего конца, примыкающего к области взаимодействия со вторым устройством (не показано), искривленную область переменного сечения 30d|. Таким образом, первое устройство 10d объединяет в себе признаки таких же устройств, применяемых в вариантах осуществления настоящего изобретения, показанных на фиг.1(б) и (в).

Специалистам в данной области техники очевидно, что для осуществления электрического управления первыми устройствами 10а-10d необходимо обеспечить наличие соответствующего электрического контакта (получаемого посредством металлизации) на поверхности волновода 23a-23d, а также необходимо будет предусмотреть еще один электрический контакт (получаемый посредством металлизации), но уже на противоположной поверхности устройства 10а-10d.

Кроме того, специалистам в данной области техники очевидно, что модификации, показанные для второго, третьего и четвертого вариантов исполнения первого устройства, соответственно 10b, 10с и 10d, направлены на улучшение оптической связи между первым устройством 10b, 10с, 10d и вторым устройством (не показано).

Помимо этого, специалистам в данной области техники также очевидно, что смешанная область 20a-20d действует таким образом, чтобы предотвратить или же, по меньшей мере, уменьшить поглощение света в смешанной области 20a-20d, примыкающей к области взаимодействия 20a-20d. В особенности, это обстоит так при наличии искривленного участка 30b на волноводе, имеющем переменное сечение.

К тому же, специалистам в данной области техники также очевидна, что хотя в ведущемся здесь описании участки 30с и 30d волновода и называются участками "переменного сечения", тем не менее оптическая мода колебаний, передаваемых по ним в направлении к соответствующему торцу первого устройства 10с-10d, примыкающему ко второму устройству (не показано), фактически расходится в виде раструба.

Перейдем теперь к рассмотрению фиг.2(а) и (б), на которых показано устройство интегральной оптики, обозначенное, в общем, позицией 5е, и которое выполнено в соответствии с пятым вариантом осуществления настоящего изобретения. Устройство 5е содержит первое и второе устройства соответственно 10е в 15е, оптически взаимодействующие одно с другим и выполненные соответственно в первой и второй разных материальных системах, причем первое устройство 10е имеет смешанную область квантовой ямы (СКЯ) 20е, находящуюся в непосредственной близости от области взаимодействия 21е между первым в вторым устройствами 10е и 15е. Как показано на фиг.2(а) и (б), волновод 23е первого устройства 10е содержит искривленную область переменного сечения 30е, примыкающую к области взаимодействия 21е между первым и вторым устройствами 10е и 15е. Кроме того, предусматривается также наличие неотражающего покрытия 25е, наносимого в пределах зоны взаимодействия 21е на торцевую внешнюю грань первого устройства 10е. Кроме того, пассивный волновод 16е второго устройства 15е также выполнен искривленным на подходе к участку 30е, тем самым как бы дополняя его, чтобы способствовать установлению лучшей оптической связи между первым и вторым устройствами 10е и 15е.

Далее перейдем к фиг.3 и 4, на которых показан шестой вариант исполнения первого устройства, обозначенного, в общем, позицией 10f и выполненного в соответствии с рассматриваемым вариантом осуществления настоящего изобретения. Одинаковые детали устройства 10f, идентичные соответствующим деталям для устройства 10а, выполненного в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения, показанным на фиг.1(а), обозначены одними и теми же номерами позиций, но с другим индексом, в данном случае - "f".

Устройство 10f содержит подложку 50f, выполненную из арсенида галлия, на которой выращен целый ряд эпитаксиальных слоев в соответствии с известными методами их выращивания, к примеру такими, как молекулярная эпитаксия (МЭ) или же химическое осаждение из паров металлоорганических соединений (ХОПМС). Эти слои складываются из первого слоя 55f арсенида алюминия-галлия (Al_0,50Ga_0,50As), легированного донорной примесью и имеющего толщину от 0,5 мкм до 1 мкм, второго слоя 60f арсенида алюминия-галлия (Al_0,40Ga_0,60 As), легированного донорной примесью и имеющего толщину 5 мкм, и третьего, сердцевинного слоя 70f арсенида алюминия-галлия (Al _0,20Ga_0,80As), по существу, с собственной электропроводностью, имеющего толщину 0,5 мкм и включающего в себя квантовую яму (КЯ) из арсенида галлия толщиной 10 нм, причем все эти слои перечислены здесь в порядке их выращивания. На сердцевинном слое 65f выращен слой 75f арсенида алюминия-галлия (Al_0,40 Ga_0,60As), легированный акцепторной примесью и имеющий толщину 1 мкм, и наконец, на этом слое выращен кроющий контактный слой 80f арсенида-галлия, сильнолегированный акцепторной примесью. Как показано на фиг.3, предусмотрено наличие гребенчатого волновода 23f, сформированного на слоях 75f и 80f в соответствии с известными фотолитографическими методами. Кроме того, в данном варианте осуществления настоящего изобретения предусматривается наличие также и второго, более широкого гребня, или мезаструктуры, 35f, сформированной на слоях 65f и 60f. Таким образом, гребенчатый волновод 23f представляет собой первичный волновод, в то время как мезаструктура 35f фактически представляет собой вторичный волновод. Кроме того, устройство 101 также включает в себя и область переменного сечения 30f, имеющуюся на волноводе 23f. Следовательно, устройство 101 действует в качестве трансформатора типа волн, преобразующего моду колебаний, передаваемых от первого устройства 10f ко второму устройству (не показано), с которым оно имеет связь, либо моду колебаний, передаваемых от второго устройства к первому устройству 101.

Как показано на фиг.3, контакты 40f и 45f, полученные посредством металлизации, могут быть выполнены на верху гребня 23f и на противоположной поверхности подложки 50f. Дополнительно, как показано на фиг.4, устройство 10f включает в себя также смешанную область квантовой ямы (СКЯ) 20f, находящуюся на торце данного устройства, где ей соответствует область переменного сечения 30f.

В данном варианте осуществления настоящего изобретения смешанная область квантовой ямы (СКЯ) 20а формируется в первом устройства 10f посредством перемешивания квантовой ямы 70f, предусматриваемой в слое 60f в пределах области 20f, применяя для осуществления этого перемешивания известный метод диффузии свободных вакансий для примеси (ДСВП). При использовании указанного метода диффузии свободных вакансий для примеси (ДСВП) применительно к соответствующей обработке верхнего кроющего слоя 80f полупроводникового материала на полупроводнике типа III-V, содержащем в себе первое устройство 10f, происходит отложение диэлектрика, например кварца (SiO₂), в виде слоя или пленки. Последующее быстрое термическое залечивание трещин полупроводникового материала приводит к разрушению связей внутри полупроводникового сплава, например связей ионов или атомов галлия, которые восприимчивы к кварцу (SiO₂), что сопровождается растворением их в кварце, в результате чего в кроющем слое 80f образуются вакансии. Затем эти вакансии диффундируют через полупроводниковый слой, вызывая при этом перемешивание слоя, например, в квантовой яме 70f.

Перейдем теперь к рассмотрению фиг.5 и табл.1, которые иллюстрируют седьмой вариант исполнения первого устройства, обозначенного, в общем, позицией 10g и предназначенного для применения его в устройстве интегральной оптики, выполненном в соответствии с настоящим изобретением. В данном, шестом варианте своего исполнения, первое устройство 10g изготавливается из арсенид-фосфида индия-галлия (In_1-xGa_xAs_уP_1-у).

Структура слоев, выращенных на подложке 50g, выполненной из фосфида индия (InP), представлена в табл.1.

Таблица 1.
Повторения	Толщина (ангстрем)	Материал	x	у	Легирующая примесь	Тип
1	1000	In (x) GaAs	0,53		Zn	p
1	500	Q1,18			Zn	p
1	11500	InP				p
1	50	Q1,05				i
1	2500	InP				i
1	800	Q1,1				i
1	500	Q1,8
						i
5х	120	Q1,26				i
5х	65	In(x) GaAs	0,53			i
1	120	Q1,26
						i
1	500	Q1,18				i
1	800	Q1,1				i
1	50000	Q1,05			Si	n
1	10000	InP (буферный слой, примыкающий к подложке)			Si	n
x - структура квантовой ямы (КЯ)
Q - четырехкомпонентный; например, Q1,1 - четырехкомпонентный, с шириной запрещенной зоны, равной 1,1 мкм.

Как показано на фиг.5, первое устройство 10g включает в себя активный волновод 23g с областью переменного сечения 30g, примыкающей к области взаимодействия со вторым устройством (не показано). Волновод 23g представляет собой первичный волновод первого устройства 10g, в то время как дополнительный гребень, или мезаструктура, 35g, сформированная на устройстве 10g, представляет собой вторичный волновод. Во время работы устройства наблюдается оптическое излучение, возникающее внутри волновода 23g или передаваемое от него в направлении к области переменного сечения 30g в виде оптической моды колебаний и которое появляется по завершении передачи, через область 30g от первичного световодного слоя 65g в слой 60g, обеспечивая оптическую связь со вторым устройством (не показано).

Нервные устройства 5f и 5g представляют собой пример конструкции полученного без рекристаллизации волноводного ответвителя переменного сечения. Небольшой, выполненный в виде ребра волновод 23f и 23g расположен на верху толстого нижнего покрывающего слоя 60f, который частично обработан методом травления, образуя волновод 35f, 35g, представляющий собой мезаструктуру. Когда небольшое ребро 23f, 23g имеет достаточную ширину, основная оптическая мода колебаний ограничивается лишь этим небольшим ребром 23f, 23g, при этом наблюдается высокое ограничение света в пределах нелегированного волноводного сердцевинного слоя 65f (который сам содержит активные слои 75f с квантовыми ямами, либо смешанную область 20f, 20g). В другом крайнем случае, когда небольшое ребро 23f, 23g выполнено достаточно узким, происходит расширение основной моды колебаний с выходом на волновод 35f, 35g, представляющий собой мезаструктуру. Эта особенность является следствием применения соответствующей конструкции световодных слоев. Толщина и состав каждого из слоев с квантовыми ямами, имеющихся наверху мезаструктуры 35f, 35g и простирающихся под небольшое ребро 23f, 23g, имеют такие значения, чтобы обеспечить предотвращение распространения света внутри этих слоев в том случае, когда верхние слои, составляющие собой небольшое ребро 23f, 23g, будут вытравлены. Получаемый в результате световод позволяет обеспечить раздельную оптимизацию свойств, проявляемых в отношении оптической моды колебаний со стороны волноводов, выполненных в виде ребра 23f, 23g и в виде мезаструктуры 35f, 35g, при двух крайних значениях ширины ребра. При больших значениях ширины ребра может быть обеспечено высокоэффективное действие устройства (к примеру, такое, как усиление света, оптическое детектирование, электрическая модуляция с использованием поглощения или же электрическая модуляция с использованием преломления). При малых значениях ширины ребра за счет соответствующего подбора таких параметров, как ширина и размеры большой мезаструктуры 35f, 35g и толщина расположенных ниже соответствующих покрывающих материалов, устанавливается такой размер оптической моды колебаний для волновода, выполненного в виде мезаструктуры, при котором обеспечивается оптимальная связь с пассивными кварцевыми волноводами. Расширяющаяся мода колебаний может быть рассчитана на обеспечение оптимальной связи непосредственно с одномодовыми волноводами во втором (неполупроводниковом) материале одномодового типа либо с оптическим волокном, включая волокно размером 1,3 мкм и 1,5 мкм для средств дальней электросвязи.

Структура слоев, показанная, на фиг.3, была бы при этом использована для изготовления первого устройства 10f с квантовыми ямами, резонирующего с излучением, осуществляемым с длиной волны примерно 860 нм. Структура, показанная на фиг.5, была бы при этом использована для изготовления первого устройства 10d с квантовыми ямами, резонирующего с излучением, осуществляемым с длиной волны примерно 1,5 мкм.

Специалистам в данной области техники очевидно, что рассмотренные выше варианты осуществления настоящего изобретения приводятся только в качестве примера, и при этом ни в коей мере не подразумевается, что они тем или иным образом ограничивают объем настоящего изобретения.

В особенности, следует понимать, что устройство согласно настоящему изобретению легче и проще изготовить, чем другие такие же устройства, и поэтому возникает потенциальная возможность для получения высококачественных устройств такого типа при меньших затратах.

Кроме того, специалистам в данной области техники также очевидно, что в раскрываемых здесь конкретных вариантах осуществления настоящего изобретения соответствующие средства согласования по модам колебаний представляют собой волновод переменного сечения с так называемым "плавным волноводным переходом", выполняемый с обеспечением линейного или же нелинейного изменения его по ширине, а в модифицированных вариантах осуществления настоящего изобретения такое изменение волновода по ширине может быть осуществлено с "периодическим" или же "апериодическим" разбиением его на сегменты.

Дополнительно, следует также понимать, что в данном изобретении перемешивание квантовых ям (ПКЯ) используется для того, чтобы уменьшить абсорбцию слоями с квантовыми ямами в пределах области переменного сечения, снижая тем самым оптические потери в области переменного сечения, что сопровождается соответствующим повышением эффективности работы устройства.

И наконец, специалистам в данной области техники очевидно, что возможна и такая модификация настоящего изобретения, в которой первое устройство будет инвертировано по отношению к первому устройству, т.е., иными словами, гребенчатый волновод первого устройства может быть приведен в соприкосновение с поверхностью второго устройства либо быть расположен в непосредственной близости от этой поверхности.