DE4130048A1

DE4130048A1 - Optical multiplexer and demultiplexer for optical fibre communications - has structured waveguide layer formed in surface of doped semiconductor substrate

Info

Publication number: DE4130048A1
Application number: DE19914130048
Authority: DE
Inventors: Michael Dipl Phys Schilling; Wilfried Dipl Phys Idler; Heinz Dr Rer Nat Schweizer; Dieter Dipl Phys Dr Rer Baums; Olaf Dipl Phys Dr R Hildebrand; Gert Dipl Chem Dr Rer Na Laube; Klaus Dipl Phys Dr Re Wuenstel
Original assignee: Standard Elektrik Lorenz AG
Current assignee: Alcatel Lucent Deutschland AG
Priority date: 1991-09-10
Filing date: 1991-09-10
Publication date: 1993-03-18

Abstract

The optical multiplexer and demultiplexer, handling signals with a transmission rate of about 40 Giga bit/s, uses an optoelectronic semiconductor element (1) formed by a substrate (2) carrying a waveguide layer (41) which is structured to provide multiplexing or demultiplexing of the received signals. The substrate (2) comprises indium phosphide with an n-type conductivity provided with a Y shaped layer structure (4), incorporating in indium-gallium-arsenide-phosphide waveguide layer (41) covered by an indium phosphide layer (42) with a p-type conductivity and a contact layer (43) of indium-gallium-arsenide with a p+ doping. ADVANTAGE - Simple mfr. via epitaxial process.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen Multiplexer und einen optischen Demultiplexer nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. 8.The invention relates to an optical multiplexer and one Optical demultiplexer according to the preamble of claim 1 or 8.

Optische Multiplexer und Demultiplexer sind beispielsweise aus Electronics Letters 23 (1987), S. 1270-1271 bekannt. Auf vier Kanälen werden vier um jeweils eine Viertel-Bit-Periode zueinander versetzte Lichtsignale mit einer Bitfolgefrequenz von jeweils 4 Gbit/s in einem Multiplexer zu Lichtsignalen mit einer Bitfolgefrequenz von 16 Gbit/s gebündelt, anschließend werden sie über eine optische Übertragungsstrecke übertragen. In einem Demultiplexer werden sie wieder auf vier Kanäle für Lichtsignale mit einer Bitfolgefrequenz von 4 Gbit/s verteilt. Die Bitfolgefrequenz der Lichtsignale wird in einem Empfänger am Ende eines der Kanäle mittels einer phasenverriegelten Schleife wiedergewonnen und dem Demultiplexer als Taktsignal zugeführt, der es als Arbeitstakt benötigt, um die richtige Zuordnung der Lichtsignale auf die vier Kanäle zu finden.Optical multiplexers and demultiplexers are, for example, out Electronics Letters 23 (1987), pp. 1270-1271. On four Channels become four to each other by a quarter bit period offset light signals with a bit repetition frequency of 4 each Gbit / s in a multiplexer for light signals with a Bit rate of 16 Gbit / s bundled, then they are transmitted via an optical transmission link. In one They are demultiplexed again on four channels for light signals a bit rate of 4 Gbit / s distributed. The bit rate The light signals are in a receiver at the end of one of the channels recovered using a phase locked loop and the Demultiplexer fed as a clock signal, which it as a working clock needed to correctly assign the light signals to the four Find channels.

Der Multiplexer und der Demultiplexer sind Richtungskoppler-Schalter. Sie weisen ein optoelektronisches Bauelement aus Titan-dotiertem Lithiumniobat (Ti:LiNbO₃-Schalter) auf. The multiplexer and the demultiplexer are directional coupler switches. They have an optoelectronic component made of titanium-doped lithium niobate (Ti: LiNbO ₃ switch).

Bei diesem System werden die Signalströme der Lichtsignale von sogenannten phasenverkoppelten Halbleiterlasern erzeugt, die zueinander in einer vorgebenen Phasenbeziehung stehen.In this system, the signal flows of the light signals from so-called phase-locked semiconductor lasers, which are in a predetermined phase relationship.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen optischen Multiplexer bzw. Demultiplexer zu schaffen, der gegenüber dem oben genannten Multiplexer und Demultiplexer einfacher herstellbar ist.It is the object of the invention to provide an optical multiplexer or Demultiplexer to create the opposite of the above Multiplexer and demultiplexer is easier to manufacture.

Diese Aufgabe wird, wie in Patentanspruch 1 bzw. 8 angegeben, gelöst.This object is, as stated in claim 1 or 8, solved.

Der erfindungsgemäße Multiplexer und Demultiplexer haben den Vorteil, daß sie sich auf einem einzigen Substrat mittels der üblichen Epitaxieverfahren herstellen lassen.The multiplexer and demultiplexer according to the invention have the Advantage that they are on a single substrate by means of Have the usual epitaxial processes made.

In Abhängigkeit von der Wellenlänge der digitalen Lichtsignale läßt sich ein geeignetes Halbleitermaterial wählen, das für die Wellenlänge eine hohe Durchlässigkeit hat.Depending on the wavelength of the digital light signals choose a suitable semiconductor material for the Wavelength has a high transmission.

Für die Übertragung von Lichtsignalen der Wellenlängen 1,3 µm oder 1,55 µm eignet sich jeweils eine in ihrer Zusammensetzung auf die zu übertragende Wellenlänge angepaßte Schicht aus Indium-Gallium-Arsenid-Phosphid, die beispielsweise oberhalb eines Substrates aus Indiumphosphid aufgebracht ist.For the transmission of light signals of wavelengths 1.3 µm or 1.55 µm each is suitable in its composition on the adapted layer to be transmitted wavelength Indium gallium arsenide phosphide, for example above one Substrate made of indium phosphide is applied.

Diese Schicht bildet eine verzweigte, jedoch einfach zusammenhängende Wellenleiterschicht, d. h. einen optischen Resonator. Die Wellenleiterschicht ist in mehreren Bereichen eingeschlossen, die verschiedene Funktionen haben. Für die Funktion des Multiplexers am bedeutsamsten ist ein Verzweigungsbereich, in dem die digitalen Lichtsignale aus zwei Kanälen zu einem einzigen Kanal zusammengefügt werden. Bevor die Lichtsignale in den Verzweigungsbereich gelangen, lassen sie sich in anderen Bereichen, die dem Verzweigungsbereich in Übertragungsrichtung vorgeschaltet sind, je nach Bedarf abschwächen oder verstärken, insbesondere lassen sich die Lichtsignale der beiden Kanäle auch in ihrer optischen Leistung aufeinander anpassen. Auch die aus ihnen nach Durchlaufen des Verzweigungsbereiches entstehenden Lichtsignale lassen sich in einem sich in Übertragungsrichtung nach dem Verzweigungsbereich anschließenden Bereich wiederum verstärken. Verluste, die beim Einkoppeln der Lichtsignale aus beispielsweise als Glasfaser ausgebildeten Lichtwellenleitern in die Wellenleiterschicht und beim Auskoppeln aus ihr entstehen, sowie Absorptionsverluste in der Wellenleiterschicht werden somit in den als Halbleiterverstärker ausgebildeten Bereichen kompensiert, so daß die Lichtsignale, die den Multiplexer verlassen, im Vergleich zu denen, die in ihn eingestrahlt werden, entweder die gleiche optische Leistung haben oder sogar verstärkt werden. Auch die optischen Schalter lassen sich durch Halbleiterverstärker realisieren, die den gleichen Schichtaufbau haben wie die übrigen Bereiche. Auch sie sind zusammen mit den anderen Bereichen auf einem einzigen Substrat monolithisch integrierbar.This layer forms a branched, but simple contiguous waveguide layer, d. H. an optical Resonator. The waveguide layer is in several areas included that have different functions. For the function of the multiplexer most important is a branch area, in which converts the digital light signals from two channels into one Channel can be merged. Before the light signals in the Branch area, they can be in other areas, that precedes the branching area in the direction of transmission are to weaken or reinforce as required, especially the light signals of the two channels can also be Match optical performance to each other. Even those from them Passing through the branching area resulting light signals can be viewed in the direction of transmission according to the Reinforcing the branching area adjoining the area. Losses that occur when the light signals are coupled in, for example optical fibers designed as glass fibers in the Waveguide layer and emerging from it, as well Absorption losses in the waveguide layer are thus in the Areas designed as semiconductor amplifiers compensated so that the light signals leaving the multiplexer compared to to those who are irradiated into it, either the same optical Have performance or even be strengthened. Even the optical ones Switches can be realized by semiconductor amplifiers, which the have the same layer structure as the other areas. They too are along with the other areas on a single substrate can be integrated monolithically.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist es auch möglich, einen Teil der optischen Leistung der hineinkommenden oder der herauskommenden Lichtsignale jeweils in einem Verzweigungsbereich abzuzweigen, anschließend in einem als Photodiode ausgebildeten Bereich zu detektieren und zur Steuerung der optischen Verstärkung in den anderen Bereichen zu verwenden.According to a further exemplary embodiment, it is also possible to use one Part of the optical power of the incoming or the outgoing light signals each in a branching area to branch off, then in a designed as a photodiode Detect area and control optical gain to use in the other areas.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Multiplexers und Demultiplexers besteht darin, daß die Wellenleiterschicht je nach der Zahl der zu multiplexierenden (bzw. zu demultiplexierenden) Lichtsignale eine große Anzahl von Verzweigungen aufweisen kann und dabei auf einem einzigen Substrat aufgebracht ist.Another advantage of the multiplexer and Demultiplexer is that the waveguide layer depending on the number of multiplexed (or demultiplexed) Light signals can have a large number of branches and is applied to a single substrate.

Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung in Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen:The invention is illustrated in exemplary embodiments with the aid of the drawings explained. Show it:

Fig. 1 einen Multiplexer mit einer einen einzigen Verzweigungsbereich aufweisenden Wellenleiterschicht, Fig. 1 a multiplexer with a single branch portion having waveguide layer,

Fig. 2 (a-d) ein Diagramm von Bitsequenzen in Bereichen der Wellenleiterschicht und den Bittakt, Fig. 2 (ad) is a diagram of bit sequences in regions of the waveguide layer and the bit clock,

Fig. 3 das Schema eines Vierfach-Multiplexers und eines Vierfach-Demultiplexers für jeweils 4 Kanäle. Fig. 3 shows the scheme of a four-way multiplexer and a four-way demultiplexer for 4 channels each.

In Fig. 1 ist ein optischer Multiplexer mit einem optoelektronischen Bauelement dargestellt. Das optoelektronische Bauelement ist ein Halbleiterbauelement 1. Es weist ein Substrat 2 aus n-dotiertem Indiumphosphid auf. Darüber liegt eine Pufferschicht 3, die ebenfalls aus n-dotiertem Indiumphosphid besteht und von der ein Teil die unterste Schicht einer Mesa 4 bildet, die die Form eines "Y" hat. Die Mesa 4 weist mehrere Schichten auf. Sie enthält eine Wellenleiterschicht 41 aus Indium-Gallium-Arsenid-Phosphid. Diese wird von einer Mantelschicht 42 aus p-dotiertem Indiumphosphid bedeckt. Darüber liegt eine Kontaktschicht 43 aus p⁺-dotiertem Indium-Gallium-Arsenid.In Fig. 1, an optical multiplexer is shown with an optoelectronic component. The optoelectronic component is a semiconductor component 1 . It has a substrate 2 made of n-doped indium phosphide. Above this is a buffer layer 3 , which also consists of n-doped indium phosphide and of which part forms the bottom layer of a mesa 4 , which has the shape of a "Y". The mesa 4 has several layers. It contains a waveguide layer 41 made of indium gallium arsenide phosphide. This is covered by a cladding layer 42 made of p-doped indium phosphide. A contact layer 43 made of p⁺-doped indium gallium arsenide lies above it.

Anstelle der Wellenleiterschicht 41 kann auch eine Quantum-Well-Schichtfolge vorhanden sein, wie sie z. B. aus Appl. Phys. Lett. 39 (1981), 786-788 bekannt ist.Instead of the waveguide layer 41 , a quantum well layer sequence can also be present, as is the case, for. B. from Appl. Phys. Lett. 39 (1981), 786-788.

Der Multiplexer kann auch als GaAlAs/GaAs-Multiplexer aufgebaut sein; ein derartiger Aufbau ist z. B. aus Appl. Phys. Lett. 52 (1988), 767-769 bekannt. The multiplexer can also be constructed as a GaAlAs / GaAs multiplexer be; such a structure is e.g. B. from Appl. Phys. Lett. 52 (1988), 767-769.

Seitlich der Mesa 4 und oberhalb der nicht durch die Wellenleiterschicht 41 bedeckten Oberfläche der Pufferschicht 3 ist eine Schicht 5 aus semiisolierendem Indiumphosphid vorhanden, deren obere Oberfläche mit der oberen Oberfläche der Kontaktschicht 43 eine Ebene bildet. Die Schicht 5 ist mit einer Schutzschicht 6 aus Siliziumdioxid bedeckt, die Kontaktschicht 43 mit einer Metallschicht 7.To the side of the mesa 4 and above the surface of the buffer layer 3 which is not covered by the waveguide layer 41 , there is a layer 5 made of semi-insulating indium phosphide, the upper surface of which forms a plane with the upper surface of the contact layer 43 . The layer 5 is covered with a protective layer 6 made of silicon dioxide, the contact layer 43 with a metal layer 7 .

In der Metallschicht 7 sind drei Gräben 44, 45, 46 vorhanden, durch die die Mesa 4 in einen ersten Bereich 8, einen zweiten Bereich 11, einen dritten Bereich 9 und einen Verzweigungsbereich 10 eingeteilt wird. Gemäß der Darstellung in Fig. 1 können die Gräben 44, 45, 46 entsprechend der optischen Kopplung, die die Bereiche 8, 9, 11 sowie der Verzweigungsbereich 10 untereinander haben sollen, auch bis in die Mantelschicht 42, jedoch nicht in die Wellenleiterschicht 41 herabreichen. Die Metallschicht 7 bildet in jedem Bereich 8, 9, 11 und in dem Verzweigungsbereich 10 je eine erste Elektrode. Eine zweite Elektrode wird für jeden Bereich 8, 9, 11 und den Verzweigungsbereich 10 durch eine Metallschicht 12 gebildet, die unterhalb des Substrats 2 aufgebracht ist. Durch die Metallschicht 7 fließt beim Betrieb des Halbleiterbauelements 1 durch jeden Bereich 8, 9, 11 und den Verzweigungsbereich 10 ein jeweils einzeln fest einstellbarer oder veränderbarer Strom zu der Metallschicht 12, die als Massekontakt dient.In the metal layer 7 there are three trenches 44 , 45 , 46 through which the mesa 4 is divided into a first area 8 , a second area 11 , a third area 9 and a branching area 10 . According to the illustration in FIG. 1, the trenches 44 , 45 , 46 can also extend down into the cladding layer 42 , but not into the waveguide layer 41 , in accordance with the optical coupling that the regions 8 , 9 , 11 and the branching region 10 should have with one another . The metal layer 7 forms a first electrode in each area 8 , 9 , 11 and in the branching area 10 . A second electrode is formed for each region 8 , 9 , 11 and the branch region 10 by a metal layer 12 which is applied below the substrate 2 . Due to the metal layer 7 of the semiconductor device 1 flows in the operation through each portion 8, 9, 11 and branch portion 10, an individually adjustable fixed or variable current to the metal layer 12 which serves as a ground contact.

Die Wellenleiterschicht 41 hat in allen Bereichen 8, 9 und 11 sowie in dem Verzweigungsbereich 10 beispielsweise eine Zusammensetzung von In_0,62Ga_0,38As_0,82P_0,18, bei der das Halbleiterbauelement 1 Lichtsignale aus dem Wellenlängenbereich um 1520 nm durchlässig schalten läßt. Wenn die Wellenleiterschicht 41 in den Bereichen 8, 9 und 11 und in dem Verzweigungsbereich 10 eine Zusammensetzung von z. B. In_0,57Ga_0,43As_0,73P_0,27 hat, ist sie durchlässig für Lichtsignale einer Wellenlänge aus dem Wellenlängenbereich um 1300 nm. The waveguide layer 41 has, for example, a composition of In _0.62 Ga _0.38 As _0.82 P _0.18 in all regions 8 , 9 and 11 and in the branching region 10 , in which the semiconductor component 1 has light signals from the wavelength range around 1520 nm permeable switch. If the waveguide layer 41 in the regions 8 , 9 and 11 and in the branch region 10 has a composition of e.g. B. In _0.57 Ga has _0.43 As _0.73 P _0.27 , it is transparent to light signals of a wavelength in the wavelength range around 1300 nm.

In die Bereiche 8 und 9 werden jeweils aus einem Lichtwellenleiter 81 bzw. 91 digitale Lichtsignale eingespeist, wie sie in Fig. 2a (aus dem Lichtwellenleiter 81 kommend) und Fig. 2b (aus dem Lichtwellenleiter 91 kommend) dargestellt sind. Deshalb ist dieser Multiplexer für die Multiplexierung von zwei Lichtsignalen ein Zweifach-Multiplexer. In dem hier erläuterten Beispiel sind die Lichtsignale RZ-Lichtpulse mit den Bitsequenzen 1011 (Fig. 2a) und 0010 (Fig. 2b), aus denen durch Multiplexieren die Bitsequenz 10001110 (Fig. 2c) entsteht, die aus dem Halbleiterbauelement 1 aus dem Bereich 11 in einen Lichtwellenleiter 111 eingestrahlt werden.In the areas 8 and 9 , digital light signals are fed in from an optical waveguide 81 or 91 , as shown in FIG. 2a (coming from the optical waveguide 81 ) and FIG. 2b (coming from the optical waveguide 91 ). Therefore, this multiplexer is a two-way multiplexer for multiplexing two light signals. In the example explained here, the light signals are RZ light pulses with the bit sequences 1011 ( FIG. 2a) and 0010 ( FIG. 2b), from which the bit sequence 10001110 ( FIG. 2c) arises from multiplexing, which results from the semiconductor component 1 from the area 11 can be radiated into an optical waveguide 111 .

Es ist, wenn die Taktfrequenz der Lichtsignale nicht gesondert über einen zusätzlichen Lichtwellenleiter dem Multiplexer zugeführt wird, eine hier nicht näher dargestellte Vorrichtung 100 zur Gewinnung der Taktfrequenz der in den Lichtwellenleitern 81, 91 übertragenen Lichtsignale vorhanden. Außerdem muß in der Vorrichtung 100 die Phasenbeziehung der Lichtsignale in den Lichtwellenleitern 81 und 91 zueinander festgestellt werden, damit die Lichtsignale in einer von der Vorrichtung 100 gesteuerten Phasenschiebeeinrichtung 92 im Signalpfad der Lichtsignale, die durch den Lichtwellenleiter 91 in den Bereich 9 gelangen, aufeinander eingephast werden. Hierzu enthält die Phasenschiebeeinrichtung 92 beispielsweise ein Lichtwellenleiter-Faserstück, dessen Brechungsindex und somit die Lichtausbreitungsgeschwindigkeit in ihm sich in Abhängigkeit von der Feldstärke eines elektrischen Feldes verändern läßt, in dem er sich befindet.If the clock frequency of the light signals is not separately fed to the multiplexer via an additional optical waveguide, a device 100 ( not shown here) for obtaining the clock frequency of the light signals transmitted in the optical waveguides 81 , 91 is present. In addition, the phase relationship of the light signals in the optical waveguides 81 and 91 to one another must be determined in the device 100 , so that the light signals in a phase shifter 92 controlled by the device 100 in the signal path of the light signals which pass through the optical waveguide 91 into the area 9 , are mutually injected will. For this purpose, the phase shifter 92 contains, for example, an optical waveguide fiber piece whose refractive index and thus the speed of light propagation in it can be changed as a function of the field strength of an electric field in which it is located.

In einem anderen, hier nicht dargestellten Ausführungsbeispiel werden die Lichtsignale aus elektrischen Signalen erst in einer geringen Entfernung von dem Halbleiterbauelement 1 erzeugt, so daß kein übertragungsbedingter Phasenverzug zwischen den Lichtsignalen zu berücksichtigen ist. Ein einfaches Beispiel, um dieses Verfahren durchzuführen, ergibt sich, wenn die Lichtpulse, die einem "1"-Wert entsprechen, bei einer Multiplexierung von 2 Kanälen, höchstens die halbe Dauer einer Bitperiode beanspruchen und zwischen den beiden Kanälen eine Phasendifferenz von einer halben Bitperiode besteht, wie dies auch der Darstellung in Fig. 2a-c entspricht.In another exemplary embodiment, which is not shown here, the light signals are only generated from electrical signals at a short distance from the semiconductor component 1 , so that no transmission-related phase delay between the light signals has to be taken into account. A simple example for carrying out this method results when the light pulses which correspond to a "1" value, when multiplexing 2 channels, take up at most half the duration of a bit period and a phase difference of half a bit period between the two channels exists, as this corresponds to the representation in Fig. 2a-c.

Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus Electronics Letters 23 (1987), S. 208-209 bekannt. In einem solchen Fall sind die Vorrichtung 100 und die Phasenschiebeeinrichtung 92 nicht erforderlich. Wenn jedoch, wie zu Beginn erläutert, die Lichtsignale keine feste Phasenbeziehung zueinander haben, müssen sie erst aufeinander eingephast werden. In der Vorrichtung 100 wird ebenfalls aus der Bitfolgefrequenz der Lichtsignale der Bittakt abgeleitet; dieser wird einem Frequenzteiler 101 zugeführt, der die der Pulsdauer der Lichtsignale entsprechende Bitperiode aus den Lichtwellenleitern 81, 91 halbiert (Fig. 2d), so daß während der ersten Hälfte der Bitperiode die Lichtsignale aus dem Lichtwellenleiter 81, während der zweiten Hälfte der Bitperiode die Lichtsignale aus dem Lichtwellenleiter 91 weitergeleitet werden.Such a method is known for example from Electronics Letters 23 (1987), pp. 208-209. In such a case, device 100 and phase shifter 92 are not required. If, however, as explained at the beginning, the light signals have no fixed phase relationship to one another, they first have to be phased in on one another. In device 100 , the bit clock is also derived from the bit repetition frequency of the light signals; this is fed to a frequency divider 101 which halves the bit period corresponding to the pulse duration of the light signals from the optical fibers 81 , 91 ( FIG. 2d), so that during the first half of the bit period the light signals from the optical fiber 81 , during the second half of the bit period the Light signals from the optical fiber 91 are forwarded.

Dies geschieht, indem eine von dem Frequenzteiler 101 gesteuerte Stromquelle 102 abwechselnd einen Strompuls durch den Bereich 8 und den Bereich 9 fließen läßt. Die Strompulse sind vorzugsweise Rechteckpulse, die die Dauer der halben Bitperiode haben oder kürzer sind und die bewirken, daß die Bereiche 8, 9 für die Lichtsignale während der Dauer von eine "1" darstellenden Lichtpulsen jeweils transparent werden. Dazu haben die Strompulse eine Stromstärke, durch die allein die Bereiche 8 und 9 noch unterhalb der Transparenzschwelle bleiben. Erst wenn gleichzeitig mit dem dem Bittakt entsprechenden Strompuls ein Lichtsignal in einen der Bereiche 8, 9 gelangt, wird dieser aufgrund des mit dem Lichtpuls verbundenen elektrischen Feldes für den Lichtpuls transparent, während der Bereich 8, 9 ihn absorbiert, solange kein Strompuls durch ihn fließt. This is done in that a current source 102 controlled by the frequency divider 101 alternately allows a current pulse to flow through the area 8 and the area 9 . The current pulses are preferably rectangular pulses which have the duration of the half bit period or are shorter and which cause the regions 8 , 9 to be transparent to the light signals during the duration of light pulses representing a "1". For this purpose, the current pulses have a current intensity, through which areas 8 and 9 alone remain below the transparency threshold. Only when a light signal arrives in one of the regions 8 , 9 simultaneously with the current pulse corresponding to the bit clock does this become transparent to the light pulse due to the electrical field connected to the light pulse, while the region 8 , 9 absorbs it as long as no current pulse flows through it .

In dem Verzweigungsbereich 10 entstehen aus den abwechselnd aus den Bereichen 8 und 9 kommenden Lichtsignalen die Multiplex-Lichtsignale. In dem Bereich 11 lassen sich die Multiplex-Lichtsignale verstärken, wenn er als Halbleiterverstärker betrieben wird. Wenn zwischen den Bereichen 8, 9 einerseits und dem Verzweigungsbereich 10 andererseits jeweils ein wie die Bereiche 8, 9 aufgebauter und von ihnen sowie von dem Verzweigungsbereich 10 durch Gräben getrennter Bereich vorhanden ist, läßt sich dieser ebenfalls zur Verstärkung der aus den Bereichen 8, 9 kommenden Lichtsignale ausnutzen, wobei sich die Lichtsignale in diesem Fall unterschiedlich stark verstärken lassen. Durch diese Möglichkeiten zur Verstärkung der Lichtsignale oder der Multiplex-Lichtsignale können Verluste kompensiert werden, die beim Einspeisen der Lichtsignale aus den Lichtwellenleitern 81, 91 in die Bereich 8, 9, d. h. genauer: in die Wellenleiterschicht 41, entstehen. Ebenfalls lassen sich die Verluste ausgleichen, die durch die Änderung der Lichtausbreitungsrichtung in dem Verzweigungsbereich 10 und insgesamt durch Absorption in dem Multiplexer verursacht werden.In the branching area 10 , the multiplex light signals arise from the light signals coming alternately from the areas 8 and 9 . The multiplex light signals can be amplified in the region 11 if it is operated as a semiconductor amplifier. If between regions 8 , 9, on the one hand, and branching region 10, on the other hand, there is an area constructed like regions 8 , 9 and separated from them and from branching region 10 by trenches, this region can also be used to reinforce regions 8 , 9 take advantage of upcoming light signals, in which case the light signals can be amplified to different extents. These possibilities for amplifying the light signals or the multiplex light signals can compensate for losses which occur when the light signals are fed from the optical waveguides 81 , 91 into the regions 8 , 9 , ie more precisely: into the waveguide layer 41 . The losses which are caused by the change in the direction of light propagation in the branch region 10 and overall by absorption in the multiplexer can also be compensated for.

Es ist auch möglich, während der Zeiträume, in denen die Lichtsignale jeweils nicht weiter übertragen, sondern absorbiert werden sollen, einen Strom in Sperrichtung durch die Bereich 8 und 9 fließen zu lassen und so die Belichtung durch den nicht weiter zu übertragenden Anteil der Lichtsignale für Detektionszwecke auszunutzen.It is also possible to allow a current to flow in the reverse direction through the regions 8 and 9 during the periods in which the light signals are no longer to be transmitted, but are to be absorbed, and thus the exposure through the portion of the light signals for which no further transmission is required Exploit detection purposes.

Auch der Bereich 11 kann als Halbleiterverstärker zur Verstärkung der bereits multiplexierten Lichtsignale genutzt werden.The area 11 can also be used as a semiconductor amplifier for amplifying the already multiplexed light signals.

Fig. 3 zeigt die Draufsicht auf einen Vierfach-Multiplexer mit einem Halbleiterbauelement 20, das auf einem Substrat 202 drei Elemente 21, 22, 23 aufweist, die jeweils wie der in Fig. 1 gezeigte Multiplexer aufgebaut sind und deren Hintereinanderschaltung die optische Multiplexierung von Lichtsignalen erlaubt, die in optischen Schaltern 821, 831, 841, 851 aus elektrischen Signalen gewonnen werden, welche aus vier Kanälen 82, 83, 84, 85 kommen; die Signale sind zunächst synchron zueinander. Die Signale in den Kanälen 83-85 durchlaufen Verzögerungselemente, durch die sie gegenüber den Signalen in dem Kanal 82 jeweils um eine viertel, eine halbe und eine dreiviertel Bitperiode verzögert werden. Unverzögert bzw. mit einer dieser Verzögerungen werden sie (hier nicht dargestellten) Elektroden optischer Schalter 821, 831, 841, 851 zugeführt. Die Schalter 821, 831, 841, 851 sind von den Elementen 22, 23 jeweils durch einen Graben getrennt, der die Form der Gräben 44-46 hat. FIG. 3 shows a top view of a four-way multiplexer with a semiconductor component 20 , which has three elements 21 , 22 , 23 on a substrate 202 , each of which is constructed like the multiplexer shown in FIG. 1 and whose series connection is the optical multiplexing of light signals allowed, which are obtained in optical switches 821 , 831 , 841 , 851 from electrical signals which come from four channels 82 , 83 , 84 , 85 ; the signals are initially synchronous to each other. The signals in channels 83-85 pass through delay elements by which they are delayed by a quarter, a half and a three-quarter bit period compared to the signals in channel 82, respectively. Without delay or with one of these delays, they are fed to electrodes of optical switches 821 , 831 , 841 , 851 (not shown here). The switches 821 , 831 , 841 , 851 are each separated from the elements 22 , 23 by a trench which has the shape of the trenches 44-46 .

Gleichzeitig wird den Schaltern 821, 831, 841, 851 jeweils ein optisches Taktsignal von der Dauer einer viertel Bitperiode und mit der gleichen Wiederholungsfrequenz zugeführt.At the same time, the switches 821 , 831 , 841 , 851 are each supplied with an optical clock signal with the duration of a quarter bit period and with the same repetition frequency.

Das optische Taktsignal entsteht in durch jeweils ein elektrisches Taktsignal geschalteten Halbleiterverstärkern 822, 832, 842, 852, die vorzugsweise ebenfalls auf dem Substrat 202 integriert und hier nur durch jeweils ein Schaltsymbol gekennzeichnet sind. Sie bestehen jeweils aus Fortsetzungen der Mesa 4 (vgl. Fig. 1) und der sie bedeckenden Metallschicht 7. Von den Schaltern 821, 831, 841, 851 sind sie jeweils durch einen Graben getrennt, der vorzugsweise auch die Wellenleiterschicht 41 durchtrennt.The optical clock signal is generated in semiconductor amplifiers 822 , 832 , 842 , 852 which are each switched by an electrical clock signal and which are preferably likewise integrated on the substrate 202 and are here identified only by a respective circuit symbol. They each consist of continuations of the mesa 4 (cf. FIG. 1) and the metal layer 7 covering them. They are each separated from the switches 821 , 831 , 841 , 851 by a trench, which preferably also cuts through the waveguide layer 41 .

Das elektrische Taktsignal wird aus der Bitfolgefrequenz der elektrischen Signale zu den Kanälen 82-85 (in einer hier nicht dargestellten, beispielsweise aus Electronics Letters 27 (1987), S. 208-209 bekannten Einrichtung) abgeleitet. Es hat je Bitperiode nur eine viertel Pulsdauer der elektrischen Signale. Es wird über eine Leitung 89 unverzögert dem Halbleiterlaser 822, um eine viertel Bitperiode in einem Verzögerungsglied 891 verzögert dem Halbleiterverstärker 832, in einem Verzögerungsglied 892 um eine weitere viertel Bitperiode verzögert dem Halbleiterverstärker 842 und in einem Verzögerungsglied 893 um eine weitere viertel Bitperiode verzögert dem Halbleiterverstärker 852 zugeführt. The electrical clock signal is derived from the bit rate of the electrical signals to the channels 82-85 (in a device not shown here, for example known from Electronics Letters 27 (1987), pp. 208-209). It has only a quarter of the pulse duration of the electrical signals per bit period. It is delayed via a line 89 to the semiconductor laser 822 , delayed by a quarter bit period in a delay element 891 to the semiconductor amplifier 832 , delayed by a further quarter bit period to the semiconductor amplifier 842 in a delay element 892 and delayed by a further quarter bit period to the semiconductor amplifier in a delay element 893 852 fed.

Auf diese Weise entsprechen die Verzögerungen des Taktsignals den Verzögerungen des jeweiligen Lichtsignals aus den Kanälen 82-85.In this way, the delays of the clock signal correspond to the delays of the respective light signal from channels 82-85 .

Wenn die elektrischen Signale und somit die aus ihnen erzeugten Lichtsignale eine Bitfolgefrequenz von jeweils 10 Gigabit/s haben, so hat das Taktsignal eine Frequenz von 10 GHz.When the electrical signals and thus those generated from them Light signals have a bit rate of 10 gigabit / s each, so the clock signal has a frequency of 10 GHz.

Daraus entstehen nach 2 Multiplexierschritten - zunächst in den Elementen 22, 23, dann in dem Element 21 Multiplex-Lichtsignale mit einer Bitfolgefrequenz von 40 Gigabit/s, die in einem Lichtwellenleiter 50 zu einem Vierfach-Demultiplexer 30 übertragen werden. Der Vierfach-Demultiplexer weist ein analog zu dem Halbleiterbauelement 20 des Vierfach-Multiplexers aufgebautes Halbleiterbauelement 30 auf. Dieses weist auf einem Substrat 302 monolithisch integrierte Elemente 31, 32, 33 auf.This results after 2 multiplexing steps - first in elements 22 , 23 , then in element 21, multiplex light signals with a bit repetition frequency of 40 gigabits / s, which are transmitted in an optical waveguide 50 to a quadruple demultiplexer 30 . The four-way demultiplexer has a semiconductor device 30 which is constructed analogously to the semiconductor component 20 of the four-way multiplexer. This has elements 31 , 32 , 33 integrated monolithically on a substrate 302 .

Aus elektrischen Signalen, die an der Ausgangsseite des Vierfach-Demultiplexers 30 auf Kanälen 71, 72, 73, 74 wieder mit einer Bitfolgefrequenz von 10 Gigabit/s wieder zur Verfügung stehen, wird (in einer hier ebenfalls nicht dargestellten Einrichtung) ein elektrisches Taktsignal mit einer der Bitfolgefrequenz der demultiplexierten, elektrischen Signale entsprechenden Taktfrequenz von 10 GHz gewonnen.From electrical signals, which are again available at the output side of the quadruple demultiplexer 30 on channels 71 , 72 , 73 , 74 with a bit repetition frequency of 10 gigabits / s, an electrical clock signal also becomes (in a device also not shown here) a clock frequency of 10 GHz obtained corresponding to the bit repetition frequency of the demultiplexed electrical signals.

In einer Vorrichtung 60 wird daraus die doppelte Taktfrequenz (hier 20 GHz) erzeugt. Aus der Vorrichtung 60 werden mit Strompulsen dieser Taktfrequenz abwechselnd Wellenleiterzweige 3101 und 3102 eines Verzweigungsbereiches 311 des Elements 31 jeweils während der Dauer von zwei Bits der Multiplex-Lichtsignale lichtdurchlässig gemacht. Diese gelangen somit abwechselnd in die Elemente 32 und 33. Diese weisen jeweils Verzweigungsbereiche 321 bzw. 331 auf. Durch Strompulse, die die Frequenz der Taktfrequenz (hier 10 GHz) haben und die in einer Vorrichtung 61 erzeugt werden, wird in dem Demultiplexer 32 ein Bit der zwei Bit-Lichtsignale durch einen Wellenleiterzweig 3201, das andere durch einen Wellenleiterzweig 3202 des Verzweigungsbereichs 320 weitergeleitet.In a device 60 , twice the clock frequency (here 20 GHz) is generated. From the device 60 , alternating waveguide branches 3101 and 3102 of a branching area 311 of the element 31 are made translucent with current pulses of this clock frequency for the duration of two bits of the multiplex light signals. These thus alternately reach elements 32 and 33 . These each have branching areas 321 and 331 . By means of current pulses which have the frequency of the clock frequency (here 10 GHz) and which are generated in a device 61 , one bit of the two bit light signals is passed in the demultiplexer 32 through a waveguide branch 3201 , the other through a waveguide branch 3202 of the branch region 320 .

Dies gilt ebenso für die in das Element 33 gelangenden 2 Bit-Lichtsignale. Dazu weist das Element 33 einen Verzweigungsbereich 330 mit abwechselnd durch aus der Vorrichtung 61 kommende Strompulse der Taktfrequenz lichtdurchlässig gemachten Wellenleiterzweigen 3301 und 3302 auf.This also applies to the 2-bit light signals entering element 33 . For this purpose, the element 33 has a branching region 330 with alternating waveguide branches 3301 and 3302 made transparent by current pulses of the clock frequency coming from the device 61 .

Um die Lichtsignale, die damit erzeugt worden sind, wieder in elektrische Signale zu verwandeln, lassen sich Photodioden 71, 72, 73, 74 auf dem Substrat 302 des Vierfach-Demultiplexers integrieren, die in Fig. 3 durch ihre Schaltungssymbole wiedergegeben sind. Die Photodioden 71-74 bestehen aus Fortsetzungen der Mesa 4 (vgl. Fig. 1) und der sie bedeckenden Metallschicht 7. Die Photodioden 71-74 sind von angrenzenden Bereichen der Elemente 32 und 33 jeweils durch einen Graben getrennt, der die Form der Gräben 44-46 hat.In order to convert the light signals which have been generated therewith into electrical signals again, photodiodes 71 , 72 , 73 , 74 can be integrated on the substrate 302 of the quadruple demultiplexer, which are represented in FIG. 3 by their circuit symbols. The photodiodes 71-74 consist of continuations of the mesa 4 (cf. FIG. 1) and the metal layer 7 covering them. The photodiodes 71-74 are each separated from adjacent regions of the elements 32 and 33 by a trench which has the shape of the trenches 44-46 .

Durch die Photodioden 71-74 fließen Ströme in Sperrichtung; bei Belichtung durch die aus den Demultiplexern 32, 33 kommenden Lichtsignale werden über elektrische Leitungen 711, 721, 731, 741 elektrische Signale ausgesandt.Currents flow through the photodiodes 71-74 in the reverse direction; upon exposure to the light signals coming from the demultiplexers 32 , 33 , electrical signals are transmitted via electrical lines 711 , 721 , 731 , 741 .

Um die elektrischen Signale auf die richtigen empfangsseitigen Kanäle zuzuordnen, kann ein Kanalverteiler vorgesehen werden, wie er beispielsweise aus der DE 39 05 594 A1 bekannt ist. Aus den elektrischen Signalen wird auch das Taktsignal gewonnen, das den Vorrichtungen 61 und 60 zugeführt wird und aus dem in letzterer die doppelte Taktfrequenz gewonnen wird.In order to assign the electrical signals to the correct channels on the receiving end, a channel distributor can be provided, as is known, for example, from DE 39 05 594 A1. The clock signal is also obtained from the electrical signals, which is supplied to the devices 61 and 60 and from which the double clock frequency is obtained in the latter.

Ebenso wie der Vierfach-Multiplexer kann auch der Vierfach-Demultiplexer Bereiche zur Verstärkung der Lichtsignale aufweisen. Just like the four-way multiplexer, the Quadruple demultiplexer areas for amplifying the light signals exhibit.

Nach dem Prinzip des hier dargestellten Vierfach-Multiplexers 20 und des Vierfach-Demultiplexers 30 lassen sich Multiplexer für 2ⁿ (n3) Kanäle aufbauen.According to the principle of the four-way multiplexer 20 shown here and the four-way demultiplexer 30 , multiplexers for 2 ⁿ (n3) channels can be constructed.

Neben den in Fig. 1 und Fig. 3 dargestellten Verzweigungsbereichen 10, 310, 320, 330 können weitere Verzweigungsbereiche vorhanden sein, die eine Verzweigung der ausgangsseitigen Lichtsignale bewirken. Während ein Anteil der herauskommenden Lichtsignale für die weitere Übertragung verwendet wird, wird der andere in einer Photodiode in elektrische Signale verwandelt, die Detektionszwecken dienen.In addition to the illustrated in Fig. 1 and Fig. 3 branch portions 10, 310, 320, 330 further branching portions may be present, which cause branching of the output light signals. While some of the light signals coming out are used for further transmission, the other is converted into electrical signals in a photodiode, which are used for detection purposes.

Claims

1. Optical multiplexer with an optoelectronic component for multiplexing incoming digital light signals to outgoing digital multiplex light signals, characterized in that it contains as the optoelectronic component a semiconductor component ( 1 ) with a substrate ( 2 ), above which a branched one simply wavy layer ( 41 ) having a coherent structure for optical multiplexing of the light signals to the multiplexed light signals.

2. Optical multiplexer according to claim 1, characterized in that the substrate ( 2 ) consists of a III-V semiconductor connection.

3. Optical multiplexer according to claim 2, characterized in that the substrate ( 2 ) contains indium phosphide.

4. Optical multiplexer according to claim 3, characterized in that the waveguide layer ( 41 ) is an indium-gallium-arsenide-phosphide layer.

5. Optical multiplexer according to one of claims 1 to 4, characterized in that regions ( 8 , 9 ) of the waveguide layer ( 41 ) are designed as optical switches for switching the light signals.

6. Optical multiplexer according to one of claims 1 to 4, characterized in that regions of the waveguide layer ( 41 ) are designed as semiconductor amplifiers for optically amplifying the light signals.

7. Optical multiplexer according to one of claims 1 to 4, characterized in that regions ( 8 , 9 ) of the waveguide layer ( 41 ) are designed as photodiodes for detecting the light signals.

8. Optical demultiplexer with an optoelectronic component for demultiplexing incoming digital multiplex light signals to come out demultiplexed light signals, characterized in that it contains as the optoelectronic component a semiconductor component ( 1 ) with a substrate ( 2 ), above which there is a branched one simply wavy layer ( 41 ) having a continuous structure for the optical demultiplexing of the multiplex light signals to the demultiplexed light signals.

9. Optical demultiplexer according to claim 8, characterized in that the substrate ( 2 ) consists of a III-V semiconductor compound.

10. Optical demultiplexer according to claim 9, characterized in that the substrate ( 2 ) contains indium phosphide.

11. Optical demultiplexer according to claim 10, characterized in that the waveguide layer ( 41 ) is an indium-gallium-arsenide-phosphide layer.

12. Optical demultiplexer according to one of claims 8 to 11, characterized in that it has branching regions ( 310 , 320 , 330 ) with waveguide branches ( 3101 , 3102 , 3201 , 3202 , 3301 , 3302 ) which are used to switch the light signals as optical switches are trained.

13. Optical demultiplexer according to one of claims 8 to 11, characterized in that regions of the waveguide layer ( 41 ) are designed as semiconductor amplifiers for optically amplifying the light signals.

14. Optical demultiplexer according to one of claims 8 to 11, characterized in that regions of the waveguide layer ( 41 ) are designed as photodiodes for detecting the light signals.