DE60130360T2 - Integriert-optischer multiplexer/demultiplexer - Google Patents

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    • H04J14/02—Wavelength-division multiplex systems

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Diese Erfindung betrifft im Allgemeinen die optische Wellenlängenteilungsübertragung von Informationen und insbesondere optische Wellenlängen-Multiplexer und -Demultiplexer für die Verwendung in optischen Übertragungssystemen.
  • HINTERGRUND
  • Die Wellenlängenmultiplexierung (WDM) ist ein wertvolles Verfahren zum Erhöhen der Informationsübertragungskapazität von optische Übertragungen für Sprachkommunikationen sowie einer Datenübertragung mit hoher Dichte. Im Wesentlichen beinhaltet die WDM das Modulieren von Lichtstrahlen mit mehreren diskreten Wellenlängen mit zu übertragenden Informationen, das Kombinieren oder Multiplexieren der Strahlen in einen einzelnen polychromatischen Lichtstrahl und das Übertragen des polychromatischen Strahls zu einem Empfangsort mittels beispielsweise optischer Fasern oder Wellenleiter. Am Empfangsort wird der Strahl wieder in seine Komponentenstrahlen mit diskreten Wellenlängen demultiplexiert oder getrennt, von denen jeder dann demoduliert werden kann, um die vom Strahl übertragenen Informationen zu gewinnen. Folglich können viele Informationskanäle gleichzeitig übertragen werden, wodurch die Informationsübertragungskapazität der Übertragung vervielfacht wird.
  • Die optische Wellenlängenteilungsübertragung erfordert einen optischen Multiplexer zum Kombinieren von individuellen optischen Signalen in ein multiplexiertes Signal und einen optischen Demultiplexer zum Trennen des multiplexierten Signals wieder in seine diskreten Wellenlängenkomponenten. Eine Vielfalt von optischen Multiplexern und Demultiplexern wurden für diesen Zweck entwickelt, von denen viele zur Verwendung in der Telekommunikationsindustrie sind. Einige von diesen Vorrichtungen machen von optischen Gittern Gebrauch, da solche Gitter von Natur aus Lichtstrahlen mit verschiedenen Wellenlängen in verschiedenen Winkeln beugen und/oder reflektieren. Das US-Patent 6 011 884 von Dueck et al. offenbart beispielsweise einen optischen Wellenlängen-Multiplexer, der ein Brechungsindexelement mit axialem Gradienten mit einem Beugungsgitter integriert. Das Multiplexieren von optischen Strahlen mit diskreten Wellenlängen mit erhöhter Effizienz in einen einzelnen polychromatischen Strahl zur Übertragung wird geltend gemacht. Das US-Patent 4 923 271 von Henry et al. offenbart einen optischen Multiplexer/Demultiplexer mit einer Vielzahl von fokussierenden Bragg-Reflektoren, die jeweils eine Vielzahl von konfokalen elliptischen Gitterlinien umfassen. Das US-Patent 5 818 986 von Asawa et al. offenbart einen optischen Wellenlängen-Demultiplexer mit einer Winkelrückreflexion von einer Reihe von Bragg-Gittern im optischen Signalweg, um einen polychromatischen optischen Strahl in seine Bestandteilswellenlängen aufzutrennen. Vorrichtungen wie z.B. diese werden im Allgemeinen in der Telekommunikationsindustrie für die Übertragung von Sprach- und ähnlichen Signalen über optische Kommunikationsnetzwerke verwendet. Die Größe solcher Vorrichtungen ist im Allgemeinen in der Telekommunikationsindustrie kein Problem und folglich sind optische Multiplexer und Demultiplexer wie z.B. die in den obigen Patenten und anderen offenbarten gewöhnlich relativ groß und voluminös.
  • Die vergangenen vier Jahrzehnte waren eine Zeit, während der die Mikroelektronik, einschließlich des integrierten Schaltungschips, in exponentiellen Raten fortgeschritten ist. Die Mikroelektronik ist in fast alle Aspekte des menschlichen Lebens durch die Erfindung von kleinen elektronischen Vorrichtungen, wie z.B. Uhren, Hörhilfen, implantierbaren Herzschrittmachern, Taschenrechnern und Personalcomputern, eingetreten. Der Fortschritt der Mikroelektronik wurde die Hauptantriebskraft der Innovation in modernen Informationstechnologien und Datenübertragungen mit hoher Dichte wie z.B. Faserdatenübertragungen, globalen Satellitenkommunikationen, Mobiltelefonen, dem Internet und dem World Wide Web. Wenn die Mikroelektroniktechniken fortschreiten, wird die Nanoelektronik (Strukturmaßstäbe in der Größenordnung von 10–9 Metern) verwirklicht.
  • Auf der Basis der aktuellen Wachstumsrate des Datenübertragungsverkehrs ist der Mikroelektronikchip von 2010 wahrscheinlich eine Anordnung von parallelen Prozessoren, die aus mindestens 1024 Kanälen mit Verarbeitungsgeschwindigkeiten von 40 Gigabytes pro Sekunde (Gb/s) oder schneller für jeden Kanal bestehen. Dies treibt die Halbleitertechnologie in Richtung der Gigamaßstabs- und Teramaßstabsintegration mit kleineren Bauteil- oder Strukturgrößen und größeren Chipgrößen. Gleichzeitig müssen Verbindungen zwischen Schaltungskomponenten auf dem Chip die Datenübertragungsraten von 40 Gb/s oder schneller unterstützen. Wenn die Strukturgrößen von integrierten Schaltungen weiterhin abnehmen und die Chipgrößen zunehmen, werden Verbindungen, die aus herkömmlichen elektrischen Verbindungen gebildet sind, und die Schalttechnologie schnell zu einem kritischen Problem in der Verwirklichung von mikroelektronischen Systemen. Es wird angenommen, dass die maximale Länge der für einen Chip erforderlichen Verbindung zu einer Hälfte der Quadratwurzel der Chipfläche proportional ist. Dieser Parameter ist folglich ungefähr konstant, während die Schaltungsstrukturgröße und der erforderliche Verbindungsdatendurchsatz sich maßstäblich verkleinern. Folglich wird die Verbindungsverzögerung ungefähr konstant gehalten, während die Vorrichtungsverzögerung verringert wird, wenn die Strukturgrößen maßstäblich verkleinert werden. Die Verbindungsverzögerung kann sogar zunehmen, wenn die Chipgröße maßstäblich vergrößert wird. An einem gewissen Punkt in diesem Skalierungsprozess dominiert die Verbindungsverzögerung die Systemgeschwindigkeit; d.h. die Systemgeschwindigkeit kann die zunehmende Vorrichtungsgeschwindigkeitsleistung aufgrund der Verbindungsverzögerung nicht verfolgen. Herkömmliche Leiter- und Halbleiterverbindungen können die erforderlichen zukünftigen Datenraten von 40 Gb/s oder höher nicht unterstützen. Folglich sind herkömmliche Verbindungen zwischen Strukturen auf zukünftigen Chips ein unüberwindbarer Engpass für den Durchsatz von Datenübertragungssystemen mit hoher Dichte und sind in der zukünftigen Mikroelektronik mit hoher Geschwindigkeit undurchführbar.
  • Um das beispiellose Wachstum des Daten- und Telekommunikationsverkehrs zu handhaben, wurden viele neue Übertragungsmechanismen vorgeschlagen, einschließlich 3D-Strukturen mit mehreren Ebenen von Transistoren und herkömmlichen Verbindungen, drahtlosen HF-Verbindungen unter Verwendung von koplanaren Wellenleitern und kapazitiven Kopplern, um ein "Mikroflächennetzwerk auf einem Chip" zu erhalten, und optischen Verbindungen auf dem Chip. Von diesen Vorschlägen scheinen optische Verbindungen, die sich in Telekommunikationsnetzwerken im großen Maßstab bewährt haben, die meisten Versprechen zu halten. Dies liegt an einer Anzahl von Faktoren, einschließlich der Tatsache, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit eines optischen Signals von der Anzahl von elektronischen Bauteilen, die das Signal empfangen, unabhängig ist, der Tatsache, dass optische Verbindungen nicht unter Effekten einer gegenseitigen Störung leiden, und dass optische Verbindungswege ohne signifikante Wechselwirkung einander kreuzen können. Folglich versprechen optische Verbindungen zwischen Mikrochipstrukturen, die Kommunikationsleistung durch Vorsehen von größeren Auffächerungen bei höheren Bandbreiten zu verbessern.
  • Es bestehen zwei Hauptherausforderungen für die Einführung von optischen Verbindungen in mikroelektronische Datenübertragungssysteme wie z.B. Computerchips. Erstens weisen die optischen Systeme und die elektronischen Systeme verschiedene Architekturen auf, da sie unter verschiedenen physikalischen Prinzipien arbeiten. Zweitens ist die Technologie optischer Komponenten in einem mikro- oder nanooptischen Maßstab, der für die Implementierung von optischen Verbindungen auf dem Chip erforderlich ist, nicht reif und ist kostspielig. Folglich ist der Schlüssel für die erfolgreiche Anwendung von optischen Verbindungen auf mikroelektronische Systeme mit hoher Dichte die Durchführung einer sehr effektiven Integration von äußerst kleinen, aber sehr effizienten optischen Vorrichtungen mit immer kleineren mikroelektronischen Schaltungsbauteilen.
  • Um das Potential von mikrooptischen Verbindungen für Datenübertragungen zu maximieren, wird Wellenlängen-Multiplexieren von mehreren optischen Signalen in einem Mikro- oder Nanomaßstab genauso verwendet, wie es in einem Makromaßstab in der Telekommunikationsindustrie verwendet wurde. Diese Anforderung erfordert äußerst kleine optische Multiplexer und Demultiplexer zum Kombinieren und Trennen von optischen Signalen mit diskreten Wellenlängen. Aufgrund von Leistungs- und Wärmeableitungseinschränkungen, die in einer mikroelektronischen Schaltungsumgebung vorliegen, müssen diese mikrooptischen Multiplexer und Demultiplexer ferner mit theoretisch keinen optischen Übertragungsverlusten arbeiten, ansonsten wird der Datendurchsatz beeinträchtigt. Schließlich müssen die mikrooptischen Multiplexer und Demultiplexer mit mikrooptischen Sendern zum Erzeugen der zu multiplexierenden und zu übertragenden optischen Signale und mit mikrooptischen Sensoren oder Detektoren zum Empfangen von demultiplexierten optischen Signalen stark integriert werden. Außerdem ist eine zugehörige Schnittstellenschaltung zum Transformieren von elektronischen Signalen von Mikroschaltungskomponenten in optische Signale und umgekehrt zum Integrieren von optischen Verbindungskomponenten mit elektronischen CMOS-Mikroschaltungsbauteilen, alle in einem Mikro- oder Nanomaßstab, erforderlich.
  • Eine Art von optischem Beugungsgitter, das in der Lage ist, ein multiplexiertes polychromatisches optisches Signal in seine Bestandteilskomponentenstrahlen mit theoretisch keinem Übertragungsverlust aufzutrennen, ist als Gitter mit einem Bereich maximaler Intensität bekannt. Gitter mit einem Bereich maximaler Intensität in einem makroskopischen Maßstab sind bekannt und müssen hier nicht im Detail beschrieben werden. Die US-Patente 4 359 373 von Hammer und 5 279 924 von Sakai et al. offenbaren und erörtern Gitter mit einem Bereich maximaler Intensität in beträchtlichem Detail. Im Allgemeinen ist jedoch ein Gitter mit einem Bereich maximaler Intensität eine Art von Beugungsgitter, das durch eine asymmetrische Nutstruktur gekennzeichnet ist, wobei benachbarte Stege einen im Wesentlichen dreieckigen Querschnitt aufweisen, wobei eine Anordnung von Mikroprismen gebildet ist. Gitter mit einem Bereich maximaler Intensität sind äußerst effizient und können dazu ausgelegt sein, fast 100 % der Leistung eines einfallenden optischen Strahls in eine einzelne gebeugte Ordnung, wie z.B. die +1-Ordnung, abzulenken oder zuzuweisen. Wenn ein einfallender Strahl ein multiplexierter polychromatischer Strahl ist, wird jeder Komponentenstrahl mit diskreter Wellenlänge innerhalb des einfallenden Strahls in eine anderen Winkel gebeugt und folglich werden die Komponentenstrahlen aufgefächert und aufgetrennt, was zum Demultiplexieren des einfallenden Strahls führt. Optische Sensoren können angeordnet werden, um die diskreten Strahlen für die Erfassung und Demodulation von Daten, die sie tragen, abzufangen. Da fast 100 % der einfallenden Leistung durch das Gitter mit einem Bereich maximaler Intensität bewahrt werden, wird das Demultiplexieren mit theoretisch keinem Übertragungsverlust durchgeführt, was sich in einem höheren Datendurchsatz mit einem optischen Signal mit einer gegebenen Leistung ausdrückt.
  • Obwohl Gitter mit einem Bereich maximaler Intensität ein Potential als sehr effiziente, kompakte, planare Demultiplexer und Wellenleiterkoppler aufweisen, bergen sie insofern signifikante innewohnende Probleme, als das kontinuierlich variierende Profil der Mikroprismenstege schwierig und teuer herzustellen ist. Die Herstellung wird zu einem zunehmenden Problem, wenn die Größe und der Maßstab des Gitters verringert werden, bis bei einer gewissen Schwelle bekannte Herstellungsverfahren wie z.B. Ionenstrahlätzen einfach unwirksam sind, um das Gitter herzustellen. Bei den für integrierte mikrooptische Verbindungen erforderlichen Mikro- oder Nanomaßstäben steht kein bekanntes Herstellungsverfahren zur Verfügung.
  • Selbst wenn Gitter mit einem Bereich maximaler Intensität mit äußerst kleinem Maßstab hergestellt werden könnten, besteht immer noch eine innewohnende und unvermeidliche praktische untere Grenze für ihre Größe für Demultiplexierungsanwendungen. Insbesondere wenn die Periode der Gitterelemente in einem Gitter mit einem Bereich maximaler Intensität kleiner wird und sich der Wellenlänge des einfallenden Lichts nähert, wird das Gitter mit einem Bereich maximaler Intensität fortschreitend zu einem so genannten Gitter nullter Ordnung. Mit anderen Worten, wenn die Gitterperiode äußerst klein ist, und sicher wenn sie kleiner ist als die Wellenlänge des einfallenden Lichts, d.h. wenn die Periode unterhalb einer Wellenlänge liegt, weist ein reguläres Gitter mit einem Bereich maximaler Intensität vielmehr das ganze durchgelassene Licht der Beugungsordnung null als der ersten oder höheren Ordnungen zu. Unter solchen Bedingungen wird ein einfallender Lichtstrahl nicht gebeugt, wenn er das Gitter durchquert, sondern verläuft statt dessen ungeachtet seiner Wellenlänge gerade durch das Gitter. Das optische Demultiplexieren erfordert jedoch grundsätzlich, dass Licht mit verschiedenen Wellenlängen in verschiedenen Winkeln durch ein Gitter gebeugt oder aufgefächert wird, so dass sie getrennt werden. Da ein Gitter nullter Ordnung jede Wellenlänge gerade durchlässt, werden die verschiedenen Wellenlängen nicht getrennt und es besteht keine Trennung oder Demultiplexierung eines polychromatischen optischen Signals. Folglich sind reguläre Gitter mit einem Bereich maximaler Intensität als optische Demultiplexer im Mikro- oder Nanomaßstab, der für die Verwendung in Mikroelektronik-Datenverbindungen erforderlich ist, einfach nicht funktionstüchtig.
  • Selbst wenn reguläre Gitter mit einem Bereich maximaler Intensität in einem Makromaßstab theoretisch die Leistungseigenschaften bieten, die für die Verwendung in integrierten mikrooptischen Verbindungen erforderlich sind, sind sie folglich tatsächlich für solche Anwendungen aus einer Vielfalt von Gründen, wie vorstehend erörtert, nicht geeignet.
  • Die Leistungseigenschaften von regulären Gittern mit einem Bereich maximaler Intensität können durch so genannte Mehrebenengitter angenähert werden, wobei die kontinuierlich variierenden geneigten Oberflächen der Gitterelemente eines regulären Gitters mit einem Bereich maximaler Intensität mit mehreren diskreten Oberflächenebenen oder Stufen simuliert werden. Gemäß der Theorie kann ein Mehrebenengitter mit 16 Ebenen oder Stufen pro Gitterelement 99 % der Eingangsstrahlleistung auf eine festgelegte Beugungsordnung ablenken. Ein solches Mehrebenengitter ist im US-Patent Nr. 5 742 433 von Shiono et al. offenbart. Ein Problem bei Mehrebenengittern besteht darin, dass Mehrstufen-Herstellungsverfahren für ihre Herstellung erforderlich sind, wobei die Anzahl von Stufen zur Anzahl von Ebenen in den Gitterstrukturen proportional ist. Folglich ist die kritische Ausrichtung der verschiedenen Ebenen jedes Gitterelements äußerst schwierig aufrechtzuerhalten, insbesondere in den Maßstäben unter einer Wellenlänge, die für Mikroschaltungsverbindungen erforderlich sind. Folglich sind Mehrebenengitter keine praktische Lösung für die Probleme mit regulären Gittern mit einem Bereich maximaler Intensität.
  • Binäre Gitter mit einem Bereich maximaler Intensität wurden als weitere Alternative für reguläre Gitter mit einem Bereich maximaler Intensität entwickelt. Im Wesentlichen ist ein binäres Gitter mit einem Bereich maximaler Intensität ein Gitter, in dem die Gitterstege alle auf einer einzelnen Ebene liegen und die Gittermulden auf einer einzelnen Ebene liegen (d.h. zwei Stufen), aber die Stegbreite, die Muldenbreite und/oder der Abstand zwischen den Gitterelementen variieren, um lokalisierte Gitterstrukturen unter einer Wellenlänge und unter einem Mikrometer innerhalb der Gitterperiode zu erzeugen. Die Grundlagenforschung am Entwurf und an der Optimierung der binären Gitter mit einem Bereich maximaler Intensität wurde durch den Erfinder der vorliegenden Erfindung und von anderen durchgeführt. Diese Forschung ist in Z. Zhou und T. J. Drabik, Optimized Binary, Phase-only, Diffractive Element with Subwavelength Features for 1.55 um, J. Opt. Soc. Am A/Band 12, Nr. 5/Mai 1995; und Z. Zhou und N. Hartman, Binary Blazed Grating for High Efficient Wavequide Coupling, SPIE Band 2891, 1996, dargestellt. Die Theorie und Optimierung eines binären Gitters mit einem Bereich maximaler Intensität als Alternative zu einem regulären oder linearen Gitter mit einem Bereich maximaler Intensität ist in beträchtlichem Detail in diesen Dokumenten dargestellt und muss hier folglich nicht wiederholt werden.
  • Es wurde gezeigt, dass binäre Gitter mit einem Bereich maximaler Intensität Durchlasswirkungsgrade aufweisen, wenn sie Licht in die erste oder höhere Beugungsordnungen beugen, die sich jenem des eines regulären Gitters mit einem Bereich maximaler Intensität nähern. Binäre Gitter mit einem Bereich maximaler Intensität weisen jedoch mehrere innewohnende Vorteile gegenüber sowohl regulären als auch linearen Gittern mit einem Bereich maximaler Intensität und gegenüber Mehrebenengittern auf. Insbesondere können die Gitterstrukturen unter einer Wellenlänge von einem binären Gitter mit einem Bereich maximaler Intensität relativ leicht und in einem einzigen Schritt mit existierenden Herstellungsverfahren hergestellt werden. Ferner und am signifikantesten für die vorliegende Erfindung werden binäre Gitter mit einem Bereich maximaler Intensität nicht zu Gittern nullter Ordnung in Maßstäben unter einer Wellenlänge wie reguläre Gitter mit einem Bereich maximaler Intensität. Mit anderen Worten, ein binäres Gitter mit einem Bereich maximaler Intensität weist weiterhin einen sehr hohen Prozentsatz der Leistung eines einfallenden Lichtstrahls der ersten oder einer höheren Beugungsordnung zu, selbst wenn die Gitterelemente kleiner sind als die Wellenlänge des einfallenden Strahls.
  • Angesichts des Vorangehenden ist zu sehen, dass ein Bedarf für einen integrierten optischen Multiplexer und Demultiplexer zur Verwendung bei der Wellenlängenteilungsübertragung von Informationen besteht, der so maßstäblich verkleinerbar ist, dass er in mikroelektronische Vorrichtungen als optische Verbindungen zwischen elektronischen Bauteilen integriert wird. Die Integration sollte eine Signalverarbeitungsschaltung zum Umwandeln von übertragenen Informationen zwischen dem optischen und dem elektronischen Bereich zur Integration mit CMOS-Schaltungskomponenten umfassen. Ferner sollten die Multiplexier- und Demultiplexierfunktionen mit fast perfektem Übertragungswirkungsgrad ähnlich jenem, der in einem Makromaßstab mit einem regulären Gitter mit einem Bereich maximaler Intensität erhältlich ist, durchgeführt werden, um die optische Leistung zu bewahren, die Wärmeerzeugung zu minimieren und den Informationsdurchsatz zu maximieren. Es ist die Bereitstellung einer solchen Vorrichtung, auf die die vorliegende Erfindung hauptsächlich gerichtet ist.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Kurz beschrieben, umfasst die vorliegende Erfindung einen integrierten optischen Signaldetektor, wie in Anspruch 1 definiert. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel davon umfasst sie einen integrierten optischen Demultiplexer (der auch als Multiplexer konfiguriert sein kann) zur Verwendung bei der Wellenlängenteilungsübertragung von Informationen. Alle Komponenten des Demultiplexers sind auf einem integrierten Chipsubstrat ausgebildet und integriert und können zur Verwendung als optische Datenverbindungen zwischen elektronischen Elementen eines Computerchips wie z.B. eines Mikroprozessors auf Mikro- oder Nanomaßstäbe skaliert werden. Die vorliegende Erfindung eignet sich tatsächlich einzigartig für die Verwendung in nanoelektronischen Schaltungen. In einem Ausführungsbeispiel umfasst der integrierte optische Demultiplexer ein integriertes Schaltungssubstrat, das ein herkömmliches Siliziumsubstrat sein kann. Eine Anordnung von optischen Photodetektoren wird auf dem Substrat unter Verwendung von Standard-Ätz- und -Dotierungsverfahren für integrierte Schaltungen ausgebildet. Eine Signalverarbeitungselektronik wird auf dem Substrat ausgebildet und zum Empfangen von elektrischen Signalen von den Photodetektoren, wenn sie belichtet werden, gekoppelt. Die Signalverarbeitungselektronik ist dazu ausgelegt, Signale von den Photodetektoren zu demodulieren, um Daten von einfallenden Lichtstrahlen auf den Photodetektoren zu gewinnen und die Daten in ein Format zur Kommunikation mit elektronischen Bauteilen umzuwandeln.
  • Eine erste Schicht aus einem optisch durchlässigen Material mit einem ersten Brechungsindex wird auf dem Substrat ausgebildet, die über den Photodetektoren liegt. Eine zweite Schicht aus einem optisch durchlässigen Material mit einem zweiten Brechungsindex wird auf der ersten Schicht aus optisch durchlässigem Material ausgebildet und liegt über dieser, was eine Grenzfläche zwischen den zwei Schichten aus optisch durchlässigem Material definiert, die über den Photodetektoren liegen. Ein binäres Gitter mit einem Bereich maximaler Intensität wird an der Grenzfläche zwischen der ersten und der zweiten Schicht aus optisch durchlässigem Material ausgebildet. Mit dieser Konfiguration bildet die zweite Schicht aus optisch durchlässigem Material einen optischen Wellenleiter, durch den sich Lichtsignale von einer Stelle zur anderen ausbreiten können. Das binäre Gitter mit einem Bereich maximaler Intensität bildet einen Wellenleiterkoppler zwischen dem durch die zweite Schicht aus optisch durchlässigem Material gebildeten Wellenleiter und der ersten Schicht aus optisch durchlässigem Material, die über der Anordnung von Photodetektoren liegt.
  • Bei der Verwendung wird ein Wellenlängen-multiplexierter Lichtstrahl, der aus mehreren Strahlen mit diskreten Wellenlängen besteht, die jeweils mit zu übertragenden Daten moduliert sind, in den durch die zweite Schicht aus optisch durchlässigem Material gebildeten optischen Wellenleiter eingeführt. Alternativ kann ein solcher Strahl in den Wellenleiter direkt von einer anderen Schicht, die über dem Wellenleiter liegt, eingeführt werden. Diese darüber liegende Schicht kann der freie Raum (Brechungsindex ungefähr gleich 1) sein oder sie kann ein optisch durchlässiges Material mit einem Brechungsindex von weniger als jenem des Wellenleitermaterials sein. In jedem Fall (d.h. ob der multiplexierte Strahl durch den Wellenleiter übertragen wird oder von außerhalb des Wellenleiters ankommt) werden, wenn der multiplexierte Strahl auf das binäre Gitter mit einem Bereich maximaler Intensität trifft, die Strahlen mit diskreten Wellenlängen durch das Gitter in verschiedenen Winkeln gebeugt, die Funktionen ihrer jeweiligen Wellenlängen sind. Folglich wird der multiplexierte optische Strahl durch das binäre Gitter mit einem Bereich maximaler Intensität demultiplexiert und die Strahlen mit diskreten Wellenlängen werden aufgefächert.
  • Die Photodetektoren, die unter dem binären Gitter mit einem Bereich maximaler Intensität unterhalb der ersten Schicht aus optisch durchlässigem Material liegen, sind derart angeordnet, dass jeder Photodetektor einen der Strahlen mit diskreten Wellenlängen vom Gitter abfängt. Die mit der Anordnung von Photodetektoren gekoppelte Verarbeitungselektronik empfängt die resultierenden Signale von den Photodetektoren, demoduliert die Signale, um die ursprünglich in den Lichtstrahl codierten Daten zu gewinnen, und formatiert die Daten in einer geeigneten Form für die Kommunikation mit elektronischen Bauteilen in der integrierten Schaltung.
  • Da die Optik reversibel ist, umfasst die Erfindung auch einen optischen Multiplexer, wie in Anspruch 9 definiert, zum Multiplexieren von Lichtstrahlen mit diskreten Wellenlängen, die mit Daten moduliert sind, in ein Wellenlängenmultiplexiertes optisches Signal zur Übertragung. Im Multiplexer sind die Photodetektoren gegen Photoemitter zum Emittieren der Lichtstrahlen mit diskreten Wellenlängen ausgetauscht und die Verarbeitungselektronik funktioniert zum Umformatieren der zu übertragenden Daten und zum Modulieren der Daten auf die von den Emittern emittierten Lichtstrahlen. Folglich ist ein optisches Verbindungsnetzwerk im Mikro- oder Nanomaßstab auf dem Chip für mikroelektronische Chips nun durch die Anwendung der vorliegenden Erfindung möglich. Das binäre Gitter mit einem Bereich maximaler Intensität der Erfindung kann in diesen Maßstäben in einem Ein-Schritt-Prozess mit existierenden Herstellungsverfahren hergestellt werden. Am bedeutendsten wird ein binäres Gitter mit einem Bereich maximaler Intensität im Gegensatz zu einem regulären Gitter mit einem Bereich maximaler Intensität nicht zu einem Gitter nullter Ordnung in den erforderlichen Maßstäben unter einer Wellenlänge, sondern weist statt dessen weiterhin fast das ganze einfallende Licht einer ausgewählten Beugungsordnung wie beispielsweise der +1-Ordnung zu. Folglich wird die Beugung und resultierende Demultiplexierung von optischen Strahlen bei den erforderlichen kleinen Maßstäben bewahrt. Da das binäre Gitter mit einem Bereich maximaler Intensität beim Zuweisen des einfallenden Lichts zu der ausgewählten Beugungsordnung äußerst effizient ist, wird schließlich ein optisches Signal mit höherer Intensität zu den Photodetektoren übertragen, die folglich schneller reagieren. Dies führt zu schnelleren Datendurchsätzen.
  • Folglich ist ein integrierter optischer Multiplexer und Demultiplexer zur Wellenlängenteilungsübertragung von Informationen, der die Probleme beim Stand der Technik löst, und dieser ist zur Verwendung als optische Verbindungen zwischen elektronischen Bauteilen auf einem integrierten Schaltungschip maßstäblich verkleinerbar. Diese und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden bei der Durchsicht der nachstehend dargelegten ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit der zugehörigen Zeichnungsfigur, die im Folgenden kurz beschrieben wird, besser ersichtlich.
  • Verfahren zur Herstellung eines integrierten optischen Demultiplexers und eines integrierten optischen Multiplexers gemäß der Erfindung sind in den Ansprüchen 11 bzw. 21 definiert.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
  • 1 ist eine vereinfachte Querschnittsansicht eines integrierten optischen Multiplexers, der Prinzipien der vorliegenden Erfindung in einer bevorzugten Form verkörpert.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
  • Mit genauerem Bezug auf die Zeichnung stellt 1 einen integrierten optischen Demultiplexer dar, der Prinzipien der Erfindung in einer bevorzugten Form verkörpert. Es ist selbstverständlich, dass die Figur nur den sehr kleinen Abschnitt einer mikroelektronischen integrierten Schaltung umfasst, der für das optische Demultiplexieren zweckgebunden ist, und dass der vollständige Chip, der ein Mikroprozessor sein kann, Millionen von integrierten elektronischen Bauteilen oder Strukturen, die in dem kleinen Abschnitt von 1 nicht sichtbar sind, enthalten kann.
  • Der integrierte optische Demultiplexer 11 ist auf einem integrierten Schaltungssubstrat 12 ausgebildet, das herkömmlich aus einem Siliziummaterial vom N-Typ ausgebildet sein kann. Teile des Substrats 12, die in 1 nicht sichtbar sind, können durch herkömmliche Herstellungsverfahren für integrierte Schaltungen geätzt und dotiert werden, um Millionen von elektronischen Strukturen oder Bauteilen zu unterstützen, die zusammen beispielsweise einen Mikroprozessor oder ein anderes elektronisches Bauelement bilden. Eine Anordnung von optischen oder Photodetektoren (durch die Bezugsziffer 10 in 1 angegeben) werden auf dem Substrat 12 durch herkömmliche Herstellungsverfahren für integrierte Schaltungen ausgebildet und können beispielsweise aus einer Dotierung vom P+-Typ mit geeigneten Störstellen, um die Detektoren lichtempfindlich zu machen, bestehen. (Das Substrat kann natürlich ein Material vom P-Typ sein und die Sensoren können ein Material vom N-Typ sein, falls erwünscht.) Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind eine Anordnung von vier beabstandeten Photodetektoren, die aus einem ersten Detektor 13, einem zweiten Detektor 14, einem dritten Detektor 16 und einem vierten Detektor 17 bestehen, auf dem Substrat ausgebildet. Es ist jedoch selbstverständlich, dass in Abhängigkeit von der Anzahl von Kanälen von optisch übertragenen Daten, die am Ort der Sensoranordnung empfangen werden sollen, mehr oder weniger als vier Photodetektoren auf dem Substrat ausgebildet werden können.
  • Die Anordnung könnte beispielsweise 80 Detektoren umfassen, wenn 80 Kanäle von optischen Daten übertragen werden sollen. Die Herstellung von Photodetektoren auf einem integrierten Schaltungssubstrat durch geeignetes Ätzen, Dotieren und andere Verfahren ist Fachleuten der Herstellung von integrierten Schaltungen bekannt und muss hier folglich nicht im Einzelnen beschrieben werden.
  • Die Signalverarbeitungselektronik 18 ist auf dem integrierten Schaltungssubstrat 12 benachbart zur Photodetektoranordnung 10 ausgebildet und diese Elektronik ist mit jedem der Photodetektoren in der Anordnung durch geeignete Leiter 21, die auch auf oder im integrierten Schaltungssubstrat 12 ausgebildet sind, elektrisch gekoppelt. Die Signalverarbeitungselektronik ist dazu ausgelegt, elektrische Signale zu empfangen, die von den Photodetektoren 13, 14, 16 und 17 erzeugt werden, wenn sie mit einem Lichtstrahl beleuchtet werden. Charakteristisch weisen diese elektrischen Signale räumliche und zeitliche Eigenschaften des einfallenden Lichtstrahls, einschließlich Modulationen des Lichtstrahls, die Daten oder andere Informationen übertragen, die vom Strahl getragen und mit diesem übertragen werden, auf. Die Signalverarbeitungselektronik 18 führt verschiedene Funktionen durch, einschließlich, jedoch nicht begrenzt auf Filterfunktionen, um Nebensprechen zwischen den Photodetektoren der Anordnung 10 zu verringern, Demodulation der Signale von den Photodetektoren, um die Daten aus der optischen Frequenzträgerwelle zu gewinnen, und Formatieren der Daten in ein herkömmliches Format für die anschließende Übertragung über elektrische Ausgänge 19 zu anderen elektronischen Bauteilen auf dem integrierten Schaltungschip.
  • Eine erste Schicht aus optisch durchlässigem (zumindest bei den interessierenden Wellenlängen) Material 22 ist auf dem Substrat 12 ausgebildet, die die Photodetektoranordnung 10 bedeckt und über dieser liegt. Die erste Schicht aus optisch durchlässigem Material weist einen ersten Brechungsindex auf, der in der Zeichnung mit nc bezeichnet ist. Die erste Schicht aus durchlässigem Material 22 kann aus irgendeinem einer Anzahl von geeigneten Materialien mit verschiedenen Brechungsindizes ausgewählt werden, einschließlich ohne Begrenzung eines Polymers mit niedrigem K (Brechungsindex zwischen etwa 1,2 und 1,3), Luft oder eines anderen Gases (Brechungsindex gleich etwa 1) oder Siliziumdioxid (Brechungsindex gleich etwa 1,5).
  • Eine zweite Schicht aus optisch durchlässigem (zumindest bei den interessierenden Wellenlängen) Material 23 ist auf der ersten Schicht aus optisch durchlässigem Material 22 ausgebildet und weist einen zweiten Brechungsindex auf, der in der Zeichnung mit ng bezeichnet ist. Das Material, aus dem die zweite Schicht aus optisch durchlässigem Material ausgebildet ist, kann aus irgendeinem einer Anzahl von geeigneten Materialien ausgewählt werden, einschließlich ohne Begrenzung LiNbO3 (Brechungsindex gleich etwa 2,1), Siliziumnitrid (Brechungsindex gleich etwa 2), Siliziumdioxid (Brechungsindex gleich etwa 1,5), eines Polymers (Brechungsindex gleich etwa 1,5 bis 1,6), eines Polysiliziums (Brechungsindex gleich etwa 4) oder Silizium (Brechungsindex gleich etwa 3,8). Materialien mit höheren Brechungsindizes ermöglichen einen dünneren Wellenleiter aufgrund der größeren Brechung von Licht durch solche Materialien. In der Anwendung werden die Materialien der ersten und der zweiten Schicht aus optisch durchlässigen Materialien 22 und 23 derart ausgewählt, dass die entsprechenden Brechungsindizes der zwei Schichten verschieden sind. Eine Grenzfläche 24 ist zwischen und am Übergang der ersten und der zweiten Schicht aus optisch durchlässigen Materialien 22 und 23 gebildet. Die zweite Schicht aus optisch durchlässigem Material 23 bildet einen Wellenleiter für die Übertragung von optischen Signalen, wie nachstehend genauer erörtert.
  • Ein binäres Gitter 26 mit einem Bereich maximaler Intensität ist an der Grenzfläche zwischen der ersten und der zweiten Schicht aus optisch durchlässigem Material gemäß den Prinzipien ausgebildet, die im Einzelnen in den vom Erfinder mitverfassten zitierten Referenzen erörtert sind. Das Gitter kann auf der zweiten Schicht aus optisch durchlässigem Material geätzt, geprägt oder anderweitig ausgebildet werden, falls erwünscht, wird jedoch bevorzugter auf der Oberfläche der ersten Schicht 22 vor der Abscheidung der zweiten Schicht 23 darauf ausgebildet. Das binäre Gitter 26 mit einem Bereich maximaler Intensität bildet im Wesentlichen einen Wellenleiterkoppler zwischen dem durch die zweite Schicht aus optisch durchlässigem Material 23 gebildeten Wellenleiter und der ersten Schicht aus optisch durchlässigem Material 22.
  • Die Operation des optischen Demultiplexers 11 wird nun im Zusammenhang mit zwei alternativen Betriebsarten beschrieben, von denen jede gleichermaßen anwendbar ist. Zuerst wird ein internes optisches Eingangssignal 27 durch den durch die zweite Schicht aus Material 23 gebildeten Wellenleiter von einem entfernten Ort auf dem Chip übertragen. Das optische Eingangssignal umfasst einen Wellenlängen-multiplexierten Lichtstrahl, der im dargestellten Ausführungsbeispiel aus vier Lichtstrahlen mit diskreten Wellenlängen besteht, die zu einem polychromatischen Strahl miteinander kombiniert sind. Es ist selbstverständlich, dass das optische Eingangssignal 27 aus weniger oder mehr als vier Strahlen mit diskreten Wellenlängen bestehen kann, wenn es in Abhängigkeit von der Anzahl von Kanälen von Informationen, die mit dem Strahl übertragen werden sollen, erwünscht ist. Jeder dieser Lichtstrahlen mit diskreten Wellenlängen weist eine Grundfrequenz auf, die mit Daten moduliert ist, so dass die Daten im multiplexierten Strahl codiert sind und mit diesem übertragen werden, wie es auf dem Fachgebiet bekannt ist. Folglich können im dargestellten Ausführungsbeispiel vier Datenkanäle gleichzeitig mit dem multiplexierten optischen Eingangsstrahl 27 übertragen werden.
  • Wenn der Wellenlängen-multiplexierte optische Eingangsstrahl 27 auf das binäre Gitter 26 mit einem Bereich maximaler Intensität bei I in 1 trifft, fungiert das binäre Gitter 26 mit einem Bereich maximaler Intensität, wie vorstehend beschrieben, zum Beugen des Strahls in die erste Schicht aus optisch durchlässigem Material 22. Da jeder der Strahlen, die den multiplexierten Strahl bilden, eine andere diskrete Wellenlänge aufweist, wird jeder Strahl in einem anderen Winkel in Bezug auf die Normale zur Grenzfläche zwischen den zwei Schichten gebeugt, wie gezeigt. Die Winkel, in denen die Strahlen gebeugt werden, sind eine Funktion der Wellenlängen der Strahlen, der Konstruktion des binären Gitters mit einem Bereich maximaler Intensität und der relativen Brechungsindizes der Materialien der ersten und der zweiten Schicht aus optisch durchlässigem Material 22 und 23.
  • Im dargestellten Ausführungsbeispiel führt die Beugung der Komponenten des multiplexierten Strahls mit diskreter Wellenlängen zu einer Auffächerung der Strahlen mit diskreten Wellenlängen, um sie in einen ersten, zweiten, dritten und vierten Strahl 28, 29, 31 bzw. 32 mit diskreten Wellenlängen zu trennen. Folglich wird der multiplexierte Strahl in seine Komponentenstrahlen durch das binäre Gitter mit einem Bereich maximaler Intensität demultiplexiert oder aufgetrennt. Jeder der getrennten Strahlen läuft durch die erste Schicht aus optisch durchlässigem Material 22 in Richtung eines Orts auf dem integrierten Schaltungssubstrat 12. Die Photodetektoren 13, 24, 16 und 17, sind auf dem Substrat derart angeordnet, dass jeder der Photodetektoren zum Abfangen eines entsprechenden der demultiplexierten Lichtstrahlen positioniert ist, wie gezeigt. Wenn sie durch einen einfallenden Strahl beleuchtet werden, erzeugt jeder der Detektoren ein elektrisches Signal mit den zeitlichen und räumlichen Eigenschaften des Strahls. Folglich umfasst das erzeugte elektrische Signal einen Träger mit der Grundwellenlänge des Strahls und die Modulationen, die die auf den Strahl modulierten oder codierten Daten darstellen. Diese elektrischen Signale werden dann von der Signalverarbeitungselektronik empfangen, gefiltert, demoduliert, um die Daten daraus zu gewinnen, und die Daten werden zur Kommunikation mit anderen elektronischen Elementen in der integrierten Schaltung durch elektrische Ausgänge 19 geeignet formatiert. Folglich ist zu sehen, dass im dargestellten Ausführungsbeispiel vier diskrete Datenkanäle gleichzeitig optisch übertragen, demultiplexiert, demoduliert und zur anschließenden Kommunikation mit anderen elektronischen Vorrichtungen formatiert werden.
  • Die zweite Betriebsart ist ähnlich zur gerade beschriebenen ersten Betriebsart, außer dass das Wellenlängen-multiplexierte optische Eingangssignal 37 in die zweite Schicht aus optisch durchlässigem Material 23 vielmehr von außerhalb der zweiten Schicht eintritt als durch den durch die zweite Schicht gebildeten Wellenleiter übertragen zu werden. In 1 tritt das optische Eingangssignal 37 in die zweite Schicht aus dem freien Raum ein. Es ist jedoch selbstverständlich, dass ein anderes Material als der freie Raum über der zweiten Schicht liegen kann und der Strahl in den Wellenleiter vielmehr von diesem Material als vom freien Raum eintreten kann. In jedem Fall kann in dieser Betriebsart das optische Eingangssignal nicht von einer anderen Stelle auf dem integrierten Schaltungschip ausgehen, sondern von einem anderen Chip auf einer Leiterplatte. Alternativ kann das optische Eingangssignal ein optisches Signal sein, das von einer entfernten geographischen Stelle ausgeht und durch eine optische Faser zum Chip übertragen wird, der den Demultiplexer der vorliegenden Erfindung verkörpert. In dieser Hinsicht hat die vorliegende Erfindung Anwendung auf das Empfangen und Demultiplexieren von optischen Telekommunikationssignalen sowie optische Verbindungen auf dem Chip. Tatsächlich können optische Telekommunikations- und optische Datensignale gleichzeitig übertragen werden und eines oder beide können durch den durch die zweite Materialschicht gebildeten Wellenleiter und/oder von außerhalb dieses Wellenleiters übertragen werden.
  • Wenn das multiplexierte optische Eingangssignal 36 in die zweite Schicht aus optisch durchlässigem Material 23 bei K in 1 eintritt, wird es ein bisschen gebrochen und läuft durch die zweite Schicht zum binären Gitter 26 mit einem Bereich maximaler Intensität. Genau wie bei dem internen optischen Eingangssignal 27 demultiplexiert das binäre Gitter mit einem Bereich maximaler Intensität das optische Eingangssignal, wobei es in seine Komponentenstrahlen 28, 29, 31 und 32 mit diskreten Wellenlängen getrennt wird. Diese Strahlen werden dann von den Photodetektoren der Anordnung 10 abgefangen und die durch die Strahlen übertragenen Daten durch die Signalverarbeitungselektronik 18 gewonnen und zweckmäßig formatiert.
  • Optische Systeme sind im Allgemeinen von Natur aus reversibel. Folglich zieht die vorliegende Erfindung auch einen optischen Multiplexer zum Multiplexieren von mit Daten modulierten optischen Strahlen mit diskreten Wellenlängen in einen polychromatischen Strahl zur Übertragung in Erwägung. Im Fall von optischen Verbindungen auf einem integrierten Schaltungschip können optische Multiplexer auf dem Chip an Stellen ausgebildet werden, von denen Daten ausgehen, und Demultiplexer, wie vorstehend beschrieben, können dort ausgebildet werden, wo die Daten empfangen werden sollen. Die als Multiplexer ausgebildete vorliegende Erfindung ist ähnlich dem Demultiplexer von 1 konfiguriert, außer dass die Photodetektoren gegen Photo- und vorzugsweise Laseremitter ausgetauscht sind, die vielmehr dazu ausgelegt sind, Lichtstrahlen mit diskreten Wellenlängen zu emittieren als auf diese zu reagieren. In dieser Hinsicht können viele Arten von Laseremittern verwendet werden, wie beispielsweise Kantenemissionslaser mit vertikalem Resonator (VCSELs) sowie Kantenemissionslaser und andere. Die Erfindung soll eine beliebige Art von Vorrichtung zum Erzeugen eines optischen Signals einschließen, ob sie nun bekannt ist oder danach entdeckt wird. Verbindungen für integrierte Schaltungssubstrate, die zum Ausbilden von integrierten Laseremittern geeignet sind, umfassen, sind jedoch nicht begrenzt auf GaAs, InP, InGaAs und InGlGaAs. Im Allgemeinen sind Verfahren zum Ausbilden von Laseremittern auf einem integrierten Schaltungssubstrat auf dem Fachgebiet integrierter Schaltungen bekannt und müssen hier folglich nicht im Detail erörtert werden.
  • In einer Multiplexerkonfiguration empfängt die Signalverarbeitungselektronik Daten als elektrische Eingangssignale, formatiert die Daten zur Modulation und erzeugt modulierte elektrische Signale, die an die Laseremitter angelegt werden. Die Emitter emittieren wiederum Strahlen mit diskreten Wellenlängen, die durch die erste Schicht aus optisch durchlässigem Material laufen und durch das binäre Gitter mit einem Bereich maximaler Intensität zu einem Wellenlängenmultiplexierten Strahl kombiniert oder multiplexiert werden. Der multiplexierte Strahl wird dann durch den durch die zweite Schicht aus optisch durchlässigem Material gebildeten Wellenleiter übertragen und steht zum Demultiplexieren an einem Demultiplexierungsort zur Verfügung. In dieser Weise werden vollständige Verbindungen für optische Daten und/oder Telekommunikationsverbindungen auf dem Chip gebildet und Daten werden vielmehr optisch als elektrisch übertragen, mit all den vorstehend erörterten zugehörigen Vorteilen. Der resultierende multiplexierte Strahl kann auch zur anschließenden Übertragung zu anderen Chips oder zu einem entfernten geographischen Ort durch herkömmliche faseroptische Kabel in den freien Raum übertragen werden.
  • Der integrierte optische Demultiplexer und/oder Multiplexer der vorliegenden Erfindung ist durch die Verwendung des binären Gitters mit einem Bereich maximaler Intensität möglich, das, wie vorstehend erörtert, in Mikro- oder Nanomaßstäben zur Integration in integrierte Schaltungschips hergestellt werden kann, während es dennoch seine Fähigkeit beibehält, theoretisch die ganze Leistung eines einfallenden Lichtstrahls einer ausgewählte Beugungsordnung zuzuweisen. Dies ist einfach mit regulären Gittern mit einem Bereich maximaler Intensität oder mit anderen Arten von Beugungsgittern, die sie simulieren, nicht möglich.
  • Die Erfindung wurde hinsichtlich bevorzugter Ausführungsbeispiele und Methodologien beschrieben. Für Fachleute ist es jedoch selbstverständlich, dass viele Zusätze, Streichungen und Modifikationen an den dargestellten Ausführungsbeispielen innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung durchgeführt werden können. In ihrer einfachsten Form könnte die Erfindung beispielsweise lediglich als Detektor für optische Signale oder Schalter konfiguriert sein, in welchem Fall die Eingangsstrahlen nur eine einzige Wellenlänge aufweisen könnten, wobei ein einzelner Detektor die Anwesenheit eines Strahls erfasst. Alternativ könnte ein Strahl mit einziger Wellenlänge verwendet werden, um Daten vielmehr in serieller Weise zu codieren als die Trägerfrequenz des Eingangsstrahls zu modulieren, um Daten zu codieren. Schließlich könnten andere Materialien als die vorgeschlagenen auch für das Substrat und die Schichten aus optisch durchlässigem Material gewählt werden und alle geeigneten Materialien werden als zu den vorstehend offenbarten äquivalent betrachtet.

Claims (29)

  1. Integrierter optischer Signaldetektor (11) zum Erfassen eines übertragenen optischen Signals und zum Umwandeln des erfassten Signals in ein elektrisches Signal, wobei der Detektor (11) umfasst: ein integriertes Schaltungssubstrat (12); mindestens einen Photodetektor (10,13, 14, 16, 17), der auf dem Substrat (12) ausgebildet ist; eine Signalverarbeitungselektronik (18), die auf dem Substrat (12) ausgebildet ist; wobei die Signalverarbeitungselektronik (18) mit dem Photodetektor (10, 13, 14, 16, 17) elektrisch gekoppelt ist und dazu ausgelegt ist, Signale von dem Photodetektor (10, 13, 14, 16, 17) zu empfangen und die empfangenen Signale in ein elektrisches Ausgangssignal (19) zu verarbeiten; eine erste Schicht aus optisch durchlässigem Material (22), die über dem Substrat (12) liegt, wobei die erste Schicht (22) aus optisch durchlässigem Material einen ersten Brechungsindex aufweist; eine zweite Schicht aus optisch durchlässigem Material (23), die über der ersten Schicht (22) aus optisch durchlässigem Material liegt, wobei die zweite Schicht (23) aus optisch durchlässigem Material einen zweiten Brechungsindex aufweist; ein binäres Gitter (26) mit einem Bereich maximaler Intensität, das an einer Grenzfläche (24) zwischen der ersten und der zweiten Schicht (22, 23) aus optisch durchlässigem Material ausgebildet ist, wobei das binäre Gitter (26) mit einem Bereich maximaler Intensität dazu ausgelegt ist, einen einfallenden Lichtstrahl von der zweiten Schicht (23) aus optisch durchlässigem Material durch die erste Schicht (22) aus optisch durchlässigem Material und auf den Photodetektor (10, 13, 14, 16, 17) zu beugen; wobei die zweite Schicht (23) aus optisch durchlässigem Material einen Wellenleiter bildet, wobei das optische Signal zumindest teilweise durch den Wellenleiter zum binären Gitter (26) mit einem Bereich maximaler Intensität übertragen wird.
  2. Integrierter optischer Signaldetektor nach Anspruch 1 und wobei das binäre Gitter (26) mit einem Bereich maximaler Intensität jede Wellenlängenkomponente eines einfallenden Lichtstrahls um einen anderen Winkel und auf einen anderen Ort auf dem integrierten Schaltungssubstrat (12) beugt, und ferner mit einer Anordnung von Photodetektoren (13, 14, 16, 17), die auf dem integrierten Schaltungssubstrat (12) ausgebildet sind, wobei jeder der Photodetektoren (13, 14, 16, 17) angeordnet ist, um eine der gebeugten Wellenlängenkomponenten abzufangen.
  3. Integrierter optischer Signaldetektor nach Anspruch 2 und wobei das binäre Gitter (26) mit einem Bereich maximaler Intensität für die erste Beugungsordnung optimiert ist.
  4. Integrierter optischer Signaldetektor nach Anspruch 1 und wobei die erste Schicht aus optisch durchlässigem Material (22) aus einer Gruppe ausgewählt ist, die ein Polymer mit niedrigem k und Siliziumdioxid umfasst.
  5. Integrierter optischer Signaldetektor nach Anspruch 1 und wobei die zweite Schicht aus optisch durchlässigem Material (23) aus einer Gruppe ausgewählt ist, die LiNbO3, Siliziumnitrid, Siliziumdioxid, ein Polymer, Silizium und Polysilizium umfasst.
  6. Integrierter optischer Signaldetektor nach Anspruch 3 und wobei die Signalverarbeitungselektronik (18) einen Demodulator zum Gewinnen von Daten umfasst, die auf die diskreten Wellenlängenkomponenten des einfallenden Lichtstrahls moduliert sind.
  7. Integrierter optischer Signaldetektor nach Anspruch 6 und wobei die Signalverarbeitungselektronik (18) einen Formstierer zum Formatieren der gewonnenen Daten zur Übertragung zu anderen elektronischen Komponenten umfasst.
  8. Integrierter optischer Signaldetektor nach Anspruch 1 und wobei der erste Brechungsindex größer ist als der zweite Brechungsindex.
  9. Integrierter optischer Multiplexer zum Kombinieren von Lichtstrahlen mit diskreter Wellenlänge zu einem einzelnen polychromatischen Strahl zur Wellenlängen-Multiplex-Übertragung von Informationen, wobei der Multiplexer umfasst: ein integriertes Schaltungssubstrat (12); eine Anordnung von optischen Emittern, die auf dem integrierten Schaltungssubstrat (12) ausgebildet sind, wobei jeder der optischen Emitter zum Emittieren von einem der Lichtstrahlen mit diskreten Wellenlängen dient; eine Signalverarbeitungselektronik (18), die auf dem integrierten Schaltungssubstrat (12) ausgebildet ist und mit der Anordnung von optischen Emittern gekoppelt ist; eine erste Schicht aus optisch durchlässigem Material (22) auf dem Substrat (12), die über der Anordnung von optischen Emittern liegt, wobei die erste Schicht (22) aus optisch durchlässigem Material einen ersten Brechungsindex aufweist; eine zweite Schicht (23) aus optisch durchlässigem Material, die über der ersten Schicht (22) aus optisch durchlässigem Material liegt und eine Grenzfläche (24) mit dieser bildet, wobei die zweite Schicht (23) aus optisch durchlässigem Material einen zweiten Brechungsindex aufweist und einen optischen Wellenleiter, der über der ersten Schicht (22) aus optisch durchlässigem Material liegt, zum Übertragen von multiplexierten optischen Signalen bildet; und ein binäres Gitter (26) mit einem Bereich maximaler Intensität, das an der Grenzfläche (24) zwischen der ersten und der zweiten Schicht (22, 23) aus optisch durchlässigen Materialien ausgebildet ist; wobei das binäre Gitter (26) mit einem Bereich maximaler Intensität so angeordnet und konfiguriert ist, dass es die Lichtstrahlen mit einer diskreten Wellenlänge abfängt und die Lichtstrahlen zu einem einzigen polychromatischen Lichtstrahl zur Übertragung kombiniert.
  10. Integrierter optischer Multiplexer nach Anspruch 9 und ferner mit Codierern, die mit den optischen Emittern gekoppelt sind, um elektrische Signale in optische Signale zu codieren, wobei das binäre Gitter (26) mit einem Bereich maximaler Intensität optische Signale von den Emittern empfängt und sie zu einem Wellenlängen-Multiplex-Signal zur Übertragung durch den optischen Wellenleiter kombiniert.
  11. Verfahren zur Herstellung eines integrierten optischen Demultiplexers (11) auf einem integrierten Schaltungssubstrat (12) zur Wellenlängenteilungs-Übertragung von Informationen, umfassend: Ausbilden einer Anordnung von optischen Detektoren (10) auf dem Substrat (12); Ausbilden einer Signalverarbeitungsvorrichtung (18) auf dem Substrat (12) benachbart zur Anordnung von optischen Detektoren (10) und Koppeln der Signalverarbeitungsvorrichtung (18) mit der Anordnung von optischen Detektoren (10); Ausbilden einer ersten Schicht (22) aus optisch durchlässigem Material auf der Anordnung von optischen Detektoren (10); Hinzufügen einer zweiten Schicht (23) aus optisch durchlässigem Material über der ersten Schicht (22), um einen optischen Wellenleiter auszubilden; und Konfigurieren eines binären Gitters (26) mit einem Bereich maximaler Intensität an einer Grenzfläche (24) zwischen der ersten und der zweiten Schicht (22, 23) aus optisch durchlässigem Material, um einfallendes Licht, das durch den optischen Wellenleiter übertragen wird, auf die Anordnung von optischen Detektoren (10) zu beugen.
  12. Verfahren zur Herstellung eines integrierten optischen Demultiplexers nach Anspruch 11, wobei der Schritt des Ausbildens einer ersten Schicht (22) aus optisch durchlässigem Material das Abscheiden eines Materials mit einem niedrigen Brechungsindex auf der Anordnung von optischen Detektoren (10) umfasst.
  13. Verfahren zur Herstellung eines integrierten optischen Demultiplexers nach Anspruch 12, wobei das abgeschiedene Material aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus einem Polymer oder Siliziumdioxid besteht.
  14. Verfahren zur Herstellung eines integrierten optischen Demultiplexers nach Anspruch 12, wobei das abgeschiedene Material einen Brechungsindex von etwa 1,0 bis etwa 2,0 aufweist.
  15. Verfahren zur Herstellung eines integrierten optischen Demultiplexers nach Anspruch 11, wobei die zweite optisch durchlässige Schicht (23) einen Brechungsindex aufweist, der größer ist als der Brechungsindex der ersten optisch durchlässigen Schicht (22).
  16. Verfahren zur Herstellung eines integrierten optischen Demultiplexers nach Anspruch 11, wobei der Schritt des Hinzufügens einer zweiten Schicht (23) aus optisch durchlässigem Material das Abscheiden eines Materials mit einem Brechungsindex, der vom Brechungsindex der ersten Schicht (22) verschieden ist, umfasst.
  17. Verfahren zur Herstellung eines integrierten optischen Demultiplexers nach Anspruch 16, wobei das abgeschiedene Material aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Siliziumnitrid, einem Polymer, Siliziumdioxid, Silizium, Polysilizium oder LiNbO3 besteht.
  18. Verfahren zur Herstellung eines integrierten optischen Demultiplexers nach Anspruch 11, welches ferner das Herstellen des binären Gitters (26) mit einem Bereich maximaler Intensität auf der ersten Schicht (22) aus optisch durchlässigem Material umfasst.
  19. Verfahren zur Herstellung eines integrierten optischen Demultiplexers nach Anspruch 11, welches ferner das Herstellen des binären Gitters (26) mit einem Bereich maximaler Intensität auf der zweiten Schicht (23) aus optisch durchlässigem Material umfasst.
  20. Verfahren zur Herstellung eines integrierten optischen Demultiplexers nach Anspruch 11, wobei das binäre Gitter (26) mit einem Bereich maximaler Intensität eine Vielzahl von Stegen und eine Vielzahl von Mulden umfasst, wobei die Breite und der Abstand der Stege und Mulden während der Herstellung verändert wird, um eine Vielzahl von lokalisierten Gitterstrukturen unter einer Wellenlänge und unter einem Mikrometer innerhalb einer Gitterperiode vorzusehen.
  21. Verfahren zur Herstellung eines integrierten optischen Multiplexers auf einem integrierten Schaltungssubstrat (12) zum Kombinieren von Lichtstrahlen mit diskreten Wellenlängen zu einem einzigen polychromatischen Strahl zur Wellenlängenteilungs-Übertragung von Informationen, umfassend: Ausbilden einer Anordnung von optischen Emittern auf dem Substrat (12); Ausbilden einer Signalerzeugungsvorrichtung auf dem Substrat (12) benachbart zur Anordnung von optischen Emittern und Koppeln eines erzeugten Signals mit der Anordnung von optischen Emittern; Ausbilden von Emitteransteuervorrichtungen auf dem Substrat (12) benachbart zur Anordnung von optischen Emittern und Koppeln der Emitteransteuervorrichtungen mit der Anordnung von optischen Emittern; Ausbilden einer ersten Schicht (22) aus optisch durchlässigem Material auf der Anordnung von optischen Emittern; Hinzufügen einer zweiten Schicht (23) aus optisch durchlässigem Material über der ersten Schicht (22), um einen optischen Wellenleiter auszubilden; und Konfigurieren eines binären Gitters (26) mit einem Bereich maximaler Intensität an einer Grenzfläche (24) zwischen der ersten und der zweiten Schicht (22, 23) aus optisch durchlässigem Material, um Lichtstrahlen mit diskreten Wellenlängen abzufangen und die abgefangenen Lichtstrahlen zu einem polychromatischen Lichtstrahl zur Übertragung durch den optischen Wellenleiter zu kombinieren.
  22. Verfahren zur Herstellung eines integrierten optischen Multiplexers nach Anspruch 21, wobei der Schritt des Ausbildens einer ersten Schicht (22) aus optisch durchlässigem Material das Abscheiden eines Materials mit einem niedrigen Brechungsindex auf der Anordnung von optischen Emittern umfasst.
  23. Verfahren zur Herstellung eines integrierten optischen Multiplexers nach Anspruch 22, wobei das abgeschiedene Material aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus einem Polymer oder Siliziumdioxid besteht.
  24. Verfahren zur Herstellung eines integrierten optischen Multiplexers nach Anspruch 22, wobei das abgeschiedene Material einen Brechungsindex von etwa 1,0 bis etwa 2,0 aufweist.
  25. Verfahren zur Herstellung eines integrierten optischen Multiplexers nach Anspruch 21, wobei die zweite optisch durchlässige Schicht (23) einen Brechungsindex aufweist, der größer ist als der Brechungsindex der ersten optisch durchlässigen Schicht (22).
  26. Verfahren zur Herstellung eines integrierten optischen Multiplexers nach Anspruch 21, wobei die Handlung des Hinzufügens einer zweiten Schicht (23) aus optisch durchlässigem Material das Abscheiden eines Materials mit einem Brechungsindex, der vom Brechungsindex der ersten Schicht (22) verschieden ist, umfasst.
  27. Verfahren zur Herstellung eines integrierten optischen Multiplexers nach Anspruch 26, wobei das abgeschiedene Material aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Siliziumnitrid, einem Polymer, Siliziumdioxid, Silizium, Polysilizium oder LiNbO3 besteht.
  28. Verfahren zur Herstellung eines integrierten optischen Multiplexers nach Anspruch 21, welches ferner das Herstellen des binären Gitters (26) mit einem Bereich maximaler Intensität auf der ersten Schicht (22) aus optisch durchlässigem Material umfasst.
  29. Verfahren zur Herstellung eines integrierten optischen Multiplexers nach Anspruch 21, welches ferner das Herstellen des binären Gitters (26) mit einem Bereich maximaler Intensität auf der zweiten Schicht (23) aus optisch durchlässigem Material umfasst.
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