DE10064579A1 - Wellenleiterkreuzung und Anordnung zur Überwachung einer Mehrzahl integriert-optischer Wellenleiter - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wellenleiterkreuzung mit einem ersten integriert-optischen Wellenleiter (6) und einem zweiten integriert-optischen Wellenleiter (7), die einander kreuzen. Erfindungsgemäß ist der zweite Wellenleiter (7) im Kreuzungsbereich (8) unterbrochen ausgebildet. Weiter betrifft die Erfindung eine Anordnung zur Überwachung der Signale einer Mehrzahl integriert-optischer Wellenleiter eines Arrays, wobei aus jedem Wellenleiter ein Überwachungssignal in einen Überwachungswellenleiter ausgekoppelt wird. Dabei kreuzt der ausgekoppelte Überwachungswellenleiter die weiteren Wellenleiter des Arrays mittels einer Wellenleiterkreuzung, bei der der Überwachungswellenleiter im Kreuzungsbereich jeweils unterbrochen ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wellenleiterkreuzung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Anordnung zur Überwa­ chung einer Mehrzahl integriert-optischer Wellenleiter nach dem Oberbegriff des Anspruchs 6.

Es tritt bei integriert-optischen Wellenleitern eines Arrays häufig das Problem auf, die Signale der einzelnen Kanäle auf dem gleichen Pegel/Level zu halten. Zur Erzeugung eines gleichmäßigen Pegels der Signale der einzelnen Kanäle sind integriert-optische Abschwächer-Arrays bekannt, die eine kanalabhängige Abschwächung des Pegels einzelner Datenkanäle des Arrays bewirken. Durch die kanalabhängige Schwächung können unterschiedliche Pegel abgeglichen werden (Equalizing). Dabei ist es erforderlich, die Einzelkanäle des Arrays meßtechnisch zu überwachen.

Die meßtechnische Überwachung der Einzelkanäle eines Arrays integriert-optischer Wellenleiter ist auch bei Wellenlängen- Multiplexanordnungen oder anderen Arraykomponenten von zentraler Bedeutung.

Zur Überwachung der Leistung oder anderer Parameter ist es bekannt, aus jedem Wellenleiter des Arrays vor und/oder nach einem zu überwachenden Bauteil einen kleinen Teil der optischen Leistung, typischerweise zwischen einem und zehn Prozent, auszukoppeln und die ausgekoppelten Überwachungssignale einer Auswerteinheit, meist einem seitlich montierten Array von Fotodioden zuzuführen.

Fig. 3 zeigt diesen Stand der Technik in schematischer Darstellung. Vor und nach einem zu überwachenden Bauteil 3 wird eine Überwachung der Einzelkanäle 11-1n eines Arrays 1 vorgenommen. Alternativ erfolgt lediglich vor oder nach dem Bauteil 3 eine solche Überwachung. Das zu überwachende Signal wird mittels schwach angekoppelter Richtkoppler 4 ("Tap- Koppler") in Überwachungswellenleiter 101-10n eingekoppelt. Diese werden auf Kreisbögen von dem Array 1 weg- und einer Überwachungseinheit 2 zugeführt.

Dabei kreuzt jeder Überwachungswellenleiter 101-10n auf seinem Weg zu der Überwachungseinheit 2 zwischen 0 und n - 1 Wellenleiter des Arrays 1, je nach Kanal. Die Überkreuzungen der Überwachungswellenleiter mit den signalführenden Wellenleitern des Arrays führen zum einen zu kanalabhängigen Verlusten ("Tilt") und zum anderen zu einem Nebensprechen der anderen Wellenleiter des Arrays.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Wellenleiterkreuzung und eine Anordnung zur Überwachung einer Mehrzahl integriert­ optischer Wellenleiter eines Arrays zur Verfügung zu stellen, die eine meßtechnische Überwachung der Wellenleiter eines Arrays unter Reduzierung der Signalverluste in den Wellenleitern ermöglichen und zusätzlich ein unerwünschtes Nebensprechen weitgehend vermeiden.

Diese Aufgabe wird durch eine Wellenleiterkreuzung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einer Anordnung zur Überwachung einer Mehrzahl integriert-optischer Wellenleiter eines Arrays mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst. Bevorzugte und vor­ teilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteran­ sprüchen angegeben.

Danach zeichnet sich eine erfindungsgemäße Wellenleiterkreu­ zung dadurch aus, daß der zweite Wellenleiter im Kreuzungsbe­ reich mit dem ersten Wellenleiter unterbrochen ausgebildet ist. Der erste Wellenleiter dient dabei in der Regel zur Übertragung eines Datensignals, während der zweite Wellenleiter ein aus einem Datensignal ausgekoppeltes Überwachungssignal transportiert. Durch die erfindungsgemäße Wellenleiterkreuzung wird bei der Kreuzung der Wellenleiter nur das Überwachungssignal, nicht jedoch der überkreuzte Datenstrom gestört. Hierdurch werden die Signalverluste an der Wellenleiterkreuzung erheblich reduziert und ein Nebensprechen im wesentlichen vermieden, da Signale des kreuzenden, unterbrochenen Wellenleiters kaum noch in den ersten Wellenleiter eingekoppelt werden.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist der zweite Wellenleiter nach der Unterbrechung in Signalrichtung eine größere Breite auf als vor der Unterbrechung. Die Breite des im Kreuzungsbereich unterbrochenen Wellenleiters wird also nach der Kreuzung vergrößert. Hierdurch werden die Verluste des Überwachungssignals im Kreuzungsbereich reduziert, da im Vergleich zu einer konstanten Breite ein größerer Teil des vor der Wellenleiterkreuzung abgestrahlten Signals in die Weiterführung des Überwachungswellenleiters nach der Wellenleiterkreuzung eingekoppelt wird.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der zweite Wellenleiter gegenüber dem ersten Wellenleiter gekippt angeordnet, und zwar bevorzugt um einen kleinen Winkel zwischen 5° und 10°. Zwar liegt die Reflektanz einer erfindungsgemäßen Wellenleiterkreuzung aufgrund der üblicherweise verwendeten kleinen Brechungshübe zwischen dem Material der Lichtwellenleiter und dem umgebenden Material (Δn = 5 × 10^-3) meist unterhalb -40 dB und ist daher ohnehin ohne Bedeutung. Durch die Verkippung der Wellenleiter wird die Reflektanz jedoch um weitere 20 bis 30 dB reduziert.

Bevorzugt weist der zweite Wellenleiter an seinen Unterbre­ chungsstellen einen Abstand vom ersten Wellenleiter auf, in dem das elektromagnetische Feld des ersten Wellenleiters auf einen vorbestimmten Wert abgefallen ist, beispielsweise auf einen Wert von 1% des maximalen Wertes. Hierdurch wird sichergestellt, daß im Kreuzungsbereich das elektromagnetische Feld des ersten Wellenleiters lediglich in vernachlässigbar geringem Maße in den zweiten Wellenleiter eingekoppelt wird.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung zur Überwachung der Signale einer Mehrzahl integriert-optischer Wellenleiter eines Arrays ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß ein ausge­ koppelter Überwachungswellenleiter die weiteren Wellenleiter des Arrays jeweils mit einer Wellenleiterkreuzung kreuzt, bei der der Überwachungswellenleiter im Kreuzungsbereich unterbrochen ist. Der Datenstrom der Wellenleiter des Arrays wird durch die erfindungsgemäße Wellenleiterkreuzung somit nicht gestört, lediglich das Überwachungssignal der Überwachsungswellenleiter.

Es hat sich dabei herausgestellt, daß die dabei auftretenden Verluste des Überwachungssignals relativ gering sind und pro Kreuzung im Bereich von unterhalb 0,1 dB liegen.

Bevorzugt nimmt die Breite der Überwachungswellenleiter nach jeder Wellenleiterkreuzung zu. Dies führt zwar dazu, daß der Wellenleiter zunehmend mehrmodig wird. Dies ist jedoch unproblematisch bei niederpreisigen Einsatzgebieten, bei denen das Überwachungssignal direkt oder über eine Multimodefaser an eine Photodiode angekoppelt wird.

Bevorzugt wird ein Überwachungssignal jeweils über einen Richtkoppler in einen Überwachungswellenleiter eingekoppelt, wobei am Ende des Richtkopplers bevorzugt optische Umlenkmittel zur Umlenkung des Überwachungssignals in den Überwachungswellenleiter vorgesehen sind. Die optischen Umlenkmittel sind insbesondere kleine Wellenleiterspiegel, die in Form von Ätzgräben ausgebildet sind.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind den Überwachungswellenleitern insbesondere kurz vor ihrer Einkoppelung in die Auswerteinheit (Photodiode) seitliche Spiegel zugeordnet. Diese seitlichen Spiegel werden bevorzugt durch Ätzgräben realisiert, die rechts und links der Überwachungswellenleiter angeordnet sind. Die seitlichen Spiegel reduzieren die Einkopplung von parasitärem Licht in die Auswerteinheit, das beispielsweise durch an den Wellenleiterkreuzungen abgestrahlte Leitung entsteht.

In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung passieren einige der Überwachungswellenleiter auf ihrem Weg zu der Auswerteinheit zusätzliche Wellenleiterkreuzungen. Dies erfolgt derart, daß jeder Überwachungswellenleiter vor Einkopplung in die Auswerteinheit die gleiche Anzahl von Wellenleiterkreuzungen durchlaufen hat. Hierdurch wird si­ chergestellt, daß die Überwachungssignale einen kanalunabhängigen Verlust erleiden.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Wellenleiterkreuzung;

Fig. 2 eine Anordnung zur Überwachung eines 8-Kanal Wellenleiterarrays mit erfindungsgemäßen Wellenleiterkreuzungen;

Fig. 3 eine Überwachungsanordnung gemäß dem Stand der Technik;

Fig. 4 eine Wellenleiterkreuzung gemäß dem Stand der Technik und

Fig. 5 die Feldverteilung entlang eines Überwachunswellenleiterkanals, der mehrere erfindungsgemäße Wellenleiterkreuzungen durchläuft.

Überwachungsanordnungen gemäß dem Stand der Technik waren eingangs anhand der Fig. 3 erläutert worden. Dabei ist vorgesehen, daß aus integriert-optischen Wellenleitern 11-1n eines Arrays 1 ausgekoppelte Überwachungssignale auf dem Weg zu einer Auswerteinheit 2 zwischen 0 und n - 1 Wellenleiter 1n-1, 1n-2, . ., 11 des Arrays 1 passieren, und zwar jeweils mittels einer Wellenleiterkreuzung 5, wie sie schematisch in Fig. 4 dargestellt ist. Danach kreuzen sich die Wellenleitermaterialien der planaren Lichtwellenleiter 51, 52 in einem Kreuzungsbereich 53. Im Kreuzungsbereich 53 werden Signale des Wellenleiter 51 in den Wellenleiter 52 eingekoppelt und umgekehrt.

Eine erfindungsgemäße Wellenleiterkreuzung ist in Fig. 1 dargestellt. Danach ist ein erster integriert-optischer Wellenleiter 6 durchgehend ausgebildet, während ein zweiter, kreuzender integriert-optisch ausgebildeter Wellenleiter 7 in einem Kreuzungsbereich 8 unterbrochen ist. Bevorzugt überträgt der erste Wellenleiter 6 (beispielsweise in Richtung des Pfeils A) ein Datensignal und der zweite Wellenleiter 7 (beispielsweise in Richtung des Pfeils B) ein Überwachungssignal. Die Wellenleiterkreuzung ermöglicht, daß der Datenstrom des ersten Wellenleiters 6 durch die Kreuzung 8 nicht gestört wird. Es findet lediglich aufgrund der Unter­ brechung eine Störung des Überwachungssignals 7 statt, die jedoch unproblematisch ist.

In dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist der erste Wellenleiter 6 eine Breite a von 8 µm auf. Der zweite Wellenleiter weist eine Breite b von zunächst 10 µm vor der Wellenleiterkreuzung 8 und von 11,2 µm hinter der Wellenlei­ terkreuzung 8 auf. Durch diese Verbreiterung des zweiten Wellenleiters 7 wird sichergestellt, daß ein hoher Anteil des Lichtsignals nach Überqueren der Kreuzung 8 wieder in den sich anschließenden Abschnitt des Wellenleiters 7 eingekoppelt wird.

Der der Unterschied Δn zwischen der Brechzahl des Leitermaterials und der Brechzahl des umgebenden, planaren Substrats beträgt im Ausführungsbeispiel 5 × 10^-3. Das Wellenleitermaterial ist beispielsweise SI02, das Material des umgebenden Substrats SI ist. Dies bedeuted, daß die Reflektanz der Kreuzung 8 äußerst gering ist und unter einem Wert vom -40 dB liegt.

Der Abstand zwischen den Unterbrechungsstellen 7a, 7b, zwischen denen der zweite Wellenleiter 7 unterbrochen ist, beträgt im dargestellten Ausführungsbeispiel insgesamt 48 µm, wobei der Abstand d von einer Unterbrechungsstelle 7a, 7b bis zum kreuzenden Wellenleiter 6 jeweils 20 µm beträgt. Allgemein ist dieser Abstand derart festzulegen, daß das elektromagnetische Feld des ersten Wellenleiters 6 an den Unterbrechungsstellen auf einen sehr niedrigen Wert abgefallen ist, der bevorzugt unterhalb 1% des Maximalwertes liegt.

Es wird darauf hingewiesen, daß in der Fig. 1 der zweite Wellenleiter 7 den ersten Wellenleiter 6 in einem Winkel von 90° kreuzt. Es liegt jedoch ebenfalls im Rahmen der Erfin­ dung, den kreuzenden zweiten Wellenleiter 7 um einige Winkel­ grade zu verkippen. Hierdurch wird die Reflektanz der Kreuzung 8 um weitere 20 bis 30 dB reduziert.

Fig. 2 zeigt eine bevorzugte Anwendung der erfindungsgemäßen Wellenleiterkreuzung. Es handelt sich um eine Leistungsüber­ wachungsanordnung 9 für ein 8-Kanal Wellenleiterarray mit acht Wellenleitern 61-68, die in einem planaren Substrat 10 integriert optisch ausgebildet sind jeweils einen Datenstrom enthalten. Zur Auskopplung eines Überwachungssignals ist jedem Wellenleiter 61-68 des Arrays ein Richtkoppler 20 zugeordnet, der einen kleinen Teil der optischen Leistung des Wellenleiters, typischerweise zwischen einem und zehn Prozent auskoppelt. Der Richtkoppler 20, auch als Tap-Koppler bezeichnet, weist einen im wesentlichen parallel zu dem Wellenleiter 61-68 verlaufenden Bereich auf, in dem sich die Wellenleiter ählich wie aus der HF-Technik bekannt beeinflussen und dementsprechend eine gewisse optische Leistung aus dem Wellenleiter 61-68 ausgekoppelt wird.

Das ausgekoppelte Licht wird über einen Wellenleiterspiegel 21 jeweils in einen Überwachungswellenleiter 71-78 umgeleitet. Der Wellenleiterspiegel 21 ist beispielsweise durch einen Ätzgraben im planaren Substrat 10 ausgebildet. Der Überwachungswellenleiter 71-78 ist dabei im an den Wellenleiterspiegel 21 unmittelbar angrenzenden Bereich, also noch vor der ersten Wellenleiterkreuzung als Taper 7' mit zunehmender Breite ausgebildet. Dies bewirkt eine gute Führung des umgelenkten Überwachungssignals.

Das ausgekoppelte, in den Überwachungswellenleiter 71-78 um­ geleitete Licht muß nun zwischen 0 und 7 weitere Wellenleiter 61, 62, . . ., 67 kreuzen. Die Kreuzung zwischen einem Überwa­ chungswellenleiter 71-78 und einem Wellenleiter 61-67 des Arrays erfolgt jeweils über eine erfindungsgemäße Wellenleiterkreuzung gemäß Fig. 1. Der Überwachungswellenleiter ist im Bereich der Wellenleiter des Arrays somit jeweils unterbrochen. Hierdurch wird sichergestellt, daß der überkreuzte Datenstrom des Array-Wel­ lenleiters 61-78 zum einen nicht gestört und ein kanalabhän­ giger Verlust ("Tilt") des Array-Wellenleiters verhindert und zum anderen ein Nebensprechen durch den üblicherweise um 15 bis 20 dB stärkeren Datenstrom des Array-Wellenleiters 61-68 weitgehend vermieden wird.

Dabei ist vorgesehen, daß die Wellenleiterbreite des Überwa­ chungswellenleiters 71-78 nach jeder Kreuzung zunimmt, so daß die Signalverluste im Überwachungswellenleiter an jeder Kreu­ zung gering gehalten werden.

Im folgenden werden die Größenverhältnisse bei einem bevor­ zugten Ausführungsbeispiel angegeben. Die Breite der Wellenleiter 61-68 des Arrays beträgt wie in Fig. 1 acht µm. Der Abstand der Wellenleiter im Richtkoppler beträgt 15 µm. Die Verbreiterung der Wellenleiter im Taper 7' beträgt zwei µm. So erfolgt eine Verbreiterung von acht µm auf zehn µm. Die Wellenleiterbreite der Überwachungswellenleiter 71-78 erhöht sich nach jeder Kreuzung um ca. 0,8 µm. Der Abstand der Wellenleiter 61-68 des Arrays beträgt 400 µm. Die Berech­ nungsindexdifferenz Δn zwischen dem Wellenleitermaterial und dem umgebenden planaren Substrat 10 beträgt wiederum 5 × 10^-3.

Nach Kreuzen der 0 bis n - 1 Wellenleiter werden die Überwa­ chungswellenleiter 71-78 einem Array von Fotodioden (nicht dargestellt) und anschließend einer Auswerteinheit zum Auswerten der Überwachungssignale zugeführt. Vor Einkopplung der Überwachungswellenleiter 71-78 in das Array von Fotodioden sind seitlich der Überwachungswellenleiter Spiegel 22 zur Nebensprechreduktion vorgesehen. Die Spiegel 22 werden bevorzugt als Ätzgräben rechts und links der Überwachungswellenleiter ausgebildet. Sie verhindern die Einkopplung von Untergrundrauschen und parasitärem Licht in die Überwachungswellenleiter.

Fig. 5 zeigt beispielhaft eine gemessene Feldverteilung entlang einem Überwachungswellenleiter 78, der eine Serie von erfindungsgemäßen Kreuzungen durchläuft. Der Abstand der die Datensignale übertragenden Wellenleiter beträgt jeweils 400 µm. Bei einer Wellenlänge von 1,5 µm ergibt sich bei sieben Überkreuzungen ein Verlust von lediglich ca. 0,54 dB. Dies zeigt, daß trotz der Ünterbrechung der Überwachungswellenlei­ ter an den Kreuzungspunkten ein ausreichend starkes Überwa­ chungssignal übertragen wird.

Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend dargestellte Ausführungsbeispiel. Wesentlich für die Erfindung ist allein, daß eine Wellenleiterkreuzung mit einem ersten integriert-optischen Wellenleiter in einem zweiten integriert-optischen Wellenleiter derart ausgeführt ist, daß der zweite Wellenleiter im Kreuzungsbereich unterbrochen ist.

Claims (11)

1. Wellenleiterkreuzung mit einem ersten integriert optischen Wellenleiter (6) und einem zweiten integriert optischen Wellenleiter (7), die einander kreuzen, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Wellenleiter (7) im Kreuzungsbereich (8) unterbrochen ausgebildet ist.

2. Wellenleiterkreuzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Wellenleiter (7) nach der Unterbrechung in Signalrichtung (B) eine größere Breite (c) aufweist als vor der Unterbrechung.

3. Wellenleiterkreuzung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Wellenleiter (7) gegenüber dem ersten Wellenleiter (6) gekipppt angeordnet ist.

4. Wellenleiterkreuzung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Wellenleiter (6) ein Datensignal und der zweite Wellenleiter (7) ein aus einem Datensignal ausgekoppeltes Überwachungssignal überträgt.

5. Wellenleiterkreuzung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Wellenleiter (7) an den Unterbrechungsstellen (7a, 7b) einen Abstand vom ersten Wellenleiter (6) aufweist, in dem das elektromagnetische Feld des ersten Wellenleiters (6) auf einen Vorbestimmten Wert, beispielsweise auf 1 Prozent abgefallen ist.

6. Anordnung zur Überwachung der Signale einer Mehrzahl integriert-optischer Wellenleiter (61-68) eines Arrays, wobei aus jedem Wellenleiter (61-68) ein Überwachungssignal in einen Überwachungswellenleiter (71-78) ausgekoppelt wird und dieser auf seinem Weg zu einer Auswerteinheit zwischen Null und n - 1 Wellenleiter des Arrays passiert, dadurch gekennzeichnet, daß der ausgekoppelte Überwachungswellenleiter (71-78) die weiteren Wellenleiter (61-69) des Arrays mittels einer Wellenleiterkreuzung nach Anspruch 1 kreuzt, wobei der Überwachungswellenleiter (71-78) im Kreuzungsbereich jeweils unterbrochen ist.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des Überwachungswellenleiters (71-78) nach jeder Wellenleiterkreuzung zunimmt.

8. Anordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Überwachungssignal jeweils über einen Richtkoppler (20) in einen Überwachungswellenleiter (71-78) eingekoppelt wird.

9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß am Ende des Richtkopplers (20) optische Umlenkmittel (21) zur Umlenkung des Überwachungssignals in den Überwachungswellenleiter (71-78) vorgesehen sind.

10. Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß den Überwachungswellenleitern (71-78) insbesondere kurz vor ihrer Einkopplung in die Auswerteinheit seitliche Spiegel (22) zur Nebensprechreduktion zugeordnet sind.

11. Anordnung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß einige der Überwachungswellenleiter auf ihrem Weg zu der Auswerteinheit zusätzliche Wellenleiterkreuzungen passieren, und zwar derart, daß jeder Überwachungswellenleiter vor Einkopplung in die Auswerteinheit die gleiche Anzahl von Wellenleiterkreuzungen durchlaufen hat.