DE3829540A1 - Gebogener wellenleiter fuer eine integrierte optische schaltung - Google Patents
Gebogener wellenleiter fuer eine integrierte optische schaltungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen gebogenen Wellenleiter
für eine integrierte optische Schaltung, bei dem im abgebogenen
Bereich weniger Licht abgestrahlt wird.
Die Fig. 4 zeigt eine Draufsicht auf einen gebogenen, herkömmlichen
Wellenleiter für eine integrierte optische Schaltung.
Der in Fig. 4 gezeigte abgebogene Wellenleiter enthält einen
Kernbereich (1) sowie Abdeck- bzw. Hüllenbereiche (2) an
beiden Seiten des Kernbereichs (1), so daß der Kernbereich
(1) zwischen den Abdeck- bzw. Hüllenbereichen (2) zu liegen
kommt.
Bei diesem gebogenen bzw. abgebogenen Wellenleiter wird von
der linken Seite in der Zeichnung einfallendes Licht zur
rechten Seite geführt und im abgebogenen Bereich (B) abgestrahlt
bzw. gestreut.
Die Fig. 5 zeigt Übergänge von elektrischen Feldverteilungen
nach jeweils 10 µm Intervallen für einen Fall, bei dem Licht
mit einer Wellenleitermode TE₀ in den abgebogenen Wellenleiter
einfällt. Im vorliegenden Fall weist der Kernbereich
(1) einen Brechungsindex (n₁) von 1,5 auf, während die Abdeck-
bzw. Hüllenbereiche (2) einen Brechungsindex (n₂) von 1,49 aufweisen.
Die Wellenlänge ist auf 1 µm eingestellt. Die elektrischen
Feldverteilungen sind beim Durchlaufen des abgebogenen
Bereichs (B) kegelförmig ausgebildet und erstrecken
sich nach außen bzw. in die Bereiche (2) hinein, was bedeutet,
daß Licht abgestrahlt wird.
Der Kopplungskoeffizient zwischen der elektrischen Feldverteilung
und der Wellenleitermode TE₀ liegt nach Durchlaufen
des abgebogenen Bereichs (B) bei etwa 37%, und zwar infolge
des hohen Anteils des abgestrahlten Lichtes in der
Nachbarschaft des abgebogenen Bereichs (B).
Bei diesem herkömmlichen abgebogenen Wellenleiter für eine
integrierte optische Schaltung wird das Licht zu einem großen
Teil in der Nachbarschaft des abgebogenen Bereichs (B)
abgestrahlt, so daß es schwierig ist, mit diesem Wellenleiter
eine integrierte optische Schaltung zu realisieren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gebogenen
optischen Wellenleiter für eine integrierte optische Schaltung
zu schaffen, bei dem weniger Licht im abgebogenen Bereich
abgestrahlt wird.
Die Lösung der gestellten Aufgabe ist im kennzeichnenden
Teil des Patentanspruchs 1 angegeben. Eine vorteilhafte
Ausgestaltung der Erfindung ist dem Unteranspruch zu entnehmen.
Ein gebogener Wellenleiter nach der Erfindung für eine integrierte
optische Schaltung zeichnet sich aus durch
- - einen Kernbereich,
- - einen Abdeck- bzw. Hüllenbereich an beiden Seiten des Kernbereichs, derart, daß der Kernbereich zwischen dem Abdeck- und Hüllenbereich zu liegen kommt,
- - einen abgebogenen Bereich an einer Position des den Kernbereich und den Abdeck- bzw. Hüllenbereich enthaltenden Wellenleiters, und
- - einen lokalen Wellenleiterbereich, der innerhalb des Abdeck- bzw. Hüllenbereichs sowie in der Nachbarschaft der Innenseite des abgebogenen Bereichs liegt, wobei der Brechungsindex des lokalen Wellenleiterbereichs größer ist als der des Kernbereichs oder der des Abdeck- bzw. Hüllenbereichs. Demzufolge wird eine Lichtwelle, die sich in der Nachbarschaft des abgebogenen Bereichs ausbreitet, im lokalen Wellenleiterbereich sowie im Kernbereich geführt, wobei die Lichtwelle zur Innenseite des abgebogenen Bereichs gezogen wird.
Die Zeichnung stellt neben dem Stand der Technik Ausführungsbeispiele
der Erfindung dar. Es zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt durch einen schematisch dargestellten,
abgebogenen Wellenleiter für eine integrierte
optische Schaltung in Übereinstimmung
mit einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 2 die Amplitudenverteilung einer Lichtwelle, die
sich entlang des gebogenen Wellenleiters in
Fig. 1 ausbreitet,
Fig. 3 einen Querschnitt durch einen schematisch dargestellten,
gebogenen Wellenleiter für eine integrierte
optische Schaltung in Übereinstimmung mit
einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 4 einen Querschnitt durch einen abgebogenen Wellenleiter
für eine integrierte optische Schaltung in
Übereinstimmung mit dem Stand der Technik und
Fig. 5 die Amplitudenverteilung einer Lichtwelle, die
den abgebogenen Wellenleiter nach Fig. 4 durchläuft.
Im nachfolgenden wird das erste Ausführungsbeispiel unter
Bezugnahme auf die Fig. 1 näher beschrieben. In Fig. 1 ist
mit der Bezugsziffer (1) ein Kernbereich eines abgebogenen
Wellenleiters versehen. Ein Abdeck- bzw. Hüllenbereich
trägt das Bezugszeichen (2) und liegt an beiden Seiten des
Kernbereichs (1), so daß der Kernbereich (1) zwischen dem
Abdeck- bzw. Hüllenbereich (2) zu liegen kommt. Der Abdeck-
bzw. Hüllenbereich (2) weist einen inneren Seitenteil
(2 A) und einen äußeren Seitenteil (2 B) auf. Ein lokaler
Wellenleiterbereich (3) ist im inneren Seitenteil (2 A)
des Abdeck- bzw. Hüllenbereichs (2) vorhanden, und zwar in
der Nachbarschaft des abgebogenen Bereichs (B). Die Brechungsindizes
von Kernbereich (1), Abdeck- bzw. Hüllenbereich
(2) und lokalen Wellenleiterbereich (3) sind der
Reihe nach mit n₁, n₂ und n₃ bezeichnet, wobei die Beziehungen
zwischen ihnen so gewählt sind, daß n₁ < n₂, und
n₃ < n₁ oder n₃ < n₂ gilt. Dieser lokale Wellenleiterbereich
(3) wird durch teilweises Umbiegen des Wellenleiters
um einen Winkel von 1° an einer Position erzeugt, die um
l = 40 µm vom Punkt der Umbiegung entfernt liegt. Der lokale
Wellenleiterbereich (3) dient dazu, die Lichtwelle,
die sich in der Nachbarschaft des abgebogenen Bereichs (B)
ausbreitet, stark einzugrenzen bzw. zu führen, und dazu,
die Lichtwelle zur inneren Seite des abgebogenen Bereichs
(B) zu ziehen.
Als Material für den Kernbereich (1), den Abdeck- bzw.
Hüllenbereich (2) und den lokalen Wellenleiterbereich (3)
kann dielektrisches Material zum Einsatz kommen, wie z. B.
Glas (SiO₂), LiNbO₃ oder LiTaO₃, aber auch Halbleitermaterial,
wie z. B. AlGaAs, InGaAsP, usw. In jedem der genannten
Fälle lassen sich die entsprechenden Bereiche (1),
(2) und (3) durch Unterscheidung der Brechungsindizes für diese
Bereiche erhalten. Wird z. B. LiNbO₃ verwendet, so lassen
sich durch Diffusion von Titan oder durch Protonenaustausch
verschiedene Brechungsindizes einstellen, wobei diese um so
größer werden, je höher der Anteil der Titandiffusion oder
der Anteil des Protonenaustausches ist. Im Falle von AlGaAs
wird der Brechungsindex mit steigendem Anteil an Al erhöht.
Der Kopplungskoeffizient zwischen der elektrischen Feldverteilung
und der TE₀ Wellenleitermode nach Durchlaufen der
Abbiegung kann durch die nachfolgende Gleichung (1) wie
folgt ausgedrückt werden:
Hierin ist E₀(x, zl) eine elektrische Feldverteilung der TE₀
Mode am emittierenden Ende zl = 100 µm, wie in Fig. 1 gezeigt
ist. Der Ausdruck E(x, zl) stellt die elektrische Feldverteilung
am Punkt z = zl dar, der mit Hilfe des PBM-Verfahrens
(Propagating Beam Method) berechnet worden ist. Die
oben beschriebene Integration wird auf numerischem Wege vorgenommen.
In diesem Fall wird ein Kopplungskoeffizient von etwa 68%
erhalten, was gegenüber dem Stand der Technik eine erhebliche
Verbesserung darstellt.
Im nachfolgenden wird die Wirkungsweise dieses Ausführungsbeispiels
näher beschrieben.
Das Licht einer TE₀ Mode, die den lokalen Wellenleiterbereich
(3) erreicht hat, wird ins Innere des abgebogenen Bereichs
(B) gezogen, da der Brechungsindex (n₃) des lokalen
Wellenleiterbereichs (3) größer ist als der Brechungsindex
(n₂) des Abdeck- bzw. Hüllenbereichs (2) oder als der Brechungsindex
(n₁) des Kernbereichs (1). Deswegen wird die Abstrahlung
in der Nachbarschaft des abgebogenen Bereichs (B)
verringert.
Die Fig. 3 zeigt einen gebogenen Wellenleiter nach einem
zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Bei diesem zweiten
Ausführungsbeispiel liegt ein lokaler Abdeck- bzw.
Hüllenbereich (4) an der Außenseite des abgebogenen Bereichs
(B). Dieser lokale Abdeck- bzw. Hüllenbereich (4)
erstreckt sich etwa um mehrere 10 µm ausgehend vom abgebogenen
Bereich (B) nach vorn und nach hinten.
Der Brechungsindex (n₄) des lokalen Abdeck- bzw. Hüllenbereichs
(4) ist kleiner als der Brechungsindex (n₂) des Abdeck-
bzw. Hüllenbereichs (2). Ist ein derartiger lokaler
Abdeck- bzw. Hüllenbereich (4) vorhanden, so wird das Licht
im abgebogenen Bereich (B) zusätzlich ins Innere abgelenkt,
so daß der abgebogene Bereich (B) noch weniger Strahlung
nach außen abstrahlt. Der Kopplungskoeffizient hängt in
diesem Fall in großem Umfang vom Aufbau und vom Brechungsindex
des lokalen Abdeck- bzw. Hüllenbereichs (4) ab.
In Übereinstimmung mit der Erfindung ist ein lokaler Wellenleiterbereich
mit einem größeren Brechungsindex als der des
Kernbereichs des abgebogenen Wellenleiters oder als der des
Abdeck- bzw. Hüllenbereichs des abgebogenen Wellenleiters im
Abdeck- bzw. Hüllenbereich in der Nachbarschaft der inneren
Seite des abgebogenen Teils (B) des abgebogenen Wellenleiters
vorhanden. Die Abstrahlung von Licht vom abgebogenen
Bereich (B) läßt sich somit reduzieren, so daß der abgebogene
Wellenleiter zum Aufbau einer integrierten optischen
Schaltung verwendet werden kann.
Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist der
Bereich (4) zusätzlich zum Bereich (3) vorhanden. Der Bereich
(3) verläuft unter einem Winkel (b) von 1° relativ zum Bereich
(1) und beginnt bei l = 40 µm vor dem Abknickpunkt des
Kernbereichs (1).
Claims (2)
1. Gebogener Wellenleiter für eine integrierte optische
Schaltung, gekennzeichnet durch
- - einen Kernbereich (1),
- - einen Abdeck- bzw. Hüllenbereich (2) an beiden Seiten des Kernbereichs (1), derart, daß der Kernbereich (1) zwischen dem Abdeck- und Hüllenbereich (2) zu liegen kommt,
- - einen abgebogenen Bereich (B) an einer Position des den Kernbereich (1) und den Abdeck- bzw. Hüllenbereich (2) enthaltenden Wellenleiters, und
- - einen lokalen Wellenleiterbereich (3), der innerhalb des Abdeck- bzw. Hüllenbereichs (2) sowie in der Nachbarschaft der Innenseite des abgebogenen Bereichs (B) liegt, wobei der Brechungsindex (n₃) des lokalen Wellenleiterbereichs (3) größer ist als der des Kernbereichs (1) oder der des Abdeck- bzw. Hüllenbereichs (2).
2. Gebogener Wellenleiter nach Anspruch 1, gekennzeichnet
durch einen lokalen Abdeck- bzw.
Hüllenbereich (4) im Abdeck- bzw. Hüllenbereich (2) sowie
an der Außenseite des abgebogenen Bereichs (B), wobei der
Brechungsindex (n₄) des lokalen Abdeck- bzw. Hüllenbereichs
(4) kleiner ist als derjenige der Innenseite des
Abdeck- bzw. Hüllenbereichs.
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