DE3829540A1 - Gebogener wellenleiter fuer eine integrierte optische schaltung - Google Patents

Gebogener wellenleiter fuer eine integrierte optische schaltung

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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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