DE4406335A1 - Anordnung zur strahlteilenden Abzweigung oder zur wellenlängenselektiven Abzweigung oder Einkopplung von Licht und Verfahren zur Herstellung der Anordnung - Google Patents
Anordnung zur strahlteilenden Abzweigung oder zur wellenlängenselektiven Abzweigung oder Einkopplung von Licht und Verfahren zur Herstellung der AnordnungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur strahlteilenden
Abzweigung oder zur Wellenlängenselektiven Abzweigung oder
Einkopplung von Licht nach dem Oberbegriff der
Patentansprüche 1 oder 2 und ein Verfahren zur Herstellung
der Anordnung.
Es sind zahlreiche optische Duplexer und Verzweiger bekannt,
die sich in zwei Klassen teilen lassen. Entweder werden
optische Wellenleiter über eine gewisse Strecke nahe
beieinander geführt oder miteinander vereint und dann wieder
auseinandergeführt, wobei sich das Licht auf die
Ausgangszweige verteilt, oder das Licht wird über eine
Mikrooptik auf eine Filterschicht gelenkt, die die
gewünschte Strahlaufteilung hervorbringt. Ein Vorteil der
ersten Möglichkeit besteht darin, daß keine mikrooptischen
Systeme benötigt werden, die mit hoher Präzision gefertigt
und justiert werden müssen. Ein Nachteil ist, daß für eine
Wellenlängentrennung die parallel geführten benachbarten
Wellenleiter mit Toleranzen im Submikrometerbereich
strukturiert werden müssen. Die Wellenlängentrennung über
Filterschichten, wie in der zweiten Klasse der Vorschläge
verwirklicht, ist dagegen wesentlich einfacher und flexibler
an verschiedenen Wellenlängen anzupassen. Nachteilhaft ist
hier die hohe erforderliche Präzision der Mikrooptik. Auch
die Kombination dieser beiden Klassen, die die Vorteile
beider Klassen ausnutzt, ist bekannt. Hier wird ein
optischer Wellenleiter aufgetrennt mit einer Filterschicht
versehen, die das Licht in einen abzweigenden Wellenleiter
umlenkt.
Trotz der Vorteile, die die Kombination der beiden Klassen
von Lösungen bringt, bleiben nach dem Stand der Technik noch
Nachteile, die hauptsächlich in der Präzision bei der
Anbringung der Filterschicht begründet liegen.
Aus der EP 192 850 A1 ist ein monolithisch integriertes
optoelektronisches Halbleiterbauelement mit einem
Lichtwellenleiter und einem optoelektronischen Empfänger auf
einander gegenüberliegenden Seiten eines Substrats bekannt.
Es ist eine Öffnung vorgesehen, die den Wellenleiter in zwei
Teile teilt und an dessen Flanke, die beschichtet ist, Licht
aus dem Wellenleiter reflektiert wird, das dann durch das
Substrat tritt und auf den Empfänger trifft.
Es ist Aufgabe der Erfindung eine Anordnung zur
strahlteilenden Abzweigung oder zur wellenlängenselektiven
Abzweigung oder Einkopplung von Licht anzugeben, die einfach
hergestellt werden kann und keine Justage notwendig macht.
Außerdem soll ein entsprechendes Herstellungsverfahren
angegeben werden.
Die Aufgabe wird durch Anordnungen mit den Merkmalen der
Ansprüche 1 oder 2 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der
Anordnung sind in den Unteransprüchen 3 bis 8 angegeben.
Entsprechende Verfahren sind den Ansprüchen 9 bis 11 zu
entnehmen.
Anhand der Figuren werden Ausführungsbeispiele der Erfindung
erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Anordnung für zwei
Wellenlängen mit einem Empfänger, wobei Empfänger und
Wellenleiter aufeinander gegenüberliegenden Seiten des
Substrats angeordnet sind,
Fig. 2 eine entsprechende Anordnung, wobei Empfänger und
Wellenleiter auf einer Substratseite angeordnet sind,
Fig. 3 eine erfindungsgemäße Anordnung mit einem Keil,
Fig. 4 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße
Anordnung mit einer Faser und
Fig. 5 eine Draufsicht auf obige Anordnung.
In Fig. 1 ist ein lichtdurchlässiges Substrat 1 zu sehen.
Auf das Substrat 1 ist ein optischer Wellenleiter 2
aufgebracht, der mit Mantelschichten 3 umgeben ist. Der
Wellenleiter ist in diesem Beispiel ein Streifenleiter, kann
aber auch eine Lichtleitfaser sein. Zur Herstellung der
wellenlängenselektiven bzw. strahlteilenden Abzweigung wird
quer zur Lichtausbreitungsrichtung im Wellenleiter 2
erfindungsgemäß eine Öffnung 4 angebracht, die die ganze
Tiefe der lichtführenden Schicht 2 durchdringt. Je nach Art
des Wellenleitermaterials wird die Öffnung 4 erzeugt. Bei
plastisch verformbaren Wellenleitermaterialien, wie zum
Beispiel PMMA, kann die Öffnung durch Prägen mit einem
Prägestempel, der härter ist als der Wellenleiter,
hergestellt werden. Bei härteren bzw. nicht duktilen
Materialien wie zum Beispiel Wellenleiter aus
Siliziumoxinitrid kann die Öffnung durch bekannte
Plasmaätzverfahren erzeugt werden. Besteht der
Lichtwellenleiter aus einer Lichtleitfaser, so kann die
Öffnung durch Sägen mit einem entsprechend geformten
Sägeblatt erzeugt werden. Bei Verwendung von Lichtleitfasern
als Wellenleiter werden diese in ihrer Position auf der
Trägeroberfläche durch bekannte Verfahren, wie zum Beispiel
anisotrop geätzte V-Nuten in einem Siliziumträger,
festgelegt. Wichtig ist hierbei, daß die Haltestruktur zum
Substrat hin mit einer ebenen, parallel zur
Substratoberfläche liegenden Fläche abschließt. Die
Öffnung 4 weist mindestens eine ebene geneigte Flanke oder
Seitenfläche 5 auf, die mit einer Filterschicht 6
beschichtet ist und einen Neigungswinkel hat, der im Bereich
um 45° liegt. Die Neigung der zweiten Seitenfläche 8 ist
beliebig, beispielsweise auch senkrecht. Durch die Öffnung
wird der Lichtwellenleiter 2 in zwei Abschnitte 20 und 21
geteilt. An einem der beiden Zweige, beispielsweise Zweig
20, ist die Übertragungsfaser angeschlossen und an den
anderen Zweig 21 die Sendefaser. Aus der Übertragungsfaser
kommt Licht des Empfangssignals mit der Wellenlänge λ₁, und
aus der Sendefaser Licht des Sendesignals mit der
Wellenlänge λ₂. Das aus der Übertragungsfaser kommende
Empfangslicht wird am Filter 6 auf der geneigten
Seitenfläche 5 der Öffnung 4 zum Substrat hin abgelenkt und
durchdringt die Mantelschicht 3 und das Substrat 1 bis es
auf der anderen Seite des Substrates in die dort montierte
Photodiode 7 trifft. Das Sendelicht wird im Zweig 21 des
Wellenleiters geführt und trifft von dort auf die andere
Seite 8 mit der Schicht 9 der Öffnung 4. Die Schichten 9
und 6 sind so gestaltet, daß sie die Sendewellenlänge
durchlassen. Hierzu kann die Schicht 9 entweder eine
Antireflexionsschicht für die Sendewellenlänge sein oder die
gleiche Schicht wie die Filterschicht 6, was bei einer
gemeinsamen Herstellung der beiden Schichten 6 und 9 von
Vorteil wäre. Die Öffnung 4 ist mit einem für die
Sendewellenlänge transparenten Material 10 ausgefüllt, das
den gleichen Brechungsindex nk besitzt, wie der Wellenleiter
2. Dieses Material kann beispielsweise ein Kleber oder
Kunststoff sein, der im flüssigen Zustand eingefüllt wird
und sich dann verfestigt. Die Filtereigenschaften der beiden
Filterschichten 6 und 9 sind so ausgelegt, daß die
gewünschten Filtereigenschaften für den Brechungsindex nk
der dem Filter benachbarten Materialien erreicht werden.
Wäre die Öffnung nicht mit einem Material mit dem
Brechungsindex nk ausgefüllt, so würde das Sendelicht durch
die Brechungen an den beiden Seitenflächen der Öffnung so
abgelenkt werden, daß es nicht mehr in der Schicht 20
geführt werden könnte. Durch die Auffüllung der Öffnung wird
Lichtbrechung unterdrückt und gleichzeitig die
Strahlaufweitung beim Austritt aus dem Wellenleiterzweig 21
vermindert, so daß der Strahl beim Auftreffen auf den
Wellenleiterzweig, 20 nur wenig aufgeweitet ist und daher
ein hoher Koppelwirkungsgrad auch ohne Hinzufügung einer
Abbildungsoptik erreicht wird.
Wenn die Filterschicht zur Trennung des Sende- und
Empfangssignals nicht auf der der Übertragungsfaser
zugewandten Seitenfläche 5 sondern auf der
gegenüberliegenden Seitenfläche 8 aufgebracht ist, wird das
Empfangslicht nicht zum Substrat hin sonder vom Substrat
weggelenkt. In diesem Fall wird die Photodiode 7 auf der
Mantelschicht 3 des Wellenleiters 2 angebracht. In diesem
Fall wäre der Lichtweg zur Photodiode kürzer, so daß die
Strahlaufweitung bis zur aktiven Fläche der Photodiode
kleiner ist und deshalb eine sehr kleinflächige Photodiode,
die für höhere Frequenzen geeignet ist, eingesetzt werden
kann. Ein Ausführungsbeispiel hierfür ist in Fig. 2
dargestellt.
In den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 1 und Fig. 2 muß
zur Herstellung der Filterschichten 6 und 9 das ganze
Trägerplättchen beschichtet werden bzw. die nicht zu
beschichtenden Flächen müssen während des
Beschichtungsvorganges abgedeckt werden. Dies ist eine
unrationelle Fertigungsmethode für die Beschichtung, da eine
wesentlich größere Fläche beschichtet wird, als tatsächlich
gebraucht wird. Um eine rationellere Beschichtung und
gleichzeitig eine einfachere Montage zu erreichen, wird das
in Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel vorgeschlagen.
Die Öffnung 4 wird hier wie oben beschrieben hergestellt.
Das Material zur Ausfüllung der Öffnung wird hier aber nicht
in flüssiger Form in die Öffnung eingefüllt, sondern es wird
ein Keil 40 hergestellt, der in die Öffnung 4 hineinpaßt.
Vorzugsweise ist dieser Keil 40 auf seiner Basisfläche mit
einem Plättchen 41 versehen, um die Handhabung zu
erleichtern und um eine bessere Ausrichtung des Keils in der
Öffnung zu erreichen. Die Filterschichten 6 und 9 werden
hier nicht auf die Seitenflächen der Öffnung sondern auf dem
Keil aufgebracht. Da der Keil wesentlich kleiner ist als die
Trägerplatte 1 können in einem Beschichtungsvorgang sehr
viele Keile gleichzeitig beschichtet werden. Die Keile
können durch ein gebräuchliches Massenproduktionsverfahren
wie zum Beispiel durch Spritzgußtechnik hergestellt werden,
wobei die Urform beispielsweise durch MIGA-Technik erzeugt
werden kann. (MIGA: Mikrogalvanische Abformtechnik).
Die Abformtechnik erlaubt darüberhinaus in besonders
vorteilhafter Weise, Wellenleitervorstrukturen in Form
kleiner Gräben von entsprechend rippenförmig vorgeformten
Primärstrukturen abzuformen. Wird dies beispielsweise durch
Reaktionsgießen geeigneter optischer Polymermaterialien
realisiert, kann der fertig beschichtete, keilförmige
Einsatz 40 als Umlenkelement paßgenau zu den
Wellenleitervorstrukturen eingegossen werden, wobei sich ein
anschließenden Befüllen der grabenförmigen WL-Strukturen mit
optisch höherbrechendem Kernpolymer automatisch die Schrägen
WL-Endflächen auf der beschichteten keilförmigen Oberfläche
des Umlenkelementes ausbilden. Eine separate Einpassung und
Indexmatching entfällt in dieser Ausführungsform.
Die erfindungsgemäße Lösung schließt auch Einwellenlängen-
Betrieb (λ₁ = λ₂) ein. Hier ist das nahe Übersprechen
naturgemäß größer als beim Zweiwellenlängen-Betrieb. Um nahe
Übersprechdämpfung zu erhöhen, kann man einen
Böschungswinkel der Flanken 5 und 8 wählen, der von 45°
abweicht.
Das in den Fig. 4 und 5 dargestellte Ausführungsbeispiel
entspricht dem der Fig. 1 vom optischen Aufbau. Jedoch
handelt es sich bei dem Wellenleiter um eine Faser 2, die in
einer Nut 30 in einem Substrat 1 liegt. Die Öffnung 4 teilt
die Faser in zwei Teile 20, 21. Die Endflächen der heile der
Faser sind nicht geneigt, sondern stehen senkrecht zur
Faserachse. In die Öffnung 4 wird ein Keil 40 eingebracht,
der geneigte Seitenflächen aufweist. Auf einer Seitenfläche
befindet sich die Schicht 6. Zwischen den Endflächen der
Teile 20, 21 der Faser 2 und dem Keil 40 sind Zwischenräume
entstanden. Diese werden mit einem transparenten Material
mit dem Brechungsindex nk der Faser ausgefüllt. Dies kann
beispielsweise ein indexangepaßter Kleber sein, der vom Keil
verdrängt wird und sich dann verfestigt. Die Nut 30 in der
die Faser 2 liegt sollte am Boden flach sein, damit das an
der Schicht reflektierte Licht ohne Zerstreuung auf die
Photodiode 7 trifft. Der Keil 40 kann beispielsweise
pyramiden- oder pyramidenstumpfförmig sein. Es können zur
axialen Festlegung des Keils 40 komplementäre Strukturen
50, 50′ an Keil 40 bzw. Plättchen 41 und Substrat 1
vorgesehen sein, die durch anisotropes Ätzen herstellbar
sind (siehe Fig. 5).
Claims (11)
1. Anordnung zur strahlteilenden Abzweigung oder zur
wellenlängenselektiven Abzweigung oder Einkopplung von Licht
aus einem oder in einen Wellenleiter (2), der sich auf einem
Substrat (1) befindet, mit einer Öffnung (4), die den
Wellenleiter (2) in zwei Teile (20, 21) teilt und die
zumindest eine geneigte Flanke (5) aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
daß auf der geneigten Flanke (5) eine wellenlängenselektive oder teilreflektierende Schicht (6) vorgesehen ist,
daß die Öffnung (4) mit einem transparenten Material (10) ausgefüllt ist,
und daß das transparente Material (10) einen Brechungsindex aufweist, der dem des lichtführenden Bereichs des Wellenleiters (2) entspricht.
daß auf der geneigten Flanke (5) eine wellenlängenselektive oder teilreflektierende Schicht (6) vorgesehen ist,
daß die Öffnung (4) mit einem transparenten Material (10) ausgefüllt ist,
und daß das transparente Material (10) einen Brechungsindex aufweist, der dem des lichtführenden Bereichs des Wellenleiters (2) entspricht.
2. Anordnung zur strahlteilenden Abzweiung oder zur
wellenlängenselektiven Abzweigung oder Einkopplung von Licht
aus einem oder in einen Wellenleiter (2), der sich auf einem
Substrat (1) befindet, mit einer Öffnung (4), die den
Wellenleiter (2) in zwei Teile (20, 21) teilt, dadurch
gekennzeichnet, daß die Öffnung (4) mit einem transparenten
Material (10) ausgefüllt ist,
und daß das transparente Material (10) einen Brechungsindex
aufweist, der dem des lichtführenden Bereichs des
Wellenleiters (2) entspricht, daß ein Keil (40) aus
transparentem Material mit dem Brechungsindex nk vorgesehen
ist, der in die Öffnung (4) eingebracht ist und daß der Keil
(40) zumindest eine geneigte Flanke (5) aufweist, die mit
einer wellenlängenselektiven oder teilreflektierenden
Schicht (6) versehen ist und die im Strahlengang zwischen
den beiden Teilen (20, 21) des Wellenleiters (2) angeordnet
ist.
3. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß es sich bei dem Wellenleiter (2) um
einen Streifenleiter handelt.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß es sich bei dem Wellenleiter (2) um eine
Lichtleitfaser handelt, die im Substrat (1) fixiert ist.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß ein optoelektronischer Sender vorgesehen
ist und am Substrat (1) derart fixiert ist, daß das
ausgesendete Licht auf die Schicht (6) und von dort in den
Wellenleiter (2) trifft.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß ein optoelektronischer Empfänger (7)
vorgesehen ist, der mit einer lichtempfindlichen Fläche auf
dem Substrat (1) derart fixiert ist, daß Licht aus dem
Wellenleiter (2), das an der Schicht (6) reflektiert wird,
auf die lichtempfindliche Fläche trifft.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch
gekennzeichnet, daß das Substrat (1) lichtdurchlässig ist
und daß sich der optoelektronische Sender oder Empfänger (7)
auf der dem Wellenleiter (2) abgewandten Substratseite auf
dem Substrat angeordnet ist.
8. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch
gekennzeichnet, daß der optoelektronische Sender oder
Empfänger (7) über der mit transparentem Material (10)
gefüllten Öffnung (4) angeordnet ist.
9. Verfahren zur Herstellung einer Anordnung nach Anspruch
1, dadurch gekennzeichnet, daß in ein Substrat (1) mit einem
Wellenleiter (2) eine Öffnung (4) mittels Ätzen, Sägen oder
Prägen hergestellt wird, daß die geneigte Flanke der Öffnung (4)
beschichtet wird und anschließend die Öffnung (4) mit
einem transparenten Material (10) ausgegossen wird, das sich
dann verfestigt.
10. Verfahren zur Herstellung einer Anordnung nach einem der
Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in ein
Substrat (1) mit einem Wellenleiter (2) eine Öffnung (4)
mittels Ätzen, Sägen oder Prägen hergestellt wird, daß ein
in die Öffnung (4) passender Keil (40) aus transparentem
Material hergestellt wird, daß eine geneigte Flanke des
Keils (40) beschichtet wird und der Keil (40) in die Öffnung
(4) eingebracht wird.
11. Verfahren zur Herstellung einer Anordnung nach Anspruch
1, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem Substrat (1)
mittels Abformtechnik Wellenleitervorstrukturen und Öffnung
(4) realisiert werden, daß der Keil (40) paßgenau
eingegossen wird und anschließend die
Wellenleitervorstrukturen befüllt werden.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19944406335 DE4406335C2 (de) | 1994-02-28 | 1994-02-28 | Anordnung zur Abzweigung oder Einkopplung von Licht |
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