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Allgemeiner
Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft eine planare Lichtwellenschaltung (PLC), die
eine optische Vorrichtung umfaßt.
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Filterungs-
oder Duplizierungsfunktionen werden in vielen Teilen eines optischen
Netzwerkes benötigt,
z.B. als Multiplexer, Demultiplexer, in optischen Verstärkern und
als Bandfilter. Diese Funktionen können unter Verwendung von Dünnschichtfiltern
oder Spiegeln realisiert werden. Zu diesem Zweck ist es wünschenswert,
ein Dünnschichtfilter
innerhalb eines planaren Wellenleiters zu integrieren.
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Es
ist bekannt, ein kleines Stück
eines Mehrschichten-Dünnschichtfilters,
das auf einem großen Glassubstrat
mit engen Toleranzen aufgebracht wurde, in einen Spalt in einem
planaren Lichtwellenleiter (Filter-auf-Glas-Methode) einzusetzen.
Diese Methode muß einen
Kompromiß zwischen
der Anwendung eines dicken Glassubstrates für das eingesetzte Dünnschichtfilter,
welches mechanisch stabil ist, aber zu erhöhter Einfügungsdämpfung infolge nichtgeführter Kopplung
zwischen den Wellenleitern der planaren Lichtwellenschaltung führt, und
der Anwendung eines dünnen
Substrates für
das Dünnschichtfilter
schließen.
Die Dicke des dünnen
Substrates liegt in der Größenordnung
von einigen Mikrometern. Dies begrenzt die Konstruktion eines Mehrschichten-Dünnschichtfilters z.B. bezüglich der
Athermalisierung. Temperaturschwankungen führen zur Krümmung des Substrates, was eine
Veränderung
der Filter-Charakteristika zur Folge hat. Außerdem sind dünne Substrate
schwierig zu handhaben und in einem schmalen Spalt der planaren
Lichtwellenschaltung zu befestigen.
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Alternativ
hat man vorgeschlagen, einen Filterschichtstapel auf einer polierten
Kante einer planaren Lichtwellenschaltung aufzubringen. Dies kann jedoch
nur in Fällen
verwendet werden, wo das Filter oder der Spiegel an der Kante der
Plättchenanordnung
angeordnet werden kann. Außerdem
funktionieren die Polier- und Beschichtungsverfahren nur für Einzelstücke oder
Kleinserien, was zu hohen Fertigungskosten führt.
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Die
Anwendung von Kreuzgliedfiltern wie zum Beispiel Mach-Zehnder-Strukturen
oder feldartigen Wellenleitergittern ist ebenfalls vorgeschlagen worden.
Jedoch sind Kreuzgliedfilter mit steilen Filter-Charakteristiken
im Allgemeinen groß im
Vergleich mit Dünnschichtfiltern,
die eine vergleichbare Leistungsfähigkeit aufweisen. Außerdem ist
die Athermalisierung von Kreuzgliedfiltern schwierig zu erreichen.
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In
EP 0649038 A1 ist
ein Lichtwellenleiterspiegel beschrieben, der eine Mantelschicht,
welche einen Teil eines Substrates bedeckt, und zwei Kernschichten,
welche in der Mantelschicht gebildet sind, aufweist. Die zwei Kernschichten
verschmelzen miteinander und ein oberes Ende eines gemeinsamen Teils
der zwei Kernschichten ist auf einer Seitenwand der Mantelschicht
zu sehen. Ein reflektierendes Element, das eine mit einem reflektierenden
Film beschichtete Endfläche
aufweist, wird durch einen Führungsabschnitt
positioniert, so daß das
obere Ende eines gemeinsamen Teils der zwei Kernschichten an dem
reflektierenden Film haftet.
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Aus
der US-Patentschrift 4,358,851 ist eine Lichtwellenleitervorrichtung
bekannt geworden, welche im Grunde eine Glasfaser-Interferenzfilter-Kombination
umfaßt.
Die Lichtwellenleitervorrichtung weist die Filterkombination auf,
die an einem oder beiden Enden davon bereitgestellt ist.
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In
der US-Patentschrift 5,863,449 ist ein Verfahren zum Herstellen
von Lichtwellenleiter-Interferometern beschrieben.
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Zuerst
wird eine Mehrzahl von Glasfasern gebündelt und in einer Buchse angeordnet.
Das Bündel
wird anschließend
in der Buchse eingeschlossen und die Faserenden werden getrennt
und poliert. Eine Fläche
des Mantels wird von den polierten Faserenden entfernt und Schichten
von Material werden auf den Faserenden aufgebracht. Diese Schichten
von Material weisen verschiedene Brechungsindizes auf und bilden
ein Gitter. Das Bündel
von Glasfasern wird anschließend
aus der Umhüllung
in der Buchse entfernt.
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Die
US-Patentschrift 5,037,180 offenbart ein optisches Filter, das auf
einer Glasfaser angeordnet ist. Ein Filter, das aus einem Mehrschichten-Dünnschichtstapel
von Material mit niedrigem und hohem Brechungsindex besteht, ist
auf dem Ende einer Glasfaser aufgebracht. Die Filter, die auf einer
senkrechten Fläche
einer Monomodenfaser aufgebracht sind, reflektieren die meiste Leistung,
die nicht übertragen
wird. Diese Reflexion kann bei Rückführung an
einen Laser oder einen Verstärker
ein Problem verursachen, insbesondere wenn ein Isolator die Reflexionen
nicht hinreichend blockiert. Eine Abfasung auf der Faserendfläche kann
dieses Problem beseitigen, indem verhindert wird, daß die reflektierte
Leistung zurück
in die Glasfaser geführt
wird.
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Aufgabe der
Erfindung
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Es
ist die Aufgabe der Erfindung, ein Dünnschichtfilter oder Spiegel
innerhalb einer planaren Lichtwellenschaltung mit minimierter Einfügungsdämpfung und
hoher mechanischer Stabilität
zur Athermalisierung zu integrieren.
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Kurzbeschreibung
der Erfindung
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Diese
Aufgabe wird durch eine planare Lichtwellenschaltung (PLC) mit den
Merkmalen nach Anspruch 1 erreicht. Die Wellenleiterstruktur dient
als ein stabiles Substrat für
die Dünnschicht
oder einen Stapel von Dünnfilmschichten
und gleichzeitig als ein Lichtwellenleiter. Durch die Verwendung
einer dicken Wellenleiterstruktur kann der optisch nichtgeführte Pfad
auf die Dicke der Dünnfilmschicht
oder des Dünnfilmschichtstapels
begrenzt werden, d.h. einige Mikrometer. Folglich wird im Gegensatz
zu der Filter-auf-Glas-Methode
die Einfügungsdämpfung minimiert,
weil eine Wellenleiterstruktur als Substrat verwendet wird. Aufgrund
der dicken mechanisch stabilen Wellenleiterstruktur kann die Athermalisierung unter
Verwendung eines Dünnschicht-Mehrschichtenstapels
erhalten werden. Vorzugsweise ist die Wellenleiterstruktur ein Stück der Faser,
d.h. ein kurzer Faserstab. Insbesondere sind Faserstäbe mechanisch
stabiler als sehr dünne
Substrate wie in der Filter-auf-Glas-Methode des Standes der Technik. Die
optische Vorrichtung gemäß der Erfindung
ist daher für
die automatische Montage geeignet. Viele Fasertypen können verwendet
werden, da keine Faserspleißung
in der Herstellung der optisches Vorrichtung enthalten ist. Die
Faser kann frei ausgewählt werden,
z.B. eine dotierte Faser zum Einfügen eines dotierten Verstärkungssegmentes,
eventuell kombiniert mit doppelmanteliger Faser zur Verwendung des
Multiquellenpumpens. Da der Faserstab mechanisch stabil und nach
der Montage gut geschützt
ist, ist es möglich,
ein breites Spektrum von Glasmaterialien, Dotanden und Dotandenkonzentrationen
für die
Faser zu verwenden. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Verwendung
einer Glasfaser als montierbare Wellenleiterstruktur begrenzt. Jedes
Wellenleitungsmaterial kann als montierbare Wellenleiterstruktur
verwendet werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist der Dünnfilm
oder der Dünnfilmschichtstapel
ein Filter. Das Filter entweder sendet oder reflektiert Licht, in
Abhängigkeit
von der Wellenlänge
des Lichtes. Folglich können
gemäß der Erfindung Dünnschichtfilter,
welche die beste Wahl für
viele Anwendungen sind, mühelos
in Standardverfahren zur Fertigung einer PLC integriert werden.
Auf die gleiche Weise können
andere Dünnschichtvorrichtungen
wie zum Beispiel sättigungsfähige Absorber
verwendet werden. Es sind nur vernachlässigbare Einschränkungen
für das
Layout der PLC vorhanden. Die Dünnschichtfilter werden
technisch gut beherrscht und können
zu niedrigen Kosten realisiert werden. Die Erfindung ermöglicht ihre
Integration in planare PLCs mit minimierter Einfügungsdämpfung und hoher mechanischer
Stabilität
zur Athermalisierung. Zum Realisieren des Filters können zwischen
1 und mehr als 30 dünne
(in der Größenordnung
einer optischen Wellenlänge)
dielektrische oder metallische Schichten mit verschiedener Dicke,
verschiedenem Brechungsindex und Reflexionsvermögen verwendet werden. Bevorzugte
Materialien sind Zinksulfid, Bleifluorid, Kryolith, Natriumhexafluoraluminat,
Aluminium, Silber, Gold, Titandioxid, Siliciumdioxid, Tantalpentoxid. Es
können
jedoch auch andere Materialien verwendet werden.
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Vorteilhaft
wird die optische Vorrichtung in einer Aussparung der planaren Lichtwellenschaltung bereitgestellt.
Folglich kann die optische Vorrichtung leicht an Wellenleiter gekoppelt
werden, die auf der PLC angeordnet sind. Die Aussparung kann durch Trockenätzen hergestellt
sein. Der Winkel der Endfläche
und der entsprechenden Fläche
auf der PLC kann so ausgewählt
sein, daß Reflexionen
minimiert werden.
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In
einer speziell bevorzugten Ausführungsform
ist Immersionsmaterial zwischen einer oder beiden Endflächen der
Wellenleiterstruktur und/oder der Außenfläche, in dem Fall, wo eine Dünnschicht
auf der Endfläche
aufgebracht ist, und der entsprechenden Fläche der planaren Lichtwellenschaltung
angeordnet. Wenn ein Material mit einem Brechungsindex, der verschieden
von dem der Wellenleiterstruktur und der PLC ist, zwischen den Flächen vorhanden ist,
d.h. Luft, treten Reflexionen auf. Reflexionen können durch Verwendung des Immersionsmaterials, z.B.
einer Flüssigkeit
oder eines Silikons, welches gehärtet
sein kann, minimiert werden. Wenn das Licht in den Mantel eines
Wellenleiters, z.B. in sogenannte Mantelpumpfasern zu koppeln ist,
ist die optische Vorrichtung besonders zur Kopplung von Licht in
den Mantel geeignet.
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Mit
einem entsprechenden Layout der planaren Lichtwellenschaltung und
der richtigen Auswahl des Winkels der Endfläche kann ein Duplexer mit der optischen
Vorrichtung gemäß der Erfindung
realisiert werden.
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Ein
Faserfeld, das mindestens ein Bündel von
Fasern umfaßt,
wo mindestens ein Ende der Endflächen
der Fasern eine Dünnschicht
umfaßt,
fällt ebenfalls
innerhalb des Anwendungsbereiches der Erfindung. Durch Beschichten
eines Bündels
von Fasern mit einer Dünnschicht
kann die oben beschriebene optische Vorrichtung auf eine kostengünstige Weise
hergestellt werden.
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Das
Problem ist ebenfalls durch Verfahren der Bearbeitung einer optischen
Vorrichtung nach Anspruch 6 gelöst.
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Das
Sägen unter
einem vorgegebenen Winkel ermöglicht
es, den Winkel der Endfläche
bezüglich
der Achse der Faser entsprechend der Anwendung auszuwählen, für die die
Faser verwendet werden soll. Durch Sägen und Beschichten eines Feldes von
Fasern kann die optische Vorrichtung und folglich die integrierte
PLC auf eine kostengünstige
Weise hergestellt werden.
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In
einer bevorzugten Variante des erfinderischen Verfahrens wird das
Feld von Fasern durch, erstens, das Bündeln einzelner Fasern zu einem
Faserbündel
erhalten, wo die Fasern durch ein Einbettungsmaterial zusammengehalten
werden, und, zweitens, durch Verbinden der Faserbündel zu
einem Faserfeld unter Verwendung des Einbettungsmaterials zum Zusammenhalten
der Faserbündel,
und, drittens, durch das Verfestigen des Einbettungsmaterials erhalten.
Folglich können
gleichzeitig mehrere Fasern unter einem definierten Winkel gesägt und mit einer
oder mehr Dünnfilmschichten
beschichtet werden. Als Einbettungsmaterial kann z.B. ein Polymer verwendet
werden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Variante des Verfahrens wurde die Faserendfläche oder
die Faserfeldplatte vor dem Aufbringen der Dünnschicht poliert. Folglich
kann die Länge
der Fasern beziehungsweise die Dicke der Faserfeldplatte präzise beherrscht
werden. Durch Polieren der Faserfeldplatte werden die Endflächen der
Faserstücke,
die die Faserfeldplatte bilden, gleichzeitig poliert. Dadurch wird genau
der gleiche Flächenwinkel
für eine
Serie von Faserstücken
sichergestellt.
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Wenn
die Faserstücke
der Faserfeldplatte nach der Dünnschichtauftragung
getrennt werden, können
die einzelnen optischen Vorrichtungen leicht mit der PLC verbunden
werden. Zum Beispiel können die
optischen Vorrichtungen in der Aussparung verklebt werden. Dadurch
kann der Klebstoff ebenso das Immersionsmaterial sein. Alternativ
könnten
die optischen Vorrichtungen mit der PLC unter Verwendung eines Verfahrens
geklebt werden, das im Wesen bekannt ist.
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Weitere
Vorteile können
aus der Beschreibung und der beigefügten Zeichnung entnommen werden.
Die oben und unten erwähnten
Merkmale können
gemäß der Erfindung
entweder einzeln oder zusammen in jeder Kombination verwendet werden. Die
erwähnten
Ausführungsformen
sind nicht als erschöpfende
Aufzählung
zu verstehen, sondern weisen eher Beispielcharakter für die Beschreibung
der Erfindung auf.
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Zeichnungen
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Die
Erfindung ist in der Zeichnung gezeigt.
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1 zeigt
einen Schnitt in der Ebene einer PLC mit einer Wellenleiterstruktur
zu veranschaulichenden Zwecken;
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2a zeigt
einen Schnitt in der Ebene der erfinderischen PLC;
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2b zeigt
einen Querschnitt durch die PLC von 2a längs der
Linie IIb-IIb;
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2c zeigt
einen Querschnitt durch die PLC von 2a längs der
Linie IIc-IIc;
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3a zeigt
die Herstellung eines Faserfeldes;
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3b zeigt
die Verfahrensschritte des Herstellens der mit einer PLC zu integrierenden
optischen Vorrichtung.
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1 zeigt
eine Ebene einer planaren Wellenleiterführung PLC 1 zu veranschaulichenden
Zwecken, die die Wellenleiterwege beinhaltet, d.h. einen Längsschnitt
durch die erste Lichtwellenleiterführung PLC 1. Die PLC 1 ist
auf einem Substrat 2 hergestellt. Innerhalb des Substrates 2 ist
eine Mantelschicht 3 bereitgestellt und in der Mantelschicht 3 ist
eine Platte 4 zum Übertragen
des Lichtes eingebettet. Die Platte 4 und die Mantelschicht 3 bilden
einen ebenen Wellenleiter. Der ebene Wellenleiter ist durch eine Aussparung
unterbrochen. Innerhalb der Aussparung ist eine montierbare Wellenleiterstruktur 5 bereitgestellt,
die durch eine Faser realisiert ist. Die Kernschicht 6 der
Faser ist von einem Mantel 7 umgeben. An einem Ende ist
ein Dünnfilmschichtstapel 8 mit
einer Außenfläche 10 auf
der Endfläche 9 der Wellenleiterstruktur 5 bereitgestellt,
in welcher der Dünnfilmschichtstapel 8 in
Abhängigkeit
von der Wellenlänge
ein Filter oder ein Spiegel ist. In diesem Fall ist die Endfläche 9 senkrecht
zu der Achse der Wellenleiterstruktur 5. Die Form der Aussparung
ist der Form der Wellenleiterstruktur angepaßt, insbesondere dem Winkel
der Fläche 9 bezüglich der
Achse der Wellenleiterstruktur. Der Stapel 8 dient als
eine Filterschicht, die erlaubt, daß nur Licht einer bestimmten Wellenlänge hindurchgeht,
was durch den Pfeil 11 angegeben ist. Andere Wellenlängen des
Lichtes werden reflektiert. Am unteren Ende der Wellenleiterstruktur 5 ist
ein Toleranzspalt 12 bereitgestellt, der relativ klein
gehalten werden kann, d.h. zwischen 1 und 3 μm. Die Zahl 13 bezeichnet
die Fläche
der Wellenleiterstruktur 5. Das Licht wird in die Platte 4 des ebenen
Wellenleiters und in die Kernschicht 6 der Wellenleiterstruktur 5 geführt. Folglich
sind die einzigen Bereiche, die das übertragene Licht nicht führen, der
Toleranzspalt 12 und der Dünnfilmschichtstapel 8.
Die Länge
des nichtgeführten
Weges wird somit minimiert und die Einfügungsdämpfung niedrig gehalten.
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2a zeigt
eine Ebene der erfinderischen PLC 20, die die Wellenführungswege
beinhaltet. Die PLC 20 ist auf einem Substrat 21 hergestellt.
Innerhalb des Substrates 21 ist eine erste Mantelschicht 22 bereitgestellt
und in der ersten Mantelschicht 22 ist eine erste Platte 23 zum Übertragen
des Lichtes eingebettet. Die erste Platte 23 und die erste
Mantelschicht 22 bilden einen ersten ebenen Wellenleiter. Der
erste ebene Wellenleiter ist durch eine Aussparung unterbrochen.
Innerhalb der Aussparung ist eine montierbare Wellenleiterstruktur 24 bereitgestellt,
die durch eine Kernschicht 25 einer Faser realisiert ist,
welche von einem Mantel 26 umgeben ist. An einem Ende ist
ein Dünnfilmschichtstapel 27 auf der
Endfläche 28 der
Wellenleiterstruktur 24 bereitgestellt, das andere Ende
ist die Fläche 34.
In diesem Fall ist die Endfläche 28 bezüglich der
Achse der Wellenleiterstruktur 25 geneigt. Senkrecht zu
der ersten Mantelschicht 22 und der ersten Platte 23 sind eine
zweite Mantelschicht 29 und eine zweite Platte 30 bereitgestellt,
die einen zweiten ebenen Wellenleiter bilden. Die erste und die
zweite Platte 23, 30 treffen an einem Ende der
Aussparung zusammen. Die Trennfläche 31 des
Schichtenstapels 27 ist wieder die Außenfläche des Filterstapels und folglich
der optischen Vorrichtung. Das nach unten entlang dem Pfeil 32 übertragene
Licht, das eine erste Wellenlänge
aufweist, wird an der Schicht 31 reflektiert. Das Licht
auf einer verschiedenen Wellenlänge,
das nach unten entlang dem Weg 33 übertragen wurde, wird durch
die Schicht 31 übertragen.
Folglich dient die Wellenleiterstruktur 24 als ein 1:2-Demultiplexer.
In der entgegengesetzten Richtung entlang den Wegen 32, 33 dient
die Wellenleiterstruktur 24 als ein 2:1-Multiplexer.
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2b ist
ein Querschnitt längs
der Linie IIb-IIb der PLC 20 in 2a: Auf
der Oberseite des Substrates 21 ist eine dritte Mantelschicht 35 aufgebracht.
Die dritte Mantelschicht 35 und die erste Mantelschicht 22 betten
die Platte 23 ein, bilden somit einen ebenen Wellenleiter.
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2c zeigt
einen Querschnitt längs
der Linie IIc-IIc der PLC 20 in 2a. Innerhalb
des Substrates 21 ist eine Aussparung 36 bereitgestellt,
in welcher die montierbare Wellenleiterstruktur 24 angeordnet
werden kann. Die Tiefe der Aussparung 36 ist so gewählt, daß die Kernschicht 25 der
Faser auf der gleichen Höhe
wie die erste und die zweite Platte 23, 30 ist.
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Demzufolge
kann das Licht aus der Kernschicht 25 in die Platte 23,
und umgekehrt, und aus der ersten Platte 23 in die zweite
Platte 30, und umgekehrt, gekoppelt werden.
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3a zeigt
eine schematische Methode der Herstellung eines Faserfeldes. Mehrere
Einzelfasern 40, die im Querschnitt mit einem Kern 41 und Mantel 42 gezeigt
sind, werden zu einem Faserbündel 43 gebündelt, welches
durch Matrixfüllmaterial 44,
z.B. ein Polymer, zusammengehalten wird. Anschließend werden
mehrere Faserbündel 43 miteinander
durch ein Füllmaterial
befestigt, um ein Faserfeld 45 zu bilden, das auch als
Faserblock bezeichnet wird. Vorteilhaft wird das gleiche Füllmaterial
für das Faserbündel 43 und
für das
Faserfeld 45 verwendet. Vor dem weiteren Bearbeiten des
Faserfeldes 45 wird das Einbettungsmaterial, das das Faserfeld 45 zusammenhält, verfestigt.
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3b zeigt
das nachfolgende Bearbeiten des Faserfeldes 45 von 3a.
Das Faserfeld 45 wird längs
der gestrichelten Linien 46 in Faserfeldplatten 47 unter
einem Winkel α gesägt, der
durch die Anwendung bestimmt wird, für die die Fasern 40 vorgesehen
sind. Das Sägen
bietet das präzise
Steuern des Winkels α bezüglich der
Faserachse. Nach dem Sägen
werden die Faserfeldplatten 47, die aus vielen Faserstücken 48 bestehen,
auf mindestens einer Endfläche
poliert. Durch Polieren kann die Länge der Faserstücke 48 präzise gesteuert
werden. Nach dem Polieren werden ein oder mehrere Dünnschichten 49, 50,
in Abhängigkeit
von der Anwendung, auf den Faserfeldplatten 47 aufgebracht,
d.h. auf den polierten Endflächen
der Faserstücke 48.
Danach wird das Matrixfüllmaterial 44 entfernt
und es werden einzelne Faserstücke 51 mit
einem Dünnfilmschichtstapel 52, der
auf ihren Endflächen 53 bereitgestellt
ist, erhalten. Die Faserstücke 51 können anschließend in
eine PLC integriert werden. Das Faserstück 51 ist in einem
Querschnitt durch die Kernschicht 54 gezeigt.
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Eine
planare Lichtwellenschaltung (PLC) 20 umfaßt eine
optische Vorrichtung, wo die optische Vorrichtung mindestens ein
montierbares Stück
der Wellenleiterstruktur 24 umfaßt, insbesondere ein Stück der Faser,
welche mindestens eine Dünnfilmschicht
aufweist, die auf einer Endfläche 28 aufgebracht
ist. Demzufolge kann ein Dünnschichtfilter
in eine PLC mit minimierter Einfügungsdämpfung und hoher
mechanischer Stabilität
zur Athermalisierung integriert werden.