DE60319318T2

DE60319318T2 - Optischer Multi-Demultiplexer

Info

Publication number: DE60319318T2
Application number: DE60319318T
Authority: DE
Inventors: Junji Yamauchi; Michiya Masuda; Ryouichi Tazawa; Hisamatsu Nakano; Yuichi Yamamoto
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2002-10-01
Filing date: 2003-10-01
Publication date: 2009-02-19
Anticipated expiration: 2023-10-02
Also published as: DE60319318D1; CA2443416A1; JP3912250B2; US7031569B2; EP1406099A2; US20040170355A1; JP2004126131A; EP1406099A3; EP1406099B1; CA2443416C

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein einen optischen Mehrfach-Demultiplexer vom Typ einer Wellenleitergitterordnung für den Gebrauch beim Multiplexen oder Demultiplexen eines optischen Wellenlängen-Multiplexsignals, und insbesondere einen optischen Mehrfach-Demultiplexer mit optischen Breitbandwellenlängencharakteristiken.
Auf dem Gebiet der optischen Kommunikation sind Entwicklungsversuche durchgeführt worden, um ein Wellenlängenmultiplex-Übertragungssystem zu entwickeln, das eine Erhöhung einer Informationskapazität anstrebt durch das Übertragen einer Vielzahl von Signalen über Lichtkomponenten mit unterschiedlichen Wellenlängen und durch das Übertragen dieser Signale durch eine einzige optische Faser. In diesem Übertragungssystem spielt ein optischer Mehrfach-Demultiplexer eine wichtige Rolle beim Multiplexen oder Demultiplexen der Lichtkomponenten mit unterschiedlichen Wellenlängen. Von einer Vielzahl von Typen von optischen Mehrfach-Demultiplexern ist ein optischer Mehrfach-Demultiplexer viel versprechend, der eine Wellenleitergitteranordnung (AWG) verwendet, da die Anzahl gemultiplexter Wellenlängen durch schmale Wellenlängenintervalle und -abstände erhöht werden kann.
Beispiele der Wellenlängengitteranordnung sind offenbart in der japanischen Patentanmeldung KOKAI, Veröffentlichungsnummer 7-333447 , der japanischen Patentanmeldung KOKAI, Veröffentlichungsnummer 9-297228 , und der japanischen Patentanmeldung KOKAI, Veröffentlichungsnummer 10-197735 .
Eine herkömmliche Wellenleitergitteranordnung umfasst Eingangswellenleiter, die auf einem Substrat gebildet sind; Ausgangswellenleiter; einen Kanalwellenleiterbereich, der aus einer Mehrzahl von gekrümmten Wellenleitern besteht; einen fächerförmigen Eingangswellenleiter, der zwischen den Eingangswellenleitern und dem Kanalwellenleiterbereich gebildet ist; und einen fächerförmigen Ausgangsplattenwellenleiter, der zwischen dem Kanalwellenleiterbereich und den Ausgangswellenleitern gebildet ist. Der Kanalwellenleiterbereich ist derart gebildet, dass die optischen Weglängen der gekrümmten Wellenleiter graduell von der Innenseite bis zu der Außen seite der gekrümmten Konfiguration der gekrümmten Wellenleiter davon vergrößert sind, so dass die benachbarten Wellenleiter bestimmte Differenzen in der optischen Weglänge haben können.
Folglich pflanzen sich optische Wellenlängen-Multiplexsignale, die auf den Eingangsseitenenden der einzelnen Wellenleiter des Kanalwellenleiterbereichs einfallen, zu den Ausgangsseitenenden der Wellenleiter fort, während zwischen den Signalen optische Phasendifferenzen auftreten entsprechend der Frequenzen der Signale. Die Größe der Phasendifferenz variiert in Abhängigkeit von der Wellenlänge des Lichts, und die Wellenfront des konvergierten Strahls ist geneigt entsprechend dessen Wellenlänge. Folglich variieren die einzelnen Konvergenzpositionen der Lichtstrahlen in dem fächerförmigen Ausgangsplattenwellenleiter in Abhängigkeit von den einzelnen Wellenlängen der Lichtstrahlen. Gedemultiplexte Strahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen konvergieren auf Ausgangswellenleitern an verschiedenen Positionen entsprechend der einzelnen Wellenlängen.
Wenn der Brechungsindex des fächerförmigen Plattenwellenleiters uniform ist und eine Eingangsfeldverteilung vom Gauß-Typ vorliegt, wie im Stand der Technik, dann wird entsprechend an den Konvergenzpunkten eine Feldverteilung vom Typ einer Gauß-Verteilung erzeugt. Als Ergebnis haben Wellenlängencharakteristiken eine einzelne Spitze an einer zentralen Wellenlänge eines jeden Kanals, wie im Stand der Technik.
10 zeigt eine elektrische Feldverteilung an einer Grenze zwischen dem fächerförmigen Ausgangsplattenwellenleiter und den Ausgangswellenleitern in der vorstehend beschriebenen herkömmlichen Wellenleitergitteranordnung. Diese elektrische Feldverteilung hat eine scharfe Spitze an einem Zentrum des Strahls. Folglich kann Licht mit hoher Effizienz übertragen werden, wenn es gelingt, eine Lichtkomponente mit der Spitze des elektrischen Feldes exakt auf dem Zentrum eines vorbestimmten Ausgangswellenleiters einfallen zu lassen.
11 zeigt Wellenlängencharakteristiken der herkömmlichen Wellenleitergitteranordnung. In 11 stellt die Abszisse die Wellenlänge dar, und die Ordinate stellt den Verlust dar. Wie in 11 gezeigt ist, hat die herkömmliche Wellenleitergitter anordnung parabolische Wellenlängencharakteristiken mit Spitzen an zentralen Wellenlängen der einzelnen Wellenleiter.
Folglich weist die herkömmliche Wellenleitergitteranordnung folgendes Problem auf. Wenn die Wellenlänge einer Laserlichtquelle auch nur geringfügig von einer zentralen optischen Wellenlänge eines jeden Wellenleiters abweicht, beispielsweise aufgrund einer Temperaturänderung, würde der optische Verlust beträchtlich ansteigen.
Dieses Problem kann zu einem gewissen Grade behoben werden durch eine Wellenleitergitteranordnung 1, die in 12 gezeigt ist. Die Wellenleitergitteranordnung 1 umfasst parabolische Teilbereiche 4 zwischen den Eingangswellenleitern 2 und einem fächerförmigen Plattenwellenleiter 3. Jeder parabolische Teilbereich 4 hat solch eine quadratisch funktionale Form, dass sich der Kern des zugehörigen Wellenleiters 2 graduell weitet in Richtung des fächerförmigen Plattenwellenleiters 3. Ein Kanalwellenleiterbereich 5 ist mit dem Plattenwellenleiter 3 verbunden.
In dem oben beschriebenen Stand der Technik stellt jeder parabolische Teilbereich mehrere Moden für Licht bereit, das sich von dem zugeordneten Eingangswellenleiter 2 zu dem Plattenwellenleiter 3 fortpflanzt, und eine Mode höherer Ordnung wird erzeugt. Dabei wird eine Feldverteilung mit Doppelspitzen erzeugt, und Breitbandcharakteristiken von einem gewissen Niveau können erhalten werden.
Dennoch vergrößern sich in der Wellenleitergitteranordnung 1 mit den parabolischen Teilbereichen 4 die optischen Weglängen um einen Maß, das den parabolischen Teilbereichen 4 entspricht, was zu einer Vergrößerung der gesamten Struktur führt. Zusätzlich sind parabolische Teilbereiche 4, die an benachbarten Wellenleitern 2 gebildet sind, direkt beieinander untergebracht. Infolgedessen ist es schwierig, zwischen den Kernen der parabolischen Teilbereiche 4 eine Deckschicht in ausreichendem Maße einzufügen, wenn die Wellenleiterordnung 1 hergestellt wird.
Die WO 02/069007 A offenbart eine dendritische Verjüngung für einen integrierten optischen Wellenlängenverteiler, der wenigstens einen dendritischen Verjüngungsbereich umfasst. Die dendritische Verjüngung umfasst wenigstens eine dendritische Verjüngung, die einen Rumpf und wenigstens einen mit dem Rumpf optisch verbun denen Verzweigung aufweist. Zusätzlich zu dem dendritischen Verjüngungsbereich umfasst der optische Wellenlängenverteiler wenigstens einen Eingangswellenleiter, einen Eingangsplattenwellenleiter, eine Wellenleiterordnung, einen Ausgangsplattenwellenleiter und wenigstens einen Ausgangswellenleiter. Um einen weiten Durchlassbereich ohne eine wesentliche Einfügungsdämpfung bereitzustellen.
Die CA 2 315 485 A1 offenbart einen optischen Wellenlängen-Multiplexer/Demultiplexer gemäß dem Oberbegriff vom Anspruch 1 mit einem Substrat, einem Eingangskanalwellenleiter, der auf dem Substrat vorgesehen ist, einem Eingangsplattenwellenleiter, dessen eines Ende mit dem Eingangskanalwellenleiter verbunden ist, einer Kanalwellenleiteranordnung, deren eine Seite mit der anderen Seite des Eingangsplattenwellenleiters verbunden ist und in der eine Vielzahl von Kanalwellenleitern vorgesehen sind. Ein keilförmiges optisches Harzmaterial und eine Siliziumfüllung sind als ein Temperaturkompensationsmaterial vorgesehen, wobei das Harz in einer Nut eingefügt ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen optischen Mehrfach-Demultiplexer bereitzustellen, der geeignet ist, optische Breitbandwellenlängencharakteristiken zu erhalten, ohne dessen Herstellung zu erschweren. Die Aufgabe wird gelöst durch den optischen Mehrfach-Demultiplexer gemäß Anspruch 1.
Mit der Bereitstellung des Bereichs mit unterschiedlichem Brechungsindex kann der Konvergenzpunkt des Lichts verschoben werden. Im Besonderen kann, da der Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex in dem zweiten Plattenwellenleiter vorgesehen ist, beispielsweise eine 1 dB Brandbreite oder eine 3 db Brandbreite beachtlich vergrößert werden, und optische Breitbandwellenlängencharakteristiken mit einer abgeflachten elektrischen Feldverteilung können erhalten werden. Daher kann, auch in einem Fall, bei dem die Wellenlänge einer Lichtquelle, wie beispielsweise eines Lasers, aufgrund einer Temperaturschwankung etc. von einer zentralen Wellenlänge eines jeden Signalkanals abweicht, ein Anstieg an einem Durchgangsverlust unterdrückt werden.
Der Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex wird aus einem Material mit einem geringeren Brechungsindex als ein Kern des zweiten Plattenwellenleiters gebil det. Zusätzlich kann der Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex aus einem Material mit einem Brechungsindex gleich einem Brechungsindex einer Deckschicht des zweiten Plattenwellenleiters gebildet werden.
In diesem Fall hat der Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex eine kegelförmige Form, deren Weite hin zu einem zentralen Teilbereich des zweiten Plattenwellenleiters abnimmt.
Alternativ kann der Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex einen größeren Brechungsindex als ein Kern des zweiten Plattenwellenleiters haben. In diesem Fall sollte der Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex vorzugsweise eine umgekehrte kegelförmige Form haben, bei der die Weite hin zu einem zentralen Teilbereich des zweiten Plattenwellenleiters zunimmt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst der Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex ein paar halblinsenförmige Bereiche mit unterschiedlichem Brechungsindex, die von beiden Seiten des zweiten Plattenwellenleiters in Richtung eines zentralen Teilbereichs des zweiten Plattenwellenleiters hinausragen. Mit dieser Struktur werden die Konvergenzpunkte des von der Kanalwellenleiteranordnung auf den zweiten Plattenwellenleiter einfallenden Lichts, die symmetrisch in zwei Gruppen angeordnet sind, symmetrisch verschoben. Dadurch wird eine flache optische Verteilung, in der sich eine Vielzahl elektrischer Feldverteilungen gegenseitig überlappen, an einer Grenze zwischen dem zweiten Plattenwellenleiter und dem Ausgangswellenleitern gebildet. Die Konvergenzpunkte des von den jeweiligen Wellenleitern der Kanalwellenleiteranordnung austretenden Lichts, die symmetrisch in zwei Gruppen angeordnet sind, werden symmetrisch verschoben. Daher kann leicht eine flache Feldverteilung erhalten werden, und eine optische Verteilung mit einem breiteren Band wird erhalten.
In der vorliegenden Erfindung kann der Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex von jedem der beiden Seitenteilbereiche des zweiten Plattenwellenleiters beabstandet sein.
In dieser Erfindung kann der Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex eine Breite haben, die in einer Richtung variiert, in der die Wellenleiter der Kanalwellenleiteranordnung angeordnet sind. Mit dieser Struktur kann die Länge, über die jede Lichtkomponente den Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex durchquert, in Einheiten einer Lichtkomponente variiert werden, und der Konvergenzpunkt jeder einzelnen Lichtkomponente kann um einen gewünschten Betrag verschoben werden.
In der vorliegenden Erfindung kann der Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex eine Breite oder einen Brechungsindex haben, die in einer Richtung variieren, in der die Wellenleiter der Kanalwellenleiteranordnung angeordnet sind. Dadurch kann eine Phasendifferenz zwischen Lichtkomponenten bereitgestellt werden, die den Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex kreuzen, und der Konvergenzpunkt jeder einzelnen Lichtkomponente kann um einen gewünschten Betrag verschoben werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind zusätzlich zu dem Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex auf wenigstens einer Position nahe der Kanalwellenleiteranordnung innerhalb des ersten Plattenwellenleiters und einer Position nahe der Kanalwellenleiteranordnung innerhalb des zweiten Plattenwellenleiters Inselregionen gebildet, die einen Brechungsindex haben, der sich von demjenigen der ersten und zweiten Plattenwellenleiter unterscheidet. Mit dieser Struktur kann ein Verlust in dem gesamten optischen Mehrfach-Demultiplexer verringert werden.
Diese Zusammenfassung der Erfindung beschreibt nicht notwendigerweise alle erforderlichen Merkmale, so dass die Erfindung auch Unterkombinationen dieser beschriebenen Merkmale umfassen kann.
Die Erfindung kann besser anhand der folgenden detaillierten Beschreibung verstanden werden, wenn sie in Verbindung mit den angefügten Zeichnungen gesehen wird, in denen:
1 ist eine Draufsicht auf einen optischen Mehrfach-Demultiplexer gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 zeigt schematisch in einem vergrößerten Maßstab einen zweiten Plattenwellenleiter etc. des in 1 gezeigten optischen Mehrfach-Demultiplexers;
3 ist eine Teilquerschnittsansicht des optischen Mehrfach-Demultiplexers in Richtung der Linie F3-F3 in 2;
4 ist eine Teilquerschnittsansicht des optischen Mehrfach-Multiplexers in Richtung der Linie F4-F4 in 2;
5 zeigt schematisch einen Zustand, in dem eine Wellenfront des Lichts, das den Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex durchquert, in dem in 1 gezeigten optischen Mehrfach-Demultiplexer geneigt ist.
6 zeigt schematisch einen Zustand, in dem Konvergenzpunkte des Lichts, das den Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex durchquert, in dem in 1 gezeigten optischen Mehrfach-Demultiplexer verschoben sind;
7 zeigt eine elektrische Feldverteilung an einer Grenze zwischen dem zweiten Plattenwellenleiter und den Ausgangswellenleitern in dem in 1 gezeigten optischen Mehrfach-Demultiplexer;
8 zeigt eine Beispiel von Wellenlängencharakteristiken des in 1 gezeigten optischen Mehrfach-Demultiplexers;
9 ist eine Draufsicht auf einen optischen Mehrfach-Demultiplexer gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
10 zeigt eine elektrische Feldverteilung an einer Grenze zwischen einem zweiten Plattenwellenleiter und den Ausgangswellenleitern in einer herkömmlichen Wellenleitergitteranordnung;
11 zeigt Wellenlängencharakteristiken der herkömmlichen Wellenleitergitteranordnung; und
12 ist eine Draufsicht, die ein Beispiel einer herkömmlichen Wellenleitergitteranordnung mit parabolischen Teilbereichen zeigt.
Eine erste Ausführungsform der Erfindung wird jetzt in den 1 bis 8 beschrieben werden.
1 zeigt einen optischen Mehrfach-Demultiplexer 10 vom Typ einer Wellenleitergitteranordnung (AWG). Der optische Mehrfach-Demultiplexer 10 weist die folgenden Komponenten auf, die auf einem Substrat 11 gebildet sind: Eine Vielzahl von Eingangswellenleitern 12, einen ersten fächerförmigen Plattenwellenleiter 13, eine Kanalwellenleiteranordnung 14, die aus einer Anzahl von gekrümmten Wellenleitern 14a zusammengesetzt ist, einen zweiten fächerförmigen Plattenwellenleiter 15 und eine Vielzahl von Ausgangswellenleitern 16. Optische Fasern (nicht gezeigt) sind mit den Eingangswellenleitern 12 und den Ausgangswellenleitern 16 verbunden.
Der erste Plattenwellenleiter 13 ist zwischen den Eingangswellenleitern 12 und der Kanalwellenleiteranordnung 14 gebildet. Der erste Plattenwellenleiter 13 verbindet die Eingangswellenleitern 12 optisch mit der Kanalwellenleiteranordnung 14.
Der zweite Plattenwellenleiter 15 ist zwischen der Kanalwellenleiteranordnung 14 und den Ausgangswellenleitern 16 gebildet. Der zweite Plattenwellenleiter 15 verbindet die Wellenleiter 14a der Kanalwellenleiteranordnung 14 optisch mit den Ausgangswellenleitern 16.
Wie in 3 gezeigt ist, enthält der Plattenwellenleiter 13, 15 ein Substrat 11, das beispielsweise aus Quarzglas oder Silizium gebildet ist, einen ebenen Kern 20, der auf dem Substrat 11 vorgesehen ist, und eine Deckschicht 21, die den Kern 20 bedeckt.
Die Kanalwellenleiteranordnung 14 weist eine Vielzahl von gekrümmten Wellenleitern 14a mit unterschiedlichen Längen auf. Die optischen Weglängen der Wellenlei ter 14a vergrößern sich allmählich von einer Innenseite in Richtung zu einer Außenseite einer gekrümmten Konfiguration der Wellenleiter 14a derart, dass benachbarte Wellenleiter 14a eine vorbestimmte Differenz ΔL in der optischen Weglänge haben können.
Folglich pflanzt sich ein auf das eine Ende des zugeordneten Wellenleiters 14a der Kanalwellenleiteranordnung 14 einfallende optische Wellenlängenmultiplex-Signal bis zu dem anderen Ende der Wellenleiter 14a hin fort, während optische Phasendifferenzen zwischen den optischen Signalen entsprechend den Frequenzen der optischen Signale auftreten. Der Betrag der Phasendifferenz variiert in Abhängigkeit von der Wellenlänge des Lichts, und die Wellenfront des kombinierten Strahls ist entsprechend ihrer Wellenlänge geneigt. Dementsprechend variieren die jeweiligen Positionen der Konvergenz der Lichtstrahlen in dem zweiten Plattenwellenleiter 15 in Abhängigkeit von den einzelnen Wellenlängen der Lichtstrahlen. Gedemultiplexte Strahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen sind entsprechend den jeweiligen Wellenlängen auf den Ausgangswellenleitern 16 an unterschiedlichen Positionen konvergiert.
Zur Vereinfachung werden in dieser Beschreibung die Wellenleiter (z. B. Wellenleiter 12) auf der einfallenden Seite mit Eingangswellenleitern bezeichnet und die Wellenleiter (z. B. Wellenleiter 16) auf der Emissionsseite mit Ausgangswellenleitern bezeichnet. Wenn das Licht dennoch in entgegen gesetzter Richtung einfällt, dienen die Wellenleiter 12 als Ausgangswellenleiter, und die Wellenleiter 16 dienen als Eingangswellenleiter.
In dem optischen Mehrfach-Demultiplexer 10 sind eine Vielzahl von Inselregionen 30 (schematisch in den 1 und 2 gezeigt) auf wenigstens einem von dem ersten Plattenwellenleiter und dem zweiten Plattenwellenleiter 15 gebildet. 1 und 2 zeigen schematisch nur einen Teil der Wellenleiter 12, 14a, 16 und der Inselregionen 30.
Wie in 4 gezeigt ist, sind die Inselregionen 30 integral mit der Deckschicht 21 auf dem Substrat 11 aus beispielsweise Quarzglas gebildet. Der Brechungsindex der Inselregion 30 ist kleiner als derjenige des Kerns 20, der benachbart zu der Inselregion 30 ist.
Die Inselregionen 30 sind an Positionen gebildet, die mit den Wellenleitern 14a der Kanalwellenleiteranordnung 14 verknüpft sind. Beispielsweise sind die Inselregionen 30 in dem ersten Plattenwellenleiter 13 zwischen Achsen gebildet, die die Wellenleiter 14a der Kanalwellenleiteranordnung 14 mit den Eingangswellenleitern 12 verbinden. In Abhängigkeit davon, wie der optische Demultiplexer 10 verwendet wird, können die Inselregionen 30 sowohl auf dem ersten Plattenwellenleiter 13 als auch auf dem zweiten Plattenwellenleiter 15 oder auf einem von beiden vorgesehen sein.
Wie in 2 gezeigt ist, sind ein paar Bereiche 40 mit unterschiedlichem Brechungsindex in der Nähe einer Grenze zwischen der Kanalwellenleiteranordnung 14 und dem zweiten Plattenwellenleiter 15 gebildet. Den Bereichen mit unterschiedlichem Brechungsindex 40 sind in halblinsenförmigen Formen gebildet, die von beiden Seitenteilbereichen 15a und 15b des zweiten Plattenwellenleiters 15 in Richtung des Zentrums des Plattenwellenleiters 15 hervorstehen. Jeder Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex 40 ist an einer Position dicht bei der Kanalwellenleiteranordnung 14 innerhalb des zweiten Plattenwellenleiters 15 gebildet, d. h. an einer Position nahe der Kanalwellenleiteranordnung 14 relativ zu einer zentralen Position in der longitudinalen Richtung des Plattenwellenleiters 15. Der Brechungsindex des Bereichs mit unterschiedlichem Brechungsindex 40 unterscheidet sich von denjenigen des zweiten Plattenwellenleiters 15. In der vorliegenden Ausführungsform ist der Brechungsindex des Bereichs mit unterschiedlichem Brechungsindex 40 kleiner als derjenige des Kerns 20 des zweiten Plattenwellenleiters 15.
Vorzugsweise ist der Brechungsindex des Bereichs mit unterschiedlichem Brechungsindex 40 gleich demjenigen der Deckschicht 21. Somit können die Deckschicht 21 und der Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex 40 integral aus demselben Material gebildet werden. Der Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex 40 erstreckt sich in eine Richtung, in der die Wellenleiter 14a der Kanalwellenleiteranordnung 14 angeordnet sind, d. h. in Breitenrichtung des Plattenwellenleiters 15 (angedeutet durch einen Pfeil X in 2).
Die Breite W (gezeigt in 5) jedes Bereichs mit unterschiedlichem Brechungsindex 40 nimmt in einer kegelförmigen Weise von dem Zentrum des Plattenwellenleiters 15 in Richtung zu den Seitenteilbereichen 15a, 15b hin zu. Mit anderen Worten variiert die Breite W des Bereichs mit unterschiedlichem Brechungsindex 40 in einer Richtung (Richtung von Pfeil X), in der die Wellenleiter 14a der Kanalwellenleiteranordnung 14 angeordnet sind. In einem Fall, in dem der Brechungsindex des Bereichs mit unterschiedlichem Brechungsindex 40 geringer ist als derjenige des Kerns 20 des Plattenwellenleiters 15, wird der Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex 40 in einer kegelförmigen Form mit einer Breite gebildet, die in Richtung des Zentrums des Plattenwellenleiters 15 abnimmt. Die Kegelform des Bereichs mit unterschiedlichem Brechungsindex 40 wird optimal bestimmt, wobei eine relative Brechungsindexdifferenz in dem optischen Mehrfach-Demultiplexer 10, die Länge des Plattenwellenleiters 15, die Kerngröße der Eingangs- und Ausgangswellenleiter 12 und 16, etc berücksichtigt werden.
Der Brechungsindex des Bereichs mit unterschiedlichem Brechungsindex 40 kann größer sein als derjenige des Kerns 20 des Plattenwellenleiters 15. In diesem Fall kann der Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex 40 vorzugsweise in einer umgekehrten kegelförmigen Form mit einer Breite geformt sein, die in Richtung des Zentrums des Plattenwellenleiters 15 zunimmt.
Der Brechungsindex des Bereichs 40 mit unterschiedlichem Brechungsindex kann so angepasst werden, dass er in einer Richtung (Richtung von Pfeil X) variiert, in der die Wellenleiter 14a der Kanalwellenleiteranordnung 14 angeordnet sind.
Ein Verfahren zur Herstellung des obigen optischen Mehrfach-Demultiplexers 10 wird beschrieben.
Quarzglas wurde als Material für das Substrat 11 verwendet. Der Kern des Plattenwellenleiters 13, 15 und jeder Wellenleiter 14a der Kanalwellenleiteranordnung 14 wurden integral aus Germanium dotiertem Quarzglas mit eine Dicke von 6 μm geformt. Beispiele des Verfahrens zum Bilden von Glas beinhalten CVD (chemical vapor deposition, chemische Gasfaserabscheidung), Flammhydrolyse (FHD, flame hydrolysis deposition), und Verdampfung. Bedingungen für die Bildung waren: Der Brechungsindex (nc₁) der Deckschicht 21 = Brechungsindex (nc₁) der Deckschicht 21 = 1,4574, der Brechungsindex (nc₀) des Kerns 20 und jedes Wellenleiters 14a der Kanalwellenleiteranordnung 14 = 1,4684, die relative Brechungsindexdifferenz Δ = 0,75%, und der Querschnitt von jedem Wellenleiter 14a der Kanalwellenleiteranordnung 14 = 6 × 6 μm².
Die Proben des Kerns 20, der Inselregionen 30 und der Bereiche mit unterschiedlichem Brechungsindex 40 wurden zur selben Zeit durch reaktives Ionenätzen (RIE, reactive ion etching) gebildet. Nach der Probenbildung wurde die Deckschicht 21 mit einer vordefinierten Dicke gebildet. Die Teilbereiche des Kerns 20, in denen die Inselregionen 30 und die Bereiche mit unterschiedlichem Brechungsindex 40 gebildet werden sollten, wurden weggeätzt. Nachdem der Kern 20 teilweise geätzt worden ist, wurde die Deckschicht 21 mit einer vordefinierten Dicke gebildet. Dadurch wurde ein Teil der Deckschicht 21 in den geätzten Teilbereichen des Kerns 20 verdeckt. In einem Fall, in dem das Substrat 11 aus Silizium gebildet ist, wird eine untere Deckschicht (nicht gezeigt) zwischen dem Substrat 11 und dem Kern 20 gebildet.
Der Betrieb des Mehrfach-Demultiplexers 10 wird jetzt beschrieben werden.
Wellenlängen gemultiplextes Signallicht, das von dem Eingangswellenleiter 12 auf den ersten Plattenwellenleiter 13 einfällt, hat eine einzelne Mode, und es hat allgemein eine Leistungsverteilung vom Typ einer Gauß-Verteilung. Das auf dem ersten Plattenwellenleiter 13 einfallende Licht breitet sich in dem Kern 20 des ersten Plattenwellenleiters 13 in der lateralen Richtung (Breitenrichtung) des Plattenwellenleiters 13 aus. Das ausgebreitete Licht tritt in jeden Wellenleiter 14a der Kanalwellenleiteranordnung 14 ein.
Die optischen Weglängen der gekrümmten Wellenleiter 14a der Kanalwellenleiteranordnung 14 nehmen graduell von der Innenseite in Richtung zu der Außenseite der gekrümmten Konfiguration der Wellenleiter 14a hin zu. Daher sind die Wellenlängen gemultiplexten Signale, mit denen die einzelnen Wellenleiter 14a beaufschlagt werden, für jede Frequenz einer optischen Phasenverschiebung ausgesetzt, wenn sie auf dem zweiten Plattenwellenleiter 15 einfallen.
Die Lichtkomponenten der Wellenlängen gemultiplexten Signale, die sich in dem zweiten Plattenwellenleiter 15 fortgepflanzt haben, pflanzen sich entsprechend ihrer Wellenlängen an der Grenze zwischen dem zweiten Plattenwellenleiter 15 und dem Ausgangswellenleiter 16 zu unterschiedlichen Konvergenzpunkten hin fort. Die Lichtkomponenten mit den jeweiligen Wellenlängen durchqueren die halblinsenförmigen Bereiche mit unterschiedlichem Brechungsindex 40, während sie sich zu den Ausgangswellenleitern 16 hin fortpflanzen. Folglich erscheint, wie unten beschrieben, ein Konvergenzzustand an der Grenze zwischen dem zweiten Plattenwellenleiter 15 und den Ausgangswellenleitern 16.
Speziell das Licht, das von jedem Wellenleiter 14a der Kanalwellenleiteranordnung 14 kommt und in den zweiten Plattenwellenleiter 15 eintritt, erreicht den halblinsenförmigen Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex 40, wie in 5 gezeigt, während es sich in Richtung zu den Ausgangswellenleitern 16 hin fortpflanzt. Wenn die Lichtkomponenten A1, A2, A3 und A4 den Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex 40 durchqueren, pflanzen sie sich über unterschiedliche Distanzen L1, L2, L3 und L4 innerhalb des Bereichs mit unterschiedlichem Brechungsindex 40 aus. Als Ergebnis hiervon entstehen Phasendifferenzen zwischen den Lichtkomponenten A1, A2, A3 und A4.
In dem Fall, in dem der Brechungsindex des Bereichs mit unterschiedlichem Brechungsindex 40 geringer ist als derjenige des Plattenwellenleiters 15, wird das Feld in dem Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex 40 stärker beschleunigt, da sich die Lichtkomponente in einem dichter an dem Seitenteilbereich 15a, 15b des Plattenwellenleiters 15 liegenden Bereich fortpflanzt. Dementsprechend ist die Wellenfront geneigt, wie in 5 gezeigt, und der Konvergenzpunkt ist nach inne gerichtet versetzt, verglichen mit dem normalen Konvergenzpunkt, der entstehen würde, wenn der Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex 40 nicht vorgesehen wäre.
In dem Fall, in dem der Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex 40 nicht vorgesehen ist, beträgt die Anzahl der Konvergenzpunkte (In-Phase Punkte) eins. Hingegen dehnt sich die Konvergenzpunkt (In-Phase Punkt) aus, wie durch L' und L'' in 6 dargestellt ist, wenn der Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex 40 vorgesehen ist. Obwohl L' und L'' länger sind als L, durchquert Licht den Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex 40 mit einer höheren Geschwindigkeit. Infolgedessen wird der Punkt, an dem das Licht, das L', L'' durchläuft, mit dem Konvergenzpunkt nach dem Stand der Technik in Phase kommt, in Richtung der Pfeile Z1 und Z2 verschoben. Als Ergebnis hiervon wird die Feldverteilung an dem Konvergenzpunkt breiter.
Dementsprechend werden die gleichmäßig aufgeteilten Gruppen zur rechten und zur linken Hand der Konvergenzpunkte der Lichtkomponenten, die von den Wellenleitern 14a der Kanalwellenleiteranordnung 14 hervorgegangen sind, in Richtung der Seitenteilbereiche 15a und 15b des Plattenwellenleiters 15 hin verschoben. Daher verbreitert sich die Feldverteilung wie eine Doppelspitzenverteilung, und eine fast flache Feldverteilung wird erreicht, die in 7 gezeigt ist.
In der Theorie kann die vorgenannte Phasendifferenz durch graduelles Verändern der Differenz in der optischen Weglänge der Wellenleiteranordnung 14 erhalten werden. In der Realität wird jedoch eine sehr empfindliche Steuerung der optischen Weglänge benötigt, und daher ist die Herstellung schwierig. Im Gegensatz dazu ist die Bildung des Bereichs mit unterschiedlichem Brechungsindex 40 nicht schwierig.
Um die vorstehenden Vorteile zu bestätigen, wurde eine Simulation des Mehrfach-Demultiplexers 10 durch eine Strahlausbreitungsanalyse mit den folgenden Parametern durchgeführt. Beispiele für die Parameter waren folgende. Die Querschnittsdimension jedes Wellenleiters 14a der Kanalwellenleiteranordung 14 beträgt 6 × 6 μm. Die relative Brechungsindexdifferenz A ist 0,75%. Die Länge jedes Plattenwellenleiters 13 und 15 beträgt 9381 μm. Der Abstand zwischen den Eingangswellenleitern 12 und zwischen den Ausgangswellenleitern 16 beträgt 25 μm. Der Abstand zwischen den Wellenleitern 14a der Kanalwellenleiteranordnung 14 beträgt 25 μm. Die optische Weglängendifferenz zwischen den einzelnen Leitern 14a beträgt 126 μm.
In dieser Ausführungsform sind die Inselregionen 30 auf dem Plattenwellenleiter 13 und dem zweiten Plattenwellenleiter 15 gebildet, um den Verlust in dem Mehrfach-Demultiplexer 10 zu verringern. Die Form jeder Inselregion 30 ist trapezförmig. Die Breite des Trapezes beträgt 12,64 μm, dessen obere Seite beträgt 3,62 μm und die Länge (die Höhe des Trapezes) beträgt 64,57 μm. Der Abstand zwischen den Inselregionen 30 und der Kanalwellenleiteranordnung 14 beträgt 123,43 μm.
8 zeigt das Simulationsergebnis.
Mit der Bereitstellung der Inselregionen 30 wurde der Verlust infolge des Einfügens in den gesamten Mehrfach-Demultiplexer 10 erfolgreich beschränkt auf etwa 1,3 dB. Der Abstand zwischen gedemultiplexten Wellenlängen betrug in Bezug auf die Frequenzen 100 GHz.
Der halblinsenförmige Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex 40 zum Realisieren eines breiteren Bandes kann allein auf dem zweiten Plattenwellenleiter 15 gebildet sein. Eine Oberfläche 40a des Bereichs mit unterschiedlichem Brechungsindex 40, die auf der Außenseite des Ausgangswellenleiters 16 angeordnet ist (d. h. eine Oberfläche 40a gegenüber dem Ausgangswellenleiter 16) ist entlang einer Richtung, in der die Inselregionen 30 angeordnet sind, leicht gekrümmt.
Eine Oberfläche 40b des Bereichs mit unterschiedlichem Brechungsindex 40, die auf der Seite der Kanalwellenleiteranordnung 14 angeordnet ist, d. h. eine Oberfläche 40b gegenüber jedes Wellenleiters 14 der Kanalwellenleiteranordnung 14, ist entlang eines Liniensegmentes R (gezeigt in 5) gebildet. Angenommen, die Längen, entlang derer sich die Lichtkomponenten A1 bis A4 von den Wellenleitern 14a in Richtung des normalen Konvergenzpunktes über den Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex 40 fortpflanzen, sind L1 bis L4. In diesem Fall ist das Liniensegment R eine Linie, die durch Verbinden der Punkte entsteht, bei denen sich die Längen L1 bis L4 von dem Zentrum des Plattenwellenleiters 15 in Richtung zu dem Seitenteilbereich 15a (oder 15b) um 3,3 μm verlängern.
Eine Spitze 40c (gezeigt in 2) jedes Bereichs mit unterschiedlichem Brechungsindex 40 ist in einem Abstand von 115 μm von einem Endteilbereich des zweiten Plattenwellenleiters 15 angeordnet, der auf der Seite der Kanalwellenleiteranordnung 14 angeordnet ist. Aufgrund der Bereiche mit unterschiedlichem Brechungsindex 40 können die Konvergenzpunkte des Lichts in dem Plattenwellenleiter 15, die gleich mäßig in Gruppen zur rechten Hand und zur linken Hand aufgeteilt sind, verschoben werden.
Eine Simulation wurde durch Strahlausbreitungsanalyse durchgeführt. Es wurde herausgefunden, dass der Mehrfach-Demultiplexer 10 dieser Ausführungsform Wellenlangen-Demulitplexcharakteristiken mit dem Wellenlängenabstand von 100 GHz bietet wie die herkömmliche Wellenlängengitteranordnung. Es wurde bestätigt, dass der Mehrfach-Demultiplexer 10 eine große Brandbreite besitzt, wie beispielsweise eine 1 dB Bandbreite von 62,6 GHz oder eine 3 dB Bandbreite von 87,5 GHz bei einem Wellenlängenabstand von 100 GHz.
Im Gegensatz dazu besitzt die herkömmliche Wellenleitergitteranordnung ohne die Bereitstellung des Bereichs mit unterschiedlichem Brechungsindex 40 eine geringe Bandbreite, beispielsweise eine 1 dB Bandbreite von 12,5 GHz oder eine 3 dB Bandbreie von 25 GHz bei einem Wellenlängenabstand von 100 GHz.
Eine Simulation wurde durchgeführt, bei der die Position des Brechungsindexbereichs 40 in die longitudinale Richtung des Plattenwellenleiters 15 verschoben worden ist (dargestellt durch den Pfeil Y in 2). Die Form des Brechungsindexbereichs 40 ist derart bestimmt, dass die Längen, über die sich die Lichtkomponenten von den Wellenleitern 14a der Kanalwellenleiteranordnung 14 über den Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex 40 fortpflanzen, einen gleichen Variationsgrad zwischen benachbarten Wellenleitern 14a haben. Mit dem Brechungsindexbereich 40, der diese Form aufweist, wurde unabhängig von der Position der Brechungsindexregion 40 erfolgreich dieselbe Feldverteilung erhalten.
Zum Beispiel wurde die Simulation für drei Fälle durchgeführt, bei denen die Position der Spitze 40c des Brechungsindexbereichs 40 in Abständen von 110 μm, 115 μm und 120 μm von dem Ende des zweiten Plattenwellenleiters 15 (d. h. die Grenze mit der Kanalwellenleiteranordnung 14) angeordnet worden ist. Es wurde herausgefunden, dass sich die Feldverteilungen in diesen drei Fällen gegenseitig überlappen. Kurz gesagt, unabhängig von der Position des Brechungsindexbereichs 40 wurde dieselbe Feldverteilung erhalten.
In der oben beschriebenen Ausführungsform wurden die Inselregionen 30 gebildet, um Verlustcharakteristiken zu verbessern. Gerade in einer Wellenleitergitteranordnung ohne die Inselregionen 30 kann das Bereitstellen der Brechungsindexbereiche 40 Breitbandcharakteristiken wie die oben beschriebene Ausführungsform realisieren.
9 zeigt einen Mehrfach-Demultiplexer 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Wie bei dieser Ausführungsform können Bereiche mit unterschiedlichem Brechungsindex 40 von beiden Seitenteilbereichen 15a und 15b des zweiten Plattenwellenleiters 15 beabstandet sein. In anderer Hinsicht sind die Struktur und die Vorteile des Mehrfach-Demultiplexers 10 gemäß der zweiten Ausführungsform die gleichen wie diejenigen des Mehrfach-Demultiplexers 10 gemäß der ersten Ausführungsform. Folglich werden die Teile, die denjenigen der ersten Ausführungsform entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen versehen, und auf eine Beschreibung von ihnen wird verzichtet.

Claims

Ein optischer Mehrfach-Demultiplexer (10) mit: – Substrat (11); – Eingangs-Wellenleitern (12) die auf dem Substrat (11) gebildet sind; – einem Kanal-Wellenleiter-Bereich (14) mit einer Mehrzahl von gekrümmten Wellenleitern (14a), die so angeordnet sind, dass optische Fahrtlängen von benachbarten Wellenleitern der gekrümmten Wellenleiter (14a) graduell vom Inneren zum Äußeren einer gekrümmten Konfiguration der gekrümmten Wellenleiter (14a) ansteigen; – Ausgangs-Wellenleiter (16), die auf dem Substrat (11) gebildet sind, – Einen ersten Platten-Wellenleiter (13), der zwischen den Eingangs-Wellenleitern (12) und dem Kanal-Wellenleiterbereich (14) gebildet ist und – einem zweiten Platten-Wellenleiter (14), der zwischen dem Kanal-Wellenleiterbereich (14) und den Ausgangs-Wellenleitern (16) gebildet ist, – dadurch gekennzeichnet, dass der optische Mehrfach-Demultiplexer einen Bereich (14) mit unterschiedlichem Brechungsindex hat, der einen Brechungsindex, der unterschiedlich von dem Brechungsindex des Kerns (20) des zweiten Platte-Wellenleiters (15) ist; – das der zweite Platten-Wellenleiterbereich eine Mittelachse (Y) hat, die im Wesentlichen parallel zu der Richtung, in die das Licht der zentralen Kanal-Wellenleiter (14a) zeigt, ausgerichtet ist; – das die Indexregionen erste und zweite Region (40) mit unterschiedlichem Brechnungsindex mit einer sich verjüngenden oder sich verbreiternden Kontur hat, wobei die ersten und zweiten Regionen mit unterschiedlichem Brechungsindex in entgegengesetzte Richtung zulaufen und sich jeder Bereich (49) mit unterschiedlichem Brechnungsindex in eine Richtung im Wesentlichen senkrecht zu der Mittelachse (Y) des zweiten Platten-Wellenleiters (15) erstreckt; – und die Bereiche (14) mit unterschiedlichem Brechungsindex innerhalb des zweiten Platten-Wellenleiters an einer Position nahe des Kanal-Wellenleiterbereichs relativ zu einer zentralen Position in der Richtung der Mittelachse so angeordnet sind, dass die Feldverteilung an den Ausgangs- Wellenleitern-Wellenleitern (16) sich wie eine Doppelspitzenverteilung verteilt ist.
Optischer Mehrfach-Demultiplexer (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche (40) mit unterschiedlichem Brechungsindex einen geringeren Brechungsindex als ein Kern (20) des zweiten Platten-Wellenleiters (15) hat und der Bereich (49) mit unterschiedlichem Brechungsindex die Zulaufende, in der Breite in Richtung eines zentralen Abschnitts des zweiten Platten-Wellenleiters (15) abnehmende Kontur hat.
Optischer Mehrfach-Demultiplexer (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich (40) mit unterschiedlichem Brechungsindex einen Brechungsindex hat, der einem Brechungsindex einer Deckschicht (21) des zweiten Platten-Wellenleiters (15) entspricht.
Optischer Mehfach-Demultiplexer (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich (40) mit unterschiedlichem Brechungsindex einen höheren Brechungsindex als ein Kern (20) des zweiten Platte-Wellenleiters (15) hat, und der Bereich (40) mit unterschiedlichem Brechungsindex die sich verbreiternde, in der Breite in Richtung eines zentralen Bereichs des zweiten Platten- Wellenleiters (15) zunehmende Kontur hat.
Optischer Mehrfach-Demultiplexer (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich (40) mit unterschiedlichem Brechungsindex ein Paar von halbinselförmigen mit unterschiedlichem Brechungsindex hat, die von beiden Seiten des zweiten Platte-Wellenleiters (15) in Richtung eines zentralen Bereichs des zweiten Platten-Wellenleiters (15) hervorstehen.
Optischer Mehrfach-Demultiplexer (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich (40) mit unterschiedlichem Brechungsindex von jedem der beiden Seiten des zweiten Plattenwellenleiters (15) beabstandet ist.
Optischer Mehrfach-Demultiplexer (10) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich (40) mit unterschiedlichem Brechungsindex in einer Richtung, die die Wellenleiter (14a) des Kanal-Wellenleiters (14) angeordnet sind, variierende Breite hat.
Optischer Mehrfach-Demultiplexer (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gereicht (40) mit unterschiedlichem Brechungsindex einen in eine Richtung, in der die Wellenleiter (14a) des Kanal-Wellenleiterbereichs (14) angeordnet sind variierenden Brechungsindex hat.
Optischer Mehrfach-Demultiplexer (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzliche Inselregionen (30) mit einem von jedem der ersten und zweiten Platten-Wellenleitern (13, 15) unterschiedlichen Brechungsindex zwischen dem Bereich (40) mit unterschiedlichem Brechungsindex und den Ausgangs-Wellenleitern (16) innerhalb des zweiten Platten-Wellenleiters (15) gebildet sind.