DE69609646T2

DE69609646T2 - Integriert optischer Wellenleiter mit seitlichen Lücken zunehmender Tiefe zur Modenanpassung an einer Faser

Info

Publication number: DE69609646T2
Application number: DE69609646T
Authority: DE
Inventors: Charles Howard Henry; Edward John Laskowski; Yuan P. Li; Weyl-Kuo Wang
Original assignee: AT&T Corp
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1995-03-10
Filing date: 1996-03-05
Publication date: 2000-12-28
Anticipated expiration: 2016-03-06
Also published as: EP0731367A3; JPH08262244A; DE69609646D1; EP0731367B1; US5629999A; JP3296711B2; EP0731367A2

Description

Die vorliegende Anmeldung hängt mit einer eigenen, am selben Datum wie die vorliegende Anmeldung registrierten Anmeldung zusammen, auf deren vollständige Lehren hiermit ausführlich Bezug genommen wird, als ob sie nachfolgend reproduziert werden würden. Diese Anmeldung hat den Titel "Two-Dimensional Segmentation Mode Tapering for Integrated Optic Waveguides", (Adar 7-7-2), Laufnummer 08/402,266.

Allgemeiner Stand der Technik

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein integrierte Wellenleiter und insbesondere eine Verjüngung eines Wellenleiters mit Seitenlücken.

Stand der Technik

Während der letzten Jahrzehnte hat in der Elektronikindustrie eine massive Expansion der Anwendung der Technologie der integrierten Schaltungen stattgefunden. Systementwickler standen strengeren Platz-, Stromaufnahme- und Leistungsanforderungen gegenüber und verwendeten zunehmend Lösungen, die die Technologie der integrierten Schaltungen implementieren. Entwickler von Kommunikationssystemen waren dabei keine Ausnahme. Sie entwickelten ebenfalls fortwährend eine zunehmende Anzahl von Komponenten in ihren Systemen, die integrierte Schaltungen verwenden.
Gleichzeitig mit dem Wachstum integrierter Schaltungen fand die Ausreifung der Technologie der faseroptischen Kommunikation und der Technologie der Halbleiterlaserdioden statt. Als ein fast schon direktes und natürliches Ergebnis der natürlichen Kompatibilität zwischen diesen Technologien wurde die Technologie der integrierten Optik hervorgebracht. Die integrierte Optik, die als die Integration einer oder mehrerer optischer Leiter-Wellen-Strukturen auf einem gemeinsamen Substrat definiert werden kann, wird nunmehr zur Implementierung zahlreicher nützlicher Bauelemente, wie zum Beispiel Leistungsverzweiger, optischer Schalter, faseroptischer Sender und faseroptischer Empfänger, verwendet. Integrierte optische Bauelemente eignen sich gut für Anwendungen in Technologien wie zum Beispiel Telekommunikation, Instrumentation, Signalverarbeitung und Sensoren.
Bei derzeitigen integrierten optischen Bauelementen werden optische Kanal-Wellenleiter auf einem dünnen, planaren, optisch polierten Substrat ausgebildet. Um Licht in das integrierte optische Bauelement einzukoppeln und aus diesem herauszukoppeln, wird eine Lichtleitfaser anstoßend an das Bauelement angekoppelt. Es bestehen jedoch Unterschiede zwischen Lichtleitfasern und auf dem Chip angeordneten Wellenleitern, nämlich die Struktur und die Materialzusammensetzung (d. h. Unterschiede der Kerngröße und des Brechungsindexprofils). Da die Differenz des Brechungsindex zwischen dem Kern und dem Mantel eines typischen Wellenleiters größer als die einer typischen Faser ist, ist das Lichtfeld insbesondere in dem Wellenleiter mehr eingeschränkt als in der Faser. Außerdem ist die Kernabmessung des Wellenleiters kleiner als die Kernabmessung der Faser. Beim Koppeln des Wellenleiters mit der Faser bestehen deshalb Koppelverluste. Es wird ein Bauelement benötigt, um die Schwingungsart des Wellenleiters an die Schwingungsart der Faser anzupassen. Als Ergebnis wird eine Modenverjüngung zur verlustarmen Einkopplung von Licht in Wellenleiter verwendet.
Ein Verfahren zur Implementierung der Modenverjüngung bestand darin, die Abmessungen des Wellenleiters zu ändern. Siehe zum Beispiel Koch et al., IEEE Photonics Technol. Lett. 2: 88-90 (1990); Mahapatra und Connors, Opt. Lett. 13: 169-171 (1988); und Shani et al., Appl. Phys. Lett. 55: 2389-2391 (1989). Da die integrierten optischen Bauelemente jedoch unter Verwendung fotolithografischer Verfahren hergestellt werden, führt die Verjüngung durch gleichzeitige Änderung sowohl der Höhen- wie auch seitlichen Abmessung des Wellenleiters zu einem komplizierten Herstellungsprozess.
Ein zweites Verfahren, das in Z. Weissman und A. Hardy, "2-D Mode Tapering Via Tapered Channel Waveguide Segmentation", Electronics Letters 28: 1514- 1516, (1992), vorgeschlagen wird, führt segmentierte Wellenleiter zur Implementierung der zweidimensionalen Modenverjüngung ein. Die Modeneigenschaften periodisch segmentierter Wellenleiter werden in Z. Weissmann und A. Hardy, "Modes of Periodically Segmented Waveguides", IEEE Journal of Lightwave Technology 11: 1831-1838 (1993), analysiert.
Gemäß Weissman und Hardy werden segmentierte Wellenleiter implementiert, indem eine Reihe von Lücken so in den Wellenleiter eingeführt werden, dass der Wellenleiter in eine Reihe von Segmenten segmentiert wird. Jedes Segment besitzt einen Lückenabschnitt der Länge s und einen Kernabschnitt der Länge t. Eine Periode Λ des Segments ist die Summe des Lückenabschnitts s und der Kernabschnittslänge t.
Weissman und Hardy haben einen Ansatz zur Implementierung des segmentierten Wellenleiters vorgeschlagen. Dieser Ansatz verwendet eine segmentierte Wellenleiterverjüngung mit fester Periode. Bei diesem Ansatz liegt die Periode Λ jedes Segments fest und eine Lückenlänge s wird entlang einer Länge der Verjüngung nach und nach vergrößert.
Die Wellenleitersegmentierung hat auch bei der Erzeugung zweiter Oberschwingungen in KTP-Bauelementen (Bierlein et al., Appl. Phys. Lett. 56: 1725-1727 (1990); Li und Burke, Opt. Lett. 17: 1195-1197 (1992)), Interesse gefunden. Es wurde experimentell bestimmt (Bierlein et al., Appl. Phys. Lett. 56: 1725-1727 (1990)), dass ein segmentierter Wellenleiterabschnitt überraschend gute Leitereigenschaften und geringe Strahlungsverluste aufweist. Diese überraschenden verlustarmen Ergebnisse wurden später theoretisch auf der Grundlage des planaren Wellenmodells von Li et al. (Li und Burke, Opt. Lett. 17: 1195-1197 (1992)) verstanden. Die Schlussfolgerung ihrer Studie bestand darin, dass das elektromagnetische Feld beschrieben werden kann, indem die Leitereigenschaften über die Segmentierungsperiode gemittelt werden.

Kurze Darstellung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung wendet sich an einen verjüngten Wellenleiter für Anwendungen in der integrierten Optik. Eine Aufgabe des verjüngten Wellenleiters (der Verjüngung) besteht darin, eine Schwingungsart der Faser für eine effiziente, verlustarme Kopplung an eine Schwingungsart des Wellenleiters anzupassen. Ein erfindungsgemäßer Wellenleiter wird in Anspruch 1 definiert.
Erfindungsgemäß werden Kerben-Seitenlücken, die Lückenmaterial enthalten, implementiert, um die Modengröße in der Verjüngung zu vergrößern. Diese Art von Verjüngung wird als Seitenlückenverjüngung bezeichnet. Im Gegensatz zu der Verjüngung mit festen Lücken überspannen die Kerben-Seitenlücken nicht die gesamte Distanz von einer Seite des Verjüngungskerns zu der anderen Seite des Verjüngungskerns. Stattdessen erstrecken sich die Kerben-Seitenlücken nur teilweise in den Kern und definieren dazwischen einen Abschnitt von Kernmaterial. Zur Erweiterung der Schwingungsart nimmt die Tiefe der Seitenlücken nach und nach von einem Wellenleiterende zu einem Faserende der Verjüngung zu. Die Gesamtbreite der Verjüngung kann ebenfalls nach und nach von dem Wellenleiterende zu dem Faserende zunehmen.
Ein Vorteil bei den Ausführungsformen der Erfindung besteht darin, dass die Leckverluste im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen möglichst gering gehalten werden. Zusätzlich können die Leckverluste verringert werden, weil die Menge von Lückenmaterial auf einem Minimum gehalten wird, und weil die Gesamtverjüngungslänge möglichst gering gehalten wird.
Ein zusätzlicher Vorteil der Seitenlückenverjüngung besteht darin, dass eine besser gesteuerte und glattere Modenerweiterung erhalten werden kann. Aufgrund derzeitiger Herstellungsbeschränkungen beträgt die minimale technisch erzielbare Lückenlänge ungefähr 1,0-2,0 Mikrometer (um), abhängig vom Herstellungsverfahren. Bei segmentierten Wellenleitern mit fester Periode führt dies zum Beispiel zu einer unglatten oder stufigen Zunahme der Modengröße in den Segmenten des Wellenleiters, was zu einem nichtadiabatischen Übergang führt, der einen Verlust von Lichtenergie verursacht. Unter Verwendung von Seitenlücken, die den Kern nur teilweise überspannen, wird dieser Nachteil jedoch beseitigt, weil die Zunahme der Modengröße eine Funktion des Lückenmaterials ist. Da sich die Seitenlücken nur teilweise in den Kern erstrecken, kann die Menge von Lückenmaterial in dieser zusätzlichen Abmessung, nämlich der Tiefe zusätzlich zu der Länge, gesteuert werden. Somit kann die unglatte oder stufige Zunahme der Modengröße beseitigt werden, indem die Tiefe der Lücke gesteuert wird (d. h. indem der Grad der Eindringung der Lücke in den Kern gesteuert wird).
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung, sowie die Struktur und der Betrieb der verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden ausführlich nachfolgend mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

In den Zeichnungen bedeuten gleiche Bezugszahlen identische oder funktional ähnliche Elemente. Zusätzlich identifiziert bzw. identifizieren die erste bzw. ersten Stelle(n) einer Bezugszahl die Zeichnung, in der die Bezugszahl zuerst erscheint. Es sollte beachtet werden, dass in Zeichnungen, in denen Abmessungen oder abmessungsbezogene Kenngrößen dargestellt sind, die Darstellungen nicht unbedingt maßstabsgetreu sind.
Fig. 1 ist ein Diagramm der segmentierten Wellenleiterverjüngung mit fester Periode.
Fig. 2 ist ein Diagramm der Einfügungsverluste als Funktion des End-Lücken/Periodenverhältnisses für eine Verjüngung mit fester Periode.
Fig. 3 ist ein Diagramm der Einfügungsverluste als Funktion des Verdünnungsfaktors für eine Verjüngung mit festen Lücken.
Fig. 4A und 4B sind Diagramme der Verjüngungslänge für eine Verjüngung mit fester Periode bzw. eine Verjüngung mit festen Lücken.
Fig. 5 ist ein Diagramm der Einfügungsverluste als Funktion der Verjüngungslänge für eine Verjüngung mit fester Periode und eine Verjüngung mit festen Lücken.
Fig. 6 ist ein Diagramm einer beispielhaften Implementierung einer Seitenlückenverjüngung.
Fig. 7 ist eine vergrößerte Ansicht eines Diagramms einer alternativen Ausführungsform der in Fig. 6 gezeigten Seitenlückenverjüngung.
Fig. 8 ist ein Diagramm einer weiteren Ausführungsform der Seitenlückenverjüngung der vorliegenden Erfindung.
Fig. 9 ist ein Diagramm einer weiteren Ausführungsform der Seitenlückenverjüngung der vorliegenden Erfindung.
Fig. 10 ist ein Diagramm noch einer weiteren Ausführungsform der Seitenlückenverjüngung der vorliegenden Erfindung.
Fig. 11 ist ein Diagramm noch einer weiteren Ausführungsform der Seitenlückenverjüngung der vorliegenden Erfindung.

Ausführliche Beschreibung der Ausführungsformen

Einführung und Übersicht über die Erfindung

Die vorliegende Erfindung wendet sich an einen neuen Ansatz zur Implementierung eines zweidimensionalverjüngten Wellenleiters in Bauelementen der integrierten Optik. Gemäß der Erfindung werden Lücken eingeführt, die Lücken überspannen jedoch nicht die gesamte Breite des Wellenleiters. Stattdessen werden die Lücken, die als Seitenlücken bezeichnet werden, in die Seiten des Kerns des Wellenleiters eingeschnitten und definieren Kernabschnitte dazwischen. Die Seitenlücken werden mit Mantelmaterial gefüllt. Eine Tiefe jeder Seitenlücke nimmt entlang der Länge der Verjüngung zu. An einem ersten Ende der Verjüngung, das neben dem Wellenleiter liegt, sind die Tiefe der Kerben relativ klein. Wohingegen die Tiefe der Seitenlücken am Faserende des Kerns größer sind. Die Tiefe der Seitenlücken nehmen entlang der Verjüngung von dem Wellenleiterende zu dem Faserende als eine Funktion ihrer Position entlang der Verjüngung zu (d. h. allmählich oder schrittweise).
Jeder dieser beiden Ansätze wird nachfolgend ausführlich besprochen. Abschnitt 2 der vorliegenden Schrift bespricht den Segmentierungsansatz mit festen Lücken und vergleicht dessen Ergebnisse mit anderen Segmentierungsansätzen. Abschnitt 3 bespricht den Seitenlückenverjüngungsansatz.
In der vorliegenden Schrift bedeutet der Ausdruck "Länge" eine Abmessung in der Ausbreitungsrichtung und entlang einer Längsachse des Wellenleiters 104; und "Breite" bedeutet eine zu der Ausbreitungsrichtung orthogonale und zu den Halbleiter- und Glasschichten parallele Abmessung.
Außerdem erwähnt die vorliegende Schrift einen verjüngten Wellenleiter. Es liegt im Schutzumfang der Erfindung, die Verjüngung mit dem Wellenleiter zu integrieren oder zu koppeln.

Verjüngung durch Segmentierung mit festen Lücken

Fig. 1 ist ein Diagramm einer mit fester Periode segmentierten Verjüngung 100. Die segmentierte Verjüngung mit fester Periode umfasst einen Wellenleiter 104 und eine Vielzahl von Segmenten 108. Eine (nicht gezeigte) Lichtleitfaser ist an einer Faserverbindungsstelle 114 an den Wellenleiter 104 angekoppelt. Jedes Segment 108 umfasst einen Lückenteil und einen Kernteil aus Wellenleitermaterial. Eine Periode Λ jedes Segments 108 ist die Lückenlänge s plus eine Länge des Kernteils t für dieses Segment 108 (Λ = s + t).
Bei der mit fester Periode segmentierten Verjüngung 100 bleibt die Periode Λ entlang der Ausbreitungsrichtung für die gesamte Länge der Verjüngung 100 konstant oder fest. Um die effektive oder mittlere Brechungsindexdifferenz zwischen dem Kern und dem Mantel entlang der Ausbreitungsrichtung einzustellen, wird jedoch die Lückenlänge s jedes Segments 108 verändert. Das heißt, wenn sich Licht entlang des Wellenleiters in Richtung der Faser ausbreitet, trifft es zunehmende Längen von Lückenmaterial an. Als Folge nimmt die effektive Indexdifferenz zwischen dem Kern und dem Mantel ab, wodurch sich die Schwingungsart erweitert. Wenn sich Licht umgekehrt von der Faser zu dem Wellenleiter ausbreitet, trifft es abnehmende Längen von Lückenmaterial (s) an. Als Folge wird die effektive Indexdifferenz vergrößert, wodurch die Schwingungsart stärker eingegrenzt wird.
Die Erfinder haben segmentierte Verjüngungen gemäß der Besprechung von Weissman und Hardy implementiert. Weissman und Hardy besprechen jedoch Anwendungen solcher Verjüngungen in Rb : KTiOPO&sub4;- Wellenleitern. Bei der Implementierung von segmentierten Verjüngungen zum Beispiel unter Verwendung von Silica-auf-Silicium-Technologie haben die Erfinder festgestellt, dass mit fester Periode (festem Λ) segmentierte Verjüngungen (d. h. Verjüngungen, bei denen die Lückenlänge s mit jeder nachfolgenden Lücke entlang der Ausbreitungsrichtung zunimmt) gemäß Weissman und Hardy zu Leckverlusten in das Substrat führen. Dies ist hauptsächlich auf die Eigenschaften der verwendeten Materialien bei der Implementierung von Wiellenleitern unter Verwendung bestimmter Materialien, wie zum Beispiel Silica-auf- Silicium-Technologie, zurückzuführen.
Wellenleiter in Silica-auf-Silicium-Technologie verwenden häufig SiO&sub2; als Mantelmaterial und dotiertes SiO&sub2; als Kernmaterial. Wie der Name impliziert, wird der Wellenleiter auf einem Siliciumsubstrat hergestellt. Das verwendete Lückenmaterial ist ebenfalls SiO&sub2;. SiO&sub2; hat jedoch einen Brechungsindex von ungefähr 1,45, und das Siliciumsubstrat besitzt einen Brechungsindex von 3,5. Aufgrund der relativen Indizes dieser Materialien wird keine interne Totalreflexion erzielt. Mit zunehmender Lückenlänge s, was eine erweiterte Modengröße ergibt, geht ein Teil des Modenfeldendbereichs in das Substrat verloren. Dies führt zu vergrößerten Verlusten.
Zur Überwindung des Problems des Substratleckens bei der Implementierung von Wellenleiterverjüngungen unter Verwendung von Materialien, die leicht lecken, haben die Erfinder eine verbesserte segmentierte Verjüngung entwickelt. Diese verbesserte Verjüngung ist ein mit fester Lückenlänge verjüngter Wellenleiter. Die Verwendung einer festen Lückenlänge ermöglicht eine Verkleinerung der in das Substrat verlorenen Lichtmenge.

Einfügungs- und Leckverluste segmentierter Verjüngungen

Dieser Abschnitt beschreibt und vergleicht die Leckverluste und Einfügungsverluste von Verjüngungen 200 mit festen Lücken und Verjüngungen 100 mit fester Periode. Die Einfügungsverluste sind als die gesamten Signalverluste definiert, wenn sich das Licht von einer Eingangsfaser zu einer Ausgangsfaser ausbreitet und umfasst Leckverluste. Die Einfügungsverluste werden außerdem aufgrund der Modenfehlanpassung an den Faser/Wellenleiter-Übergangsstellen 114 eingeführt. Die oben beschriebenen Leckverluste sind der Lichtverlust, hauptsächlich aufgrund von Streuung, aus dem Wellenleiter in das Substrat.

Vergleich von Kenngrößen der Einfügungsverluste und Leckverluste

Für die folgende Besprechung ist zu beachten, dass die in Fig. 2 und 3 dargestellten Ergebnisse keine Leckverluste annehmen. Man beachte weiterhin, dass angenommen wird, dass Wellenleitermaterialverluste vernachlässigbar sind.
Fig. 2 ist ein Diagramm der Einfügungsverlustkenngrößen (Ordinate) einer Verjüngung 100 mit fester Periode als Funktion des Endverhältnisses der Lücke zu der Periode s/(s + t) (Abszisse). Die in Fig. 2 dargestellten Ergebnisse sind theoretisch und stammen aus einer Studie, die von den Erfindern unter Verwendung von Licht mit einer Wellenlänge λ von 1,32 um (Mikrometer) und standardmäßiger 5-D-Faser (d-8 um, Δn = 0,39%) durchgeführt wurde. Der Kern ist ein 5 · 5-um-Kern mit einem Indexverhältnis Δn von 0,62%. Eine verwendete anfängliche Lücke beträgt 0,5 um. Die anfängliche Lücke ist die erste Lücke am Wellenleiterende der Verjüngung. Der Lückenzuwachs, d. h. die Länge, um die jede aufeinanderfolgende Lücke entlang der Länge der Verjüngung (vom Wellenleiterende zum Faserende) vergrößert wird, beträgt 0,25 um.
Für eine Verjüngung 100 mit fester Periode von 20 um, die die geringsten Einfügungsverluste bei dem optimalen Verhältnis s/(s + t) liefert, betragen die minimalen Einfügungsverluste ungefähr 0,2 dB. Dieses Minimum tritt dort auf, wo das letzte s/(s + t) ungefähr 0,4 beträgt. Für die Verjüngung 100 mit fester Periode von 20 um bedeutet dies eine optimale letzte Lückenlänge s = 8 um.
Fig. 3 ist ein Graph der Einfügungsverluste einer Verjüngung 200 mit festen Lücken gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, nämlich der Verjüngung mit festen Lücken. Wie oben erwähnt, wird die Lückenlänge s in einer Verjüngung 200 mit festen Lücken unter den aufeinanderfolgenden Lücken in der Verjüngung 200 mit festen Lücken konstant gehalten. Fig. 3 zeigt die Einfügungsverluste (Ordinate) als Funktion einer als Verdünnungsfaktor (Abszisse) bezeichneten Kenngröße. Der Verdünnungsfaktor ist ein Maß des Verhältnisses der Lückenlänge (s) über die Periode (s + t) für jedes Segment. Da die Lückenlänge s konstant bleibt und die Periode (s + t) entlang der Länge der Verjüngung in der Richtung der Faser 308 abnimmt, nimmt der Verdünnungsfaktor mit der Länge der Verjüngung zu.
Die theoretischen Ergebnisse in Fig. 3 wurden unter der Voraussetzung von Licht mit einer Wellenlänge λ von 1,32 um und einer standardmäßigen 5-D-Faser gewonnen. Der Kern ist ein 5 · 5-um-Kern mit einem Indexverhältnis An von 0,62%. Die Lücke ist jedoch eine feste Lückenlänge s = 2 um, und die Länge des anfänglichen Kernteils (der erste Kernteil am Wellenleiterende der Verjüngung) beträgt t&sub0; = 10 um. Die Lückenlänge von 2 um wird gewählt, weil sie ohne weiteres unter Verwendung derzeitiger Herstellungsprozesse erzielbar ist, obwohl auch alternative Lückenlängen gewählt werden können. Jede Kurve in Fig. 3 zeigt eine unterschiedliche Variation der Kernteillänge t von einem Segment zum nächsten. Zum Beispiel bedeutet Δt = 2 um, dass jeder aufeinanderfolgende Kernteil längenmäßig um 2 um verringert wird. Für eine Ausführungsform der Verjüngung 200 mit festen Lücken, bei der Δt = 0,25 um beträgt, wird jeder aufeinanderfolgende Kernteil ähnlich längenmäßig um 0,25 um verringert. Die Kurve, bei der Δt = 0,25 um ist, ist die optimale Kurve.
Wie in Fig. 3 dargestellt treten bei der Ausführungsform, bei der Δt = 0,25 um ist, die minimalen Einfügungsverluste dort auf, wo der Verdünnungsfaktor ungefähr 0,5 beträgt. Bei dieser Ausführungsform mit einem Verdünnungsfaktor von 0,5 und einer festen Lückenlänge s = 2 um ist der Kernteil gleich 2 um. Man beachte, dass die minimalen Einfügungsverluste bei der Ausführungsform, bei der Δt = 0,25 um ist, ungefähr 0,2 dB betragen. Dies sind dieselben minimalen Einfügungsverluste, die erzielbar sind, wenn eine Verjüngung 100 mit fester Periode (20 um) wie in Fig. 2 dargestellt verwendet wird.
Wie bereits erwähnt sind die Leckverlustkenngrößen für eine Verjüngung 100 mit fester Periode im allgemeinen unerwünscht aufgrund der zunehmenden Lückenlänge, die in der Richtung von dem Wellenleiter 104 zu der Faser 308 eingeführt wird. Ein weiterer Faktor, der sich auf die Leckverluste auswirkt, ist Länge der Verjüngung. Dieser Faktor kann ein Problempunkt sowohl für die Verjüngung 100 mit fester Periode als auch die Verjüngung 200 mit festen Lücken sein. Der Grund dafür, dass die Verjüngungslänge ein Faktor bei den Leckverlusten ist, ist einfach: Aufgrund der vergrößerten Modengröße erstreckt sich der erweiterte Modenfeld-Endteil in das Substrat, und Energie geht verloren. Als Folge können Leckverluste in der Verjüngung 100 mit fester Periode ein stärkeres Problem sein, wenn die Gesamtlänge der Verjüngung vergrößert wird. Die Leckverlustkenngrößen von Verjüngungen 100 mit fester Periode und Verjüngungen 200 mit festen Lücken werden nun beschrieben und verglichen.
Fig. 4A und 4B zeigen das Konzept der Modengrößenerweiterung für eine Verjüngung 100 mit fester Periode (Fig. 4A) und die Verjüngung 200 mit festen Lücken (Fig. 4B). Die gesamte Verjüngungslänge für die Verjüngung mit fester Periode beträgt 1FP und für die Verjüngung mit festen Lücken 1FG. Die optimale Gesamtverjüngungslänge jeder Verjüngung tritt dort auf, wo die minimalen Einfügungsverluste auftreten, insbesondere bei dem letzten Lücken/Perioden- Verhältnis, das durch den mit "optimales G/P" in Fig. 5 gekennzeichneten Pfeil gezeigt wird; und dem mit dem durch "optimaler DF" in Fig. 5 gekennzeichneten Pfeil gezeigten Verdünnungsfaktor. Die zusätzliche Länge 640 der Verjüngung über die optimale Gesamtverjüngungslänge hinaus ist auf einen Herstellungsfehler zurückzuführen. Wie in Fig. 2 dargestellt, liegt bei der Ausführungsform der Verjüngung 100 mit fester Periode, bei der die Periode 20 um beträgt, die optimale Gesamtverjüngungslänge somit dort, wo s/(s + t) = ungefähr 0,4 ist. Wie in Fig. 3 dargestellt, wird bei der Ausführungsform der Verjüngung 200 mit festen Lücken, bei der Δt = 0,25 beträgt, ähnlich die optimale Gesamtverjüngungslänge dort gewonnen, wo der Verdünnungsfaktor ungefähr 0,5 beträgt. Die optimale Gesamtverjüngungslänge, die den minimalen Einfügungsverlusten zugeordnet ist, kann aus Fig. 5 bestimmt werden und wird nachfolgend besprochen.
Ein Vergleich der optimalen Gesamtverjüngungslängen (lFP und lFG) für die Verjüngung 100 mit fester Periode und die Verjüngung 200 mit festen Lücken erfolgt bei vergleichbaren Einfügungsverlustpunkten. Bei der Ausführungsform der Verjüngung 100 mit fester Periode, bei der die Periode 20 um beträgt, liegt die optimale Gesamtverjüngungslänge dort, wo das s/(s + t) = ungefähr 0,4 ist, und dort, wo die Einfügungsverluste bei einem Minimum von ungefähr 0,2 dB liegen. Wie in Fig. 5 dargestellt, in der die Verjüngungslänge als Funktion der Einfügungsverluste für eine Verjüngung mit fester Periode gezeigt ist, entspricht dies einer Verjüngungslänge 1FP von ungefähr 575 um.
Für die Verjüngung 200 mit festen Lücken in der Ausführungsform, bei der die Startsegmentlänge 10 um beträgt, bei der Δt = 0,25 um und die feste Lückenlänge s = 2 um beträgt, werden die minimalen Einfügungsverluste von 0,2 dB dagegen mit einer Verjüngungslänge lFG von ungefähr 260 um erzielt. Dies ist ebenfalls in Fig. 5 dargestellt.
Für ähnliche Einfügungsverlustkenngrößen ist somit die optimale Gesamtverjüngungslänge 1 für die Verjüngung 200 mit festen Lücken wesentlich kürzer, als für die Verjüngung 100 mit fester Periode (z. B. lsc < ¹/&sub2;lFP, wie in Fig. 5 dargestellt) erreicht werden kann. Als Folge sind die Leckverluste für ähnliche Einfügungsverlustkenngrößen (wie in Fig. 2 und 3 dargestellt) für die Verjüngung 200 mit festen Lücken der vorliegenden Erfindung geringer.

Seitenlückenverjüngungen

Wie oben erwähnt, besitzt eine Ausführungsform der Wellenleiterverjüngung ein erstes Ende (in Fig. 6 allgemein bei 890 gezeigt), das mit einem Wellenleiter integriert oder gekoppelt wird, und ein zweites Ende (in Fig. 6 allgemein bei 892 gezeigt), das an eine Faser angekoppelt wird. Bei dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die in Fig. 6 gezeigt ist, überqueren die Lücken jedoch nicht eine vollständige Breite w eines Kerns 808. Anders ausgedrückt, erstrecken sich die Lücken nicht von einer äußersten Seite 810 des Kerns 808 zu einer anderen äußersten Seite 812 des Kerns 808. Stattdessen werden bei dieser Ausführungsform der Erfindung Seitenlücken 804 in die äußersten Seiten (810 und 812) des Kerns 808 geschnitten und werden mit Mantelmaterial gefüllt. Bei dieser Ausführungsform kann eine Tiefe d der Seitenlücken 804 von dem ersten Ende 890 zu dem zweiten Ende 892 schwanken.
Spezifisch werden in den äußersten Seiten 810 und 812 Seitenlücken 804 im wesentlichen über die gesamte Länge der Verjüngung 802 von dem ersten Ende 890 zu dem zweiten Ende 892 hin ausgebildet und erstrecken sich in einer zu der Lichtausbreitungsrichtung senkrechten Richtung in den Kern 808. Die Seitenlücken 804 definieren Kernsegmente 805 dazwischen. Am zweiten Ende 892 der Seitenlückenverjüngung 802 erstrecken sich die Seitenlücken 804 tiefer in den Kern 808 als am ersten Ende 890. Insbesondere nimmt die Tiefe d der Seitenlücken 804 allmählich von dem ersten Ende 890 der Seitenlückenverjüngung 802 zu dem zweiten Ende 892 zu. Zusätzlich sind die äußersten Seiten 810 und 812 des Kerns 808 so geneigt, dass die gesamte Breite des Kerns 808 zu dem zweiten Ende 892 hin zunimmt.
Dieser Ansatz bietet eine adiabatische Erweiterung der geführten Lichtschwingungsart mit geringen Verlusten. Zusätzlich kann sich eine Gesamtbreite (zwischen den äußersten Seiten 810 und 812) des Kerns 808 der Verjüngung 802 von dem ersten Ende 890 (an dem die Modeneinschränkung maximal ist) zu dem zweiten Ende 892 der Verjüngung 802 hin ändern, um eine Anpassung der Lichtschwingungsart des Wellenleiters an die Lichtschwingungsart der Faser weiter zu erleichtern. Indem außerdem die Gesamtbreite verändert wird, kann die Breite des zweiten Endes 892 der Verjüngung 802 so zurechtgeschnitten werden, dass sie dem Durchmesser der konkreten Faser entspricht, an die sie angekoppelt wird (zumindest in einer Abmessung). Insbesondere wird bei dieser Ausführungsform nicht nur das Delta (Δ) zwischen dem Wellenleiter und der Faser angepasst, sondern es wird auch die Geometrie des Wellenleiters und der Faser angepasst. (Das Delta eines Wellenleiters oder einer Faser ist definiert als das Differenzenverhältnis des Brechungsindex zwischen dem Kern und dem Mantel.) Als Folge verbessert sich die dazwischenliegende Verbindung, und die Verluste werden verringert. Außerdem können bei dieser Ausführungsform die Seitenlücken 804 abgewinkelt oder geneigt werden, um die Rückreflexion zu reduzieren, was nachfolgend mit Bezug auf Fig. 7 besprochen wird.
Mit der Seitenlückenverjüngung 802 beträgt der Verdünnungsfaktor deshalb nun:
wobei w die Breite der Verjüngung 802, d die Tiefe der Seitenlücken, s die Länge (in der Lichtausbreitungsrichtung) der Seitenlücken 804, t die Länge des Kernabschnitts und f ein Gewichtungsfaktor, der durch den Betrag des Lichtfelds in der Seitenlücke 804 relativ zu dem in der Mitte der Verjüngung 802 bestimmt wird, ist. Die Tiefe d der Seitenlücken 804 wird somit zu einem zusätzlichen Freiheitsgrad bei der Steuerung des Verdünnungsfaktors DF. Durch allmähliches Vergrößern der Tiefe d entlang der Verjüngung 802 in der Lichtausbreitungsrichtung (oder von dem ersten Ende 890 zu dem zweiten Ende 892) wird eine allmähliche Änderung des Verdünnungsfaktors DF erzielt, ohne dass eine kleine Seitenlückenlänge s notwendig ist. Wiederum bietet dieser Ansatz eine adiabatische Erweiterung der geführten Lichtschwingungsart mit geringen Verlusten.
Eine genaue Anpassung zwischen der Lichtschwingungsart des Wellenleiters und der der Faser tritt jedoch nur dann auf, wenn sowohl das Delta als auch die Kerngröße (genauer gesagt das Brechungsindexprofil) des Wellenleiters und der Faser übereinstimmen. Deshalb wird bei der Verjüngung 802 in einer Ausführungsform die Gesamtbreite der Seitenlückenverjüngung 802 ebenfalls allmählich auf eine Größe an dem zweiten Ende 892 erweitert, die mit dem Kerndurchmesser der Faser vergleichbar ist oder größer als dieser ist. Durch allmähliches Erweitern der Größe des Kerns 808 der Verjüngung 802 werden die Koppelverluste aufgrund der verbesserten Anpassung der Lichtschwingungsart zwischen der Verjüngung 802 und der Faser weiter verringert. Durch Erweitern der Kerngröße der Verjüngung 802 entlang ihrer Länge besitzt das Lichtfeld einen kleineren, sich in das Substrat hineinerstreckenden Endteil und die Substratleckverluste werden ebenfalls verringert. Als letztes ist die Koppeleffizienz der Verjüngung 802 außerdem toleranter gegenüber Herstellungsfehlern der Größe der Seitenlücke, da sie mit der erweiterten Breite des Kerns 808 der Verjüngung 802 weniger von dem Verdünnungsverhältnis abhängt.
Lediglich im Simme einer Erläuterung wird das folgende Abmessungsbeispiel gegeben. Zum Beispiel kann eine Ausführungsform der Verjüngung 802 eine Breite an dem ersten Ende 890 von 5 um aufweisen und wird allmählich bis auf 8 um am zweiten Ende 892 erweitert.
Die Länge der Verjüngung 802 beträgt ungefähr 800 um. Die Seitenlückenlänge s beträgt ungefähr 4 um. Die Seitenlückentiefe d beginnt bei 0 um am ersten Ende 890 und nimmt allmählich bis auf 3 um am zweiten Ende 892 zu. Die Periode der Segmentierung beträgt ungefähr 12 um.
Die Grenzfläche zwischen den Kernteilen 805 und den Seitenlücken 804 in der Verjüngung 802 bewirkt eine Reflexion der geführten Lichtwelle. Der Betrag der Reflexion an jeder Grenzfläche ist ungefähr gleich (Δ/n)²~10&supmin;&sup5;, was für Silica (n = 1,45) zu klein ist, um einen beträchtlichen Beitrag zu den Einfügungsverlusten der Verjüngung zu bilden. Sogar diese vernachlässigbare Menge von Reflexion kann jedoch stark genug sein, um bei Anwendungen, die geringe Rückkehrverluste (d. h. Rückreflexion) erfordern, untolerierbar zu sein. Dementsprechend wird die in Fig. 7 gezeigte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet.
Insbesondere ist, wie in Fig. 7 gezeigt, eine Verjüngung 902 mit Seitenlücken 904 und einem Kern 908 mit Kernteilen 905 gezeigt. Genauer gesagt ist eine Grenzfläche zwischen den Seitenlücken 904 und den Kernteilen 905 geneigt (hier zufällig) und weist eine aperiodische Position auf, ist die Rückreflexion zu verringern. Die Seitenlücken 904 sind so konfiguriert, dass die Grenzfläche zwischen den Seitenlücken 904 und den Kernteilen 905 in Bezug auf die Lichtausbreitungsrichtung in einem Winkel von in der Regel 75º (anstelle von 90º, wie in Fig. 6 gezeigt) liegen. Die Grenzfläche zwischen den Seitenlücken 904 und den Kernteilen 905 wird an nichtperiodischen Positionen entlang der Seitenlückenverjüngung 902 platziert, um kohärente Reflexionen zu vermeiden. Im Gegensatz zu Fig. 6 beträgt das Seitenverhältnis in Fig. 7 1 : 1. Obwohl dies in dem Teil der Verjüngung 902 nicht gezeigt ist, ist die Tiefe d der Seitenlücken 904 gemäß der Erfindung veränderlich.
Fig. 8, 9, 10 und 11 zeigen Beispiele alternativer Ausführungsformen der Verjüngungen 802 und 902 der vorliegenden Erfindung. Insbesondere zeigt Fig. 8 eine schrittartige Zunahme der Breite w des Kerns 1008 der Verjüngung 1002 mit Seitenlücken 1004 und Kernteilen 1005. Fig. 9 zeigt eine alternative Ausführungsform von Seitenlücken 1104 in einem Teil der Verjüngung 1102 mit dreieckiger Konfiguration. Fig. 10 zeigt eine alternative Ausführungsform der Seitenlücken 1204 in einem Teil der Verjüngung 1202. Fig. 11 zeigt eine Ausführungsform von Seitenlücken 1304 in einem Teil der Verjüngung 1302. Diese Ausführungsformen werden jedoch lediglich als Beispiel angeführt, und es liegt in dem Schutzumfang der Erfindung, die Platzierung, den Winkel, die Größe und die Ausrichtung der Seitenlücken sowohl systematisch als auch zufällig für die Verjüngung zu verändern.
Fachleuten in der relevanten Technik wird klar sein, dass andere Ausführungsformen gleichermaßen realisierbar sind. Zum Beispiel könnte eine Ausführungsform ohne Einschränkung so erweitert werden, dass sie eine Version enthält, bei der sich jede nachfolgende Lücke etwas weiter in das Substrat sowie etwas weiter in den Kern hineinerstreckt.
Die bevorzugte Ausführungsform wurde gewählt und beschrieben, um die Prinzipien der vorliegenden Erfindung und ihre praktischen Anwendungen am besten zu erläutern, damit andere Fachleute die Erfindung am besten in verschiedenen Ausführungsformen und mit verschiedenen Modifikationen verwenden können, die auf die konkrete, in Betracht gezogene Verwendung angepasst sind. Der Schutzbereich der Erfindung soll durch die angefügten Ansprüche definiert werden.

Claims

1. Modenverjüngungswellenleiter (802; 902; 1002; 1102; 1202; 1302) mit Seitenlücken, umfassend:

einen Kern (808; 905; 1008) mit einem ersten Ende (890), einem zweiten Ende (892) zum Ankoppeln an eine Lichtleitfaser, einer ersten Seite (810) und einer gegenüberliegenden zweiten Seite (812), damit sich Licht entlang dem Kern von dem ersten Ende zu dem zweiten Ende ausbreiten kann; und

Seitenlücken in Form von Kerben (804), die entlang der ersten und zweiten Seite (810, 812) des Kerns (808; 905; 1008) von dem ersten Ende (890) zu dem zweiten Ende (892) angeordnet sind, wobei jede der Seitenlücken (804) eine Kerbentiefe (d) aufweist und die Kerbentiefe der Seitenlücken fortschreitend von dem ersten Ende (890) zu dem zweiten Ende (892) zunimmt.

2. Wellenleiter nach Anspruch 1, wobei die erste Seite (810) und die zweite Seite (812) von dem ersten Ende (890) zu dem zweiten Ende (892) eine maximale Breite (w) des Kerns (808; 905; 1008) definieren und die maximale Breite (w) von dem ersten Ende (890) zu dem zweiten Ende (892) hin zunimmt.

3. Wellenleiter-Seitenlückenverjüngung nach Anspruch 2, wobei die maximale Breite (w) an dem ersten Ende (890) des Kerns (808; 905; 1008) einer Breite (w) des Wellenleiters entspricht und die maximale Breite an dem zweiten Ende (892) des Kerns (808; 905; 1008) einer Breite der Faser entspricht.

4. Wellenleiter-Seitenlückenverjüngung nach Anspruch 2, wobei die maximale Breite (w) des Kerns (808; 905; 1008) entlang der ersten und zweiten Seite Stufen definiert, wobei die Stufen fortschreitend von dem ersten Ende zu dem zweiten Ende ansteigen.

5. Wellenleiter-Seitenlückenverjüngung nach Anspruch 1, weiterhin mit einer Richtung der Lichtausbreitung entlang einer Länge des Kerns (808; 905; 1008), wobei die Seitenlücken (804; 904; 1004; 1104; 1204; 1304) im wesentlichen senkrecht zu der Richtung der Lichtausbreitung angeordnet sind.

6. Wellenleiter-Seitenlückenverjüngung nach Anspruch 1, weiterhin mit einer Richtung der Lichtausbreitung entlang einer Länge des Kerns (808; 905; 1008), wobei die Seitenlücken (904; 1104; 1204; 1304) im wesentlichen nicht senkrecht zu der Richtung der Lichtausbreitung angeordnet sind.

7. Wellenleiter-Seitenlückenverjüngung nach Anspruch 6, wobei die Seitenlücken (904; 1104; 1204; 1304) zufällig entlang der Richtung der Lichtausbreitung angeordnet sind.

8. Wellenleiter nach Anspruch 1, wobei die Seitenlücken (804; 904; 1004; 1104; 1204; 1304) mindestens eine erste Seitenlückenkerbe und eine zweite Seitenlückenkerbe aufweisen und die erste Seitenlückenkerbe in einem ersten Winkel zu der Richtung der Lichtausbreitung angeordnet ist und die zweite Seitenlückenkerbe in einem zweiten Winkel zu der Richtung der Lichtausbreitung, die von dem ersten Winkel verschieden ist, angeordnet ist.