DE69617294T2 - Zweidimensionale Segmentierung eines integrierten Wellenleiters zur Modenanpassung an einer Faser - Google Patents

Zweidimensionale Segmentierung eines integrierten Wellenleiters zur Modenanpassung an einer Faser

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Description

    SACHVERWANDTE ANMELDUNG
  • Die vorliegende Anmeldung hängt mit einer eigenen, am selben Datum wie die vorliegende Anmeldung eingereichten Anmeldung zusammen, auf deren vollständige Lehren hiermit ausführlich Bezug genommen wird, als ob sie nachfolgend in Gänze reproduziert wären. Diese Anmeldung hat den Titel "Side-Gap Mode Tapering for Integrated Optic Waveguides", Henry 31-8-4-3, lfd. Nummer 08/401,505.
  • ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein integrierte Wellenleiter und insbesondere eine Verjüngung eines Wellenleiters mit Segmenten.
  • 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 Cladding 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. Weissman 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.
  • Eine segmentierte Verjüngung gemäß der Erfindung wird in Anspruch 1 definiert.
  • 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 an Lückenmaterial auf einem Minimum gehalten wird und weil die Gesamtverjüngungslänge möglichst gering gehalten 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
  • Die vorliegende Erfindung wird unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. 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 einer segmentierten Wellenleiterverjüngung mit fester Periode nach dem Stand der Technik.
  • Fig. 2 ist ein Diagramm einer beispielhaften Implementierung einer Wellenleiterverjüngung mit festen Lücken gemäß der Erfindung.
  • Fig. 3 ist ein Diagramm eines integrierten Wellenleiters mit einer Verjüngung an jedem Ende und einer an jede Verjüngung angekoppelten Faser.
  • Fig. 4 ist ein Diagramm der Einfügungsverluste als Funktion des End-Lücken/Perioden-Verhältnisses für eine Verjüngung mit fester Periode.
  • Fig. 5 ist ein Diagramm der Einfügungsverluste als Funktion des Verdünnungsfaktors für eine Verjüngung mit festen Lücken.
  • Fig. 6A und 6B sind Diagramme der Verjüngungslänge für eine Verjüngung mit fester Periode bzw. eine Verjüngung mit festen Lücken.
  • Fig. 7 ist ein Diagramm der Einfügungsverluste als Funktion der Verjüngungslänge für eine Verjüngung mit fester Periode und eine Verjüngung mit festen Lücken.
  • Fig. 8 ist ein Diagramm einer beispielhaften Implementierung einer Seitenlückenverjüngung nicht gemäß der Erfindung.
  • Fig. 9 ist eine vergrößerte Ansicht eines Diagramms einer alternativen Version der in Fig. 8 gezeigten Art.
  • Fig. 10 ist ein Diagramm einer weiteren Version der Seitenlückenverjüngung der in Fig. 8 gezeigten Art.
  • Fig. 11 ist ein Diagramm einer weiteren Version der Seitenlückenverjüngung der in Fig. 8 gezeigten Art.
  • Fig. 12 ist ein Diagramm noch einer weiteren Version der Seitenlückenverjüngung der in Fig. 8 gezeigten Art.
  • Fig. 13 ist ein Diagramm noch einer weiteren Version der Seitenlückenverjüngung der in Fig. 8 gezeigten Art.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN Einführung und Übersicht über die Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen neuen Ansatz zur Implementierung eines zweidimensionalen verjüngten Wellenleiters in Bauelementen der integrierten Optik. Es werden hier zwei Verfahren der Erfindung beschrieben, die jeweils mehrere Ausführungsformen aufweisen. Bei dem ersten Verfahren kommt ein segmentierter Wellenleiter zum Einsatz, der dem oben beschriebenen ähnlich ist, der sich aber in mindestens einem ausschlaggebenden Punkt unterscheidet: das erste Verfahren der vorliegenden Erfindung implementiert einen segmentierten Wellenleiter mit festen Lücken und variierender Periode.
  • Jeder dieser beiden Ansätze wird nachfolgend ausführlich besprochen. Abschnitt 2 der vorliegenden Schrift bespricht den Ansatz der Segmentierung mit festen Lücken und vergleicht dessen Ergebnisse mit anderen Ansätzen der Segmentierung. 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 nach dem Stand der Technik. Die segmentierte Verjüngung mit fester Periode umfaßt einen Wellenleiter 104 und mehrere Segmente 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 A 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 Cladding 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 Cladding 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 Siliziumoxid-auf- Silizium-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 Wellenleitern unter Verwendung bestimmter Materialien, wie zum Beispiel Siliziumoxid-auf-Silizium-Technologie, zurückzuführen.
  • Wellenleiter in Siliziumoxid-auf-Silizium-Technologie verwenden häufig SiO&sub2; als Claddingmaterial und dotiertes SiO&sub2; als Kernmaterial. Wie der Name impliziert, wird der Wellenleiter auf einem Siliziumsubstrat hergestellt. Das verwendete Lückenmaterial ist ebenfalls SiO&sub2;. SiO&sub2; hat jedoch einen Brechungsindex von ungefähr 1,45, und das Siliziumsubstrat besitzt einen Brechungsindex von 3,5. Aufgrund der relativen Indizes dieser Materialien wird keine 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.
  • Fig. 2 ist ein Diagramm mit einer segmentierten Verjüngung 200 mit festen Lücken (s) der vorliegenden Erfindung. Gemäß der Verjüngung 200 mit fester Lücke ist die Lückenlänge s jedes nachfolgenden Segments im wesentlichen gleich. Zur Senkung der effektiven Indexdifferenz zwischen dem Kern und dem Cladding entlang der Verjüngung wird die Länge t des Kernteils jedes nachfolgenden Segments immer mehr gesenkt, wodurch die Periode entsprechend gesenkt wird, wie durch Λ, ΛI, ΛII, ΛIII, ΛIV und ΛV gezeigt. Dadurch, daß die Lückenlänge s konstant bleibt, werden die Leckverluste von jedem Segment so klein wie möglich gehalten, wie unten besprochen wird.
  • 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 umfassen Leckverluste. Die Einfügungsverluste werden außerdem aufgrund der Modenfehlanpassung an den Faser- Wellenleiter-Verbindungsstellen 114 eingeführt. Der oben beschriebene Leckverlust ist der Lichtverlust, hauptsächlich aufgrund von Streuung, aus dem Wellenleiter in das Substrat.
  • Fig. 3 ist ein Diagramm, das Quellen für Einfügungsverluste und Leckverluste in einer Wellenleiter-/Faser-Baugruppe zeigt. Nach Fig. 3 wird der Wellenleiter 104 in einer Schicht 304 etwa aus Glas oder Siliziumoxid hergestellt, und Lichtleitfasern 308 werden an beide Enden der Lichtleitfaser 104 an der Faser-Wellenleiter-Verbindungsstelle 114 angekoppelt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden die Faserenden gespalten, poliert und auf Stoß an den Wellenleiter 104 angekoppelt. Eine allgemein bei 312 gezeigte Verjüngung (die eine Verjüngung 100 mit fester Periode, eine Verjüngung 200 mit festen Lücken oder eine Seitenlückenverjüngung 802 beinhalten kann) wird an beiden Enden des Wellenleiters 104 verwendet, um die Schwingungsart des Wellenleiters 104 an die Schwingungsart der Faser 308 anzupassen. Bei einer derartigen Baugruppe werden Leckverluste durch Lichtstreuung von dem Kern der Verjüngung 312 in das Substrat eingeführt.
  • Vergleich von Kenngrößen der Einfügungsverluste und Leckverluste
  • Für die folgende Besprechung ist zu beachten, daß die in Fig. 4 und 5 dargestellten Ergebnisse keine Leckverluste annehmen. Man beachte weiterhin, daß angenommen wird, daß Wellenleitermaterialverluste vernachlässigbar sind.
  • Fig. 4 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. 4 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 pn.
  • 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 pn.
  • Fig. 5 ist ein Graph der Einfügungsverluste einer Verjüngung 200 mit festen Lücken gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. 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. 5 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. 5 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 Δn 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. 5 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 Δτ = 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. 5 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. 4 dargestellt verwendet wird.
  • Wie bereits erwähnt sind die Leckverlustkenngrößen für eine Verjüngung 100 mit fester Periode aufgrund der zunehmenden Lückenlänge, die in der Richtung von dem Wellenleiter 104 zu der Faser 308 eingeführt wird, im allgemeinen unerwünscht. Ein weiterer Faktor, der sich auf die Leckverluste auswirkt, ist die 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. 6A und 6B zeigen das Konzept der Modengrößenerweiterung für eine Verjüngung 100 mit fester Periode (Fig. 6A) und die Verjüngung 200 mit festen Lücken (Fig. 6B). 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. 7 gekennzeichneten Pfeil gezeigt wird; und dem mit dem durch "optimaler DF" in Fig. 7 gekennzeichneten Pfeil gezeigten optimalen Verdünnungsfaktor. Die zusätzliche Länge 640 der Verjüngung über die optimale Gesamtverjüngungslänge hinaus ist auf einen Herstellungsfehler zurückzuführen. Wie in Fig. 4 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. 5 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. 7 bestimmt werden und wird nachfolgend besprochen.
  • Ein Vergleich der optimalen Gesamtbandlängen (1FP und 1FG) 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. 7 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 1FG von ungefähr 260 um erzielt. Dies ist ebenfalls in Fig. 7 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. 1FG < ¹/&sub2;1Fp, wie in Fig. 7 dargestellt) erreicht werden kann. Als Folge sind die Leckverluste für ähnliche Einfügungsverlustkenngrößen (wie in Fig. 4 und 5 dargestellt) für die Verjüngung 200 mit festen Lücken der vorliegenden Erfindung geringer.
  • Seitenlückenverjüngungen
  • Fig. 8 zeigt einen Seitenlückenmodenverjüngungswellenleiter der in der gleichzeitig anhängigen Anmeldung mit der Nummer 96301483.2 beanspruchten Art. Die Wellenleiterverjüngung besitzt ein erstes Ende (in Fig. 8 allgemein bei 890 gezeigt), das mit einem Wellenleiter integriert oder gekoppelt wird, und ein zweites Ende (in Fig. 8 allgemein bei 892 gezeigt), das an eine Faser angekoppelt wird. Wie jedoch in Fig. 8 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 Seitenlücken 804 in die äußersten Seiten (810 und 812) des Kerns 808 geschnitten und werden mit Gladdingmaterial gefüllt. Die Tiefe d der Seitenlücken 804 kann 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 zugeschnitten 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 (&Delta;) 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 die anteiligen Differenzen des Brechungsindex zwischen dem Kern und dem Cladding.) 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. 9 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 der Seitenlücken 804 (in der Lichtausbreitungsrichtung), t die Länge des Kernabschnitts und f ein Gewichtungsfaktor, der durch die Größe 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 bei der Größe der Seitenlücke, da sie wegen der erweiterten Breite des Kerns 808 der Verjüngung 802 weniger von dem Verdünnungsverhältnis abhängt.
  • Lediglich im Sinne 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 pin. 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 jun.
  • Die Grenzfläche zwischen den Kernteilen 805 und den Seitenlücken 804 in der Verjüngung 802 bewirkt eine Reflexion der geführten Lichtwelle. Die Größe der Reflexion an jeder Grenzfläche ist ungefähr gleich (&Delta;/n)²~10&supmin;&sup5;, was für Siliziumoxid (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 eine geringe Rückflußdämpfung (d. h. Rückreflexion) erfordern, untolerierbar zu sein.
  • In Fig. 9 wird ein Modenverjüngungswellenleiter 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. 8 gezeigt) liegen. Die Grenzfläche zwischen den Seitenlücken 904 und den Kernteilen 905 wird an nichtperiodischen Positionen entlang der Seitenlückenverjüngung 902 plaziert, um kohärente Reflexionen zu vermeiden. Im Gegensatz zu Fig. 8 beträgt das Seitenverhältnis in Fig. 9 1 : 1. Obwohl dies in diesem Teil der Verjüngung 902 nicht gezeigt ist, ist die Tiefe d der Seitenlücken 904 gemäß der Erfindung veränderlich.
  • Fig. 10, 11, 12 und 13 zeigen Beispiele alternativer Versionen des Seitenlückenwellenleiters. Insbesondere zeigt Fig. 10 eine schrittartige Zunahme der Breite w des Kerns 1008 der Verjüngung 1002 mit Seitenlücken 1004 und Kernteilen 1005. Fig. 11 zeigt eine alternative Version von Seitenlücken 1104 in einem Teil der Verjüngung 1102 mit dreieckiger Konfiguration.
  • Fig. 12 zeigt eine alternative Version der Seitenlücken 1204 in einem Teil der Verjüngung 1202. Fig. 13 zeigt eine Version von Seitenlücken 1304 in einem Teil der Verjüngung 1302. Es ist jedoch möglich, die Plazierung, 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 Versionen gleichermaßen realisierbar sind. Zum Beispiel kann ohne Einschränkung eine Ausführungsform betrachtet werden, bei der sich jede nachfolgende Seitenlücke etwas weiter als die vorherige Lücke in den Kern erstreckt. Diese Ausführungsform könnte so erweitert werden, daß sie eine Ausführungsform enthält, bei der sich jede nachfolgende Lücke etwas weiter in das Substrat und/oder etwas weiter in den Kern hinein erstreckt.
  • Die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wurde gewählt und beschrieben, um die Prinzipien der vorliegenden Erfindung und ihre praktische Anwendung am besten zu erläutern, damit andere Fachleute die Erfindung am besten in verschiedenen Ausführungsformen und mit verschiedenen Modifikationen verwenden können, die an die konkrete, in Betracht gezogene Verwendung angepaßt sind. Der Schutzbereich der Erfindung soll durch die angefügten Ansprüche definiert werden.

Claims (4)

1. Modenverjüngender segmentierter Wellenleiter mit festen Lücken, mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende, geeignet zur Ankopplung an eine Lichtleitfaser, wobei der segmentierte Wellenleiter aus mehreren aufeinanderfolgenden Segmenten (n) besteht, die sich von dem ersten zu dem zweiten Ende erstrecken, umfassend:
einen Kernteil (t); und
einen Lückenteil, wobei sich jede Lücke zwischen benachbarten Kernteilen erstreckt und Licht zwischen den benachbarten Kernteilen (t) koppelt und aus Material besteht, dessen Brechungsindex geringer ist als der des Kernteils (1),
wobei die Länge des Lückenteils in Ausbreitungsrichtung entlang einer Längsachse des Wellenleiters für aufeinanderfolgende Segmente im wesentlichen gleich ist und die Länge des Kernteils (t) von aufeinanderfolgenden Segmenten geringer ist als die Länge des Kernteils (t) des vorausgegangenen Segments von dem ersten Ende (Fig. 12 : 104) zu dem zweiten Ende (Fig. 2 : 104) der Verjüngung.
2. Wellenleiter nach Anspruch 1, bei dem das erste Ende mit einem Wellenleiter integriert ist.
3. Wellenleiter nach Anspruch 1, bei dem das erste Ende mit einem Wellenleiter gekoppelt ist.
4. Wellenleiter nach Anspruch 1, bei dem das zweite Ende (Fig. 2 : 104) neben einer Lichtleitfaser angeordnet ist.
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