SACHVERWANDTE ANMELDUNG
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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
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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein
integrierte Wellenleiter und insbesondere eine
Verjüngung eines Wellenleiters mit Segmenten.
STAND DER TECHNIK
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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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.
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Eine segmentierte Verjüngung gemäß der
Erfindung wird in Anspruch 1 definiert.
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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.
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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
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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.
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Fig. 1 ist ein Diagramm einer segmentierten
Wellenleiterverjüngung mit fester Periode nach dem
Stand der Technik.
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Fig. 2 ist ein Diagramm einer beispielhaften
Implementierung einer Wellenleiterverjüngung mit festen
Lücken gemäß der Erfindung.
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Fig. 3 ist ein Diagramm eines integrierten
Wellenleiters mit einer Verjüngung an jedem Ende und
einer an jede Verjüngung angekoppelten Faser.
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Fig. 4 ist ein Diagramm der Einfügungsverluste
als Funktion des End-Lücken/Perioden-Verhältnisses für
eine Verjüngung mit fester Periode.
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Fig. 5 ist ein Diagramm der Einfügungsverluste
als Funktion des Verdünnungsfaktors für eine Verjüngung
mit festen Lücken.
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Fig. 6A und 6B sind Diagramme der
Verjüngungslänge für eine Verjüngung mit fester Periode
bzw. eine Verjüngung mit festen Lücken.
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Fig. 7 ist ein Diagramm der Einfügungsverluste
als Funktion der Verjüngungslänge für eine Verjüngung
mit fester Periode und eine Verjüngung mit festen
Lücken.
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Fig. 8 ist ein Diagramm einer beispielhaften
Implementierung einer Seitenlückenverjüngung nicht
gemäß der Erfindung.
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Fig. 9 ist eine vergrößerte Ansicht eines
Diagramms einer alternativen Version der in Fig. 8
gezeigten Art.
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Fig. 10 ist ein Diagramm einer weiteren
Version der Seitenlückenverjüngung der in Fig. 8
gezeigten Art.
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Fig. 11 ist ein Diagramm einer weiteren
Version der Seitenlückenverjüngung der in Fig. 8
gezeigten Art.
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Fig. 12 ist ein Diagramm noch einer weiteren
Version der Seitenlückenverjüngung der in Fig. 8
gezeigten Art.
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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
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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.
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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.
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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.
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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
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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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.
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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
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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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.
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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.
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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 (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 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.
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Mit der Seitenlückenverjüngung 802 beträgt der
Verdünnungsfaktor deshalb nun:
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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.
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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.
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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.
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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
(Δ/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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.