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Die
Erfindung betrifft eine Wellenleiterkreuzung und eine Anordnung
zur Überwachung
einer Mehrzahl integriert-optischer Wellenleiter.
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Es
tritt bei integriert-optischen Wellenleitern eines Arrays häufig das
Problem auf, die Signale der einzelnen Kanäle auf dem gleichen Pegel/Level
zu halten. Zur Erzeugung eines gleichmäßigen Pegels der Signale der
einzelnen Kanäle
sind integriert-optische Abschwächer-Arrays
bekannt, die eine kanalabhängige
Abschwächung
des Pegels einzelner Datenkanäle
des Arrays bewirken. Durch die kanalabhängige Schwächung können unterschiedliche Pegel abgeglichen
werden (Equalizing). Dabei ist es erforderlich, die Einzelkanäle des Arrays
meßtechnisch zu überwachen.
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Die
meßtechnische Überwachung
der Einzelkanäle
eines Arrays integriert-optischer Wellenleiter ist auch bei Wellenlängen-Multiplexanordnungen oder
anderen Arraykomponenten von zentraler Bedeutung.
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Zur Überwachung
der Leistung oder anderer Parameter ist es bekannt, aus jedem Wellenleiter
des Arrays vor und/oder nach einem zu überwachenden Bauteil einen
kleinen Teil der optischen Leistung, typischerweise zwischen einem
und zehn Prozent, auszukoppeln und die ausgekoppelten Überwachungssignale
einer Auswerteinheit, meist einem seitlich montierten Array von
Fotodioden zuzuführen.
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3 zeigt diesen Stand der
Technik in schematischer Darstellung. Vor und nach einem zu überwachenden
Bauteil 3 wird eine Überwachung der
Einzelkanäle 11-1n eines
Arrays 1 vorgenommen. Alternativ erfolgt lediglich vor
oder nach dem Bauteil 3 eine solche Überwachung. Das zu überwachende
Signal wird mittels schwach angekoppelter Richtkoppler 4 („Tap-Koppler") in Überwachungswellenleiter 101-10n eingekoppelt.
Diese werden auf Kreisbögen
von dem Array 1 weg- und einer Überwachungseinheit 2 zugeführt.
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Dabei
kreuzt jeder Überwachungswellenleiter 101-10n auf
seinem Weg zu der Überwachungseinheit 2 zwischen
0 und n-1 Wellenleiter des Arrays 1, je nach Kanal. Die Überkreuzungen
der Überwachungswellenleiter
mit den signalführenden
Wellenleitern des Arrays führen
zum einen zu kanalabhängigen
Verlusten ("Tilt") und zum anderen
zu einem Nebensprechen der anderen Wellenleiter des Arrays.
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Ein
optischer Halbleiterschalter mit einer entsprechenden Anordnung
ist aus der
DE 690
22 257 T2 bekannt.
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Die
EP 0 877 264 A2 beschreibt
in der Figur 6 eine Wellenleiterkreuzung zwischen zwei integriert optischen
Wellenleitern, bei der beide Wellenleiter im Kreuzungsbereich unterbrochen
sind. Dabei entsteht eine von beiden Wellenleitern getrennte Kreuzungsregion;
an der die Lichtsignale eines Wellenleiters jeweils reflektiert
werden, so daß sie
nicht in den anderen Wellenleiter einkoppeln. Nachteilig treten
durch die Kreuzungsregion in beiden Wellenleitern Signalverluste
auf.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die
Aufgabe zugrunde, eine Wellenleiterkreuzung und eine Anordnung, zur Überwachung
einer Mehrzahl integriertoptischer Wellenleiter eines Arrays zur
Verfügung
zu stellen, die eine meßtechnische Überwachung
der Wellenleiter eines Arrays unter Reduzierung der Signalverluste
in den Wellenleitern ermöglichen
und zusätzlich ein
unerwünschtes
Nebensprechen weitgehend vermeiden.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Wellenleiterkreuzung mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 und einer Anordnung zur Überwachung einer Mehrzahl integriert-optischer
Wellenleiter eines Arrays mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst. Bevorzugte,
und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Danach
zeichnet sich eine erfindungsgemäße Wellenleiterkreuzung
dadurch aus, daß der
zweite Wellenleiter im Kreuzungsbereich mit dem ersten Wellenleiter
unterbrochen ausgebildet ist, während der
erste Wellenleiter keine Unterbrechung aufweist. Der erste Wellenleiter
dient dabei in der Regel zur Übertragung
eines Datensignals, während
der zweite Wellenleiter ein aus einem Datensignal ausgekoppeltes Überwachungssignal
transportiert. Durch die erfindungsgemäße Wellenleiterkreuzung wird
bei der Kreuzung der Wellenleiter nur das Überwachungssignal, nicht jedoch
der überkreuzte
Datenstrom gestört.
Hierdurch werden die Signalverluste an der Wellenleiterkreuzung
erheblich reduziert und ein Nebensprechen im wesentlichen vermieden,
da Signale des kreuzenden, unterbrochenen Wellenleiters kaum noch
in den ersten Wellenleiter eingekoppelt werden.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist der zweite Wellenleiter
nach der Unterbrechung in Signalrichtung eine größere Breite auf als vor der
Unterbrechung. Die Breite des im Kreuzungsbereich unterbrochenen
Wellenleiters wird also nach der Kreuzung vergrößert. Hierdurch werden die Verluste
des Überwachungssignals
im Kreuzungsbereich reduziert, da im Vergleich zu einer konstanten Breite
ein größerer Teil
des vor der Wellenleiterkreuzung abgestrahlten Signals in die Weiterführung des Überwachungswellenleiters
nach der Wellenleiterkreuzung eingekoppelt wird.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der zweite
Wellenleiter gegenüber dem
ersten Wellenleiter gekippt angeordnet, und zwar bevorzugt um einen
kleinen Winkel zwischen 5° und
10°. Zwar
liegt die Reflektanz einer erfindungsgemäßen Wellenleiterkreuzung aufgrund
der üblicherweise
verwendeten kleinen Brechungshübe
zwischen dem Material der Lichtwellenleiter und dem umgebenden Material
(Δn = 5 × 10–3)
meist unterhalb –40
dB und ist daher ohnehin ohne Bedeutung. Durch die Verkippung der
Wellenleiter wird die Reflektanz jedoch um weitere 20 bis 30 dB
reduziert.
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Bevorzugt
weist der zweite Wellenleiter an seinen Unterbrechungsstellen einen
Abstand vom ersten Wellenleiter auf, in dem das elektromagnetische
Feld des ersten Wellenleiters auf einen vorbestimmten Wert abgefallen
ist, beispielsweise auf einen Wert von 1 % des maximalen Wertes.
Hierdurch wird si chergestellt, daß im Kreuzungsbereich das elektromagnetische
Feld des ersten Wellenleiters lediglich in vernachlässigbar
geringem Maße
in den zweiten Wellenleiter eingekoppelt wird.
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Bei
der erfindungsgemäßen Anordnung
zur Überwachung
der Signale einer Mehrzahl integriert-optischer Wellenleiter eines
Arrays ist erfindungsgemäß vorgesehen,
daß ein
ausgekoppelter Überwachungswellenleiter
die weiteren Wellenleiter des Arrays jeweils mit einer Wellenleiterkreuzung kreuzt,
bei der der Überwachungswellenleiter
im Kreuzungsbereich unterbrochen ist. Der Datenstrom der Wellenleiter
des Arrays wird durch die erfindungsgemäße Wellenleiterkreuzung somit
nicht gestört,
lediglich das Überwachungssignal
der Überwachsungswellenleiter.
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Es
hat sich dabei herausgestellt, daß die dabei auftretenden Verluste
des Überwachungssignals relativ
gering sind und pro Kreuzung im Bereich von unterhalb 0,1 dB liegen.
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Bevorzugt
nimmt die Breite der Überwachungswellenleiter
nach jeder Wellenleiterkreuzung zu. Dies führt zwar dazu, daß der Wellenleiter
zunehmend mehrmodig wird. Dies ist jedoch unproblematisch bei niederpreisigen
Einsatzgebieten, bei denen das Überwachungssignal
direkt oder über
eine Multimodefaser an eine Photodiode angekoppelt wird.
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Bevorzugt
wird ein Überwachungssignal
jeweils über
einen Richtkoppler in einen Überwachungswellenleiter
eingekoppelt, wobei am Ende des Richtkopplers bevorzugt optische
Umlenkmittel zur Umlenkung des Überwachungssignals
in den Überwachungswellenleiter
vorgesehen sind. Die optischen Umlenkmittel sind insbesondere kleine
Wellenleiterspiegel, die in Form von Ätzgräben ausgebildet sind.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind den Überwachungswellenleitern insbesondere
kurz vor ihrer Einkoppelung in die Auswerteinheit (Photodiode) seitliche
Spiegel zugeordnet. Diese seitlichen Spiegel werden bevorzugt durch Ätzgräben realisiert,
die rechts und links der Überwachungswellenleiter
angeordnet sind. Die seitlichen Spiegel reduzieren die Einkopplung
von parasitärem Licht
in die Auswerteinheit, das beispielsweise durch an den Wellenleiterkreuzungen
abgestrahlte Leitung entsteht.
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In
einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung passieren einige
der Überwachungswellenleiter auf
ihrem Weg zu der Auswerteinheit zusätzliche Wellenleiterkreuzungen.
Dies erfolgt derart, daß jeder Überwachungswellenleiter
vor Einkopplung in die Auswerteinheit die gleiche Anzahl von Wellenleiterkreuzungen
durchlaufen hat. Hierdurch wird sichergestellt, daß die Überwachungssignale
einen kanalunabhängigen
Verlust erleiden.
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Die
Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der
Zeichnung an mehreren Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 – eine erfindungsgemäße Wellenleiterkreuzung;
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2 – eine Anordnung zur Überwachung eines
8-Kanal Wellenleiterarrays mit erfindungsgemäßen Wellenleiterkreuzungen;
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3 – eine Überwachungsanordnung gemäß dem Stand
der Technik;
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4 – eine Wellenleiterkreuzung
gemäß dem Stand
der Technik und
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5 – die Feldverteilung entlang
eines Überwachunswellenleiterkanals,
der mehrere erfindungsgemäße Wellenleiterkreuzungen
durchläuft.
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Überwachungsanordnungen
gemäß dem Stand
der Technik waren eingangs anhand der 3 erläutert worden.
Dabei ist vorgesehen, daß aus
integriert-optischen Wellenleitern 11-1n eines Arrays 1 ausgekoppelte Überwachungssignale
auf dem Weg zu einer Auswerteinheit 2 zwischen 0 und n-1
Wellenleiter 1n-1, 1n-2, ... 11 des Arrays 1 passieren,
und zwar jeweils mittels einer Wellenleiterkreuzung 5,
wie sie schematisch in 4 dargestellt
ist. Danach kreuzen sich die Wellenleitermaterialien der planaren Lichtwellenleiter 51, 52 in
einem Kreuzungsbereich 53. Im Kreuzungsbereich 53 werden
Signale des Wellenleiter 51 in den Wellenleiter 52 eingekoppelt und
umgekehrt.
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Eine
erfindungsgemäße Wellenleiterkreuzung
ist in 1 dargestellt.
Danach ist ein erster integriert-optischer Wellenleiter 6 durchgehend
ausgebildet, während
ein zweiter, kreuzender integriert-optisch ausgebildeter Wellenleiter 7 in
einem Kreuzungsbereich 8 unterbrochen ist. Bevorzugt überträgt der erste
Wellenleiter 6 (beispielsweise in Richtung des Pfeils A)
ein Datensignal und der zweite Wellenleiter 7 (beispielsweise
in Richtung des Pfeils B) ein Überwachungssignal.
Die Wellenleiterkreuzung ermöglicht,
daß der
Datenstrom des ersten Wellenleiters 6 durch die Kreuzung 8 nicht
gestört
wird. Es findet lediglich aufgrund der Unterbrechung eine Störung des Überwachungssignals
statt, die jedoch unproblematisch ist.
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In
dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist
der erste Wellenleiter 6 eine Breite a von 8 μm auf. Der
zweite Wellenleiter weist eine Breite b von zunächst 10 μm vor der Wellenleiterkreuzung 8 und von
11,2 μm
hinter der Wellenleiterkreuzung 8 auf. Durch diese Verbreiterung
des zweiten Wellenleiters 7 wird sichergestellt, daß ein hoher
Anteil des Lichtsignals nach Überqueren
der Kreuzung 8 wieder in den sich anschließenden Abschnitt
des Wellenleiters 7 eingekoppelt wird.
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Der
Unterschied Δn
zwischen der Brechzahl des Leitermaterials und der Brechzahl des
umgebenden, planaren Substrats beträgt im Ausführungsbeispiel 5 × 10–3.
Das Wellenleitermaterial ist beispielsweise SiO2,
das Material des umgebenden Substrats ist Si. Dies bedeuted, daß die Reflektanz
der Kreuzung 8 äußerst gering
ist und unter einem Wert vom –40
dB liegt.
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Der
Abstand zwischen den Unterbrechungsstellen 7a, 7b,
zwischen denen der zweite Wellenleiter 7 unterbrochen ist,
beträgt
im dargestellten Ausführungsbeispiel
insgesamt 48 μm,
wobei der Abstand d von einer Unterbrechungsstelle 7a, 7b bis zum
kreuzenden Wellenleiter 6 jeweils 20 μm beträgt. Allgemein ist dieser Abstand
derart festzulegen, daß das
elektromagnetische Feld des ersten Wellenleiters 6 an den
Unterbrechungsstellen auf einen sehr niedrigen Wert abgefallen ist,
der bevorzugt unterhalb 1 % des Maximalwertes liegt.
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Es
wird darauf hingewiesen, daß in
der 1 der zweite Wellenleiter 7 den
ersten Wellenleiter 6 in einem Winkel von 90° kreuzt.
Es liegt jedoch ebenfalls im Rahmen der Erfindung, den kreuzenden zweiten
Wellenleiter 7 um einige Winkelgrade zu verkippen. Hierdurch
wird die Reflektanz der Kreuzung 8 um weitere 20 bis 30
dB reduziert.
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2 zeigt eine bevorzugte
Anwendung der erfindungsgemäßen Wellenleiterkreuzung.
Es handelt sich um eine Leistungsüberwachungsanordnung 9 für ein 8-Kanal
Wellenleiterarray mit acht Wellenleitern 61–68,
die in einem planaren Substrat 10 integriert optisch ausgebildet
sind jeweils einen Datenstrom enthalten. Zur Auskopplung eines Überwachungssignals
ist jedem Wellenleiter 61–68 des Arrays ein
Richtkoppler 20 zugeordnet, der einen kleinen Teil der
optischen Leistung des Wellenleiters, typischerweise zwischen einem
und zehn Prozent auskoppelt. Der Richtkoppler 20, auch
als Tap-Koppler bezeichnet, weist einen im wesentlichen parallel
zu dem Wellenleiter 61–68 verlaufenden
Bereich auf, in dem sich die Wellenleiter ählich wie aus der HF-Technik
bekannt beeinflussen und dementsprechend eine gewisse optische Leistung
aus dem Wellenleiter 61–68 ausgekoppelt wird.
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Das
ausgekoppelte Licht wird über
einen Wellenleiterspiegel 21 jeweils in einen Überwachungswellenleiter 71–78 umgeleitet.
Der Wellenleiterspiegel 21 ist beispielsweise durch einen Ätzgraben
im planaren Substrat 10 ausgebildet. Der Überwachungswellenleiter 71–78 ist
dabei im an den Wellenleiterspiegel 21 unmittelbar angrenzenden
Bereich, also noch vor der ersten Wellenleiterkreuzung als Taper 7' mit zunehmender
Breite ausgebildet. Dies bewirkt eine gute Führung des umgelenkten Überwachungssignals.
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Das
ausgekoppelte, in den Überwachungswellenleiter 71–78 umgeleitete
Licht muß nun
zwischen 0 und 7 weitere Wellenleiter 61, 62,
..., 67 kreuzen. Die Kreuzung zwischen einem Überwachungswellenleiter 71–78 und
einem Wellenleiter 61–67 des Arrays
erfolgt jeweils über
eine erfindungsgemäße Wellenleiterkreuzung
gemäß 1. Der Überwachungswellenleiter ist
im Bereich der Wellenleiter des Arrays somit jeweils unterbrochen.
Hierdurch wird sichergestellt, daß der überkreuzte Datenstrom des Array-Wellenleiters 61–68 zum
einen nicht gestört
und ein kanalabhängiger
Verlust ("Tilt") des Array-Wellenleiters
verhindert und zum anderen ein Nebensprechen durch den üblicherweise
um 15 bis 20 dB stärkeren
Datenstrom des Array-Wellenleiters 61–68 weitgehend vermieden
wird.
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Dabei
ist vorgesehen, daß die
Wellenleiterbreite des Überwachungswellenleiters 71–78 nach jeder
Kreuzung zunimmt, so daß die
Signalverluste im Überwachungswellenleiter
an jeder Kreuzung gering gehalten werden.
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Im
folgenden werden die Größenverhältnisse
bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
angegeben. Die Breite der Wellen leiter 61–68 des
Arrays beträgt
wie in 1 acht μm. Der Abstand
der Wellenleiter im Richtkoppler beträgt 15 μm. Die Verbreiterung der Wellenleiter
im Taper 7' beträgt zwei μm. So erfolgt
eine Verbreiterung von acht μm
auf zehn μm.
Die Wellenleiterbreite der Überwachungswellenleiter 71–78 erhöht sich
nach jeder Kreuzung um ca. 0,8 μm.
Der Abstand der Wellenleiter 61–68 des Arrays beträgt 400 μm. Die Berechnungsindexdifferenz Δn zwischen
dem Wellenleitermaterial und dem umgebenden planaren Substrat 10 beträgt wiederum
5 × 10–3.
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Nach
Kreuzen der 0 bis n-1 Wellenleiter werden die Überwachungswellenleiter 71–78 einem
Array von Fotodioden (nicht dargestellt) und anschließend einer
Auswerteinheit zum Auswerten der Überwachungssignale zugeführt. Vor
Einkopplung der Überwachungswellenleiter 71–78 in
das Array von Fotodioden sind seitlich der Überwachungswellenleiter Spiegel 22 zur
Nebensprechreduktion vorgesehen. Die Spiegel 22 werden
bevorzugt als Ätzgräben rechts
und links der Überwachungswellenleiter
ausgebildet. Sie verhindern die Einkopplung von Untergrundrauschen
und parasitärem
Licht in die Überwachungswellenleiter.
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5 zeigt beispielhaft eine
gemessene Feldverteilung entlang einem Überwachungswellenleiter 78,
der eine Serie von erfindungsgemäßen Kreuzungen
durchläuft.
Der Abstand der die Datensignale übertragenden Wellenleiter beträgt jeweils 400 μm. Bei einer
Wellenlänge
von 1,5 μm
ergibt sich bei sieben Überkreuzungen
ein Verlust von lediglich ca. 0,54 dB. Dies zeigt, daß trotz
der Ünterbrechung der Überwachungswellenleiter
an den Kreuzungspunkten ein ausreichend starkes Überwachungssignal übertragen
wird.
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Die
Erfindung beschränkt
sich in ihrer Ausführung
nicht auf das vorstehend dargestellte Ausführungsbeispiel. Wesentlich
für die
Erfindung ist allein, daß eine
Wellenleiterkreuzung mit einem ersten integriert-optischen Wellenleiter
in einem zweiten integriert-optischen Wellenleiter derart ausgeführt ist, daß der zweite
Wellenleiter im Kreuzungsbereich unterbrochen ist.