-
Die Erfindung betrifft einen optischen Koppler zum teilweisen (oder vollständigen) Überkoppeln eines in den lichtwellenleitenden Kern eines Lichtwellenleiters eingestrahlten Lichts auf den lichtwellenleitenden Kern eines zweiten Lichtwellenleiters mit einstellbaren Teilungsverhältnis.
-
Bei der Anwendung von Lichtwellenleitern, z. B. in der optischen Nachrichtentechnik, werden Vorrichtungen benötigt, um in eine Lichtleitfaser eingekoppeltes Licht teilweise oder ganz auf eine andere Faser überzukoppeln. Dies kann z. B. dadurch erfolgen, dass die Lichtleitfasern längs einer gewissen Strecke, der Koppelstrecke, nebeneinander oder sich berührend verlegt werden. Es ist bekannt, dass bei der Überkopplung des Lichts von einer Lichtleitfaser in eine dazu parallel verlegte zweite Lichtleitfaser bei zwei identischen Wellenleitern (gleiche Ausbreitungskonstanten) eine vollständige Überkopplung möglich ist, wenn die Koppelstrecke einem un-geradzahligen Vielfachen einer Koppellänge Lo entspricht. Diese Koppellänge Lo ist umso größer, je größer der Abstand zwischen den Kernen der beiden Lichtwellenleiter ist. Ist eine Koppelstrecke L < Lo vorgegeben, so sinkt die Kopplung exponentiell ab, wenn das Verhältnis des Abstandes der Wellenleiter zu der Eindringtiefe des elektrischen Feldes in das die Wellenleiter verbindende Medium zunimmt. Diese Eindringtiefe wiederum hängt von der Differenz der Brechungsindizes von Wellenleiter und umgebendem Medium ab und nimmt ab, je größer diese Differenz ist. Dies zeigt, dass zur Einhaltung einer bestimmten Kopplungskonstante eine Vielzahl von Größen innerhalb enger Toleranzen eingehalten werden müssen, was bei der Herstellung derartiger Koppler zu hohen technologischen Anforderungen führt.
-
Für einen typischen Rippenwellenleiter von quaternärem Material auf InP ergibt eine numerische Simulation, dass für eine Änderung in der Überkopplung um 1 dB der Abstand der Wellenleiter auf 5% genau eingehalten werden muss. Bei den üblichen Abständen der Rippenwellenleiter von ca. 2 μm für Halbleitermaterial bedeutet dies eine Einhaltung der Toleranz von 0,1 μm. Das bedeutet, dass bei der Herstellung von Richtkopplern, die ein bestimmtes Teilungsverhältnis aufweisen müssen, derartig geringe Toleranzen realisiert werden müssen, die zu hohen Kosten führen.
-
Um die Koppeleigenschaften einstellbar zu machen, z. B. einen MMI-Koppler nachträglich gezielt zu beeinflussen, wird in der
DE 103 58 629 A1 eine aktive steuerbare Modenbeeinflussungseinrichtung vorgeschlagen, die die optischen Eigenschaften in einem Teil des mehrmodigen Bereichs verändert, indem mit dieser eine Teilmenge der ausbreitungsfähigen Moden stärker beeinflussbar ist als die übrigen Moden des mehrmodigen Bereichs. Damit sollen Herstellungstoleranzen, die bei der Herstellung des mehrmodigen Bereichs, beispielsweise aufgrund von Breitenschwankungen des mehrmodigen Bereichs, auftreten, kompensiert werden.
-
Ein ähnlicher Koppler ist auch in der Durchschritt
US 2004/0 170 351 A1 beschrieben. Eine spezielle Form von Kopplern ist in der
US 2003/0 103 722 A1 im Zusammenhang mit wellenlängenselektiven (De)Multiplexern gezeigt.
-
Die Aufgabe besteht darin, einen optischen Koppler zur Überkopplung beliebig einstellbarer Leistungsanteile von einem Wellenleiter in einen anderen Wellenleiter anzugeben, bei dem der Grad der Kopplung (die überzukoppelnde Leistung) gezielt einstellbar ist und die Abstände der Wellenleiter zueinander relativ große Toleranzen zulassen, so dass er einfach und kostengünstig herzustellen ist.
-
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen optischen Koppler mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelost, indem die im ersten Wellenleiter ankommende Leistung in einem Multimoden-Interferenz(MMI)-Leistungsteiler zu gleichen Teilen auf zwei Teilwellenleiter aufgeteilt wird. Beide Wellenleiter werden über eine bestimmte Strecke parallel zueinander in einem definierten Abstand zueinander geführt. Der zweite Wellenleiter, in den ein bestimmter Teil der Leistung eingekoppelt werden soll, wird mit gleichem Abstand zu den beiden Teilwellenleitern angeordnet und über eine definierte Strecke, den symmetrisierten Koppelbereich, parallel zu diesen beiden Teilwellenleitern geführt, so dass eine symmetrische Überkopplung von Licht aus den beiden Teilwellenleitern auf den zweiten Wellenleiter erfolgt. Der zweite Wellenleiter braucht nicht mit dem Multimoden-Interferenz(MMI)-Leistungsteiler verbunden zu sein. Dabei ist der zweite Wellenleiter unter oder über den beiden Teilwellenleitern angeordnet. D. h. der erste Wellenleiter, der Multimoden-Interferenz(MMI)-Leistungsteiler und die beiden Teilwellenleiter sind in der gleichen Ebene angeordnet, während der zweite Wellenleiter in einer anderen, vertikal darüber bzw. darunter liegenden Ebene angeordnet ist. Bei dieser Anordnung der Wellenleiter in unterschiedlichen Ebenen können der erste Wellenleiter, der Multimoden-Interferenz(MMI)-Leistungsteiler und die beiden Teilwellenleiter in einem Material angeordnet sein, während der zweite Wellenleiter in einem anderen Material angeordnet sein kann.
-
In allen Fällen kann auch anstelle eines MMI-Leistungsteilers ein Y-Verzweiger verwendet werden.
-
Die Überkopplung in den zweiten Wellenleiter erfolgt über die beiden Teilwellenleiter wie bei einem Richtkoppler. Das Maß an Überkopplung in den zweiten Wellenleiter wird bestimmt durch den Abstand zwischen dem zweiten Wellenleiter und dem ersten Teilwellenleiter bzw. dem zweiten Teilwellenleiter und der Strecke, für die alle drei Wellenleiter nahe beieinander sind, der Koppellänge. Die Bögen der beiden Teilwellenleiter bringen schließlich einen solchen Abstand zwischen die beiden Teilwellenleiter und gegenüber dem zweiten Wellenleiter, dass keine weitere Kopplung mehr erfolgt.
-
Es ist aber auch möglich, dass an den zweiten Wellenleiter, der nun einen definierten Leistungsanteil des Lichts aus dem ersten Wellenleiter führt, ein weiterer Multimoden-Interferenz(MMI)-Leistungsteiler angeschlossen wird, der wiederum diesen Leistungsanteil zu gleichen Teilen auf zwei weitere Teilwellenleiter aufteilt, zu denen wiederum ein dritter Wellenleiter symmetrisch, parallel und in unmittelbarer Nähe über eine definierte Strecke angeordnet wird, so dass wiederum eine definierte Teilleistung in den dritten Wellenleiter übergekoppelt wird.
-
In einer anderen Ausführung wird an jeden der beiden Teilwellenleiter des ersten Multimoden-Interferenz(MMI)-Leistungsteilers jeweils ein weiterer Multimoden-Interferenz(MMI)-Leistungsteiler angeordnet die wiederum diesen Leistungsanteil jeweils zu gleichen Teilen auf jeweils zwei weitere Teilwellenleiter aufteilen, zu denen wiederum ein dritter bzw. vierter Wellenleiter jeweils symmetrisch, parallel und in unmittelbarer Nähe über eine definierte Strecke angeordnet wird, so dass wiederum eine definierte Teilleistung in den dritten bzw. vierten Wellenleiter übergekoppelt wird. So lassen sich durch Kaskadierung von erfindungsgemäßen Kopplern beliebige Leistungsanteile aus der ankommenden Lichtwelle auskoppeln und für verschiedene Zwecke weiter verwenden.
-
In einer anderen Ausführung der Erfindung gemäß Anspruch 2 ist der zweite Wellenleiter ein Resonatorring, in den ein bestimmter Teil der Leistung aus dem ersten Wellenleiter eingekoppelt und nach Umlauf im Resonator wieder ausgekoppelt werden soll. Hierbei wird im ersten Multimoden-Interferenz(MMI)-Leistungsteiler die Leistung symmetrisch auf die beiden Teilwellenleiter aufgeteilt und in einem zweiten Multimoden-Interferenz(MMI)-Leistungsteiler wird die Leistung wieder zusammengeführt und in einem dritten Wellenleiter weitergeleitet. Zwischen den beiden Multimoden-Interferenz(MMI)-Leistungsteilern sind die beiden Teilwellenleiter über eine definierte Strecke, den symmetrisierten Koppelbereich, mit einem definierten Abstand parallel zueinander angeordnet. Bei einer bevorzugten Ausführung ist der Resonatorring in einer anderen Ebene als der symmetrisierte Koppelbereich derart angeordnet, dass die in den Ringresonator überzukoppelnde Leistung zu gleichen Teilen von den beiden Teilwellenleitern übergekoppelt wird.
-
Eine symmetrische Überkopplung der Leistung wird durch entsprechende Dimensionierung der Länge des symmetrisierten Koppelbereichs, des definierten Abstands der beiden Teilwellenleiter und der Anordnung des Resonatorrings, in Lage und Abstand zum symmetrisierten Koppelbereich erreicht.
-
Bei einer zweiten Ausführung einer Ringresonatorstruktur werden die beiden Multimoden-Interferenz(MMI)-Leistungsteiler mit einem seitlichen Eingang verwendet, da in der Mitte der zweite Wellenleiter (Teil des Resonatorrings) angeordnet ist. Bei dieser Anordnung ist allerdings nur eine Kopplung von maximal 50% in den mittleren Wellenleiter möglich. Bei Resonatorstrukturen werden in der Regel auch nur Koppler benötigt, die unter 50% überkoppeln, so dass dies hier keinen Nachteil darstellt.
-
Das grundlegende Prinzip des erfindungsgemäßen Kopplers besteht darin, dass stets eine symmetrische Überkopplung von den beiden Teilwellenleiter, die jeweils die gleiche Teilleistung führen, auf den zweiten Wellenleiter erfolgt. Da der zweite Wellenleiter symmetrisch zu den beiden Teilwellenleitern angeordnet ist, erfolgt auch die Überkopplung der Leistungen in den zweiten Wellenleiter symmetrisch. D. h. bei einer Abweichung des zweiten Wellenleiters von der Symmetrie zu den beiden Teilwellenleitern wird von dem näher gelegenen Teilwellenleiter mehr Leistung in den zweiten Wellenleiter eingekoppelt als aus dem weiter entfernt liegenden Teilwellenleiter. Somit ergibt sich aber stets in der Summe die gleiche Gesamtleistung, die in den zweiten Wellenleiter eingekoppelt wird.
-
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung lassen sich den Unteransprüchen entnehmen.
-
Bei der Einhaltung bestimmter maximaler Abstände des zweiten Wellenleiters zu den beiden Teilwellenleitern wird der Grad der Kopplung über die Länge der Überlappung/Parallelführung des zweiten Wellenleiters mit den beiden Teilwellenleitern, die Länge des symmetrisierten Koppelbereichs bestimmt. Der Abstand spielt unter diesen Voraussetzungen keine bestimmende Rolle, so dass relativ große Toleranzen in den Abständen zwischen den Wellenleitern nur geringe Auswirkungen auf den Koppelgrad haben. Somit lassen sich relativ einfach planare Strukturen für Koppler mittels kostengünstiger Verfahren herstellen. Erfindungsgemäß vorgesehen und vorteilhaft ist die Herstellung von Kopplern, bei denen die Wellenleiter in vertikal unterschiedlichen Ebenen angeordnet sind, da bei der Ausrichtung der Schichten ebenfalls keine sehr engen Toleranzen einzuhalten sind. D. h. es kann auf aufwändige Technologien bei der Realisierung der Schichtstrukturen verzichtet werden, ohne große Abweichungen beim Koppelgrad hinnehmen zu müssen. Da mit Multimoden-Interferenz(MMI)-Leistungsteilern eine einfache und herstellungstolerante symmetrische Aufteilung der Leistung auf zwei Teilwellenleiter möglich ist und für die Überkopplung von den beiden Teilwellenleitern in den zweiten Wellenleiter relativ große Toleranzen in den Abständen zulässig sind, bestehen günstige Herstellungsbedingungen für den symmetrischen Koppler.
-
Mit dem erfindungsgemäßen Koppler lassen sich Leistungsteiler mit beliebigem Teilungsverhältnis, evtl. durch Kaskadierung von erfindungsgemäßen Kopplern realisieren.
-
Da die beiden Wellenleiter in unterschiedlichen vertikalen Ebenen und auch unterschiedlichem Material angeordnet sein können, eignet sich der erfindungsgemäße Koppler auch für die teilweise oder vollständige Überkopplung der Lichtleistung zur Verbindung zweier optischer Wellenleiternetzwerke auf verschiedenen vertikalen Ebenen. So kann der Koppler auch als Verbindungsstück z. B. für eine vertikale Überkopplung zwischen einem SiO2- und einem Polymer-Wellenleiter verwendet werden.
-
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Die zugehörigen Zeichnungen stellen dar:
-
1: schematische Darstellung eines Kopplers als planare Struktur
-
2: schematische Darstellung einer Koppler-Kaskade (parallel)
-
3: schematische Darstellung einer Koppler-Kaskade (Reihe)
-
4: schematische Darstellung eines Ringresonators in verschiedenen Ebenen
-
5: schematische Darstellung eines Ringresonators als planare Struktur
-
6: schematische Darstellung eines Kopplers in verschiedenen Ebenen und verschiedenen Materialien
-
7: Darstellung der Abhängigkeit zwischen dem Abstand der Wellenleiter und dem Koppelgrad für planare Strukturen
-
8: Darstellung der Abhängigkeit zwischen dem Abstand der Wellenleiter und dem Koppelgrad für vertikale Strukturen
-
In der 1 ist eine schematische Darstellung eines Kopplers als planare Struktur dargestellt. Bei dieser Ausführung des erfindungsgemäßen Kopplers wird der erste Wellenleiter WG1 mittels eines ersten Multimoden-Interferenz(MMI)-Leistungsteilers 1 in zwei Teilwellenleiter WG1.1, WG1.2 aufgeteilt, wobei sich die in den ersten Wellenleiter WG1 eingestrahlte Leistung l1 mit gleichen Leistungsanteilen l1.1 = l1.2 = l1/2 auf beide Teilwellenleiter WG1.1, WG1.2 aufteilt. Diese beiden Teilwellenleiter WG1.1, WG1.2 werden über eine bestimmte Strecke LK parallel geführt und mit einem derartigen Abstand f zueinander und gegenüber einem zweiten Wellenleiter WG2 mit jeweils mit dem Abstand g angeordnet, so dass eine symmetrische Überkopplung der Teilleistungen l1.1, l1.2 von den beiden Teilwellenleitern WG1.1, WG1.2 auf den zweiten Wellenleiter WG2 erfolgt, wobei der Grad der Kopplung (Anteil der überkoppelnden Leistung) durch die Länge der Strecke LK einstellbar ist. Die übergekoppelte Leistung l2 ist also über den Wellenleiterabstand g und die Länge von LK gezielt einstellbar.
-
Der Abstand g, des zweiten Wellenleiter WG2 gegenüber dem jeweiligen Teilwellenleiter WG1.1, WG1.2 sowie die Länge der Strecke LK werden analog zur Dimensionierung eines üblichen Richtkopplers entsprechend der verwendeten Materialien ermittelt. Der Abstand f zwischen den beiden Teilwellenleitern WG1.1, WG1.2 ergibt sich somit aus 2·g plus Breite des zweiten Wellenleiters WG2.
-
In der 2 ist eine Anordnung von mehreren erfindungsgemäßen Kopplern dargestellt. Der erste Koppler besteht aus dem ersten Multimoden-Interferenz(MMI)-Leistungsteiler 1, der die Eingangsleistung auf die zwei Teilwellenleiter WG1.1, WG1.2 zu gleichen Teilen aufteilt und einen bestimmten Teil a der Leistung in den zweiten Wellenleiter WG2 überkoppelt. Die Leistungsanteile der einzelnen Wellenleiter betragen nach dem ersten Koppler: l2 = l1·a und l1.1 = l1.2 = (l1 – l2)/2.
-
Die beiden Teilwellenleiter WG1.1, WG1.2 werden jeweils durch einen weiteren Multimoden-Interferenz(MMI)-Leistungsteiler 3, 4 wiederum in jeweils zwei Teilwellenleiter WG3.1, WG3.2, WG4.1, WG4.2 mit gleichen Leistungsanteilen aufgeteilt und jeweils ein weiterer Wellenleiter WG3, WG4 über eine Strecke LK in unmittelbarer Nähe, jeweils mit einem Abstand g, parallel und symmetrisch zu jeweils zwei Teilwellenleitern WG3.1, WG3.2 bzw. WG4.1, WG4.2 angeordnet ist, so dass eine Überkopplung von den jeweiligen Teilwellenleitern WG3.1, WG3.2 bzw. WG4.1, WG4.2 auf den dritten bzw. vierten Wellenleiter WG3, WG4 erfolgt. Die Leistungsanteile der einzelnen Wellenleiter betragen nach dem dritten und vierten Koppler: l3 = l1.1·b und l3.1 = l3.2 = (l1.1 – l3)/2 und l4 = l1.2·c, und l4.1 = l4.2 = (l1.2 – l4)/2.
-
In der 3 ist eine weitere mögliche Anordnung von mehreren erfindungsgemäßen Kopplern dargestellt. Hierbei sind die erfindungsgemäßen Koppler jeweils hintereinander angeordnet, wobei der jeweils folgende Multimoden-Interferenz(MMI)-Leistungsteiler 3, 4 jeweils an den zweiten bzw. dritten Wellenleiter WG2, WG3 angeschlossen ist. Der zweite Multimoden-Interferenz(MMI)-Leistungsteiler 3 ist an den zweiten Wellenleiter WG2, der den Leistungsanteil l2 = l1·a führt, angekoppelt. Der zweite Multimoden-Interferenz(MMI)-Leistungsteiler 3 teilt diese Leistung wiederum in jeweils zwei Teilwellenleiter WG2.1, WG2.2 mit gleichen Leistungsanteilen auf. Ein dritter Wellenleiter WG3 ist über eine Strecke LK in unmittelbarer Nähe, jeweils mit einem Abstand g, parallel und symmetrisch zu den beiden Teilwellenleitern WG2.1, WG2.2 angeordnet, so dass eine symmetrische Überkopplung von den beiden Teilwellenleitern WG2.1, WG2.2 auf den dritten Wellenleiter WG3 erfolgt.
-
Ein dritter Multimoden-Interferenz(MMI)-Leistungsteiler 4 ist an den dritten Wellenleiter WG3, der den Leistungsanteil l3 = l2·b = l1·a·b führt, angekoppelt. Der dritte Multimoden-Interferenz(MMI)-Leistungsteiler 4 teilt diese Leistung wiederum in jeweils zwei Teilwellenleiter WG3.1, WG3.2, mit gleichen Leistungsanteilen, auf. Ein vierter Wellenleiter WG4 ist über eine Strecke LK in unmittelbarer Nähe, jeweils mit einem Abstand g, parallel und symmetrisch zu den beiden Teilwellenleitern WG3.1, WG3.2 angeordnet, so dass eine symmetrische Überkopplung von den beiden Teilwellenleitern WG3.1, WG3.2 auf den vierten Wellenleiter WG4 erfolgt.
-
Die Leistungsanteile der einzelnen Wellenleiter betragen nach dem ersten, zweiten und dritten Koppler: l2 = l1·a, und l1.1 = l1.2 = (l1 – l2)/2; l3 = l2·b und I2.1 = l2.2 = l2/2 und l4 = l3·c; und l3.1 = l3.2 = l3/2.
-
Somit lassen sich durch serielle und/oder parallele Kaskadierung von erfindungsgemäßen Kopplern beliebige Leistungsanteile aus einer Eingangsleistung l1 auskoppeln.
-
In der 4 ist eine schematische Darstellung eines möglichen Ringresonators in dargestellt, bei dem der zweite Wellenleiter WG2 eines erfindungsgemäßen Kopplers als Resonatorring ausgebildet ist, in den ein bestimmter Teil der Leistung aus dem ersten Wellenleiter WG1 eingekoppelt und nach Umlauf im Resonator wieder ausgekoppelt werden soll. Bei diesem Beispiel ist der der zweite Wellenleiter WG2, der Resonatorring, in einer ersten Ebene angeordnet. In einer zweiten Ebene sind der erste Wellenleiter WG1, die beiden Multimoden-Interferenz(MMI)-Leistungsteiler 1, 2, die die Leistung l1 in zwei Teilwellenleiter WG1.1, WG1.2 mit gleicher Leistung, aufteilen und wieder zusammenführen und der dritte Wellenleiter WG1.3, mit dem die Leistung l1.3 wieder weitergeführt wird, angeordnet. Die Strecke zwischen den beiden Multimoden-Interferenz(MMI)-Leistungsteilern 1, 2, über die die beiden Teilwellenleiter WG1.1 und WG1.2 parallel mit dem definierten Abstand f geführt werden, ist länger als der symmetrisierte Koppelbereich LK, der der Strecke entspricht die der Ringresonators über bzw. unter den beiden Teilwellenleitern angeordnet ist, d. h. der Bereich in dem sich die beiden Teilwellenleiter WG1.1 und WG1.2 und der zweite Wellenleiter WG2, hier der entsprechende Ringabschnitt des Resonatorrings, überlappen. Da bei dieser Ausführung der Resonatorring einen relativ geringen Durchmesser aufweist, ist eine Parallelführung des zweiten Wellenleiters WG2 (Resonatorring) mit den beiden Teilwellenleitern WG1.1, WG1.2 nicht möglich. Damit aber eine ungefähr symmetrische Kopplung der Leistung l2 = l1·a von den beiden Teilwellenleitern WG1.1, WG1.2 in den Resonatorring WG2 erfolgt, sind die geometrischen Abmessungen entsprechend zu dimensionieren. Der Abstand g des Resonatorrings WG2 von den beiden Teilwellenleitern WG1.1, WG1.2 wird bestimmt durch den vertikalen Abstand der beiden unterschiedlichen Ebenen. Die Länge LK des symmetrisierten Koppelbereichs sowie der Abstand f der beiden Teilwellenleiter WG1.1, WG1.2 sowie die Lage des Resonatorrings über dem symmetrisierten Koppelbereich ist in Abhängigkeit vom Radius des Resonatorrings sowie dem einzustellenden Kopppelgrad so zu bestimmen, dass die Überkopplung gegenüber einer Änderung von g ein Minimum aufweist. Dazu werden übliche numerische Rechenprogramme genutzt.
-
In der 5 ist eine andere mögliche Ringresonatorstruktur dargestellt, bei der der zweite Wellenleiter WG2 ein ovaler Resonatorring ist, der zwei parallele Geraden aufweist. Dadurch ist es wieder möglich, dass der zweite Wellenleiter WG2 mit der einen Geraden über die Strecke LK parallel und im Abstand g zu den beiden Teilwellenleiter WG1.1 und WG1.2 geführt werden kann, so dass eine symmetrische Überkopplung der Leistung in den zweiten Wellenleiter WG2 erfolgt. Da bei diesem Bespiel die eine Gerade des ovalen Resonatorrings WG2 zwischen den beiden Teilwellenleitern WG1.1 und WG1.2 geführt wird, müssen die beiden verwendeten Multimoden-Interferenz(MMI)-Leistungsteilern 1, 2 seitliche Eingänge aufweisen. Bei dieser Anordnung ist allerdings nur eine Kopplung von maximal 50% in den zweiten Wellenleiter WG2 möglich. Bei Resonatorstrukturen werden in der Regel allerdings nur Koppler benötigt, die unter 50% überkoppeln, so dass dies hier keinen Nachteil darstellt. Diese Ringresonatorstruktur kann als planare Kopplerstruktur ausgeführt werden.
-
In der 6 ist eine weitere Anwendungsmöglichkeit des erfindungsgemäßen Kopplers aufgezeigt. Es handelt sich um ein Verbindungsstück (Connector) z. B. zur Herstellung einer Verbindung zwischen zwei optischen Wellenleiternetzwerken die auf verschiedenen Materialien basieren. Bei dem gewählten Beispiel ist der erste Wellenleiter WG1 sowie der Multimoden-Interferenz(MMI)-Leistungsteiler 1 und die beiden Teilwellenleitern WG1.1 und WG1.2 in einem Polymer ausgeführt und in einer ersten Ebene angeordnet, während der zweiten Wellenleiter WG2 auf SiO2 ausgeführt und in einer zweiten Ebene angeordnet ist. Somit ist es möglich, dass die Eingangsleistung l1 aus einem ersten optischen Wellenleiternetzwerk über den ersten Wellenleiter WG1 den Multimoden-Interferenz(MMI)-Leistungsteiler 1 symmetrisch auf die beiden Teilwellenleitern WG1.1 und WG1.2 aufgeteilt wird. Durch entsprechende Dimensionierung der Strecke LK wird die gesamte oder auch Teile der Eingangsleistung l1 in den zweiten Wellenleiter WG2, der in der anderen Ebene angeordnet ist übergekoppelt, die somit als Ausgangsleistung l2 = l1·a in dem zweiten optischen Wellenleiternetzwerk weitergeleitet wird.
-
In 7 sind für einen typischen Rippenwellenleiter von quaternärem Material auf InP die Abhängigkeiten zwischen Überkopplung und Abweichung Δg zwischen den Wellenleitern WG1, WG2 dargestellt. Die Werte wurden mittels numerischer Simulation ermittelt. Die Dimensionierung ist so erfolgt, dass eine Leistung von 0,1·l1 in den zweiten Wellenleiter WG2 eingekoppelt werden soll. Hierbei ist l1 die Eingangsleistung des ersten Wellenleiters WG1. Es ist die Änderung der Überkopplung bei einer Verschiebung des zweiten Wellenleiters WG2 in x-Richtung um Δg gegenüber dem ersten Wellenleiter WG1 berechnet worden.
-
Die Kurve 1 (gestrichelt) ist für einen einfachen Richtkoppler aus zwei parallelen Wellenleitern mit einem Wellenleiterabstand g berechnet, der über eine feste Länge LK einen Leistungsanteil von 0,1·l1 überkoppelt. Um eine Überkoppeltoleranz von nicht mehr als 1 dB zu gewährleisten muss der Abstand der Wellenleiter auf 5% genau eingehalten werden. Bei den üblichen Abständen der Rippenwellenleiter von ca. 2 μm für Halbleitermaterial bedeutet dies eine Toleranz von 0,1 μm.
-
Die Kurve 2 (durchgezogen) ist für einen erfindungsgemäßen Koppler entsprechend 1 mit den gleichen Parametern ermittelt worden. Der erste Wellenleiter WG1 wird über einen Multimoden-Interferenz(MMI)-Leistungsteiler 1 in zwei parallele Teilwellenleiter WG1.1, WG1.2 aufgeteilt, die jeweils die halbe Leistung l1.1 = l1.2 = l1/2 des ersten Wellenleiters WG1 führen. Zu diesen beiden Teilwellenleitern WG1.1, WG1.2 ist ein zweiter Wellenleiter WG2 jeweils mit einem Abstand g und über die Länge LK, die den symmetrisierten Koppelbereich darstellt, parallel angeordnet. Für die über die Strecke LK in den zweiten Wellenleiter WG2 eingekoppelte Leistung l2 weist die berechnete Kurve 2 für Abweichungen des zweiten Welleleiters WG2 vom Mittenabstand eine wesentlich flachere Kurve auf. Daraus ergibt sich, dass Abweichungen des zweiten Wellenleiters WG2 vom Mittenabstand zwischen den Teilwellenleitern WG1.1, WG1.2 bei weitem nicht so große Abweichungen im Koppelgrad bewirken. Für eine Änderung um 1 dB in der Überkopplung, kann die Position des zweiten Wellenleiters um ±18% vom Mittenabstand variiert werden. D. h. der erfindungsgemäße Koppler ist 3,5-mal toleranter bezüglich Abweichungen Δg des zweiten Wellenleiters WG2 gegenüber den jeweiligen Teilwellenleitern WG1.1, WG1.2.
-
Außerdem zeigt der erfindungsgemäße Koppler ein Minimum der Kopplung bei 0,1·l1, was für manche Anwendungen von Vorteil sein kann. Durch die wesentlich größeren Toleranzen können weniger komplizierte Technologien für die Herstellung verwendet werden.
-
In der 8 sind die Abhängigkeiten zwischen Überkopplung und Abstand g zwischen den Wellenleitern WG1, WG2, die in verschiedenen Ebenen – analog zu einem Connector gemäß 6 – angeordnet sind, dargestellt. Die Werte wurden mittels numerischer Simulation ermittelt.
-
Die Dimensionierung erfolgte ebenso, dass eine Leistung von 0,1·l1 in den zweiten Wellenleiter WG2 eingekoppelt werden soll. Hierbei ist l1 die Eingangsleistung des ersten Wellenleiters WG1. Es ist die Änderung der Überkopplung bei einer Verschiebung des zweiten Wellenleiters WG2 in der unteren Ebene in x-Richtung um Δg gegenüber dem ersten Wellenleiter WG1 in der oberen Ebene berechnet worden. Das berechnete Beispiel bezieht sich auf quadratische Polymerwellenleiter mit der Kantenlänge w = 6 μm, einem vertikalen Abstand der beiden Wellenleiter WG1 und WG2 von h = 6 μm, sowie den Brechzahlen n(Kern) = 1,503 und n(Mantel) = 1,5.
-
Die 8a zeigt den Querschnitt eines Richtkopplers bestehend aus zwei parallelen Wellenleitern WG1, WG2 mit einem vertikalen Wellenleiterabstand von h = 6 μm, der über eine feste Länge LK einen Leistungsanteil von 0,1·l1 überkoppelt. Die beiden Wellenleiter WG1 und WG2 sind direkt übereinander, in x-Richtung an der gleichen Position angeordnet.
-
Die 8b zeigt den Querschnitt eines erfindungsgemäßen Kopplers, bei dem der erste Wellenleiter WG1 über einen Multimoden-Interferenz(MMI)-Leistungsteiler in zwei parallele Teilwellenleiter WG1.1, WG1.2 aufgeteilt, die jeweils die halbe Leistung l1.1 = l1.2 = l1/2 des ersten Wellenleiters WG1 führen. Die beiden Teilwellenleiter WG1.1, WG1.2 haben in x-Richtung einen Abstand von f = 12 μm zueinander und sind in der oberen Ebene angeordnet. Zu diesen beiden Teilwellenleitern WG1.1, WG1.2 ist der zweite Wellenleiter WG2 in einer darunter liegenden Ebene über die Länge LK parallel angeordnet. Der vertikale Abstand zum ersten Wellenleiter in der darüber liegenden Ebene beträgt ebenfalls h = 6 μm, wobei der zweite Wellenleiter WG2 in x-Richtung mittig unter den beiden Teilwellenleitern WG1.1, WG1.2 angeordnet ist
-
In der 8c ist die Änderung der Überkopplung bei einer Verschiebung des zweiten Wellenleiters WG2 in x-Richtung um Δg gegenüber dem ersten Wellenleiter WG1 bzw. den beiden Teilwellenleiter WG1.1, WG1.2 dargestellt. Die Kurve 1 (gestrichelt) ist für einen einfachen Richtkoppler, wie er in 8a dargestellt ist berechnet worden. Um eine Überkoppeltoleranz von nicht mehr als 1 dB zu gewährleisten darf die Abweichung Δg in x-Richtung der Wellenleiter nicht mehr als ±5,5 μm betragen.
-
Die Kurve 2 (durchgezogen) ist für einen erfindungsgemäßen Koppler mit den gleichen Parametern, wie er in 8b dargestellt ist, ermittelt worden. Für die über die Strecke LK in den zweiten Wellenleiter WG2 eingekoppelte Leistung l2 weist die berechnete Kurve 2 für Abweichungen Δg des zweiten Welleleiters WG2 vom Mittenabstand eine Kurve auf, die zwei Maxima und einen flacheren Verlauf hat. Daraus ergibt sich, dass Abweichungen Δg des zweiten Wellenleiters WG2 vom Mittenabstand zwischen den Teilwellenleitern WG1.1, WG1.2 bei weitem nicht so große Abweichungen im Koppelgrad bewirken. Für eine Änderung um 1 dB in der Überkopplung, kann die Position des zweiten Wellenleiters um ±14 μm vom Mittenabstand variiert werden. D. h. der erfindungsgemäße Koppler ist 2,5-mal toleranter bezüglich Abweichungen Δg des zweiten Wellenleiters WG2 gegenüber den jeweiligen Teilwellenleitern WG1.1, WG1.2.
