DE102020117491A1

DE102020117491A1 - Integrierte optische Schaltung mit Wellenleiterlinse

Info

Publication number: DE102020117491A1
Application number: DE102020117491.8A
Authority: DE
Inventors: Manuel Decker; Sören Schmidt
Original assignee: Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss AG
Priority date: 2020-07-02
Filing date: 2020-07-02
Publication date: 2022-01-05
Anticipated expiration: 2040-07-03
Also published as: WO2022002578A1; DE102020117491B4

Abstract

Eine integrierte optische Schaltung (10) umfasst einen optischen Schichtwellenleiter (12), der eine sich in einer ersten Ebene erstreckende Kernschicht (14) hat, und eine Wellenleiterlinse (24; 24'). Diese erstreckt sich in einer zu der ersten Ebene parallelen zweiten Ebene (22) und sammelt oder zerstreut in dem Schichtwellenleiter (12) geführtes Licht. In einer Richtung (x) senkrecht zu der zweiten Ebene (22) hat die Wellenleiterlinse (24; 24') eine konstante Dicke (dL) hat. In der zweiten Ebene (22) in einem Übergangsbereich (32), der sich zumindest über einen Teil des Umfangs der Wellenleiterlinse (24; 24') erstreckt, sind mehrere Subwellenlängenstrukturen (341, 342, 343; 34; 34'; 34''; 34''') angeordnet, die senkrecht zu der zweiten Ebene (22) die gleiche Dicke haben. Die Subwellenlängenstrukturen sind mit einem Füllfaktor (F) verteilt, der mit zunehmenden Abstand von der Wellenleiterlinse (24; 24') kontinuierlich oder schrittweise abnimmt. Auf diese Weise werden Verluste aufgrund von Modenmismatch verringert.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft das Gebiet der integrierten optischen Schaltungen (engl. Photonic Integrated Circuits, PIC). Die Erfindung betrifft insbesondere derartige Schaltungen mit einem Schichtwellenleiter und einer Wellenleiterlinse, die sich in einer Ebene parallel zur Ebene des Schichtwellenleiters erstreckt.
2. Beschreibung des Standes der Technik
In integrierten optischen Schaltungen sind eine Vielzahl (teilweise Hunderte) von optischen Funktionen, z.B. Lichterzeugung und -weiterleitung, Strahlteilung, Intensitäts- oder Phasen-Modulation, Filterung oder Schalten, auf einem Chip integriert. Die am häufigsten kommerziell genutzte Materialplattform für integrierte optische Schaltungen ist bislang Indiumphosphid (InP). Im Gegensatz zur elektronischen Integration, bei der Silizium das vorherrschende Material ist, werden in integrierten optischen Schaltungen jedoch auch zahlreiche andere Materialsysteme eingesetzt, darunter elektro-optische Kristalle wie Lithium-Niobat, Siliziumdioxid auf Silizium, Silizium auf Isolator, Siliziumnitrid, verschiedene Polymere sowie Halbleitermaterialien wie GaAs und InP.
Zu den integrierbaren Funktionen gehören auch die Fokussierung und Zerstreuung von Licht, das sich in einem optischen Schichtwellenleiter ausbreitet. In einem Schichtwellenleiter wird das Licht nur in einer Richtung geführt; in den beiden anderen Richtungen breitet sich das Licht wie im freien Raum (allerdings mit einer anderen Brechzahl als 1) aus. Da es in der Praxis keine unendlich breiten Schichten gibt, spricht man auch dann von Schichtwellenleitern, wenn der auch als Kernschicht bezeichnete wellenführende Bereich eine Breite hat, die viel größer ist als ihre Dicke. Für das Aspektverhältnis A des Wellenleiterquerschnitts gilt dann A » 1.
Zur Fokussierung und Zerstreuung wurden verschiedene Typen von Wellenleiterlinsen vorgeschlagen, darunter sog. Modenindexlinsen, geodätische Linsen und Fresnel-Linsen. Geodätischen Linsen und andere Wellenleiterlinsen mit kontinuierlichen Dickenprofilen können allerdings photolithographisch nur mit großem Aufwand oder mit ungenügender Genauigkeit hergestellt werden.
Herstellungstechnisch günstiger sind Wellenleiterlinsen, die kein kontinuierliches Dickenprofil, sondern eine konstante Dicke haben. Solche Wellenleiterlinsen sind in einer Ebene angeordnet, die parallel zum Schichtwellenleiter verläuft. Um eine räumlich inhomogene Wirkung auf das durchtretende Licht zu haben, haben Wellenleiterlinsen mit konstanter Dicke - ähnlich wie eine herkömmliche Linse - mindestens eine gekrümmte Fläche. Auf gekrümmte Flächen kann man verzichten, wenn die Wellenleiterlinse eine inhomogene Brechzahlverteilung hat, wie dies z.B. aus der EP 0 261 849 A1 bekannt ist.
Ungelöst sind bislang jedoch die Probleme, die bei derartigen Wellenleiterlinsen durch Reflexions-, Auskoppel- und Streuverluste an der Grenzfläche zwischen dem Schichtwellenleiter und der Wellenleiterlinse oder - wenn sich der Schichtwellenleiter und die Wellenleiterlinse nicht unmittelbar berühren - im Übergangsbereich zwischen dem Schichtwellenleiter und der Wellenleiterlinse entstehen. Diese Verluste hängen u.a. von den verwendeten Materialien, deren Brechzahlen und von den Schichtdicken ab. Verursacht werden diese Verluste durch einen zu geringen Überlapp der Moden im Schichtwellenleiter und in der Wellenleiterlinse im Bereich der Grenzfläche der Wellenleiterlinse (sog. Modenmismatch).
Im Zusammenhang mit Streifenwellenleitern, welche die Lichtausbreitung in zwei orthogonalen Richtungen beschränken, wurde vorgeschlagen, durch Strukturierung des Streifenwellenleiters Subwellenlängenstrukturen zu erzeugen und dadurch den Modenindex so zu beeinflussen, dass durch Modenmismatch verursachte Verluste verringert werden können. Eine Übersicht über die Grundzüge und verschiedene Anwendungen dieses Ansatzes findet sich in einem Aufsatz von R. Halir et al. mit dem Titel „Waveguide sub-wavelength structures: a review of principles and applications", Laser & Photonics Reviews, 9(1), 25-49.
Mit einer Weiterentwicklung dieses Ansatzes befasst sich die US 2012/0183250 A1 .
Aus der US 2008/0193080 A1 ist bekannt, den Kern eines Streifenwellenleiters mit Subwellenlängenstrukturen zu versehen, um Licht aus dem Streifenwellenleiter in einen zweiten Streifenwellenleiter oder in eine optische Faser zu koppeln.
Die US 6,980 , 720 B2 beschreibt eine Modentransformation von einem Streifen- oder Schichtwellenleiter in einen darüber angeordneten Streifenwellenleiter. Letzterer läuft zu diesem Zweck anfangs- und endseitig keilförmig zu, wobei die Keile auch durch gestufte Strukturen angenähert sein können.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Aufgabe der Erfindung ist es, eine integrierte optische Schaltung mit einem Schichtwellenleiter und einer Wellenleiterlinse konstanter Dicke anzugeben, die einfach herzustellen ist und bei der die durch die Wellenleiterlinse verursachten optischen Verluste gering sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine integrierte optische Schaltung gelöst, die einen optischen Schichtwellenleiter hat, der eine sich in einer ersten Ebene erstreckende Kernschicht hat. Ferner umfasst die integrierte optische Schaltung eine Wellenleiterlinse, die sich in einer zu der ersten Ebene parallelen zweiten Ebene erstreckt und dazu eingerichtet ist, in dem Schichtwellenleiter geführtes Licht zu sammeln oder zu zerstreuen. In einer Richtung senkrecht zu der zweiten Ebene hat die Wellenleiterlinse eine konstante Dicke. Erfindungsgemäß sind in der zweiten Ebene in einem Übergangsbereich, der sich zumindest über einen Teil des Umfangs der Wellenleiterlinse erstreckt, mehrere Subwellenleiterstrukturen angeordnet, welche senkrecht zu der zweiten Ebene die gleiche Dicke haben. Die Subwellenleiterstrukturen sind dabei mit einem Füllfaktor verteilt, der mit zunehmendem Abstand der Wellenleiterlinse kontinuierlich oder schrittweise abnimmt.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass man durch die Anordnung von Subwellenlängenstrukturen in einem an die Wellenleiterlinse angrenzenden Übergangsbereich erreichen kann, dass der Modenüberlapp so verbessert werden kann, dass die Reflexions-und Streuverluste an der Grenzfläche der Wellenleiterlinse abnehmen. Auf diese Weise ist es möglich, die durch Modenmismatch verursachten Verluste, die typischerweise in der Größenordnung von rund 15% liegen, für übliche Materialien und Schichtdicken auf Werte unter 10% zu reduzieren. Da nicht nur die Wellenleiterlinse, sondern auch die Subwellenlängenstrukturen jeweils die gleiche Dicke haben, lässt sich die erfindungsgemäße integrierte optische Schaltung mit hoher Genauigkeit auf einfache Weise mit den bekannten photolithographischen Verfahren herstellen.
Als Füllfaktor F eines Materials bezeichnet man dessen Materialdichte. Für ein Material i ist der Füllfaktor F_i somit definiert durch $F_{i} = {dV}_{i} /dV,$
wobei pro Volumeneinheit dV die Summe iΣF_i der Füllfaktoren gleich 1 ist. Falls die Subwellenlängenstrukturen aus mehreren Materialien mit unterschiedlichen Brechzahlen bestehen, kann dem durch die Annahme eines einheitlichen Materials Rechnung getragen werden, dass eine effektive mittlere Brechzahl hat.
Das Konzept des Füllfaktors ist auch auf Ausgestaltungen anwendbar, bei denen sowohl die Wellenleiterlinse als auch die Subwellenlängenstrukturen als Hohlräume in einem umgebenden Material ausgebildet sind.
Im Prinzip kann sich die Dicke der Subwellenlängenstrukturen von der Dicke der Wellenleiterlinse um einen gewissen Betrag unterscheiden. Mit Blick auf den Herstellungsprozess einfacher ist es jedoch, wenn die Dicke der Subwellenlängenstrukturen gleich der Dicke der Wellenleiterlinse ist.
Für die Ausbildung der Subwellenlängenstrukturen kommt es lediglich darauf an, dass der Füllfaktor mit zunehmendem Abstand von der Wellenleiterlinse kontinuierlich oder schrittweise abnimmt. Im Stand der Technik sind verschiedene Möglichkeiten bekannt, wie Subwellenlängenstrukturen konfiguriert sein können, die dieser Maßgabe genügen.
Bei einem Ausführungsbeispiel sind zumindest einige Subwellenlängenstrukturen als Stege mit einem zumindest im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt ausgebildet. Jeder Steg hat einen konstanten Abstand zu der Wellenleiterlinse, wobei die Abstände unterschiedlicher Stege zu der Wellenleiterlinse unterschiedlich sind. Bei einer kreisscheibenförmigen Wellenleiterlinse bedeutet dies beispielsweise, dass die Stege Kreisringe oder Kreisringabschnitte sind, die konzentrisch zur geometrischen Mitte der Wellenleiterlinse angeordnet sind. Die Stege können die Wellenleiterlinse dabei vollständig oder nur teilweise umgeben. Im Allgemein genügt es, die Stege nur dort vorzusehen, wo sie der im Schichtwellenleiter geführten optische Mode ausgesetzt sind.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel sind zumindest einige Subwellenlängenstrukturen einstückig mit der Wellenleiterlinse ausgebildet. Einstückig oder von der Wellenleiterlinse getrennte Subwellenleiterstrukturen können in einem Schnitt parallel zu der zweiten Ebene die Form eines Polygons, und zwar insbesondere eines Dreiecks oder eines Trapezes, haben. Auf diese Weise lässt sich durch die Festlegung der Winkel des Dreiecks bzw. des Trapezes die Abnahme des Füllfaktors mit zunehmendem Abstand von der Wellenleiterlinse einstellen.
Das Polygon kann insbesondere die Form eines (z.B. gleichschenkligen) Dreiecks haben. Diese dreieckigen Subwellenlängenstrukturen sind gleichmäßig zumindest über einen Teil des Umfangs der Wellenleiterlinse verteilt, wobei die Basis der Dreiecke zumindest im Wesentlichen parallel zum Umfang der Wellenleiterlinse verläuft. Diese Subwellenlängenstrukturen können dabei auch einstückig mit der Wellenleiterlinse ausgebildet sein, so dass die Basis der Dreiecke in den Umfang der Wellenleiterlinse übergeht.
Im Prinzip kommt in Betracht, dass das Material, aus dem die Wellenleiterlinse besteht, unmittelbar an den Kern des Schichtwellenleiters anliegt. Häufig ist es jedoch günstiger, wenn die Wellenleiterlinse und vorzugsweise auch die Subwellenlängenstrukturen von der Kernschicht des Schichtwellenleiters durch mindestens eine (dünne) weitere Schicht getrennt ist. Eine solche Schicht bildet sich bei bestimmten Materialien wie z.B. Silizium ohne besonderes Zutun durch Oxidation an der umgebenden Luft. Die Dicke der Zwischenschicht stellt einen zusätzlichen Freiheitsgrad dar, mit dem sich der Modenüberlapp einstellen lässt.
Vorzugsweise sind die wellenführenden Bereiche, also sowohl die Kernschicht des Schichtwellenleiters als auch die Wellenleiterlinse, in ein Umgebungsmaterial (eng. cladding) eingebettet, wie dies an sich im Stand der Technik bekannt ist. Ein solches Umgebungsmaterial schützt die davon umschlossenen Strukturen vor Oxidation und Verunreinigungen.
Wenn die Wellenleiterlinse aus einem Material mit homogener Brechzahl besteht und eine konstante Höhe hat, muss sie mindestens eine gekrümmte Grenzfläche haben, die zumindest im Wesentlichen senkrecht zu der zweiten Ebene ausgerichtet ist.
Wenn die Wellenleiterlinse hingegen aus einem Material besteht, das eine inhomogene Brechzahlverteilung hat, kann auf eine gekrümmte Grenzfläche verzichtet werden. In diesem Fall kann die Wellenleiterlinse eine rechteckige Form haben, an deren Umfang sich der Übergangsbereich anschließt, der diese Subwellenlängenstrukturen enthält.
Wenn die integrierte optische Schaltung eine Lichtquelle hat, die dazu eingerichtet ist, Licht mit einer Mittelwellenlänge λ zu erzeugen, dann sollten die Abmessungen der Subwellenlängenstrukturen senkrecht zu einer Ausbreitungsrichtung des Lichts kleiner sein als k · λ, wobei k = 1 und vorzugsweise k= 0.5 und weiter vorzugsweise k= 0.1 ist.
Sofern vorstehend davon die Rede ist, dass sich Strukturen in einer Ebene befinden, so bedeutet dies, dass die Strukturen an diese Ebene angrenzen oder die Ebene diese Strukturen durchsetzt.
Figurenliste
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:

1: eine perspektivische Ansicht eines Ausschnitts aus einer erfindungsgemäßen integrierten optischen Schaltung mit einer Wellenleiterlinse, die über einen Schichtwellenleiter angeordnet ist;
2: einen Querschnitt durch den in der 1 gezeigten Ausschnitt entlang der Linie II-II;
3: die in den 1 und 2 gezeigte integrierte optische Schaltung in einer ausschnittsweisen Draufsicht, in der die Wellenleiterlinse und der Übergangsbereich erkennbar sind;
4: einen Querschnitt ähnlich der 2, jedoch ergänzt mit schematischen Darstellungen der im Schichtwellenleiter und in der Wellenleiterlinse geführten optischen Moden;
5: einen Graphen, in dem der Füllfaktor F in Abhängigkeit vom Abstand z von der Wellenleiterlinse schematisch für verschiedene Varianten dargestellt ist;
6 und 7 verschiedene Varianten für die Ausbildung der Subwellenlängenstrukturen im Übergangsbereich entlang einer gekrümmten Grenzfläche der Wellenleiterlinse;
8 und 9 weitere Varianten für die Ausbildung der Subwellenlängenstrukturen im Übergangsbereich entlang einer geraden Grenzfläche einer rechteckigen Wellenleiterlinse, die ein Brechtzahlprofil hat.

BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
1. Erstes Ausführungsbeispiel
Die 1, 2 und 3 zeigen eine insgesamt mit 10 bezeichnete integrierte optische Schaltung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer perspektivischen Darstellung, einem Querschnitt entlang der Linie II-II bzw. ausschnittsweise in einer Draufsicht.
Die integrierte optische Schaltung 10 umfasst einen Schichtwellenleiter 12, dessen wellenführender Bereich durch eine Kernschicht 14 gebildet wird. Diese erstreckt sich mit konstanter Dicke d_c in einer ersten Ebene und besteht aus einem Material mit einer Brechzahl n₁. Die Kernschicht 14 ist zwischen einer unteren Mantelschicht 16 und einer oberen Mantelschicht 18 angeordnet, die im dargestellten Ausführungsbeispiel aus dem gleichen Material bestehen, das eine Brechzahl n₂ < n₁ hat. Die untere Mantelschicht 16 kann das Substrat der integrierten optischen Schaltung 10 sein oder auf einem zusätzlichen und in den Figuren nicht dargestellten Substrat aufgebracht sein.
Licht, das in der durch einen Pfeil 20 angedeuteten Richtung in die Kernschicht 14 des Schichtwellenleiters 12 eingekoppelt wird, wird in der Kernschicht 14 durch Totalreflexion an der oberen und der unteren Grenzfläche zu den Mantelschichten 16, 18 geführt und durchtritt den Schichtwellenleiter 12 entlang der z-Richtung.
In einigen Fällen ist es zweckmäßig, die Kernschicht 14 auch seitlich (d.h. in y-Richtung) von einem Mantelmaterial zu umgeben, wie dies an sich im Stand der Technik bekannt, in den Figuren jedoch nicht dargestellt ist.
Parallel zu einer ersten Ebene, in der sich die Kernschicht 14 des Schichtwellenleiters 12 erstreckt, verläuft eine zweite Ebene 22, die in den 1 und 2 mit gestrichelten Linien angedeutet ist. In der zweiten Ebene erstreckt sich eine Wellenleiterlinse 24, deren Brechzahl n₃ im dargestellten Ausführungsbeispiel größer ist als die Brechzahl n₂ der umgebenden oberen Mantelschicht 18. Wie in der 2 erkennbar ist, hat die Wellenleiterlinse 24 über ihre gesamte Ausdehnung in der zweiten Ebene 22 hinweg eine konstante Dicke d_L. Um eine Linsenwirkung zu erzielen, hat die Wellenleiterlinse 24 eine gekrümmte und senkrecht zu der zweiten Ebene 22 ausgerichtete laterale Grenzfläche 26, deren Kontur im dargestellten Ausführungsbeispiel oval ist, wie am besten in der Draufsicht der 3 erkennbar ist. Die Kontur der lateralen Grenzfläche 26 der Wellenleiterlinse 24 legt deren optische Eigenschaften fest. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Kontur konvex gekrümmt. Infolge des geringen Abstands entlang der x-Richtung zwischen der Wellenleiterlinse 24 und der Kernschicht 14 koppelt die im Schichtwellenleiter 12 geführte optische Mode teilweise in die Wellenleiterlinse 24 über und erfährt dort aufgrund der konvex gekrümmten lateralen Grenzfläche 26 eine Sammelwirkung, wie dies in der 1 schematisch durch zwei konvergierende Lichtstrahlen 28 angedeutet ist.
Die Kontur der lateralen Grenzfläche kann selbstverständlich auch kreisbogenförmig sein, wodurch sich die Wirkung einer sphärischen Linse ergibt.
Nur in der 2 ist erkennbar, dass die Wellenleiterlinse 24 von der Kernschicht 14 durch eine optionale Zwischenschicht 30 getrennt ist.
Durch den abrupten Übergang zwischen dem Schichtwellenleiter 12 und der Wellenleiterlinse 24 entstehen signifikante Auskoppel-, Streu- und Reflexionsverluste, die auf stark unterschiedliche optische Moden in den beiden wellenführenden Bereichen zurückzuführen sind. Diese Verluste lassen sich durch die Bestimmung des Modenüberlappintegrals berechnen, dessen Betrag bei idealem Modenüberlapp gleich 1 ist. Die Größe des Modenüberlappintegrals hängt von den konkreten Abmessungen des Schichtwellenleiters 12, der Zwischenschicht 30 und der Wellenleiterlinse 24 und den verwendeten Materialien ab. Für den Fall, dass die Kernschicht 14 aus Silizium-Nitrit besteht und eine Dicke d_c von 200 nm hat und die Wellenleiterlinse 24 aus kristallinem Silizium besteht und eine Dicke von 40 nm hat, beträgt das Modenüberlappintegral ungefähr 85%, was einem Wellenleiterverlust von 15% entspricht.
Um die optischen Moden im Schichtwellenleiter 12 und in der Wellenleiterlinse 24 kontinuierlich oder schrittweise ineinander zu überführen und auf diese Weise die Lichtverluste zu verringern, sind in der integrierten optischen Schaltung 10 in der zweiten Ebene 22 in einem Übergangsbereich 32, der sich zumindest über einen Teils des Umfangs der Wellenleiterlinse 24 erstreckt, mehrere Subwellenlängenstrukturen 341, 342, 343 angeordnet, welche die gleiche Dicke d_L wie die Wellenleiterlinse 24 haben. Diese Subwellenlängenstrukturen 341 bis 343 sind mit einem Füllfaktor F über den Übergangsbereich 32 verteilt, der mit zunehmendem Abstand von der Wellenleiterlinse 24 kontinuierlich oder schrittweise abnimmt.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Subwellenlängenstrukturen 341 bis 343 als Stege ausgebildet, die einen zumindest im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt haben. Wie am besten in der 3 erkennbar ist, hat die Subwellenlängenstruktur 341 einen Abstand d₁ von der Wellenleiterlinse 24, der über den gesamten Umfang der Wellenleiterlinse 24 hinweg gleich ist. Entsprechendes gilt für die Abstände d₂ und d₃ der Subwellenlängenstrukturen 342 und 343, wobei d₁ < d₂ < d₃ gilt. Die Abstände d₁, d₂, d₃ nehmen dabei nach außen hin immer stärker zu. Dadurch ergibt sich in der Draufsicht eine konzentrische Anordnung von Ringen, deren Abstand von der Wellenleiterlinse 24 immer größer wird. Auf diese Weise nimmt der Füllfaktor F quasi-kontinuierlich mit zunehmenden Abstand von der Wellenleiterlinse 24 ab.
Die Breiten der ringförmigen Stege, aus denen die Subwellenlängenstrukturen 341 bis 343 bestehen, sind dabei deutlich kleiner als die Wellenlänge λ des Lichts, das den Schichtwellenleiter 12 durchtritt. Dadurch kommt es an den Subwellenlängenstrukturen 341 bis 343 nicht zu unerwünschten Beugungseffekten. Die genauen Abmessungen der Subwellenlängenstrukturen 341 bis 343 müssen auf die tatsächliche Dimensionierung der Schichtdicken und der verwendeten Materialien abgestimmt werden, um die Verluste zu minimieren. Berechnungen haben gezeigt, dass mit geeignet ausgelegten Subwellenlängenstrukturen der Betrag des Modenüberlappintegrals auf Werte von über 90% angehoben werden kann, was Verlusten von weniger als 10% entspricht. Dies entspricht im Vergleich zu Wellenleiterlinsen ohne umgebende Subwellenleiterstrukturen einer Verringerung um mehr als 30%.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel befindet sich die Zwischenschicht 30 auch (und zwar ebenfalls strukturiert) unterhalb der Subwellenlängenstrukturen 341 bis 343, wie dies in der 2 erkennbar ist. Dadurch erstrecken sich die Subwellenlängenstrukturen 341 bis 343 ebenfalls in der zweiten Ebene 22. Bei anderen Ausführungsbeispielen ist die Zwischenschicht 30 nicht strukturiert, so dass die Subwellenlängenstrukturen 341 bis 343 nicht bis in die zweite Ebene 22 hineinreichen.
Die 4 zeigt den Querschnitt der 2 in etwas vergrößerter Darstellung. Zusätzlich sind dort an mehreren Orten Profile 36 optischer Moden schematisch eingezeichnet. Die Profile 36 verdeutlichen, wie die optische Mode in der Kernschicht 14 im Übergangsbereich 32 in die optische Mode in der Wellenleiterlinse 24 überführt wird.
In der 5 ist schematisch in einem Graphen aufgetragen, wie der Füllfaktor F in dem Übergangsbereich 32 zwischen Abstandskoordinaten Z₁ und Z₂ kontinuierlich oder schrittweise zwischen Werten von 0 (Beginn des Übergangsbereichs 32) und 1 (Ende des Übergangsbereichs 32 = Beginn der Wellenleiterlinse 24) zunehmen kann. Mit durchgezogener Linie ist ein linearer Anstieg des Füllfaktors F dargestellt. Es sind aber auch nichtlineare Anstiege (doppelstrichpunktierte Linie) oder schrittweise Anstiege (gestrichelte Linie) möglich. Welche Art des Anstiegs des Füllfaktors F im Einzelfall zu den niedrigsten Verlusten durch Modenmismatch führt, hängt von den konkreten Abmessungen und Materialien des Schichtwellenleiters 12 und der Wellenleiterlinse 24 ab.
Die vorstehenden Erläuterungen bezogen sich nur auf den Übergangsbereich 32 beim Eintritt des Lichts in die Wellenleitlinse 24. Die gleichen Überlegungen gelten entsprechend auch für den Austritt des Lichts aus der Wellenleiterlinse 24. Die Subwellenlängenstrukturen 341, 342, 343 im rückwärtigen Abschnitt des Übergangsbereichs 32 verringern auch dort wirkungsvoll Verluste infolge von Modenmismatch.
2. Weitere Ausführungsbeispiele
Die 6 bis 9 zeigen verschiedene Varianten für die Ausbildung der Subwellenleiterstrukturen.
Bei dem in der 6 gezeigten Ausführungsbeispiel haben die Subwellenlängenstrukturen 34 in einem Schnitt parallel zur zweiten Ebene 22 die Form eines gleichschenkligen Dreiecks, wobei die Basis eines jeden Dreiecks zumindest im Wesentlichen parallel zum Umfang der Wellenleiterlinse 24 verläuft und einstückig mit dieser ausgebildet ist, so dass die Basis der Dreiecke in den Umfang der Wellenleiterlinse 24 übergeht. Dadurch wird ein lineare Anstieg des Füllfaktors innerhalb des Übergangsbereichs 32 erzielt.
Bei dem in der 7 gezeigten Ausführungsbeispiel haben die Subwellenlängenstrukturen 34' nicht die Form gleichschenkliger Dreiecke, sondern von Trapezen, deren Grundseite zur Wellenleiterlinse 24 zeigt. Anders als bei dem in der 6 gezeigten Ausführungsbeispiel sind mehrere Reihen von Subwellenlängenstrukturen 34' vorgesehen, wobei innerhalb jeder Reihe alle Subwellenlängenstrukturen 34' die gleichen Abmessungen haben. Der Abstand der Reihen ist konstant, aber die Größe der Subwellenlängenstrukturen 34' nimmt mit abnehmenden Abstand zur Wellenleiterlinse 24 zu. Die Zunahme des Füllfaktors F zur Wellenleiterlinse 24 hin wird hier also durch die zunehmende Größe der Subwellenlängenstrukturen 34' erzielt.
Bei dem in der 8 gezeigten Ausführungsbeispiel besteht die Wellenleiterlinse 24' nicht aus einem Material mit homogener Brechzahl. Stattdessen wurde durch Ionenimplantation ein Brechzahlprofil erzeugt, das durch eine Grauschattierung in der 7 angedeutet ist. Die Brechzahl nimmer dabei kontinuierlich von den Rändern entlang der y-Richtung zu und ist auf der Symmetrieachse der Wellenleiterlinse 24 am größten. Auf diese Weise kann eine sammelnde Wirkung erzielt werden, ohne dass die laterale Grenzfläche 26 der Wellenleiterlinse 24' gekrümmt sein muss.
Bei diesem Ausführungsbeispiel haben die Subwellenlängenstrukturen 34" ähnlich wie bei dem mit Bezug auf die 1 bis 3 gezeigten Ausführungsbeispiel die Form von Stegen mit rechteckigen Querschnitten. Anders als bei jenem Ausführungsbeispiel ist in der 8 der Abstand zwischen benachbarten Stegen konstant, während die Breite der Stege mit abnehmenden Abstand von der Wellenleiterlinse 24' zunimmt. Die Brechzahlen der Stege sollten dabei genauso wie die Brechzahl in der Wellenleiterlinse 24' von den Rändern zur Symmetrieachse zunehmen, was in der 8 nicht dargestellt ist.
Stege wie in der 8 gezeigt können natürlich auch bei Wellenleiterlinsen mit homogener Brechzahl und gekrümmten Grenzflächen verwendet werden. Die Stege sind dann nicht gerade, sondern gekrümmt, und zwar vorzugsweise so, dass die Stege parallel zur gekrümmten Grenzfläche verlaufen. Ferner oder zusätzlich käme in Betracht, innerhalb der einzelnen Stege deren Breite von innen nach außen abnehmen zu lassen.
Die 9 zeigt eine Variante des in der 8 gezeigten Ausführungsbeispiels. Die Wellenleiterlinse 24' hat dort ebenfalls einen rechteckigen Umfang und ein Brechungsindexprofil. Die stegförmigen Subwellenlängenstrukturen 534 haben bei diesem Ausführungsbeispiel jedoch alle die gleiche Breite, und auch der Abstand zwischen benachbarten Subwellenlängenstrukturen 534 ist konstant. Eine Zunahme des Füllfaktors F wird bei diesem Ausführungsbeispiel dadurch erreicht, dass die stegförmigen Subwellenlängenstrukturen 534 unterbrochen sind, wobei das Verhältnis von Steg zu Unterbrechung mit abnehmendem Abstand zur Wellenleiterlinse 24' zunimmt.
Auch hier sollten die Brechzahlen der Stege von den Rändern zur Symmetrieachse zunehmen, was in der 9 nicht dargestellt ist. Alternativ hierzu können die Unterbrechungen zwischen den Stegen mit zunehmendem Abstand von der Symmetrieachse länger werden, und/oder die Breite der Stege nimmt in dieser Richtung ab.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0261849 A1 [0005]
US 2012/0183250 A1 [0008]
US 2008/0193080 A1 [0009]
US 6980 [0010]
US 720 B2 [0010]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

R. Halir et al. mit dem Titel „Waveguide sub-wavelength structures: a review of principles and applications“, Laser & Photonics Reviews, 9(1), 25-49 [0007]

Claims

Integrierte optische Schaltung (10), mit einem optischen Schichtwellenleiter (12), der eine sich in einer ersten Ebene erstreckende Kernschicht (14) hat, und einer Wellenleiterlinse (24; 24'), die sich in einer zu der ersten Ebene parallelen zweiten Ebene (22) erstreckt, dazu eingerichtet ist, in dem Schichtwellenleiter (12) geführtes Licht zu sammeln oder zu zerstreuen und in einer Richtung (x) senkrecht zu der zweiten Ebene (22) eine konstante Dicke (d_L) hat, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Ebene (22) in einem Übergangsbereich (32), der sich zumindest über einen Teil des Umfangs der Wellenleiterlinse (24; 24') erstreckt, mehrere Subwellenlängenstrukturen (341, 342, 343; 34; 34'; 34''; 34''') angeordnet sind, die senkrecht zu der zweiten Ebene (22) die gleiche Dicke haben, wobei die Subwellenlängenstrukturen mit einem Füllfaktor (F) verteilt sind, der mit zunehmenden Abstand von der Wellenleiterlinse (24; 24') kontinuierlich oder schrittweise abnimmt.
Integrierte optische Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Subwellenlängenstrukturen gleich der Dicke (d_L) der Wellenleiterlinse (24; 24') ist.
Integrierte optische Schaltung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einige Subwellenlängenstrukturen (341, 342, 343; 34''; 34''') als Stege mit einem zumindest im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt ausgebildet sind, wobei jeder Steg einen konstanten Abstand zu der Wellenleiterlinse (24; 24') hat und die Abstände unterschiedlicher Stege zu der Wellenleiterlinse (24; 24') unterschiedlich sind.
Integrierte optische Schaltung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einige Subwellenlängenstrukturen (34) einstückig mit der Wellenleiterlinse (24) ausgebildet sind.
Integrierte optische Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einige Subwellenlängenstrukturen (34; 34'; 34''; 34''') in einem Schnitt parallel zu der zweiten Ebene (22) die Form eines Polygons haben.
Integrierte optische Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Polygon ein Dreieck ist, die Subwellenlängenstrukturen (34) gleichmäßig zumindest über einen Teil des Umfangs der Wellenleiterlinse (24) verteilt sind und die Basis der Dreiecke zumindest im Wesentlichen parallel zum Umfang der Wellenleiterlinse (24) verläuft.
Integrierte optische Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenleiterlinse (24; 24') von der Kernschicht (14) des Schichtwellenleiters (12) durch mindestens eine Schicht (30) getrennt ist.
Integrierte optische Schaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Subwellenlängenstrukturen (341, 342, 343; 34; 34'; 34''; 34''') von der Kernschicht (14) des Schichtwellenleiters (12) durch mindestens eine Schicht (30) getrennt sind.
Integrierte optische Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenleiterlinse (24) mindestens eine gekrümmte Grenzfläche (26) hat, die zumindest im Wesentlichen senkrecht zu der zweiten Ebene (22) ausgerichtet ist.