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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Silizium-Photonik-Vorrichtung. Insbesondere stellt die vorliegende Erfindung einen farblosen optischen Splitter basierend auf einer Silizium-auf-Isolator (SOI)-Plattform, ein Verfahren zur Herstellung desselben, und eine Silizium-Photonik-Schaltung, die mit dem farblosen optischen Splitter für BreitbandKommunikation in einem Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM) oder einem Coarse Wavelength Division Multiplexing (CWDM) System integriert ist.
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In den letzten Jahrzehnten ist die Nutzung von Breitband-Kommunikationsnetzen explodiert. In den Anfängen des Internets waren die beliebten Anwendungen auf E-Mails, das Schwarze Brett und das meist informations- und textbasierte Surfen auf Webseiten beschränkt, und die übertragene Datenmenge war in der Regel relativ gering. Heute erfordern Internet- und mobile Anwendungen eine enorme Bandbreite für die Übertragung von Foto-, Video-, Musik- und anderen Multimedia-Dateien. Ein soziales Netzwerk wie Facebook verarbeitet zum Beispiel täglich mehr als 500 TB an Daten. Bei solch hohen Anforderungen an Daten und Datenübertragung müssen die bestehenden Datenkommunikationssysteme verbessert werden, um diesen Anforderungen gerecht zu werden.
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Integrierte photonische Schaltungen im großen Maßstab werden für viele Anwendungen zunehmend vielversprechend, einschließlich optischer Netzwerke der nächsten Generation, optischer Verbindungen, DWDM-Systeme (Dense Wavelength Division Multiplexed), kohärenter Transceiver, Lab-on-Chip usw.. Integrierte Photonik-Schaltungen auf Siliziumbasis sind aufgrund ihrer Kompatibilität mit ausgereiften CMOS-Technologien (komplementäre Metall-Oxid-Halbleiter) mit exzellenter Prozesskontrolle, niedrigen Kosten und hohen Stückzahlen ebenfalls sehr beliebt geworden. Darüber hinaus wird Silizium-auf-Isolator (SOI) häufig als Substrat für die Herstellung verschiedener Silizium-Photonik-Bauteile verwendet. Es ist bekannt, dass SOIbasierte Wellenleiter in der Regel stark polarisationsempfindlich sind, so dass viele Geräte zur Handhabung der Polarisation, einschließlich breitbandiger farbloser Splitter, sehr wichtige Komponenten in der integrierten Silizium-Photonik-Schaltung (SPIC) geworden sind.
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Zum Beispiel ist ein kompakter optischer Splitter, der auf einem SOI-Substrat durch einen einfachen Prozess mit hoher Fertigungstoleranz hergestellt wird, erwünscht, um mit anderen Silizium-Photonik-Bauelementen integriert zu werden und als eine entscheidende Komponente für SPIC-basierte DWDM- oder CWDM-Systeme, die im C-Band oder O-Band arbeiten, verwendet zu werden. Bisherige Ansätze zur Herstellung von optischen Splittern für integrierte Silizium-Photonik-Schaltungen sind meist prozessintolerant, wellenlängenabhängig über ein breites Band, fertigungssensitiv, abmessungsempfindlich und schwer mit anderen Silizium-Photonik-Bauteilen zu integrieren.
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KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Silizium-Photonik-Vorrichtung. Insbesondere stellt die vorliegende Erfindung einen farblosen optischen Splitter basierend auf einer Silizium-auf-Isolator (SOI)-Plattform, ein Verfahren zur Herstellung desselben und eine Silizium-Photonik-Schaltung, die mit dem farblosen optischen Splitter integriert ist, für die Breitbandkommunikation in DWDM- oder CWDM-Systemen zur Verfügung, obwohl auch andere Anwendungen möglich sind.
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In modernen elektrischen Verbindungssystemen haben serielle Hochgeschwindigkeitsverbindungen parallele Datenbusse ersetzt, und die Geschwindigkeit der seriellen Verbindungen nimmt aufgrund der Weiterentwicklung der CMOS-Technologie rasch zu. Die Internet-Bandbreite verdoppelt sich nach dem Moore'schen Gesetz fast alle zwei Jahre. Doch das Mooresche Gesetz wird im nächsten Jahrzehnt zu Ende gehen. Standard-CMOS-Siliziumtransistoren werden ihre Skalierung um 5 nm herum beenden. Und die Internet-Bandbreite, die durch die Prozess-Skalierung zunimmt, wird ein Plateau erreichen. Aber Internet- und mobile Anwendungen erfordern ständig eine große Menge an Bandbreite für die Übertragung von Foto-, Video-, Musik- und anderen Multimedia-Dateien. Diese Offenlegung beschreibt Techniken und Verfahren zur Verbesserung der Kommunikationsbandbreite über das Moore'sche Gesetz hinaus.
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In einer Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung einen optischen Splitter bereit. Der optische Splitter umfasst ein Silizium-Isolator-Substrat mit einer Mantelschicht. Der optische Splitter umfasst zusätzlich einen ersten Wellenleiter mit einer ersten Breite und einer ersten Länge, der in der Mantelschicht eingebettet ist. Darüber hinaus enthält der optische Splitter einen zweiten Wellenleiter mit einer zweiten Breite und einer zweiten Länge, der in der Mantelschicht eingebettet ist und in unmittelbarer Nähe des ersten Wellenleiters um einen Spaltabstand angeordnet ist. Ein Verhältnis der zweiten Breite über der ersten Breite ist so konfiguriert, dass es kleiner als 1 ist, während die erste Länge, die zweite Länge und der Spaltabstand so konfiguriert sind, dass sie eine evaneszente Kopplung einer ersten eingeschränkten Mode eines optischen Signals in dem ersten Wellenleiter in den zweiten Wellenleiter ermöglichen, wobei ein bestimmtes Aufteilungsverhältnis in einem Bereich von 1% bis <50% im Wesentlichen unverändert über ein Breitband von Wellenlängen erreicht wird.
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Viele Vorteile des optischen Splitters können mit der vorliegenden Erfindung auf Basis der SOI-Plattform erreicht werden. Beispielsweise ist die SOI-Plattform vollständig kompatibel mit der CMOS-Technologie, was den Prozess der Herstellung des optischen Splitters selbst sowie die Integration mit anderen Silizium-Photonik-Bauteilen erheblich vereinfacht. Die hohe Fertigungstoleranz bei der Materialauswahl und den Funktionsmaßen ermöglicht einen einfachen Herstellungsprozess für den optischen Splitter auf Basis eines SOI-Substrats. Durch ein neuartiges Design mit evaneszentem Kopplungsmechanismus kann der optische Splitter als vollständig farbloser Splitter für ein breites Band wie das C-Band von mindestens 1530 nm bis 1570 nm oder das O-Band von mindestens 1270 nm bis 1330 nm hergestellt werden, was für DWDM- und CWDM-Anwendungen von großem Vorteil ist.
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Figurenliste
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- 1 ist ein Beispiel für einen verwandten Stand der Technik eines herkömmlichen Richtkopplers mit zwei gleichbreiten Wellenleitern mit einem bestimmten Spalt und dessen optischer Teilungsleistung.
- 2 ist ein weiteres Beispiel für einen verwandten Stand der Technik eines herkömmlichen Richtkopplers mit zwei gleichbreiten Wellenleitern mit einer gewissen Lücke in gebogener Ausgestaltung und seiner optischen Aufteilungsleistung.
- 3 ist ein schematisches Diagramm eines optischen 1x2 20:80-Splitters, der auf einer SOI-Plattform basiert, und seiner optischen Splitterleistung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
- 4 ist eine Querschnittsansicht des optischen Splitters auf Basis der SOI-Plattform gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
- 5 ist ein schematisches Diagramm eines optischen Splitters basierend auf einer SOI-Plattform in einem 2x2 bidirektionalen Schema gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
- 6 ist ein beispielhaftes Diagramm eines optischen 1x2 5:95-Splitters auf Basis einer SOI-Plattform und seiner optischen Aufteilungsleistung gemäß einigen alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Ein kompakter, prozesstoleranter optischer Splitter, der auf einem Silizium-auf-Isolator (SOI)-Substrat basiert, ist ein entscheidendes Element für die Implementierung der Breitband-DWDM-Lichtwellenübertragung (Dense Wavelength Division Multiplexing) durch eine integrierte Silizium-Photonik-Schaltung (SPIC). Als optischer Splitter kann ein herkömmlicher Richtkoppler verwendet werden, der aus zwei gleich breiten Wellenleitern mit einem bestimmten Spaltabstand besteht. 1 zeigt ein Beispiel für einen herkömmlichen Richtkoppler mit zwei gleichbreiten Wellenleitern mit einem bestimmten Abstand und seine optische Teilungsleistung als 20:80-Splitter. Wie gezeigt, zeigt das Breitband-Teilungsverhältnis des bezeichneten 20:80 Splitters eine deutliche Wellenlängenabhängigkeit und variiert von 0,78 bei 1530 nm bis 0,7 bei 1570 nm. Das Teilungsverhältnis beruht im Wesentlichen auf der Steuerung des Spaltabstands G zwischen zwei Wellenleitern mit der Wahl einer Länge L und W für jeden von ihnen. Es ist bekannt, dass die optische Leistung sehr empfindlich auf die Spaltdimension reagiert, die nur wenige Mikrometer beträgt, was es zu einem sehr herstellungsintoleranten Vorrichtung macht.
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Mehrere Variationen oder Modifikationen des Richtkopplers umfassen adiabatische verjüngte Richtkoppler. Allerdings ist die Länge des adiabatischen verjüngten Richtkopplers lang und immer noch sehr herstellungsempfindlich, wodurch er nicht für die Integration in SPIC geeignet ist. Ein weiteres alternatives Design ist der gitterunterstützte Richtkoppler. Sein kompliziertes Design und seine fertigungssensible Natur machen ihn jedoch nicht zu einem guten Kandidaten für eine großflächige Anwendung in optischen Kommunikationssystemen auf Basis von SPICs. In ähnlicher Weise hat ein segmentierter Richtkoppler ebenfalls eine große Länge (> 100 m) und seine Leistung ist sehr fertigungsabhängig.
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2 zeigt ein weiteres Beispiel für einen verwandten Stand der Technik eines herkömmlichen Richtkopplers mit zwei gleichbreiten Wellenleitern mit einer gewissen Lücke im Biegedesign und seiner optischen Aufteilungsleistung. Wie gezeigt, nimmt der Richtkoppler mit zwei gleichbreiten Wellenleitern eine gebogene Ausgestaltung an, die eine Kombination aus geraden und gekrümmten Abschnitten auf der Basis der Silizium-auf-Isolator-Plattform verwendet, um die Gesamtlänge zu reduzieren und gleichzeitig eine breitbandige optische Aufspaltung zu erreichen. Ein optisches Signal mit der Leistung P wird am Eingangsport In eines ersten Wellenleiters t empfangen, der sich in unmittelbarer Nähe eines zweiten Wellenleiters d befindet. Beide sind mit optimierten Merkmalsabmessungen oder Krümmungen gebogen, um ein gewünschtes Aufteilungsverhältnis zu erreichen, so dass ein aufgeteilter Anteil der optischen Leistung vom ersten Wellenleiter t in den zweiten Wellenleiter d gekoppelt wird. Ein größerer Teil der Leistung P des optischen Signals wird von einem Hauptausgang T (oder Bar-Ausgang) des ersten Wellenleiters t ausgegeben und ein kleinerer Teil der Leistung P des optischen Signals wird von einem geteilten Ausgang D (oder Quer-Ausgang) des zweiten Wellenleiters d ausgegeben. Die gebogene Ausgestaltung bestimmt das Aufteilungsverhältnis der optischen Leistung. Die gebogene Ausgestaltung stellt jedoch eine größere Herausforderung bei der Herstellung dar und das Aufteilungsverhältnis hat immer noch eine ziemlich große Wellenlängenabhängigkeit (mit >2dB Verlustvariation) über einen breiten Bereich von 1520 nm bis 1580 nm und darüber hinaus.
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Diese Erfindung bietet einen kompakten, fabrikationstoleranten und im Wesentlichen wellenlängenunabhängigen optischen Breitbandsplitter auf Basis einer Silizium-auf-Isolator-Plattform zur Integration mit integrierten Silizium-Photonik-Schaltungen. Der Herstellungsprozess von zwei ungleich breiten Wellenleitern in einem Mantel eines Silizium-auf-Isolator (SOI)-Substrats liegt im Wesentlichen im Rahmen des Standard-CMOS-Prozesses, und die optische Leistung ist unempfindlich gegenüber den Abmessungen der Hauptmerkmale. Das erreichte Aufteilungsverhältnis kann einen beliebigen Wert zwischen 1 % und <50 % annehmen und ist im Wesentlichen wellenlängenunabhängig für einen großen Bereich von Wellenlängen, was ihn zu einem perfekten optischen Breitbandsplitter macht. Die folgende Beschreibung soll es dem Fachmann ermöglichen, die Erfindung nachzuarbeiten und zu verwenden und sie in den Kontext bestimmter Anwendungen einzubinden. Verschiedene Modifikationen, sowie eine Vielzahl von Verwendungen in verschiedenen Anwendungen werden für den Fachmann auf dem Gebiet leicht ersichtlich sein, und die allgemeinen Grundsätze, die hierin definiert sind können auf eine breite Palette von Ausführungsformen angewendet werden. Daher soll die vorliegende Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt werden, sondern es soll ihr der größtmögliche Anwendungsbereich eingeräumt werden, der mit den hier offenbarten Prinzipien und neuartigen Merkmalen vereinbar ist.
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3 ist ein schematisches Diagramm eines optischen 1x2 20:80-Splitters auf Basis einer SOI-Plattform und seiner optischen Aufteilungsleistung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Dieses Diagramm ist lediglich ein Beispiel, das den Umfang der Ansprüche nicht unangemessen einschränken soll. Ein normaler Fachmann würde viele Variationen, Alternativen und Modifikationen erkennen. Wie in Teil A der Figur gezeigt, umfasst ein optischer 1x2-Splitter zwei Wellenleiter, einen ersten Wellenleiter 101 und einen zweiten Wellenleiter 102, die in unmittelbarer Nähe mit einem Spaltabstand G in einer Mantelschicht 100 auf einem Silizium-auf-Isolator (SOI)-Substrat (nicht direkt sichtbar) angeordnet sind. 4 zeigt außerdem in einer Ausführungsform einen rechteckigen Querschnitt der beiden in der Mantelschicht 100 auf dem SOI-Substrat eingebetteten Wellenleiter. In einer Ausführungsform sind in einer Draufsicht im Teil A der Figur der erste Wellenleiter 101 und der zweite Wellenleiter 102 in im Wesentlichen rechteckiger Form mit einer Länge L, gemessen von einem ersten Ende zu einem zweiten Ende, und zwei unterschiedlichen Breiten W1 bzw. W2 ausgebildet und in Längsrichtung parallel zueinander und durch einen schmalen Spalt G voneinander getrennt. Optional kann der erste Wellenleiter 101 eine erste Länge L1 und der zweite Wellenleiter 102 eine zweite Länge L2 aufweisen. Optional ist die zweite Länge L2 so eingestellt, dass sie im Wesentlichen gleich der ersten Länge L1 ist, oder L2 = L1 = L. In der Ausführungsform umfasst der erste Wellenleiter 101 einen ersten Verjüngungsbereich 107 am ersten Ende zur Kopplung mit einem Eingangswellenleiter 103 und einen zweiten Verjüngungsbereich 108 am zweiten Ende zur Kopplung mit einem Hauptausgangswellenleiter 104. Sowohl der Eingangswellenleiter als auch der Hauptausgangswellenleiter haben eine kleinere Breite als die erste Breite W1. Der zweite Wellenleiter 102 enthält ein erstes Ende 109, das abgeschlossen ist, und einen Verjüngungsbereich 110 am zweiten Ende, um mit einem geteilten Ausgangswellenleiter 105 zu koppeln, der eine geringere Breite als die zweite Breite W2 hat.
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Unter Bezugnahme auf Teil A von 3 und 4 sind sowohl der erste Wellenleiter 101 und der zweite Wellenleiter 102 als auch der Eingangswellenleiter 103, der Hauptausgangswellenleiter 104 und der geteilte Ausgangswellenleiter 105 vollständig in einer Mantelschicht 100 auf dem SOI-Substrat eingebettet. In einer Ausführungsform sind sowohl der erste Wellenleiter 101 als auch der zweite Wellenleiter 102 aus Siliziumnitridmaterial mit einem relativ großen Brechungsindex und die Mantelschicht 100 aus Siliziumoxidmaterial mit einem relativ kleinen Brechungsindex hergestellt. Auch der Eingangswellenleiter 103, der Hauptausgangswellenleiter 104 und der geteilte Ausgangswellenleiter 105 bestehen aus demselben Siliziumnitridmaterial. Optional können auch andere halbleitende Materialien mit relativ großen Brechungsindizes für die Herstellung des ersten Wellenleiters 101 und des zweiten Wellenleiters 102 verwendet werden. Der Brechungsindexunterschied zwischen dem Wellenleiter und der Mantelschicht ermöglicht es, eine transversale Lichtwelle innerhalb des Wellenleiters einzuschließen. Der Prozess zur Herstellung der beiden in der Mantelschicht 100 eingebetteten Wellenleiter ist vollständig kompatibel mit dem allgemeinen CMOS-Prozess, der zur Herstellung verschiedener photonischer Elemente einschließlich verschiedener Wellenleiter auf der SOI-Plattform durchgeführt wird. In einer Ausführungsform, wie in 4 gezeigt, ist der zweite Wellenleiter 102 in unmittelbarer Nähe des ersten Wellenleiters 101 mit einem kleinen Spaltabstand G angeordnet. In einer alternativen Ausführungsform sind die beiden Wellenleiter in einer gleichen vertikalen Linie mit einem Spaltabstand angeordnet. In einer anderen Ausführungsform sind die beiden Wellenleiter in einem beliebigen Winkel mit einem Spaltabstand angeordnet. Obwohl das eigentliche Verfahren zur Bildung der beiden Wellenleiter in einer gleichen Ebene seitlich aus Gründen der Bequemlichkeit und Kostenersparnis bevorzugt werden kann.
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Die beiden Wellenleiter 101 und 102, die wie in Teil A von 3 zu sehen sind, führen zu einem 1x2-Splitter. Optional kann jeder des Eingangswellenleiters 103, des Hauptausgangswellenleiters 104 und des geteilten Ausgangswellenleiters 105 so konfiguriert sein, dass er mit Wellenleitern in integrierten Silizium-Photonik-Schaltungen in verschiedenen optischen und opto-elektrischen Kommunikationsanwendungen gekoppelt werden kann, einschließlich Silizium-Photonik-basierter Breitband- DWDM- oder CWDM-Kommunikationssysteme. Unter der Annahme, dass ein optisches Signal vom Eingangswellenleiter 103 empfangen und durch den ersten Wellenleiter 101 übertragen wird, bevor es über den Hauptausgangswellenleiter 104 ausgegeben wird, ist das optische Signal eine Transversalwelle mit mehreren Moden, die innerhalb des rechteckig geformten ersten Wellenleiters 101, der im Mantelmaterial eingebettet ist, eingeschlossen sind. Eine erste eingeschlossene Mode ist in Teil B von 3 dargestellt. Obwohl ein Großteil der optischen Leistung der ersten eingeschlossenen Mode im inneren Bereich des ersten Wellenleiters 101 enthalten ist, erstreckt sich ein Teil des evaneszenten Endes der Mode aus dem nahen Bereich außerhalb des ersten Wellenleiters 101. In der Ausführungsform ist der zweite Wellenleiter 102 wie erwähnt in unmittelbarer Nähe des ersten Wellenleiters 101 innerhalb des nahegelegenen Bereichs angeordnet, so dass das evaneszente Ende der ersten eingeschlossenen Mode in den zweiten Wellenleiter 102 eingekoppelt werden kann. Optional ist die zweite Breite W2 des zweiten Wellenleiters 102 unterschiedlich zur ersten Breite W1 des ersten Wellenleiters 101 ausgeführt. Obwohl die Längen (und Höhen) der beiden Wellenleiter normalerweise gleich gemacht werden, um den Herstellungsprozess zu vereinfachen, führen die unterschiedlichen Breiten zu unterschiedlichen Ausbreitungskonstanten, die den beiden Wellenleitern zugeordnet sind. Daher schlagen die Moden in den beiden Wellenleitern nicht miteinander, was eine stabile Einkopplung der optischen Leistung des optischen Signals aus dem ersten Wellenleiter 101 in den zweiten Wellenleiter 102 mit einem bestimmten Aufteilungsverhältnis ermöglicht. Zum Beispiel, wie in Teil C von 3 gezeigt, gibt der geteilte Ausgang (Quer bzw. Cross) etwa 20% der Leistung ab, während der Hauptausgang (Balken bzw. Bar) etwa 80% der Leistung abgibt. Beachten Sie, dass das Aufteilungsverhältnis von 20:80 eine im Wesentlichen farblose Konstante ist, d. h. unabhängig von den Wellenlängen, über ein breites Band von mindestens 1530 nm bis 1570 nm.
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In einer Ausführungsform wird das Aufteilungsverhältnis durch die evaneszente Kopplung bestimmt, die eingestellt wird, indem das Breitenverhältnis W2/W1 der beiden Wellenleiter auf einem Wert kleiner als 1 gehalten wird und die Länge L der Wellenleiter und ihr Spaltabstand G während des Herstellungsprozesses des 1x2-Splitters konfiguriert werden, wie in Teil A von 3 gezeigt. Ein beliebiger Wert des Aufteilungsverhältnisses kann durch die erwähnte Konstruktion der Feature-Abmessungen entworfen werden. Optional kann ein Aufteilungsverhältnis von 1 % entworfen werden. Optional kann ein Aufteilungsverhältnis mit einem beliebigen Wert kleiner als 50% entworfen werden. In einer Ausführungsform wird bei der Optimierung des Breitenverhältnisses das Aufteilungsverhältnis im Wesentlichen gesättigt, wenn die Länge L vergrößert und der Spaltabstand G verringert wird. Mit anderen Worten, die Länge L des 1x2-Splitters kann mit einer kleinen Länge optimiert werden, um ihn so kompakt wie möglich zu machen, wobei der Spaltabstand G zu einem unempfindlichen Faktor wird, wenn er klein genug ist, um die Fertigungstoleranz zu gewährleisten. Optional ist der 1x2-Splitter kompakt mit einer Länge, die je nach Aufteilungsverhältnis in 3 mm - 20 mm begrenzt ist. Optional ist der Spaltabstand G zwischen den beiden Wellenleitern wesentlich kleiner als 2 mm, ist aber ein unempfindlicher Faktor für die Bestimmung eines bestimmten Wertes des Teilungsverhältnisses.
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In einer alternativen Ausführungsform kann derselbe evaneszente Kopplungseffekt verwendet werden, um einen farblosen Splitter für den Betrieb im O-Band mindestens von 1270 nm bis 1330 nm für eine Vielzahl von Teilungsverhältnissen im Bereich von 1 % bis <50 % zu entwerfen.
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5 ein schematisches Diagramm eines optischen Splitters basierend auf einer SOI-Plattform im 2x2 bidirektionalen Schema gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Dieses Diagramm ist lediglich ein Beispiel, das den Umfang der Ansprüche nicht unangemessen einschränken soll. Ein normaler Fachmann würde viele Variationen, Alternativen und Modifikationen erkennen. In einer Ausführungsform kann der optische Splitter, der auf der SOI-Plattform basiert, als 2x2-Splitter für bidirektionalen Betrieb ausgeführt sein. Wie dargestellt, umfasst der 2x2-Splitter, ähnlich wie der in 3 gezeigte 1x2-Splitter, einen ersten Wellenleiter 201 mit einer Länge L und einer Breite W1 und einen zweiten Wellenleiter 202 mit einer Länge, die im Wesentlichen der Länge L entspricht, und einer anderen Breite W2, der parallel mit einem Spaltabstand G in unmittelbarer Nähe des ersten Wellenleiters 201 angeordnet ist. Optional ist die zweite Breite W2 kleiner als die erste Breite W1 ausgelegt, um den Effekt der evaneszenten Kopplung zu nutzen, um eine Vielzahl von gewünschten Aufteilungsverhältnissen im Bereich von 1% bis <50% optimal zu realisieren.
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Der erste Wellenleiter 201 und der zweite Wellenleiter 202 haben im Wesentlichen die gleiche Länge L zwischen einem ersten Ende und einem zweiten Ende. Der erste Wellenleiter 201 umfasst einen ersten Verjüngungsbereich 207 am ersten Ende, der mit einem ersten Eingangswellenleiter 203 gekoppelt ist, und einen zweiten Verjüngungsbereich 208 am zweiten Ende, der mit einem Hauptausgangswellenleiter 204 gekoppelt ist. Der Hauptausgangswellenleiter dient einem Balkenausgang mit einem Hauptteil der Leistung eines optischen Signals, das vom ersten Eingangswellenleiter 203 (1st In) empfangen wird. Der zweite Wellenleiter 202 umfasst einen ersten Verjüngungsbereich 209 am ersten Ende, der mit einem zweiten Split-Out-Wellenleiter 206 gekoppelt ist, und einen zweiten Verjüngungsbereich 210, der mit einem ersten Split-Out-Wellenleiter 205 gekoppelt ist. Der erste Split-Out-Wellenleiter 205 ist so konfiguriert, dass er einen kleineren Teil der Leistung eines vom ersten Eingangswellenleiter 203 empfangenen optischen Signals ausgibt. Der zweite Split-Out-Wellenleiter 206 ist so konfiguriert, dass er einen kleinen Teil der Leistung eines optischen Signals ausgibt, das sich in die entgegengesetzte Richtung bewegt und vom Haupt-Out-Wellenleiter 204 empfangen wird. Somit dient der 2x2-Splitter als bidirektionaler optischer Splitter. Der kleinere Teil der Leistung, der entweder im ersten oder im zweiten Ausgangswellenleiter ausgegeben wird, wird im Wesentlichen durch das Aufteilungsverhältnis bestimmt, das innerhalb des 2x2-Splitters durch die Konfiguration der Merkmalsabmessungen einschließlich des Verhältnisses von W2/W1, der Länge L und des Spaltabstands G festgelegt wird.
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6 ist ein beispielhaftes Diagramm eines optischen 1x2 5:95-Splitters auf Basis einer SOI-Plattform und seiner optischen Aufteilungsleistung gemäß einigen alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Dieses Diagramm ist lediglich ein Beispiel, das den Umfang der Ansprüche nicht unangemessen einschränken soll. Ein normaler Fachmann würde viele Variationen, Alternativen und Modifikationen erkennen. Bezug nehmend auf Teil A von 6 wird der optische 1x2 5:95-Splitter durch zwei Wellenleiter, 301 und 302, hergestellt, die eine gleiche Kopplungslänge L und zwei unterschiedliche Breiten W1 und W2 haben und parallel in enger Nachbarschaft mit einem kleinen Spaltabstand G angeordnet sind. Das Aufteilungsverhältnis von 5:95 wird im Wesentlichen durch die Steuerung der Merkmalsabmessungen bestimmt, einschließlich eines optimalen Breitenverhältnisses von W2/W1 <1 und einer optimalen Länge L und eines optimalen Spaltabstands G, um nur das evaneszenten Ende einer ersten eingeschlossenen Mode vom ersten Wellenleiter 301 zum zweiten Wellenleiter 302 zu koppeln, wie in Teil B von 6 zu sehen ist. Die unterschiedliche Ausbreitungskonstante zwischen den beiden Wellenleitern 301 und 302 aufgrund der unterschiedlichen Breiten W1 und W2 sorgt dafür, dass sich die Moden in den beiden Wellenleitern nicht gegenseitig überlagern. Das Aufteilungsverhältnis von 5:95 ist im Wesentlichen gesättigt, da sich die Länge L und der Spalt G jeweils bestimmten optimalen Werten nähern, sobald ein optimales Verhältnis der beiden Breiten (W2/W1<1) während des Herstellungsprozesses zur Bildung des 1x2 5:95-Splitters vorgesehen ist. Wie in Teil C von 6 gezeigt, ist das Aufteilungsverhältnis über einen weiten Wellenlängenbereich im Wesentlichen konstant, da der Hauptanteil der Lichtdurchlässigkeit durch den 95%igen Hauptausgang (Balkenausgang) und der kleinere Anteil der Lichtdurchlässigkeit durch den 5%-igen Splitter (Querausgang) alle unabhängig von den Wellenlängenänderungen von 1520 nm bis 1570 nm sind. Das wellenlängenunabhängige Aufteilungsverhältnis macht den Splitter zu einem farblosen optischen Splitter, der für einen breitbandigen Betrieb in typischen DWDM-Kommunikationssystemen bestens geeignet ist.
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In einer speziellen Ausführungsform wird zur Bildung eines Splitters mit stark asymmetrischem Aufteilungsverhältnis die Länge L tendenziell auf einen kleineren Wert optimiert, im Vergleich zu einem Aufteilungsverhältnis, das näher an 50 % liegt. Der Spaltabstand wird tendenziell auf einen größeren Wert optimiert, um weniger evaneszente Kopplung zu haben. Der Spaltabstand G und die Länge sind jedoch relativ unempfindlich, um ein bestimmtes Aufteilungsverhältnis zu erreichen, was den Herstellungsprozess recht robust macht und die Integration dieses Splitters in integrierte Silizium-Photonik-Schaltungen erleichtert, die häufig in Breitband- DWDM- oder CWDM-optoelektrischen Kommunikationsanwendungen eingesetzt werden.
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In einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Offenbarung eine Silizium-Photonik-Schaltung für ein Breitband-DWDM- oder CWDM-Kommunikationssystem bereit, die einen farblosen optischen Splitter auf Basis einer SOI-Plattform enthält. Optional enthält die Silizium-Photonik-Schaltung passive Komponenten wie Multiplexer oder Demultiplexer, optische Koppler, optische Splitter usw. Optional enthält die Silizium-Photonik-Schaltung Komponenten wie Modulator, Phasenschieber usw., die mit aktiven Bauelementen (Laser oder Photodetektor) gekoppelt sind, um optische Signale mit einem breiten Band von Wellenlängen zu senden oder zu empfangen. Optional kann das Breitband ein C-Band von 1525 nm bis 1575 nm sein, oder mindestens von 1530 nm bis 1570 nm. Optional kann das Breitband ein O-Band sein, das mindestens von 1270 nm bis 1330 nm reicht. Der hier beschriebene farblose optische Splitter kann so optimiert werden, dass er ein beliebiges Aufteilungsverhältnis im Bereich von 1 % bis <50 % hat, um einen bestimmten Teil der Lichtwelle für alle Wellenlängen im C-Band oder O-Band im ersten Wellenleiter auf einen zweiten Wellenleiter aufzuteilen. Optional ist das Aufteilungsverhältnis unabhängig von den Wellenlängen im gesamten Breitband im Wesentlichen konstant. Optional kann der farblose optische Splitter so konfiguriert werden, dass er eine 1x2 unidirektionale Vorrichtung oder eine 2x2 bidirektionale Vorrichtung für unterschiedliche Anwendungen ist. Optional hat der farblose optische Splitter eine kompakte Größe, die leicht in die Silizium-Photonik-Schaltung integriert werden kann, um ein kompaktes Moduldesign und eine hohe Kapazität für Hochgeschwindigkeits-Datenkommunikationsanwendungen zu erreichen.
