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Die Erfindung betrifft einen Modentransformator,
der sich mit dielektrischen Streifenwellenleitern integrieren lässt. Er
ermöglicht
die verlustarme und dejustagetolerante Kopplung dieses Streifenwellenleiters
mit einem dielektrischen Wellenleiter, der eine andersgeartete Intensitätsverteilung
aufweist, insbesondere mit einer Faser.
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Beim optischen Streifenwellenleiter
besteht der Wellenleiterkern aus einem streifenförmigen Dielektrikum, das von
einem anderen Dielektrikum umhüllt
wird. Der Brechungsindex des Wellenleiterkerns ist höher als
der der Umgebung. Im Querschnitt senkrecht zur Ausbreitungsrichtung
weist das im Wellenleiter geführte
Licht eine Intensitätsverteilung
auf, die bestimmt wird durch die verwendeten Materialien und ihre
räumliche
Anordnung. Dabei bestimmt die Geometrie der Wellenleiterstruktur
die Symmetrie der Wellenleiter-Mode. Generell gilt: eine geringe
Differenz der Brechungsindizes führt
zu einer Mode mit sog. schwacher Führung, d.h. mit ausgedehnter
Intensitätsverteilung;
eine große
Differenz bewirkt eine starke Führung
mit konzentrierter Intensitätsverteilung
(siehe z.B. David J. Vezzetti und Michael Munowitz in "Design of
Strip-loaded Optical Waveguides for Low-Loss Coupling to Optical
Fibers", Journal of Lightwave Technology, Vol. 10, No. 5, May 1992).
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Werden optische Wellenleiter unterschiedlicher
Art miteinander gekoppelt, führt
die einfachste Lösung,
die Stoßkopplung,
zu mehr oder weniger großen
Verlusten, je nachdem wie stark sich die Wellenleiter-Moden unterscheiden.
Denn in der Regel besitzen die beiden miteinander zu koppelnden
Wellenleiter Strukturen, die sich in der Geometrie und in der Materialzusammensetzung,
also dem Brechzahlprofil unterscheiden.
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Diese Koppelverluste können vermieden werden,
wenn die Wellenleiter-Kopplung
mit Hilfe eines Modentransformators eingerichtet werden kann, der
die Mode eines Wellenleiters zur Stoßstelle hin an die Mode des
anderen Wellenleiters angleicht.
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Die Faser-Chip-Kopplung ist der wichtigste Spezialfall
der Wellenleiter-Kopplung.
Die Intensitätsverteilungen
in einer optischen Faser und in optischen und opto-elektronischen
Bauelementen auf Halbleiterbasis unterscheiden sich in der Regel
drastisch. Die zirkularsymmetrische Struktur der Faser mit einer
relativ niedrigen Brechzahldifferenz zwischen Kern und Mantel führt zu einem
Lichtfleck mit einem Durchmesser von typischerweise 10 μm und derselben
Symmetrie. Ganz anders sind die Verhältnisse im Wellenleiter von
Lasern, Modulatoren, Detektoren etc. (z.B. auf der Basis von InP),
sie erfordern eine Wellenleiter-Struktur, die zu einem kleinen Modendurchmesser
mit z.T. stark asymmetrischer Intensitätsverteilung führt. Unter
solchen Bedingungen ist eine simple Faser-Chip-Stoßkopplung
nur mit hohen Verlusten möglich.
Die konventionelle Lösung, die
Modentransformation auf Seiten der Faser vorzunehmen (mit Linsen,
Fasertapern etc.), ist wegen der dabei gegebenen geringen Justagetoleranzen
sehr aufwendig und relativ instabil. Die bessere Lösung ist,
mit Hilfe eines auf dem Chip integrierten Modentransformators die
Mode des (Halbleiter-)Wellenleiters aufzuweiten und zu symmetrisieren.
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In der Literatur sind verschiedene
Typen von integrierten Modentransformatoren beschrieben worden.
Die weitaus meisten benutzen das Phänomen, dass die geführte Mode
eines Wellenleiters sich ausdehnt, wenn eine Dimension des Wellenleiterkerns, seine
Breite oder seine Dicke, oder beide ein gewisses Maß unterschreiten.
Man spricht dann von einem lateralen oder Breiten-Taper bzw. einem
vertikalen oder Dicken-Taper. Solche Strukturen herzustellen erfordert
hohen technologischen Aufwand. Da die Wellenleiter-Kernschicht und
damit die Brechzahl nicht verändert
wird, müssen
die Breite bzw. die Dicke am Ende des Modentransformators sehr klein werden.
Bei lateralen Tapern kann die erforderliche Restbreite der Taperspitze
so gering sein, dass sie nur mit einem erheblichen Aufwand reproduzierbar realisiert
werden kann. Vertikale Taper sind nur mit speziellen subtraktiven
Verfahren zu realisieren, da die mit konventioneller Lithographie
herstellbaren Maskierungen i.a. nur einen lateralen Informationsübertrag
erlauben. Die geringe Breite bzw. Dicke muss präzise eingestellt werden, da
kleine Abweichungen schon zu deutlichen Veränderungen der Intensitätsverteilung
führen.
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In der
DE 196 13 701 A1 wird ein
Feldweitentransformator auf der Basis eines vertikalen Tapers beschrieben.
Neben der allmählichen
Reduzierung der Schichtdicke der Wellenleiter-Kernschicht sind als
weiteres wesentliches Element unterhalb des Wellenleiters mehrere
Pufferschichten angeordnet, die durch Leitschichten mit höherem Brechungsindex voneinander
getrennt sind. Mit abnehmender Kernschichtdicke breitet sich die
Mode aus und koppelt mit den Leitschichten, die eine weitere Ausdehnung der
Moden begrenzen. Zusätzlich
wird im Bereich der abgedünnten
Kernschicht seitlich die oberste der Pufferschichten abgetragen,
indem parallel zum Wellenleiter Gräben geätzt werden. Dies verhindert
die übermäßige laterale
Ausdehnung der Mode.
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Einen sehr ähnlichen Modentransformator beschreiben
auch J. Stulemeijer et. al. in "InP-Based Spotsize Converter for
Integration with Switching Devices" (IEEE Photonics Technology Letters.
Vol. 11 No. 1 January 1999). Ein speziell ausgewählter Rippenwellenleiter wird
vertikal (mit Hilfe einer besonderen Ätztechnik) und lateral getapert,
die entstehende aufgeweitete Mode wird von einer dreifachen Sequenz
von Leit- und Pufferschichten (Gesamtdicke ca. 5 μm) aufgenommen.
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In der
US
5,703,895 wird ein Modentransformator beschrieben, bei
dem statt eines stetig dünner werdenden
Wellenleiterkerns eine stufenweise Entfernung der oberen Wellenleiterschichten
eingesetzt wird, im Zusammenspiel mit Leitschichten und einer besonderen
Gestaltung des Querschnitts des gesamten Wellenleiters im Bereich
des Modentransformators.
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P. V. Studenkov et. al. stellen in
"Efficient Coupling in Integrated Twin-Waveguide Lasers Using Waveguide Tapers"
(IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 11 No. 9 September 1999)
ein Modentransformator vor, der das Konzept des „Zwillings-Wellenleiters (Twin-Waveguide)"
in Kombination mit einem lateralen Taper benutzt. Das komplette
Schichtpaket des Wellenleiters besteht oben aus einem aktiven und
unten aus einem passiven Teil. Der aktive Teil enthält die laseraktiven
Quanten-Well-Schichten und die InP-Deckschicht, der passive Teil eine quaternäre GaInAsP-Schicht.
Der aktive Wellenleiter wird mit einem lateralen Taper bis auf eine
Breite von 0,6 μm verjüngt, danach
bleibt als Wellenleiter nur noch die passive Schicht übrig, auf
ihr sitzt noch eine InP-Schicht mit Rippe, um die laterale Führung zu
erzeugen. An diesen Wellenleiter wird eine Faser angekoppelt.
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Bei allen bisher bekannten Typen
müssen zur
Optimierung der Modenverteilung in der Koppelebene zusätzliche
Schichten (z.B. Leitschichten) eingefügt werden bzw. es muss ein
spezieller Wellenleiterkern verwendet werden. Dies kompliziert zumindest
die Herstellung bzw. kann sogar in einigen Fällen die Bauelement-Integration
unmöglich
machen. Damit sind diese Typen nicht universell einsetzbar.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht
darin, einen Modentransformator anzugeben, der in der Koppelebene
eine Mode mit möglichst
der erforderlichen Fleckgröße und -form
erzeugt und somit geringe Kopplungsverluste verursacht. Er soll
technologisch einfach und reproduzierbar hergestellt werden können und
in seiner Konfiguration möglichst
flexibel sein, um verschiedene Wellenleiter aneinander anpassen
zu können.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale des unabhängigen
Patentanspruchs gelöst,
indem in einem definierten Bereich, der der Koppelebene zum anderen
Wellenleiter vorgelagert ist, der Wellenleiterkern aus einzelnen,
inselförmigen Elementen
gebildet wird, die aus demselben Schichtpaket bestehen wie der Kern
des Streifenwellenleiters. Das Kernschichtpaket des Streifenwellenleiters wird
gewissermaßen „verdünnt", indem
es partiell durch das niedrigerbrechende Material der Deckschicht
ersetzt wird. In der Koppelebene sind die Elemente am stärksten „verdünnt", sie
bilden dort also die geringste Fläche und/oder nehmen den größten Abstand
zueinander ein. In diesem Bereich, dem eigentlichen Modentransformator,
nimmt die effektive Brechzahl des Wellenleiters in Richtung zur
Koppelebene ab.
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Solange der Abstand der einzelnen
Elemente untereinander ein bestimmtes Maß nicht überschreitet und die lateralen
Abmessungen der Elemente ein gewisses Maß nicht unterschreiten, wird die
Mode wie in einem kompakten Wellenleiterkern geführt. Durch geeignet gewählte Geometrieparameter
wie Größe, Form
und Verteilung der einzelnen Elemente lässt sich die effektive Brechzahl
des Wellenleiters längs
dieses Bereiches gezielt einstellen und lokal variieren. Damit kann
auch die Mode in der Koppelebene gezielt an die Erfordernisse, z.B.
an die Intensitätsverteilung
einer Faser angepasst werden.
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Die effektive Brechzahl kann auch
herabgesetzt werden, indem die „Verdünnung" des Wellenleiterkerns
nur in einer Dimension vorgenommen wird. Der Wellenleiterkern besteht
dabei in dem definierten Bereich, der der Koppelebene zum anderen
Wellenleiter vorgelagert ist, aus einzelnen streifenförmigen Teilwellenleiterkernen,
die ebenfalls aus demselben Schichtpaket bestehen wie der Wellenleiterkern
des Streifenwellenleiters. Der Abstand der streifenförmigen Teilwellenleiterkerne
zueinander nimmt vom Wert 0 am Beginn des definierten Bereiches,
wo ein kompakter Wellenleiterkern vorliegt, in Richtung auf die
Koppelebene zu, überschreitet
aber ein bestimmtes Höchstmaß nicht.
Durch die Wahl der Anzahl der streifenförmigen Teilwellenleiterkerne,
deren Querschnitt und deren Abstand kann die Mode gezielt beeinflusst
werden.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen
der Erfindung können
den Unteransprüchen
entnommen werden.
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Der wesentliche Vorteil der Erfindung
besteht darin, dass der Modentransformator aufgebaut werden kann,
ohne dass zusätzlich
andere Materialien als das ohnehin vorhandene Wellenleiterkern-Schichtpaket
und die Deckschicht vennrendet werden müssen und ohne dass besondere Ätzverfahren
erforderlich wären.
Der Modentransformator wird durch partielles Wegätzen des vorhandenen Schichtpakets
hergestellt, die vorgeschlagenen Strukturen können mit herkömmlichen
lithografischen Verfahren und Ätztechniken
einfach und reproduzierbar hergestellt werden, da nur laterale Maskierungen/Strukturierungen
benötigt
werden.
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Die Aufteilung des Wellenleiterkerns
in eine Anordnung nahe beieinander liegender Einzelelemente bzw.
streifenförmige
Teilwellenleiterkerne begünstigt
die Realisierung der Aufgabe, die räumliche Entwicklung der Mode
längs des
Wellenleiters vom Halbleiterbauelement zur Koppelebene den jeweiligen
Anforderungen anzupassen, insbesondere eine verlustarme adiabatische
Aufweitung zu erzielen. Denn die Verteilungsdichte der Elemente,
d. h. die Zahl bzw. die Fläche
der Elemente pro Flächeneinheit,
und damit das effektive Brechzahlprofil des Wellenleiters kann längs des
Modentransformators soweit variiert werden, dass die Modenverteilung
die gewünschte
Veränderung
durchläuft.
Da der effektive Brechungsindex durch die Aufteilung in Einzelelemente
reduziert wird, kann die Modenverteilung dadurch aufgeweitet werden,
dass die effektive Wellenleiter-Breite Werte annimmt, die bei kompakten
Wellenleiterkernen aus demselben Material zu einer Mehrmodigkeit
führen
würde.
Als zusätzliches
Gestaltungselement können
seitlich tief geätzte
Gräben dienen,
mit denen die übermäßige laterale
Ausdehnung der Mode verhindert werden kann.
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Die Erfindung soll an den nachstehenden Ausführungsbeispielen
näher erläutert werden.
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Die zugehörigen Figuren zeigen:
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1:
Schematische Darstellung eines Wellenleiterkerns bestehend aus einzelnen,
inselförmigen
Elementen;
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2:
Schematische Darstellung eines Wellenleiterkerns bestehend aus drei
streifenförmigen Teilwellenleiterkernen;
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3:
Draufsicht auf einen Wellenleiterkern bestehend aus fünf streifenförmigen Teilwellenleiterkernen;
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4:
Räumliche
Entwicklung der Intensitätsverteilungen
der Moden längs
eines Modentransformators, der aus drei streifenförmigen Teilwellenleiterkernen
besteht.
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In der 1 ist
der Aufbau eines Modentransformators für einen Halbleiter-Wellenleiter schematisch
dargestellt. Der besseren Übersichtlichkeit halber
wird nur der auf einer Trägerschicht
angeordnete Wellenleiterkern WK gezeigt, wobei die Träger- und
die Deckschicht nicht dargestellt sind. In der Ebene K1 schließt der kompakte
Wellenleiter an, der durch das integrierte Halbleiterbauelement
HB vorgegeben ist. In der Koppelebene K2 erfolgt
die Kopplung an einen Wellenleiter mit schwächerer Führung, also ausgedehnterer
Modenverteilung, z.B. an eine Faser F. In einem definierten Bereich
B besteht der Wellenleiterkern WK aus einer Anordnung von einzelnen,
inselförmigen
Elementen E, die auf der Trägerschicht
angeordnet sind. Die Elemente E bestehen aus dem gleichen Material
bzw. dem gleichen Schichtpaket wie der kompakte Wellenleiterkern WKK
und weisen die Brechzahl nK auf. Beim Aufwachsen
der Deckschicht wird der Raum zwischen den Elementen E mit Deckschicht-Material,
das die Brechzahl nD aufweist, aufgefüllt. Entsprechend
der Bedingung für
einen Wellenleiter ist die Brechzahl nK größer als
die Brechzahl nD.
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Die Verteilungsdichte der einzelnen
Elemente E variiert längs
dieses Bereichs B. Am Beginn des Bereichs B, also in der Ebene K1, haben die Abstände ax, ay der Elemente E untereinander den Wert 0, so
dass ein kompakter Wellenleiterkern WKK vorliegt, der identisch
ist mit dem Wellenleiterkern des zu koppelnden Halbleiterbauelements
HB. In Richtung auf die Koppelebene K2 wird
die Verteilungsdichte der Elemente E immer kleiner, d.h. die Abstände ax und ay der Elemente
E werden immer größer und/oder
die lateralen Abmessungen dx, dy der
Elemente E werden immer kleiner. Außerdem wird die gesamte wirksame
Breite des Wellenleiterkerns WK vergrößert, indem die Breite d des
Wellenleiterkerns WK von der Anfangsbreite d1 in
der Ebene K1 bis auf eine Breite d2 in der Koppelebene K2 zunimmt.
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Solange die lateralen Abmessungen
dx, dy der einzelnen
Elemente E ein Mindestmaß nicht
unterschreiten und die Abstände
ax, ay eine bestimmte Größe nicht überschreiten,
wirkt die gesamte Anordnung der einzelnen Elemente E auf Grund der
optischen Kopplung untereinander wie ein kompakter Wellenleiterkern
mit reduziertem Brechungsindex. Durch die gezielt eingestellte,
sich im Bereich B ändernde
Verteilungsdichte der Elemente E variiert das Brechzahlprofil entlang
dieses Bereiches B von der Ebene K1 bis
zur Koppelebene K2. Diesen unterschiedlichen
Brechzahlprofilen entsprechen unterschiedliche Feldverteilungen
der Mode. Durch eine gezielte Wahl der Verteilungsdichte der Elemente
E, der Länge
des Bereiches B, der Anfangsbreite d1 des Wellenleiterkerns
WK und der Breite d2 des Wellenleiterkerns
WK in der Koppelebene K2 kann eine optimale
und adiabatische Anpassung zwischen dem Halbleiterbauelement HB
und der Faser F gewährleistet
werden. Die Werte für
die vorgenannten Größen können entweder
numerisch nach bekannten Algorithmen bzw. empirisch in Abhängigkeit
von der verwendeten Wellenlänge
ermittelt werden.
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An Hand der 2 wird eine weitere Ausführung der
Erfindung erläutert.
Auch bei dieser Darstellung wurde der besseren Übersichtlichkeit halber die Deckschicht
nicht eingezeichnet. Hierbei sind die Elemente E des Wellenleiterkerns
in dem definierten Bereich B derart auf der Trägerschicht angeordnet, dass
mehrere einzelne streifenförmige
Teilwellenleiterkerne TWK jeweils mit einer Breite b gebildet werden.
In der Ebene K1 weist deren Abstand a zueinander
den Wert 0 auf, so dass ein kompakter Wellenleiterkern WKK vorliegt.
In dem definierten Bereich B weisen die Teilwellenleiterkerne TWK
einen definierten Abstand a zueinander auf, der in Richtung auf
die Koppelebene K2 größer wird, bis in der Koppelebene K2 der Abstand aK erreicht
ist. Der maximale Abstand aK der Teilwellenleiterkerne
TWK wird so gewählt, dass
die Teilwellenleiterkerne TWK optisch noch ausreichend gekoppelt
sind.
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Durch eine gezielte Variation der
Breite b und des Abstandes a der Teilwellenleiterkerne TWK in dem
Bereich B zwischen dem kompakten Wellenleiterkern WKK in der Ebene
K1 und der Koppelebene K2 werden
bei dieser Ausführung
ebenfalls unterschiedliche Brechzahlprofile entlang dieses Bereiches
B realisiert. Auch hier ist durch eine gezielte Wahl der Länge des
Bereiches B, der Anfangsbreite d1 des Wellenleiterkerns
WK und der Breite d2 des Wellenleiterkerns
in der Koppelebene K2 sowie durch eine gezielte
Variation der Breite b und des Abstands a der Teilwellenleiterkerne
TWK eine optimale und adiabatische Anpassung zwischen dem Halbleiterbauelement
HB und der Faser F gewährleistet.
Die Werte für
die vorgenannten Größen können ebenfalls entweder
numerisch nach bekannten Algorithmen bzw. empirisch in Abhängigkeit
von der Wellenlänge des
verwendeten Lichts ermittelt werden.
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Die 3 stellt
eine Abwandlung eines Modentransformators in der Ausführung der
Erfindung gemäß 2 dar. In einem ersten Teilbereich
des definierten Bereiches B zwischen der Ebene K1 und
einer Zwischenebene K3 ist dieser Modentransformator identisch
zur Ausführung
gemäß 2 aufgebaut. In einem sich
anschließenden
zweiten Teilbereich zwischen der Zwischenebene K3 und
der Koppelebene K2, ist rechts und links
neben den ersten drei Teilwellenleiterkernen TWK jeweils ein weiterer
Teilwellenleiterkern TWK in einem Abstand a zusätzlich angeordnet. Werden Breite
b und Abstand a der Teilwellenleiterkerne TWK geeignet gewählt, kann
die effektive Breite d2 des Wellenleiterkerns
WK in der Koppelebene K2 einen größeren Wert
annehmen wie im Falle eines kompakten Wellenleiterkernes, ohne dass
es zu einer Mehrmodigkeit führt.
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Des weiteren ist denkbar, die Breite
b und den Abstand a der einzelnen benachbarten Teilwellenleiterkerne,
senkrecht zur Wellenleiterachse nach außen gesehen, unterschiedlich
auszugestalten. Damit kann zusätzlich
auf die Form der Modenverteilung Einfluss genommen werden.
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In 4 sind
berechnete Intensitätsverteilungen
in verschiedenen Querschnittebenen des Wellenleiters entlang des
Bereiches B für
einen erfindungsgemäßen Modentransformator
mit drei streifenförmigen
Teilwellenleiterkernen TWK entsprechend 2 und mit folgendem Schichtaufbau dargestellt:
Trägerschicht
(Substrat): InP
Brechzahl nT: 3,1645
(bei λLicht = 1,55μm)
Kernschicht GaInAsP
Brechzahl
nK: 3,3940 (bei λLicht = 1,55 μm)
Kernschichtdicke 180
nm
Deckschicht InP
Deckschichtdicke: 2,0 μm
Brechzahl
nD: 3,1645 (bei λLicht =
1,55 μm)
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In a) ist die Intensitätsverteilung
für die
Mode in der Ebene K1 gezeigt, d. h. an der
Stelle des Wellenleiters, an der noch ein kompakter Wellenleiterkern
WKK vorliegt. Diese Mode wird definiert durch den vorgegeben kompakten
Streifenwellenleiter, der hier eine Breite d1 =
2,0 μm hat.
Wie für
solch einen Streifenwellenleiter typisch, hat die Mode wegen der relativ
hohen Symmetrie der Struktur einen praktisch rotationssymmetrischen
Querschnitt mit einer relativ geringen Elliptizität und einer
kleinen Fleckgröße. Eine
Stoßkopplung
mit einer typischen stumpfen Faser würde in der Ebene K1 allein
durch die Fehlanpassung der Moden einen Intensitätsverlust von ca. 9,5 dB bewirken.
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In b) bis e) sind verschiedene Stadien
der Modenaufweitung dargestellt, die sich durch die Aufteilung des
Wellenleiterstreifens in drei Teilwellenleiterkerne TWK mit der
Breite von jeweils b = 0,4 μm ergeben.
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In b) beträgt der Abstand der Teilwellenleiterkerne
TWK untereinander a = 0,4 μm.
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In c) hat sich der Abstand der Teilwellenleiterkerne
TWK untereinander auf a = 0,9 μm
erhöht.
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In d) beträgt der Abstand der Teilwellenleiterkerne
TWK untereinander bereits a = 1,5 μm In e) wird die transformierte
Mode in der Koppelebene K2 dargestellt.
Der Abstand der Teilwellenleiterkerne TWK untereinander entspricht
an dieser Stelle dem maximalen Abstand von ak =
3,0 μm.
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Wird in der Koppelebene K2 mit einer Konfiguration wie in e) mit einer
typischen stumpfen Faser gekoppelt, so beträgt der Koppelverlust bei optimaler Justage
nur noch ca. 1,6 dB, wobei von weiteren Verlusten, z.B. durch Absorption
im Modentransformator, abgesehen wird. Das heißt der beschriebene Modentransformator
kann die Kopplung um ca. 8 dB verbessern.
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Somit ist eine optimale und verlustarme
Anpassung der Moden eines Wellenleiters auf einem Chip und einer
Faser möglich.
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Es ist an dieser Stelle zu bedenken,
dass eine weitergehende Anpassung an die Fasermode dadurch erschwert
ist, dass ein Wellenleiter auf Halbleiterbasis typischerweise an
der Oberfläche
eines Halbleitersubstrates angebracht ist. Vom Wellenleiterkern
aus nach oben bzw. nach unten gesehen ergibt sich somit im Vergleich
zur Faser eine niedrigere Symmetrie in der Struktur, gekennzeichnet
durch eine relativ dünne
Deckschicht gegenüber
einem dicken Substrat. Diese prinzipiell gegebene Asymmetrie findet
ihren Ausdruck in der resultierenden Intensitätsverteilung. Sie kann minimiert
werden, indem die Deckschicht im Bereich des Modentransformators
durch geeignete Herstellungsprozesse ausreichend dick gemacht wird.