DE10236798B4

DE10236798B4 - Integrierbarer Modentransformator für optische Streifenwellenleiter

Info

Publication number: DE10236798B4
Application number: DE2002136798
Authority: DE
Inventors: Ludwig Dr. Dipl.-Phys. Mörl
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2002-08-08
Filing date: 2002-08-08
Publication date: 2007-04-26
Anticipated expiration: 2022-08-09
Also published as: DE10236798A1

Abstract

Integrierbarer Modentransformator zur Kopplung optischer Wellenleiter, bei dem der Wellenleiterkern eines Streifenwellenleiters auf einer Trägerschicht angeordnet und durch eine Deckschicht aus gleichem Material abgedeckt ist, wobei der Brechungsindex des Wellenleiterkerns höher als der Brechungsindex der Trägerschicht sowie der Deckschicht ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenleiterkern (WK) in einem definierten Bereich (B) zwischen einer Ebene (K₁), in der ein kompakter Wellenleiterkern (WKK) vorliegt, und einer Koppelebene (K₂) zu einem anderen Wellenleiter (F) aus einzelnen Elementen (E) besteht, die sowohl in Lichtfortpflanzungsrichtung als auch in einer Richtung, die senkrecht zur Lichtfortpflanzungsrichtung seht und parallel zur Trägerschicht verläuft, beabstandet sind, wobei deren laterale Abmessungen (d_x, d_y) einen bestimmten Wert nicht unterschreiten und die derart angeordnet sind, dass deren Abstände (a_x, a_y) untereinander einen bestimmten Wert nicht überschreiten, wobei die Verteilungsdichte der Elemente (E) von der Ebene (K₁) in Richtung auf die Koppelebene (K₂) abnimmt, dadurch dass deren Abstände (a_x, a_y) untereinander vom Wert...

Description

Die Erfindung betrifft einen Modentransformator nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Er lässt sich mit dielektrischen Streifenwellenleitern integrieren und ermöglicht die verlustarme und dejustagetolerante Kopplung dieses Streifenwellenleiters mit einem dielektrischen Wellenleiter, der eine andersgeartete Intensitätsverteilung aufweist, insbesondere mit einer Faser.

Ein Modentransformator nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der Druckschrift JP-A-6-194536 bekannt.

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), S. 581 bis 586.

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.

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.

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.

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.

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.

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, S. 81 bis 83). 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.

In der US 5,703,895 A 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.

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, S. 1096 bis 1098) einen 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.

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.

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.

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. Diese „Verdünnung" erfolgt dadurch, dass die Abstände der inselförmigen Elemente untereinander vom Wert 0 bis zu einem Maximalwert, in Richtung auf die Koppelebene zunehmen. 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.

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.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung können den Unteransprüchen entnommen werden.

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 verwendet 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.

Die Aufteilung des Wellenleiterkerns in eine Anordnung nahe beieinander liegender Einzelelemente 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.

Die Erfindung soll an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.

Die zugehörige Figur zeigt:

1: Schematische Darstellung eines Wellenleiterkerns bestehend aus einzelnen inselförmigen Elementen;
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 n_K auf. Beim Aufwachsen der Deckschicht wird der Raum zwischen den Elementen E mit Deckschicht-Material, das die Brechzahl n_D aufweist, aufgefüllt. Entsprechend der Bedingung für einen Wellenleiter ist die Brechzahl n_K größer als die Brechzahl n_D.
Die Verteilungsdichte der einzelnen Elemente E variiert längs dieses Bereichs B. Am Beginn des Bereichs B, also in der Ebene K₁, haben die Abstände a_x, a_y 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 a_x und a_y der Elemente E werden immer größer und/oder die lateralen Abmessungen d_x, d_y 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.
Solange die lateralen Abmessungen d_x, d_y der einzelnen Elemente E ein Mindestmaß nicht unterschreiten und die Abstände a_x, a_y 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.
Durch die Aufweitung der transformierten Mode in der Koppelebene K₂ wird bei einer Kopplung mit einer typischen stumpfen Faser der Koppelverlust minimiert.
Somit ist eine optimale und verlustarme Anpassung der Moden eines Wellenleiters auf einem Chip und einer Faser möglich.
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.

Claims

Integrierbarer Modentransformator zur Kopplung optischer Wellenleiter, bei dem der Wellenleiterkern eines Streifenwellenleiters auf einer Trägerschicht angeordnet und durch eine Deckschicht aus gleichem Material abgedeckt ist, wobei der Brechungsindex des Wellenleiterkerns höher als der Brechungsindex der Trägerschicht sowie der Deckschicht ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenleiterkern (WK) in einem definierten Bereich (B) zwischen einer Ebene (K₁), in der ein kompakter Wellenleiterkern (WKK) vorliegt, und einer Koppelebene (K₂) zu einem anderen Wellenleiter (F) aus einzelnen Elementen (E) besteht, die sowohl in Lichtfortpflanzungsrichtung als auch in einer Richtung, die senkrecht zur Lichtfortpflanzungsrichtung seht und parallel zur Trägerschicht verläuft, beabstandet sind, wobei deren laterale Abmessungen (d_x, d_y) einen bestimmten Wert nicht unterschreiten und die derart angeordnet sind, dass deren Abstände (a_x, a_y) untereinander einen bestimmten Wert nicht überschreiten, wobei die Verteilungsdichte der Elemente (E) von der Ebene (K₁) in Richtung auf die Koppelebene (K₂) abnimmt, dadurch dass deren Abstände (a_x, a_y) untereinander vom Wert 0 bis zu einem Maximalwert (a_k, a_y) in Richtung auf die Koppelebene (K₂) zunehmen, so dass durch eine definierte Einstellung der Verteilungsdichte der Elemente (E) im definierten Bereich (B) die Intensitätsverteilung der Mode in der Koppelebene (K₂) gezielt einstellbar ist.
Integrierbarer Modentransformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilungsdichte der Elemente (E) von der Ebene (K₁) bis zur Koppelebene (K₂) zum anderen Wellenleiter (F) derart abnimmt, indem deren Abstände (a_x, a_y) zueinander derart zunehmen, so dass eine adiabatische Modentransformation realisierbar ist.
Integrierbarer Modentransformator nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass im definierten Bereich (B) die lateralen Abmessungen (d_x, d_y) der einzelnen Elemente (E) innerhalb der gegebenen Grenzen variieren.
Integrierbarer Modentransformator nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte effektive Breite (d) des aus den Elementen (E) gebildeten Wellenleiterkerns (WK) von der Ebene (K₁) bis zur Koppelebene (K₂) kontinuierlich zunimmt.
Integrierbarer Modentransformator nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im definierten Bereich (B) in jedem Querschnitt senkrecht zur Wellenleiterachse die lateralen Abmessungen (d_x, d_y) der einzelnen Elemente (E) und deren Abstände (a_x, a_y) untereinander in Richtung auf die Koppelebene (K₂) innerhalb der gegebenen Grenzen variieren.