DE10236800B3

DE10236800B3 - Integrierbarer Modentransformator für optische Rippenwellenleiter

Info

Publication number: DE10236800B3
Application number: DE2002136800
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: 2004-01-29
Anticipated expiration: 2022-08-09
Also published as: AU2003263133A1; WO2004021057A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Modentransformator, der sich mit dielektrischen Rippenwellenleitern integrieren lässt. DOLLAR A Werden optische Wellenleiter unterschiedlicher Art miteinander gekoppelt, führt dies zu mehr oder weniger großen Verlusten. Diese Koppelverluste können reduziert werden, wenn die Mode eines Wellenleiters mit Hilfe eines Modentransformators an die Mode des anderen Wellenleiters angeglichen wird. Alle bisher bekannten Modentransformatoren lassen sich entweder nur technologisch aufwendig herstellen oder benötigen spezielle Schichtenfolgen, die eine Bauelement-Integration unmöglich machen. DOLLAR A Der erfindungsgemäße Modentransformator weist einen definierten Bereich auf, in dem die Schichtenfolge des Rippenwellenleiters durch partielles Wegätzen modifiziert wird. Es entstehen Löcher bzw. Schlitze im Dielektrikum, die mit Luft oder einem anderen Material mit einem niedrigeren Brechungsindex gefüllt sind. In diesem Bereich nimmt die effektiv wirksame Brechzahl der Wellenleiterrippe und damit auch die Führung der Mode im Wellenleiter in Richtung zur Koppelebene ab. Dadurch kann die Mode in der Koppelebene gezielt an die Erfordernisse, z. B. an die Intensitätsverteilung einer Faser, angepasst werden. DOLLAR A Der wesentliche Vorteil der Erfindung besteht darin, dass der Modentransformator ausschließlich aus dem ohnehin vorhandenen Wellenleiter-Schichtpaket aufgebaut werden kann und keine besonderen Ätzverfahren erforderlich sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Modentransformator, der sich mit dielektrischen Rippenwellenleitern integrieren lässt. Er ermöglicht die verlustarme und, dejustagetolerante Kopplung dieses Rippenwellenleiters mit einem dielektrischen Wellenleiter, der eine andersgeartete Intensitätsverteilung aufweist, insbesondere mit einer Faser.

Beim optischen Rippenwellenleiter besteht der Wellenleiterkern aus einer Schicht eines Dielektrikums, die auf einer Trägerschicht aufgebracht ist und deren Ausdehnung vertikal sehr viel kleiner ist als lateral. Sie kann mit einer ebenfalls dünnen Schicht anderen Materials ganzflächig abgedeckt sein. Der Brechungsindex des Wellenleiterkerns ist höher als der der Umgebung, daraus ergibt sich die Führung in der Vertikalen (senkrecht zu den Schichtebenen). Lateral (parallel zu den Schichtebenen gesehen) wird die Führung erzeugt durch einen zusätzlich aufgesetzten, schmalen, dielelektrischen Streifen, eine sog. Rippe. Die geführten Moden weisen eine Intensitätsverteilung auf, die bestimmt wird durch die Brechungsindizes der verwendeten Materialien und ihre räumliche Anordnung (Schichtdicken, Rippenhöhe und -breite), wobei im Prinzip alle diese Parameter sowohl das vertikale als auch das laterale Intensitätsprofil beeinflussen. Genauer wird dies beschrieben von Michael Munowitz und David J. Vezzetti (M.M., D.J.V.: "Lateral Confinement in Generalized Strip-Loaded Optical Waveguides", J. Appl. Phys., 68, 5375–5377, 1990; M.M., D.J.V.: "Mode Structure and Lateral Confinement in Strip-Loaded Optical Waveguides: Effects of Asymmetric Cladding", J. Lightwave Technol., 10, No. 4, 426–431, 1992; D.J.V., M.M.: "Design of Strip-loaded Optical Waveguides for Low-Loss Coupling to Optical Fibers", J. Lightwave Technol., 10, No. 5, 581–586, 1992). Für eine qualitative Diskussion der Modenverteilung kann jedoch zunächst die vertikale Führung des zugehörigen Filmwellenleiters ohne Rippe betrachtet werden und aus dem Verlauf des vertikalen Intensitätsprofils in Richtung Rippe deren möglichen Einfluss abgeschätzt werden. Er wird umso geringer, je schwächer die laterale Führung relativ zur vertikalen ist, d.h. je größer der Abstand der Rippe zum Kern bzw. je dicker die Abdeckschicht ist und je kleiner die Höhe, Breite und der Brechungsindex der Rippe sind.

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 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, S1096 bis 1098 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.

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 der Rippenwellenleiter einen definierten Bereich aufweist, der der Koppelebene zum anderen Wellenleiter vorgelagert ist und der den eigentlichen Modentransformator darstellt. In diesem Bereich wird die Schichtenfolge des Rippenwellenleiters durch partielles Wegätzen modifiziert. Dadurch entstehen Löcher im Dielektrikum, das dort durch Luft oder auch ein anderes Material mit einem Brechungsindex, der niedriger als der des Wellenleiter-Materials ist, ersetzt wird. Räumlich gemittelt werden die Brechungsindizes in den Schichten mit Löchern gewissermaßen „verdünnt".

Solange der Abstand der einzelnen Löcher untereinander und ihre lateralen Abmessungen so gewählt werden, dass noch genügend große Bereiche der ursprünglichen Schichtenfolge in ausreichender Nähe zueinander vorhanden sind, wird die Mode wie mit einer kompakten Wellenleiterrippe geführt. Durch geeignet gewählte Werte für Größe, Form und Verteilung der einzelnen Löcher lässt sich die laterale und vertikale Führung der Mode im Wellenleiter längs des Modentransformators gezielt einstellen und lokal variieren. In diesem Bereich nimmt die effektiv wirksame Brechzahl der Wellenleiterrippe und damit auch die Führung der Mode im Wellenleiter in Richtung zur Koppelebene ab. In der Koppelebene ist die „Verdünnung" am stärksten, die Verteilungsdichte der Löcher, d.h. ihre Zahl bzw. ihre Fläche pro Flächeneinheit ist dort am größten und die verbliebenen Reste nehmen dort also die geringste Fläche und/oder den größten Abstand zueinander ein. Dadurch kann die Mode in der Koppelebene gezielt an die Erfordernisse, z.B. an die Intensitätsverteilung einer Faser angepasst werden.

Die „Verdünnung" der Wellenleiterrippe kann auch nur in einer Dimension vorgenommen werden. Die kompakte Wellenleiterrippe wird dann durch parallel zur Ausbreitungsrichtung in die Rippe geätzte Schlitze unterteilt und besteht in dem definierten Bereich des Modentransformators aus mehreren Wellenleiterteilrippen. Der Abstand der Wellenleiterteilrippen zueinander nimmt vom Wert 0 am Beginn des definierten Bereiches, wo eine kompakte Wellenleiterrippe vorliegt, in Richtung auf die Koppelebene zu, überschreitet aber ein bestimmtes Höchstmaß nicht. Durch die Wahl der Anzahl der Wellenleiterteilrippen, deren Querschnitt und deren Abstand kann die Mode gezielt beeinflusst werden.

Die Modenführung kann außer durch eine Variierung der Verteilungsdichte der Löcher entlang des definierten Bereiches des Wellenleiters auch durch die Tiefe der Löcher beeinflusst werden. Aufgrund der eingangs geschilderten Gegebenheiten kann es von Vorteil sein, nicht nur die Rippe zu verändern. Abhängig vom Aufbau, also von der Dicke und dem Brechungsindex der Kernschicht und einer ggf. vorhandenen Kernschichtabdeckung, müssen diese Löcher so tief geätzt werden, dass die Kernschichtabdeckung und eventuell sogar ein Teil der Kernschicht entfernt werden, damit auch in der Vertikalen eine nennenswerte Aufweitung der Mode erreicht wird. Außerdem kann es zweckmäßig sein, die verbliebene Kernschicht lateral auf einen Streifen geeigneter Breite zu reduzieren bzw. seitlich tiefe Ätzgräben anzubringen.

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 Wellenleiter-Schichtpaket verwendet werden müssen und ohne dass besondere Ätzverfahren erforderlich wären. Der Modentransformator wird durch partielles Wegätzen des vorhandenen Schichtpakets hergestellt, deshalb bleibt bei der Herstellung der Vorteil der Rippenwellenleiter erhalten, dass das epitaktische Wachstum des gesamten Schichtpaketes ohne Unterbrechung in einem Schritt erfolgen kann. Die vorgeschlagenen Strukturen können einfach und reproduzierbar mit Hilfe von herkömmlichen lithografischen Verfahren unter ausschließlicher Verwendung von lateralen Maskierungen und Ätztechniken hergestellt werden, die keine speziellen Dickenprofile liefern müssen. Die räumliche Entwicklung der Mode längs des Wellenleiters im Bereich des Modentransformators wird allein durch eine geeignete laterale Variation der Ätzmaske erzeugt.

Indem von der Oberfläche her in den Wellenleiter Löcher bzw. Schlitze geätzt werden, wird die Realisierung der Aufgabe begünstigt, 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 Löcher bzw. der Schlitze und damit das effektive Brechzahlprofil des Wellenleiters kann längs des Modentransformators soweit variiert werden, dass die Modenverteilung die gewünschte Veränderung durchläuft. Da der effektiv wirksame Brechungsindex der Wellenleiterrippe durch die Anordnung von Löchern bzw. die Aufteilung in Wellenleiterteilrippen reduziert wird, kann die Modenverteilung lateral dadurch aufgeweitet werden, dass die effektive Wellenleiter-Breite Werte nimmt, die bei kompakten Wellenleiterrippen 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 den nachstehenden Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.

Die zugehörigen Figuren zeigen:

1: Schematische Darstellung eines Wellenleiters, in dessen Rippe Löcher geätzt wurden;

2: Schematische Darstellung eines Wellenleiters mit zweifach geschlitzter Rippe;

3: Draufsicht auf eine Wellenleiterrippe bestehend aus fünf Wellenleiterteilrippen;

4: Räumliche Entwicklung der Intensitätsverteilung der Mode längs eines Modentransformators, dessen Rippe in drei Wellenleiterteilrippen aufgeteilt wird.

In der 1 ist der Aufbau eines Modentransformators für einen Rippen-Wellenleiter ohne Deckschicht schematisch dargestellt. Der besseren Übersichtlichkeit halber wird die Trägerschicht nicht dargestellt. 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. Die Wellenleiterrippe WR besteht in einem definierten Bereich B aus dem gleichen Material bzw. dem gleichen Schichtpaket wie die kompakte Wellenleiterrippe WRK, es ist aber eine Anordnung von Löchern L hineingeätzt. Die Tiefe der Löcher L wird je nach vorhandenem Schichtpaket so gewählt, dass die gewünschte laterale und vertikale Aufweitung der Mode eintritt. Die Löcher L können ggf. aufgefüllt werden, indem der gesamte Wellenleiter mit einer Deckschicht versehen wird, die eine Brechzahl n_D aufweist, die kleiner ist als die Brechzahl n_R der Rippe. Die Verteilungsdichte, d. h. die Zahl und/oder die Fläche der Löcher L pro Flächeneinheit, variiert längs dieses definierten Bereichs B. Am Beginn des Bereichs B, also in der Ebene K₁, sind keine Löcher L vorhanden, so dass eine kompakte Wellenleiterrippe WRK vorliegt. In Richtung auf die Koppelebene K₂ wird die Verteilungsdichte der Löcher L immer größer, d.h. die Abstände a_x und a_y der Löcher L werden immer kleiner und/oder die Dimensionen d_x und d_y der Löcher L immer größer. Der übriggebliebene Flächenanteil der ursprünglichen Rippe wird damit immer kleiner.
Außerdem wird die gesamte wirksame Breite d der Wellenleiterrippe WR vergrößert, indem die Breite der Wellenleiterrippe WR von der Anfangsbreite d₁ in der Ebene K₁ bis auf eine Breite d₂ in der Koppelebene K₂ zunimmt. Solange die lateralen Abmessungen d_x, dy der einzelnen Löcher L ein Höchstmaß nicht überschreiten und die Abstände a_x, a_y ein Mindestmaß nicht unterschreiten, wirkt die gesamte Anordnung der perforierten Rippe auf Grund der optischen Kopplung wie eine kompakte Wellenleiterrippe mit reduziertem Brechungsindex. Durch die gezielt eingestellte, sich im Bereich B ändernde Verteilungsdichte der Löcher L variiert die laterale und vertikale Führung entlang dieses Bereiches B von der Ebene K₁ bis zur Koppelebene K₂. Dem entsprechen unterschiedliche Feldverteilungen der Mode. Durch eine gezielte Wahl der Verteilungsdichte der Löcher L und ihrer Tiefe, der Länge des Bereiches B, der Anfangsbreite d₁ der Wellenleiterrippe WR und der Breite d₂ der Wellenleiterrippe WR 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.
An Hand der 2 wird eine weitere Ausführung der Erfindung erläutert, ebenfalls für einen Rippenwellenleiter ohne Deckschicht. Hierbei sind die Löcher L der Wellenleiterrippe in dem definierten Bereich B derart auf der Trägerschicht angeordnet, dass mehrere einzelne streifenförmige Wellenleiterteilrippen TWR jeweils mit einer Breite b gebildet werden. In der Ebene K₁ weist deren Abstand a zueinander den Wert 0 auf, so dass eine kompakte Wellenleiterrippe WRK vorliegt. In dem definierten Bereich B weisen die Wellenleiterteilrippen TWR einen definierten Abstand a zueinander auf, der in Richtung auf die Koppelebene K₂ größer wird, bis in der Koppelebene K₂ der Abstand a_K erreicht ist. Der maximale Abstand a_K der Wellenleiterteilrippen TWR wird so gewählt, dass die Wellenleiterteilrippen TWR optisch noch ausreichend gekoppelt sind.
Durch eine gezielte Variation der Breite b und des Abstandes a der Wellenleiterteilrippen TWR in dem Bereich B zwischen der kompakten Wellenleiterrippe WRK in der Ebene K₁ und der Koppelebene K₂ werden bei dieser Ausführung ebenfalls unterschiedliche effektive Brechzahlprofile entlang dieses Bereiches B realisiert. Auch hier ist durch eine gezielte Wahl der Länge des definierten Bereiches B, der Anfangsbreite d₁ der kompakten Wellenleiterrippe WRK, der gesamten effektiven Breite d₂ der Wellenleiterrippe WR in der Koppelebene K₂ und der Tiefe der Schlitze zwischen den Wellenleiterteilrippen TWR sowie durch eine gezielte Variation der Breite b und des Abstands a der Wellenleiterteilrippen TWR 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.
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 Wellenleiterteilrippen TWR jeweils eine weitere Wellenleiterteilrippe TWR in einem Abstand a angeordnet. Werden Breite b und Abstand a der Wellenleiterteilrippen TWR geeignet gewählt, kann die effektive Breite d₂ der Wellenleiterrippe WR in der Koppelebene K₂ einen größeren Wert einnehmen wie im Falle eines kompakten Wellenleiterkernes, ohne dass es zu einer Mehrmodigkeit führt. Des weiteren ist denkbar, die Breite b und den Abstand a der einzelnen Wellenleiterteilrippen von Nachbar zu Nachbar, senkrecht zur Wellenleiterachse nach außen gesehen, unterschiedlich auszugestalten. Damit kann zusätzlich auf die Form der Modenverteilung Einfluss genommen werden.

In 4 sind berechnete Intensitätsverteilungen in verschiedenen Querschnittebenen des Wellenleiters entlang des Bereiches B für einen erfindungsgemäßen Modentransformator mit folgendem Schichtaufbau dargestellt:

Trägerschicht (Substrat):	InP
Brechzahl n_T:	3,1645 (bei λ_Licht = 1,55 μm)
Kernschicht	GaInAsP
Brechzahl n_K:	3,4890 (bei λ_Licht = 1,55 μm)
Kernschichtdicke	160 nm
Rippe	InP
Rippendicke:	2,0 μm
Brechzahl n_D:	3,1645 (bei λ_Licht = 1,55 μm).

In a) ist die Intensitätsverteilung für die Mode in der Ebene K₁ gezeigt, d. h. an der Stelle des Wellenleiters WL, an der eine kompakte Wellenleiterrippe WRK mit einer Rippenbreite von 2,0 μm vorliegt. Eine Stoßkopplung mit einer typischen stumpfen Faser würde in der Ebene K₁ allein durch die Fehlanpassung der Moden einen Intensitätsverlust von ca. 11,9 dB bewirken..
In b) bis d) sind verschiedene Stadien der Modenaufweitung dargestellt, die sich durch die Aufteilung der Wellenleiterrippe in drei Wellenleiterteilrippen TWR der Breite b = 0,7 μm ergeben.
In b) beträgt der Abstand der Wellenleiterteilrippen TWR untereinander a = 0,3 μm.
In c) hat sich der Abstand der Wellenleiterteilrippen TWR untereinander auf a = 0,9 μm erhöht.
In d) wird die transformierte Mode in der Koppelebene K₂ dargestellt. Hier hat der Abstand der Wellenleiterteilrippen TWR untereinander seinen maximalen Wert a_k = 1,4 μm erreicht.
Wird in der Koppelebene K₂ mit einer Konfiguration wie in d) mit einer typischen stumpfen Faser gekoppelt, so beträgt der Koppelverlust bei optimaler Justage nur noch ca. 2,3 dB, wobei von weiteren Verlusten, z.B. durch Absorption im Modentransformator, abgesehen wird. Das heißt der beschriebene Modentransformator kann die Kopplung um ca. 9,6 dB verbessern.
Es ist an dieser Stelle zu bedenken, dass eine völlige Anpassung an die Fasermode prinzipiell nicht möglich ist, da ein Rippenwellenleiter aufgrund seiner Architektur, bedingt durch die nach oben angrenzende Luft und das nach unten angrenzende dicke Substrat, im Vergleich zur Faser mit ihrem rotationssymmetrischen Aufbau grundsätzlich eine niedrigere Symmetrie aufweist, die sich damit auch in einer unterschiedlichen Intensitätsverteilung wiederfindet.

Claims

Integrierbarer Modentransformator zur Kopplung optischer Wellenleiter, bei dem die Wellenleiterkernschicht eines Rippenwellenleiters auf einer Trägerschicht angeordnet und darauf eine Rippe aufgesetzt ist, wobei der Brechungsindex der Wellenleiterkernschicht höher als der Brechungsindex der Trägerschicht sowie der Rippe ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenleiterrippe (WR) in einem definierten Bereich (B) zwischen einer Ebene (K₁), in der eine kompakte Wellenleiterrippe (WRK) vorliegt, und einer Koppelebene (K₂) zu einem anderen Wellenleiter (F) eine Anordnung von Löchern (L) aufweist, deren laterale Abmessungen (d_x, d_y) einen bestimmten Wert nicht überschreiten und die derart angeordnet sind, dass deren Abstände (a_x, a_y) untereinander einen bestimmten Wert nicht unterschreiten, wobei die Verteilungsdichte der Löcher (L) von der Ebene (K₁) in Richtung auf die Koppelebene (K₂) zunimmt, indem deren Abstände (a_x, a_y) untereinander bis zu einem Minimalwert (a_k) abnehmen so dass durch eine definierte Einstellung der Verteilungsdichte der Löcher (L) im Bereich (B) die Intensitätsverteilung der Mode in der Koppelebene (K₂) gezielt einstellbar ist.
Integrierbarer Modentransformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilungsdichte der Löcher (L) von der Ebene (K₁) bis zur Koppelebene (K₂) zum anderen Wellenleiter (F) derart zunimmt und/oder deren Abstände (a_x, a_y) zueinander derart abnehmen, so dass eine adiabatische Modentransformation realisierbar ist.
Integrierbarer Modentransformator nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich (B) die lateralen Abmessungen (d_x, d_y) der Löcher (L) innerhalb der gegebenen Grenzen geeignet variiert werden.
Integrierbarer Modentransformator nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich (B) die Tiefe der Löcher (L) bis in die Kernschichtabdeckung reicht.
Integrierbarer Modentransformator nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich (B) die Tiefe der Löcher (L) bis in die Kernschicht reicht.
Integrierbarer Modentransformator nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte effektive Breite der mit den Löchern (L) versehenen Wellenleiterrippe (WR) von der Ebene (K₁) bis zur Koppelebene (K₂) kontinuierlich zunimmt.
Integrierbarer Modentransformator nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich (B) in jedem Querschnitt senkrecht zur Wellenleiterachse die lateralen Abmessungen (d_x, d_y) der Löcher (L) und deren Abstände (a_x, a_Y) untereinander nach außen hin gesehen innerhalb der gegebenen Grenzen geeignet variiert werden.
Integrierbarer Modentransformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Löcher (L) derart angeordnet sind, dass einzelne streifenförmige Wellenleiterteilrippen. (TWR) mit einer Breite (b) gebildet werden, deren Abstand (a) zueinander in der Ebene (K₁) den Wert "0" aufweist, so dass eine kompakte Wellenleiterrippe (WRK) vorliegt, und der Abstand (a) der streifenförmigen Wellenleiterteilrippen (TWR) in Richtung auf die Koppelebene (K₂) zunimmt und in der Koppelebene (K₂) einen maximalen Abstand (a_K) aufweist, wobei durch eine definierte Einstellung der Breite (b) und des Abstandes (a) der Wellenleiterteilrippen (TWR) in dem Bereich (B), insbesondere auch in der Koppelebene (K₂), die Intensitätsverteilung der resultierenden Mode gezielt einstellbar ist.
Integrierbarer Modentransformator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite (b) der einzelnen streifenförmigen Wellenleiterteilrippen (TWR) im Bereich (B) zwischen der Ebene (K₁) und der Koppelebene (K₂) variiert.
Integrierbarer Modentransformator nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die effektive Gesamtbreite (d) der aus streifenförmigen Wellenleiterteilrippen (TWR) gebildeten Wellenleiterrippe (WR) von der Ebene (K₁) bis zur Koppelebene (K₂) kontinuierlich zunimmt.
Integrierbarer Modentransformator nach den Ansprüchen 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufspaltung der kompakten Wellenleiterrippe (WRK) in mehrere Wellenleiterteilrippen (TWR) derart geschieht, dass mehrere Unterbereiche gebildet werden, die sich dadurch unterscheiden, dass die Zahl der Wellenleiterteilrippen (TWR) in Richtung auf die Koppelebene (K₂) gesehen zunimmt.
Integrierbarer Modentransformator nach den Ansprüchen 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich (B) in jedem Querschnitt senkrecht zur Wellenleiterachse die Breite (b) und der Abstand (a) der einzelnen Wellenleiterteilrippen (TWR) nach außen hin gesehen innerhalb der gegebenen Grenzen geeignet variiert werden, um zusätzlich auf die Form der Modenverteilung Einfluss zu nehmen.