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Die
Erfindung betrifft ein Brechungsindexgitter einer wellenleitenden
Struktur, das durch mindestens eine Anordnung von Heizelementen,
die auf oder benachbart der wellenleitenden Struktur angeordnet
ist, erzeugt ist, und einen Modenkoppler mit einem derartigen Brechungsindexgitter.
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Aus
den Dokumenten
EP 1
170 621 A1 ,
US 6
144 780 A und
US
6 434 318 B1 ist es bekannt, optische Schalter und einstellbare
Abschwächer
als planare optische Schaltkreise (PLC – planar light circuit) auszubilden.
Ein bevorzugtes Materialsystem ist dabei Glas auf Silizium (SiO2/Si).
SiO2 Wellenleiter zeichnen sich durch geringe Verluste und eine
effiziente Kopplung zu Glasfasern aus. Um Schalter oder Abschwächer in
SiO2 Wellenleitern zu realisieren wird der thermooptische Effekt
genutzt, d.h. die Abhängigkeit
des Brechungsindex von der Temperatur (dn/dT). Hierzu werden auf
die Oberfläche
des planaren optischen Schaltkreises Heizelemente aufgebracht, über die
gezielt einzelne Wellenleiter erhitzt und dadurch in ihrem Brechungsindex
erhöht
werden können.
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Der
thermooptische Effekt von SiO2 ist mit dn/dT = 10–5 jedoch
sehr gering. Man benötigt
daher nachteilig eine hohe Temperaturänderung und dazu eine hohe
elektrische Heizleistung, um den Brechungsindex wirksam zu erhöhen. Daher
werden als Schaltungselemente üblicherweise
Interferometerstrukturen wie Mach-Zehnder-Interferometer verwendet,
die empfindlich auf kleinste Phasenänderungen reagieren, die durch
Temperaturfelder erzeugt sind. Schalter und Abschwächer, deren
Funktion auf der Basis von Phasenänderungen beruht, sind jedoch
in hohem Maße
polarisations- und wellenlängenabhängig.
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Zum
Schalten und Abschwächen
optischer Signale sind des weiteren Modenkoppler bekannt, bei denen
Licht einer Grundmode teilweise oder vollständig in höhere Moden umgewandelt (gekoppelt) und
das Licht der höheren
Moden aus dem Signal entfernt wird. Die Umwandlung der Grundmode
in höhere
Moden wird durch eine in den Wellenleiter eingeprägte Störung bewirkt,
bei der es sich insbesondere um ein Brechungsindexgitter handelt.
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Die
EP 1 193 515 A2 beschreibt
einen einstellbaren optischen Abschwächer, basierend auf dem Prinzip
der Modenkopplung bzw. Modentransformation aus einem Wellenleiter-Grundmode
in höhere
Moden, die sich danach im Wellenleiter nicht weiter ausbreiten können. Der
Abschwächer
besteht aus einer planaren Wellenleiterstruktur mit einer monomodigen
Einkopplung, einem darauf folgenden adiabatischen Aufweitungsbereich,
einem Modenkopplungsbereich mit einer Heizelektrode zur thermischen/thermooptischen
Anregung von höheren
Wellenleitermoden, einem adiabatischen Komprimierbereich und einer
monomodigen Auskopplung. Durch Heizen der Elektrode kann die Stärke der
thermooptischen Brechungsindexvariation im Modenkoppelbereich und
somit der Anteil von höheren
Moden variiert werden. Je höher
die Temperatur unter der Heizelektrode, desto größer ist die Anzahl angeregter
höherer Moden
und umso größer ist
die Abschwächung
der ursprünglich
eingekoppelten Strahlung.
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Im
Materialsystem SiO2/Si lässt
sich ein Brechungsindexgitter beispielsweise durch eine auf die Wellenleiterschicht
aufgebrachte Heizelektrodenanordnung realisieren. Die sich ergebenden
Temperaturfelder weisen in der Wellenleiterebene jedoch einen nur
geringen Temperaturgradienten auf. Aufgrund des geringen thermooptischen
Effekts von SiO2 ist damit auch das zum Temperaturgitter proportionale
Brechungsindexgitter n(x, y, T) = dn/dT·T(x, y)
+ n0 (x, y) nur schwach ausgebildet.
Zu einer effektiven Modenkopplung ist jedoch ein stark ausgebildetes
Brechungsindexgitter erforderlich. Dieses kann bisher nur durch
eine hohe Heizleistung realisiert werden.
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In
der
WO 00/52519 A1 ist
ein planarer Wellenleiter beschrieben, der eine darauf aufgebrachte Elektrodenschicht
sowie darauf eine planare Polymerschicht mit thermooptischen Eigenschaften
aufweist. Auf der Oberfläche
der Polymerschicht ist weiterhin eine Vielzahl von jeweils gitterförmigen Heizelektroden
angeordnet, die bei Bedarf geheizt und dann jeweils die thermooptische
Bildung eines entsprechenden Beugungsgitters in der Polymerschicht zur
Folge haben, durch das Licht passender Wellenlänge aus dem Wellenleiter ausgekoppelt
wird.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Brechungsindexgitter
und einen Modenkoppler mit einem Brechungsindexgitter zur Verfügung zu
stellen, die auch bei vergleichsweise geringer Heizleistung der
Heizelemente des Gitters vergleichsweise große Brechungsindexschwankungen aufweisen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Brechungsindexgitter mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einen
Modenkoppler mit den Merkmalen des Anspruchs 19 gelöst. Bevorzugte
und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in der Unteransprüchen angegegeben.
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Danach
zeichnet sich die erfindungsgemäße Lösung dadurch
aus, dass in die wellenleitende Struktur und/oder ein angrenzendes
Substrat Bereiche eingebracht sind, die gegenüber ihrer Umgebung einen vom
Betrag her höheren
thermooptischen Koeffizienten oder eine geringere Temperaturleitfähigkeit
aufweisen, wobei jeweils einem Heizelement mindestens ein solcher
Bereich zugeordnet ist.
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Der
Erfindung sieht in einem ersten Aspekt somit vor, den Heizelementen
des Gitters jeweils mindestens einen Bereich mit einem gegenüber der Umgebung
vom Betrag her höheren
thermooptischen Koeffizienten zuzuordnen. Der vom Betrag her höhere thermooptische
Koeffizient führt
dazu, dass eine bestimmte Temperaturänderung in dem betrachteten
Bereich zu einer stärkeren Änderung
(Zunahme oder Abnahme) des Brechungsindex führt. Das Brechungsindexgitter
ist dementsprechend stärker
ausgebildet und weist eine hohe Amplitude aus.
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In
einem zweiten Aspekt sieht die Erfindung vor, den Heizelementen
des Gitters jeweils mindestens einen Bereich mit einem gegenüber der
Umgebung geringeren Temperaturleitfähigkeit zuzuordnen. Die geringere
Temperaturleitfähigkeit
führt dazu, dass
die von einem Heizelement erzeugte Wärme in geringerem Maße in benachbarte
Bereiche abfließt. Der
Bereich geringerer Temperaturleitfähigkeit bildet gewissermaßen eine
Barriere für
den Wärmefluß. Dadurch
erhöht
sich der Temperaturgradient um das Heizelement und in der wellenleitenden
Struktur. Damit wird aufgrund der Abhängigkeit des Brechungsindex
von der Temperatur ebenfalls ein stärker ausgeprägtes Brechungsindexgitter
bereitgestellt.
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Beide
Aspekte können
auch kombiniert werden, wobei dann zum einen Bereiche mit einem
höheren
thermooptischen Koeffizienten und zum anderen Bereiche mit einer
geringeren Temperaturleitfähigkeit
vorgesehen sind.
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Es
ist bevorzugt vorgesehen, dass die Bereiche mit einem höheren thermooptischen
Koeffizienten und/oder die Bereiche mit einer geringeren Temperaturleitfähigkeit
derart in Bezug auf die wellenleitende Struktur angeordnet sind,
dass in der wellenleitenden Struktur ein Brechungsindexgradient
quer zur Lichtausbreitungsrichtung erzeugt oder verstärkt wird.
Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, dass die Bereiche mit
einer geringeren Temperaturleitfähigkeit
an lediglich einer Seite der wellenleitenden Struktur und/oder lediglich
teilweise über
oder unter der wellenleitenden Struktur angeordnet sind. Gleiches
gilt für
die Bereiche mit einem höheren
thermooptischen Koeffizienten. Die in Bezug auf die wellenleitende
Struktur unsymmetrische Anordnung der jeweiligen Bereiche führt zu einem
Temperaturgradienten bzw. Brechungsindexgradienten quer zur Lichtausbreitungsrichtung.
Auch andere unsymmetrische Anordnungen der jeweiligen Bereiche können vorgesehen
sein.
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Ein
Brechungsindexgradient auch quer zur Lichtausbreitungsrichtung weist
den Vorteil auf, dass sich Gitterpunkte des Brechungsindexgitters
nicht nur in Ausbreitungsrichtung des Lichts (bedingt durch die
hintereinander angeordneten Heizelemente), sondern auch quer zur
Ausbreitungsrichtung bilden. Insbesondere bei Anordnung der Heizelemente
alternierend in zwei parallelen Reihen werden hierdurch Gitterpunkte
geschaffen, an denen das Licht zusätzlich (abwechselnd rechts
und links) gestört
wird. Dies erleichtert insbesondere einen Übergang in höhere Moden.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Bereiche
geringerer Temperaturleitfähigkeit
jeweils durch einen Luftspalt gebildet. Der Luftspalt ist insbesondere
durch Ätzen,
Sägen oder Fräsen in die
wellenleitende Struktur und/oder ein angrenzendes Substrat eingebracht.
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In
einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist
vorgesehen, dass die wellenleitende Struktur in einer planaren Wellenleiterschicht
ausgebildet ist und der Luftspalt in einer Ausrichtung senkrecht
zur Wellenleiterschicht in dieser verläuft. Der Luftspalt erstreckt
sich dabei bevorzugt von der Oberfläche der Wellenleiterschicht
bis zu einer definierten Tiefe oder durch die gesamte Wellenleiterschicht.
Es durchschneidet dabei jedoch nicht die lichtführende Kernschicht, um eine
Lichtausbreitung nicht zu stören.
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Insbesondere
verläuft
der Luftspalt bevorzugt parallel zu der wellenleitenden Struktur.
Dies ermöglicht,
einen Temperaturgradienten in einer Richtung quer zur Längsrichtung
des Wellenleiters im Wellenleiter aufzubauen.
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In
einem weiteren bevorzugten Ausbildung ist die wellenleitende Struktur
in einer planaren Wellenleiterschicht ausgebildet, die auf einem
Trägersubstrat
angeordnet ist, und verläuft
der Luftspalt in einer Ausrichtung senkrecht zur Wellenleiterschicht im
Trägersubstrat.
Die Luftspalte bzw. Gräben
sind hier auf der Unterseite der Wellenleiterschicht im Trägersubstrat
ausgebildet. Die Luftspalte werden beispielsweise lokal durch Atztechniken
realisiert, bevorzugt wiederum seitlich versetzt zur lichtführenden Kernschicht
der Wellenleiterschicht.
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Auch
hier verläuft
der Luftspalt bevorzugt parallel zu der wellenleitenden Struktur
im Trägersubstrat
und dabei bevorzugt lediglich teilweise unterhalb der wellenleitenden
Struktur. Dies ermöglicht
wiederum, einen Temperaturgradienten in einer Richtung quer zur
Längsrichtung
des Wellenleiters im Wellenleiter aufzubauen.
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In
einer dritten Ausgestaltung ist die wellenleitende Struktur in einer
planaren Wellenleiterschicht ausgebildet, die auf einem Trägersubstrat
angeordnet ist. Es ist ein erster Luftspalt in der wellenleitenden
Struktur und daran anschließend
ein zweiter Luftspalt im Trägersubstrat
ausgebildet. Der erste Luftspalt wird beispielsweise durch anisotropes Ätzen von
der Oberfläche
der Wellenleiterschicht bis zum Trägersubstrat erzeugt. Der zweite
Luftspalt im Trägersubstrat
wird bevorzugt daran anschließend durch
isotrope Grabenätzung
ausgehend von dem ersten Luftspalt hergestellt.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass die Bereiche mit einem höheren
thermooptischen Koeffizienten jeweils durch eine Polymerregion gebildet
sind. Polymere zeichnen sich durch einen hohen thermooptischen Koeffizienten
aus. Sie sind als Materialien für
planare optische Komponenten gut geeignet.
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Die
wellenleitende Struktur ist bevorzugt in einer planaren Wellenleiterschicht
ausgebildet. Die Bereiche mit einem höheren thermooptischen Koeffizienten,
die insbesondere durch Polymere gebildet sind, sind dann in die
planare Wellenleiterschicht eingebracht. Die Heizelemente sind bevorzugt
durch Heizelektroden gebildet, die auf der planaren Wellenleiterschicht
und auf den Bereichen mit einem höheren thermooptischen Koeffizienten
angeordnet sind.
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Es
ist bevorzugt vorgesehen, dass die Bereiche mit einem höheren thermooptischen
Koeffizienten sich jeweils bis in die Nähe der lichtführenden Kernschicht
der Wellenleiterschicht erstrecken, diese jedoch nicht unterbrechen.
Eine Substitution des Materials des Wellenleiterkerns durch ein
anderes Material würde
nämlich
zu unerwünschten
Wellenleiterverlusten führen.
Da das optische Signal fast ausschließlich auf den Wellenleiterkern
konzentriert ist, wird bevorzugt nur lokal in der Oberfläche der
Wellenleiterschicht oder auch seitlich neben dem Wellenleiterkern
Material mit einem höheren
thermooptischen Koeffizienten eingebracht. Da (wenn auch geringe) Signalanteile
stets auch außerhalb
des Wellenleiterkerns verlaufen, wird die Lichtwelle durch das Brechungsindexgitter
trotzdem beeinflußt
und zum Beispiel zur Ausbildung höherer Moden angeregt.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung lassen sich die Bereiche
mit einem höheren
thermooptischen Koeffizienten zumindest in dem Temperaturbereich
zwischen 0° C
und 250° C
auf einen Brechungsindexwert einstellen, der im wesentlichen dem
Wert des Brechungsindex des umgebenden Materials entspricht. Für diesen
speziellen Fall sind die Bereiche mit einem höheren thermooptischen Koeffizienten
optisch nicht sichtbar. Es besteht somit die Möglichkeit, das Brechungsindexgitter „an- und
auszuschalten".
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In
einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel sind
die Heizelemente und die Bereiche mit einem höheren thermooptischen Koeffizienten
oder einer geringeren Temperaturleitfähigkeit in zwei beabstandeten
Reihen und jeweils versetzt zueinander angeordnet sind. Hierdurch
kann der Abstand zwischen den einzelnen Gitterpunkte reduziert werden.
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Weiter
ist bevorzugt vorgesehen, dass das Brechungsindexgitter an einer
planaren optischen Komponente realisiert ist, wobei die Heizelemente auf
der ebenen Oberfläche
der planaren optischen Komponente angeordnet sind. Die planare optische Komponente
ist insbesondere aus dem Materialsystem SiO2 auf Si realisiert,
wobei eine planare SiO2-Deckschicht mit einer lichtführenden SiO2-Kernschicht
auf einem Si-Trägersubstrat
angeordnet ist, und wobei die Bereiche mit einem höheren thermooptischen
Koeffizienten oder einer geringeren Temperaturleitfähigkeit
in der SiO2-Deckschicht und/oder
dem Si-Trägersubstrat
ausgebildet sind. Die Erfindung kann jedoch auch an anderen Materialsystemen
wie InP, GaAlAs, GaAs, Systemen mit Lithiumniobat (LiNbO3) und in
Systemen mit Polymeren (Acrylate, Polyimide, Polykarbonate und Ormocere)
eingesetzt werden.
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Grundsätzlich ist
es auch möglich,
das Brechungsindexgitter in anderen Strukturen als planaren optischen
Komponenten auszubilden, beispielsweise in Fasern, die ein Bragg-Gitter
ausbilden.
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Die
Heizelemente des Brechungsindexgitters sind bevorzugt periodisch
angeordnet. Dementsprechend sind auch die zugeorndeten Bereiche
mit einem höheren
thermooptischen Koeffizienten oder einer geringeren Temperaturleitfähigkeit
periodisch angeordnet und es liegt somit ein periodische Brechungsindexgitter
vor.
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Es
wird dabei darauf hingewiesen, dass unter einer periodischen Anordnung
der Heizelemente des Gitters bzw. der zugeordneten Bereiche im Sinne der
vorliegenden Erfindung alle Anordnungen verstanden werden, bei denen
die Heizelemente einen konstanten Abstand aufweisen oder der Abstand
der Heizelemente sich im Rahmen einer definierten funktionellen
Abhängigkeit ändert, insbesondere
linear oder quadratisch. Es fallen somit auch Gitter mit einem sogenannten
Chirp unter den Begriff „periodische
Anordnung". Auch
sollen sogenannte quasiperiodische Gitter mit umfasst sein.
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Der
erfindungsgemäße Modenkoppler
weist folgende Elemente auf:
- – einen
Eingangswellenleiter,
- – einen
sich daran anschließenden
Moden-Aufweiter,
- – einen
mit dem Moden-Aufweiter verbundenen mehrmodigen Modenkopplungsbereich,
- – einen
sich an den Modenkopplungsbereich anschließenden Modenfilter,
- – einen
Ausgangswellenleiter und
- – eine
im Modenkopplungsbereich vorgesehenen Störung.
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Aufgrund
der Störung
wird im Modenkopplungsbereich die Energie eines Eingangssignals
zumindest teilweise auf höhere
Moden übertragen.
Erfindungsgemäss
ist die Störung
durch ein Brechungsindexgitter gemäß Anspruch 1 gebildet.
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Der
Eingangswellenleiter und der Ausgangswellenleiter sind bevorzugt
einmodig ausgebildet. Eine eingekoppelte einmodige Lichtwelle wird
in dem Moden-Aufweiter bevorzugt adiabatisch aufgeweitet, d.h. behält zunächst seine
Monomode-Eigenschaft. Aufgrund der Störung durch das Brechungsindexgitter
wird die Lichtwelle im Modenkopplungsbereich dann zumindest teilweise
in höhere
Moden überführt. Dies
erfolgt aufgrund der erfindungsgemäßen Ausbildung des Brechungsindexgitters
auch bei kleiner Heizleistung mit großer Effektivität. Der Übergang zum
einmodigen Ausgangswellenleiter wird durch den Modenfilter bereitgestellt,
der nur den Grundmode passieren lässt. Das Lichtsignal wird somit
abgeschwächt
oder – sofern
sämtliche
Lichtenergie in höhere
Moden umgewandelt wurde – vollständig ausgelöscht. Der
Grad der Modenumwandlung wird durch die Heizleistung und damit die
Amplitude des Brechungsindexgitters einstellbar festgelegt.
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Eine
bevorzugte Verwendung eines erfindungsgemäßen Modenkopplers besteht in
der Verwendung für
eine optische Abschwächervorrichtung oder
für einen
optischen Schalter, wobei in der Abschwächeranordnung oder dem optischen
Schalter die Signale eines optischen Datenkanals jeweils durch einen
erfindungsgemäßen Modenkoppler
in definierter Weise abgeschwächt
oder herausgefiltert werden. Je nachdem, ob die Signale im Modenkopplungsbereich
nur teilweise oder vollständig
in höhere Moden überführt werden,
liegt eine Signalabschwächung
oder Signalauslöschung
vor.
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Die
Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der
Zeichnung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel
eines auf einer planaren optischen Komponente ausgebildeten Brechungsindexgitters
in Schnittansicht, wobei in die Wellenleiterschicht ein Luftspalt
eingebracht ist, sowie die zugehörige
Temperaturverteilung;
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2 ein
zweites Ausführungsbeispiel
eines auf einer planaren optischen Komponente ausgebildeten Brechungsindexgitters
in Schnittansicht, wobei in das Trägersubstrat ein Luftspalt eingebracht
ist, sowie die zugehörige
Temperaturverteilung;
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3 ein
drittes Ausführungsbeispiel
eines auf einer planaren optischen Komponente ausgebildeten Brechungsindexgitters
in Schnittansicht, wobei sowohl in die Wellenleiterschicht als auch
in das Trägersubstrat
ein Luftspalt eingebracht sind, sowie die zugehörige Temperaturverteilung;
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4 ein
auf einer planaren optischen Komponente ausgebildetes Brechungsindexgitter
gemäß dem Stand
der Technik, sowie die zugehörige
Temperaturverteilung;
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5a ein
erstes Ausführungsbeispiel
eines Modenkopplers mit einem Brechungsindexgitter, wobei in das
Trägersubstrat
Luftspalte eingebracht sind;
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5b einen
Schnitt durch das Ausführungsbeispiel
der 5a entlang der Linie A-A;
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6a ein
zweites Ausführungsbeispiel
eines Modenkopplers mit einem Brechungsindexgitter, wobei in das
Trägersubstrat
und die Wellenleiterschicht Luftspalte eingebracht sind;
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6b einen
Schnitt durch das Ausführungsbeispiel
der 6a entlang der Linie B-B;
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7a ein
drittes Ausführungsbeispiel
eines Modenkopplers mit einem Brechungsindexgitter, wobei in die
Wellenleiterschicht Polymerregionen mit einem höheren thermooptischen Koeffizienten
eingebracht sind; und
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7b einen
Schnitt durch das Ausführungsbeispiel
der 7a entlang der Linie C-C.
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Die 4 zeigt
eine planare optische Komponente 1 mit einem Brechungsindexgitter 2 gemäß dem Stand
der Technik. Die planare optische Komponente 1 ist beispielsweise
Teil eines planaren optischen Schaltkreises. Sie besteht aus einem
Trägersubstrat 3 aus
Silizium, an das sich eine aus drei Schichten bestehende planare
Wellenleiterschicht 4 anschließt. Bei den einzelnen Schichten
handelt es sich um eine Buffer-Schicht 41, eine Kernschicht 42 und
eine Deckschicht 43. Die Schichten 41, 42, 43 bestehen
alle aus SiO2, wobei die Kernschicht 42 den Wellenleiterkern
darstellt und einen gegenüber der
Pufferschicht 41 und der Deckschicht 43 unterschiedlichen
Brechungsindex aufweist. Die Pufferschicht 41 stellt sicher,
dass die wellenführende Kernschicht 43 nicht
unmittelbar an das Trägersubstrat 3 angrenzt.
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Im
folgenden ist, wenn von Deckschicht 43 gesprochen wird,
zur Vermeidung sprachlicher Längen
sowohl die Deckschicht 43 als auch die Pufferschicht 41 gemeint.
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Auf
der Oberfläche 44 der
Wellenleiterschicht 4 ist eine Heizelektrode 5 aufgebracht,
die Teil des Brechungsindexgitters 2 bildet. Die Heizelektrode 5 ist
bestromt und entwickelt dementsprechend Wärme, die sich in die Wellenleiterschicht 4 und
bis in den lichtführenden Kernbereich 42 ausbreitet. Gleichzeitig
wird die Wärme
durch bekannte Mechanismen der Wärmeleitung
abgeführt.
Es entwickelt sich die in 4 dargestellte
Temperaturverteilung. Die Temperatur beträgt ca. 110°C unmittelbar an der Heizelektrode 5 und
sinkt in 10° Schritten
bis auf die Umgebungstemperatur von etwa 20°C. Jede „Höhenlinie" entspricht dabei einer Temperaturänderung von
ca. 10° C.
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Der
horizontale Temperaturgradient im Wellenleiterkern 42 beträgt ca. 15° C. Um diesen
Betrag ändern
sich aufgrund der periodisch angeordneten Heizelektroden 5 periodisch
die Temperatur in der lichtführenden
Kernschicht 42. Die damit verbundene Änderung des Brechungsindex
bzw. die Amplitude des Brechungsindexgitters 2 ist gering.
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Die
Heizleistung beträgt
im dargestellten Beispiel 600 mW. Die Breite des Wellenleiterkerns beträgt ca. 50 μm. Die genannte
Heizleistung und Breite des Wellenleiterkerns liegen auch bei den nachfolgend
erläuterten 1 bis 3 vor.
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In
dem Ausführungsbeispiel
der 1 ist in die Deckschicht 13 ein sich
senkrecht zur Oberfläche 44 und
parallel zur Kernschicht 42 erstreckender Luftspalt 6 eingebracht,
nachfolgend auch als Graben 6 bezeichnet. Der Graben 6 verläuft auf
einer Seite der Kernschicht bzw. des Wellenleiterkerns 42 bis
zum Trägersubstrat 3.
Er ist beispielsweise durch anisotropes Ätzen oder Sägen eingebracht. Der Graben 6 unterbindet
an einer Seite des Wellenleiterkerns 42 den Wärmefluss
in der Wellenleiterschicht 4. Die Temperatur unmittelbar
an der Heizelektrode 5 beträgt nun etwa 140 °C. Der horizontale
Temperaturgradient (quer zur Lichtausbreitungsrichtung) im Wellenleiterkern 42 erhöht sich
von 15°C
auf 30°C.
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Dies
bedeutet, dass die Gitteramplitude des Brechungsindexgitters 2 größer ist
bzw. die gleiche Gitteramplitude wie bei der Ausgestaltung der 4 mit
weniger als 50% der Schaltleistung erreicht werden kann. Die laterale
Temperaturverteilung wird durch den einseitig angeordneten Graben 6 in
der Wellenleiterschicht 4 optimiert.
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Im
Ausführungsbeispiel
der 2 sind im Si-Trägersubstrat 3 unter
der Wellenleiterschicht 2 Gräben 7 ausgebildet.
Die Temperaturleitfähigkeit von
Silizium ist ca. hundertmal größer als
die von SiO2. Damit ist das Substrat 3 eine ideale Wärmesenke.
Gemäß 2 wird
der Wärmefluss
in die Si-Wärmesenke 3 durch
die Gräben 7 lokal
gestört, so
dass sich der horizontale Temperaturgradient im Wellenleiter erhöht. Die
Temperatur unmittelbar an der Heizelektrode 5 beträgt nun etwa
115 °C.
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Zur
Herstellung des Grabens 7 kann das Substrat 3 zum
Beispiel lokal durch Ätztechniken seitlich
versetzt unter dem Wellenleiterkern 42 entfernt werden.
Die lokale Entfernung des Substrates 3 kann beispielsweise
dadurch erfolgen, dass fotolithographisch eine Ätzmaske auf der Unterseite 31 des Substrats 3 definiert
wird und das Substrat 3 mittels Ätztechniken rückseitig
bis zur Wellenleiterschicht 4 aus SiO2 entfernt wird. Da
sich SiO2 und Si chemisch unterscheiden, erhält man einen natürlichen Ätzstopp.
Als Ätzmittel
wird beispielsweise Kaliumhydroxid verwendet. Ebenso kann beispielsweise
ein reaktives Ionenätzen
(RIE) erfolgen.
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Es
zeigt sich, dass sich bei der Ausgestaltung der 2 der
horizontale Temperaturgradient im Wellenleiterkern 42 von
15°C auf
25°C bei
gleicher Heizleistung erhöht.
Dies bedeutet, dass eine Reduktion der Heizleistung um 40% erfolgen
kann.
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Dabei
wird darauf hingewiesen, dass der Graben nur teilweise unterhalb
des Wellenleiterkerns 42 verläuft. Hierdurch wird der horizontale
Temperaturgradient quer zur Längsrichtung
des Wellenleiterkerns 42 bzw. quer zur Lichtausbreitungsrichtung
erhöht.
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In
der 3 ist ein Ausführungsbeispiel
dargestellt, bei dem sowohl in der Wellenleiterschicht 4 als
auch im Trägersubstrat 3 Luftspalte
bzw. Gräben vorgesehen
sind. So sind ein seitlicher Graben 8 im Si-Substrat 3 unter
der Wellenleiterschicht 4 und ein vertikaler Graben 9 in
der Wellenleiterschicht 4 realisiert. Der Graben 8 im
Si-Substrat 3 verläuft dabei nur
teilweise unterhalb des Wellenleiterkerns.
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Zur
Herstellung der Gräben 8, 9 wird
fotolithographisch eine Ätzmaske
auf der Oberfläche 44 der
SiO2 Wellenleiterschicht 4 definiert und werden zuerst
anisotrop steile Gräben 9 bis
zum Substrat 3 in die SiO2-Wellenleiterschicht 4 geätzt. Am
Substrat 3 angekommen, wird das Ätzmedium geändert und die Grabenätzung im
Substrat 3 zur Bildung der Gräben 8 isotrop fortgesetzt.
Die Wellenleiterschicht 4 wird so unterätzt.
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Es
zeigt sich, dass sich bei dieser Ausgestaltung der horizontale Temperaturgradient
im Wellenleiterkern 42 von 15°C auf ca. 50°C bei gleicher Heizleistung
steigern lässt.
Die Temperatur unmittelbar an der Heizelektrode 5 beträgt etwa
155 °C.
Es sind 70% weniger Heizleistung erforderlich.
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Die 5a und 5b zeigen
einen Modenkoppler 10, der einen einmodigen Eingangswellenleiter 11,
einen Moden-Aufweiter 12, einen mehrmodigen Modenkoppungsbereich 13,
einen Moden-Filter bzw. Moden-Verjünger 14 und einen
einmodigen Ausgangswellenleiter 15 aufweist.
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Im
Modenkopplungsbereich 13 sind in periodischer Anordnung
Heizelemente 5 auf der Oberfläche 44 der Wellenleiterschicht 4 angeordnet.
Insofern wird auf die obigen Ausführungen verwiesen. Die Heizelektroden 5 weisen
jeweils zwei Zuleitungen 51, 52 für elektrische
Anschlüsse
auf. Des weiteren sind entsprechend 2 periodisch
Gräben 7 in
das Trägersubstrat 3 eingebracht,
die einen Wärmefluss
in das Trägersubstrat 3 reduzieren.
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Die
Heizelemente 5 sind in zwei Längsreihen und versetzt zueinander
angeordnet. Sie definieren Gitterpunkte eines Brechungsindexgitters,
dass sich im Modenkopplungsbereich 13 in der Wellenleiterschicht 4 aufgrund
der durch die Temperaturänderung
hervorgerufenen Änderung
des Brechungsindex ausbildet. Aufgrund eines Temperaturgradienten, der
auch quer zur Lichtausbreitungsrichtung verläuft, sind dabei neben Gitterpunkten
in Ausbreitungsrichtung auch quer dazu lokaliserte Gitterpunkte
realisiert.
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Die
Breite des Eingangswellenleiter 11 ist so gewählt ist,
dass er nur eine Mode führen
kann. Der Eingangswellenleiter 11 wird im Moden-Aufweiter 12 so
weit aufgeweitet, bis der Wellenleiter mindestens zwei Moden führen kann.
Die Wellenleiterbreite bleibt im sich anschließenden Modenkopplungsbereich 13 für wenige
Millimeter konstant und wird dann im Moden-Filter 14 wieder
verjüngt.
Der Ausgangswellenleiter 15 kann wiederum nur eine Mode
führen.
Der Moden-Filter 14 im Übergang
vom Modenkopplungsbereich 13 zum Ausgangswellenleiter 14 lässt somit nur
die Grundmode passieren.
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Koppelt
man nun Licht in den Eingangswellenleiter 11 ein, so wird
die Feldverteilung der Eingangsmode im Moden-Aufweiter 12 adiabatisch
aufgeweitet, bis sie der Feldverteilung der Grundmode im breiteren
Modenkopplungsbereich 13 entspricht. Durch das periodische
Brechungsindexgitter, dessen Brechungsindexdifferenz in der Deckschicht 43 über die
Heizelemente 5 eingestellt werden kann, erfährt das
in der Grundmode geführte
Licht im Modenkopplungsbereich 13 eine periodische Störung. Diese
Störung
bewirkt bei richtiger Gitterperiode einen Energieübertrag
des Lichtes aus der Grundmode in die erste höhere Mode, oder auch, sofern
der Wellenleiter weitere Moden führt
in weitere höhere
Moden.
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Der
Energieübertrag
hängt von
der Stärke der
Störung,
d.h. der Brechungsindexdifferenz in der Wellenleiterschicht 4,
insbesondere im wellenführenden
Kern 42 ab und kann über
die Heizelektroden 5 eingestellt werden. Die Störung ist
dabei umso effektiver, je abrupter die Brechzahlsprünge bzw.
je steiler die Amplituden des Brachzahlgitters sind.
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Das
Licht befindet sich nach Passieren des Modenkopplungsbereichs 13 teilweise
oder vollständig
in höheren
Moden. Das Licht, das sich nicht mehr in der Grundmode befindet,
wird bei der anschließenden
Verjüngung
des Wellenleiters im Moden-Filter 14 abgestrahlt, da der
Ausgangswellenleiter 15 nur die Grundmode führen kann.
Somit ist das Licht im Ausgangswellenleiter 15 abgeschwächt worden.
Die Abschwächung
lässt sich über die
Heizelektroden 5 steuern.
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In
den 6a, 6b ist ein Ausführungsbeispiel
eines Modenkopplers dargestellt, bei dem wie in Bezug auf 3 beschrieben
Gräben 8, 9 sowohl
in der Wellenleiterschicht 4 als auch dem Trägersubstrat 3 ausgebildet
sind. In der Darstellung der 6a sind
die Gräben 9 in
der Wellenleiterschicht und die Gräben bzw. die Unterätzung 8 im
Si-Substrat gut zu erkennen. Beide sind im wesentlichen quadratisch
ausgebildet.
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Die
Heizelektroden 5' und
die Zuleitungen 51', 52' sind bei diesem
Ausführungsbeispiel
hintereinander in Längsrichtung
des Modenkopplungsbereichs 13 angeordnet.
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Es
wird darauf hingewiesen, dass in der Draufsicht der 6a zur
einfacheren Darstellung von der Wellenleiterschicht explizit jeweils
nur die signalführende
Kernschicht 11, 12, 13, 14, 15 dargestellt
ist (in der Schnittansicht der 6b: Kernschicht 42, 14),
nicht dagegen die diese umgebende Deckschicht. Gleiches gilt für die 5a und 7a.
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Die
Kernschicht 42, 13 weist entsprechend 3 einen
Temperaturgradienten auf, der sich auch quer zur Längsrichtung
erstreckt. So weist die Kernschicht 42, 13 am
rechten Rand, der den Gräben 8, 9 benachbart
ist, eine höhere
Temperatur auf als an seinem linken Rand. Der in dem Trägersubstrat 3 verlaufende
Graben 8 verläuft
dabei nur teilweise under der Kernschicht 42, 13,
um einen hohen Temperaturgradienten zu erreichen.
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Die 7a, 7b zeigen
eine alternative Ausgestaltung eines Modenkopplers, bei dem auf Luftspalte
bzw. Gräben
verzichtet wird und zur Erhöhung
der Amplitude des Brechungsindexgitters stattdessen Polymerregionen 20 mit
einem höheren
thermooptischen Koeffizienten in die SiO2 Wellenleiterschicht integriert
sind.
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Das
Material SiO2 hat einen geringen thermooptischen Koeffizienten.
Ersetzt man in der SiO2- Wellenleiterschicht 4 lokal Regionen
durch ein wellenleitendes Material mit einem vom Betrag her höheren thermooptischen
Koeffizienten, so entsteht bei einer Temperaturerhöhung automatisch
ein gut lokalisiertes Brechungsindexgitter mit hoher Amplitude.
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Eine
Substitution von SiO2 durch ein anderes Material kann allerdings
zu Wellenleiterverlusten führen.
Da das optische Signal fast ausschließlich auf den Wellenleiterkern 42 konzentriert
ist, werden diese Zusatzverluste vermieden, wenn nur lokal in der Wellenleiterdeckschicht 43 oder
auch seitlich neben dem Wellenleiterkern 42 Material mit
einem höheren thermooptischen
Koeffizienten einbaut wird. Da das Lichtsignal auch außer des
Wellenleiterkerns 42 geführt wird, erfährt es trotzdem
eine Signaländerung.
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Zum
Einbauen eines Material mit höherem thermooptischen
Koeffizienten werden beispielsweise fotolithographisch diejenigen
Bereiche definiert, in die das Material eingebracht werden soll,
und wird in diesen Bereichen die SiO2- Deckschicht 43 bis
in die Nähe
der Kernschicht 42 entfernt. Durch Aufschleudertechniken
werden die fraglichen Bereiche dann mit einem Polymer aufgefüllt. Anschließend werden über Dünnschichttechniken
und Fotolithographie Heizelektroden 5 auf den Polymeren
ausgebildet.
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Betreibt
man die Heizelektroden 5, so erhält man zwar wieder eine ungünstige,
schwach lokalisierte Temperaturverteilung, da Polymere und SiO2 unter
Umständen
eine ähnliche
Temperaturleitfähigkeit
besitzen. Polymere reagieren auf das Temperaturfeld jedoch mit einer
gegenüber
SiO2 bis zu hundertfachen Brechungsindexänderung. Man erhält also
trotz einer nicht scharf definierten Temperaturverteilung ein für eine Modenkopplung
sehr effizientes, lokalisiertes Brechungsindexgitter mit hoher Amplitude.
Dieses Brechungsindexgitter mit hoher Amplitude ragt bevorzugt bis
nah an die Kernschicht 42 heran und stellt eine periodische
Störung
dar, die zu einem Modenübergang
führen
kann. Die Heizleistung lässt
sich je nach Materialwahl auf bis zu 1/100 der üblichen Heizleistung reduzieren.
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Die 7a, 7b zeigen
den Modenkoppler mit Heizelektroden 5 und Polymerregionen 20.
Die Polymerregionen 20 sind im Modenkopplungsbereich 13 periodisch
in die Deckschicht 43 eingebaut. Sie besitzen einen gegenüber der
Deckschicht 43 höheren
thermooptischen Koeffizienten. Zudem entspricht der Brechungsindex
des Polymers an einer Stelle im Temperaturbereich zwischen 0°C und 250°C dem Brechungsindex
der Deckschicht. Für diesen
Fall sind die durch die Polymerregionen 20 erzeugten Störungen optisch
nicht existent. Die Störungen
lassen sich damit an- und ausschalten.
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Die
Heizelektroden 5 sind beispielsweise Dünnschichtheizer aus Chrom,
Titan oder Nickel.
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Gräben sind
bei dieser Erfindungsvariante nicht vorhanden, können jedoch grundsätzlich zusätzlich vorgesehen
sein. Die Anordnung des Modenkopplers entspricht ansonsten der Anordnung
der 5 und 6.
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Es
wird darauf hingewiesen, dass die Polymerregionen 20 und
die Heizelemente 5 alternativ auch diagonal (winklig) oder
in anderer Anordnung über
dem Wellenleiter angeordnet sein können.
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Weiter
wird darauf hingewiesen, dass die Polymerregionen 20 gemäß 7b jeweils
nur über
einem Teil des Wellenleiterkerns 42 angeordnet sind (in 7b über dem
rechten Teil). Diese Assymmetrie führt zu einem Brechungsindexgradienten
in einer Richtung quer zur Längsrichtung
des Wellenleiterkerns 42. Die Polymerregionen 20 und
Heizelemente 5 sind gemäß 7a in
zwei Reihen angeordnet. In jeder Reihe verläuft der Brechungsindexgradient
in anderer Richtung, so dass das sich im Wellenleiterkern 42 fortpflanzende
Licht abwechselnd rechts und links eine Störung erfährt und damit gewissermaßen hin-
und hergeschaukelt wird.
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Zur
Funktion der Anordnung wird zunächst auf
die Erläuterungen
zur 5 verwiesen. Ergänzend wird
folgendes angemerkt. Sofern die Temperatur der Polymerregionen 20 über die
Heizelektroden 5 so eingestellt ist, dass die Polymerregionen 20 und Deckschicht 43 den
gleichen Brechungsindex besitzen, erfolgt keine Abschwächung. Das
Licht wird im Moden-Aufweiter 12 adiabatisch aufgeweitet
und an der Moden-Filter 14 wieder verjüngt. Ein Energieübertrag
in die zweite Mode erfolgt nicht, sofern der Wellenleiter über keine
Störungen
verfügt
und das System symmetrisch aufgebaut ist. Das Eingangsfeld kann
den Modenkoppler also ungestört
passieren. Es erfolgt maximal eine geringe Abschwächung durch
die Wellenleiterverluste.
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Für eine variable
Abschwächung
wird die Temperatur der Polymerregionen 20 so eingestellt, das
die Polymerregionen 20 und die Deckschicht 43 einen
Brechungsindexunterschied aufweisen. Durch die periodisch angeordneten
Polymerregionen 20 erfährt
das in der Grundmode des breiten Wellenleiters geführte Licht
eine periodische Störung.
Diese Störung
bewirkt wie beschrieben einen Energieübertrag des Lichtes aus der
Grundmode in die erste höhere Mode
oder auch weitere höhere
Moden. Der Energieübertrag
hängt von
der Stärke
der Störung,
nämlich der
Brechungsindexdifferenz zwischen Deckschicht 43 und Polymer
ab und kann über
die Heizelektroden 5 eingestellt werden.
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Die
erzielen Brechzahlsprünge
sind sehr ausgeprägt,
da der Brechungsindex des Polymermaterials stärker auf eine Temperaturänderung
reagiert als die Deckschicht 43.
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Als
Polymermaterialien werden beispielsweise PMMA, PMA, PDDA oder anorganische
Hybridpolymere (Ormocere) verwendet. In einem Ausführungsbeispiel
wird als Polymer ein unter der Bezeichnung „Cyclotene" von der Firma Dow Chemicals vertriebenes
Polymer verwendet.
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Bei
optimaler Anordnung der Polymerregionen und/oder der Gräben sowie
optimaler Heizleistung sind bei sämtlichen beschriebenen Ausgestaltungen
Abschwächungen
bis zu 60dB möglich.