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Die Erfindung betrifft eine Wellenleiterkreuzung
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Durch eine zunehmende Integrationstiefe
in planaren optischen Schaltkreisen (PLC – Planar Light Circuit) lassen
sich Wellenleiterkreuzungen immer weniger vermeiden. Beispielsweise
werden Abschwächereinheiten
dafür eingesetzt,
eine kanalabhängige
Abschwächung
der Pegel der Signale einzelner Datenkanäle eines Arrays von Wellenleitern vorzunehmen.
Durch eine kanalabhängige
Schwächung
können
unterschiedliche Pegel abgeglichen werden (Equalizing). Zur messtechnischen Überwachung
der einzelnen Kanäle
des Arrays wird ein kleiner Teil der optischen Leistung (üblicherweise
zwischen einem und zehn Prozent) ausgekoppelt und einer Auswerteinheit
etwa in Form eines seitlich montierten Arrays von Fotodioden zugeführt. Dabei kreuzt
jeder Überwachungswellenleiter
auf seinem Weg zu einer Fotodiode zwischen 0 und n – 1 Wellenleiter
des Arrays, je nach Kanal. Die Überkreuzungen der Überwachungswellenleiter
mit den signalführenden
Wellenleitern des Arrays führen
zu kanalabhängigen
Verlusten und zu einem Nebensprechen der anderen Wellenleiter des
Arrays.
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Allgemein weisen Wellenleiterkreuzungen den
Nachteil auf, dass sie zum einen einen Signalverlust bewirken und
zum anderen ein Nebensprechen zwischen den sich kreuzenden Wellenleitern herbeiführen. Es
ist dabei bekannt, dass der Signalverlust und das Nebensprechen
mit wachsendem Kreuzungswinkel sinken. Um ein Nebensprechen und
einen Signalverlust in einer Wellenleiterkreuzung gering zu halten,
ist es dementsprechend sinnvoll, möglichst große Kreuzungswinkel von größer 40° zu realisieren.
Dies führt
jedoch nachteilig zu größeren Chip-Dimensionen.
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Aus der
DE 100 64 579 A1 ist eine
Wellenleiterkreuzung bekannt, bei der einer der sich kreuzenden
Wellenleiter im Kreuzungsbereich unterbrochen ausgebildet ist. Diese
Lösung
eignet sich vor allem für
Wellenleiterkreuzungen, bei denen die sich kreuzenden Wellenleiter
im Wesentlichen senkrecht zueinander angeordnet sind.
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Der vorliegenden Erfindung liegt
die Aufgabe zugrunde, eine Wellenleiterkreuzung zur Verfügung zu
stellen, die zu möglichst
geringen Signalverlusten und einem möglichst geringen Nebensprechen
führt und
die dabei auch bei relativ kleinen Kreuzungswinkeln einsetzbar ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine
Wellenleiterkreuzung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte
und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Danach zeichnet sich die erfindungsgemäße Lösung dadurch
aus, dass mindestens einer der beiden sich kreuzenden Wellenleiter
im Kreuzungsbereich eine verringerte Querschnittsfläche aufweist und/oder
im Kreuzungsbereich lokal unter einem vergrößerten Kreuzungswinkel gegenüber dem
anderen Wellenleiter geführt
ist.
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Gemäß einem ersten Aspekt der erfindungsgemäßen Lösung werden
die sich kreuzenden Wellenleiter im Kreuzungsbereich somit im Querschnitt reduziert,
d. h. der einander durchdringende Bereich der beiden Wellenleiter
ist gegenüber
dem Fall, dass die Wellenleiter ohne eine Verengung einander kreuzen
würden,
reduziert. Hierdurch werden der Kreuzungsverlust und das Nebensprechen
erheblich reduziert. Nach der Verengung im Kreuzungsbereich weiten
sich die Wellenleiter wieder zu ihrer ursprünglichen Querschnittsfläche auf.
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Ein Verringern des Wellenleiterquerschnitts kann
durch eine verringerte Breite (parallel zur Substratoberfläche), eine
verringerte Höhe
(vertikal zur Substratoberfläche)
oder eine Verringerung sowohl der Breite als auch der Höhe des Wellenleiters
erfolgen. In der Regel wird eine Variation der Breite des Wellenleiters
herstellungstechnisch einfacher zu realisieren sein.
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Ein zweiter Aspekt der vorliegenden
Erfindung sieht lokal eine Erhöhung
des Kreuzungswinkels der sich kreuzenden Wellenleiter vor, d.h.
der Kreuzungswinkel der Wellenleiter im Kreuzungsbereich ist größer als
außerhalb
des Kreuzungsbereiches. Hierdurch werden der Kreuzungsverlust und ein
Nebensprechen reduziert. Da der Kreuzungswinkel lediglich lokal
verändert
ist und die Wellenleiter außerhalb
des Kreuzungsbereichs unter einem kleineren Winkel zueinander verlaufen,
führt die
lokale Vergrößerung des
Kreuzungswinkels nicht zu einem vergrößerten Platzbedarf und größeren Chipdimensionen.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung
des erstgenannten Erfindungsaspekts ist der sich verjüngende Bereich
bzw. der sich aufweitende Bereich des Wellenleiters durch einen
Taper, insbesondere Lineartaper ausgebildet. Taper, auch als Hornstrukturen bezeichnet,
sind Wellenleiterstrukturen, die sich entlang der Ausbreitungsrichtung
der optischen Welle so langsam („adiabatisch") verändern, dass
die Verteilung der optischen Leistung über die lokalen Eigenmoden
während
der Ausbreitung erhalten bleibt. Dies ist besonders bei einem linearen
Verkleinern des Wellenleiterquerschnitts, wie er in einem Lineartaper erfolgt,
der Fall.
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Dabei ist bevorzugt vorgesehen, dass
sich der Lineartaper bis zum Kreuzungsbereich um maximal 50 % ausgehend
von seiner Ausgangsbreite verjüngt.
Bevorzugt beträgt
der Grad der Verjüngung zwischen
10 und 30 %, besonders bevorzugt 15 %. Beispielsweise verjüngt sich
der Wellenleiter im Bereich des Lineartapers über eine Länge von etwa 400 μm ausgehend
von einer Breite von 6 μm
um 0,5 bis 3 μm,
insbesondere um 1 bis 2 μm,
insbesondere um 1 μm.
Dabei ist zu berücksichtigen,
dass es mit der Verjüngung
des Wellenleiters zu einer sukzessiven Verschlechterung der Wellenführung und
damit zu einer zunehmenden Neigung zur Abstrahlung kommt. Zu große Einschnürungen führen daher
zu großen Zusatzverlusten.
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Eine Verjüngung des Wellenleiters bzw.
eine Querschnittsreduktion im Kreuzungsbereich erfolgt bevorzugt
bei beiden sich kreuzenden Wellenleitern, wodurch die Kreuzungsverluste
besonders stark reduziert werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung
des zweiten Erfindungsaspekts erfolgt eine lokale Änderung
der Wellenleiterverlaufs zur Erhöhung
des Kreuzungswinkels durch eine Mehrzahl von asymmetrisch ausgebildeten
Lineartapern. Eine asymmetrische Ausbildung der Lineartaper ist
dabei vorgesehen, um lokal einen anderen Kreuzungswinkel zur Verfügung zu
stellen.
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Bevorzugt weist dabei mindestens
ein Wellenleiter im Kreuzungsbereich vier Lineartaper auf, wobei
der Wellenleiter sich im ersten Lineartaper verjüngt, sich im zweiten Lineartaper
aufweitet, sich im dritten Lineartaper verjüngt und sich im vierten Lineartaper
wieder aufweitet, und wobei die eigentliche Wellenleiterkreuzung
im Bereich der beiden mittleren Lineartaper erfolgt. Bevorzugt sind
beide Wellenleiter auf diese Weise ausgebildet.
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Die Asymmetrie der Lineartaper ist
bevorzugt dadurch ausgebildet, dass eine Verjüngung bzw. Aufweitung jeweils
auf nur einer Längsseite
des Wellenleiters stattfindet, während
die andere Längsseite geradlinig
verläuft.
Eine solche Asymmetrie weist den Vorteil eines einfachen Designs
auf und lässt sich
relativ einfach herstellen. Bevorzugt grenzen beim ersten und beim
zweiten Lineartaper sowie beim dritten und beim vierten Lineartaper
jeweils zwei geradlinige Seiten aneinander. Beim zweiten und beim
dritten Lineartaper sind die geradlinig verlaufenden Längsseiten
dagegen auf unterschiedlichen Seiten ausgebildet. Hierdurch entsteht
eine Schrägstellung
des zweiten und dritten Bereichs gegenüber der urspünglichen
Verlaufsrichtung des Wellenleiters, die zu einem lokal erhöhten Kreuzungswinkel
führt.
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In einer alternativen Ausgestaltung
wird ein lokal veränderter
Kreuzungswinkel durch einen im Kreuzungsbereich in einem Bogen geführten Wellenleiterabschnitt
gebildet.
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Die erfindungsgemäße Wellenleiterkreuzung wird
bevorzugt an einmodigen integrierten Wellenleitern verwirklicht,
wie sie in planaren optischen Schaltkreisen üblicherweise eingesetzt werden.
Grundsätzlich
kann die erfindungsgemäße Wellenleiterkreuzung
jedoch auch an mehrmodigen Wellenleitern realisiert werden.
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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 eine
schematische Darstellung einer ersten Wellenleiterkreuzung mit zwei
im Kreuzungsbereich verjüngten
Wellenleitern;
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2 eine
schematische Darstellung einer zweiten Wellenleiterkreuzung mit
zwei sich kreuzenden Wellenleitern, die im Kreuzungsbereich jeweils vier
asymmetrisch ausgebildete Lineartaper zur lokalen Erhöhung des
Kreuzungswinkels aufweisen;
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3 eine
vergrößerte Darstellung
des Kreuzungsbereichs der 2;
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4 die
Verringerung der Einfügeverluste in
Abhängigkeit
vom Kreuzungswinkel bei einer Wellenleiterkreuzung gemäß 1;
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5 die
Verringerung der Einfügeverluste in
Abhängigkeit
vom Kreuzungswinkel bei einer Wellenleiterkreuzung gemäß den 2 und 3;
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6 einen
Querschnitt durch einen integriert optischen Schaltkreis und
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7 schematisch
eine dritte Wellenleiterkreuzung mit zwei sich kreuzenden Wellenleitern, wobei
eine lokale Erhöhung
der Kreuzungswinkel durch eine bogenförmige Führung eines Wellenleiters erreicht
ist.
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Die 1 zeigt
eine Wellenleiterkreuzung mit einem ersten Wellenleiter 1 und
einem zweiten Wellenleiter 2. Die Wellenleiter 1, 2 sind
integriert optisch ausgebildet, beispielsweise in dem Materialsystem
SiO2/Si, wie in 6 beispielhaft dargestellt.
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Gemäß 6 weist ein planarer optischer Schaltkreis 100 einen
Siliziumwafer 140 auf, auf den zur Herstellung einer gewünschten
Wellenleiterstruktur drei SiO2-Schichten
mit verschiedenen Brechungsindizes abgeschieden werden, die als
Puffer-, Kern- und Deckschicht bezeichnet werden. Die Pufferschicht 110 grenzt
dabei an das Siliziumsubstrat 140 an. Die Kernschicht befindet
sich zwischen der Pufferschicht 110 und der äußeren Deckschicht 120.
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Bevor die Kernschicht mit der Deckschicht 120 abgedeckt
wird, wird sie mit Hilfe einer fotolithographisch hergestellten
Maske und eines Ätzverfahrens
strukturiert, so dass nur noch einzelne Rippen dieser Schicht stehen
bleiben. Diese Rippen 130 werden mit der Deckschicht 120 überschichtet
und bilden den lichtführenden
Wellenleiterkern der Planaren optischen Schaltung. Beispielsweise
befinden sich die lichtführenden
Wellenleiterkerne 130 etwa 20 μm tief vergraben in einem ca.
40 μm dicken SiO2-Schichtensystem 110, 120.
Sie weisen typischerweise einen Querschnitt von ca. 6 μm mal 6 μm auf. Zur
Einkopplung von Licht in den jeweiligen Wellenleiterkern 130 wird
an der Stirnfläche
des Chips mit dem Planaren optischen Schaltkreis eine optische Glasfaser
positioniert, wie es an sich bekannt ist, so dass hierauf nicht
weiter eingegangen wird.
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Die 1 zeigt
also zwei Lichtwellenleiter 1, 2, die beispielsweise
entsprechend der 6 in
einem Planaren optischen Substrat ausgebildet sind. Die Bezugszeichen 1, 2 bezeichnen
dabei genau genommen den jeweiligen Wellenleiterkern.
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Die Wellenleiter 1, 2 weisen
eine Ausgangsbreite a1, b1 auf, die jeder Wellenleiter 1, 2 sowohl vor
als auch nach der Wellenleiterkreuzung aufweist und die die „normale" Breite der Wellenleiter 1, 2 darstellt.
In der Regel werden dabei die beiden Wellenleiter 1, 2 die
gleiche Breite aufweisen, d.h. a1 = b1, obgleich dies nicht notwendigerweise
der Fall ist.
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Die Wellenleiter 1, 2 weisen
im Kreuzungsbereich jeweils zwei Lineartaper 11, 12, 21, 22 auf, die
sich ausgehend von der Ausgangsbreite a1, b1 bis zur Kreuzungsmitte 8 verengen
bzw. anschließend
an die Kreuzungsmitte 8 aufweiten. In Richtung X eines
betrachteten Lichtsignals, das im Lichtwellenleiter 1 geführt wird,
verengt sich der Wellenleiter 1 somit zunächst in
dem ersten Lineartaper 11 und weitet sich nach der Wellenleiterkreuzung 8 im
zweiten Lineartaper 12 wieder auf die ursprüngliche
Breite auf. Gleiches gilt für
den kreuzenden Wellenleiter 2.
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Die Länge eines Tapers 11, 12, 21, 22 beträgt bevorzugt
etwa 400 μm.
Die beiden kreuzenden Wellenleiter 1, 2 verjüngen sich
dabei um bevorzugt etwa 0,5 μm
bis 3 μm,
insbesondere um 1 μm.
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Ein Verringern des Wellenleiterquerschnitts kann
grundsätzlich
durch eine verringerte Breite, eine verringerte Höhe oder
eine Verringerung sowohl der Breite als auch der Höhe des Wellenleiters
erfolgen. Im dargestellten schematischen Ausführungsbeispiel erfolgt im Lineartaper
eine Reduzierung der Breite des Wellenleiters; es handelt sich um
einen lateralen Lineartaper. Ergänzend
oder alternativ kann jedoch auch ein vertikaler Taper vorgesehen
sein, bei dem sich die Höhe
des Wellenleiters zur Kreuzungsmitte der Wellenleiterkreuzung hin
reduziert.
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Der Erfolg der beschriebenen technischen Lösung zur
Reduzierung von Signalverlusten und eines Nebensprechens in einer
Wellenleiterkreuzung wurde experimentell bestätigt und ist grafisch in der 4 dargestellt. Gemessen
wurde dabei jeweils der Einfügeverlust
eines Wellenleiters mit 40 bis 60 Wellenleiterkreuzungen für Kreuzungswinkel
von 5 bis 85°.
Unter Einfügeverlust
wird dabei ein Wert bezeichnet, der die Differenz der Signalstärke im Wellenleiter
im Einkoppelpunkt eines Lichtsignals und im Auskoppelpunkt nach
Durchlaufen von 40 bis 60 Wellenleiterkreuzungen darstellt. Naturgemäß ist der Einfügeverlust
umso geringer, je kleiner die Signalverluste und ein Nebensprechen
an jeder Wellenleiterkreuzung sind.
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In 4 ist
die Verbesserung des Einfügeverlustes
in Abhängigkeit
von dem Winkel der jeweiligen Wellenleiterkreuzungen dargestellt.
Die Messungen wurden an Tapern vorgenommen, die ausgehend von einer
Breite von 6 μm
sich bis zur Kreuzungsmitte um 1 μm
(Raute), um 2 μm
(Quadrat) oder um 3 μm
(Dreieck) verjüngen.
Es ist zu erkennen, dass bei einer Verjüngung um 1 μm für Kreuzungswinkel größer 20° eine Verringerung
des Kreuzungsverlustes von 20 bis 60 % erreicht wird. Bei einer
Verengung des Lineartapers um 2 μm
wird der Kreuzungsverlust bei kleinen Winkeln und großen Winkeln
nahe 90° verbessert.
Bei einer großen
Einschnürung
um 3 μm
liegt eine Verringerung des Kreuzungsverlustes nur noch bei kleinen
Winkeln vor. Dies hängt
mit einer verstärkten
Abstrahlung bei einer Verkleinerung des Wellenleiterquerschnitts
zusammen.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung
ist in den 2 und 3 dargestellt. Es sind wiederum
zwei Wellenleiter 3, 4 einer definierten Breite bzw.
eines definierten Querschnitts vorgesehen, die sich in einer Wellenleiterkreuzung
kreuzen. Die Ausbildung der Wellenleiter in einem Substrat erfolgt
beispielsweise wie im Bezug auf die 6 beschrieben.
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Wie insbesondere anhand der 3 gut zu erkennen ist, weist
jeder Wellenleiter 3, 4 im Kreuzungsbereich vier
Lineartaper 31, 32, 33, 34, 41, 42, 43, 44 auf.
Wie noch ausgeführt
ist, sind sämtliche
Lineartaper asymmetrisch hinsichtlich der Längsachse 7 (vgl. 2) der Wellenleiter 3, 4 ausgebildet.
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Der erste Lineartaper 41 des
einen Wellenleiters 4 verengt sich in Richtung seines an
den anschließenden
Lineartaper 42 angrenzenden Endes. Dabei wird darauf hingewiesen,
dass die rechte Längsseite
des Tapers 41R geradlinig weiter verläuft und lediglich die im dargestellten
Ausführungsbeispiel
linke Seite 41L, d. h. die dem anderen Wellenleiter 3 näher liegende
Seite durch einen schrägen Verlauf
eine Verengung bereitstellt.
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Der sich anschließende zweite Lineartaper 42 weist
eine Aufweitung auf. Es wird jedoch wiederum nur die zuvor verengte
linke Seite 42L aufgeweitet, während die rechte Seite 42R geradlinig
weitergeführt
wird. Bei dem dritten und vierten Lineartaper 43, 44 ist
die Situation spiegelsymmetrisch hinsichtlich des Kreuzungspunktes.
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Entscheidend ist dabei, dass der
jeweils nicht verengte oder aufgeweitete Bereich 41R, 42R, 43L, 44L im
eigentlichen Kreuzungsbereich, d. h. zwischen dem zweiten und dem
dritten Lineartaper 42, 43 die Seite wechselt.
Hierdurch verwirklichen die beiden mittleren Lineartaper 42, 43 lokal
einen steileren Verlauf der Wellenleiterführung mit veränderten Mittenachsen 10a, 10b.
Durch den steileren Verlauf ist der Kreuzungswinkel erhöht, so dass
der Kreuzungsverlust dementsprechend abnimmt. Der Kreuzungswinkel α ist somit
gegenüber
dem Winkel β, den
die beiden Wellenleiter 3, 4 außerhalb
des Kreuzungsbereichs zueinander einnehmen, lokal erhöht, vgl. 2.
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In gleicher Weise sind auch die vier
Lineartaper 31, 32, 33, 34 des
anderen Wellenleiters 3 ausgebildet, so dass sich die jeweiligen
Erhöhungen
des Kreuzungswinkels addieren.
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Der Erfolg dieser Anordnung bei der
Reduzierung von Signalverlusten und eines Nebensprechens in einer
Wellenleiterkreuzung ist in 5 grafisch
dargestellt. Es wurden wie anhand der 4 beschrieben
der Einfügeverlust
eines Wellenleiters mit 40 bis 60 Kreuzungen bei verschiedenen Designvarianten
und Kreuzungswinkeln von 5° bis
85° gemessen.
Die Einschnürungen
bzw. Aufweitungen der einzelnen Lineartaper lagen dabei bei 1 μm (Raute), 1,5 μm (Quadrat)
und 2 μm
(Dreieck).
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Es fällt auf, dass bei allen drei
Varianten für sämtliche
Winkel eine Verringerung des Kreuzungsverlustes erreicht wird. Die
Ausbildung mit einem Taper mit 1 μm
Verjüngung
bzw. Verbreiterung erreicht dabei eine Reduzierung der Kreuzungsverluste
von 40 bis 60 % bei sämtlichen
Winkeln.
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Naturgemäß hängt das günstigste Maß der Einschnürung der
einzelnen Lineartaper sowohl bei dem Ausführungsbeispiel der 1 als auch bei dem Ausführungsbeispiel
der 2 und 3 von der verwendeten Technologie
ab. Aufgrund der mit einer Verkleinerung des Wellenleiterquerschnitts
einher gehenden zunehmenden Neigung zur Abstrahlung des geführten Lichtes
erfolgt eine Verengung bevorzugt um nicht mehr als etwa 50 % der
Ausgangsbreite (a1 bzw. b1 in 1).
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Die in den 2 und 3 dargestellte
Ausführungsform
zur lokalen Erhöhung
des Kreuzungswinkels der sich kreuzenden Wellenleiter weist den
Vorteil auf, dass zur Realisierung eines lokal erhöhten Kreuzungswinkels
auf einfache, standardisierte Strukturen, nämlich Lineartaper zurückgegriffen
werden kann, die lediglich aneinander zu setzen sind. Hierdurch
ist die Herstellung der verbesserten Wellenleiterkreuzungen relativ
einfach und kostengünstig
zu realisieren.
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Zum Ausführungsbeispiel der 2 und 3 ist weiter zu bemerken, dass diese
Ausführung
neben einer Verlustoptimierung auch die Herstellung und Reproduzierbarkeit
der Wellenleiterkreuzung vereinfacht, da durch die Einschnürungen der
außen
liegenden Taper 31, 41, 34, 44 der
spitze Winkel der Kreuzung erhöht
wird. Spitze Winkel sind herstellungstechnisch etwa aufgrund auftretender
Verrundungen allgemein schwierig zu realisieren.
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Eine lokale Erhöhung des Kreuzungswinkels der
sich kreuzenden Wellenleiter kann grundsätzlich jedoch auch auf andere
Weise realisiert werden. Ein alternatives Ausführungsbeispiel hierzu ist in 7 dargestellt. 7 zeigt wiederum zwei sich
kreuzende Wellenleiter 5, 6. Während der eine Wellenleiter 5 im
dargestellten Ausführungsbeispiel
vollständig
geradlinig und ohne irgendwelche Verjüngungen oder Verbreiterungen
ausgebildet ist, weist der andere Wellenleiter 6 einen
bogenförmigen
Bereich 61 auf.
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Dies führt dazu, dass die beiden Wellenleiter 5, 6 sich
im Kreuzungsbereich 9 unter einem größeren Kreuzungswinkel kreuzen,
so dass der Kreuzungsverlust reduziert wird. Alternativ können auch beide
Wellenleiter bogenförmig
geführt
sein.
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Die Erfindung beschränkt sich
in ihrer Ausgestaltung nicht auf die vorstehend dargestellten Ausführungsbeispiele.
Beispielsweise werden in alternativen Ausführungsbeispielen statt Lineartaper
anders geformte Taper eingesetzt, bei denen eine Einschnürung keinen
linearen Verlauf besitzt, sondern anderen Funktionen gehorcht, etwa
parabolisch ausgeführt
ist. Auch können
andere Materialsysteme als SiO2 auf Si (beispielsweise
das Materialsystem Lithiumniobat (LiNbO3) oder InGaAsP auf InP)
verwendet werden und das verwendete Design und die Größenordnungen
anders gewählt
sein.