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Die
Erfindung betrifft ein integriertes optisches Bauteil mit der Funktion
eines Polarisations-Demultiplexers und befasst sich mit der Aufteilung
eines beliebig polarisierten optischen Signals, geführt in einem
Wellenleiter, in zwei Teile, deren Polarisationen orthogonal zueinander
sind.
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Es
ist bekannt, dass sich ein optisches Signal in einer spiegelsymmetrischen
Anordnung, wie einem ebenem Wellenleiter (Schichtwellenleiter),
aus transversal elektrischen (TE) und transversal magnetischen (TM)
Moden zusammensetzt, die orthogonal zueinander sind. Die Trennung
eines Signals in diese beiden Anteile unterschiedlicher Polarisation
ist ein wichtiges Anliegen der Optik. In der Telekommunikation können die
beiden unabhängigen
Polarisationen für
Multiplexverfahren vervendet werden, um die Datenübertragungsrate
zu verdoppeln. Für
dieses Polarisations-Multiplexverfahren
ist die Trennung des die Signale übertragenden Lichtstrahls in
die beiden unterschiedlich polarisierten Komponenten, die wiederum
unterschiedliche Daten übertragen
können,
essentiell.
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Nach
dem bisherigen Stand der Technik werden zur Trennung von Polarisationen
verschiedene Anordnungen von konventionellen doppelbrechenden Materialien
in Form von Keilen oder Prismen, oft in Verbindung mit Linsensystemen,
verwendet. Solch ein Bauteil ist in der Veröffentlichung
EP 1 168 035 A2 beschrieben.
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Der
Nachteil bei der Verwendung konventioneller doppelbrechender Materialien
ist, dass diese Materialien mit konventionellen Halbleitertechnologien
nicht kompatibel sind. Außerdem
erlauben die Komplexität
und die Größe dieser
Anordnungen keine Integration in ebene optische Schaltkreise.
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Die
US 2001/0026659 A1 offenbart ein integriertes optischen Bauteil
zum Zweck des Polarisations-Demultiplexens, mit einem Eingangskoppler zum
Empfang und zum Einkoppeln eines eingehenden Lichtsignals von einem
Wellenleiter in die Anordnung, einem, einen photonischen Kristall
umfassenden Polarisations-Demultiplexer zur Aufspaltung des eingehenden
Lichtsignals in zwei Anteile, die eine erste und eine zur ersten
orthogonale Polarisation aufweisen, und einem Ausgangskoppler, der
zur Ausgabe und zum Auskoppeln der polarisierten Signale dient.
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Die
nachveröffentlichte
WO 03/058307 A2 offenbart Anordnungen, die die Aufspaltung eines
optischen Signals in zwei Signale unterschiedlicher, zueinander
orthogonaler Polarisationen ermöglichen. Dazu
werden Bauteile verwendet, die aus Strukturen mit periodischen Verteilungen
des Brechungsindex bestehen. Diese Aufspaltung bzw. Filterung basiert auf
einer Verwendung von einzelnen oder mehreren Fabry-Perot Resonatoren.
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Die
US 2002/0150366 A1 offenbar eine photonische Kristallstruktur, in
der Defektwellenleiter zur besseren Führung von weiterzuleitenden
Lichtsignalen vorgesehen sind.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein optisches
Bauteil für
Polarisations-Demultiplex-Verfahren anzugeben, das kleine Abmessungen
besitzt und mit den Mitteln der konventionellen Halbleitertechnologie
realisierbar ist. Mit diesen Eigenschaften kann es leicht in integrierte
optische Schaltkreise integriert werden.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
integriertes optisches Bauteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 gelöst.
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Das
integrierte optische Bauteil hat die Funktion eines Polarisations-Demultiplexers und
spaltet ein einfallendes Lichtsignal in zwei Anteile auf, die eine
erste und eine zweite, zur ersten orthogonale Polarisation aufweisen,
ohne dass dabei einer der beiden Anteile verloren geht. Es umfasst
ferner einen photonischen Kristall mit einer periodischen photonischen
Kristallstruktur, die eine Bandlücke
für Licht der
ersten Polarisation aufweist, während
im selben Frequenzbereich keine Bandlücke für Licht der zweiten Polarisation
vorliegt, und einen Wellenleiter, gebildet durch Defekte in dem
photonischen Kristall. Der Wellenleiter ist zur Führung von
Licht der ersten Polarisation ausgebildet, indem er in einem Abschnitt für ausschließlich eine
der zu trennenden Polarisationen geführte Moden aufweist, während dies
für die andere
Polarisation nicht der Fall ist, wobei der Wellenleiter in diesem
Abschnitt eine Richtungsänderung aufweist,
wodurch die beiden Polarisationen voneinander getrennt und einer
weiteren Signalverarbeitung zugeführt werden können.
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Die
bevorzugte Ausführung
und weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung werden in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.
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Die
Erfindung macht einen Polarisationsteiler möglich, der eine ebene Bauart
hat und dessen Abmessungen im Bereich von einigen Dutzend Mikrometern
liegen. Diese Eigenschaften ermöglichen die
Anwendung in hochintegrierten optischen Schaltkreisen. Außerdem kann
das Bauteil mit den Mitteln der konventionellen Halbleitertechnologie
hergestellt werden, was die Eignung zur Massenproduktion sicherstellt.
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Das
erfindungsgemäße Bauteil
gibt beide Polarisationsrichtungen aus und stellt diese zur weiteren
Signalverarbeitung bereit.
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Das
alles wird erreicht durch die Verwendung von Materialien mit periodisch
variierender Dielektrizitätskonstante ε, das heißt durch
die Verwendung von photonischen Kristallen. Bei diesen Materialien hängen viele
elektromagnetische Eigenschaften, vor allem die Dispersionsrelation,
von der Polarisation des Lichts ab.
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Es
ist bekannt, dass eine räumlich
periodische Verteilung der Dielektrizitätskonstante ε die Dispersionsrelation
entscheidend beeinflusst. In bestimmten Fällen kann die Periodizität zur Ausbildung sogenannter "Bandlücken" führen, das
sind Frequenzbereiche, für
die keine erlaubten Zustände
des Lichts im Kristall existieren. Durch die Einführung von Defekten
in das periodische Gitter des Kristalls können Defektzustände innerhalb
der Bandlücke
erzeugt werden. Diese Defektzustände
führen
insbesondere zu einer starken Lokalisierung des Lichts am Ort der Defekte,
da es sich aufgrund der vorhandenen Bandlücke nicht im Kristall ausbreiten
kann.
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In
einem zweidimensional periodischen Gitter (zweidimensionaler Photonischer
Kristall) wird das elektromagnetische Feld durch zwei unabhängige Komponenten
mit unterschiedlicher Polarisation beschrieben. Dabei hat entweder
das elektrische oder das magnetische Feld keine Komponente in der Ebene.
Im allgemeinen weisen diese beiden Polarisationen unterschiedliche
Dispersionsrelationen auf, und Bandlücken können in unterschiedlichen Bereichen
auftreten. Diese Eigenschaft wird in der Erfindung ausgenützt. Das
Prinzip der Erfindung beruht auf einer periodischen Struktur (Photonischer
Kristall), der in einem bestimmten Frequenzbereich eine Bandlücke für die erste
Polarisation besitzt, nicht aber für die zweite, zur ersten orthogonalen
Polarisation. Licht der zweiten Polarisation kann sich daher frei
im Kristall ausbreiten, während
sich Licht der ersten Polarisation aufgrund der Bandlücke nicht
im Kristall ausbreiten kann. Diese erste Polarisation kann jedoch
durch die Einführung
eines oder mehrerer Defekte in die Struktur des Photonischen Kristalls lokalisiert
und von der anderen, frei propagierenden Polarisation weggeführt werden.
Auf diese Weise werden die beiden Komponenten getrennt und stehen
zur weiteren Signalverarbeitung zur Verfügung.
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Die
Erfindung nutzt die inhärente
Polarisations-Empfindlichkeit von zweidimensionalen Photonischen
Kristallen zum Trennen der Polarisationen. Unter anderem weist diese
Erfindung gegenüber
bisherigen Lösungsansätzen die
Vorteile der ebenen Bauart und der kleinen Abmessungen auf. Letztere bewegen
sich beim angeführten
Ausführungsbeispiel im
Bereich von z.B. 30 μm × 30 μm. Diese
Merkmale erlauben ein hohes Integrationsniveau. Die erfindungsgemäße Lösung benötigt im
Gegensatz zu anderen Bauteilen keine Linsensysteme oder konventionelle
doppelbrechende Materialien, was die Komplexität des Aufbaus und der Produktion
reduziert. Sie kann mit Hilfe von konventioneller Halbleitertechnologie
hergestellt werden und ermöglicht
eine on-Chip Lösung
eines Polarisations-Demultiplexers.
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Der
Aufbau und die Funktionsweise der Erfindung sowie weitere Merkmale
und Vorteile werden am besten durch die folgende Beschreibung der
spezifischen Ausführungen
in Verbindung mit den jeweiligen Abbildungen verdeutlicht.
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Es
zeigt:
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1:
Ausführungsbeispiel
des Polarisations-Demultiplexers basierend auf einer hexagonalen Gitterstruktur
mit einem Liniendefektwellenleiter und zwei 60 Grad Biegungen;
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2:
Darstellung eines Parabolspiegels in Kombination mit einem Defektwellenleiter
in einem Photonischen Kristall zum Einkoppeln von Licht in den Polarisations-Demultiplexer;
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2a:
Ergebnis einer zweidimensionalen FDTD-Simulation des Eingangskopplers
nach 2;
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3:
Darstellung eines parabolischen Ausgangskopplers für Polarisation 2;
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4a:
Darstellung des Ausgangs des Polarisations-Demultiplexers für Polarisation 2 mit
verbesserter Geometrie;
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4b:
Ergebnis einer FDTD-Simulation des Ausgangs des Polarisations-Demultiplexers für Polarisation 2 mit
verbesserter Geometrie;
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4c:
Ergebnis einer FDTD-Simulation des Ausgangs des Polarisations-Demultiplexers für Polarisation 2 ohne
verbesserter Geometrie;
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5:
Darstellung eines Photonischen Kristalls mit Honigwaben-Struktur
und verbessertem Defektwellenleiter für beide Polarisationen;
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6a:
Ergebnis einer FDTD-Simulation eines konventionellen Liniendefekts
im Photonischen Kristall von 5 für Polarisation 1;
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6b:
Ergebnis einer FDTD-Simulation eines konventionellen Liniendefekts
im Photonischen Kristall von 5 für Polarisation 2;
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7a:
Ergebnis einer FDTD-Simulation des verbesserten Liniendefekts im
Photonischen Kristall von 5 für Polarisation 1;
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7b:
Ergebnis einer FDTD-Simulation des verbesserten Liniendefekts im
Photonischen Kristall von 5 für Polarisation 2;
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8:
Darstellung eines Photonischen Kristalls mit hexagonaler Struktur
und verbessertem Liniendefektwellenleiter;
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9:
Ergebnis einer FDTD-Simulation eines Defektwellenleiters mit 60
Grad Biegung für
Polarisation 1;
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10:
erstes Ausführungsbeispiel
eines Defektwellenleiters mit verbesserter 120 Grad Biegung;
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11a: Ergebnis einer FDTD-Simulation eines Defektwellenleiters
mit verbesserter 120 Grad Krümmung
nach 10 für
Polarisation 1;
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11b: Ergebnis einer FDTD-Simulation eines Defektwellenleiters
mit verbesserter 120 Grad Krümmung
nach 10 für
Polarisation 2;
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12:
Zweites Ausführungsbeispiel
eines Defektwellenleiters mit verbesserter 120 Grad Biegung;
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13a: Ergebnis einer FDTD-Simulation eines Defektwellenleiters
mit verbesserter 120 Grad Biegung nach 12 für Polarisation 1;
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13b: Ergebnis einer FDTD-Simulation eines Defektwellenleiters
mit verbesserter 120 Grad Biegung nach 12 für Polarisation 2;
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14a: Schnitt durch die bevorzugte Ausführung des
Polarisations-Demultiplexers;
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14b: Draufsicht der bevorzugten Ausführung des
Polarisations-Demultiplexers;
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15a: Photonischer Kristall mit hexagonalem Gitter;
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15b: Bandstruktur des Photonischen Kristalls nach 15a;
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16a: Photonischer Kristall mit Honigwaben-Struktur;
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16b: Bandstruktur des Photonischen Kristalls nach 16a;
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Polarisationsteiler 4
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1 zeigt
den Polarisationsteiler 4 in seiner allgemeinsten Form.
Er besteht aus einem zweidimensionalen Photonischen Kristall 5 in
einem ebenen Wellenleiter, der von einem Dielektrikum mit niedrigerer
Dielektrizitätskonstante
oder von Luft umgeben ist. Diese Schichtstruktur ist ein Beispiel
für eine
spiegelsymmetrische quasi-zweidimensionale Geometrie, die die Unterscheidung
von Moden mit zwei verschiedenen Polarisationen 1, 2 eines
einfallenden Lichtstrahls 3 wie oben beschrieben erlaubt. Die
periodische Struktur des Photonischen Kristalls 5 ist in
dem Ausführungsbeispiel
ein hexagonales Gitter von zylindrischen Säulen 6, bestehend
aus einem Material mit niedriger Dielektrizitätskonstante in einem ebenen
Wellenleiter mit höherer
Dielektrizitätskonstante.
Die Gitterkonstante, der Radius der Säulen 6 und die Höhe des Schichtwellenleiters
wie auch die entsprechenden Materialien werden erfindungsgemäß so gewählt, dass
in einem bestimmten Frequenzbereich eine Bandlücke für die eine Polarisation (Polarisation 1)
nicht aber für
die zweite (Polarisation 2) besteht. In dieses Gitter wird
ferner ein Defekt eingeführt.
Dieser Defekt kann beispielsweise aus einem Punktdefekt bestehen,
der Licht aus der Ebene des Wellenleiters hinausleitet, oder aus
einer Anordnung von Punktdefekten, die einen Wellenleiter 7 formen,
wie zum Beispiel einen gekoppelten Defekt-Wellenleiter oder Liniendefektwellenleiter,
und eine Biegung beinhalten können.
Zur Vereinfachung werden all diese unterschiedlichen Ausprägungen im Folgenden
als Defektwellenleiter bezeichnet.
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Der
Defektwellenleiter 7 lokalisiert Licht der Polarisation 1,
das aufgrund der Bandlücke
nicht in das Gitter eindringen kann. In diesem Ausführungsbeispiel
besteht der Defekt aus einem Linienwellenleiter 7, der
in einem hexagonalen Gitter eine Biegung 8 von 120 Grad
formt. Licht der Polarisation 1 wird entlang dieser Biegung 8 des
Defektwellenleiters 7 zum Ausgang 10 für Polarisation 1 geführt. Da sich
die andere Polarisation 2 im Photonischen Kristall 5 frei
ausbreiten kann, wird sie nicht entlang des Defektwellenleiters 7 um
die Biegung 8 geführt.
Sie behält
ihre ursprüngliche
Richtung bei und propagiert mehr oder weniger geradlinig in Richtung 9 durch
den Kristall 5. Dadurch werden die beiden Polarisationen 1 und 2 voneinander
getrennt.
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Folgende
Merkmale sind für
die Funktionstüchtigkeit
des Bauteils von besonderem Interesse: das Einkoppeln von Licht
in den Photonischen Kristall mithilfe eines Eingangskopplers, das
Auskoppeln von Licht aus dem Photonischen Kristall mithilfe eines
Ausgangskopplers, die Ausführung
des Defektwellenleiters und die Ausführung der Biegung dieses Wellenleiters.
Diese Punkte wurden gründlich
untersucht und erfindungsgemäß optimiert,
um die Funktionsweise des Bauteils zu verbessern.
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Die
Lösungen
oben angeführter
Punkte optimieren die Funktion der Erfindung. Sie können jedoch
auch zur Lösung ähnlicher,
auf Photonische Kristalle bezogener Problemstellungen der integrierten
Optik herangezogen werden. Insofern stellen sie unabhängige Elemente
dar, die in jedem optischen Schaltkreis, der Photonische Kristalle
beinhaltet, benutzt werden können.
Die Lösungen
oben genannter Punkte werden im Folgenden angeführt.
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Eingangskoppler 20
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Das
Einkoppeln von Licht in einen Photonischen Kristall von einem Eingangswellenleiter,
der im allgemeinen breiter als der Defektwellenleiter 7 in 1 ist,
kann beispielsweise durch eine Verjüngung des Eingangswellenleiters,
durch eine Anzahl von Linsen oder mit Hilfe eines gekrümmten Spiegels, wie
zum Beispiel eines Parabolspiegels, erfolgen. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel
nach 2 wird ein gekrümmter Spiegel benutzt um beide
Polarisationen mit gutem Erfolg in den Photonischen Kristall einzukoppeln.
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2 zeigt
das Prinzip des Eingangskopplers 20. Der Eingangswellenleiter 21 basiert
auf totaler interner Reflexion. Das Ende des Wellenleiters 21 ist
gekrümmt
und hat zum Beispiel die Form eines Parabel-Segments 22,
das von einem Material mit Dielektrizitätskonstante ε2 umgeben
ist, welche niedriger ist, als die Dielektrizitätskonstante ε1 des
Wellenleiters. Das einfallende Licht 23 wird an der parabolischen
Grenzfläche 22 reflektiert
und auf den Brennpunkt 24 des Parabolspiegels 22 fokussiert.
In der bevorzugten Ausführung
des Spiegels 22 erfährt
der einfallende Lichtstrahl an jedem Punkt des Spiegels den er erreicht
eine Totalreflexion. Das wird erfindungsgemäß durch zwei Maßnahmen
gesichert. Einerseits durch die Auswahl geeigneter Materialien, da
der Unterschied der Dielektrizitätskonstanten ε1, ε2 an
der Grenzfläche
groß genug
sein muss, und andererseits durch eine geeigneten Geometrie des
Parabolspiegels 22, so dass der Einfallswinkel des einfallenden
Lichtstrahls an jedem Punkt groß genug
ist. In der bevorzugten Ausführung
liegt der Brennpunkt 24 des Spiegels 22 im Eingang
eines Defektwellenleiters 26 innerhalb eines Photonischen
Kristalls 25. Dieser Defektwellenleiter 26 kann dieselbe
Vielzahl von Formen annehmen, die oben beschrieben sind. Der Photonische
Kristall 25 besteht in diesem Beispiel aus zylindrischen
Luftlöchern
in einem Dielektrikum und weist für beide Polarisationen 1 und 2 eine Bandlücke auf,
so dass beide Polarisationen 1 und 2 durch den
Defektwellenleiter geführt
werden. Die bevorzugte Ausführung
dieses Defektwellenleiters 26 ist weiter unten gegeben.
Die Verwendung eines Defektwellenleiters in einem Photonischen Kristall
anstelle eines konventionellen Wellenleiters hat hier zwei Vorteile:
Erstens ist die Breite des Defektwellenleiters 26 vergleichbar
mit der des Wellenleiters 7, der im Polarisationsteiler 4 verwendet
wird. Das verbessert die Effizienz der Einkopplung des beide Polarisationen 1 und 2 beinhaltenden
Lichts in den Defektwellenleiter 7 des Polarisationsteilers 4.
Zum zweiten sind die Defektzustände
aufgrund der Bandlücke
stark im Defektwellenleiter 26 lokalisiert, wodurch die
Strahldivergenz des Lichts nach dem Brennpunkt 24 für beide
Polarisationen 1 und 2 unterdrückt wird. Nachdem das Licht
beider Polarisationen 1 und 2 im Defektwellenleiter 26 gebündelt worden ist,
wird es zum Eingang des Polarisations-Demultiplexers 4 geführt.
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2a zeigt
das Ergebnis einer FDTD-Simulation (Finite Difference Time Domain
Simulation) von dem Ausführungsbeispiel
des Eingangskopplers in 2. Das einfallende Licht wird
mithilfe des oben beschriebenen gekrümmten Spiegels von einem breiten
Eingangswellenleiter in einen schmalen Defektwellenleiter eingekoppelt.
Das Simulationsergebnis zeigt die Komponente des elektrischen Feldes normal
zur Ebene. Aufgrund der einfacheren Umsetzung ist die Anordnung
des Eingangskopplers in dieser Simulation im Vergleich zu 2 um
90 Grad gedreht.
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Ausganqskoppler 30
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Wie
in 1 dargestellt, sind für die Auskopplung der zwei
voneinander getrennten Polarisationen 1 und 2 zwei
unterschiedliche Ansätze
nötig. Polarisation 1 ist
bereits durch den Defektwellenleiter 7 stark lokalisiert
und kann deshalb durch konventionelle Maßnahmen vom Ausgang 10 des Photonischen
Kristalls 5 in einen gewöhnlichen Wellenleiter eingekoppelt
werden. Dazu kann eine Verjüngung oder ähnliches
herangezogen werden.
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Da
andererseits die Polarisation 2 nicht durch Defekte lokalisiert
ist, erstreckt sich die zugehörige
Feldverteilung über
einen weiten Teil des Photonischen Kristalls 5. Deshalb
ist es nötig,
Maßnahmen
zum Sammeln der elektromagnetischen Energie anzuwenden. Dies kann
auf ähnliche
Weise wie beim oben beschriebenen Eingangskoppler erreicht werden.
Auch hier ist ein gekrümmter
Spiegel die bevorzugte Lösung.
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3 zeigt
das Prinzip des Ausgangskopplers 30. Das vorgestellte Konzept
ist im Wesentlichen identisch zu dem der Einkopplung gemäß 2. Licht
der Polarisation 2 wird im Photonischen Kristall 5 des
Polarisations-Demultiplexers 4 vom Licht der Polarisation 1 getrennt
und propagiert daraufhin frei durch das Gebiet 9. Es verlässt den
Photonischen Kristall 5 in Form eines breiten, annähernd parallelen Strahls 31.
Darauf wird es durch Reflexion an einem Parabolspiegel 32 auf
den Eingang eines weiteren Defektwellenleiters 33 fokussiert
und so in diesen eingekoppelt. Der Photonische Kristall 33 muss
so strukturiert sein, dass er zumindest für Polarisation 2 eine
Bandlücke
im gewünschten
Frequenzbereich aufweist. Es ist also möglich, die selbe Struktur anzuwenden,
die bereits beim Einkoppeln gemäß 2 ihre
Anwendung findet. Die Auskopplung des Signals vom Ausgang 34 des
Photonischen Kristalls 33 in einen gewöhnlichen Wellenleiter kann
auf dieselbe Weise erfolgen, wie bereits für Polarisation 1 am
Ausgang 10 des Photonischen Kristalls 5 vorgeschlagen wurde.
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Maßnahmen zum Erzielen eines
parallelen Ausgangsstrahl im Kristall 5
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Die
Tatsache, dass das Licht der Polarisation 2 im Gebiet 9 des
Photonischen Kristalls 5 frei propagiert und somit kein
scharf begrenztes Strahlprofil, vergleichbar mit dem in einem Wellenleiter,
aufweist, verlangt nach zusätzlichen
Maßnahmen.
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Um
im Ausgangskoppler 30 ausreichend mit einem gekrümmten Spiegel
fokussieren zu können, ist
es nötig,
dass der Strahl, der den Polarisations-Demultiplexer 4 verlässt, so
parallel wie möglich ist.
Dies bedeutet, dass die Strahldivergenz so gering wie möglich sein
soll – eine
Tatsache, die immer dann von Bedeutung ist, wenn Licht aus dem Volumen
eines Photonischen Kristalls ausgekoppelt wird.
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4a zeigt
ein Beispiel, wie die auf Polarisation 2 bezogenen Auskopplungseigenschaften
des Photonischen Kristalls 5 verbessert werden können, um
einen parallelen Lichtstrahl zu erhalten. Die Strahldivergenzen
an der Grenzfläche
können
reduziert werden, indem in der letzten Reihe des periodischen Gitters
des Photonischen Kristalls 5 die zylindrischen Säulen 6 durch
längliche
Aussparungen 40 ersetzt werden. Diese länglichen Aussparungen 40 unterdrücken die
Strahldivergenz 41 und sorgen somit für einen parallelen Strahl 43 am
Ausgang des Photonischen Kristalls.
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Die 4b und 4c zeigen
Ergebnisse von FDTD-Simulationen des Polarisations-Demultiplexers
für Polarisation 2 einmal
mit und einmal ohne Maßnahmen
zur Reduktion der Strahldivergenz. Gemäß 4b propagiert
Licht der Polarisation 2 nach der Trennung von Polarisation 1 im
Photonischen Kristall 5 frei durch das Gebiet 9.
Aufgrund der oben beschriebenen länglichen Aussparungen 40 anstelle der
zylindrischen Säulen 6 in
der letzten Reihe des periodischen Gitters, verlässt das Licht den Photonischen
Kristall 5 als ein breiter, annähernd paralleler Strahl 43.
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Im
Gegensatz zu 4b zeigt 4c den Photonischen
Kristall 5 ohne Verbesserungen zur Parallelisierung des
austretenden Strahls. Hier verlässt
das Licht den Photonischen Kristall 5 in Form eines breiten,
divergierenden Kegels.
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Defektwellenleiter im
Photonischen Kristall
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Ein
Defektwellenleiter in einem zweidimensionalen Photonischen Kristall
ist ein wesentliches Element jeglicher Anwendung Photonischer Kristalle.
Im vorliegenden Fall sorgt er für
die Lokalisierung des Lichtes im Polarisations-Demultiplexer 4 sowie in den Ein-
und Ausgangskopplern 20, 30, die bereits oben beschrieben
wurden. Insbesondere sind Defektwelleleiter, die beide Polarisationen
lokalisieren, in der integrierten Optik von allgemeinen Interesse.
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Um
einen derartigen Defektwellenleiter zu verwirklichen, benötigt man
zuerst eine Struktur, die eine vollständige Bandlücke für beide Polarisationen 1 und 2 in
einem betrachteten Frequenzbereich aufweist. Eine solche Struktur
zu finden ist nicht trivial, da der Bandverlauf im speziellen Fall
eines zweidimensionalen Photonischen Kristalls, der in einen ebenen
Wellenleiter eingebettet ist, nicht nur von den Eigenschaften des
ebenen zweidimensionalen Gitters abhängt, sondern auch durch die
Höhe des
Wellenleiters bestimmt wird.
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Eine
sogenannte Honigwabenstruktur, bestehend aus Luftsäulen in
Silizium, besitzt für
eine vorgegebene Höhe
des ebenen Wellenleiters eine vollständige Bandlücke im gewünschten Frequenzbereich. Aufgrund
dieser vollständigen
Bandlücke
ist es möglich,
einen Defektwellenleiter mit den oben geforderten Eigenschaften
zu konstruieren. Er besteht aus einem oder mehreren Defekten, durch
die Licht in bestimmten Frequenzbereichen, die innerhalb der Bandlücke liegen,
lokalisiert werden kann. Um Lokalisierung und Lichtleitung durch
Defektzustände
für beide
Polarisationen zu erreichen, sind eingehende Untersuchungen ebenso
wie Anpassungen am Design der Defekte nötig. Erfindungsgemäß sind die
Lokalisierung und die Transmission durch den Defektwellenleiter
am besten, wenn dieser aus zwei reflektierenden Begrenzungsflächen besteht,
welche durch einen Photonischen Kristall gebildet werden. Sobald
hier die Frequenz des Lichtes innerhalb der Bandlücke liegt,
kann die elektromagnetische Welle nicht in das Volumen des Photonischen
Kristalls eindringen. Es ist also möglich, Licht zwischen den Grenzflächen zweier
Photonischer Kristalle einzusperren.
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Die
zwei Photonischen Kristallbereiche besitzen einen bestimmten Abstand
voneinander, durch den die Breite des Wellenleiters definiert wird.
Erfindungsgemäß werden
zusätzlich
Punktdefekte entlang der reflektierenden Grenzflächen eingefügt. Sie verhindern die Bildung
von Resonator-ähnlichen Strukturen
beziehungsweise von Kavitäten,
welche Licht in bestimmten Bereichen lokalisieren und die Ausbreitung
des Signals durch den Wellenleiter vermindern würden.
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5 gibt
die eben beschriebene Anordnung wieder. Sie zeigt einen Defektwellenleiter 51 für den speziellen
Fall einer Honigwabenstruktur 52, die aus zylindrischen
Luftsäulen
in einem ebenen Siliziumwellenleiter 50 besteht. Die reflektierenden Grenzflächen 53,
die den Defektwellenleiter 51 definieren, werden durch
zwei Photonische Kristallbereiche gebildet. Das Gitter wurde, wie
weiter unten beschrieben, so gestaltet, dass es eine vollständige Bandlücke für beide
Polarisationen im angestrebten Frequenzbereich von z.B. 178–200 THz
aufweist (siehe 16a und b). Dieser Bereich beinhaltet
die Frequenz 193,4 THz, welche zur Vakuumwellenlänge 1,55 μm gehört und häufig in der Telekommunikation ihre
Anwendung findet. Unter anderem hat auch der Abstand d zwischen
den reflektierenden Grenzflächen 53 wesentlichen
Einfluss auf die Lokalisierung von Licht im Defektwellenleiter 51. Ähnlich den
Verhältnissen
beim konventionellen Wellenleiter, ist im Falle zu kleiner Dimensionierung
das elektromagnetische Feld schlecht begrenzt und leckt in vertikaler Richtung
aus dem Defektwellenleiter 51 heraus. So muss der Abstand
d zwischen den reflektierenden Grenzflächen 53 mit der Höhe des ebenen
Wellenleiters, der Art des Dielektrikums, aus dem er besteht und
der Umgebung (hier Brechungsindex der Luftsäulen) in Einklang gebracht
werden. Auf diese Weise wird eine adäquate Begrenzung des elektromagnetischen
Feldes erreicht. Ein Abstand zwischen den 2,5- und 4-fachen der
Gitterkonstanten a führt
hier zu guten Ergebnissen. Im vorliegenden Beispiel wird der Wert
d = 3,6 mal die Gitterkonstante a verwendet.
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Zusätzlich zum
oben Gesagten werden erfindungsgemäß Punktdefekte 54 eingefügt, um den Stau
von Lichtenergie in Kavitäten
entlang der reflektierenden Grenzflächen 53 zu vermeiden.
Durch diese zusätzlichen
Defekte wird außerdem
die (erwünschte)
Lichtlokalisierung senkrecht zum Wellenleiter verbessert. Die Position,
Größe und Dielektrizitätskonstante
der Defekte 54 kann variiert werden, um optimale Ergebnisse
zu erzielen. Im vorliegenden Beispiel werden sie so gewählt, dass
eine gute Begrenzung der elektromagnetischen Felder und gute Wellenleitung
für beide
Polarisationen gewährleistet ist.
Die Defekte bestehen hierbei aus zylindrischen Luftsäulen mit
Radius r2 die im Abstand von einer Gitterkonstanten
von den reflektierenden Grenzflächen an
der breitesten Stelle zu liegen kommen.
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Die 6a, 6b, 7a und 7b zeigen
den Effekt dieser Erweiterung im Vergleich zu einem Wellenleiter,
der aus einem einfachen Liniendefekt besteht, welcher allein durch
fehlende Gitterpunkte aufgebaut wird.
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Die 6a und 6b sind
Ergebnisse von FDTD-Simulationen eines solchen Liniendefektwellenleiters
für Polarisation 1 und 2.
Es ist ersichtlich, dass zur gewünschten
Frequenz von f = 193,2 THz ein Defektmode für beide Polarisationen existiert.
Die Transmission und die Lokalisierung des Lichtfeldes im Wellenleiter
sind allerdings verhältnismäßig schwach.
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Die 7a und 7b zeigen
dieselben Simulationen für
das verbesserte Design des Wellenleiters mit den zusätzlichen
Defekten 54. Es wird deutlich, dass sich die Lokalisierung
und die Transmission für
beide Polarisationen 1 und 2 stark verbessert
haben.
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Dasselbe
Prinzip zur Realisierung eines Defektwellenleiters kann auch auf
andere Gitterstrukturen übertragen
werden. Der Wellenleiter, der im Polarisations-Demultiplexer 4 die
Polarisation 1 führt, stellt
ein weiteres Beispiel dar. Hier wurden die Gitterparameter so gewählt, dass
eine Bandlücke
ausschließlich
für die
Polarisation 1 besteht. Im vorliegenden Beispiel handelt
es sich um ein hexagonales Gitter von Luftsäulen in einem ebenen Siliziumwellenleiter.
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8 zeigt
diese Struktur eines Defektwellenleiters 81 in einem Photonischen
Kristall 80. Diese Struktur weist eine Bandlücke für Polarisation 1 auf, die
sich auf den Frequenzbereich von 182–218 THz erstreckt, siehe 15a und b. Der Defektwellenleiter 81 zwischen
den reflektierenden Grenzflächen 83 des
Photonischen Kristalls 80 weist eine Breite d = 3 mal die
Gitterkonstante a auf. Um die räumliche
Verteilung des sich ergebenden Lichtfeldes einschränken und
kontrollieren zu können,
werden zylindrische Defekte 84 mit reduziertem Radius r2 eingeführt,
die eine Gitterkonstante von den reflektierenden Grenzflächen 83 entfernt
sind. Wie im Fall der Honigwabenstruktur 52 in 5,
können
auch hier die Defekte 84 in ihrer Größe, ihrer Position und ihrer
Dielektrizitätskonstanten
variiert werden, um die Effizienz des Defektwellenleiters 81 zu
erhöhen.
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Biegung eines Defektwellenleiters
im Photonischen Kristall
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Die
Möglichkeit,
Licht mittels eines Defektwellenleiters um scharfe Ecken zu leiten,
ist eine der wichtigsten Eigenschaften Photonischer Kristalle. Im Polarisations-Demultiplexer 4 wird
eine Biegung 8 dazu verwendet, eine Polarisation von der
anderen zu trennen. Abgesehen von diesem konkreten Fall sind scharfe
Biegungen von Defektwellenleitern grundlegende Elemente in jeglicher
Anwendung Photonischer Kristalle.
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Im
dreidimensionalen Fall, insbesondere wenn es sich dabei um ebene
Schichtstrukturen handelt, ist es unabdingbar, die Biegung sorgfältig zu konstruieren,
damit Verluste klein bleiben und die Transmission optimal wird.
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9 zeigt
Ergebnisse der FDTD-Simulation einer 60°-Biegung ohne jegliche Optimierung.
Es wird deutlich, dass nur wenig Licht der Polarisation 1 um
die Biegung geführt
wird. Zwei verschiedene Wege können
hier beschritten werden, um die Transmission zu erhöhen.
-
10 zeigt
eine Darstellung des ersten Ansatzes zur Verbesserung der Eigenschaften
einer Biegung eines Defektwellenleiters. Hier wird erfindungsgemäß eine starke
Biegung von 120° dadurch erreicht,
dass die Richtung des einfallenden Strahles 102 schrittweise
geändert
wird. Der Radius, mit dem die Richtungsänderung geschieht, ist dabei
jedoch immer noch wesentlich geringer als dies bei gewöhnlichen
Wellenleitern der Fall wäre.
Der Photonische Kristall 100 besteht aus einem hexagonalen
Gitter, der Defektwellenleiter 101 wird in diesem Beispiel einfach
durch Weglassen einer Reihe von Zylindern gebildet. Aufgrund der
sechszähligen
Symmetrie der Anordnung ist eine 60°-Biegung des Defektwellenleiters
das Mittel der Wahl. Zusätzlich
werden vor und hinter der 60°-Biegung
kurze Abschnitte mit einer Ablenkung von 30° angebracht. Auf diese Weise
wird das einfallende Licht 102 nacheinander um 30° (103),
60° (104),
90° (105)
und schließlich
um 120° (106)
von der ursprünglichen
Richtung abgelenkt. Um die Transmission des gebogenen Wellenleiters zusätzlich zu
erhöhen,
werden in den Defektwellenleiter 101 weitere zylindrische
Defekte 107 entlang der Biegung eingefügt. Der Radius, die Position und/oder
das Material, aus dem die Defekte bestehen, müssen derart gewählt werden,
dass die Moden, die zu den kristallographischen Richtungen der Wellenleiterabschnitte
gehören,
optimal aufeinander abgestimmt sind. In diesem Beispiel wurden dazu
Zylinder 107 mit einem verminderten Radius r2 als
Defekte verwendet und an Gitterpunkten innerhalb des Defektwellenleiters 101 platziert.
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Die 11a und 11b zeigen
Ergebnisse von FDTD-Simulationen dieser Biegung für die Polarisationen 1 und 2.
Man beachte, dass die Kristallstruktur, wie oben beschrieben, nur
für Polarisation 1 eine
Bandlücke
aufweist. Somit wird, wie in 11a zu
sehen, nur die Polarisation 1 um die Biegung geführt. Diese
wird durch das Aneinanderfügen kurzer
Abschnitte von Defektwellenleitern, die untereinander kleine Winkel
einschließen,
realisiert. Zusätzlich
werden die zu den Abschnitten gehörigen Moden angepasst, indem
man weitere Defekte in die Abschnitte des Defektwellenleiters einfügt. Im Gegensatz
zum eben Gesagten, propagiert Polarisation 2 gemäß 11b größtenteils
geradeaus in das Volumen des Photonischen Kristalls hinein und wird
so von Polarisation 1 getrennt.
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12 gibt
den zweiten Ansatz zur Optimierung eines gebogenen Wellenleiters
wieder. Hier werden die reflektierenden Grenzflächen des Photonischen Kristalls
als Spiegel 123 benutzt. Licht mit Frequenzen innerhalb
der Bandlücke
wird von ihm zurückgeworfen.
Der Wellenleiter 121 im Photonischen Kristall 120 wird
dabei durch drei fehlende Reihen von Gitterpunkten gebildet. Wie
aus der Abbildung ersichtlich, trifft das einfallende Licht 122 unter einem
Winkel von 60° auf
solch einen Spiegel 123. Von diesem wird es in Richtung 124 in
einen Wellenleiter reflektiert, der mit der ursprünglichen
Ausbreitungsrichtung 122 einen Winkel von 120° einschließt.
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Die 13a und 13b zeigen
Ergebnisse einer FDTD-Simulation dieser Art von Biegung. In 13a wird Licht der Polarisation 1 um
die Biegung herumgeführt,
während
Licht der Polarisation 2 größtenteils geradeaus in den
Photonischen Kristall hineinpropagiert. Dies ist in 13b zu sehen.
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Die 14a und 14b zeigen
die bevorzugte Ausführung
der vorliegenden Erfindung. 14a gibt
den allgemeinen strukturellen Querschnitt des optischen Bauteils 140 wieder.
Es ist in Form einer "air-bridge" Struktur umgesetzt,
was bedeutet, dass sie aus einem freitragenden, ebenen Siliziumwellenleiter
in Luft 142 besteht. Die Struktur kann aus einem konventionellen "Silicon on Insulator" – (SOI-) Substrat 141 hergestellt
werden. Dabei wird die Siliziumdioxidschicht (SiO2) 143 unter
den Bereichen der obersten Siliziumschicht, die Photonische Kristallstrukturen 144 aufweist,
selektiv weggeätzt.
-
Die
Draufsicht in 14b zeigt eine schematische
Skizze der Erfindung mit einem Eingangskoppler 20, mit
einem Eingang 21, dem Polarisations-Demultiplexer 4, einem Ausgangskoppler 30 und zwei
Ausgängen 10 bzw. 34 für die Polarisationen 1 bzw. 2.
Die Anordnung beinhaltet einen Parabolspiegel 22 als Eingangskoppler,
gefolgt von einem Bereich mit der Struktur eines Photonischen Kristalls 25, in
dem Licht beider Polarisationen in einem Defektwellenleiter 26 lokalisiert
wird. Das Licht wird darauf in den Photonischen Kristall 5 eingekoppelt,
in welchem die eigentliche Trennung der beiden Polarisationen 1 und 2 stattfindet.
Die Polarisation 1 ist im Defektwellenleiter 7 lokalisiert
und wird um eine 120°-Biegung 8 zum
Ausgang 10 für
Polarisation 1 gelenkt. Die Biegung 8 gestaltet
sich so, dass hohe Transmission für Polarisation 1 im
gewünschten
Frequenzbereich gegeben ist. Dem Photonischen Kristall 5 folgt
ein weiterer Parabolspiegel 32, der das Licht der Polarisation 2 in
einen weiteren Defektwellenleiter 33 innerhalb eines Photonischen
Kristalls 35 fokussiert. Dieser führt zum zweiten Ausgang 34.
Die obere Grenzfläche
des Photonischen Kristalls 5, an der das Licht der Polarisation 2 austritt,
ist gemäß 4a modifiziert.
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Die
Strukturen der Photonischen Kristalle sind so gestaltet, dass sie
die gewünschten
Bandstrukturen in einem Frequenzbereich um 193,4 THz aufweisen.
Diese Frequenz entspricht einer Vakuumwellenlänge von 1,55 μm welche
in der Telekommunikation allgemein Verwendung findet.
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15 zeigt eine schematische Darstellung des
Photonischen Kristalls 150, der in dieser Ausführung des
Polarisationsteilers verwendet wird. Dieser besteht aus einem hexagonalen
Gitter zylindrischer Luftlöcher 151 in
Silizium. 15b gibt die Bandstruktur des
Photonischen Kristalls 150 wieder. Die geführten Photonischen
Zustände
liegen unterhalb der sogenannten Lichtlinie, die durch die Dispersionsrelation
des Materials (hier Luft) definiert ist, das den ebenen Wellenleiter
umgibt. Es ist ersichtlich, dass die Bandstruktur eine Bandlücke für Polarisation 1 aufweist.
Diese liegt im Frequenzbereich zwischen f = 182 THz und f = 210
Thz. Im selben Bereich existieren für Polarisation 2 erlaubte
Zustände.
-
Der
Defektwellenleiter im Polarisations-Demultiplexer 4 und
die Biegung 9 kann gemäß obiger Beschreibung
gestaltet werden. Wird der erste Ansatz aus 10 angewandt,
zeigt der gebogene Defektwellenleiter endliche Transmission für Polarisation 1 zumindest
im Frequenzbereich f = 190–200 THz.
-
16a zeigt die Geometrie des Photonischen Kristalls 160,
der im Eingangs- und
Ausgangskoppler 20, 30 enthalten ist. Es handelt
sich dabei um eine sogenannte Honigwabenstruktur aus zylindrischen
Luftlöchern 161 in
einem Siliziumsubstrat, wie in Verbindung mit 5 beschrieben. 16b gibt die Bandstruktur des Photonischen Kristalls 160 wieder.
Es ist ersichtlich, dass für
beide Polarisationen im Frequenzbereich zwischen f = 178 und f =
200 THz eine vollständige
Bandlücke
auftritt. Diese Bandlücke
schließt
den Wert 193,4 THz ein, welcher zur Vakuumwellenlänge 1,55 μm gehört. Das
Design der Defektwellenleiter in den Photonischen Kristallen der Ein-
und Ausgangskoppler entspricht der Beschreibung in 5.
-
- 1
- Polarisation
1
- 2
- Polarisation
2
- 3
- Einfallender
Lichtstrahl
- 4
- Polarisationsteiler
- 5
- Photonischer
Kristall
- 6
- Zylindrische
Säule
- 7
- Defektwellenleiter
- 8
- Biegung
- 9
- Region
freier Ausbreitung für
Polarisation 2
- 10
- Ausgang
für Polarisation
1
- 20
- Eingangskoppler
- 21
- Eingangswellenleiter
- 22
- Parabolspiegel
- 23
- Einfallendes
Licht
- 24
- Brennpunkt
des Parabolspiegels
- 25
- Photonischer
Kristall
- 26
- Defektwellenleiter
- 30
- Ausgangskoppler
- 31
- Licht
mit Polarisation 2
- 32
- Parabolspiegel
- 33
- Defektwellenleiter
- 34
- Ausgang
für Polarisation
2
- 35
- Photonischer
Kristall
- 36
- Brennpunkt
des Parabolspiegels
- 40
- Längliche
Aussparungen
- 41
- Divergenter
Strahl der Polarisation 2
- 42
- Ursprünglicher
Strahl der Polarisation 2
- 43
- Paralleler
Strahl der Polarisation 2 am Ausgang
- 50
- Photonischer
Kristall im ebenen Wellenleiter
- 51
- Defektwellenleiter
- 52
- Honigwabenstruktur
- 53
- Reflektierende
Wände
- 54
- Defektsäulen
- 80
- Photonischer
Kristall im ebenen Wellenleiter
- 81
- Defektwellenleiter
- 82
- Hexagonales
Gitter
- 83
- Reflektierende
Wände
- 84
- Photonischer
Kristall im ebenen Wellenleiter
- 85
- Defektsäulen
- 100
- Photonischer
Kristall im ebenen Wellenleiter
- 101
- Defektwellenleiter
- 102
- Einfallendes
Licht der Polarisation 1
- 103
- Licht
abgelenkt um 30 Grad
- 104
- Licht
abgelenkt um 60 Grad
- 105
- Licht
abgelenkt um 90 Grad
- 106
- Licht
abgelenkt um 120 Grad
- 107
- Defektsäulen
- 120
- Photonischer
Kristall im ebenen Wellenleiter
- 121
- Defektwellenleiter
- 122
- Einfallendes
Licht der Polarisation 1
- 123
- Photonischer
Kristall als Spiegel
- 124
- Reflektiertes
Licht
- 140
- Querschnitt
des Bauteils
- 141
- SOI-Substrat
- 142
- Luft
- 143
- Siliziumdioxid
- 144
- Photonischer
Kristall
- 150
- Photonischer
Kristall mit hexagonalem Gitter
- 151
- zylindrisches
Luftloch
- 160
- Photonischer
Kristall mit Honigwabenstruktur
- 161
- zylindrisches
Luftloch