DE19708812A1

DE19708812A1 - Integrated optical multi-branch power splitter apparatus for optical communication or sensing

Info

Publication number: DE19708812A1
Application number: DE19708812A
Authority: DE
Inventors: Thomas Paatzsch; Ingo Smaglinski
Original assignee: Institut fuer Mikrotechnik Mainz GmbH
Current assignee: Institut fuer Mikrotechnik Mainz GmbH
Priority date: 1996-02-29
Filing date: 1997-02-28
Publication date: 1997-10-30
Also published as: WO1997032228A1

Abstract

The power splitter has an input waveguide (1) and several output waveguides (2a,2b), with at least the outermost output waveguides angling away from one another. A power divider (3) with the same refractive index as the waveguide outer mantle has a region (5) positioned upstream of the intersecting inner edges (9,10) of the outermost output waveguides. The output waveguides and the power divider can be arranged symmetrical to the axis of the input waveguide, with an angle of between 2 and 5 degrees between the outermost output waveguides and the input waveguide.

Description

Die Erfindung betrifft einen integriert-optischen 1×N-Verzweiger nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Derartige Verzweiger können beispielsweise in der optischen Nachrichtentechnik oder in der Sensorik eingesetzt werden.The invention relates to an integrated optical 1 × N splitter according to the Preamble of claim 1. Such branching can for example in the optical communication technology or used in sensors.

Die Übertragung von Signalen und Daten in der Nachrichtentechnik und Sensorik erfolgt zunehmend auf optischer Basis. Anstelle elektrischer Verbindungen werden mit Hilfe von Lichtwellenleitern optische Verbindungen geschaffen, die in ihrer Gesamtheit ein optisches Netz darstellen. Eine besondere Bedeutung kommen dabei den sogenannten passiven optischen Netzen zu, in denen die Datensignale auf eine Vielzahl von Kanälen gleichzeitig verteilt werden. Zum Aufbau solcher Netze werden optische 1×N-Verzweiger in großen Stückzahlen zu möglichst geringen Kosten benötigt.The transmission of signals and data in telecommunications and sensor technology is increasingly done on an optical basis. Instead of electrical connections optical connections are created with the help of optical fibers represent an optical network in their entirety. A special meaning the so-called passive optical networks, in which the Data signals can be distributed across a variety of channels simultaneously. To the Structure of such networks become 1 × N optical splitters in large numbers costs as low as possible.

Integriert-optische 1N-Verzweiger werden derzeit vor allem in Glas-, Silizium- oder Polymer-Technik hergestellt. Im Vergleich zu den anderen Materialien haben Polymere den großen Vorteil, daß sie durch Abformverfahren wie z. B. Spritzguß oder Heißprägen sehr kostengünstig verarbeitet werden können. Außerdem können in der Polymertechnik neben den wellenleitenden Bereichen auch Faserführungsstrukturen in das Bauteil integriert werden, in welche die Fasern ohne Nachjustage lediglich eingebracht werden müssen. Daraus resultiert eine erhebliche Vereinfachung des Hersteilungsprozesses.Integrated optical 1N branching devices are currently mainly used in glass, silicon or polymer technology. Compared to the other materials Polymers have the great advantage that they can be used by molding processes such. B. injection molding or hot stamping can be processed very inexpensively. Furthermore can in addition to the wave-guiding areas in polymer technology Fiber guidance structures are integrated into the component in which the fibers only have to be inserted without readjustment. This results in one significant simplification of the manufacturing process.

Integriert-optische Wellenleiter weisen in der Regel einen Wellenleiterkern und einen Wellenleitermantel auf. Die Kern-Brechzahl ist dabei größer als die Mantelbrechzahl. Der Transport des optischen Signals findet im wesentlichen im Kern des Wellenleiters statt. Insbesondere im Bereich der Fernübertragung von Daten und in der Sensorik wird eine sogenannte einmodige Wellenleitung benötigt. Solche zur einmodigen Übertragung geeignete Wellenleiter weisen bei den gängigen Wellenlängen (0.4-1.6 µm) Kernabmessungen im Bereich von 3-10 µm auf.Integrated optical waveguides usually have a waveguide core and a waveguide jacket. The core refractive index is larger than that Mantle refractive index. The transport of the optical signal takes place essentially in Core of the waveguide instead. Especially in the area of remote transmission from Data and in sensor technology is a so-called single-mode waveguide needed. Such waveguides suitable for single-mode transmission have the common wavelengths (0.4-1.6 µm) core dimensions in the range of 3-10 µm.

Die Berechnung der optischen Eigenschaften von wellenleitenden Strukturen kann beispielsweise durch "Beam-Propagation-Simulation" (BPM-Simulationen) erfolgen. Dabei wird ein optisches Eingangsfeld vorgegeben und das weitere Feld entlang der wellenleitenden Struktur schrittweise durch numerische Verfahren berechnet. Bei diesen Rechnungen ist darauf zu achten, daß sowohl die Diskretisierung des Brechzahlfeldes als auch die "Propagations"-Schrittweite nicht zu groß gewählt werden. Zur BPM sind derzeit verschiedene kommerzielle Programme erhältlich, die zum Teil auf unterschiedlichen numerischen Verfahren aufbauen. Zur Kontrolle der Ergebnisse ist es von Vorteil, die mit den verschiedenen numerischen Verfahren erhaltenen Werte auf Übereinstimmung zu überprüfen.The calculation of the optical properties of waveguiding structures can for example by "beam propagation simulation" (BPM simulations) respectively. An optical input field is specified and the further field along the waveguiding structure step by step using numerical methods calculated. With these calculations it must be ensured that both the Discretization of the refractive index field and the "propagation" step size are not be chosen too large. There are currently various commercial ones at BPM Programs available, some based on different numerical methods build up. To check the results it is advantageous to use the values obtained according to various numerical methods check.

Einen Überblick zu integriert-optischen Verzweigern ist beispielsweise in W. Karthe: "Integrierte Optik"; Akademische Verlagsgesellschaft Leipzig 1991, S. 180-185 enthalten. Darin wird ein "Standard-Verzweiger" mit einem Eingangswellenleiter und zwei Ausgangswellenleitern beschrieben. Zwischen den Ausgangswellenleitern ist eine Aufteilungsvorrichtung vorgesehen, welche den Eingangswellenleiter in die beiden Ausgangswellenleiter überführt und einen Brechungsindex aufweist, der sich vom Kern- und Mantelmaterial der Wellenleiter unterscheidet. In einer Ausführungsform sind die beiden Ausgangswellenleiter gegenüber dem Eingangswellenleiter geneigt und die Aufteilungsvorrichtung ist als spitz zulaufender Bereich zwischen den inneren Kanten der Ausgangswellenleiter ausgebildet.An overview of integrated optical branching devices can be found, for example, in W. Karthe: "Integrated optics"; Academic Publishing Company Leipzig 1991, p. 180-185 included. It is a "standard branch" with a Input waveguide and two output waveguides described. Between A distribution device is provided for the output waveguides, which Input waveguide transferred into the two output waveguides and one Refractive index that differs from the core and cladding material Waveguide differs. In one embodiment, the two are Output waveguide inclined to the input waveguide and the Splitting device is as a tapered area between the inner ones Edges of the output waveguide formed.

In einer anderen Ausgestaltung des Y-Verzweigers wird die Spitze der Aufteilungsvorrichtung durch eine Abrundung ersetzt. Nachteilig daran ist, daß eine geringe Einfügedämpfung des Verzweigers nur erreicht werden kann, wenn der Radius der Abrundung sehr klein (z. B. 0.1 µm) gewählt wird. Aufgrund des sich dabei ergebenden sehr hohen Aspektverhältnisses (Wellenleiterhöhe z. B. 8 µm) ist eine solche Ausgestaltung aber mit erheblichen technischen Schwierigkeiten verbunden. Dies gilt insbesondere für die Herstellung eines 1×N- Verzweigers in Abformtechnik, da bei zu großem Aspektverhältnis eine Trennung von Formwerkzeug und Formteil (sog. Entformung) nicht zerstörungsfrei durchzuführen ist.In another embodiment of the Y-branch, the top of the Splitting device replaced by a rounding. The disadvantage of this is that A low insertion loss of the branch can only be achieved if the radius of the rounding is chosen to be very small (e.g. 0.1 µm). Because of the resulting very high aspect ratio (waveguide height e.g. 8th µm) is such a design but with considerable technical Difficulties connected. This applies in particular to the production of a 1 × N Branch in impression technique, because if the aspect ratio is too large, a separation of mold and molded part (so-called demolding) not non-destructively is to be carried out.

Als weiterer Nachteil der Ausgestaltung ergibt sich, daß für eine gute Funktion des Verzweigers die Ausgangswellenleiter gegenüber dem Eingangswellenleiter nur um einen kleinen Winkel (z. B. < 1°) geneigt sein dürfen. Ein solch kleiner Neigungswinkel führt aber zu einer unerwünschten großen Gesamtlänge der wellenleitenden Bereiche des Verzweigers. Dies beruht darauf, daß die Ausgangsarme des Verzweigers prinzipiell so weit auseinander geführt werden müssen, bis ein Ankoppeln der Fasern möglich ist (d. h. mindestens zwei Fasern nebeneinander passen).Another disadvantage of the design is that for a good function of the splitter the output waveguide compared to the input waveguide may only be inclined at a small angle (e.g. <1 °). Such a small one Tilt angle leads to an undesirable large overall length of the wave-guiding areas of the branch. This is because the In principle, the branch arms of the branch are so far apart until coupling of the fibers is possible (i.e. at least two fibers fit side by side).

Für größere Winkel ist zwischen dem Eingangswellenleiter und den beiden Ausgangswellenleitern ein rechteckiger Bereich vorgesehen, der einen Brechungsindex aufweist, der niedriger ist als der des Eingangswellenleiters und der der Ausgangswellenleiter.For larger angles there is between the input waveguide and the two Output waveguides provided a rectangular area, the one Has a refractive index lower than that of the input waveguide and that of the output waveguide.

In der Veröffentlichung von M. Seino, M. Shina, T. Mekada, N. Nakajima: "Low loss Mach-Zehnder modulator using mode coupling Y-branch waveguide"; Proc. 13th Europ. Conf. Opt. Commun. ECOC, Helsinki 1987, S. 113-116 wird ein integriert-optischer Y-Verzweiger beschrieben, in welchem die Aufteilungsvorrichtung im vorderen Teil als im wesentlichen rechteckiger Bereich ausgebildet ist. Dieser Bereich reicht über den Schnittpunkt der inneren Kanten der Ausgangswellenleiter hinaus und hat einen anderen Brechungsindex als Wellenleiterkern und Mantel. Als bevorzugter Wert für den Brechungsindex im vorderen Teil der Aufteilungsvorrichtung wird das arithmetische Mittel aus Kern- und Mantelbrechzahl angegeben. In the publication by M. Seino, M. Shina, T. Mekada, N. Nakajima: "Low loss Mach-Zehnder modulator using mode coupling Y-branch waveguide"; Proc. 13th Europ. Conf. Opt. Commun. ECOC, Helsinki 1987, pp. 113-116 an integrated optical Y-branch described, in which the Distribution device in the front part as a substantially rectangular area is trained. This area extends beyond the intersection of the inner edges the output waveguide and has a different refractive index than Waveguide core and cladding. As a preferred value for the refractive index in the the arithmetic mean of core and jacket refractive index specified.

Nachteilig an diesem Y-Verzweiger ist, daß der vordere Teil der Aufteilungsvorrichtung einen Bereich mit einem anderen Brechzahlwert als im Wellenleiterkern und Mantel aufweist. Dadurch ist keine Kompatibilität zu gängigen Herstellungsverfahren (die nur zwei Brechzahlwerte vorsehen) mehr gewährleistet. Zur Herstellung des Verzweigers muß also mit hohem Aufwand ein geeignetes, neues Herstellungsverfahren entwickelt werden.A disadvantage of this Y-branch is that the front part of the Splitting device an area with a different refractive index value than in Has waveguide core and cladding. This means there is no compatibility current manufacturing processes (which only provide two refractive index values) more guaranteed. To produce the branching device, therefore, a great effort must be made suitable, new manufacturing process to be developed.

In Z. Weissman, E. Marom, A. Hardy: "Very low loss Y-junction power divider"; Optics Lett. Vol 14 No. 5, S. 293 (1989) wird ein Y-Verzweiger beschrieben, in welchem die Aufteilungsvorrichtung einen im wesentlichen rechteckigen Bereich aufweist, der genau bis an den Schnittpunkt der inneren Kanten des Ausgangswellenleiters ausgedehnt ist und einen Brechungsindex besitzt, der dem des Wellenleitermantels entspricht. Weiterhin haben Eingangs- und Ausgangswellenleiter eine unterschiedliche Breite.In Z. Weissman, E. Marom, A. Hardy: "Very low loss Y-junction power divider"; Optics Lett. Vol 14 No. 5 , p. 293 (1989) describes a Y-splitter in which the splitting device has a substantially rectangular area which extends exactly to the intersection of the inner edges of the output waveguide and has a refractive index which corresponds to that of the waveguide cladding. Furthermore, the input and output waveguides have a different width.

Die in dieser Veröffentlichung durchgeführten BPM-Rechnungen zeigen, daß eine gute Funktion des Verzweigers mit einer Aufteilungsdämpfung kleiner 1 dB nur gewährleistet ist, wenn am Eingangswellenleiter die erste (antisymmetrische) Mode anliegt. Dies ist aber in der Regel nicht der Fall, da z. B. nach Austritt des Lichts aus der Einkoppelfaser im wesentlichen die nullte (symmetrische) Mode angeregt wird. Dieser Y-Verzweiger hat daher den entscheidenden Nachteil, daß vor dem Verzweiger spezielle Elemente zur selektiven Anregung der ersten Mode vorgesehen werden müssen. Durch solche Elemente wird aber die Gesamtdämpfung des Bauteils erheblich erhöht, da einerseits die Modenkonvertierung nicht verlustfrei erfolgen kann und außerdem die Gesamtlänge der wellenleitenden Bereiche zunimmt. Letzteres ist insbesondere für polymere Wellenleiter nachteilig, weil diese aufgrund ihrer hohen Materialabsorption auf kurze Wellenleiterlängen angewiesen sind.The BPM calculations carried out in this publication show that a good function of the splitter with an attenuation less than 1 dB only is guaranteed if the first (antisymmetric) on the input waveguide Fashion is important. However, this is usually not the case since, for. B. after the exit of the Light from the coupling fiber essentially the zero (symmetrical) mode is excited. This Y-branch therefore has the decisive disadvantage that in front of the branch, special elements for selective excitation of the first mode must be provided. Such elements make the Total damping of the component increased considerably because, on the one hand, the Mode conversion can not be done without loss and also the Total length of the waveguiding areas increases. The latter is especially for polymeric waveguides disadvantageous because of their high Material absorption rely on short waveguide lengths.

Ein möglichst niedriger Dämpfungsverlust der 1×N-Verzweiger ist aber insbesondere für den Einsatz in der Telekommunikation wichtig, weil dadurch z. B. größere Übertragungsstrecken möglich werden. However, the lowest possible loss of attenuation of the 1 × N splitters is especially important for use in telecommunications, because of that e.g. B. larger transmission distances are possible.

Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die Breite des parallel zum vorderen Teil der Aufteilungsvorrichtung laufenden Wellenleiterkerns lediglich 1-2 µm (Wellenleiterhöhe: 3 µm) beträgt. Das Aspektverhältnis (Höhe:Breite) von ca. 2 : 1 bei gleichzeitigen Strukturbreiten von ca. 1 µm führt aber zu einer erheblichen Verringerung der möglichen Präzision bei der Wellenleiterherstellung. Aufgrund von Beugungseffekten ist dies insbesondere dann der Fall, wenn mittels UV- Lithographie ein Formwerkzeug zur Wellenleiterabformung hergestellt werden soll.Another disadvantage is that the width of the parallel to the front part the splitting device running waveguide core only 1-2 microns (Waveguide height: 3 µm). The aspect ratio (height: width) of approx. 2: 1 with simultaneous structure widths of approx. 1 µm, however, leads to a considerable one Reduction of the possible precision in the waveguide production. Because of of diffraction effects, this is particularly the case when using UV Lithography a molding tool for waveguide molding can be produced should.

In Z. Weissman, E. Marom, A. Hardy: "Novel passive multibranch power splitters for integrated optics"; Appl. Optics; Vol 29 No. 30, S. 4426 (1990) wird ein 1×4-Verzweiger beschrieben, der eine im vorderen Teil im wesentlichen rechteckige Aufteilungsvorrichtung aufweist. Die vorderste Kante der Aufteilungsvorrichtung liegt dabei genau am Schnittpunkt der inneren Kanten der Ausgangswellenleiter. Hinzu kommt, daß der Eingangswellenleiter in etwa vier mal breiter als die Ausgangswellenleiter ist. Nachteilig an dieser Ausführungsform ist, daß vor dem Verzweiger ein Taper integriert werden muß, der das Eingangsfeld vom anfänglichen Durchmesser um einen Faktor 4 aufweitet. Durch diesen Taper wird aber die Gesamtlänge des Bauteils erheblich erhöht, was insbesondere für polymere Wellenleiter von Nachteil ist.In Z. Weissman, E. Marom, A. Hardy: "Novel passive multibranch power splitters for integrated optics "; Appl. Optics; Vol 29 No. 30, p. 4426 (1990) a 1 × 4 branch described, the one in the front part essentially has rectangular distribution device. The foremost edge of the Distribution device lies exactly at the intersection of the inner edges of the Output waveguide. Add to that the input waveguide in about four times wider than the output waveguide. Disadvantage of this Embodiment is that a taper must be integrated before the branch, which the input field from the initial diameter by a factor of 4 expands. With this taper, the total length of the component is considerable increased, which is particularly disadvantageous for polymeric waveguides.

Die JP 63-60405 beschreibt einen Y-Verzweiger mit einem Einschnitt im Verzweigungsbereich, der einen Brechungsindex aufweist, der im Bereich zwischen dem des Wellenleitermaterials und des Substratmaterials liegt. Dieser Einschnitt erstreckt sich bis in die Nähe des Eingangswellenleiters.JP 63-60405 describes a Y-branch with an incision in the Branch region that has a refractive index that is in the region lies between that of the waveguide material and the substrate material. This Notch extends close to the input waveguide.

Es ist daher, ausgehend von Z. Weissman et al., Optics Lett. Vol 14 No. 5, S. 293 (1989), die Aufgabe der Erfindung, einen 1×N-Verzweiger zu schaffen, der eine möglichst kleine Einfügedämpfung aufweist und auf einfache Weise hergestellt werden kann. It is therefore, based on Z. Weissman et al., Optics Lett. Vol 14 No. 5, p. 293 (1989), the object of the invention to provide a 1 × N splitter that has the smallest possible insertion loss and in a simple manner can be manufactured.

Die Aufgabe wird mit einem integriert-optischen 1×N-Verzweiger nach Anspruch 1 gelöst.The task is achieved with an integrated optical 1 × N splitter 1 solved.

BPM-Rechnungen haben zu dem überraschenden Ergebnis geführt, daß dadurch, daß die Aufteilungsvorrichtung einen Bereich umfaßt, der vor dem Schnittpunkt der inneren Kanten der äußersten Ausgangswellenleiter liegt, die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Aufteilungsvorrichtung eine sehr geringe Einfügedämpfung erreicht werden kann. Für einen Y-Verzweiger ist diese beispielsweise kleiner 0.1 dB bei einer Optimierung der Strukturmaße für eine einzelne Wellenlänge (z. B. λ = 1.3 µm) und kleiner 0.2 dB bei Optimierung auf zwei Wellenlängen (z. B. 1.3/1.55 µm). Der Bereich, der denselben Brechungsindex aufweist wie der Wellenleitermantel, trägt in geradezu optimaler Weise zur Transformation des optischen Feldes vom Eingangswellenleiter in die Ausgangswellenleiter bei, wodurch sich eine kleine Einfügedämpfung bei gleichzeitig großen Aufzweigungswinkeln ergibt.BPM calculations have led to the surprising result that that the splitting device comprises an area which is before the intersection the inner edges of the outermost output waveguides, which a very small configuration of the distribution device according to the invention Insertion loss can be achieved. For a Y-branch this is For example, less than 0.1 dB when optimizing the structural dimensions for a single wavelength (e.g. λ = 1.3 µm) and less than 0.2 dB when optimized two wavelengths (e.g. 1.3 / 1.55 µm). The area that same Refractive index has like the waveguide cladding, contributes in almost optimal Way to transform the optical field from the input waveguide to the Output waveguide, which results in a small insertion loss results in large branching angles at the same time.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist der Verzweiger eine parallel zum Eingangswellenleiter liegende Symmetrieachse auf. Dadurch wird eine gleichmäßige Aufteilung für jeweils symmetrisch zueinander liegenden Ausgangswellenleiter erreicht. Es kann aber auch gewünscht sein, daß der Verzweiger keine Symmetrieachse aufweist und das optische Feld auf die einzelnen Ausgangsarme mit unterschiedlichen Anteilen aufgeteilt wird.In a preferred embodiment of the invention, the branch has one axis of symmetry parallel to the input waveguide. This will an even distribution for each lying symmetrically to each other Output waveguide reached. But it may also be desirable that the Branch has no axis of symmetry and the optical field on the individual output arms with different proportions.

Weiterhin werden durch die Ausgestaltung der Aufteilungsvorrichtung vergleichsweise große Verzweigungswinkel 2° bis 5° für einen Y-Verzweiger ermöglicht. Dies hat den großen Vorteil, daß dadurch die Länge der wellenleitenden Bereiche erheblich reduziert werden kann. Dies ist insbesondere für Polymere Wellenleiter aufgrund ihrer hohen intrinsischen Materialabsorption vorteilhaft. Ferner kann dadurch eine kleine Einfügedämpfung bei gleichzeitig großem Verzweigungswinkel erreicht werden. Furthermore, the design of the distribution device comparatively large branching angles 2 ° to 5 ° for a Y-branch enables. This has the great advantage that the length of the waveguiding areas can be significantly reduced. This is particularly so for polymer waveguides due to their high intrinsic material absorption advantageous. Furthermore, this can result in a small insertion loss at the same time large branching angle can be achieved.

Die erfindungsgemäße Ausgestaltung des 1×N-Verzweigers sieht vor, daß Eingangswellenleiter und Ausgangswellenleiter die gleiche Breite aufweisen. Dadurch werden keine Taper oder Modenkonverter vor dem Verzweigungspunkt benötigt, wodurch die Länge des Verzweigers beträchtlich reduziert werden kann.The design of the 1 × N branch according to the invention provides that Input waveguide and output waveguide have the same width. This means that no tapers or mode converters are in front of the branch point needed, which can reduce the length of the branch considerably.

Es ist weiterhin von Vorteil, wenn der Abstand des Bereichs vom Schnittpunkt aus Eingangswellenleiterkante und zugeordneter Kante des äußersten Ausgangswellenleiters kleiner ist als seine Längserstreckung vom Schnittpunkt der inneren Kanten der äußersten Ausgangswellenleiter.It is also advantageous if the distance of the area from the intersection from input waveguide edge and assigned edge of the outermost Output waveguide is smaller than its longitudinal extension from the intersection of the inner edges of the outermost output waveguides.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung erstreckt sich der Bereich bis in den Eingangswellenleiter.In a further preferred embodiment, the area extends into the Input waveguide.

Die Aufteilungsvorrichtung kann entweder verschiedene voneinander getrennte Bereiche enthalten oder ein zusammenhängendes Gebiet sein. Letzteres ist insbesondere für die Herstellung von Wellenleitern in Abformtechnik von Vorteil, weil dadurch die Stabilität des Formeinsatzes erhöht wird und eine problemlose Entformung möglich ist.The splitting device can either be different from one another Contain areas or be a coherent area. The latter is particularly advantageous for the production of waveguides using impression technology, because this increases the stability of the mold insert and makes it problem-free Demolding is possible.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Aufteilungsvorrichtung im vorderen Bereich eine im wesentlichen konstante Breite auf. Dadurch werden kleine Aspektverhältnisse vermieden, welches insbesondere für die Trennung von Bauteil und Formeinsatz (sog. Entformung) von Vorteil ist. Es kann aber gewünscht sein, daß die Breite der Aufteilungsvorrichtung im vorderen Bereich kontinuierlich zunimmt und dadurch die Breite des dazu parallel laufenden Wellenleiterkerns erhöht wird.In an advantageous embodiment, the division device has in the front Area has a substantially constant width. This will make small Aspect ratios avoided, which is particularly important for the separation of components and use of mold (so-called demolding) is an advantage. However, it may be desirable that the width of the splitting device in the front area is continuous increases and thereby the width of the parallel waveguide core is increased.

Die Aufteilungsvorrichtung weist vorzugsweise mindestens im Bereich des Schnittpunktes eine im wesentlichen konstante Breite auf. Es besteht auch die Möglichkeit, daß die Aufteilungsvorrichtung und dies betrifft im wesentlichen den Bereich vor dem Schnittpunkt, sich in Richtung des Eingangswellenleiters verengt oder verbreitert. The distribution device preferably has at least in the region of the Intersection has a substantially constant width. There is also Possibility that the splitting device and this essentially affects the Area before the intersection, narrowing towards the input waveguide or broadened.

Die Ausgangswellenleiter können hinter dem Schnittpunkt der inneren Kanten der äußersten Ausgangswellenleiter über einen Steg aus Wellenleiterkernmaterial miteinander verbunden sein.The output waveguides can be past the intersection of the inner edges of the outermost output waveguide via a web made of waveguide core material be connected.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Eingangswellenleiter vor der Aufteilungsvorrichtung im wesentlichen stufenförmig verbreitert. Dies hat den großen Vorteil, daß dadurch auch der zum vorderen Bereich der Aufteilungsvorrichtung parallel liegende Wellenleiterkern verbreitert wird. Eine größere Breite führt aber zu einem kleineren Aspektverhältnis, wodurch eine einfachere und präzisere Herstellung des 1×N-Verzweigers möglich ist. Aufgrund der im Vergleich zur UV-Strahlung großen Strukturabmessungen ist es dabei insbesondere möglich, ein Formwerkzeug für Wellenleiter in Abformtechnik auch mittels UV-Lithographie herzustellen. Außerdem wird aufgrund der größeren Breite des Wellenleiterkerns das Einfüllen des Kernmaterials in das Formteil beträchtlich vereinfacht.In an advantageous embodiment of the invention, the input waveguide widened in a step-like manner in front of the splitting device. this has the great advantage that this also means that the front area of the Distribution device parallel waveguide core is widened. A However, a larger width leads to a smaller aspect ratio, which means that easier and more precise manufacture of the 1 × N branch is possible. Because of it is the structural dimensions that are large compared to UV radiation in particular, a molding tool for waveguides in impression technique is also possible by means of UV lithography. Also, due to the larger Width of the waveguide core the filling of the core material in the molded part considerably simplified.

Anstatt einer stufenförmigen Verbreiterung kann der Eingangswellenleiter auch auf einer Länge l_o kontinuierlich verbreitert sein, solange das optische Feld in der Aufweitungsstrecke seine Breite nicht wesentlich vergrößert. Dieses ist bei hinreichend kleinem l_o (z. B. gleich der zehnfachen Wellenleiterbreite des Eingangswellenleiters) gewährleistet. Durch die kontinuierliche Aufweitung ergibt sich der Vorteil, daß keine Eckbereiche wie bei der stufenförmigen Verbreiterung mehr auftreten. Daraus folgt eine erheblich einfachere Herstellung der Wellenleiter in Abformtechnik. Außerdem wird durch die fehlenden Eckbereiche das Einfüllen des Kernmaterials in das Formteil vereinfacht.Instead of a step-like widening, the input waveguide can also be continuously widened over a length l _o as long as the optical field in the widening section does not significantly increase its width. This is ensured with a sufficiently small l _o (e.g. equal to ten times the waveguide width of the input waveguide). The continuous widening has the advantage that there are no corner areas as in the step-widening. This results in a considerably simpler production of the waveguide using impression technique. In addition, the missing corner areas make it easier to fill the core material into the molded part.

Vorzugsweise liegt die Verbreiterung des Eingangswellenleiters vor der Aufteilungsvorrichtung.The broadening of the input waveguide is preferably in front of the Splitting device.

Das Verhältnis der Eingangswellenleiterbreiten vor und nach der Verbreiterung ist vorteilhafterweise größer als 1.5. The ratio of the input waveguide widths before and after the broadening is advantageously greater than 1.5.

Die Aufteilungsvorrichtung kann auch so ausgestaltet sein, daß Eingangswellenleiter und Ausgangswellenleiter voneinander getrennt sind. Dadurch wird das Kernmaterial durch den Bereich vor dem Schnittpunkt vollständig unterbrochen. Die Aufteilungsvorrichtung weist hierbei vorzugsweise dieselbe Breite auf wie der Wellenleiterkern.The distribution device can also be designed such that Input waveguide and output waveguide are separated. This will pass the core material through the area in front of the intersection completely interrupted. The splitting device preferably has same width as the waveguide core.

Die Unterbrechung des wellenleitenden Bereichs hat den Vorteil, daß die Aufteilungsvorrichtung durch die seitlichen Bereiche zusätzlich stabilisiert wird. Dadurch wird eine hohe Zentrizität der Aufteilungsvorrichtung gegenüber Eingangswellenleiter und Ausgangswellenleiter und somit eine hohe Aufteilungsgleichmäßigkeit des Verzweigers erreicht.The interruption of the waveguiding area has the advantage that the Distribution device is additionally stabilized by the lateral areas. As a result, a high centricity of the distribution device is compared Input waveguide and output waveguide and thus a high Distribution uniformity of the branch reached.

Die Herstellung der Wellenleiter in Abformtechnik erfolgt vorteilhaft dadurch, daß das Formwerkzeug mittels Röntgentiefenlithographie und nachfolgender Galvanoformung gefertigt wird. Im Gegensatz zur UV-Lithographie sind Beugungseffekte bei der Verwendung von Röntgenstrahlen erheblich reduziert, so daß das mittels BPM-Rechnungen optimierte Design mit großer Präzision in das Formwerkzeug übertragen werden kann. Dadurch ist es insbesondere möglich, den zum vorderen Bereich der Aufteilungsvorrichtung parallel laufende Wellenleiterkern in hoher Qualität herzustellen.The waveguides are advantageously produced in impression technique by that the mold by means of X-ray lithography and subsequent Electroforming is manufactured. In contrast to UV lithography Diffraction effects significantly reduced when using X-rays that the design optimized by means of BPM calculations with great precision in the Molding tool can be transferred. This makes it possible in particular the one running parallel to the front area of the splitting device Manufacture waveguide core in high quality.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.Embodiments of the invention are described below with reference to the drawings explained in more detail.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 Y-Verzweiger gemäß einer ersten Ausführungsform, Fig. 1 Y-connector according to a first embodiment,

Fig. 2 Y-Verzweiger mit verbreitertem Eingangswellenleiter, Fig. 2 Y-branch spread-input waveguide,

Fig. 3 verschiedene Ausführungsformen bezüglich der Länge des vorderen Bereichs der Aufteilungsvorrichtung, Fig. 3, various embodiments concerning the length of the front portion of the splitting device,

Fig. 4 verschiedene geometrische Ausgestaltungen des vorderen Bereichs der Aufteilungsvorrichtung, und Fig. 4 different geometric configurations of the front region of the splitting device, and

Fig. 5 einen Y-Verzweiger mit einer Unterbrechung des Wellenleiterkernmaterials. Fig. 5 is a Y-connector with an interruption of the waveguide core material.

Fig. 1 zeigt einen 2-dimensionalen Querschnitt eines symmetrischen (Symmetrieachse 8) Y-Verzweigers mit einem Eingangswellenleiter 1 und zwei Ausgangswellenleitern 2a, b. Eingangs- und Ausgangswellenleiter haben einen quadratischen Querschnitt mit einer Kantenlänge von d1 = 8 µm (die Wellenleiterhöhe ist in der Fig. 1 nicht gezeigt). Die Brechungsindizes liegen bei nM = 1.45 im Wellenleitermantel 16 und nK = 1.454 im Wellenleiterkern. Die angegebenen Wellenleiterparameter sind auf eine Standardglasfaser (SM 1300) angepaßt und es ist somit eine verlustfreie Einkopplung möglich. Die Wellenleitung bei den Standardwellenlängen 1.3/1.55 µm erfolgt monomodig. Fig. 1 shows a two-dimensional cross section of a symmetrical (axis of symmetry 8 ) Y-splitter with an input waveguide 1 and two output waveguides 2a, b. The input and output waveguides have a square cross section with an edge length of d1 = 8 μm (the waveguide height is not shown in FIG. 1). The refractive indices are nM = 1.45 in the waveguide jacket 16 and nK = 1.454 in the waveguide core. The specified waveguide parameters are adapted to a standard glass fiber (SM 1300) and a loss-free coupling is therefore possible. The waveguide at the standard wavelengths 1.3 / 1.55 µm is single-mode.

Die Ausgangswellenleiter 2a, b sind jeweils gegenüber dem Eingangswellenleiter 1 um einen Winkel γ = 2.5° geneigt. Zwischen den Ausgangswellenleitern 2a, b befinden sich die Aufteilungsvorrichtung 3, welche aus Mantelmaterial des Wellenleiters besteht und einen Brechungsindex nM = 1.45 aufweist. Die Aufteilungsvorrichtung besitzt einen Bereich 5, der vor dem Schnittpunkt 4 der inneren Kanten 9, 10 der Ausgangswellenleiter 2a, b liegt und sich in den Verbreiterungsbereich oder Taperbereich 11 des Y-Verzweigers erstreckt, der in der hier gezeigten Darstellung am Schnittpunkt 6 aus Eingangswellenleiterkante 14 und zugeordneter Kante 12, 13 des äußersten Ausgangswellenleiters 2a beginnt. Die Aufteilungsvorrichtung 3 ist vorteilhaft als zusammenhängendes Gebiet mit im Bereich 5 konstanter Breite ausgeführt.The output waveguides 2a, b are each inclined at an angle γ = 2.5 ° with respect to the input waveguide 1 . Between the output waveguides 2 a, b are the splitting device 3 , which consists of the cladding material of the waveguide and has a refractive index nM = 1.45. The splitting device has an area 5 , which lies in front of the intersection 4 of the inner edges 9 , 10 of the output waveguides 2 a, b and extends into the widening area or taper area 11 of the Y-splitter, which in the illustration shown here at the intersection 6 of the input waveguide edge 14 and associated edge 12 , 13 of the outermost output waveguide 2 a begins. The division device 3 is advantageously designed as a coherent area with a constant width in the region 5 .

Für die Herstellung der Wellenleiter ist es vorteilhaft, alle Ecken mit einem Radius von 1-2 µm abzurunden (in Fig. 1 nicht gezeigt). For the manufacture of the waveguides, it is advantageous to round off all corners with a radius of 1-2 μm (not shown in FIG. 1).

Fig. 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Y-Verzweiger mit einer Verbreiterung 11 des Eingangswellenleiters 1. Wellenleiterbreite d1, Brechzahlen nM/nK und Aufteilungswinkel sind gleich den Werten in Fig. 1. Die Verbreiterung 11 des Eingangswellenleiters erfolgt vorteilhaft auf einer Länge l_o = 20 µm auf einen Endwert von d2 = 16 µm. Das Verhältnis von Wellenleiterbreite nach und vor der Verbreiterung hat den Wert 2. Der zum vorderen Teil der Aufteilungsvorrichtung 3 parallel laufende Wellenleiterkern 7 hat eine Breite von 4.75 µm. Fig. 2 shows a Y-branching according to the invention with a broadening 11 of the input waveguide 1. Waveguide width d1, refractive indices nM / nK and angle of division are equal to the values in FIG. 1. The widening 11 of the input waveguide advantageously takes place over a length l _o = 20 μm to a final value of d2 = 16 μm. The ratio of the waveguide width after and before the broadening has the value 2 . The waveguide core 7 running parallel to the front part of the splitting device 3 has a width of 4.75 μm.

Der Bereich 5 der Aufteilungsvorrichtung 3 weist vorteilhaft eine Breite von ca. b = 6.5 µm und eine Länge von ca. Z_o = 95 µm auf.The area 5 of the division device 3 advantageously has a width of approximately b = 6.5 μm and a length of approximately z _o = 95 μm.

In den Fig. 3a, b und c sind verschiedene Ausgestaltungen der Aufteilungsvorrichtung 3 dargestellt. In Fig. 3a befindet sich der vordere Bereich 5 der Aufteilungsvorrichtung 3 in der Nähe des Schnittpunktes 4 der inneren Kanten 9, 10 der äußersten Ausgangswellenleiter 2a, b. Der Abstand des vorderen Bereichs 5 vom Schnittpunkt 6 aus Eingangswellenleiterkante 14 und zugeordneter Kante 12 des äußersten Ausgangswellenleiters 2a ist größer als sein Abstand vom Schnittpunkt 4.In the Fig. 3a, b and c show different embodiments of the splitting device 3 are shown. In Fig. 3a, the front portion 5 of the splitting device 3 is near the intersection 4 of the inner edges 9 , 10 of the outermost output waveguides 2a, b. The distance of the front area 5 from the intersection 6 from the input waveguide edge 14 and associated edge 12 of the outermost output waveguide 2 a is greater than its distance from the intersection 4 .

In Fig. 3b ist der Abstand des vorderen Bereichs 5 vom Schnittpunkt 6 kleiner als sein Abstand vom Schnittpunkt 4 der inneren Kanten 9, 10 der äußersten Ausgangswellenleiter 2a, b. In Fig. 3c erstreckt sich der Bereich 5 bis in den Eingangswellenleiter 1 und liegt vor dem Schnittpunkt 6 von Eingangswellenleiterkante 14 und zugeordneter Kante 12 des äußersten Ausgangswellenleiters 2a. Die Breite der Aufteilungsvorrichtung 3 ist geringer als die Breite des Eingangswellenleiters 1.In Fig. 3b, the distance of the front region 5 from the intersection 6 is smaller than its distance from the intersection 4 of the inner edges 9 , 10 of the outermost output waveguides 2a, b. In Fig. 3c, the area 5 extends into the input waveguide 1 and lies before the intersection 6 of the input waveguide edge 14 and associated edge 12 of the outermost output waveguide 2a. The width of the splitting device 3 is less than the width of the input waveguide 1 .

Fig. 4 zeigt einen Y-Verzweiger mit verbreitertem Eingangswellenleiter 1 analog zu Fig. 2, wobei verschiedene Ausführungsformen der Aufteilungsvorrichtung 3 dargestellt sind. Die Breite der Aufteilungsvorrichtung 3 kann beispielsweise zu- oder abnehmen (Fig. 4a, b). Es kann auch ein geschlossener Bereich 3, 5 (Fig. 4c) vorliegen, wobei die beiden Ausgangswellenleiter 2a, b über einen Steg 15 aus Kernmaterial miteinander verbunden sind. FIG. 4 shows a Y-splitter with a broadened input waveguide 1 analogous to FIG. 2, different embodiments of the splitting device 3 being shown. The width of the division device 3 can for example increase or decrease ( Fig. 4a, b). There may also be a closed area 3, 5 (Fig. 4c), the two output waveguides 2 a, b via a web 15 of core material are connected together.

Je nach verwendeter Ausführungsform sind die einzelnen geometrischen Abmessungen durch Simulationsrechnungen zu optimieren. Dabei soll eine möglichst geringe Verlustdämpfung des Verzweigers sowie eine möglichst geringe Abhängigkeit der Aufteilungsgleichmäßigkeit von Schwankungen der geometrischen Maße (Fabrikationstoleranzen) erreicht werden.Depending on the embodiment used, the individual geometrical Optimize dimensions using simulation calculations. One should Loss attenuation of the branch as low as possible and as low as possible Dependence of the distribution uniformity on fluctuations of the geometric dimensions (manufacturing tolerances) can be achieved.

Fig. 5 zeigt einen erfindungsgemäßen Y-Verzweiger mit verbreiterter Aufteilungsvorrichtung 3. In der gezeigten Ausführungsform entspricht die Breite der Aufteilungsvorrichtung 3 gerade der Breite d1 des Eingangswellenleiters 1. Wellenleiterbreite d1, Brechzahlen nM/nK und Aufteilungswinkel sind gleich den Werten in Fig. 1. Fig. 5 shows a Y-branching according to the invention having a broadened splitting device 3. In the embodiment shown, the width of the splitting device 3 corresponds exactly to the width d1 of the input waveguide 1 . Waveguide width d1, refractive indices nM / nK and angle of division are equal to the values in FIG. 1.

Die Verbreiterung der Aufteilungsvorrichtung 3 um den oben angegebenen Wert hat zur Folge, daß der wellenleitende Bereich an der Verzweigungsstelle unterbrochen wird. Durch Simulationsrechnungen auf Basis der oben angegebenen Werte für Brechzahlen, Wellenleiterbreite und Aufteilungswinkel ergibt sich, daß die Unterbrechung 17 des wellenleitenden Bereichs vorteilhaft auf einer Länge von 11 = 40-45 µm erfolgt. Dadurch wird erreicht, daß der Verzweiger eine sehr kleine Verlustdämpfung von weniger als 0.1 dB aufweist. Wählt man einen Wert für 11 außerhalb des angegebenen Bereichs, steigt die Verlustdämpfung an.The widening of the splitting device 3 by the value specified above has the result that the waveguiding region is interrupted at the branching point. Simulation calculations based on the values given above for refractive indices, waveguide width and distribution angle show that the interruption 17 of the waveguiding region advantageously takes place over a length of 11 = 40-45 μm. This ensures that the splitter has a very low loss loss of less than 0.1 dB. If you select a value for 11 outside the specified range, the loss loss increases.

BezugszeichenlisteReference list

1 Eingangswellenleiter
2a, b Ausgangswellenleiter
3 Aufteilungsvorrichtung
4 Schnittpunkt
5 Bereich
6 Schnittpunkt
8 Symmetrieachse
9 innere Kante
10 innere Kante
12 zugeordnete Kante
13 zugeordnete Kante
14 Eingangswellenleiterkante
15 Steg
16 Wellenleitermantel
17 Unterbrechung 1 input waveguide
2 a, b output waveguide
3 splitting device
4 intersection
5 area
6 intersection
8 axis of symmetry
9 inner edge
10 inner edge
12 associated edge
13 associated edge
14 input waveguide edge
15 bridge
16 waveguide jacket
17 interruption

Claims

Integrated Optical 1xN splitters are inclined to each other with an input waveguide (1) and N output waveguides, wherein at least the outermost output waveguide (2 a, b), and a splitting device (3) having the same refractive index as the waveguide clad (16 ), characterized in that the splitting device ( 3 ) comprises an area ( 5 ) which lies in front of the intersection ( 4 ) of the inner edges ( 9 , 10 ) of the outermost output waveguides ( 2 a, b).

2. 1 × N branch according to one of the preceding claims, characterized in that the 1 × N branch has an axis of symmetry ( 8 ) lying parallel to the input waveguide ( 1 ).

3. 1 × N splitter according to one of the preceding claims, characterized in that N = 2 and the angle of inclination between the output waveguides ( 2 a, b) and the input waveguide ( 1 ) is 2 ° to 5 °.

4. 1 × N-splitter according to one of claims 1 to 3, characterized in that the input waveguide ( 1 ) and output waveguide ( 2 a, b) have the same width.

5. 1 × N-splitter according to one of the preceding claims, characterized in that the distance of the area ( 5 ) from the intersection ( 6 ) from the input waveguide edge ( 14 ) and associated edge ( 12 , 13 ) of the outermost output waveguide ( 2 a, b ) is smaller than its longitudinal extension from the intersection ( 4 ).

6. 1 × N splitter according to one of the preceding claims, characterized in that the region ( 5 ) extends into the input waveguide ( 1 ).

7. 1 × N branch according to one of the preceding claims, characterized in that the distribution device ( 3 ) is a coherent area.

8. 1 × N branch according to one of the preceding claims, characterized in that the dividing device ( 3 ) has an essentially constant width at least in the region of the intersection ( 4 ).

9. 1 × N splitter according to one of claims 1 to 7, characterized in that the splitting device ( 3 ) narrows in the direction of the input waveguide ( 1 ).

10. 1 × N splitter according to one of claims 1 to 7, characterized in that the distribution device ( 3 ) widens in the direction of the input waveguide ( 1 ).

11. 1 × N splitter according to one of claims 1 to 10, characterized in that the output waveguides ( 2 a, b) are connected behind the intersection ( 4 ) via a web ( 15 ) made of waveguide core material.

12. 1 × N-splitter according to one of the preceding claims, characterized in that the input waveguide ( 1 ) widens in steps.

13. 1 × N splitter according to one of claims 1 to 11, characterized in that the input waveguide ( 1 ) _widens continuously over a length l _o and that l _{o is} less than ten times the width of the input waveguide ( 1 ).

14. 1 × N splitter according to one of claims 12 or 13, characterized in that the widening of the input waveguide ( 1 ) lies in front of the splitting device ( 3 ).

15. 1 × N branch according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the ratio of the input waveguide widths after and is greater than 1.5 before broadening.

16. 1 × N splitter according to one of claims 1 to 4 or 7, characterized in that the splitting device ( 3 ) separates input waveguide ( 1 ) and output waveguide ( 2 a, b) from one another.