DE202008018635U1

DE202008018635U1 - Optischer Modenwandler, insbesondere für die Kopplung eines Lichtwellenleiters und eines Hochindexkontrast-Wellenleiters

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Publication number: DE202008018635U1
Application number: DE202008018635.8U
Authority: DE
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Priority date: 2008-02-29
Filing date: 2008-02-29
Publication date: 2017-02-08
Anticipated expiration: 2018-03-01

Abstract

Ein halbleiterbasierter optischer Modenwandler (100, 100', 100'') zur Kopplung einer optischen Mode eines Lichtwellenleiters (3f) mit einer optischen Mode eines Wellenleiters (3a), wobei der optische Modenwandler Folgendes umfasst: – einen ersten Wellenleiter (1a), der sich entlang einer ersten Hauptlängsrichtung (Z) erstreckt und eine Endfacette (30) beinhaltet, die geeignet ist, an den Lichtwellenleiter (3f) gekoppelt zu werden, wobei der erste Wellenleiter (1a) einen ersten Kern (1) und einen ersten Mantel (6, 4) beinhaltet und einen ersten Brechungsindexkontrast (Δn1) beinhaltet; – einen zweiten Wellenleiter (2a), der einen zweiten Kern (2) und einen zweiten Mantel (6, 4) und einen zweiten Brechungsindexkontrast (Δn2) umfasst, wobei ein Ende (9) des zweiten Wellenleiters und das Ende (31) des ersten Wellenleiters (1a) stossgekoppelt ist; – einen dritten Wellenleiter (3a), der in Bezug auf den zweiten Wellenleiter angeordnet ist, um eine evaneszente optische Kopplung mit dem zweiten Wellenleiter zu verwirklichen, mit dem zweiten Wellenleiter (2a), wobei der dritte Wellenleiter (3a) einen dritten Kern (3) und einen dritten Mantel (4, 7) umfasst und einen dritten Brechungsindexkontrast (Δn3) aufweist, worin der dritte Kern (3) einen verjüngten Bereich (13, 13') in mindestens einem Teil beinhaltet, in dem die evaneszente Kopplung stattfindet, und worin der Brechungsindexkontrast (Δn1) des ersten Wellenleiters (1a) niedriger ist als der Brechungsindexkontrast (Δn2) des zweiten Wellenleiters (2a), der Brechungsindexkontrast (Δn2) des zweiten Wellenleiters niedriger ist als der Brechungsindexkontrast (Δn3) des dritten Wellenleiters, und der Brechungsindexkontrast (Δn3) des dritten Wellenleiters nicht kleiner als 18% ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Modenwandler für effiziente Kopplung eines Singlemode-Lichtwellenleiters an einen Hochindexkontrast-Wellenleiter. Insbesondere soll der Wandler der Erfindung insgesamt optische Verluste minimieren.
Technologischer Hintergrund
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf den Bereich der Halbleiter und dielektrischen optischen Komponenten und Geräte für die optische Übertragung oder digitale optische Datenverarbeitung, insbesondere auf dem Gebiet der optischen Modenwandler zwischen zwei Wellenleitern.
Eines der Probleme der sogenannten „Silizium-Photonik” ist die effiziente Kopplung von Hochindexkontrast-Wellenleitern, wie Si-Wellenleiter, an den Standard-Singlemode-Lichtwellenleiter. In der Regel hat eine Standard-Singlemode-Faser einen Modenfelddurchmesser zwischen 8 und 12 μm, normalerweise von 9–10 μm. Der Grund des oben genannten Problems liegt im Unterschied der Modengrösse sowie im Brechungsindex, zwischen dem Lichtwellenleiter und dem Si-Wellenleiter.
Der Unterschied in Modengrösse verhindert ein direktes Verbinden der Singlemode-Faser an den Hochindexkontrast-Wellenleiter, zum Beispiel durch Stosskopplung, weil die Kopplung zu einem hohen Leistungsverlust durch den Unterschied in Modengrösse, wobei der Letztere normalerweise mindestens eine Grössenordnung ist, führen kann.
Der Unterschied im Brechungsindex verursacht einen Unterschied der Mode-Geschwindigkeit zwischen dem Wellenleiter und der Faser, wodurch wieder eine hohe Kopplungsdämpfung resultiert, wenn eine direkte Kopplung durchgeführt wird.
Um eine effiziente Kopplung zwischen solchen optischen Moden zu ermöglichen, werden optische Modenkonverter, bekannt auch als optische Modewandler, hergestellt, um die Mode des optischen Signals vom Wellenleiter/Lichtwellenleiter umzuformen, und um das Profil mit dem im Wellenleiter/Lichtwellenleiter, in dem das optische Signal gekoppelt werden sollte, geführten Mode, kompatibel zu machen. Dieser Mode-Abgleich sollte unter Beibehaltung der Leistungseigenschaften des optischen Gerätes durchgeführt werden, z. B. indem die Leistungsverluste durch die optische Kopplung zwischen dem Wellenleiter und der Faser unter einem bestimmten angemessenen Niveau gehalten werden.
Bisher gab es verschiedene Ansätze, um effiziente Kopplung zwischen zwei verschiedenen Wellenleitern oder Wellenleiter/Faser mit unterschiedlichen Brechungsindizes zu erreichen.
Ein bekannter Ansatz besteht darin, den Hochindexkontrast-Wellenleiter mit einer Verjüngung zu versehen.
US-Patent Nr. 6633705 im Namen von Alcatel offenbart ein optisches Modul, das mindestens eine optische Komponente enthält, deren optische Ein-/Ausgänge auf einen Lichtwellenleiter gerichtet sind, zu dem sie gekoppelt werden soll. Mindestens ein zusätzlicher optischer Wellenleiter ist zwischen dieser optischen Komponente und dem Lichtwellenleiter angeordnet. Die optische Komponente ist ausgestattet mit einem Lichtwellenleiter, dessen Ende, das dem Lichtwellenleiter zugewandt ist, für eine Modenfeldanpassung verjüngt oder erweitert wird. Darüber hinaus ist das Ende jedes zwischengeschalteten optischen Wellenleiters, das dem Lichtwellenleiter zugewandt ist, für eine Modenfeldanpassung verjüngt oder erweitert.
US-Patentanmeldung Nr. 2006/0285797 beschreibt einen integrierten optischen Modenwandler, der eine verlustarme Verbindung zwischen einem Lichtwellenleiter und einem integrierten optischen Wellenleiter mit einer Punktgrösse, die sich von der Faser unterscheidet, vorsieht. Der Modenwandler besteht aus zwei Wellenleiterschichten, einer oberen Schicht und einer unteren Schicht. Die obere Schicht ist angrenzend an die untere Schicht. Die untere Schicht ist die integrierte optische Wellenleiterschicht, die den optischen Schaltkreis bildet. Die Eingabedimension der zusammengesetzten Doppelwellenleiter-Struktur unterstützt eine Grundmode, die das gesamte im Lichtwellenleiter vorhandene Licht akzeptiert. Die obere Wellenleiterschicht verjüngt sich nach unten aus einer Eingangsbreite auf eine Ausgangsbreite und endet dann so, dass sich bei der Terminierung im Wesentlichen die gesamte optische Eingangsleistung in der unteren Wellenleiterschicht befindet. Die Doppelwellenleiterschicht-Struktur wird durch Ablagerung und Planarisierungstechniken hergestellt.
US-Patent Nr. 6697551 im Namen des Massachusetts Institute of Technology betrifft einen Modenwandler, der eine möglichst verlustarme Kopplung zwischen optischen Moden von zwei Wellenleitern mit unterschiedlicher Brechzahldifferenz ermöglicht. Die Modengrösse und der tatsächliche Index zwischen zwei Wellenleitern werden allmählich geändert, um nach und nach die Modenform, Grösse und Geschwindigkeit mit minimalem Leistungsverlust umzuwandeln. Der Modenwandler ist zur Kopplung der Mode von einem optischen Lichtwellenleiter mit niedriger Brechzahldifferenz zur Mode von einem Planaren Wellenleiter mit hoher Brechzahldifferenz nützlich, und umgekehrt.
Ein anderer Ansatz wird in US-Patent Nr. 7099540 im Namen der NEC Corporation offenbart, wo eine optische Kopplungsvorrichtung mit einem optischen Wellenleiter die Differenz des spezifischen Brechungsindex zwischen einer Überzugsschicht und einer Kernschicht variiert. Der optische Wellenleiter dient als ein konvergenter/divergenter Spotgrössenwandler, da die Reduktion im Querschnitt der Kernschicht für den konvergenten/divergenten Spotgrössenwandler nicht erforderlich ist, sodass die optische Kopplungsvorrichtung mit hohem Produktertrag hergestellt wird.
US-Patentanmeldung Nr. 2005/0185893 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Reduzierung einer Modengrösse eines optischen Strahls. In einer Ausführungsform der beschriebenen Lösung weist die Vorrichtung einen ersten optischen Wellenleiter auf, der in einem ersten Halbleitermaterial aus einer Halbleiterschicht angeordnet ist. Der erste optische Wellenleiter weist einen umgekehrt verjüngten inneren Kern auf, der in einem nicht verjüngten äusseren Kern des ersten optischen Wellenleiters angeordnet ist. Der umgekehrt verjüngte innere Kern weist ein kleineres Ende und ein grösseres Ende auf.
Die Vorrichtung weist ferner einen zweiten optischen Wellenleiter auf, der in einem zweiten Halbleitermaterial der Halbleiterschicht angeordnet ist. Der zweite optische Wellenleiter ist ein verjüngter optischer Wellenleiter mit einem grösseren Ende und einem kleineren Ende. Das grössere Ende des zweiten optischen Wellenleiters ist in der Nähe des grösseren Endes vom umgekehrt verjüngten inneren Kern des ersten optischen Wellenleiters angeordnet, sodass ein optischer Strahl von dem kleineren Ende zum grösseren Ende des ersten optischen Wellenleiters vom grösseren Ende zum kleineren Ende des zweiten optischen Wellenleiters zu leiten ist.
In „TE-TM-Kopplung einer Standardfaser mit einem Si-Draht-Wellenleiter", geschrieben von Raffaella Costa et al., und in der Konferenzarbeit der Europäischen Konferenz vom 25.–27. April 2007 über die integrierte Optik (ECIO), Kopenhagen, Dänemark, veröffentlicht, wird Lichtkopplung von einer kleinen Kernfaser mit einem Si-Draht-Wellenleiter sowohl für TE und TM durch einen vertikalen Koppler aufgezeigt. Von einer polarisationsunabhängigen Kopplung wird gesagt, sie sei als erster Versuch mit einem Wirkungsgrad von 72% verwirklicht worden. Die kleine Kernfaser für Si-Draht-Kopplung wird über einen Zwischenwellenleiter mit einer quadratischen Kernform mit An = 4,5% vertikal mittels einer Silizium-Verjüngung gekoppelt. Der Si-Drahtkern ist 220 nm dick.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Modenwandler für effiziente Kopplung eines Lichtwellenleiters an einen Hochindexkontrast-Wellenleiter (HC-Wellenleiter). Insbesondere ermöglicht der Modenwandler der vorliegenden Erfindung eine effiziente Kopplung eines HC-Wellenleiter zu einer Standard-Singlemode-Faser (im Folgenden kurz, SM-Faser). Die Bedeutung von „Hochindexkontrast” wird im Folgenden näher erläutert.
Der optische Modenwandler gemäss der vorliegenden Erfindung umfasst Halbleiterwerkstoffe, beispielsweise III-V-Verbindungen oder Materialien auf Siliziumbasis, wie beispielsweise Si, SiO2 (dotiert oder undotiert), SiON, Si₃N₄ usw.
Ein Hauptziel der Erfindung ist es, einen Modenwandler bereitzustellen, der eine verlustarme Kopplung zwischen der SM-Faser-Mode und der HC-Wellenleiter-Mode ermöglicht, beispielsweise mit einem optischen Verlust zwischen Faser und dem HC-Wellenleiter von nicht mehr als 3 dB pro zwei Facetten des optischen Modenwandlers als Folge der Ausbreitung einer optischen Mode vom Lichtwellenleiter auf den nominellen HC-Wellenleiter und umgekehrt, bevorzugt von nicht mehr als 2 dB pro zwei Facetten.
Dieser Wandler kann dazu verwendet werden, beispielsweise um eine optische Mode von einer Standardfaser, dessen typische Singlemode-Dimension der modalen Fläche etwa 80 μm² beträgt, zur Mode in einem planaren HC-Wellenleiter, dessen singlemodaler Bereich typischerweise gleich oder kleiner als 1 μm² und umgekehrt ist, zu koppeln.
Der optische Modenwandler der Erfindung umfasst einen ersten Wellenleiter, einen ersten Kern und einen ersten Mantel. Der erste Wellenleiter kann mindestens eine optische Mode, bevorzugt mindestens eine Mode für jeden Polarisationszustand (TE und TM), die als die erste Mode bezeichnet wird, unterstützen. Zusätzlich umfasst der optische Wandler der Erfindung, einen zweiten Wellenleiter, der mit dem ersten Wellenleiter in einer optischen Kopplung ist. Der zweite Wellenleiter umfasst jeweils einen Kern und einen Mantel, die entsprechend zweiter Kern und zweiter Mantel genannt werden. Insbesondere ist die optische Kopplung zwischen dem ersten und dem zweiten Wellenleiter eine Stosskopplung. Die Stosskopplung zwischen dem ersten und zweiten Wellenleiter zeigt, dass die beiden Wellenleiter einander zugewandt und so angeordnet sind, dass eine optische Mode, die entlang des ersten (zweiten) Wellenleiters läuft, in den zweiten (ersten) Wellenleiter im Wesentlichen entlang der Ausbreitungsrichtung, die sie innerhalb des ersten (zweiten) Wellenleiters behalten hat, gekoppelt wird. Die Kerne der beiden Wellenleiter werden bevorzugt mit ihren jeweiligen Hauptlängsachsen innerhalb der vorgegebenen Toleranz einander zugewandt, wie unten beschrieben, um eine effiziente optische Kopplung zu erreichen.
Der erste Wellenleiter kann mindestens eine optische Mode, bevorzugt mindestens eine Mode für jeden Polarisationszustand (TE und TM), die als die zweite Mode bezeichnet wird, unterstützen. Der Brechungsindexkontrast des ersten Wellenleiters ist kleiner als der des zweiten Wellenleiters.
Der Modenwandler umfasst auch einen dritten Wellenleiter mit einem dritten Kern und einem dritten Mantel und ist in evaneszenter Kopplung mit dem zweiten Wellenleiter. Der dritte Wellenleiter kann mindestens eine optische Mode, bevorzugt eine Mode für jeden Polarisationszustand, unterstützen. Der Brechungsindexkontrast des zweiten Wellenleiters ist kleiner als der des dritten Wellenleiters.
Der dritte Wellenleiter ist ein Hochindexkontrast-Wellenleiter mit einem Brechungsindexkontrast Δn₃ nicht kleiner als 18%.
Die Definition des Brechungsindexkontrastes, An, die in der vorliegenden Beschreibung verwendet, ist Folgende:
Der tatsächliche Brechungsindex ist der Brechungsindex der optischen Mode, der entlang eines Wellenleiters läuft und im Allgemeinen eine Funktion des Kerns, Mantels und der Querschnittfläche eines Wellenleiters ist.
Die Dicke T₃ des dritten Wellenleiterkerns ist bevorzugt zwischen 100 nm und 400 nm.
Der zweite und der dritte Wellenleiter sind relativ zueinander so positioniert, dass eine evaneszente Kopplung vom zweiten in den dritten Wellenleiter oder umgekehrt hergestellt wird.
Um die vorliegende Beschreibung zu vereinfachen, wird im Folgenden auf eine Kopplung einer Mode der SM-Faser zum dritten Wellenleiter über den ersten und zweiten Wellenleiter Bezug genommen. Die vorliegende Erfindung umfasst jedoch auch einen Modenwandler, der eine Modenkopplung in die entgegengesetzte Richtung durchführt, worin eine Mode, die in den dritten Wellenleiter läuft, an den zweiten Wellenleiter und dann an den ersten Wellenleiter gekoppelt wird, um in den SM-Lichtwellenleiter ausgegeben zu werden.
Eine erste Ausbreitungsrichtung wird definiert, die im Allgemeinen deckungsgleich oder parallel zur Hauptlängsachse des ersten Wellenleiters ist, und ist die Ausbreitungsrichtung der ersten optischen Mode entlang des ersten Wellenleiters. Analog wird eine zweite Ausbreitungsrichtung für den zweiten Wellenleiter definiert.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der erste und zweite Wellenleiter komplanar. Mehr bevorzugt, die erste und zweite Ausbreitungsrichtung sind parallel und noch mehr bevorzugt fallen die beiden Richtungen im Wesentlichen innerhalb einer bestimmten Ausrichtungstoleranz zusammen (d. h. die Ausbreitungsrichtung der von der ersten zur zweiten Wellenleiter gekoppelten Mode bleibt im Wesentlichen unverändert). Der erste Wellenleiter ist beispielsweise mit dem zweiten Wellenleiter mit einer Ausrichtung zwischen der Hauptlängsachse des Kerns des ersten Wellenleiters und der Hauptlängsachse des Kerns des zweiten Wellenleiters innerhalb von ±2 μm, bevorzugt innerhalb von ±1 μm, stossgekoppelt.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein Spalt h zwischen dem ersten und dem zweiten Wellenleiter im Stosskopplungsteil des optischen Modenwandlers vorhanden. Der Spalt h ist definiert als der Abstand zwischen den proximalen Endfacetten des ersten und zweiten Wellenleiters entlang der ersten Ausbreitungsrichtung, d. h. entlang der Langsachse des ersten Wellenleiters, wobei der Spalt den ersten und zweiten Wellenleiter in Längsrichtung trennt. Der Spalt h ist bevorzugt kleiner als 10 μm, mehr bevorzugt kleiner als 5 μm und noch mehr bevorzugt kleiner als 1 μm. Gemäss einer Ausführungsform ist der Spalt h im Wesentlichen Null, d. h., eine Endfacette des ersten Wellenleiters ist in Kontakt mit einer Endfacette des zweiten Wellenleiters.
Der Kern des dritten Wellenleiters umfasst einen verjüngten Bereich in mindestens einem Teil des evaneszenten Kopplungsbereiches zwischen dem zweiten und dem dritten Wellenleiter.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der zweite Wellenleiter in Bezug auf den dritten Wellenleiter so positioniert, dass die zwei Wellenleiterkerne sich mindestens teilweise in einem Bereich überschneiden, der nachfolgend auch als überlappender Bereich bezeichnet wird. Innerhalb des überlappenden Bereiches sind die beiden Wellenleiterkerne nebeneinander und die meisten der optischen Leistungsübertragungen von einem Wellenleiter zum anderen erfolgen durch evaneszente Kopplung. Der zweite und der dritte Wellenleiter sind bevorzugt so angeordnet, dass der zweite über den dritten positioniert ist. Der zweite und dritte Kern sind bevorzugt vertikal angeordnet, d. h. in zwei Ebenen liegend, in einem bestimmten vertikalen Abstand (oder Spalt) g, der in einer Richtung im Wesentlichen senkrecht zur ersten Ausbreitungsrichtung definiert ist. Eine Mantelschicht kann zum Beispiel die beiden Kerne trennen. Der Spalt kann beispielsweise zwischen dem zweiten und dritten Kern gross genug sein (z. B. bis zu wenigen Mikrometern, wie es unten näher erläutert wird), um die Integration von Mikroheizern auf dem Mantel des dritten Wellenleiters zu ermöglichen, z. B. eine metallische Schicht umfassend, die auf einem Teil des dritten Mantels gebildet wird, ohne die Effizienz der evaneszenten Kopplung zu behindern.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Hauptlängsrichtung des dritten Kerns im Wesentlichen parallel zur Hauptlängsrichtung des zweiten Kerns, sodass die Ausbreitungsrichtung der dritten Mode entlang des dritten Wellenleiters, nachfolgend auch als die dritte Ausbreitungsrichtung bezeichnet, parallel zur zweiten Ausbreitungsrichtung ist. Es versteht sich jedoch, dass andere Konfigurationen in Betracht gezogen werden können. Der zweite und dritte Wellenleiter kann beispielsweise mit den jeweiligen Kernen im Wesentlichen komplanar und nebeneinander in einer bestimmten Entfernung (oder Spalt), die senkrecht zu den parallelen Ausbreitungsrichtungen innerhalb der zwei Wellenleiter ist, angeordnet werden.
Der dritte Wellenleiter kann alternativ oberhalb des zweiten Wellenleiters positioniert werden, solange das evaneszente Ende der optischen Mode, die im dritten/zweiten Wellenleiter läuft, Anlass zu einer optischen Modenübertragung im zweiten/dritten Wellenleiter gibt. Daher gibt der Spalt zwischen dem zweiten und dem dritten Wellenleiter hierin im Allgemeinen die Entfernung zwischen dem zweiten und dritten Kern entlang einer Richtung senkrecht zur zweiten Ausbreitungsrichtung an.
Der erste Wellenleiter ist geeignet, mit einem Standard-Singlemode-Lichtwellenleiter gekoppelt zu werden, der ausserhalb des Modenwandlers positioniert werden kann. Eine Endfacette des ersten Wellenleiters kann beispielsweise an ein Ende des Lichtwellenleiters stossgekoppelt werden. Gemäss einer Ausführungsform ist die erste Faser mit dem zweiten Wellenleiter mit einer Ausrichtung zwischen der Hauptlängsachse des Faserkerns und der Hauptlängsachse des Kerns des ersten Wellenleiters innerhalb von ±2 μm, bevorzugt innerhalb von ±1 μ±m, stossgekoppelt. Als alternative Ausführungsform kann die SM-Faser mit dem Modenwandler fasergekoppelt werden, z. B. durch das Kleben eines Faserendes an eine Endfacette des Wandlers, in Übereinstimmung mit dem Kern des ersten Wellenleiters.
Der SM-Lichtwellenleiter wird bevorzugt an den Eingang des ersten Wellenleiters gebracht, damit seine Hauptlängsachse parallel zur Hauptlängsachse des ersten Wellenleiters des Modenwandlers liegt. Die SM-Faser ist bevorzugt seitlich und vertikal so positioniert, dass das Eingangsende des ersten Wellenleiters im Wesentlichen das Licht aus der Faser mit relativ geringem optischen Verlust annehmen kann. Der Brechungsindex des ersten Wellenleiters und seine Geometrie können derart gewählt werden, um eine optimale optische Kopplung mit der SM-Faser und dem zweiten Wellenleiter zu erhalten. Der erste Wellenleiter des Wandlers der Erfindung wird beispielsweise bevorzugt in einem Material mit einem Brechungsindex verwirklicht, das der beste Kompromiss ist, um eine verlustarme Kopplung mit der Standard-SM-Faser und gleichzeitig eine effiziente Kopplung mit dem zweiten Wellenleiter zu erhalten.
Der erste Wellenleiterkern beinhaltet bevorzugt einen ersten verjüngten Bereich, ein erstes Ende – das Ende, das dem Lichtwellenleiter zugewandt ist – hat eine Querschnittfläche, die sich allmählich entlang der ersten Ausbreitungsrichtung bis zu einem maximalen Wert vergrössert. Diesem ersten verjüngten Bereich kann bevorzugt ein zweiter verjüngter Bereich abnehmender Querschnittfläche folgen, d. h., von der maximalen Querschnittfläche am Ende des ersten verjüngten Bereiches nimmt die Querschnittfläche des ersten Wellenleiterkerns allmählich in Richtung eines zweiten Endes des ersten Wellenleiters, der dem zweiten Wellenleiter zugewandt und optisch mit demselben gekoppelt ist, ab, um am zweiten Ende eine Querschnittfläche, die kleiner als die maximale Querschnittfläche ist, zu haben. Die maximale erreichte Querschnittfläche kann alternativ am Ende des ersten verjüngten Bereiches für eine bestimmte längs gerichtete Länge bis zum zweiten Ende des ersten mit dem zweiten Wellenleiter gekoppelten Wellenleiterkerns im Wesentlichen konstant gehalten werden.
Bevorzugte Materialien für den ersten Wellenleiterkern sind SiO₂:Ge und SiON.
Der zweite Wellenleiter umfasst bevorzugt einen ersten verjüngten Bereich auf, worin an einer ersten Endfacette des zweiten optisch mit dem ersten Wellenleiter gekoppelten Wellenleiters, der zweite Kern eine Querschnittfläche hat, die sich allmählich entlang der zweiten Ausbreitungsrichtung vergrössert. Die kleinste Querschnittfläche des verjüngten Bereiches des zweiten Wellenleiters kommt bevorzugt an der ersten Endfacette des zweiten Wellenleiters vor. Die evaneszente optische Kopplung zwischen dem dritten und dem zweiten Wellenleiter, wobei die optische Leistung vom zweiten (dritten) zum dritten (zweiten) Wellenleiter übertragen wird, erfolgt in einem Bereich des optischen Modenwandlers, im Folgenden als evaneszenter Kopplungsbereich bezeichnet, der einen Teil des zweiten und des dritten Wellenleiters umfasst.
Der zweite Wellenleiter beinhaltet bevorzugt einen zweiten verjüngten Bereich im Wesentlichen in Übereinstimmung mit dem evaneszenten Kopplungsbereich des zweiten und dritten Wellenleiters.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der dritte Wellenleiterkern im gesamten evaneszenten Kopplungsbereich einen verjüngten Bereich auf, der eine allmähliche Änderung des tatsächlichen Brechungsindex bereitstellt und, der damit eine Modenwandlung der durchquerenden optischen Signale bereitstellt. Durch allmähliches Ändern des tatsächlichen Brechungsindex des dritten Wellenleiters im Kopplungsbereich entlang der dritten Ausbreitungsrichtung kann die Modenkopplung mit einem hohen Wirkungsgrad erreicht werden, was zu einer erheblichen Abnahme des optischen Verlustes führt. Der verjüngte Bereich ist bevorzugt so strukturiert, dass ein Ende des dritten Wellenleiterkerns proximal zum zweiten Wellenleiter eine Querschnittfläche hat, die sich bis in die gewünschten Führungskernabmessungen progressiv vergrössert.
Der verjüngte Bereich, der im dritten Wellenleiterkern verwirklicht ist, kann jedoch das Ende des Wellenleiters nicht darstellen, der sich weiter entlang einer von der Ausbreitungsrichtung unterschiedlichen Richtung erstrecken kann, wie unten ausführlicher erläutert wird.
Die Verjüngung, die im dritten Wellenleiter verwirklicht ist, ist bevorzugt eine lineare Verjüngung. Jedoch können weitere oder andere Optimierungen des Verjüngungsprofils im Rahmen der vorliegenden Erfindung, beispielsweise ein exponentielles oder parabolisches Verjüngungsprofil, in Betracht gezogen werden können.
Die Ausgangsbreite (Spitze) des dritten Wellenleiterkerns ist bevorzugt zwischen 80 nm und 200 nm, mehr bevorzugt zwischen 100 und 150 nm, alles Dimensionen, die mit Standardherstellungsprozessen leicht erhältlich sind.
In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, bei der der zweite Wellenleiter über dem dritten Wellenleiter angeordnet ist, überlappen bei einer Draufsicht des optischen Modenwandlers der zweite und der dritte Wellenleiter mindestens teilweise. Dieser Überlappungsbereich beinhaltet den evaneszenten Kopplungsbereich, der sich entlang der innerhalb des zweiten Wellenleiters definierten Ausbreitungsrichtung erstreckt. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind der evaneszente Kopplungsbereich und der Überlappungsbereich nahezu deckungsgleich.
Der vertikale Abstand (Spalt g) zwischen den zweiten und dritten Wellenleiterkernen ist im Wesentlichen bevorzugt konstant über dem Überlappungsbereich der beiden Wellenleiter. Gemäss einer weiteren Ausführungsform umfassen sowohl der zweite und der dritte Wellenleiter einen verjüngten Bereich, der sich in mindestens einem Teil des evaneszenten Kopplungsbereiches erstreckt. Der im dritten Wellenleiter verwirklichte verjüngte Bereich und der im zweiten Wellenleiter verwirklichte verjüngte Bereich sind bevorzugt in entgegengesetzte Richtungen verjüngt, d. h. eine Mode, die im zweiten Wellenleiter entlang der zweiten Ausbreitungsrichtung läuft, trifft auf einen konvergenten Bereich (ein Bereich von kontinuierlich verringertem seitlichen Querschnitt) entlang des zweiten Wellenleiterkerns und einen divergenten Bereich (ein Bereich von kontinuierlich vergrössertem seitlichen Querschnitt) im dritten Wellenleiterkern. Eine Wandlerkonfiguration, die einen zweiten und einen dritten Wellenleiterkern umfasst, die jeweils einen verjüngten Bereich beinhaltet, worin die beiden Bereiche in die gleiche Richtung verjüngt sind, könnte auch in Betracht gezogen werden.
Die Anmelder haben festgestellt, dass im nach der obigen allgemeinen Lehre verwirklichten Modenwandler, seitliche Fehlausrichtungen zwischen dem zweiten und dem dritten Wellenleiter, d. h. seitliche Versätze bis zu einem Maximalwert von ungefähr (±2) μm zwischen den Achsen der zweiten und dritten Wellenleiterkerne senkrecht zu ihren jeweiligen Hauptlängsrichtungen, nicht zu einer erheblichen Leistungsverschlechterung des Wandlers, sowohl für die TE/TM-Polarisationen der optischen Moden, führen.
Die Anmelder haben festgestellt, dass die Leistungen des optischen Modenwandlers der Erfindung innerhalb begrenzter Bereiche des Brechungsindexes des dritten Wellenleiters und/oder dritten Wellenleiterdicken, weiter optimiert werden können.
Gemäss einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beinhaltet der Modenwandler einen dritten Wellenleiter, der einen Brechungsindexkontrast Δn₃ zwischen dem Kern und dem Mantel nicht kleiner als 40%, und eine dritte Kerndicke T₃ zwischen 120 nm und 180 nm umfasst.
In den oben aufgeführten Bereichen von Dicke und Brechungsindexkontrast Δn₃ für den dritten Wellenleiter haben die Anmelder festgestellt, dass der Modenwandler äusserst effizient ist und eine im Wesentlichen vollständige Modenleistungsübertragung innerhalb einer „angemessenen” Verjüngungslänge L des dritten Wellenleiterkerns stattfindet, der bevorzugt nicht grösser als 3000 μm ist, mehr bevorzugt nicht mehr als 1500 μm ist, um eine einfache Integration mit anderen optischen und elektrischen Komponenten zu ermöglichen.
Der dritte Kern des dritten Wellenleiters wird bevorzugt in einem Material mit einem Brechungsindex n_{dritter Kern} > 3 verwirklicht. Bevorzugte Materialien sind beispielsweise Si, InP, AlGaAs, SiGe oder Ge.
In der oben genannten ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt der Brechungsindexkontrast des ersten Wellenleiters, Δn₁, bevorzugt im Bereich (1,2 ± 0,6)%. Die Kerndicke T₁ des ersten Wellenleiters liegt bevorzugt zwischen 1 nm und 6 nm.
Die Breite des dritten Wellenleiterkerns liegt bevorzugt am Ende des verjüngten Bereiches im ersten Beispiel, d. h., die Führungsbreite des dritten Kerns liegt zwischen 0,25 μm bis 1,50 μm.
Der zweite Wellenleiter der ersten bevorzugten Ausführungsform weist bevorzugt einen Brechungsindexkontrast Δn₂ = (3,4 ± 1,4)% auf. Die Kerndicke T₂ des zweiten Wellenleiters liegt bevorzugt zwischen 0,5 nm und 4 nm.
Gemäss einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst der Modenwandler einen dritten Wellenleiter, der einen Brechungsindexkontrast Δn₃ zwischen dem Kern und dem Mantel zwischen 18% und 30% hat und eine dritte Kerndicke T₃ zwischen 100 nm und 400 nm.
Der dritte Kern des dritten Wellenleiters des Wandlers ist bevorzugt gemäss der zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in einem Material mit einem Brechungsindex 1,8 < n_{dritter Kern} < 2,4 verwirklicht. Bevorzugte Materialien für den dritten Kern des Wandlers dieser zweiten Ausführungsform sind zum Beispiel Halbleiter mit breiter Bandlücke wie Si₃N₄.
Die Breite des dritten Wellenleiterkerns liegt bevorzugt am Ende des verjüngten Bereiches im zweiten Beispiel, d. h., die Führungsbreite des dritten Kerns liegt zwischen 0,3 μm bis 3,0 μm.
Der zweite Wellenleiter der zweiten bevorzugten Ausführungsform weist bevorzugt einen Brechungsindexkontrast Δn₂ = (2,8 ± 1,0)% auf. Die Dicke T₂ des zweiten Kerns des zweiten Wellenleiters des Wandlers der zweiten Ausführungsform der Erfindung liegt bevorzugt zwischen 0,5 μm bis 4 μm.
In der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Brechungsindexkontrast des ersten Wellenleiters Δn₁ = (1,2 ± 0,6)%. Die Kerndicke T₁ des ersten Wellenleiters liegt bevorzugt zwischen 1 nm und 6 nm.
Gemäss einer dritten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beinhaltet der Modenwandler einen dritten Wellenleiter, der einen Brechungsindexkontrast Δn₃ zwischen dem Kern und dem Mantel nicht kleiner als 40% und eine dritte Kerndicke T₃ zwischen 200 nm und 400 nm aufweist.
Bevorzugte Materialien für den dritten Wellenleiterkern und bevorzugte Brechungsindizes für den dritten Wellenleiterkern können innerhalb der gleichen Bereiche unter Bezugnahme auf die erste Ausführungsform ausgewählt werden.
Der zweite Wellenleiter der dritten bevorzugten Ausführungsform weist bevorzugt einen Brechungsindexkontrast Δn₂ = (4,0 ± 1,0)% auf. Die Dicke T₂ des zweiten Kerns des zweiten Wellenleiters des Wandlers der dritten Ausführungsform der Erfindung liegt bevorzugt zwischen 1,2 μm bis 3 μm.
Der Brechungsindexkontrast des ersten Wellenleiters in der dritten bevorzugten Ausführungsform ist bevorzugt Δn₁ = (1,4 ± 0,3)%. Die Kerndicke T₁ des ersten Wellenleiters liegt bevorzugt zwischen 1 nm und 5 nm.
Die Länge L des Kopplungsbereiches in der ersten und zweiten Ausführungsform liegt bevorzugt zwischen 100 μm und 3000 μm, während in der dritten Ausführungsform L bevorzugt zwischen 200 μm und 5000 μm liegt.
Der Spalt g liegt bevorzugt zwischen dem Kern des zweiten Wellenleiters und dem Kern des dritten Wellenleiters zwischen 0,1 μm und 3 μm in der ersten bevorzugten Ausführungsform des Wandlers der Erfindung, zwischen 0,1 μm und 5 μm in der zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, zwischen 0,5 μm und 2 μm in der dritten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Der gewählte Wert von Spalt g zwischen den zweiten und dritten Kernen für einen speziellen Wandler kann gewählt werden, unter anderem, in Bezug auf die verjüngte Spitzenbreite des verjüngten Bereiches (d. h., wo die Querschnittfläche des verjüngten Bereiches der kleinste ist), der im dritten Wellenleiterkern verwirklicht ist. Bevorzugt wird, je breiter die dritte Wellenleiterspitze desto grösser der Spalt g, um Verluste aufgrund von optischer Modendiskrepanz zu minimieren.
Die Anmelder haben herausgefunden, dass Modenwandler gemäss entweder der ersten oder der zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung den Polarisationszustand eines optischen Eingangssignals bewahren können, wenn es vom optischen Modenwandler empfangen wird.
Im Allgemeinen können Singlemode-Lichtwellenleiter oder Singlemode-Lichtwellenleiter zwei Polarisierungsmoden unterstützen, die als TE (transversal-elektrische Mode) und TM (transversal-magnetische Mode) Moden bezeichnet werden. In Anbetracht, dass eine optische Mode einen bestimmten Eingabe-Polarisationszustand hat, wenn sie vom Wandler empfangen wird, wird es in einigen Anwendungen bevorzugt, dass das Verhalten der optischen Kopplung mit dem HC-Wellenleiter, unabhängig vom Eingabe-Polarisationszustand, gleich ist. Das Signal, das über den Lichtwellenleiter übertragen wird, kann beispielsweise nach dem Zufallsprinzip polarisiert werden, d. h., es kann eine zufällige Überlagerung der beiden Polarisationen TE/TM haben. In diesem Fall ist es wünschenswert, dass die Polarisationszustände am Eingang des Modenwandlers im Wesentlichen unberührt am Ausgang des Kopplungsbereiches des dritten Wellenleiters austreten. In diesem Sinne ist der Modenwandler einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung „transparent” zu den Polarisationszuständen der eingehenden optischen Signale.
Die Anmelder haben erkannt, dass – in einem Wellenleiter – die optische Mode so weit wie möglich vermeiden sollte, entlang eines Kernbereiches mit einer quadratischen oder fast quadratischen Querschnittfläche zu laufen, um eine Degeneration von Polarisierungsmoden zu vermeiden. Im vorliegenden Fall kann eine quadratische oder fast quadratische Querschnittfläche bedeuten, dass, eine der Seiten eines Wellenleiters rechteckige Querschnittfläche benannt L, dieser Bereich als quadratisch oder fast quadratisch betrachtet wird, wenn der Unterschied zwischen der L-Seite und den anderen Seiten des Bereiches kleiner als 0,2 L, mehr bevorzugt kleiner als 0,1 L, ist. In diesem Kernbereich, auch aufgrund von den unvermeidlichen Fertigungsunvollkommenheiten von Kerndesign und Dimensionen seiner Querschnittfläche entlang der Ausbreitungsrichtung, kann Degeneration von den TE/TM-Moden sehr wahrscheinlich zu Polarisationsvermischung führen. Wenn ausserdem eine Polarisationsvermischung in einem Hochindexwellenleiter erfolgt, worin die TM- und TE-Polarisierungsmoden eine relativ grosse Brechzahldifferenz erfahren, werden die optischen Moden stark von polarisationsabhängigen Verlusten und von Polarisationsmodendispersion beeinflusst.
Die Anmelder haben verstanden, dass für den Fall, dass es erwünscht ist, einen Modenwandler zu erhalten, der auch polarisations-„transparent” ist, wird der Kopplungsbereich des Wandlers bevorzugt so konzipiert, dass ein Grossteil der optischen Leistungsübertragung zwischen dem zweiten und dem dritten Wellenleiter in Übereinstimmung mit einem Bereich des dritten Wellenleiterkerns, ohne eine quadratische oder nahezu quadratische Querschnittfläche, erfolgt.
In einem Modenwandler mit Δn₃ nicht kleiner als 40% und einer dritten Kerndicke T₃ zwischen 120 und 180 nm, aufgrund eines relativ „dünnen” dritten Wellenleiterkerns wird nur ein relativ kleiner Bruchteil der Modenleistung vom zweiten zum dritten Wellenleiter übertragen, wenn die Mode die TE/TM-Degeneration in Übereinstimmung mit dem Bereich des dritten Kerns, der einen quadratischen Querschnitt umfasst, „erfährt”. Polarisationsverzerrung (oder Vermischung) wird daher im Wesentlichen vermieden.
Bei Modenkopplung zwischen dem zweiten und dritten Wellenleiter gilt im Allgemeinen, je niedriger der Brechungsindexkontrast zwischen den zwei Wellenleitern, desto langsamer ist die Modenübertragung vom zweiten auf den dritten Wellenleiter. Im Falle von 18% < Δn₃ < 30% kann ein dickerer dritter Wellenleiterkern als im Fall Δn₃ > 40%, d. h., dicker als ungefähr 180 nm, immer in Betracht kommen unter Beibehaltung der Polarisation der wandernden optischen Mode. Im Wandler mit 18% < Δn₃ < 30% hat der verwirklichte verjüngte Bereich im dritten Wellenleiterkern immer noch einen Teil, der einen quadratischen Querschnitt beinhaltet, der in einem Abstand von der Spitze angeordnet sein kann, der wegen der grösseren Dicke länger ist als im Wandler gemäss der ersten Ausführungsform der Erfindung. Da jedoch die Übertragung der Mode „langsamer” als im Fall von Δn₃ > 40% ist, degenerieren die TM/TE-Polarisationen, wenn nur ein kleiner Bruchteil der Mode im dritten Wellenleiter läuft, während der grösste Teil der Modenleistung immer noch im zweiten Wellenleiter geführt wird. Die Dicke des dritten Wellenleiterkerns ist bevorzugt nicht grösser als 400 nm.
Im Folgenden zeigt, der Einfachheit halber, der Wandler gemäss der ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung einen Wandler, der einen dritten Wellenleiter mit Δn₃ > 40% und eine dritte Kerndicke T₃ zwischen 120 nm und 180 nm beinhaltet; der Wandler gemäss der zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein Wandler, der einen dritten Wellenleiter mit 18% < Δn₃ < 30% und eine dritte Kerndicke T₃ zwischen 100 nm und 400 nm beinhaltet; und der Wandler gemäss der dritten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeigt einen Modenwandler, der einen dritten Wellenleiter, mit Δn₃ > 40% und einer dritten Kerndicke zwischen 200 nm und 400 nm umfasst. Die Verwendung des Begriffs „Wandler” ohne zusätzliche Spezifikationen bedeutet, dass der Satz, in dem der Begriff verwendet wird, sich auf Modenwandler nach einem der Ausführungsformen der Erfindung bezieht.
Wandler nach einem der drei bevorzugten Ausführungsformen zeigen optische Verluste, wenn sie an eine SM-Standardfaser niedriger als 3 dB pro zwei Facetten des optischen Modenwandlers gekoppelt werden, als Folge der Ausbreitung von einer optischen Mode vom Lichtwellenleiter auf den nominellen HC-Wellenleiter, und umgekehrt.
Um noch kleinere, als 3 dB optische Verluste zu erhalten, insbesondere nicht grösser als 2 dB pro zwei Facetten, sind der Brechungsindexkontrast des ersten, zweiten und dritten Wellenleiters jeweils Δn₁, Δn₂, Δn₃, und die erste, zweite und dritte Kerndicke, T₁, T₂, T₃, bevorzugt und unabhängig voneinander innerhalb engerer Bereiche.
In der ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist insbesondere der Wert Δn₂ des zweiten Wellenleiters bevorzugt im Bereich (2,6 ± 0,6)%, gemäss einer ersten Variante. Gemäss einer zweiten Variante ist der Wert von Δn₂ bevorzugt (4,2 ± 0,6)%. Bevorzugte Materialien für den zweiten Wellenleiterkern sind beispielsweise SiON oder SiO₂:Ge. Gemäss einer weiteren bevorzugten Variante der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die zweite Kerndicke T₂ zwischen 1 μm und 4 μm, wenn Δn₂ = (2,6 ± 0,6)%, und T₂ zwischen 0,5 μm und 3 μm, wenn Δn₂ (4,2 ± 0,6)% ist. Gemäss einer weiteren bevorzugten Variante der ersten Ausführungsform der Erfindung hat der erste Kern einen Brechungsindexkontrast Δn₁ = (1,1 ± 0,5)%, wenn Δn₂ = (2,6 ± 0,6)%, und Δn₁ = (1,5 ± 0,2)%, wenn Δn₂ (4,2 ± 0,6)% ist.
Die erste Kerndicke T₁ ist zwischen 1 μm und 6 μm, wenn Δn₁ = (1,1 ± 0,5)%, und T₁ zwischen 1 μm und 5 μm ist, wenn Δn₁ = (1,5 ± 0,2)%.
Gemäss einer ersten Variante der zweiten Ausführungsform der Erfindung ist der Wert von Δn₂ des zweiten Wellenleiters zwischen Δn₂ = (2,3 ± 0,3)%. Gemäss einer zweiten Variante der zweiten Ausführungsform der Erfindung ist der Wert von Δn₂ des zweiten Wellenleiters zwischen Δn₂ = (3,50 ± 0,25)%.
Die zweite Kerndicke T₂ ist bevorzugt zwischen 1 μm und 4 μm, wenn Δn₂ = (2,3 ± 0,3)%, und zwischen 0,5 μm und 3 μm, wenn Δn₂ (3,50 ± 0,25)%.
Bevorzugte Materialien für den zweiten Wellenleiterkern sind beispielsweise SiON oder SiO₂ oder Ge.
Der erste Wellenleiter hat bevorzugt Δn₁ = (1,2 ± 0,5)%, wenn Δn₂ = (2,3 ± 0,3)%, und Δn₁ = (1,5 ± 0,2)%, wenn Δn₂ = (3,50 ± 0,25)%.
Die erste Kerndicke T₁ ist bevorzugt zwischen 1 μm und 6 μm, wenn Δn₁ = (1,2 ± 0,5)%, und zwischen 1 μm und 5 μm, wenn Δn₁ = (1,5 ± 0,2)%.
Gemäss einer ersten Variante der dritten Ausführungsform der Erfindung ist der Wert von Δn₂ des zweiten Wellenleiters zwischen Δn₂ = (3,50 ± 0,25)%. Gemäss einer zweiten Variante der dritten Ausführungsform der Erfindung ist der Wert von Δn₂ des zweiten Wellenleiters zwischen Δn₂ = (4,5 ± 0,25)%.
Die zweite Kerndicke T₂ ist bevorzugt zwischen 1,5 μm und 4 μm, wenn Δn₂ = (3,50 ± 0,25)%, und T₂ ist zwischen 1,2 μm und 3 μm, wenn Δn₂ = (4,5 ± 0,25)%.
Bevorzugte Materialien für den zweiten Wellenleiterkern sind beispielsweise SiON oder SiO₂:Ge. Der erste Wellenleiter hat bevorzugt Δn₁ = (1,5 ± 0,2)%, wenn Δn₂ = (3,50 ± 0,25)%, und Δn₁ = (1,6 ± 0,1)%, wenn Δn₂ = (4,50 ± 0,25)%.
Die erste Kerndicke T₁ ist bevorzugt zwischen 1 μm und 5 μm in beiden Varianten der dritten Ausführungsform.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale und Vorteile eines optischen Modenwandlers gemäss der vorliegenden Erfindung werden klarer aus der folgenden detaillierten Beschreibung desselben unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, wobei:
1 ist eine schematische Längsansicht einer Ausführungsform des optischen Modenwandlers der Erfindung;
2 ist eine Teildraufsicht, die entlang der Linie AA des Wandlers von 1 vorgenommen wurde; 3a–3d sind seitliche Querschnitte des Wandlers von 1, die entlang der gestrichelten Linien von 2 vorgenommen wurden;
4 ist eine andere Teildraufsicht auf den Wandler von 1, wobei der Überlappungsbereich zwischen dem zweiten und dem dritten Wellenleiter schematisch gemäss einer Ausführungsform der Erfindung dargestellt ist;
5a und 5b sind zwei seitliche Querschnitte des Wandlers von 1, die entlang der gestrichelten Linien von 4, die mit „EIN” und „MITTE” angezeigt sind, vorgenommen wurden;
6a–6d sind Simulationen des Verhaltens einer TM-Mode, die im Wandler von 1 läuft;
7a–7c sind Simulationen des Verhaltens einer TE-Mode, die im Wandler von 1 läuft;
8a und 8b sind Diagramme, die das Verhalten der normalisierten Leistungsübertragung der TM- und TE-Polarisierungsmode als Eingangssignale in den Modenwandler von 1 als Funktion der Verjüngungslänge des dritten Wellenleiterkerns zeigen;
9 ist ein Diagramm des Wirkungsgrades der Polarisationsumwandlung im Vergleich zu der Verjüngungslänge des zweiten Wellenleiterkerns für den Wandler von 1;
10 ist eine seitliche Querschnittansicht einer Variante des Wandlers von 1;
11 ist ein Diagramm, das den Ertrag als Funktion der Einfügedämpfung für zwei Facetten des Wandlers von 1 zeigt;
12a–12d zeigen Herstellungsschritte für die Verwirklichung des Wandlers von 1;
13 ist eine andere Teildraufsicht des Wandlers von 1, wobei der Überlappungsbereich zwischen dem zweiten und dem dritten Wellenleiter schematisch gemäss einer Ausführungsform der Erfindung dargestellt ist.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
Mit erster Bezugnahme auf 1 wird global ein optischer Modenwandler gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit dem Bezugszeichen 100 gezeigt. Die Abbildung ist eine schematische Darstellung eines Modenwandlers, in dem die Dimensionen der im Wandler umfassten Elemente nicht massstabsgetreu gezeichnet sind.
Der Modenwandler 100 umfasst einen ersten Wellenleiter 1a, eine Endfacette 30 davon bildet den Eingang/Ausgang des Modenwandlers 100 und, die geeignet ist, mit dem ersten Wellenleiter an eine externe SM-Faser 3f in Ausrichtung mit dem ersten Wellenleiter gekoppelt zu werden.
Der Modenwandler 100 umfasst ferner einen zweiten Wellenleiter 2a, ein erstes Ende 9 davon ist stossgekoppelt an ein Ende 31 des ersten Wellenleiters 1a gegenüber dem, das der Faser 3f zugewandt ist. Der zweite Wellenleiter kann ein zweites Ende 9' gegenüber dem ersten Ende 9 umfassen. Wie in 1 dargestellt, ist der erste Wellenleiter 1a mit einem seiner Enden 30 an die SM-Faser 3f und mit seinem entgegengesetzten Ende 31 mit dem zweiten Wellenleiter 2a gekoppelt.
Die Endfacette 30 des Wellenleiters 1a ist bevorzugt an eine Endfacette 30' des Lichtwellenleiters stossgekoppelt. Als alternatives Beispiel wird die Kopplung der SM-Faser über eine Faserkopplung mit dem Modenwandler 100 erhalten.
Der erste Wellenleiter 1a umfasst einen Kern, nachstehend der erste Kern 1 genannt, und einen Mantel, erster Mantel genannt. Analog umfasst der zweite Wellenleiter einen Kern 2 und einen Mantel, nachfolgend zweiter Kern und zweiter Mantel genannt. Der erste Wellenleiter 1a weist einen Brechungsindexkontrast kleiner als der Brechungsindexkontrast des zweiten Wellenleiters 2a auf.
Die Hauptlängsrichtungen der zweiten und der ersten Wellenleiter sind bevorzugt parallel zueinander und mehr bevorzugt sind beide parallel zur Hauptlängsrichtung der SM-Faser. Diese gemeinsame Richtung wird konventionell angezeigt mit Achse Z in 1. Die Z-Achse definiert auch die Hauptausbreitungsrichtung eines optischen Signals, das im Wellenleiter läuft.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform fallen die geometrische Achse des Kerns des ersten Wellenleiters und die geometrische Achse des Kerns des zweiten Wellenleiters zusammen, sodass die beiden hintereinander in der Z-Richtung ausgerichtet sind. Die Ausrichtung zwischen den beiden Achsen ist bevorzugt innerhalb von ±2 μm, mehr bevorzugt innerhalb von ±1 μm. Ein Längsspalt h liegt bevorzugt vor, d. h. eine Strecke entlang der Z-Richtung, zwischen dem Ende 31 des ersten Wellenleiterkerns 1 und dem Ende 9 des zweiten Wellenleiterkerns 2, an den ersterer gekoppelt ist. Der Wert des Spalts h ist bevorzugt kleiner als 10 μm, mehr bevorzugt kleiner als 5 μm und noch mehr bevorzugt kleiner als 1 μm. Gemäss einer alternativen Ausführungsform ist der Wert des Längsspalts h im Wesentlichen Null, d. h., die Endfacetten 31 und 9 sind in Kontakt miteinander. Der Wandler 100 ferner umfasst einen dritten Wellenleiter 3a, auf dem der zweite Wellenleiter 2a vertikal angeordnet ist. Der dritte Wellenleiter 3a umfasst einen Kern 3 (dritte Kern im Folgenden). Der dritte Wellenleiter 3a weist einen Brechungsindexkontrast grösser als der Brechungsindexkontrast des zweiten Wellenleiters 2a auf.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der dritte Kern 3 auf einer unteren Mantelschicht 7 angeordnet. Die untere Mantelschicht 7 kann auf einem Substrat 5 angeordnet werden. Eine obere Mantelschicht 4 ist auf dem dritten Kern 3 angeordnet. Die untere Mantelschicht 7 und die obere Mantelschicht 4 umgeben den Kern 3 und definieren den dritten Mantel des dritten Wellenleiters 3a.
Der zweite Wellenleiterkern 2 ist auf der Mantelschicht 4 angeordnet und von der oberen Mantelschicht 6 bedeckt. Die Mantelschichten 4 und 6 umgeben den Kern 2 und definieren den zweiten Mantel des zweiten Wellenleiters 2a.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform ist der erste Wellenleiterkern 1 auch auf Mantelschicht 4 verwirklicht, bevorzugt auf einem geätzten Bereich derselben verwirklicht, und sie wird durch eine Mantelschicht bedeckt, die bevorzugt die obere Mantelschicht 6 des zweiten Wellenleiters 2a ist. Die Mantelschichten 4 und 6 umgeben den Kern 1 und definieren auch den ersten Mantel des ersten Wellenleiters 1a.
In einer bevorzugten Ausführungsform besteht der erste Mantel aus dem gleichen Material wie der Mantel des zweiten Wellenleiters 2a und des oberen Mantels des dritten Wellenleiters 3a. Der Brechungsindex des gemeinsamen Mantels ist kleiner als der Brechungsindex des ersten Kerns 1 des ersten Wellenleiters 1a.
Der erste, zweite und dritte Wellenleiter wird bevorzugt auf einer gemeinsamen Silizium-auf-Isolator-(SOI)Struktur gebildet. Der dritte Wellenleiterkern 3 wird bevorzugt in der oberen Schicht Si der SOI-Struktur gebildet, wobei die Pufferschicht, z. B. aus SiO₂ hergestellt ist, der untere gebildete Mantel 7 auf einem Si-Substrat 5 ist.
Die Moden, die von der SM-Faser in den ersten Wellenleiter 1a geführt werden, sind „ausgebreitete” Moden, aufgrund ihrer relativ grossen Modendurchmesser, die in der Regel von 9 bis 10 μm sind.
Um optische Leckagen zu vermeiden, ist es bevorzugt, wenn das Substrat 5 aus einem Material mit einem hohen Brechungsindex gefertigt ist, beispielsweise Silizium, die auf dem Substrat angeordnete Mantelschicht 7 weist eine Dicke von mehr als 3 μm, mehr bevorzugt nicht weniger als 15 μm, auf.
Der dritte Wellenleiter 3a ist ein Hochindexkontrast(HC)-Wellenleiter mit einem Brechungsindexkontrast Δn₃ nicht kleiner als 18%. Die Dicke T₃ des dritten Kerns 3 ist bevorzugt zwischen 100 nm und 400 nm.
Eine Draufsicht auf eine (X, Z) Ebene des Kopplungsbereiches zwischen dem ersten Wellenleiter 1a und der SM-Faser 3f und zwischen dem ersten Wellenleiter 1a und dem zweiten Wellenleiter 2a des Wandlers 100 ist in 2 dargestellt. Die Abbildung ist eine Teildraufsicht (d. h. das Ende 9' des zweiten Kerns 2 und des dritten Wellenleiterkerns 3 werden nicht gezeigt, die Sicht wird bei der punktgestrichelten Linie unterbrochen) der Struktur von , die entlang der AA-Achse vorgenommen wurde.
Als Beispiel zeigt 1 den Fall einer optischen Mode (schematisch mit einem Pfeil gekennzeichnet), die die SM-Faser 3f verlässt und, in den ersten Wellenleiter 1a eingekoppelt wird. Wie in 2 dargestellt beinhaltet der erste Kern 1 einen ersten verjüngten Bereich 26, worin der erste Kern 1 eine seitliche Breite aufweist, die sich allmählich ab einer minimalen Eingangsbreite W_1Ein (3a) an der Endfacette 30 der Faser 3f zugewandt auf eine maximale Breite W_1MITTE (3b) vergrössert. Aus dieser maximalen Breite W_1MITTE kann ein zweiter verjüngter Bereich 25 angrenzend an den verjüngten Bereich 26 vorhanden sein, wo die seitliche Breite des ersten Kerns 1 allmählich vom Wert W_1MITTE auf einen Wert W_1AUS < W_1MITTE an der Facette 31 des zweiten verjüngten Bereiches 25, der dem zweiten Wellenleiter 2a zugewandt ist, abnimmt. Gemäss der in 2 dargestellten Ausführungsform stellt die Endfacette 31 des zweiten verjüngten Bereiches 25 auch die Endfacette des ersten Wellenleiterkerns 1 dar.
Gemäss einer weiteren Ausführungsform (nicht dargestellt) kann der Bereich 25 eine konstante Breite mit keiner erheblichen Verjüngung entlang der Hauptlängsrichtung (W_1MITTE = W_1AUS) des ersten Wellenleiters, d. h. der Z-Achse in der Ausführungsform von 1, aufweisen.
Die Mode, die im ersten Wellenleiter 1a läuft, ist dann an den zweiten Wellenleiter 2a gekoppelt.
Der zweite Wellenleiterkern 2 kann einen zweiten verjüngten Bereich 24 beinhalten, dessen Ende (9) an den zweiten verjüngten Endbereich 25 des ersten Wellenleiterkerns 1 stossgekoppelt ist. Immer mit Bezugnahme auf 2 vergrössert sich die Breite des zweiten Wellenleiterkerns 2 von einer verjüngten Spitzenbreite W_2EIN (siehe 3c) an seinem Ende 9 zu einer Breite W_2EIN2 > W_2Ein. Die Breite W_2Ein2 (siehe 2 und 3d) des Kerns 2 kann bis zu seinem Ende 9' im Wesentlichen konstant bleiben oder kann für eine bestimmte Länge konstant bleiben und dann von einem zweiten verjüngten Bereich, wie nachfolgend erläutert, gefolgt werden.
Die Mode breitet sich weiter in den zweiten Wellenleiter 2a bis zu einem Bereich aus, wo die evaneszente Kopplung mit dem dritten Wellenleiter 3a erfolgt.
Wie anhand von 1 ersichtlich ist, für einen bestimmten Bereich, der sich entlang der Z-Achse erstreckt, verlängern die beiden Wellenleiterkerne 2, 3 übereinander in einem gegenseitigen Abstand g, entlang einer vertikalen Y-Achse, senkrecht zur Z-Achse. Der Bereich entlang der Z-Achse, in dem die Wellenleiterkerne übereinander positioniert werden, wird als überlappender Bereich bezeichnet, der im Wesentlichen den evaneszenten Kopplungsbereich umfasst, worin die zwei Wellenleiter optisch gekoppelt sind. In der bevorzugten dargestellten Ausführungsform in 1 und 4 sind der überlappende Bereich und der Kopplungsbereich im Wesentlichen deckungsgleich.
Mit Bezugnahme auf 4 wird eine Draufsicht auf einer (X, Z) Ebene über den überlappenden Bereich, worin die zwei Wellenleiter vertikal übereinander angeordnet sind, vergrössert dargestellt. Diese Abbildung kann als Fortsetzung entlang der Z-Richtung von 2 gesehen werden. In der Abbildung sind beide Kerne 2, 3 aus Gründen der Klarheit sichtbar; es sei jedoch klargestellt, dass nur der zweite Kern bei einer Draufsicht, die entlang einer Achse des zweiten Kerns gemacht wurde, sichtbar wäre, während der dritte Kern unter der Mantelschicht 4 verborgen bliebe.
In der in 4 dargestellten Ausführungsform überlappt der zweite Wellenleiterkern 2 den dritten Wellenleiterkern 3 in einem Bereich, der sich entlang der Z-Achse erstreckt. Über die beiden Enden des überlappenden Bereiches ist nur der dritte Kern (auf der rechten Seite der Abbildung) oder nur der zweite Wellenleiterkern (auf der linken Seite der Abbildung) vorhanden.
Andere Konfigurationen können jedoch in Betracht gezogen werden. Beispielsweise kann der zweite Wellenleiter sich weiter erstrecken, zum Beispiel abweichend von der Z-Richtung. Darüber hinaus kann der dritte Wellenleiter sich auch weiter erstrecken, entweder abweichend von der Z-Richtung oder als eine Fortsetzung der verjüngten Spitze, wie unten näher erläutert wird.
13 zeigt eine Draufsicht des überlappenden Bereiches eines Wandlers 100'' gemäss einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Eigenschaften des Wandlers 100'', die nicht in 13 dargestellt sind, sind mit denen des Wandlers 100 als identisch zu betrachten. Der zweite Wellenleiterkern 2 des Wandlers 100'' erstreckt sich weiter entlang der Z-Richtung, auch nachdem die evaneszente Kopplung stattgefunden hat. Der dritte Wellenleiterkern 3 beginnt ausserdem nicht am Anfang des Kopplungsbereiches, z. B. die verjüngte Spitze ist kein Ende des dritten Kerns, sondern sie erstreckt sich entlang einer Richtung, die einen bestimmten Winkel mit der Z-Richtung bildet, beispielsweise wird der Winkel so gewählt, dass die Spitze adiabatisch vom zweiten Wellenleiter „weggezogen” wird, damit keine erhebliche optische Kopplung zwischen ihnen stattfindet. Die zweiten und dritten Wellenleiterkerne überlappen entlang der Z-Achse, wenn der dritte Kern eine minimale Querschnittfläche aufweist, d. h., die Überlappung findet statt, wenn der dritte Kern die Querschnittfläche der Spitze aufweist. Nach dem Kopplungsbereich (auf der rechten Seite von 13) kann der dritte Kern 3 weiter in eine andere Richtung biegen.
Im Folgenden wird nur zur Vereinfachung der Beschreibung auf eine Mode Bezug genommen, die vom ersten Wellenleiter 1a kommt, und vom zweiten Wellenleiter 2a hinunter bis zum dritten Wellenleiter 3a (von links nach rechts in 4 und 13) läuft, und somit werden die Elemente des Wandlers 100 unter Berücksichtigung dieser Richtung beschrieben, sodass Wörter wie „vergrössern” oder „verringern” sich auf frühere Wellenleiter-Dimensionen in der Moden-Ausbreitungsrichtung beziehen. Es sei jedoch klargestellt, dass die vorliegenden Ausführungsformen eine optische Mode umfassen kann, die in die entgegengesetzte Richtung läuft und vom dritten Wellenleiter eingegeben und an den zweiten Wellenleiter und dann an den ersten Wellenleiter optisch gekoppelt wird.
Wie in 4 dargestellt, kann der überlappende Bereich in drei verschiedene Abschnitte (in der Abbildung durch die gestrichelten Linien, die als Achse „EIN”, „MITTE”, „AUS” und „E”, bezeichnet werden, jeweils getrennt) für jeden Wellenleiter unterteilt werden, worin die Wellenleiter 2a, 3a verschiedene Formen haben. Es sei klargestellt, dass nicht alle Abschnitte erforderlich sind und sie verwirklicht werden können, um Effizienz der Leistungsübertragung zu maximieren und die Gesamtlänge des Gerätes zu minimieren. In einer ersten Querschnittlänge L₁ entlang der Z-Achse, dargestellt als der Bereich zwischen Achse „EIN” und „MITTE”, beinhalten sowohl der zweite als auch der dritte Wellenleiter 2a, 3a einen verjüngten Bereich: Der zweite Kern 2 beinhaltet einen zweiten verjüngten Bereich 11 in dem seine seitliche Breite (d. h., seine Breite in X-Richtung senkrecht zur Z-Achse) verringert wird von W_2EIN2 zu W_2MITTE. Der zweite verjüngte Bereich 11 kann angrenzend an den optionalen ersten verjüngten Bereich 24 an den ersten Wellenleiter (2) gekoppelt werden oder einem Bereich konstanter Breite folgen. und zeigen zwei seitliche Querschnitte in der Ebene (X, Y), die jeweils entlang der Achse „EIN” und Achse „MITTE” vorgenommen wurde. Im ersten Abschnitt beinhaltet der dritte Kern 3 einen verjüngten Bereich 13, wo seine seitliche Breite von W_3Ein (die Spitze des verjüngten Bereiches 13) zu W_3MITTE VERGRÖSSERT WIRD. W_3EIN stellt die kleinste Breite des dritten Wellenleiterkerns 3 entlang der Hauptausbreitungsrichtung (die Z-Achse in 4) dar und deckt sich mit der Breite von einem der Wellenleiterkernenden, von dem sich der verjüngte Bereich erstreckt. Der erste Querschnitt von 5a zeigt den dritten Kern 3 in seiner kleinsten Breite und den zweiten Kern 2 in seiner grössten Breite in den Wellenleiterteilen von 4, d. h. bei W_3Ein und W_2Ein2. Im zweiten Querschnitt von 5b ist der dritte Kern 3 in seiner mittleren Breite W_3MITTE DARGESTELLT, während der zweite Kern 2 in seiner kleinsten Breite W_2MITTE des ersten Bereiches dargestellt ist.
Vom ersten Abschnitt, der an der mit „MITTE” bezeichneten Achse endet, erstreckt sich eine zweite Querschnittlänge L₂ entlang der Z-Achse, in der der zweite Kern 2 im Wesentlichen die gleiche Querschnittfläche in einer konstanten Querschnittbreite 12 beibehält, während der dritte Kern 3 einen verjüngten Bereich 13' neben dem verjüngten Bereich 13 beinhaltet und im Wesentlichen seine Fortsetzung ist, der seine Breite weiter bis zu W_3AUS ERHÖHT. Nach diesem zweiten Abschnitt, der an der Achse „AUS” endet, kann sich ein optionaler dritter Abschnitt weiter erstrecken, in dem beide ersten und zweiten Kerne 2, 3 eine konstante Querschnittbreite 14, 15 beinhalten, worin die beiden Kerne im Wesentlichen die gleiche Querschnittfläche beibehalten. Das Ende des dritten Abschnitts (der an der Achse „E” endet) stellt bevorzugt auch das Ende des zweiten Kerns 2 dar. Von diesem Punkt an erstreckt sich nur der dritte Kern 3 weiter entlang der Z-Achse.
Die Summe der Längen des ersten und zweiten Abschnitts L₁ und L₂ gibt die Gesamtlänge L des verjüngten Bereiches des dritten Kerns des Wandlers 100. Die evaneszente Kopplung erfolgt bevorzugt im verjüngten Bereich 13, 13' im dritten Wellenleiterkern 3, somit wird am Ende des verjüngten Bereiches die Mode, die im ersten Wellenleiter eingegebenen Wandler läuft, vollständig vom zweiten zum dritten Wellenleiter gekoppelt. Obwohl es bevorzugt ist, einen dritten Kern mit einem verjüngten Bereich zu haben, der sich im Wesentlichen entlang des gesamten evaneszenten Kopplungsbereiches erstreckt, sei klargestellt, dass sich der verjüngte Bereich weiter über den Kopplungsbereich zwischen den beiden Wellenleitern erstreckt.
Gemäss einer anderen Ausführungsform, wie in 13 dargestellt, endet der dritte Wellenleiter nicht an der verjüngten Spitze des verjüngten Bereiches 13, sondern erstreckt sich entlang der Z-Richtung unter Beibehaltung einer konstanten Spitzenbreite W_3Ein.
Gemäss einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Brechungsindexkontrast Δn₃ des dritten Wellenleiters grösser als 40%. Gemäss der gleichen ersten Ausführungsform der Erfindung ist ausserdem die Dicke T₃ des dritten Kerns 3 bevorzugt zwischen 120 nm und 180 nm. Der dritte Kern 3 des dritten Wellenleiters ist bevorzugt in einem Material mit einem Brechungsindex n_{dritter Kern} > 3, mehr bevorzugt n_{dritter Kern} > 3,2 verwirklicht. Bevorzugte Materialien sind beispielsweise Si, InP, AlGaAs, SiGe, mehr bevorzugt Si.
Gemäss einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der dritte Wellenleiter 3a einen Brechungsindexkontrast Δn₃ zwischen 18% und 30%, und eine bevorzugte dritte Kerndicke 3 T₃ zwischen 100 nm und 400 nm auf. Der dritte Kern 3 des dritten Wellenleiters 3a ist bevorzugt in einem Material mit einem Brechungsindex 1,8 < n_{dritter Kern} < 2,4 verwirklicht. Bevorzugte Materialien für den dritten Kern 3 des Wandlers 100 dieser zweiten Ausführungsform der Erfindung sind zum Beispiel Halbleiter mit breiter Bandlücke wie Si₃N₄ oder mit Silizium angereichertes Nitrid (SiN).
Gemäss einer dritten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Brechungsindexkontrast Δn₃ des dritten Wellenleiters grösser als 40%. Gemäss der gleichen Ausführungsform der Erfindung ist ausserdem die Dicke T₃ des dritten Kerns 3 bevorzugt zwischen 200 nm und 400 nm. Der dritte Kern 3 des dritten Wellenleiters ist bevorzugt in einem Material mit einem Brechungsindex n_{dritter Kern} > 3, mehr bevorzugt n_{dritter Kern} > 3,2 verwirklicht. Bevorzugte Materialien sind beispielsweise Si, InP, AlGaAs, SiGe, mehr bevorzugt Si.
Der Abstand zwischen dem zweiten und dritten Wellenleiter, oder Spalt g, ist bevorzugt zwischen 0,1 μm und 3 μm im Wandler gemäss der ersten Ausführungsform der Erfindung, zwischen 0,1 μm und 5 μm im Wandler gemäss der zweiten Ausführungsform der Erfindung und zwischen 0,5 μm und 2 μm im Wandler gemäss der dritten Ausführungsform der Erfindung.
Die Länge L des Kopplungsbereiches ist bevorzugt zwischen 100 μm und 3000 μm im Wandler gemäss der ersten und zweiten Ausführungsformen der Erfindung und zwischen 200 μm und 5000 μm im Wandler gemäss der dritten Ausführungsform der Erfindung.
Der Brechungsindexkontrast Δn₁ und die Kerndicke T₁ des ersten Wellenleiters 1a und der Brechungsindexkontrast Δn₂ und die Kerndicke T₂ des zweiten Wellenleiters 2a sind bevorzugt entsprechend der unten angegeben Tabelle 1 in den verschiedenen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ausgewählt:
TABELLE 1
Wandler gemäss entweder der ersten, zweiten oder dritten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, worin der erste, zweite und dritte Wellenleiter einen Brechungsindex aufweist, der in den bevorzugten Bereichen der Tabelle 1 beinhaltet ist, zeigen optische Verluste niedriger als 3 dB pro zwei Facetten, wenn an eine SM-Standardfaser 3f gekoppelt.
Tabelle 1 zeigt auch bevorzugte Wertebereiche für den Brechungsindex des ersten und zweiten Kerns 1, 2. Mögliche Materialien, in denen der zweite Kern 2 verwirklicht ist, sind beispielsweise dotiertes SiO₂ oder SiON. Mögliche Materialien, in denen der erste Kern 1 verwirklicht ist, sind beispielsweise dotiertes SiO₂.

Mehr bevorzugte Bereiche für den Brechungsindex und der Dicke des ersten Wellenleiters 1a und des zweiten Wellenleiters 2a sind in Tabelle 2 aufgeführt. Wandler 100 gemäss entweder der ersten, zweiten oder dritten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, worin der erste und zweite Wellenleiter einen Brechungsindex und eine Dicke aufweisen, die in den oben aufgeführten Bereichen der Tabelle 2 beinhaltet sind, weisen optische Verluste unter 2 dB pro zwei Facetten auf.

Dritter Wellenleiter	Zweiter Wellenleiter	Erster Wellenleiter
Erste Ausführungsform Δn₃ > 40%, 120 nm ≤ T₃ ≤ 180 nm n_{dritter Kern} > 3	Δn₂ = (2,6 ± 0,6)% 1 μm ≤ T₂ ≤ 4 μm n_{zweiter Kern} = 1,485 ± 0,010	Δn₁ = (1,1 ± 0,5)% 1 μm ≤ T₁ ≤ 6 μm n_{erster Kern} = 1.462 ± 0.009
	Δn₂ = (4,2 ± 0,6)% 0,5 μm ≤ T₂ ≤ 3 μm n_{zweiter Kern} = 1.510 ≤ 0.010	Δn₁ = (1,5 ± 0,2)% 1 μm ≤ T₁ ≤ 5 μm n_{erster Kern} = 1,468 ± 0,003
Zweite Ausführungsform 18% < Δn₃ < 30%, 100 nm ≤ T₃ ≤ 400 nm	Δn₂ = (2,3 ± 0,3)% 1 μm ≤ T₂ ≤ 4μm n_{zweiter Kern} = 1.480 ± 0.005	Δn₁ = (1,2 ± 0,5)% 1 μm ≤ T₁ ≤ 6 μm n_{erster Kern} = 1,465 ± 0,009
1,8 < n_{dritter Kern} < 2,4	Δn₂ = (3,50 ± 0,25)% 0,5 μm ≤ T₂ ≤ 3 μm n_{zweiter Kern} = 1.510 ± 0.004	Δn₁ = (1,5 ± 0,2)% 1 μm ≤ T₁ ≤ 5 μm n_{erster Kern} = 1,468 ± 0,003
Dritte Ausführungsform Δn₃ > 40%, 200 nm ≤ T₃ ≤ 400 nm n_{dritter Kern} > 3	Δn₂ = (3,50 ± 0,25)% 1.5 μm ≤ T₂ ≤ 4 μm n_{zweiter Kern} = 1,500 ± 0,004	Δn₁ = (1,5 ± 0,2)% 1 μm ≤ T₁ ≤ 5 μm n_{erster Kern} = 1,482 ± 0,004
	Δn₂ = (4,50 ± 0,25)% 1,2 μm ≤ T₂ ≤ 3 μm n_{zweiter Kern} = 1,516 ± 0,005	ΔN₁ = (1,6 ±0,1)% 1 μM ≤ T₁ ≤ 5 μm n_{erster Kern} = 1,469 ± 0,002

TABELLE 2

Im Betrieb kann die Funktionsweise des Transformators 100 mithilfe von numerischen Simulationen der optischen Mode an verschiedenen Positionen innerhalb des Modenwandlers 100 verstanden werden. Insbesondere ist die evaneszente Kopplung zwischen dem zweiten und dem dritten Wellenleiter beschrieben. Simulationen einer TM- und einer TE-Mode, die in den zweiten Wellenleiter 2a von SM-Faser 3f über den ersten Wellenleiter 1a eingegeben und dann an den dritten Wellenleiter 3a gekoppelt wurden, sind in den Abbildungen von bis (TM-Mode) und von bis (TE-Mode) gezeigt, um bildhaft die Entwicklung und die Kopplung der Mode im Wandler 100 zu folgen. 6a (7a) zeigt die TM (TE) Mode am Eingang des Kopplungsbereiches, d. h. an der Stelle entsprechend 5a: Die Mode läuft im Wesentlichen völlig begrenzt innerhalb des zweiten Kerns 2. 6b (7b) zeigt die Mode in der ”Mitte” (d. h. in der Position, entsprechend der ”MITTLEREN” Achse von 4) des Kopplungsbereiches entsprechend des Querschnitts von 5b: Die TM (TE) Mode wird teilweise zum dritten Kern 3 übertragen, aber ein immer noch relevanter Teil davon wird in den zweiten Kern 2 geführt. Am Ausgang des Kopplungsbereiches, der in diesem Fall dem Ende des zweiten Abschnittes 13' und 12 des zweiten und dritten Kerns (Achse ”AUS”) entspricht, wird die Mode im Wesentlichen vollständig zum dritten Kern 3 übertragen, wie in 6c (7c) dargestellt. 6d stellt einen Längsquerschnitt des Wandlers 100 im Wesentlichen analog zu einem Teil von 1 dar, der die Entwicklung der TM-Mode entlang der evaneszenten Kopplung visualisiert.
Beispiel 1
Ein Germanium-dotierter SiO₂ (SiO₂:Ge) zweiter Wellenleiterkern, mit n zweiter Kern = 1,483 und Δn₂ = 2,5%, ist vertikal auf einem 150 nm dicken Si-Wellenleiter gestapelt (n_{dritte Kern} = 3,4756, Δn₃ = 40%), wobei die beiden durch eine 1,2 μm Oxidschicht (TEOS) mit n-Mantel = 1,446 bei 1550 nm getrennt sind. Der zweite und dritte Kern ist vertikal ausgerichtet, d. h., es existieren keine seitlichen Fehlausrichtungen zwischen dem zweiten und dem dritten Wellenleiter. Die Dicken beider Kerne 2, 3 bleiben im Wesentlichen unverändert entlang des Wandlers 100 gemäss dem vorliegenden Beispiel (d. h., T₂ = 2,6 μm und T₃ = 150 μm).
In diesem Beispiel sind die Abmessungen der Kerne im ersten Querschnitt von 5a W_3IN = 100 nm entsprechend der Breite der in dem Si-Wellenleiter verwirklichten verjüngten Spitze, und W₂EI_N2 = T₂ = 2,6 μm. Der erste Abschnitt des überlappenden Bereiches weist eine Länge L₁ gleich 500 μm auf. Beim zweiten Querschnitt von 5b weist der dritte Kern 3 eine Zwischenbreite W_3MITTE = 200 nm auf, und der zweite Kern 2 ist an seiner kleinsten Breite W2MITTE = 1,2 μm, die bis zum Ende des überlappenden Bereiches konstant bleibt. Der verjüngte Bereich im Si-Kern endet mit der Führungsbreite W_3AUS = 500 nm, die in dem Teil des Wellenleiters konstant bleibt, der sich nach dem Kopplungsbereich erstreckt. Die Länge L₂ des zweiten Abschnitts des überlappenden Bereiches ist gleich 500 μm, was eine Gesamtlänge L des verjüngten Bereiches im Si-Kern von 1000 μm ergibt.
Der erste Wellenleiter 1 ist der Wellenleiter, der einen SiO₂:Ge Kern 1 mit n_{erster Kern} 1,462 und Δn₁ = 1,1% aufweist. Der erste Wellenleitermantel weist n_Mantel = 1,446 auf. Die Dicke T₁ des ersten Wellenleiterkerns 1 ist konstant und gleich 3,5 μm.
Mit Bezugnahme auf die Draufsicht von 2 und den Querschnitten von 3a–3d sind die Abmessungen des ersten Wellenleiterkerns 1 und des zweiten Wellenleiterkerns 2 wie folgt:
W_1EIN = die verjüngte Spitzenbreite des verjüngten Bereiches 26 des ersten Wellenleiterkerns = 1,5 μm
W_1MITTE = maximale Breite des ersten Wellenleiterkerns = 3,5 μm
W_1AUS = verjüngte Spitzenbreite des verjüngten Bereiches 25 des ersten Wellenleiterkerns = 3,5 μm (in diesem Fall ist kein verjüngter Bereich 25 verwirklicht, vom Ende des ersten verjüngten Bereiches 26 bis zum Ende 31 des Wellenleiters bleibt die erste Wellenleiterkernbreite W_1MITTE konstant).
Der zweite Wellenleiterkern 2 weist W_2EIN = Spitzenbreite der Verjüngung 24 = 1,25 μm
Der zweite Wellenleiterkern vergrössert dann zu der Ausbreitungsbreite W_2Ein2 = 2,6 μm, wobei er einen quadratischen Querschnitt aufweist.
Die Hauptschritte zur Verwirklichung des Wandlers aus Beispiel 1 werden unter Bezugnahme auf die 12a bis 12d beschrieben. Eine im Handel erhältliche SOI-Struktur umfasst den Substratwafer 5, die Pufferschicht 7 (z. B. SiO₂) und eine obere Si-Schicht von 150 nm. Die Si-Schicht wird anschliessend unter Verwendung von Elektronenstrahllithographie strukturiert. Eine (n = 1,446 bei 1550 nm) obere Mantelschicht 4 aus TEOS wird über dem strukturierten Si-Kern 3 mittels der chemischen Dampfphasenabscheidung bei Atmosphärendruck (APCVD) aufgebracht.
Die sich ergebende TEOS-Oberfläche wird somit nach bekannten Techniken planarisiert. Eine SiO₂:Ge-Schicht 2 und eine Borphosphid-dotierte TEOS (BP-TEOS) Mantelschicht 8 werden mittels plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung (PECVD) aufgebracht (12a). Ein Graben 40 im TEOS-Mantel 4 wird durch Entfernen eines Teils der Schichten 8, 2 und 4 (12b) beispielsweise durch reaktives Ionenätzen (RIE) definiert. Das Material, das die Kernschicht 1 des ersten Wellenleiters 1a bildet, wird dann durch PECVD aufgebracht und anschliessend selektiv entfernt, sodass es nur innerhalb des definierten Grabens 40 (nicht gezeigt) bleibt. Die Schichten, die den Kern des ersten Wellenleiters und einen Teil des Mantels des zweiten Wellenleiters bilden, werden gleichzeitig mittels optischer Lithographie (12c) auf ein Niveau geätzt, das die Dicke des ersten Wellenleiterkerns 1 definiert. Das Strukturieren des ersten und zweiten Kerns in der (X, Y) Ebene wird ebenfalls bevorzugt innerhalb des gleichen Ätzschrittes durchgeführt. Ein oberer Mantel 6 aus BP-TEOS wird dann aufgebracht, um den ersten und zweiten Wellenleiterkern 1, 2 (12d) zu begraben. Das Ergebnis ist der in 1 dargestellte Wandler 100.
Die Kopplungseffizienz des Wandlers 100 gemäss des Beispiels 1 wird in den Diagrammen von 8a und 8b gezeigt, in denen die normalisierte Leistungsübertragung einer TM/TE-Mode (jeweils 8a und 8b), die in den zweiten Wellenleiter 2a eingegeben und in den dritten Wellenleiter 3a eingekoppelt wird, im Vergleich zu der Länge L des verjüngten Bereiches des Si-Kerns dargestellt wird. Jedes Diagramm stellt den Prozentsatz von TM-(TE-)Modeleistung, die im dritten Wellenleiterkern gegenwärtig ist, dar. Es kann von den zwei Abbildungen abgeleitet werden, dass beide TE/TM-Polarisationen effizient aus dem zweiten in den dritten Wellenleiterkern übertragen werden: Bereits bei einer Verjüngungslänge von 500 μm, mehr als 95% der TE- und TM-Polarisationsmodenleistung wird auf dem Si-Kern übertragen. Es wird beobachtet, dass die erste optische Kopplung zwischen dem ersten und dem zweiten Wellenleiter 1a, 2a (Stosskopplung) auf die Modenpolarisation im Allgemeinen unerhebliche Auswirkungen hat.
Der Wandler 100 gemäss des Beispiels 1 ist polarisationserhaltend, wie deutlich im Diagramm von 9 gezeigt wird. Der Wirkungsgrad der Polarisationsumwandlung der TE-Mode η_EM, und der TM-Mode, η_ME, werden definiert als
wobei P_TE und P_TM jeweils die optischen Leistungen beim Ausgang des Kopplungsbereiches der TE- und TM-Polarisierungsmoden sind. Der Wirkungsgrad der Polarisationsumwandlung der TE- und TM-Mode bleibt im Wesentlichen gleich Null für jede Länge des Kopplungsbereiches zwischen 0 μm und 2000 μm, was bedeutet, dass eine Eingangs-TM-Mode als TM-Mode am Wandlerausgang und eine Eingangs-TE-Mode als TE-Mode austritt, für alle Verjüngungslängen L von besonderem Interesse sind.
Die Anmelder haben herausgefunden, dass der Wandler gemäss entweder der ersten oder der zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung den Polarisationszustand eines optischen Eingangssignals bewahrt.
Beispiel 2
Der Wandler des zweiten Beispiels ist ein Wandler identisch mit dem Wandler von Beispiel 1, mit Ausnahme der zweiten Kernabmessungen.
Unter Rückbezug auf 5a und 5b sind die Abmessungen der Kerne des Wandlers in diesem Beispiel 2 im Einzelnen die Folgenden. Der Führungsabschnitt des zweiten Wellenleiterkerns 2 weist einen konstanten Querschnitt von 3,6 μm v× 1,5 μm auf, was somit zu einer Eingangsbreite am Querschnitt in 5a von W_2EIN2 = 3,6 μm für den zweiten Wellenleiter führt, während die Breite des dritten Wellenleiterkerns, wie in Beispiel 1, W_3IN = 100 nm ist. Der Spalt zwischen den zwei Kernen ist noch 1,2 μm. Am Ende des ersten Abschnitts mit L₁ gleich 500 μm, d. h. an der Position, die im zweiten Querschnitt von 5b dargestellt ist, weist der dritte Kern 3 eine Zwischenbreite W_3MITTE = 200 nm auf, und der zweite Kern 2 an seiner kleinsten Breite ist W_2MITTE = 1,2 μ, die bis zum Ende des überlappenden Bereiches konstant bleibt. Am Ausgang, d. h. am Ende des zweiten Abschnitts mit L₂ = 500 μm, endet der verjüngte Si-Kern 13' mit der Führungsbreite W_3Aus = 500 nm, die ausserhalb des Überlappungsbereiches konstant bleibt, während W_2AUS = 1,2 μm ist.
Die simulierten Leistungen des Wandlers, die gemäss diesem zweiten Beispiel verwirklicht wurden, unterscheiden sich nicht wesentlich von denen des Wandlers 100, die gemäss Beispiel 1 verwirklicht wurden.
Im Wandler können gemäss der ersten oder der zweiten bevorzugten Ausführungsformen, die die Polarisation bewahren, seitliche Fehlausrichtungen aufgrund der gebrochenen Symmetrie in der Querschnittebene jedoch zu einer gewissen Polarisationsvermischung führen. Die Anmelder haben beobachtet, dass für seitliche Fehlausrichtungen bis zu 2 μm, d. h. für Abstände zwischen der zweiten und der dritten Hauptkernachse des Wellenleiters in der Richtung senkrecht zur Modeausbreitungsrichtung bis zu 2 μm, sich die Leistungen des Wandlers der Erfindung nicht wesentlich verändern, für den Fall, dass eine solche seitliche Fehlausrichtung nicht vorhanden ist, wie im folgenden Beispiel veranschaulicht wird.
Beispiel 3
Die gleiche Struktur wie in Beispiel 1 wurde verwirklicht (gleiche Materialien und die Wellenleiterabmessungen), jedoch weisen der zweite und dritte Wellenleiter 1 μm an seitlicher Fehlausrichtung auf. Diese Ausführungsform wird im Querschnitt 10 gezeigt, wobei die geometrischen Achsen des zweiten und dritten Wellenleiterkerns schematisch mit einem Punkt gekennzeichnet sind. Der Wandler ist global mit 100' gekennzeichnet. Eine seitliche Fehlausrichtung von 1 μm steht für eine Entfernung entlang der X-Richtung zwischen den beiden Wellenleiter-Kernachsen d = 1 μm. Numerische Computersimulationen haben gezeigt, dass Polarisationsvermischung nur geringfügig in dem gemäss Beispiel 3 verwirklichten Wandler 100' stattfindet. Die beobachtete Polarisationskopplung ist auf die Höhe von 20% beschränkt, und sie ist reversibel, d. h. nach einem bestimmten Ausbreitungsabstand innerhalb des Wellenleiters, der Polarisationszustand der laufenden Mode „kehrt zurück” zu seiner Eingangspolarisation am Eingang des Wandlers. Am Ausgang des verjüngten Bereiches des dritten Wellenleiterkerns, wird die optische Mode mit derselben Polarisation, die im ersten Wellenleiter startete, auftreten. Polarisationsvermischung erfolgt ausserdem hauptsächlich im zweiten Wellenleiter, sodass ihre Auswirkung auf den polarisationsabhängigen Verlust und die Polarisationsmodendispersion im Wesentlichen unerheblich ist.
Die Anmelder haben die Gesamtverluste von mehreren Proben von Wandlern mit einer Struktur, wie hinsichtlich auf 1 gemäss der ersten Ausführungsform der Erfindung, berechnet. Die Ergebnisse sind in 11 dargestellt. Die Gesamteinfügedämpfung des Wandlers 100 sind die Gesamtverluste der Vorrichtung für beide Polarisationen (TE/TM) und für zwei Facetten, unter Berücksichtigung einer von der SM-Faser eingegeben und vom Si-Wellenleiterkern ausgegeben Mode. Um den Produktertrag zu simulieren und zu berechnen, wurden mehrere Parameter des im Beispiel 1 beschriebenen Wandlers von einer Probe zur anderen geändert, beispielsweise die verjüngte Spitzenbreite der zweiten oder dritten Wellenleiterkerne, W_2EIN2, W_1EIN, W_1AUS, die Dicke und die Breite des ersten Wellenleiters. In diesem Bereich wird ein Produktertrag von mehr als 90%, bevorzugt mehr als 95%, für die typischen Anwendungen, wo der Wandler der Erfindung verwendet werden soll, als akzeptabel betrachtet. Wie anhand von 11 ersichtlich ist, wird der beste Ertrag erzielt, wenn ein Wellenleiter mit Δn = 1,1% als erster Wellenleiter 1a (durchgezogene Kurve) verwendet wird. In diesem Fall weisen die meisten (99%) der Proben eine Gesamteinfügedämpfung von weniger als 1,2 dB pro zwei Facetten auf. Wenn ein Wellenleiter mit Δn = 1,5% als erster Wellenleiter verwendet wird, sind die Verluste 1,5 dB für zwei Facetten mit 95% Ertrag (punktgestrichelte Kurve), und wenn ein Wellenleiter mit Δn = 0,7% als ein erster Wellenleiter verwendet wird, weist der Ertrag den Wert von 95% auf, wenn die Verluste 1,1 dB für zwei Facetten (gestrichelte Kurve) sind. Die Indexkontraste des zweiten und dritten Wellenleiters sind jeweils Δn₂ = 2,5% und Δn₃ = 40%. Die Wandler gemäss der vorliegenden Erfindung können in verschiedene optische Vorrichtungen oder Untersysteme, wie beispielsweise abstimmbare optische Add/Drop-Multiplexer, abstimmbare optische Filter, Modulatoren, Gitter-Filter, Sensoren usw. integriert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 6633705 [0009]
US 6697551 [0011]
US 7099540 [0012]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„TE-TM-Kopplung einer Standardfaser mit einem Si-Draht-Wellenleiter”, geschrieben von Raffaella Costa et al., und in der Konferenzarbeit der Europäischen Konferenz vom 25.–27. April 2007 [0015]

Claims

Ein halbleiterbasierter optischer Modenwandler (100, 100', 100'') zur Kopplung einer optischen Mode eines Lichtwellenleiters (3f) mit einer optischen Mode eines Wellenleiters (3a), wobei der optische Modenwandler Folgendes umfasst: – einen ersten Wellenleiter (1a), der sich entlang einer ersten Hauptlängsrichtung (Z) erstreckt und eine Endfacette (30) beinhaltet, die geeignet ist, an den Lichtwellenleiter (3f) gekoppelt zu werden, wobei der erste Wellenleiter (1a) einen ersten Kern (1) und einen ersten Mantel (6, 4) beinhaltet und einen ersten Brechungsindexkontrast (Δn₁) beinhaltet; – einen zweiten Wellenleiter (2a), der einen zweiten Kern (2) und einen zweiten Mantel (6, 4) und einen zweiten Brechungsindexkontrast (Δn₂) umfasst, wobei ein Ende (9) des zweiten Wellenleiters und das Ende (31) des ersten Wellenleiters (1a) stossgekoppelt ist; – einen dritten Wellenleiter (3a), der in Bezug auf den zweiten Wellenleiter angeordnet ist, um eine evaneszente optische Kopplung mit dem zweiten Wellenleiter zu verwirklichen, mit dem zweiten Wellenleiter (2a), wobei der dritte Wellenleiter (3a) einen dritten Kern (3) und einen dritten Mantel (4, 7) umfasst und einen dritten Brechungsindexkontrast (Δn₃) aufweist, worin der dritte Kern (3) einen verjüngten Bereich (13, 13') in mindestens einem Teil beinhaltet, in dem die evaneszente Kopplung stattfindet, und worin der Brechungsindexkontrast (Δn₁) des ersten Wellenleiters (1a) niedriger ist als der Brechungsindexkontrast (Δn₂) des zweiten Wellenleiters (2a), der Brechungsindexkontrast (Δn₂) des zweiten Wellenleiters niedriger ist als der Brechungsindexkontrast (Δn₃) des dritten Wellenleiters, und der Brechungsindexkontrast (Δn₃) des dritten Wellenleiters nicht kleiner als 18% ist.
Modenwandler (100, 100', 100'') nach Anspruch 1, worin der verwirklichte verjüngte Bereich (13, 13') im dritten Wellenleiterkern (3) sich von einem Ende des dritten Wellenleiterkerns (3) im Wesentlichen entlang einer zusätzlichen Hauptlängsrichtung, die mit der ersten Hauptlängsrichtung des ersten Wellenleiters (Z) im Wesentlichen parallel ist, erstreckt.
Modenwandler (100, 100', 100'') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin der zweite Wellenleiterkern (2) einen verjüngten Bereich (11) in mindestens einem verjüngten Teil, von dem die evaneszente Kopplung mit dem dritten Wellenleiter (3a) stattfindet, umfasst.
Modenwandler (100, 100', 100'') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin der zweite Wellenleiter (2a) sich entlang einer zweiten Hauptlängsrichtung erstreckt, wobei die zweite Hauptlängsrichtung im Wesentlichen parallel zur ersten Hauptlängsrichtung (Z) ist.
Modenwandler (100, 100', 100'') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin mindestens ein Abschnitt des zweiten Mantels (4, 6) und mindestens ein Teil des dritten Mantels (4, 7) im gleichen n Material verwirklicht ist.
Modenwandler (100, 100', 100'') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin mindestens ein Abschnitt des ersten Mantels (4, 6) und mindestens ein Teil des zweiten Mantels (4, 6) im gleichen n Material verwirklicht ist.
Modenwandler (100, 100', 100'') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin der zweite und der dritte Wellenleiterkern (2, 3) durch eine Spalte (g) in Richtung im Wesentlichen senkrecht zur ersten Längsrichtung (Z) getrennt sind.
Modenwandler (100, 100', 100'') nach Anspruch 7, worin der Spalt (g) für einen bestimmten Abstand entlang der Hauptlängsrichtung (Z) im Wesentlichen konstant ist.
Modenwandler (100, 100', 100'') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin der erste und zweite Wellenleiterkern (1, 2) durch einen Spalt (h) entlang der Hauptlängsrichtung (Z) getrennt ist.
Modenwandler (100, 100', 100'') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin der verjüngte Bereich (13, 13') des dritten Wellenleiterkerns (3) ein Ende des dritten Wellenleiterkerns (3) proximal zum zweiten Wellenleiterkern (2) beinhaltet und der verjüngte Bereich (13, 13') eine kleinste Breite (W_3IN) zwischen 80 nm und 200 nm an seinem dem zweiten Wellenleiterkern (2) zugewandten Ende aufweist.
Modenwandler (100, 100', 100'') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin für einen bestimmten Abstand entlang der ersten Hauptlängsrichtung (Z) die Vorsprünge der zweiten und dritten Kerne (1, 2) auf einer Ebene (X, Z) einschliesslich der ersten Hauptrichtung mindestens teilweise überlappen.
Modenwandler (100, 100', 100'') nach Anspruch 11, worin die zweiten (2) und dritten Wellenleiterkerne (3) vertikal angeordnet sind.
Modenwandler (100, 100', 100'') nach Anspruch 11 oder 12, worin die Überlappung zwischen dem zweiten und dritten Kern (2, 3) einen überlappenden Bereich in den zweiten und dritten Wellenleiterkernen (2, 3) definiert, der überlappende Bereich im zweiten Wellenleiterkern (2) den verjüngten Bereich (11) des zweiten Kerns (2) umfasst und der überlappende Bereich im dritten Wellenleiterkern (3) mindestens einen Teil des verjüngten Bereiches (13, 13') des dritten Kerns (3) umfasst.
Modenwandler (100, 100', 100'') nach Anspruch 13, worin der überlappende Bereich angrenzende erste und zweite Abschnitte des zweiten Wellenleiterkerns (2) beinhaltet, den ersten Abschnitt des zweiten Wellenleiterkerns (2) mit verjüngtem Bereich (11) des zweiten Kerns (2) und den zweiten Abschnitt des zweiten Wellenleiterkerns (2) mit einer konstanten Querschnittbreite (12) des zweiten Kerns (2).
Modenwandler (100, 100', 100'') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Dicke (T₃) des dritten Wellenleiterkerns (3) zwischen 100 nm und 400 nm ist.
Modenwandler (100, 100', 100'') nach einem der vorhergehenden Ansprüche und Anspruch 3, worin der verjüngte Bereich (13, 13') des dritten Wellenleiterkerns (3) und der verjüngte Bereich (11) des zweiten Wellenleiterkerns (2) in entgegengesetzte Richtungen hinsichtlich der ersten Längsausbreitungsrichtung (Z) verjüngt sind.
Modenwandler (100, 100', 100'') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin der Brechungsindexkontrast (Δn₃) des dritten Wellenleiters (3a) grösser als 40% ist.
Modenwandler (100, 100', 100'') nach Anspruch 17, worin der Brechungsindex (n_{dritter Kern}) des dritten Wellenleiterkerns (3) n_{dritter Kern} > 3 ist.
Modenwandler (100, 100', 100'') nach Anspruch 17 oder 18, worin die Dicke (T₃) des dritten Wellenleiterkerns (3) zwischen 120 nm und 180 nm ist.
Modenwandler (100, 100', 100'') nach einem der Ansprüche 17–19, worin der Brechungsindexkontrast (Δn₂) des zweiten Wellenleiters (2a) Δn₂ = (3,4 ± 1,4)% ist.
Modenwandler (100, 100', 100'') nach einem der Ansprüche 17–20, worin der Brechungsindexkontrast (Δn₁) des ersten Wellenleiters (1a) Δn₁ = (1,2 ± 0,6)% ist.
Modenwandler (100, 100', 100'') nach einem der Ansprüche 17–21, worin die Dicke (T₂) des zweiten Wellenleiterkerns (2) 0,5 μm ≤ T₂ ≤ 4 μm ist.
Modenwandler (100, 100', 100'') nach einem der Ansprüche 17–22, worin die Dicke (T₁) des ersten Wellenleiterkerns (1) 1 μm ≤ T₁ ≤ 6 μm ist.
Modenwandler (100, 100', 100'') nach Anspruch 7 und einem der vorhergehenden Ansprüche 17–23, worin der Spalt (g) zwischen dem zweiten (2) und dritten Kern (3) zwischen 0,1 μm und 3 μm ist.
Modenwandler (100, 100', 100'') nach einem der Ansprüche 17–24, worin das Material, in dem der dritte Wellenleiterkern (3) verwirklicht ist, Si beinhaltet.
Modenwandler (100, 100', 100'') nach einem der Ansprüche 1–16, worin der dritte Brechungsindexkontrast (Δn₃) zwischen 18% und 30% ist.
Modenwandler (100, 100', 100'') nach Anspruch 26, worin die Dicke (T₃) des dritten Wellenleiterkerns (3) zwischen 100 nm und 400 nm ist.
Modenwandler (100, 100', 100'') nach Anspruch 26 oder 27, worin der Brechungsindexkontrast (Δn₂) des zweiten Wellenleiters (2a) Δn₂ = (2,8 ± 1,0)% ist.
Modenwandler (100, 100', 100'') nach einem der Ansprüche 26–28, worin der Brechungsindexkontrast (Δn₁) des ersten Wellenleiters (1a) Δn₁ = (1,2 ± 0,6)% ist.
Modenwandler (100, 100', 100'') nach einem der Ansprüche 26–29, worin die Dicke (T₂) des zweiten Wellenleiterkerns (2) 0,5 μm ≤ T₂ ≤ 4 μm ist.
Modenwandler (100, 100', 100'') nach einem der Ansprüche 26–30, worin die Dicke (T₁) des ersten Wellenleiterkerns (1) 1 μm ≤ T₁ ≤ 6 μm ist.
Modenwandler (100, 100', 100'') nach einem der Ansprüche 26–31, worin der Brechungsindex (n_{dritter Kern}) des dritten Wellenleiterkerns (3) 1,8 < n_{dritter Kern} < 2,4 ist.
Modenwandler (100, 100', 100'') nach einem der Ansprüche 26–32, worin das Material, in dem der dritte Wellenleiterkern (3) verwirklicht ist, Halbleiter mit breiter Bandlücke beinhaltet.
Modenwandler (100, 100', 100'') nach Anspruch 7 und einem der vorhergehenden Ansprüche 26–33, worin der Spalt (g) zwischen dem zweiten (2) und dritten Kern (3) zwischen 0,5 μm und 2 μm ist.
Modenwandler (100, 100', 100'') nach einem der Ansprüche 2–34, worin der verjüngte Bereich (13, 13') des dritten Wellenleiterkerns (3) entlang der zusätzlichen Hauptlängsrichtung des dritten Wellenleiters (3a) eine Länge (L) zwischen 100 μm und 3000 μm umfasst.
Modenwandler (100, 100', 100'') nach einem der Ansprüche 1–18, worin die Dicke (T₃) des dritten Wellenleiterkerns (3) zwischen 200 nm und 400 nm ist.
Modenwandler (100, 100', 100'') nach Anspruch 36, worin der Brechungsindexkontrast (Δn₂) des zweiten Wellenleiters (2a) Δn₂ = (4,0 ± 1,0)% ist.
Modenwandler (100, 100', 100'') nach einem der Ansprüche 36–37, worin der Brechungsindexkontrast (Δn₁) des ersten Wellenleiters (1a) Δn₁ = (1,4 ± 0,3)% ist.
Modenwandler (100, 100', 100'') nach einem der Ansprüche 36–38, worin die Dicke (T₂) des zweiten Wellenleiterkerns (2) 1,2 μm ≤ T₂ ≤ 3 μm ist.
Modenwandler (100, 100', 100'') nach einem der Ansprüche 36–39, worin die Dicke (T₁) des ersten Wellenleiterkerns (1) 1 μm ≤ T₁≤ 5 μm ist.
Modenwandler (100, 100', 100'') nach einem der Ansprüche 36–40 und Anspruch 2, worin der verjüngte Bereich (13, 13') des dritten Wellenleiterkerns (3) entlang der zusätzlichen Hauptlängsrichtung des dritten Wellenleiters (3a) eine Länge (L) zwischen 200 μm und 5000 μm umfasst.