DE2517072A1 - Optische koppelvorrichtung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Koppelvorrichtung mit Höhenausgleich für integriert-optische Bausteine.

Geht man bei der Herstellung von integriert-optischen Schaltungen nicht von einer Monolithtechnik aus, sondern von je nach Funktion der Komponenten optimal gewählten Wellenleiter- und Substratmaterialien, wie es zunehmend der Fall ist, so müssen die Wellenleiter der Komponentensubstrate optisch auf einem gemeinsamen Grundsubstrat miteinander verbunden werden. Ein typisches Beispiel für die Notwendigkeit einer wellenleitenden Verbindung auf getrennten Komponentensubstraten liegt beim Verbinden eines Wellenleiterlasers mit einem externen Wellenleitermodulator vor.

Der Wellenleiterlaser ist z.B. in einer epitaktischen Nd :YAG-Schicht auf einem Saphir-Komponentensubstrat erzeugt und der Wellenleitermodulator in einer epitaktischen LiNbO^-Schicht auf einem geeigneten anderen Kristallsubstrat, die miteinander gekoppelt werden sollen.

Da die Dicke der verwendeten Wellenleiter in der Größenordnung von Mikrometern ist und das Modenverhalten nicht durch Undefinierte Koppelstellen, wie z.B. lichtleitende Lacktropfen, oder andere Immersionen gestört werden soll, ist das Verbinden von integriert-optischen Bausteinen bisher technologisch sehr aufwendig gewesen. So ließ sich bisher eine optimale Verbindung der Wellenleiterstücke, die auf verschiedenen Komponentensubstraten aufgebracht sind, nur dadurch erreichen, daß die Komponentensubstrate aus einem gemeinsamen, beidseitig auf

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p. /10 planpolierten Block geschnitten und anschließend auf einem ebenfalls auf /> /10 planen Grundsubstrat aufgesprengt wurden.

Für die Herstellung derartiger fluchtender Wellenleiterverbindungen in der Hybridtechnik ist demgemäß ein erheblicher technologischer und "personeller Aufwand erforderlich., wie er zwar für Grundsatzexperimente geeignet ist, nicht jedoch für die praktische Anwendung von hybriden integriert-optischen Bausteinen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine optische Koppelvorrichtung mit Höhenausgleich für integriert-optische Bausteine anzugeben, mit der trotz Präzisionsverarbeitung die technologischen Anforderungen erheblich reduziert werden können.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Koppelvorrichtung ein Zwischensubstrat enthält, auf dem eine Wellenleiterbrücke mit geometrisch stetigem Anschluß aufgebracht ist.

Das Zwischensubstrat kann vorteilhafterweise ein Abschnitt eines kreiszylindrischen Stabes sein, der in zwei parallel zu seiner Achse verlaufenden Bereichen facettiert ist.

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel kann das Zwischensubstrat ein gekrümmt eingespanntes Band oder eine gekrümmt eingespannte Faser sein.

In bestimmten Fällen kann es vorteilhaft sein, wenn zwischen dem Zwischensubstrat und der Wellenleiterbrücke noch eine dielektrische Hilfsschicht angeordnet ist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung beispielsweise beschrieben. Es zeigen:

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Figur 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Koppelvorrichtung,

Figur 2 eine Koppelvorrichtung mit einem eingespannten Band, Figur 3 eine Koppelvorrichtung mit einer eingespannten Faser, Figur 4 eine Koppelvorrichtung mit verbesserten Einkoppeleigenschaften und
Figur 5 eine Koppe!vorrichtung mit einer integrierten Brücke.

Bei der in Figur 1 schematisch dargestellten optischen Koppelvorrichtung, sind mit 1 und 2 die verschiedenen Komponentensubstrate bezeichnet. Sie können einen Höhenunterschied (d^ - dp) =Ad aufweisen und auch in Ausbreitungsrichtung χ der geführten Welle keilförmig sein. Die Substratunterseiten müssen nicht präzisionspoliert sein, weil die Komponentensubstrate 1, 2 nicht an das Grundsubstrat 3 angesprengt werden müssen, sondern z.B. aufgekittet werden können. Nach dem Befestigen des Komponentensubstrates 1 wird auf dem Grundsubstrat 3 ein Zwischensubstrat 4 befestigt, nachdem es bis zum Kontakt gegen die Kante 5 des Komponentensubstrates 1 geschoben wurde. Anschließend wird entsprechend das Komponentensubstrat 2 befestigt.

Das Zwischensubstrat 4 ist z.B. ein Abschnitt eines kreiszylindrischen Stabes, der zusätzlich in zwei parallel zu seiner Achse laufenden Bereichen deraat facettiert sein kann, daß Kontaktflächen unter den Neigungswinkel o£ , ©C ρ entstehen. Die Komponentensubstrat-Stirnflächen sind derart bearbeitet, daß beim Zusammenfügen eine kleine Winkeldifferenz4 cL mit einem Hohlraum zum Grundsubstrat 3 verbleibt. An den scharfen Kontaktkanten 5 werden das Komponentensubstrat und das Zwischensubstrat, ggf. mit einer geringen Menge Fugenmasse 6 von geeignetem Brechungsindex, miteinander verbunden. Der Zwischensubstratradius und bei vorhandenen Facetten auch die Neigungswinkel °C werden so bestimmt, daß die Oberflächenkrümmung an den Kontaktstellen .5 stetig verläuft und hinreichend gering ist, um größere Strahlungs-

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Verluste zu. vermeiden.

Die Brechungsindices von Zwischensubstrat und Fugenmasse sind den Brechungsindices der zu koppelnden Wellenleiter 7, 8 derart anzupassen, daß nach Aufbringen der Wellenleiterbrücke 9 auf das Zwischensubstrat 4 eine leckwellenfreie Führung des Lichtes über die Brücke 9 eintritt. In den Bereichen 10 und 11 wird die geführte Welle vom Wellenleiter 7 in die Wellenleiter- ' brücke 9 bzw. von der Wellenleiterbrücke 9 in den^Wellenleiter 8 übergekoppelt. Zwischen der Wellenleiterbrücke 9 und dem Zwischensubstrat 4 kann sich im Bereich 12 noch eine weitere nicht dargestellte dielektrische Hilf sschicht befinden. Diese Hilfsschicht und die Wellenleiterbrücke 9 können z.B. durch Aufdampfen, Sputtern oder andere Verfahren in definierter, den Wellenleitern 7 und 8 angepaßter Dicke aufgebracht werden.

Anstelle eines kreiszylindrischen Stabes kann das Zwischensubstrat, wie es Figur 2 zeigt, auch ein gekrümmt eingespanntes Band sein oder, wie es Figur 3 zeigt, eine gekrümmt eingespannte Faser 4.

Figur 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Koppelvorrichtung. Hier greift das Zwischensubstrat 4 auf das niedrigere Grundsubstrat 2 über, so daß eine zusätzliche höher liegende Auflagefläche geschaffen wird, wodurch sich die Einkoppeleigenschaften am Übergang der Wellenleiterbrücke 9 zum Wellenleiter 8 verbessern.

Bei dem in Figur 5 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Wellenleiterbrücke 9 direkt auf dem Komponentensubstrat 2 aufgebracht und stellt das taperförmige Ende des Wellenleiters 8 dar, während das Ende des Komponentensubstrates 2 als Zwischensubstrat ausgebildet ist. Damit kann das Licht aus dem Wellenleiter 7 z.B. eine Laserdiode in den geringfügig, höherliegenden Wellenleiter 8 verlustarm eingekoppelt werden.

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Bei einem praktischen Versuch wurden zwei integriert-optische Bausteine miteinander gekoppelt, deren Komponentensubstrate 1, 2 aus Quarz mit dem Brechungsindex η = 1,47 bestanden und deren Höhen d. = 0,8 mm und d_? = 0,6 mm betrugen. Das Zwischensubstrat 4 bestand ebenfalls aus Quarz, während die Wellenleiter 7, 8 und die Wellenleiterbrücke 9 aus einer 0,5 /um dicken Al_0 -Schicht mit dem Brechungsindex η = 1,63 bestanden. Als Fugenmasse 6 hat sich dabei Zimtaldehyd bewährt.

7 Patentansprüche
5Figuren

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Claims (7)

-O- Patentansprüche

1.) Optische Koppelvorrichtung mit Höhenausgleich für integriert-optische Bausteine, dadurch gekennzeichnet , daß sie ein Zwischensubstrat enthält, auf dem eine Wellenleiterbrücke mit geometrisch stetigem Anschluß aufgebracht ist.

2. Koppelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Zwischensubstrat ein Abschnitt eines kreiszylindrischen Stabes ist, der in zwei parallel zu seiner Achse verlaufenden Bereichen facettiert ist.

3. Koppelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k en η zeichnet , daß das Zwischensubstrat ein gekrümmt · eingespanntes Band ist.

4. Koppelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Zwischensubstrat eine gekrümmt eingespannte Faser ist.

5. Koppelvorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch g e kennzeichnet , daß zwischen dem Zwischensubstrat uiü der Wellenleiterbrücke noch eine dielektrische Hilfsschicht angeordnet ist.

6. Koppelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Zwischensubstrat an der Unterseite eine Aussparung enthält, mit der es auf dem zweiten Wellenleiter ruht.

7. Koppelvorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 6, dadurch g e kennzeichnet , daß das Zwischensubstrat die direkte Fortsetzung eines Komponentensubstrates ist.

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